Диссертация (1025646), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Результат определения величинысуммарного вектора усилий,NagasaoTomohisa NagasaoTomohisa Nagasaoдействующих в местах присоединения 8-ми пар ребер к позвонкамНа Рис. 4.23, а представлена модель позвоночного столба с проекциямивекторов суммарных усилий на фронтальную плоскость.
Из полученныхрезультатов видно, что суммарные усилия действуют в направлении имеющегосяискривления позвоночного столба, тем самым потенциально ухудшая его. Приэтом максимальные суммарные перемещения, полученные в грудном отделепозвоночника, являются незначительными (см. Рис.4.23, б). Максимальныенапряжения, возникающие в области соединения 4-го ребра с позвонками Т3, Т4,превышают принятые для позвонков величины предела прочности (см. Рис. 4.23,в).Очевидно,чтополученныйрезультат,преждевсего,обусловлен135пренебрежениемподвижностиреберно-позвоночныхимежпозвоночныхсоединений. Представленные максимальные значения эквивалентных напряженийдля наружной поверхности межпозвоночного диска, расположенного междупозвонками Т3, Т4, являются незначительными.
Клинические наблюдения запациентами с симметричным типом деформации показали, что данная операцияне приводит к каким-либо разрушениям реберно-позвоночных соединений илисерьезным изменениям формы позвоночного столба. Также, во время написанияданной работы для рассматриваемого пациента была проведена операция поудалению корректирующих пластин. За время ношения пластин (4 года) какоголибо заметного изменения формы позвоночного столба отмечено не было.МПамма)б)в)Рис. 4.23.
Результат определения воздействий и напряженно-деформированногосостояния позвоночного столбаа) модель позвоночного столба с проекциями векторов суммарных усилий нафронтальную плоскость; б) поля распределения суммарных перемещений (видспереди); в) поля распределения эквивалентных напряжений (вид справа)Поля распределения эквивалентных напряжений в корректирующихпластинах изображены на Рис. 4.24. Максимальные значения эквивалентныхнапряжений, возникающих впластине 1, не превышают заданного значенияпредела прочности материала пластин.
Однако напряжения, полученные присредних и максимальных механических характеристиках биологических тканей,выше предела текучести для данной марки титана (290 МПа), что может привести136к возникновению местных пластических деформаций в области контактапластины с грудиной. С одной стороны это может быть связано с повышеннойжесткостью грудной клетки из-за пренебрежения подвижности в соединенияхкомпонентов модели.
Однако полученный результат подтверждается тем, что вклинической практике после удаления корректирующих пластин отмечаетсянезначительное изменение их первоначальной формы (прогиб в центральнойчасти), что особенно характерно для пациентов старше 18-ти лет. Пластина 2оказалась значительно менее нагруженной по сравнению с пластиной 1 во всехрасчетных случаях. Несмотря на это в медицинской практике для столь глубокихдеформаций обычно устанавливаются две пластины.МПаа)МПаб)Рис.
4.24. Поля распределения эквивалентных напряжений в моделях КПа) пластина 1; б) пластина 2Сравнение результатов моделирования, представленных в Таблице 17,показало, что выбор модели материала ребер практически не влияет наопределение основных параметров деформированного состояния грудной клетки,тогда как погрешность определения напряженного состояния компонентовгрудной клетки и корректирующих пластин может составлять до 26,5%, апогрешность определения контактных усилий – до 52,1% (при сравнениирезультатов, полученных с использованием средних значений характеристик итрансверсально-изотропной модели материала ребер).1374.9. Алгоритм моделирования операции НассаАлгоритм моделирования хирургического лечения ВДГК в программномкомплексе ANSYS представлен на Рис. 4.25. Обработка модели занимаетдовольно длительное время.
Создание моделей корректирующих пластин,определение кинематических ограничений между узлами, принадлежащимипластинам и грудной клетке, определение контактных взаимодействий междупластинами и грудиной, определение граничных условий являются операциями,требующими аккуратной «ручной» работы и определенного опыта использованияграфического интерфейса программы. Это, прежде всего, связано с процессоминтерактивного выделения групп узлов из большого количества узлов модели, накоторые в дальнейшем накладываются различные связи. Другие операции(активация/деактивацияконтактныхэлементов,возобновлениерасчета,определение настроек процесса решения) требуют лишь определения требуемыхпараметров и не занимают много времени.
