Отзыв ведущей организации (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕХАНИКИ им. А.Ю. ИШЛИНСКОГО РОССИЙСКОЙАКАДЕМИИНАУК (ИПМех РАН) пр. Вернадского, д.101, к.1, г. Москва, 119526 Тел. (495) 434-00-17 Факс 8-499-739-95-31 ОКПО 02699323, ОГРН 1037739426735 ИНН1КПП 77291383387772901001 «УТВЕРЖДАЮ» И. о. Директора ИПМех РАН . Карев 201б г. ОТЗЫВ ведущей организации ИПМех РАН на диссертационную работу ГрибоваДениса Алексеевича на тему «Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.08 — Биомеханика На ная значимость ез льтатов иссе т ионной аботы заключается в: создании целостной конечно-элементной биомеханической модели системы «Грудная клетка— Корректирующие пластины», учитывающей индивидуальные особенности строения биологических структур конкретного пациента; разработке методики моделирования хирургического исправления воронкообразной деформации грудной клетки, позволяющей предсказывать результаты операции и проводить параметрический анализ по основным параметрам модели: количеству, геометрии и расположению корректирующих пластин.

А альность аботы. Одним из доминирующих трендов современной медицины является тенденция ко все большей индивидуализации лечения, что требует для своей реализации привлечения всего арсенала современной науки и инженерии. Диссертация Д.А.Грибова лежит в русле этой тенденции и посвящена созданию биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки (ВДГК) малоинвазивным методом, предложенным в 1987 году Нассом. Суть метода — установка внутри грудной клетки (ГК) корректирующих пластин (КП). Актуальность работы обусловлена необходимостью предварительной оценки результатов лечения и определения оптимальных параметров будущей операции. Современные средства обработки результатов медицинской диагностики и методы численного моделирования, реализованные в соответствующих программных комплексах, в принципе дают возможность решать данную проблему для каждого конкретного пациента.

Иными словами, позволяют реализовать широко внедряемую сейчас во всем мире идеологию персонализированной (индивидуально-ориентированной) медицинской помощи. П актическая значимость ез льтатов аботы заключается в доведении модели до уровня, позволяющего существенно продвинуться по пути ее индивидуализации (т.е. персонализации хирургического лечения ВДГК), исследовании разработанной методики моделирования, а также во внедрении результатов работы в практику хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки в ГБУЗ МО «Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф.

Владимирского». К аткий обзо аботы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 107 наименований. Работа изложена на 156 страницах, включает 19 таблиц н 100 рисунков. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены научные положения, выносимые на защиту, а также результаты апробации. В первой главе проведен обзор методов моделирования поведения грудной клетки при различных условиях нагружения.

Выявлено успешное применение комплексного компьютерного метода, включающего совместное использование данных клинических исследований и современных программных пакетов. Установлено отсутствие методики, в которой рассматривалась бы модель всех основных элементов биомеханической системы «Грудная клетка — Корректирующие пластины» и программное моделирование исправления ВДГК при операции по Нассу. Это не дает возможности удовлетворительного количественного прогнозирования формы и напряженно-деформированного состояния компонентов ГК и КП. Во второй главе кратко описана анатомия грудной клетки человека и ее отдельных компонентов: ребер, грудины, реберных хрящей, позвоночного столба. На основе анализа данных, представленных в различных литературных источниках, выбрана модель материала для всех компонентов грудной клетки — однородный, изотропный, линейно-упругий материал — и установлены значения механических характеристик для каждого компонента.

Проведена оценка влияния анизотропии упругих свойств биологических тканей на результаты моделирования. С этой целью на основе стандартной техники интегралов Мора рассмотрена модельная задача о пространственном изгибе стержня (ребро ГК), имеющего форму полуокружности (плоскость полуокруж ноет и составляет угол с вертикалью), жестко заделанного одним концом (в позвоночник) и нагруженного концевой силой в сагиттальном направлении на другом (свободном) конце. Использованы изотропная и ортотропная модели материала ребра.

Разница в перемещениях конца стержня для обеих моделей материалов составила 37;4. Поэтому автором был сделан вывод о целесообразности проведения аналогичного сопоставления результатов и прн моделировании операции. Изучена возможность дискретного (неоднородного) задания плотности и модуля Юнга для компонентов грудной клетки по эмпирическим уравнениям, связывающим эти величины со значениями рентгеновской плотности по Хаусфилду (Н1)) на компьютерных томограммах (КТ). Подобный подход позволяет учитывать особенности состояния рассматриваемой структуры у конкретного пациента, но имеет ряд ограничений.

