Диссертация (1025646), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Данные реакции передаются на позвоночныйстолб и способствуют его изгибу влево. Таким образом, поведение позвоночногостолба после операции напрямую зависит от направления его первоначальногоизгиба. Если первоначальный изгиб позвоночного столба направлен влево, тонаправленные влево опорные реакции будут способствовать его выпрямлению инаоборот.Рис. 1.20.
Пример, поясняющий изменение формы позвоночного столба послеоперации в случае сильной правосторонней асимметричной деформацииРезультаты моделирования для всех групп пациентов подтвердиливыдвинутую авторами гипотезу. Не смотря на это, фактическая оценка измененияформы позвоночного столба не всегда совпадала с результатами расчетов. Вгруппах 2, 3 и 4 присутствуют пациенты, форма позвоночных столбов которыхосталась без изменений после операции. Данные различия между теоретическимии фактическими результатами могут быть объяснены неучетом ряда факторов примоделировании, например, не учет функции мышц выпрямителей позвоночного41столба.В заключение работы предполагается, что полученные результаты могутбыть использованы при планировании хирургического лечения воронкообразнойдеформации для пациентов с искривлением позвоночника. Примером можетслужить планирование операции для пациента, у которого вогнутость переднейстенки грудной клетки расположена слева, а изгиб позвоночного столбанаправлен к правой стороне.
В данной ситуации присутствует высокаявероятность усиления искривления позвоночного столба, поэтому, возможно,следует воздержаться от выполнения операции Насса и рассмотреть другиеметоды хирургического лечения.1.7. Индивидуальная конечно-элементная модель грудной клетки,предназначенная для моделирования операции НассаНа сегодняшний день в ходе планирования операции Насса для каждогопациента выполняется компьютерная томография. Рассмотренные выше моделигрудныхклеток,рентгеновскихоснованныеснимкахинаснимкахданныхатласовкомпьютернойанатомиичеловека,томографииявляютсяотносительно грубыми и не отражают всех индивидуальных особенностейстроения грудной клетки конкретного пациента.
Современные методы иприкладные программные комплексы обработки изображений компьютернойтомографии позволяют создавать качественные индивидуальные расчетныемодели отдельных органов или частей человеческого тела. В работе китайскихисследователей [36], опубликованной в 2008 году, описан метод созданияиндивидуальныхмоделейгрудныхклеток,основанныхнаобработкепредоперационных компьютерных томограмм, а также процедура моделированияоперации Насса.В исследовании рассмотрены случаи трех пациентов с симметричнымтипом воронкообразной деформации – два пациента мужского пола 7-ми лет иодин пациент женского пола 8-ми лет.
Для всех пациентов были выполненыпредоперационные компьютерные томограммы, а также послеоперационные42рентгеновские снимки грудной клетки.ПреобразованиетрехмерныерастровыхтвердотельныеприменениемпрограммногоизображениймоделигрудныхкомплексапредоперационнойклетокAmira,КТвосуществлялосьспредназначенногоразносторонней обработки компьютерных томограмм. Разработанныедлямоделигрудной клетки включали в себя ребра, реберные хрящи и грудину. Так какмодели позвоночных столбов были исключены из рассмотрения, соединенияребер с позвонками считались неподвижными.
Мышцы, кожный покров и другиемягкие ткани также не учитывались во всех моделях.После импорта КТ пациента в Amira первоначально на каждом изображениив автоматическом режиме выделялись области, относящиеся к различным типамтканей. Данная операция выполнялась посредством задания диапазона значенийоттенков серого для каждого типа ткани. В связи с тем, что значения оттенковсерого для реберных хрящей совпадают со значениями оттенков серого другихтканей, результаты автоматического определения областей относящихся креберным хрящам были скорректированы вручную.
После этого генерировалисьповерхностные модели грудных клеток, составленные из плоских треугольныхэлементов. На основе полученных поверхностных моделей создавались объемныемодели, основанные на тетраэдральных конечных элементах.Принятое значение модуля упругости ребер и грудины составляло 11500МПа, реберных хрящей – 12,25 МПа. Материалы биологических тканеймоделировалисьоднородными,изотропнымиилинейно-упругими.Моделирование операции Насса осуществлялось с применением конечноэлементного комплекса ANSYS. Подход к моделированию полностью совпадает сподходом, представленным в работах [73, 74].
Принималось, что корректирующаяпластина создает подъемное усилие, приложенное к грудине, а также опорныереакции, приложенные к ребрам. Место приложения данных усилий былополучено посредством анализа послеоперационных рентгеновских снимков.Пример конечно-элементной модели грудной клетки с приложенными усилиямипредставлен на Рис. 1.21.43Оценкасходимостирешенияпроводиласьпосредствомсравнениярезультатов моделирования, выполненного для шести вариантов конечноэлементных сеток различной плотности.
