КЛИНИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО

ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2011, ¹ 4 (80), ×àñòü 1
УДК 612.7:602.1:519.673
В.Н. Кувина 1, М.С. Кувин 2, В.П. Пашков 3, А.А. Пыхалов 3
КЛИНИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ
ПАТОЛОГИИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
1
Научный центр реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (Иркутск)
2
Городская клиническая больница № 3 (Иркутск)
3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (Иркутск)
В статье обосновываются перспективы компьютерного конструирования патологии опорнодвигательной системы человека, которые подтверждают необходимость использования методологии
инженерного анализа в клинической практике.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, травматология и ортопедия
CLINICAL PROSPECTS OF COMPUTER ENGINEERING OF PATHOLOGY
OF HUMAN’S MUSCULOSKELETAL SYSTEM
V.N. Kuvina 1, M.S. Kuvin 2, V.P. Pashkov 3, A.A. Pykhalov 3
1
Scientific Center of Reconstructive and Restorative Surgery SB RAMS, Irkutsk
2
Municipal Clinical Hospital N 3, Irkutsk
3
National Scientific Irkutsk State Technical University, Irkutsk
The authors of the article ground prospects of computer engineering of pathology of human’s musculoskeletal
system that verify necessity of use of methodology of engineering analysis in clinical practice.
Key words: computer engineering, traumatology and orthopedics
Существующие на современном этапе развития медицинской науки новые виртуальные
технологии значительно расширили диагностические возможности клиницистов, однако
остаётся много нерешённых задач патомеханики
опорно-двигательной системы, одной из которых
являются сочетанные повреждения позвоночника и таза при диспластически- дистрофическом
синдроме, имеющие широкое распространение
в экологически неблагоприятных условиях Восточной Сибири. Без доказательного изучения всех
звеньев патогенеза системного поражения зон
роста костей и последовательного проявления ряда
ортопедических заболеваний на протяжении жизненного цикла человека невозможно определить
патогенетически обоснованную тактику лечения.
Это побудило нас обратиться к сравнительно новым методикам изучения двигательных систем
на основе инженерного анализа с применением
математического моделирования на основе метода
конечных элементов.
Ряд исследователей успешно применяют эту
методику для решения задач клинической медицины. Для оценки эффективности переднего
межтелового спондилодеза шейного отдела позвоночника имплантатами авторы использовали
математическое моделирование методом конечных
элементов [8, 9, 10, 11, 12] когда была построена
моносегментарная конечно-элементная модель
шейного отдела позвоночника.
Достаточно полное клиническое применение
математического моделирования методом конечных элементов, приобретающего всё большую
популярность, описал А.Е. Барыш [2], который
применил его для определения характера распределения и величины внутренних напряжений
в шейных позвоночно-двигательных сегментах и
межтеловых опорах при различных вариантах их
восстановления.
Успешно применяется математическое компьютерное моделирование при разработке и
прогнозировании биомеханики эндопротезов тазобедренного сустава [1, 3], дисплазии тазобедренного сустава [4] с учётом биомеханики тазового
кольца [5]. На современном этапе использование
технологии осуществляется на стыке двух наук –
медицины и инженерного анализа – с участием
специалистов этого профиля.
Совместная работа авторов представленной
статьи позволила разработать методологию инженерного анализа для элементов опорно-двигательного аппарата человека с применением математического моделирования на основе метода конечных
элементов, где дополнительно использовалось
математическое моделирование контактной задачи
твёрдого деформируемого тела [6, 7]. В результате
решения контактной задачи на основе виртуального прототипа создана сборная модель фиксации
перелома кости бедра.
Ключевой позицией разработанной методики
является подготовка исходных данных для решения задачи инженерного анализа биологических
объектов со свойствами анизотропии материалов.
Подготовка исходных данных должна отвечать
уровню точности метода конечных элементов, используемому при инженерном анализе.
Создание математических моделей биологических объектов представляет проблему, так как
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå
259
ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2011, ¹ 4 (80), ×àñòü 1
260
-
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå
2D-
3D-
F
-
Рис. 1. Применение метода конечных элементов и контактной задачи твёрдого деформированного тела в моделировании условий фиксации кости при переломах.
ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2011, ¹ 4 (80), ×àñòü 1
геометрия и свойства их элементов являются индивидуальными и, в отличие от объектов техники,
не могут задаваться с помощью конструкторских
чертежей и технических условий. На основе
созданной методики предлагается проводить построение конечноэлементных моделей изучаемого
объекта на основе компьютерной томографии с
использованием данных по оптической плотности (пикселей). Данные о структуре и свойствах
элементов объекта исследования, полученные сканированием объекта с помощью компьютерного
томографа, представляют собой набор цифровых
изображений поперечных сечений биологической
структуры. Цифровые изображения обладают
высокой степенью информативности. Для их обработки и дальнейшего анализа разработана последовательность действий, позволяющая формировать
специальную цифровую матрицу характеристик
цвета каждого пикселя.
Растровое изображение представляет массив
квадратных ячеек-пикселей различного цвета.
При использовании цветовой модели RGB она
может описывать более 16 миллионов оттенков
различного цвета (2563), чёрно-белое изображение
составляется 256 оттенками серого цвета.
Механическая анизотропия характерна для
элементов опорно-двигательного аппарата, в частности кости, и выражается в различной механической прочности костной ткани в продольном и
поперечном направлениях. Некоторые структуры
нормальных животных тканей (мышечные, коллагеновые, эластичные волокна, кость и др.) дают
при исследовании в поляризованном свете двойное
лучепреломление. Разработанная последовательность подготовки данных для инженерного анализа
позволяет воспроизводить геометрию скрытых
сложных по форме объектов исследования с
учётом анизотропии свойств их материалов. По
колориметрической шкале возможно определять
прочностные свойства костной ткани у конкретного пациента в заданной зоне.
