Диссертация (1025646), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Из-за наличия артефактов, возникающихна снимках КТ в местах установки металлических имплантатов, основнойтрудностью процесса сегментации являлось выделение областей, относящихся ккорректирующим пластинам. Поэтому создание и редактирование данныхобластей выполнялось исключительно в интерактивном режиме, используяизменение способа визуализации данных – задание диапазона отображаемыхпикселей по шкале Хаунсфилда (см. Рис. 3.30).
После сегментации создаваласьповерхностнаямодельгруднойклеткипосредствомрасчетногомодуляSurfaceGen. При этом последующее упрощение и редактирование полученноймодели не проводились. Послеоперационная поверхностная модель груднойклетки представлена на Рис. 3.31.Артефактыа)Областькорректирующейпластиныб)Рис. 3.30. Сегментация снимков послеоперационной КТа) визуализация артефактов, возникающих в области расположениякорректирующей пластины; б) изменение способа визуализации данных ивыделение области, относящейся к корректирующей пластине104КорректирующиепластиныРис. 3.31. Послеоперационная поверхностная модель грудной клеткиВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 31.Выполнен краткий обзор современных программных комплексов,используемых в рамках данной работы для создания модели грудной клетки ипроведения моделирования операции Насса.2.Насса,Описаны исходные данные для выполнения моделирования операциикоторымиявляются:предоперационнаяипослеоперационнаякомпьютерные томограммы пациента 18-ти лет с симметричным типомворонкообразной деформации, информация о параметрах корректирующихпластин, установленных при операции.3.Разработана методика создания индивидуальной конечно-элементноймодели грудной клетки при помощи программного комплекса Amira.4.Определены параметры инструментов для сегментации снимков КТ,создания и оптимизации поверхностной и конечно-элементной моделей груднойклетки.5.Разработанаметодикаобработкииндивидуальнойконечно-элементной модели грудной клетки при помощи программного комплекса Altair105HyperMesh.6.Краткоописанаметодикасозданияпослеоперационнойповерхностной модели грудной клетки, включающей модели корректирующихпластин.106ГЛАВА 4.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ НАССА В КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS4.1. Особенности процесса моделирования операцииОсновными задачами данного этапа моделирования являлись: импортполученной конечно-элементной модели в программный комплекс ANSYS,моделирование операции Насса, анализ и оценка адекватности полученныхрезультатов.Описаниеинтерфейсапрограммыпредставленов[107].Решениепоставленных задач в конечно-элементном комплексе ANSYS может бытьвыполнено как в пакетном режиме, с использованием команд языка APDL, так иприпомощиграфическогоинтерфейсапользователя(GUI).Примерыиспользования обоих подходов представлены в справочной документации [107], атакже в работах [1, 2, 10, 13].
При выполнении данной работы все операциивыполнялись с использованием графического интерфейса пользователя.4.2. Импорт конечно-элементной модели грудной клеткиНа первом шаге осуществлялся импорт модели грудной клетки в формате*.cdb в программу через меню утилит (File → Read Input from). Процесс импортасопровождается визуализацией выполнения команд по созданию узлов иэлементов модели. Также результат выполнения команд отображается в окнесообщений. В ходе импорта ANSYS производит проверку качества элементовконечно-элементной сетки.
Для каждой грани тетраэдра проверяется соотношениеразмеров – Aspect Ratio (данный параметр вычисляется на основе измеренийуглов при вершинах грани) и максимальный угол между ее сторонами – MaximumCorner Angle. По умолчанию максимальное значение для параметра Aspect Ratioсоставляет 20, для Maximum Corner Angle – 165.
Если в ходе проверки гранизначение одного из параметров превышает максимальное значение, то ANSYSотображает окно с соответствующим предупреждением (см. Рис. 4.1). Все107сообщения с предупреждениями и ошибками, возникающими в процессемоделирования, записываются в файл формата *.err, содержащийся в рабочейпапке программы.