Критерий сходимости выполнялся вслучае, если между двумя соседними результатами моделирования разница вперемещении конца грудины составляла менее 1%. Результаты оценкисходимости решения представлены в Таблице 6. Таким образом, количествотетраэдральных конечных элементов в каждой модели грудной клетки составлялооколо 320 000.КорректирующаяпластинаРис. 1.21.
Конечно-элементная модель грудной клетки со схемой приложениянагрузокТаблица 6.Результаты оценки сходимости решения [36]Количество элементовПеремещение концагрудины, смСреднее различие, %979391706602235222691633205194434704.3044.3704.4174.4624.4904.5191.53811.0641.0350.6190.649Результаты моделирования для всех пациентов представлены в Таблице 7.Представленное в таблице фактическое перемещение конца грудины былоизмерено на основе обработки предоперационных снимков компьютернойтомографии и послеоперационных рентгеновских снимков.44Таблица 7.Результаты моделирования для трех пациентов, представленные в [36]123Муж.
/ 7Жен. / 8Муж. / 7Индекс деформации5,34,75,2Фактическое перемещение конца грудины, см4,473,403,90СлучайПол/ВозрастРезультаты моделированияПеремещение конца грудины, см4,493,433,9Подъемное усилие на конце грудины, Н140120190Максимальные значения напряжений,полученных на конце третьего ребра, рядом спозвоночным столбом, МПа24,8948,533,25Удлинение 4-го реберного хряща,расположенного справа, %4,305,745,26Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях высокийуровень напряжений сконцентрирован на ребрах с 3-го по 7-е, с задней стороныгрудной клетки.Результаты определения напряженно-деформированногосостояния для первого случая при величине подъемного усилия 140 Н приведенына Рис.
1.22. Максимальные значения деформаций сконцентрированы нареберных хрящах с 3-го по 7-е, в области их соединения с ребрами и грудиной.При этом максимальное удлинение зарегистрировано на 4-м реберном хряще,расположенном справа. Результаты определения подъемного усилия сравнивалисьс экспериментальными данными, представленными в работе [98]. Для пациентов5-17 лет экспериментальное значение подъемного усилия составляет 181±48,3Ньютонов. Полученные в результате моделирования значения подъемного усилиялежатвнутриуказанногодиапазона,чтоподтверждаетадекватностьразработанного подхода.В заключение работы предполагается, что дальнейшее совершенствованиемоделей может помочь в определении оптимальной формы и количествакорректирующих пластин, лучшего места их расположения, позволяющихдостигать лучшей коррекции при минимальных уровнях напряжений и45деформаций в элементах грудной клетки.а)б)Рис.
1.22. Результаты определения напряженно-деформированного состоянияа) распределение вектора эквивалентных напряжений; б) распределение вектораэквивалентных деформацийВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1Проведенный анализ отечественных и зарубежных работ показал успешноеприменение комплексного компьютерного подхода к созданию адекватныхмоделей грудных клеток, предназначенных для исследования их поведения придинамических и статических условиях нагружения. Основная часть работ,включая самые первые, посвящена моделированию поведения грудной клетки прифронтальном ударе, тогда как процесс моделирования операции Насса описан внескольких работах, первая из которых была опубликована в 2007 году.Модели грудных клеток, представленные в данных работах [36, 73, 74],построены на основе предоперационного томографического исследования, апроцесс моделирования операции осуществлялся с использованием методаконечных элементов (МКЭ), реализованного в программном комплексе ANSYS.Все модели грудных клеток включали в себя ребра, грудину и реберные хрящи, имодель, описанная в работах [73, 74], учитывала позвоночный столб.Преимуществом модели, аппроксимированной балочными конечнымиэлементами, [73, 74] является возможность быстрой оценки послеоперационнойформы грудной клетки посредством приложения соответствующих усилий напредполагаемомуровнеустановкикорректирующихпластин.Небольшое46количество конечных элементов в модели не требует использования большихвычислительных мощностей.
При этом модель позволяет оценивать напряженнодеформированное состояние компонентов грудной клетки и степень влиянияоперации на позвоночный столб. Основным недостатком представленногоподхода является относительная «грубость» модели, выраженная в отсутствииучета индивидуальных особенностей строения компонентов грудной клетки, чтоможет привести к заметной погрешности получаемых результатов.В отличие от балочной модели, объемная индивидуальная модель,аппроксимированная тетраэдрами [36], учитывает все особенности строениягрудной клетки конкретного пациента, что позволяет получать более точныерезультаты моделирования.
Основными недостатками данного подхода являются:большое время создания модели, что связано с необходимостью «ручной»обработки каждого снимка КТ; отсутствие модели позвоночного столба, оценкавлияния на который крайне актуальна при асимметричных типах деформаций;длительное время расчета и потребность в использовании специализированныхвычислительных мощностей из-за большого количества степеней свободы вмодели. Также следует отметить, что ни в одной из работ [36, 73, 74] непроводится прогнозирование формы и оценка напряженно-деформированногосостояния корректирующих пластин, что является крайне актуальным дляглубоких и асимметричных типов деформаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
