Диссертация (1025646), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Рис. 4.16): для графического представлениярезультатов – Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot →Nodal Solu, для листинга результатов – Main Menu → General Postproc → ListResults → Nodal Solution.Основнымизадачамиисследованияявлялись:оценканапряженно-деформированного состояния грудной клетки и корректирующих пластин послеоперации; определение контактных усилий, возникающих в области контактапластин с грудиной. Для оценки влияния механических характеристикбиологических тканей на получаемые результаты, моделирование операциипроводилось как с использованием изотропной модели материала для всехкомпонентов грудной клетки при минимальных, средних и максимальныхзначениях характеристик (см.
Таблицу 8), так и с использованием трансверсальноизотропной модели материала ребер при Е2 = Е3 = 5800 МПа, G12 = G31 = 3300126МПа (см. Таблицу 9). При применении трансверсально-изотропной модели ребердля остальных компонентов грудной клетки использовалась изотропная модельматериала со средними значениями характеристик. Использование данной моделиребер вместо описанной выше ортотропной модели обусловлено сложностьюзаданиякорректнойориентациисистемкоординатвсехтетраэдров,принадлежащих ребрам, а также незначительным различием между модулямиупругости Е2, Е3 (11%) и модулями сдвига G12, G31 (3%). Назначение свойствтрансверсально-изотропной модели ребер осуществлялось в соответствии сподходом, представленным в [66].Рис.
4.16. Диалоговое окно выбора параметров для их графическогопредставления в моделиРезультаты проведенного анализа представлены в Таблице 17. Анализполученных результатов включал в себя сравнение расчетной и фактическойформ грудной клетки, оценку полученных значений подъемных усилий, а такжеоценку напряженного состояния основных элементов грудной клетки и пластин.Основными параметрами, по которым оценивалось изменение формы грудной127клетки, являлись подъем нижней точки грудины, изменение ширины груднойклетки. Фиксация грудины в требуемом положении является основной задачейоперации, а изменение ширины грудной клетки, наблюдаемое в клиническойпрактике, обусловлено давлением, оказываемым на ребра со стороны пластин.Измеренияфактическихпараметровизмененияформыгруднойклеткиосуществлялись с использованием предоперационной и послеоперационноймоделей при помощи инструмента Measurement программного комплекса Amira.Ширина грудной клетки определялась как расстояние между двумя крайнимиточками, расположенными на шестой паре ребер, а перемещение конца грудины –как расстояние между точками, расположенными на внутренней поверхностиконца грудины предоперационной и послеоперационной моделей.
Проведенныеизмерения показали, что фактический подъем нижней точки грудины составляет53,3 мм. Ширина грудной клетки, составляющая до операции 305,1 мм, послеоперации практически не изменилась.Расчетные значения перемещений конца грудины, определенные какмаксимальные перемещения узла расположенного на внутренней поверхностиконца грудины, превышают фактическое значение.
Максимальное отклонение,полученное при использовании трансверсально-изотропной модели материаларебер, составляет 3,4 мм. Максимальное расчетное изменение ширины груднойклетки, измеренное между двумя узлами, принадлежащими шестой паре ребер,равно 15,8 мм. Полученные расхождения между фактическими и расчетнымипараметрами формы грудной клетки могут быть обусловлены допущениями,принятымипримоделировании(пренебрежениемышечнымаппаратом,упрощенное моделирование материалов биологических тканей, пренебрежениеподвижности в реберно-хрящевых, грудино-хрящевых, межхрящевых и ребернопозвоночных соединениях), а также неучетом адаптации грудной клетки кприложенной нагрузке. Рис. 4.17 демонстрирует поля распределения суммарныхперемещений в модели грудной клетки.128ммРис. 4.17.
Поля распределения суммарных перемещений в модели грудной клеткиТаблица 17.Результаты исследованияМодель материалаПараметрИзотропнаяМин.Средн.Макс.Трансверс.изотропнаяПеремещение конца грудины, мм56,656,455,856,7Ширина грудной клетки, мм320,6319,8319,0320,9Контактное усилие на пластине 1, Н166,9202,1231,0173,0Контактное усилие на пластине 2, Н20,640,756,719,5Максимальный прогиб пластины 1, мм4,75,96,55,0Максимальный прогиб пластины 2, мм0,10,30,70,1Максимальные значения эквивалентных напряжений, МПаРебра56,975,594,964,3Реберные хрящи5,37,68,86,1Грудина11,111,311,78,3Позвонки7,09,112,08,1Межпозвоночные диски0,20,20,20,2Пластина 1241,5297,0325,0245,2Пластина 223,132,454,422,2129В 2006 году рядом авторов были опубликованы результаты замеровподъемного усилия, требуемого для исправления воронкообразной деформации[98].
В исследовании участвовало 100 пациентов различного пола и возраста.Измерения проводились во время операции при помощи динамометра, которыйприкреплялся к концу грудины, а затем грудина поднималась в заданноеположение (см. Рис. 4.18).
Результаты данной работы, представленные в Таблице18, использовались для оценки адекватности контактных усилий, полученных вместах контакта грудины с пластинами.Рис. 4.18. Измерение подъемного усилия при помощи динамометра, описанное вработе [98]Таблица 18.Результаты определения подъемного усилия, требуемого для исправленияворонкообразной деформации в соответствии с [98]Пол (возраст) пациентовПараметрМуж.(5-17)Муж.(18-48)Жен.(10-17)Жен.(18-34)Среднее значениеподъемного усилия, Н181231153200Диапазон значенийподъемного усилия, Н80 – 250170 – 25070 – 220190 – 210Количество пациентов вгруппе315865130Таким образом, для рассматриваемого пациента суммарное контактноеусилие должно лежать в диапазоне 170–250 Ньютонов.
Расчетные значенияконтактных усилий, составляющие 187,5–287,7 Н, определялись посредствомсуммирования всех усилий, представленных в листинге результатов по данномупараметру для заданных контактных элементов – Contact Pressure (см. Рис. 4.19).Следовательно, суммарное контактное усилие, полученное при максимальныхмеханических характеристиках материалов, лежит выше экспериментальногодиапазона. Данный результат можно объяснить тем, что суммарное расчетноезначение усилия расположено не на конце грудины, как в описанной выше работе,а на некотором расстоянии от него, составляющем примерно ⅓ от длиныгрудины.Рис.
4.19. Листинг результатов определения контактных усилий в узлахконтактных элементовАнализ напряженного состояния компонентов модели показал, чтомаксимальные напряжения сконцентрированы на ребрах с 3-го по 7-е со сторонызадней стенки грудной клетки (см. Рис. 4.20, а, 4.21). Представленныемаксимальные значения эквивалентных напряжений, полученные на наружнойповерхности пятого ребра, не превышают заданного предела прочности.131МПаМПаа)б)Рис. 4.20. Поля распределения эквивалентных напряженийа) в модели грудной клетки; б) в модели реберных хрящейМаксимальныенапряжениядляреберныххрящей,полученныенавнутренней поверхности 5-го хряща в области грудино-хрящевого соединения,превышают предел прочности гиалинового хряща (см. Рис. 4.20, б).
Данныйрезультат подтверждается клиническим опытом, показывающим, что процедураНасса в редких случаях может приводить к частичному разрыву грудинохрящевых соединений в послеоперационном периоде. Повышенные значениянапряжений также могут быть обусловлены пренебрежением подвижности вуказанных соединениях. Результаты определения напряженного состояния ребери хрящей согласуются с результатами, представленными в работах [36, 73].Максимальные напряжения для грудины, полученные в области контактавнутренней поверхности грудины с пластиной 1, не превышают установленногопредела прочности.Напряжения, МПаНапряжения, МПа132Номер ребра– Средние х-ки– T. Nagasao– Минимальные х-ки– Максимальные х-ки– Трансверсально-изотропная модельНомер ребраNagasaoэквивалентных TomohisaРис.
Tomohisa4.21. Результат определенияTomohisaмаксимальныхнапряжений дляNagasaoNagasaoTomohisa NagasaoTomohisa Nagasao8-ми пар реберВ клинической практике установлено, что операция Насса часто приводит квозникновению умеренных и сильных болей вдоль позвоночного столба,продолжающихся до полугода после операции. Как описано выше, оценкавлияния операции Насса на позвоночный столб имеет немаловажное значение изза возможности дальнейшего развития грудного сколиоза, что особенно актуальнодля пациентов с асимметричным типом воронкообразной деформации [74, 76].Указанныеэффектысвидетельствуютоналичиидлительногопослеоперационного воздействия на позвоночный столб, которое требует оценки.Подобная оценка может быть осуществлена посредством определения величины инаправления усилий, действующих со стороны ребер на позвоночный столб. Этопозволит определить степень воздействия, а также потенциальное направлениеизменение формы позвоночника.
Рассматриваемый пациент имеет небольшое133отклонение грудного отдела позвоночного столба во фронтальной плоскости отего нормального положения, что можно наблюдать на предоперационной ипослеоперационной модели грудной клетки. Определение послеоперационноговоздействия на позвоночный столб осуществлялось при помощи выделения группузлов, расположенных на границе соединения ребер с позвонками и определенияузловых усилий посредством выполнения соответствующей команды – MainMenu → General Postprocessor → List Results → Nodal Loads.
Значения суммарныхузловых усилий (Fx, Fy, Fz), действующих в местах присоединения каждой парыребер (8 пар ребер) к позвонкам, приведены в Таблице 19.Таблица 19.Результаты определения суммарных узловых усилий, действующих в местахприсоединения 8-ми пар ребер к позвонкам1Механические характеристикиМинимальныеСредниеМаксимальныеFx, Н Fy, Н Fz, Н Fx, Н Fy, Н Fz, Н Fx, Н Fy, Н Fz, Н-2,08 10,17 5,65-3,12 15,96 7,41-6,15 22,56 12,762-30,152,29316,3934,834,7820,9145,337,2841,50-35,29-4,291,73-49,79510,92-28,25 -28,1461,46-8,637-1,3783,34№-15,30 -37,573,63-19,57 -41,374,48-21,9822,1952,4610,15-7,302,55-63,55 -11,0413,69-38,66 -36,6816,45-57,21 -52,439,141,42-5,1913,021,871,8718,3224,9228,59-1,6532,1636,50-1,5139,3444,930,45-0,434,600,51-0,655,970,68-0,71Из представленных данных видно, что для каждой пары ребер суммарныезначения узловых усилий отличаются по величине и направлению.
Максимальныеабсолютные величины усилий находятся в местах присоединения ребер 3-5 кпозвонкам, которые тем выше, чем выше принятые значения механическиххарактеристик.Величины суммарных векторов усилий представлены на Рис.4.22. Можно предположить, что продолжительное действие подобных усилий напозвоночный столб может привести к изменению его формы. Полученныевеличинынельзясчитатьдостовернымииз-заотсутствиякаких-либо134экспериментальных данных, а также учитывая принятые при моделированиидопущения. Однако можно провести качественную оценку влияния данноговоздействия на позвоночный столб посредством анализа направления действияВеличина суммарного вектора усилий, НВеличина суммарного вектора усилий, Нсуммарных усилий.Номер ребра– Минимальные х-ки– Максимальные х-ки– Средние х-ки– Трансверсально-изотропная модельНомер ребраTomohisaTomohisa NagasaoРис. 4.22.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