После завершения процесса импорта было получено 45предупреждений: для 32-х тетраэдров параметр Aspect Ratio варьировался вдиапазоне 20,32 58,46 и для 13-ти тетраэдров параметр Maximum Corner Angle –165,2 173,7. Общее количество некачественных тетраэдров в модели составляло34, что пренебрежимо мало по отношению к общему количеству элементов –725134. Анализ некачественных элементов, осуществляемый командой MainMenu → Preprocessor → Meshing → Check Mesh → Individual Elm → SelectWarning / Error Elements, показал, что все элементы расположены в областимежпозвоночных дисков.
Так как оценка НДС данного компонента модели неявляетсяосновнойзадачеймоделирования,тоисправлениеформынекачественных элементов средствами ANSYS не производилось.Рис. 4.1. Предупреждение программы ANSYS о превышении соотношенияразмеров (Aspect Ratio) для треугольной граниПосле импорта модели информация обо всех ее компонентах представлена вменеджере компонентов (Component Manager), где указывается имя компонента иколичество входящих в него элементов (см. Рис. 4.2). Менеджер компонентовпозволяет создавать, удалять и выделять отдельный набор элементов, чтоявляется необходимым при создании модели и последующем анализе результатоврасчета. Вызов окна менеджера осуществляется через меню утилит Utility Menu→ Component Manager.
Просмотр и редактирование свойств материалов,созданных в HyperMesh, выполняется в окне моделей материалов – Main Menu →Preprocessor → Material Props → Material Models.108Рис. 4.2. Диалоговое окно менеджера компонентов4.3. Оценка качества конечно-элементной модели грудной клеткиТочность расчета методом конечных элементов зависит, в первую очередьот качества рассматриваемой конечно-элементной модели. Основной задачеймодели является обеспечение выполнения расчета с необходимой точностью приминимальных затратах вычислительных мощностей.UX = UY = UZ = 0RFUX = UY = UZ = 0Рис. 4.3. Модель грудной клетки с заданными граничными условиямиДля выполнения проверки качества полученной конечно-элементной сеткибыло построено 7 моделей грудных клеток, состоящих из различного количестваэлементов.
Создание конечно-элементных моделей грудных клеток и их экспорт вANSYS выполнялись на основе описанных выше алгоритмов. Количествоэлементовварьировалосьосуществлялосьпомоделированиюоперацииотсхеме,313082до908539.представленнойНасса.Кузлам,вНагружениеработах,моделейпосвященныхпринадлежащимнаружной109поверхности грудины было приложено подъемное усилие F, а к узлам,принадлежащим наружной поверхности ребер – опорные реакции R (см. Рис.
4.3).Закрепление модели выполнялось за счет фиксации узлов, принадлежащихнижней части позвонка L2 и верхней части позвонка С7, от перемещений по всемстепеням свободы.В результате моделирования определялось суммарное перемещение концагрудины (Рис. 4.4, а), а также максимальные эквивалентные напряжения в модели(Рис. 4.4, б). Из Таблицы 16 видно, что увеличение количества элементов более725000 практически не влияет на результат. Таким образом, разработаннаяконечно-элементная модель грудной клетки, содержащая 725134 элемента,обладает приемлемым качеством.мма)МПаб)Рис.
4.4. Результаты моделирования, полученные для одной из конечноэлементных моделей грудных клетока) поля распределения суммарных перемещений; б) поля распределенияэквивалентных напряжений110Таблица 16.Результаты моделированияПараметрКоличествоэлементовМаксимальноеперемещение, ммЗначение313082 437469 569025 631297 725134 811625 90853951,52Различие, %Максимальноенапряжение, МПа82,95Различие, %56,1259,560,8561,6862,1761,778,25,682,221,350,790,6573,7765,5573,7574,9174,5674,8912,4412,5412,221,550,470,444.4.
Создание конечно-элементных моделей корректирующих пластинОдной из важнейших задач операции Насса является подбор количества иформы корректирующих пластин. Первоначально корректирующие пластиныдеформируются таким образом, чтобы они плотно прилегали к предварительноисправленной грудной клетке пациента. Как указывалось выше, пластинапредставляет собой прямую на отрезке, соединяющем наиболее выступающиеточки грудино-реберного комплекса, а на концах повторяет контур груднойклетки. После установки пластин внутри грудной клетки обычно производитсядополнительная коррекция кривизны их концов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
