Современные информационные технологии/1.Компьютерная  инженерия

Д.т.н. Бегун П.И., Рубашова Д.А.

Санкт-Петербургский Электротехнический Университет «ЛЭТИ»

Связь научных исследований в биомеханике и содержание лабораторных работ в дисциплинах по биомеханике

Решение научных, технических, медико-биологических проблем и проблем приборного и инструментального развития современных медицинских технологий и информационного обеспечения для задач здравоохранения состоит в техническом и программном обеспечении принципиально новых высокоэффективных средств и методов воздействия и оценке влияния на человека лечебного и поражающего воздействий.

Студенты, обучающиеся по направлению “Биомедицинская инженерия”, в своей профессиональной деятельности будут заниматься исследованием, разработкой и созданием медицинской техники, изделий, инструментов, методов и способов диагностики и лечения человека, которые рассматриваются как средства нарушения поливариантной системы.

Научные исследования этой системы проводят на математических и физических моделях. Математические модели для исследования состояния структур биологических объектов строят в рамках механики трехмерного тела, а параметрические модели, в конечно-элементных пакетах CosmosWorks, NASTRAN, COMSOL, ANSYS, интегрированных в CAD-систему Solid Works. При реализации математических моделей в образовательном процессе доступно использовать те же пакеты прикладных программ. Алгоритмы, разработанные при научных исследованиях состояния биологических структур человеческого организма, при необходимой коррекции, обусловленной методикой учебного процесса, могут быть использованы в лабораторных работах.

При проведении лабораторных работ по дисциплинам Биомеханика [1] и Биомеханическое моделирование объектов протезирования [2] разработаны и внедрены в учебный процесс следующие лабораторные работы: 1. Определение давления в гибком баллоне, необходимого для дилатации кровеносного сосуда с бляшкой ранней стадии развития в зависимости от ее длины; 2. Определение давления в гибком баллоне, необходимого для дилатации кровеносного сосуда с бляшкой ранней стадии развития в зависимости от радиуса бляшки; 3. Определение давления в гибком баллоне, необходимого для дилатации кровеносного сосуда с бляшкой поздней стадии развития в зависимости от отношения модуля нормальной упругости капсулы бляшки к модулю нормальной упругости бляшки; 4. Исследование напряженно-деформированного и критического состояний аневризмы кровеносного сосуда; 5. Исследование напряженно - деформированного и критического состояний аневризмы кровеносного сосуда; 6. Построение зависимости экстремального значения напряжения в левом желудочке сердца с аневризмой от модуля нормального упругости аневризмы; 7. Построение зависимости экстремального значения напряжения в левом желудочке сердца от модуля нормальной упругости некротизированного участка; 8. Построение зависимости экстремального значения напряжения в левом желудочке сердца c участком разрыва стенки желудочка от глубины разрыва стенки; 9. Построение зависимости экстремального значения напряжения в левом желудочке сердца от модуля нормальной упругости имплантата; 10. Исследование влияния модулей нормальной упругости роговицы и склеры на напряженно-деформированное состояние (НДС) в структурах глазного яблока при компрессии; 11. Исследование влияние модулей нормальной упругости роговицы и склеры на погрешности при измерении внутриглазного давления по Маклакову; 12. Исследование влияние модулей нормальной упругости роговицы и склеры на погрешности при измерении внутриглазного давления по методу Гольдмана; 13 Исследование зависимости экстремальных значений перемещений и напряжений в структурах диска зрительного нерва от градиента внутриглазного и внутричерепного давлений; 14. Определение наиболее благоприятного, с точки зрения НДС, места перфорации барабанной перепонки; 15. Исследование НДС барабанной перепонки коррегированной после перфорации; 16. Исследование НДС в мочевом пузыре во время открытия внутреннего сфинктера; 17. Исследование НДС в мочевом пузыре с патологическим образованием – дивертикулом во время открытия внутреннего сфинктера; 18. Исследование НДС в мочевом пузыре с рубцом во время открытия внутреннего сфинктера; 19. Исследование НДС сегмента белой линии живота; 20. Исследование НДС сегмента белой линии живота с патологическим образованием.

По каждой лабораторной работе студенты получают индивидуальные задания. Например, задания для пяти вариантов лабораторной работы 13 (рис.1, табл.1) сформулированы следующим образом:

а	б
Рис.1. Схема (а) и содержательная модель (б) диска зрительного нерва: 1 — макула сетчатки; 2 — физиологическая экскавация диска; 3 — сетчатка; 4 — сосудистая оболочка; 5 — склера; 6 — твердая мозговая оболочка; 7 — паутинная оболочка; 8 — мягкая оболочка; 9 — центральные сосуды сетчатки; 10 — решетчатая пластинка

1. Построить содержательную модель диска зрительного нерва; 2. Построить геометрическую модель диска зрительного нерва в программе SolidWorks; 3. Рассчитать в программе СosmosWorks напряжения и перемещения в структурах диска зрительного нерва от градиента внутриглазного и внутричерепного давлений; 4. Построить зависимость экстремального значения напряжения и перемещения в структурах диска зрительного нерва от градиента внутриглазного и внутричерепного давлений.

Внутриглазное давление: 15 –40 мм рт.ст. Внутричерепное давление: 10 мм рт.ст.

Таблица 1

Геометрические параметры и механические свойства диска зрительного нерва	Варианты
	1	2	3	4	5
Внутренний радиус сетчатки Rc, мм	12	11,5	11,6	11,8	12,1
Толщина склеры Hск, , мм	0,7	0,6	0,65	0,72	0,75
Толщина сосудистой оболочки Hсо, мм	0,35	0,32	0,34	0,36	0,32
Толщина сетчатки Hс, мм	0,4	0,38	0,39	0,41	0,42
Радиус решетчатой пластинки rрп.	0,9	1	1,1	1,2	0,9
Радиус кривизны решетчатой пластинки rк.	3	2,9	3,1	3	2,9
Толщина первого слоя решетчатой пластинки h1, мм	0,05	0,6	0,07	0,05	0,6
Толщина второго слоя решетчатой пластинки h2, мм	0,1	0,11	0,12	0,11	0,12
Толщина третьего слоя решетчатой пластинки h3 , мм	0,15	0,16	0,17	0,18	0,15
Модуль нормальной упругости первого слоя решетчатой пластинки Е1, МПа	1,1	1	1,2	1,25	1,1
Модуль нормальной упругости второго слоя решетчатой пластинки Е2 , МПа	1,3	1,4	1,35	1,3	1,35
Модуль нормальной упругости третьего слоя решетчатой пластинки Е3 , МПа	1,7	1,75	1,8	1,7	1,75
Диаметр артериального отверстия d, мм	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08

Такой подход к постановке лабораторных работ позволяет внедрять в учебный процесс результаты научных исследований и готовить студентов к предстоящей практической деятельности.

Литература:

1. Бегун П.И Биомеханика: Учебник для ВУЗов./ П.И Бегун, Ю.А. Шукейло — СПб.: Политехника, 2000. — 463 с.

2. Бегун П.И. Биомеханическое моделирование объектов протезирования: учебное пособие / П.И. Бегун. – СПб. :Политехника, 2011. -464 с.