Автореферат (1025645), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Алгоритм включает в себяхрящипредварительноеавтоматическоеМежпоз-ныйопределение областей компонентовРебрадискПозвонокРеберныегрудной клетки на основе заданияхрящипороговых значений рентгеновскойМежпоз-ныйплотности по шкале Хаунсфилда (HU) Рис. 4. РезультатдисксегментацииодногоПозвонокдля соответствующего типа ткани ииз снимков предоперационной КТпоследующую доработку полученныхобластей при помощи инструментов интерактивного редактирования иавтоматических фильтров. Диапазон HU для определения областей хрящевойткани составлял 60 ≤ HU < 150, костной ткани – HU ≥ 150. В результатеокончательной сегментации на снимках КТ выделялись области, относящиеся кребрам 1-8, реберным хрящам 1-8, грудине, позвонкам L1-L2, T1-T12, C7 имежпозвоночным дискам (см.
Рис. 4).Установленыоптимальныезначенияпараметровинструментаавтоматического создания триангулированной поверхностной модели груднойклетки, основанной на результатах сегментации. Основными особенностямиданного процесса является корректный выбор метода сглаживания и учетсоздания замкнутых поверхностей для каждого компонента модели.8ОпределеныпараметрыТаблица 5.инструмента автоматического созданияДлины сторон элементовконечно-элементноймоделигрудной для каждого компонента модели ГКклетки,основаннойнаполученнойДлина,Элементповерхностной модели. Приняты средниеммзначения длин сторон элементов для Ребра, грудина2,5Длина,каждого компонента модели (см.
Таблицу 5). Реберные хрящи1,5ЭлементммПредставлены значения параметровПозвонки2,7оценки качества тетраэдров и способы Ребра, грудина2,5Межпоз-ные диски1,4автоматической корректировки элементов, Реберные хрящи1,5которые были использованы при оптимизациикачества конечно-элементнойПозвонки2,7модели. В результате полученная модель содержала157072 узлов и 725134Межпозвоночные1,4элементов.дискиПредставлена послеоперационная поверхностнаяТаблица 5 – Длины сторонмодель грудной клетки, полученная при элементовпомощииспользования разработанного алгоритма (Рис.5).для каждогокомпонента модели ГКМодель использовалась для оценки послеоперационнойформы грудной клетки и определения местарасположения и формы КП.Описан процесс обработки предоперационнойконечно-элементной модели грудной клетки впрограммном комплексе Altair HyperMesh, основнойцелью использования которого являлась передачамодели из Amira в ANSYS.
Особенностью обработкимодели является: перенумерации узлов и элементовконечно-элементной сетки, назначения конечногоРис. 5.элемента ANSYS тетраэдрам модели, назначенияПослеоперационнаясвойств материалов компонентам модели. Так как все поверхностная моделькомпоненты модели состоят из 4-х узловых тетраэдров,грудной клеткито из базы HyperMesh был выбран элемент SOLID185,представленный на Рис. 6.Глава четыре посвящена описанию процессамоделирования операции Насса в конечно-элементномкомплексе ANSYS.Представлены результаты проверки качестваполученной конечно-элементной сетки. Для этой целибыло построено 7 моделей грудных клеток, состоящих изразличного количества элементов (от 313082 до 908539).Нагружение моделей осуществлялось по схеме,представленной в работах, посвященных моделированиюоперации Насса (см. Рис. 7).
К узлам, принадлежащимнаружной поверхности грудины было приложеноподъемное усилие F = 170 Н, а к узлам, принадлежащимнаружной поверхности ребер – опорные реакции R,Рис. 6. Конечныйэлемент SOLID1855 – Конечный9элемент SOLID185сумма которых равнялась подъемному усилию. Закрепление моделейвыполнялось за счет фиксации узлов, принадлежащих нижней части позвонка L2и верхней части позвонка С7, от перемещений по всем степеням свободы.
Врезультате моделирования определялось перемещение конца грудины, а такжемаксимальные эквивалентные напряжения в модели. Из Таблицы 6 видно, чтоувеличение количества элементов более 725000 практически не влияет нарезультат. В связи с этим сделан вывод о приемлемом качестве полученнойконечно-элементной сетки.Таблица 6.Результаты оценки качества конечно-элементной сеткиПараметрЗначениеКоличество элементов 313082 437469 569025 631297 725134 811625 908539Перемещение конца51,52 56,1259,560,85 61,68 62,17 61,77грудины, ммРазличие, %8,25,682,221,350,790,65Максимальное82,95 73,77 65,55 73,75 74,91 74,56 74,89напряжение, МПаРазличие, %12,44 12,54 12,221,550,470,44Описаны инструменты, используемые при создании моделей КП.Информация о форме и расположении пластин была получена при помощиизмерений, выполненных на послеоперационной поверхностной модели груднойклетки в программном комплексе Amira.