К клиническим перспективам компьютерного
конструирования патологии опорно-двигательной
системы следует отнести следующие возможности:
1. Обоснование оптимального выбора методики остеосинтеза перелома бедра с учётом индивидуальных особенностей перелома и прочностных
характеристик кости у конкретного пациента с
применением виртуального прототипа в дооперационном периоде.
2. Разработка новых конструкций для остеосинтеза и усовершенствование существующих.
3. Проведение тестовых расчётов объективных
параметров костных ориентиров таза и позвоночника по рентгенологическим и компьютерно-томографическим данным.
4. Разработка математических моделей метода
конечных элементов для определения взаимоотношений тазового пояса и поясничного отдела
позвоночника с целью выявления причинно-следственных отношений.
5. Исследования модификаций метода конечных элементов моделей виртуальных физических
прототипов элементов опорно-двигательного
аппарата человека и условий их сопряжения с
целью оптимизации параметров их напряжённодеформированного состояния для выработки обоснованной тактики лечения.
6. Проведение экспертной оценки качества
промышленных конструкций для остеосинтеза при
неудовлетворительном результате или рецидиве
после хирургического лечения.
7. Создание компьютерных программ методологии инженерного анализа на основе метода
конечных элементов и контактной задачи твёрдого
деформируемого тела на примере фрагментарной
модели поясничного отдела позвоночника и таза
при нормальных и патологических состояниях.
ВЫВОДЫ
1. Перспективы компьютерного конструирования патологии подтверждают необходимость
использования методологии инженерного анализа
в клинической практике.
2. Без использования этой технологии XXI века
невозможно дальнейшее развитие травматологии
и ортопедии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акулич Ю.В., Подгаец Р.М., Скрябин А.В.
Исследование напряженно-деформированного
состояния эндопротезированного тазобедренного
сустава // Российский журнал биомеханики. –
2007. – Т. 11, № 4. – С. 9–35.
2. Барыш А.Е. Математическое моделирование
переднего межтелового моносегментарного цервикоспондилодеза методом конечных элементов //
Ортопедия, травматология и протезирование. –
2006. – № 1. – С. 36–41.
3. Ильин А.А., Мамонов А.М., Карпов В.Н., Загородний Н.В. и др. Применение математического
компьютерного моделирования при разработке и
прогнозировании биомеханического поведения
эндопротезов тазобедренного сустава // Вестник
травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. –
2009. – № 3. – С. 7–12.
4. Корольков А.И., Мителева З.М., Яресько А.В.
Биомеханические аспекты дисплазии тазобедренного сустава у детей (моделирование методом конечных элементов) // Травматология и ортопедия
России. – 2008. – № 4 (50). – С. 66.
5. Пичхадзе И.М., Холодкова А.Г. Биомеханика
тазового кольца и его структурных элементов //
Вестн. РАМН. – 2008. – № 8. – С. 44–47.
6. Пыхалов А.А., Высотский А.В. Расчет сборных роторов турбомашин с применением неголономных контактных связей и метода конечных
элементов // Компрессорная техника и пневматика. – 2003. – № 8. – С. 25–33.
7. Пыхалов А.А., Милов А.Е. Контактная задача
статического и динамического анализа сборных
роторов турбомашин. – Иркутск: ИрГТУ, 2007. –
192 с.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå
261
ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2011, ¹ 4 (80), ×àñòü 1
8. Kumaresan S., Yoganandan N., Pintar F.A.
Finite element analysis of anterior cervical spine interbody fusion // Biomed. Mater. Eng. – 1997. – Vol. 7,
N 4. – P. 221–230.
9. Maiman D.J., Kumaresan S., Yoganandan N.,
Pintar F.A. Biomechanical effect of anterior cervical
spine fusion on adjacent segments // Biomed. Mater.
Eng. – 1999. – Vol. 9, N 3. – P. 27–38.
10. Natarajan R.N., Chen B.N., An H.S., Andersson
G.B. Anterior cervical fusion: a finite element model
study on motion segments stability including the ef-
fect of osteoporosis // Spine. – 2000. – Vol. 97. –
P. 28–134.
11. Pitzen N.K., Matthis D., Barbier D.D., Steudel W.I. Initial stability of cervical spine fixation:
predictive value of a finite element model. Technical note // J. Neurosurg. – 2002. – Vol. 97. –
P. 128–134.
12. Teo E.C., Yang K., Fuss F.K. Effect of cervical
cages on load distribution of cancellous core: a finite
element analysis // Spinal Disord. Tech. – 2004. –
Vol. 17, N 3. – P. 226–231.
Сведения об авторах
Кувина Валентина Николаевна – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научного центра
реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1; тел.: 8 (3952)
29-03-36)
Кувин Михаил Сергеевич – кандидат медицинских наук, врач травматологического отделения Городской клинической
больницы № 3 (664011, г. Иркутск, ул. Тимирязева, 31; тел.: 8 (3952) 20-96-35)
Пашков Виктор Павлович – ассистент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники Национального
исследовательского Иркутского государственного технического университета (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83;
тел.: 8 (3952) 40-51-30)
Пыхалов Анатолий Алексндрович – доктор технических наук, профессор, начальник «ИрГТУ – MSC/NASTRAN Центра»,
профессор кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83; тел.: 8 (3952) 43-03-70; e-mail:
cae@istu.edu)
262
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå