автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Система поддержки принятия решения при диагностике и лечении опорно-двигательного аппарата человека

На правах рукописи

ПАТРИНА Татьяна Александровна

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ И ЛЕЧЕНИИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 ії'ДП 2072

Санкт-Петербург - 2012

005045073

Работа выполнена на кафедре прикладной математики и инженерной графики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Кормилицын Олег Павлович

кандидат технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), заслуженный работник высшей школы Российской Федерации

Дмитревич Геннадии Даниилович

доктор технических наук, профессор кафедры систем автоматизированного проектирования Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Буров Геннадии Николаевич

кандидат технических наук, доцент, зам. генерального директора, директор института протезирования и технических средств реабилитации ФГБУ СПб НЦЭПР им. Г.А. Альбрехта ФМБА России

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита диссертации состоится « 20 » июня 2012 г. вчасов на заседании диссертационного совета Д212.238.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ).

Автореферат разослан « / / » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Садыкова Е. В.

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возросшая интенсивность жизни, катастрофы, огнестрельные ранения, дорожно-транспортные происшествия, спортивные травмы, естественное изнашивание костных тканей, часто приводят к различному роду заболеваний и патологий опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека. Лечение травм и патологий зачастую сводится к установке имплантатов, аппаратов внешней и внутренней фиксации, искусственных суставов. При этом важно учитывать, что внедрение в тело человека различных посторонних конструкций приводит к перераспределению нагрузки внутри костной ткани и способствует изменению ее внутренней структуры.

Изучение внутреннего строения костных тканей, исследование механических свойств биологических и композитных материалов, выявление закономерностей движения и деформирования биологических тканей под воздействием внешних сил открывает важные перспективы для разработки и отработки эффективных способов лечения различных заболеваний ОДА человека.

В настоящее время в институтах травматологии и ортопедии, в медицинских лабораториях с инженерным уклоном многих стран активно ведутся экспериментальные и клинико-биомеханические исследования динамического нагружения биологических тканей и допустимых деформаций регенерата костной ткани при сращивании переломов костей. В России накоплена обширная база научных исследований в этой области.

В последние годы для изучения этих вопросов применяют методы компьютерного моделирования, которые дают больше возможностей в проведении многостороннего биомеханического анализа костных тканей. В отличие от них, экспериментальные исследования на трупном материале не учитывают физиологических процессов костных тканей, характерных для живого организма. Компьютерное моделирование позволяет построить твердотельные модели костей ОДА и назначить им физические и биомеханические свойства, соответствующие реальным костным тканям.

В настоящее время в данной области сделано немало исследований и разработок с применением компьютерной техники. Но они имеют преимущественно узконаправленный, проблемно-ориентированный характер, требуют от оператора знания предлагаемых программных продуктов. Биомеханический анализ моделей костной ткани с системой фиксации или эндопротезом, которые в результате будут входить в состав биотехнической системы для контроля, коррекции патологических деформаций костной ткани, функционального эндопротезирования суставов ОДА человека, в различных физических областях делает задачу трудно решаемой и практически невыполнимой из-за отсутствия отлаженных методик. Кроме того, для этого

требуются значительные временные ресурсы, вычислительные мощности и изучение различных программных продуктов.

Поэтому представляется целесообразной разработка системы поддержки принятия решений (СППР), основанной на технологиях построения виртуальных твердотельных моделей костных тканей ОДА по снимкам компьютерной томограммы пациента. Система позволит создавать модели биотехнической системы путем установки спроектированных фиксаторов или эндопротезов в различные места компьютерных моделей костной ткани. Для упрощения и повышения точности процесса моделирования необходимо обеспечить пользователя базой знаний по медицине и контекстной справкой по выполнению операций в СППР. Для сохранения и управления полученными моделями требуется организовать базу данных.

На основе особенностей физиологии ОДА в норме и при патологии, а также биомеханики процесса деятельности человека с разной интенсивностью при конкретных видах работ, автоматизированная система позволит выполнить расчет параметров напряженно-деформированного состояния костной ткани, провести анализ полученных результатов. Точность расчетов зависит от степени соответствия виртуальных моделей реальным костным тканям, системам фиксации, эндопротезам и правильности принятия решения пользователем по набору критериев, предлагаемых СППР.

Многокритериальность задач моделирования биотехнической системы требует непосредственного участия медиков и инженеров-проектировщиков, поэтому интерфейс программного комплекса должен быть организован для пользователей различного рода деятельности и уровня подготовки.