Важнейшие из них — это: 1) отсутствие надежных данных по виду связи для хрящевой ткани (уравнения для костных тканей установлены); 2) необходимость больших компьютерных мощностей, пока что мало доступных на практике. Именно эти обстоятельства не позволяют персоналнзировать методику прямо сейчас и вынуждают при моделировании операции использовать взятые из литературы усредненные значения механических характеристик. В третьей главе описана методика создания индивидуальной конечно-элементной модели грудной клетки конкретного пациента, которому была выполнена операция по Нассу и установлено две корректирующих пластины из титана. Подробно описан алгоритм обработки предоперационной и послеоперационной компьютерных томограмм пациента в программном комплексе Анита, а также обработка предоперационной конечно-элементной модели в программном комплексе А11а1г НурегМезЬ.

Комплекс А11а1г НурегМезЬ использовался для передачи модели из Алпга в конечно-элементный комплекс АМЯУЯ. В четвертой главе представлены методика и алгоритм моделирования операции по Нассу в АИЗУЯ. Представлены результаты оценки качества разработанной конечно-элементной модели грудной клетки и установлено минимальное количество элементов модели (725000). Описан алгоритм создания и закрепления моделей КП в модели грудной клетки. Моделирование операции выполняется за два шага. На первом шаге, при помощи приложения усилий к грудине и ребрам, грудина поднимается над КП.

На втором шаге моделируется процесс плавного опускания грудины на расположенные под ней КП . Адекватность результатов моделирования оценивается на основе сравнения экспериментальных и теоретических данных, к которым относятся: точная послеоперационная форма грудной клетки; экспериментальные данные по определению подъемного усилия, требуемого для исправления деформации; результаты расчетов других авторов.

Также представлены результаты оценки влияния механических характеристик биологических тканей на результаты моделирования. При этом выяснилось, в частности, что анизотропия костных тканей оказывает незначительное влияние на расчетные значения деформационных характеристик ГК (доли %), но может привести к существенному (десятки %) увеличению максимальных расчетных напряжений.

Поэтому учет анизотропии желателен, хотя и сопряжен с заметным увеличением объема необходимых вычислений. Автор делает заключение, что проведенные исследования показали возможность применения разработанной методики для прогнозирования результатов и выбора наилучших параметров операции. Об ая о евка аботы. Автор демонстрирует профессиональное владение современными методами моделирования и анализа биомедико-технических систем.

За основу взят современный комбинированный подход, основанный на технологии «Компьютерная Томограмма -+ Интерфейс подготовки данных -+ МКЭ пакет». Наряду с классическими средствами численного анализа, такими как МКЭ, он включает также и авангардные методики персонализированного определения геометрических и биомеханических характеристик индивидуального конкретного пациента на основе КТ и современного специализированного программного обеспечения по их распознаванию и анализу (М(пи сз, Аппга, Айайг НурегМеза). Сейчас эти методы продолжают активно завоевывать буквально все области хирургии, а также травматологию и ортопедию.

Нет сомнений, что в обозримое время это приведет к созданию автоматизированных рабочих мест соответствующих специалистов-медиков, в том числе включающих в себя и наработки автора по моделированию метода Насса. Одновременно автор демонстрирует и столь необходимые в научной работе качества, как уверенное владение базовыми аналитическими навыками (на примере модельной задачи 2-й главы), изобретательность (авторская схема двухэтапного моделирования операции), понимание необходимости оценки влияния факторов «второго ряда» (анизотропия, нелинейность и т.п.), оценки чувствительности модели к вариации базовых биомеханических параметров.

Работу можно оценить как полноценное, высококвалифицированное научное исследование, выполненное на мировом уровне и относящееся к одной из прорывных областей современной биомеханики. Наконец, нельзя не отметить то, что автореферат, а особенно диссертация, прекрасно оформлены, написаны хорошим русским языком, изложение четкое и ясное. остове ность пол енных ез льтатов и выводов диссертации определяется опорой на базовые положения и весь корпус классической механики деформируемого тела, грамотным и корректным использованием современных программных средств (МКЭ пакет АХБУЗ, система подготовки данных Айа1г НурегМезЬ, программные комплексы обработки компьютерных томограмм М1ш1сз и Аппга), хорошей согласованностью результатов расчетов с результатами моделирования других авторов и доступными экспериментальными данными, а также тесной связью с практикующими медиками.