Как отмечалось выше, принципиальноезначение имеют вычислительные мощности, используемые при моделировании.Если решение первого этапа моделирования может быть выполнено быстро (0,5-2часа), то решение второго может занимать более суток в случае осуществлениярасчета на неспециализированном персональном компьютере.Продолжительное время расчета второго этапа связано с необходимостьвыполнения предопределенного количества итераций, требуемых для корректногорешения контактного взаимодействия между грудиной и корректирующимипластинами.Использованиесовременныхвысокопроизводительныхвычислительных систем, вычислительных кластеров позволит в разы снизитьвремя решения задачи при возможности значительного повышения качестварассматриваемой модели.138НачалоИмпорт конечноэлементной модели ГКв ANSYSФормат: *.cdbСоздание конечно-элементныхмоделей КП1.Использование геометрических примитивов:Keypoint, Line, Area, Volume2.
Аппроксимация КП элементами типа SOLID185Закрепление моделей КПОпределения кинематических ограничений междуузлами, принадлежащими ребрам, грудине и КПСоздание контактных взаимодействиймежду грудиной и КПОпределение граничных условийпервого этапа моделированияДеактивация контактных элементов,принадлежащих грудине и КПСоздание контактных взаимодействий междувнутренней поверхностью грудиной и наружнойповерхностью КППриложение подъемного усилия к грудине иопорных реакций ребрам.Фиксация верхней инижней части позвоночного столбаПрименение опции смерти элементовРасчет первого этапа моделированияНетКонтроль полученныхрезультатовКонтроль наличия зазора между внутреннейповерхностью грудины и наружной поверхностью КПДаОпределение граничных условийвторого этапа моделированияУдаление подъемного усилия, приложенного кгрудине и опорных реакций, приложенных кребрамАктивация контактных элементов,принадлежащих грудине и КППрименение опции рождения элементовРасчет второго этапа моделированияИспользование инструментов графического итекстового представления результатовмоделированияАнализ полученных результатовНетВыполнение критериев качестваДаВыдача рекомендацийпо планированию ипроведению операцииОсновными критериями качества являются:1.
Получение ожидаемой послеоперационной формы ГК2. Максимальные значения эквивалентных напряжений,полученных в компонентах ГК и КП, не превышаютзаданного предела прочности соответствующегоматериалаОсновными рекомендациями являются форма,количество и место расположения КП, позволяющиедостигать ожидаемых результатов операции.КонецРис. 4.25.
Алгоритм моделирования хирургического лечения ВДГК впрограммном комплексе ANSYS139ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4В результате анализа полученных результатов установлено, что точностьзадания механических свойств биологических тканей имеет принципиальноезначение при определении напряженно-деформированного состояния элементовгрудной клетки и пластин.
Чем выше принятые значения механических свойств,тем более жесткой является грудная клетка, что приводит к получению высокогоуровня напряжений в компонентах грудной клетки и пластинах, высокихзначений контактных усилий и более сильному воздействию на позвоночныйстолб. Полученный результат подтверждается данными клинических наблюдений.Чем старше оперируемый пациент, тем более ригидной (жесткой) является егогрудная клетка, что требует приложения больших усилий при исправлениидеформации, а исправленная форма грудной клетки может отличаться отпрогнозируемой формы. К тому же с повышением возраста пациента,увеличивается вероятность возникновения интенсивных послеоперационныхболей вдоль позвоночного столба.
Следует отметить, что наилучшие результатыоперации Насса достигаются у пациентов, не достигших возраста начала половогосозревания – в среднем возраста 12-13-ти лет. Наиболее перспективным внаправлении точного определения механических свойств биологических тканейявляется описанная в главе 1 возможность дискретного задания модуля упругоститканей в зависимости от характеристик изображений компьютерной томографии(GV, HU).Несмотря на то, что в процессе моделирования был установлен рядсущественных допущений, адекватность описанных выше результатов былаустановлена на основе удовлетворительного совпадения следующих параметров:• расчетной и фактической послеоперационных форм грудной клетки;• расчетных суммарных контактных усилий с экспериментальнымиданными по определению подъемного усилия;• полученных результатов по определению напряженно-деформированногосостояния с аналогичными результатами, представленными в других работах;• полученных результатов с данными клинических наблюдений.140Основываясь на полученных результатах можно выделить следующиеосновные направления дальнейших исследований:1.Уточненное определение механических свойств биологических тканейрассматриваемыхкомпонентовгруднойклеткинаосновеимеющихсяэмпирических зависимостей для плотности и модуля упругости, которые в своюочередь зависят от характеристик изображений компьютерной томографии (GV,HU).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