В связи с тем, что моделированиепроцесса поворота пластин при помощи средств ANSYS не проводилось,пластины сразу моделировались в их конечном положении. При этом внутренняяповерхность пластин располагалась на небольшом расстоянии (не более 1 мм) отместа их фактического соприкосновения с ребрами. Аппроксимация КПосуществлялась элементами типа SOLID185 в опции гексаэдра. Механическиесвойства титанового сплава марки ВТ6: модуль упругости – 115000 МПа,коэффициент Пуассона – 0,3, предел прочности – 400 МПа.Представлен алгоритм создания связей между КП и компонентами груднойклетки.
Связи были наложены таким образом, чтобы, с одной стороны, пластиныне мешали свободному деформированию грудной клетки при перемещениигрудины и, с другой стороны, оставались в заданном положении. Задачарешалась при помощи определения кинематических ограничений (использовалсяметод многоточечных связей) между пластинами, ребрами и грудиной.Взаимодействие КП с грудиной моделировалось посредством созданияконтактных поверхностей, принадлежащих наружной поверхности пластин ивнутренней поверхности грудины.Описана разработанная методика моделирования операции Насса.
Процессмоделирования был разделен на два этапа:1.Нагружение модели, позволяющее поднять грудину над КП.2.Разгрузка модели, позволяющая опустить грудину на КП.10Нагружение модели осуществлялось по схеме, представленной на Рис. 7. Напервом этапе решения задачи грудина должна беспрепятственно проходить сквозьпластины с учетом наличия контактных пар между данными компонентами. Дляэтой цели к элементам данных контактных пар была применена опция смертиэлементов.
Основным критерием выполнения первого этапа являлся подъемвнутренней стороны грудины над КП с небольшим зазором.На втором этапе решения задачи грудина должна быть опущена нарасположенные под ней пластины. С этой целью подъемное усилие и опорныереакции удалялись, а к контактным элементам применялась опция рождения. Приэтом оптимальное значение шага по нагрузке, требуемого для корректногорешения контактной задачи, составляло 0,005·F и 0,005·R.225 мм64225 мм64ZXYZRXY263FR16F35RR11 –2начальное положение грудины; 2 – ребра, на которые опираетсякорректирующая пластина; 3 – корректирующая пластина; 45 – положениегрудины в конце первого шага нагружения; 5 – узлы контактной поверхности,принадлежащие наружной поверхности ребер, грудины и внутреннейповерхности пластин, служащие для определения кинематических ограничений; 6– элементы контактного взаимодействия между внутренней поверхностьюгрудины и наружной поверхностью пластин (с указанием направления нормалей)Рис.
7. Схема определения контактных взаимодействий между пластиной,ребрами и грудиной; схема приложения расчетных нагрузокВыполнена оценка результатов моделирования (см. Рис. 8, 9 и Таблицу 7).Проведено сравнение расчетной и фактической форм грудной клетки; выполненаоценка напряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки иКП; определены контактные усилия, возникающие в области контакта пластин сгрудиной. Для оценки влияния механических характеристик биологическихтканей на получаемые результаты, моделирование операции проводилось как сиспользованием изотропной модели материала для всех компонентов груднойклетки (при минимальных, средних и максимальных значениях характеристик),так и с использованием трансверсально-изотропной модели материала ребер (приЕ2 = Е3 = 5800 МПа, G12 = G31 = 3300 МПа).11Основными параметрами, по которым оценивалось изменение формыгрудной клетки, являлись подъем нижней точки грудины и изменение шириныгрудной клетки.
Реальные значения указанных параметров были определены порезультатам обработки предоперационной и послеоперационной КТ груднойклетки пациента, выполненной в Amira. Подъем нижней точки грудины составлял53,3 мм, а ширина грудной клетки до и после операции – 305,1 мм. Установлено,что расчетные значения параметров, представленные в Таблице 7, незначительнопревышают фактические значения. Сделано предположение, что полученныерасхождения между фактическими и расчетными параметрами формы груднойклетки обусловлены допущениями, принятыми при моделировании, а такжеотсутствием учета адаптации грудной клетки к приложенной нагрузке.ммМПаммМПаа)б)Рис. 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