В настоящее время не существует действующих аналогичных систем поддержки принятия решений, поэтому ее создание является актуальной задачей, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение в медицине.

Целью диссертационной работы является разработка системы поддержки принятия решения врачом-травматологом для выполнения биомеханического обоснования урегулирования биологических процессов, поиска эффективных методов диагностики и лечения ОДА человека.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать методическое обеспечение СППР, позволяющее строить компьютерные модели костных тканей, мышечной массы в соответствии с пороговыми значениями по снимкам компьютерной томограммы пациента и проводить сравнительный анализ параметров напряженно-деформированного состояния этих моделей при различных функциональных нагрузках в различных физических областях;

2) разработать математическую модель напряженно-деформационного состояния костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающую анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия со стороны мышечной массы и давления кровяного потока, костей ОДА на поверхность модели кости;

3) отобрать критерии принятия решения при выборе метода лечения ОДА при различных уровнях функциональных нагрузок, учитывающие индивидуальное анатомическое строение костной ткани и ее прочностные характеристики;

4) разработать структуру системы и подсистем принятия решения, обеспечивающую необходимыми возможностями в выполнении биомеханического обоснования рационального комплекса лечебных мероприятий заболеваний ОДА;

5) разработать алгоритмическое обеспечение СППР, имеющее итерационный характер для поиска наилучшего решения поставленных задач;

6) разработать информационное обеспечение СППР, включающее базу данных моделей костных тканей для многократного использования и научно-техническую базу, базу знаний для помощи врачу в принятии решения;

7) разработать программное обеспечение на основе математического, алгоритмического, методического, информационного обеспечений СППР;

8) провести экспериментальные исследования прочностных характеристик костной ткани, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования.

Объектом исследования является система поддержки принятия решения врачом-травматологом при диагностике и лечении заболеваний ОДА человека.

Предметом исследования являются методическое, математическое, алгоритмическое, программное и информационное обеспечения СППР.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, аналитические и численные методы решения задач механики, методы компьютерного и математического моделирования, теория реляционных баз данных, теория биотехнических систем.

Новые паучпые результаты:

1) методика исследования напряженно-деформированного состояния костных тканей в норме и при патологии в различных физических областях, позволяющая получать компьютерные модели биологических объектов в соответствии с пороговым значениям по снимкам компьютерной томограммы пациента и проводить биомеханический анализ полученных моделей по отобранным критериям принятия решения;

2) математическая модель напряженно-деформационного состояния костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающая анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия со стороны мышечной массы, костей ОДА и давления кровяного потока на поверхность кости;

3) структура системы, организующая взаимодействие проблемно-ориентированных подсистем, ядра системы, базы данных моделей, базы знаний с оператором посредством пользовательского интерфейса;

4) алгоритм функционирования системы с организацией итерационных циклов, позволяющий построить компьютерные модели костной тк;ани или биотехнической системы с наименьшими значениями параметров напряжено-деформированного состояния;

5) реляционная база данных для структурированного сохранения и многократного использования построенных компьютерных моделей костной ткани и биотехнической системы с целью нахождения наилучшего решения.

Практическую ценность работы составляют:

1) компьютерные модели напряженно-деформированного состояния костной ткани в норме и при патологии на основе снимков компьютерной томограммы пациента с учетом ее физических характеристик, анизотропии биомеханических свойств, позволяющие рассчитывать предельные нагрузки костной ткани и биотехнической системы, допустимые деформации регенерата костной ткани при сращивании переломов костей;

2) сравнительный анализ полученных параметров напряженно-деформированного состояния моделей биотехнической системы в различных физических областях по отобранным критериям принятия решения, дающий возможность врачу-травматологу выполнить биомеханическое обоснование урегулирования биологических процессов, поиска эффективного метода лечения заболевания с целью сокращения времени реабилитации пациента и уменьшения риска повторного оперирования;

3) результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик костной ткани, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1) для выполнения биомеханического обоснования выбора рационального метода диагностики и лечения ОДА получена новая методика исследования напряженно-деформированного состояния костных тканей в норме и при патологии в различных физических областях, позволяющая получать компьютерные модели биологических объектов по снимкам компьютерной томограммы пациента и проводить биомеханический анализ этих моделей по отобранным критериям принятия решения;

2) для исследования состояния костных тканей предложено использовать математическую модель напряженно-деформационного состояния костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающая анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также распределенного воздействия на поверхность костной ткани со стороны мышечной массы, костей ОДА и кровяного потока;

3)для организации работы врача-травматолога в СППР предложена структура системы, обеспечивающая взаимодействие оператора с проблемно-ориентированных подсистемами, ядром системы, базой данных моделей костных тканей и биотехнической системы, базой знаний посредством пользовательского интерфейса;

4) для поиска эффективного комплекса лечебных мероприятий разработан алгоритм функционирования системы на основе предложенной методики, носящий итерационный характер и нацеленный на поиск наилучшего решения поставленной задачи.

