Современные информационные технологии/ 1.Компьютерная  инженерия

Д.т.н. Бегун П.И.

Санкт – Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ ”, Россия

Использование пакетов прикладных программ при изучении клинической диагностической информации

Современные способы изучения диагностической информации позволяют зафиксировать различные элементы поведения функционирующих структур организма с привязкой во времени и пространстве. Например, при исследовании сердечно-сосудистой системы, информация, получаемая такими методами визуализации как компьютерное томографирование, кардио-магнитный резонанс, катетеризация сердца и ангиография, используется лишь частично, и оценка ее носит качественный характер. В то же время процессы, которые фиксируются этими методами, несут информацию, связанную с природой явлений, вызванных патологическим процессом. Возможности математического анализа физических взаимодействий, связанных с состоянием биологического объекта и построения конкретной модели поведения лежат за пределами знания врача, но эта информация также недоступна специалисту, владеющему только физико – математическим аппаратом, без включения в этот процесс знаний того же самого врача.

Построение моделей функционирования структур человеческого организма в норме, патологии и при хирургических операциях целиком и полностью зависит от использования всего арсенала новых методов и средств исследования. Последнее десятилетие характеризуется стремительным развитием медицинской биомеханики [1]. Ведущее место занимает интегральный компьютерный метод, позволяющий анализировать состояние структур биологических объектов в норме, патологии и при коррекции. Метод представляет собой симбиоз биомеханического компьютерного моделирования и анализа биологических структур по данным клинических (томографического, ангиографического, эхографического) исследований. Сложность геометрических форм исследуемых биологических объектов, неоднородность и анизотропия их конструктивных механических свойств, предопределили построение математических моделей в рамках механики трехмерного тела и параметрических моделей, построенных в конечно-элементных пакетах интегрированных в CAD-систему Solid Works. Внедрен в исследовательскую практику интерактивный программный пакет Mimics, позволяющий визуализировать и сегментировать изображения, полученные томографией, и строить на основе томограмм биологические объекты. В модели вводятся механические характеристики материала структур биологических объектов, исследованные in vitro со статистической коррекцией на возраст и степень развития патологии. В электронном ресурсе Orthoload предоставлены при различных видах движений результаты измерения сил in vivo в специальном эндопротезе со встроенным датчиком [2]. В [1] рассмотрены математические и компьютерные модели биомеханики структур человеческого организма, излагаются основные подходы и допущения при построении содержательных и математических моделей. Последовательно прослеживается переход от биологического объекта к содержательной модели, от содержательной модели к математической, от математической модели к компьютерной реализации. В приложении [1] приведены сведения о механических свойствах биологических тканей и отдельных органов.

В развитие [1] разработаны технологии биомеханического анализа состояния биологических объектов, учитывающие особенности анатомического строения пациента: 1. Поясничного и шейного отделов позвоночника с установленным кейджем; 2. Проксимального отдела бедренной кости с аппаратом TARGON; 3. Бедренной кости с эндопротезом тазобедренного сустава при ходьбе с учетом мышечных усилий; 4. Большой берцовой кости с эндопротезом коленного суставов при глубоком сгибании и спуске по лестнице. Оценка точности расчетов проведена на основании численных экспериментов, сравнения приближенного и точного решения тестовых задач, а также путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

Нагружения тазобедренного сустава рассмотрены при различных положениях ноги человека при ходьбе: 1. Опора на пятку, осуществляемая через 0,1 t (t -время шага); 2. Опора на всю стопу, осуществляемая через 0,3 t; 3. Опора на переднюю часть стопы, осуществляемая через 0,45 t; 4. Перенос ноги - самая длительная фаза - более 0,5 t. Содержательные модели построены при следующих допущениях: 1. Костные структуры костей схематизированы тремя однородными изотропными слоями: губчатым, субхондральным и кортикальным; 2. При эндопротезировании тазобедренного сустава мышечные усилия бедренной кости представлены векторами сил, приложенными в местах крепления сухожилий к кортикальному слою; 3. В фазу переноса ноги, мышцы не оказывают воздействия на исследуемую систему. При различных положениях ноги введены усилия 14 мышц. Зависимости составляющих мышечных нагрузок при свободной ходьбе от времени приведены в [3].

Технологии дают возможность предоперационного прогнозирования результатов: выбора наиболее благоприятной конструкции имплантата и протеза и способа их установки для каждого конкретного пациента. При анализе поведения модели, варьирование значениями параметров дает возможность определить роль каждого из них на проявление синдрома, а, следовательно, рассмотреть множество его вариантов и сочетаний с другими симптомами.

Литература:

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

2. http://www.orthoload.com/main.php?searchfile=kwr0126b

3. Stolk J., N. Verdonschot Hip-joint and abductor-muscle forces adequately represent in vivo loading of a cemented total hip reconstruction. Journal of Biomechanics. – 2001, № 34, P. 917-926