Реализация результатов работы. Система под держки принятия решения при диагностике и лечении ОДА внедрена в работу Тверской государственной медицинской академии (ТГМА), в учебный процесс кафедры автоматизации технологических процессов Тверского государственного технического университета, в учебный процесс кафедры прикладной механики и инженерной графики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ).

Представленные расчеты были экспериментально подтверждены испытаниями на реальных костях при подобных нагрузках на кафедре травматологии и ортопедии ТГМА.

Области применения результатов. Медицина, травматология, спортивная медицина, эргономика. В результате компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния биотехнических систем подготовлены биомеханические рекомендации по выбору эффективного метода лечения заболеваний тазобедренного сустава.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы положения докладывались и обсуждались на 11 национальных и международных научных и научно-технических конференциях. Это: Н-я Мезвдународная дистанционная научная конференция и конкурс проектов «Инновации в медицине» (Курск, 2009); Х-я Международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2009» (СПб, 2009); VIII-я Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ' 2008 (Владимир, 2008); XI-я Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям «SCM'2008», (СПб, 2008); конференция «Современные компьютерные

технологии в биомеханике и медицине» (СПб, 2009); ежегодные научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (№ 61, 62, 63, 64, 65) (2008-2012); научные семинары кафедры Прикладной механики и инженерной графики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2008-2012).

Проект «Автоматизированная система контроля процесса остеосинтеза на основе набора программных блоков» был отмечен организаторами выставки Петербургской технической ярмарки Ленэкспо как инновационный проект 2010 г.

Основные результаты работы получены в рамках:

1. конкурсного отбора на предоставление субсидий молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2011) с темой проекта «Система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей в норме и патологии»;

2. конкурса на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга (2009) в номинации «Лучшая научно-инновационная идея» с проектом «Разработка автоматизированной системы индивидуального контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков»;

3. конкурса инновационных проектов «Инновации в медицине» (2009) в номинации «За перспективность проекта» с работой «Формирование индивидуальной программы контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков»;

4. конкурса научных достижений студентов и аспирантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2009 г.;

5. гранта Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов (2009) с темой проекта «Исследование и разработка автоматизированной системы выбора и анализа состояния остеосинтеза с адаптивной параметризацией математических моделей»;

6. конкурса научных достижений студентов и аспирантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из них 2 статьи в периодических изданиях, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 докладов на международных и национальных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, трех приложений и библиографического списка. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, в том числе 142 страниц основного текста, включая 46 рисунков, 12 таблиц и библиографический список из 72 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, цели и задачи работы, а также описание научной новизны, практической ценности, основные положения, выносимые на защиту, информацию о реализации результатов, апробации работы, краткое ее содержание.

Глава первая содержит данные обзора и анализа анатомического строения костей ОДА, которые, в свою очередь, определяют их геометрические, физические и механические свойства. Для выбора системы фиксации или эндопротеза, которые в результате будут входить в состав биотехнической системы для контроля, коррекции патологических деформаций костной ткани, функционального эндопротезирования суставов ОДА человека (БТС), рассмотрены возможные оперативные вмешательства на костях конечностей и суставах. Модели БТС находятся во взаимосвязи и взаимодействии, поэтому геометрические характеристики, физические, биомеханические свойства костной ткани находятся в прямой зависимости от выбранной стратегии фиксации отломков кости. Для реализации компьютерного моделирования требуется задействовать несколько программных продуктов, которые выполнят построение виртуальных твердотельных моделей по снимкам компьютерной томограммы (КТ), автоматизацию инженерных расчетов, обеспечат хранение полученных результатов и управление ими для дальнейшего использования. С этой целью в первой главе был сделан аналитический обзор известных программных систем, применяемых для решения похожих задач.

Приводятся данные об известных разработках и программных продуктах, направленных на изучение динамического нагружения и допустимых деформаций биологических тканей. Отмечаются их достоинства и недостатки в решении данных многофакгорных задач.

На основе обзора и анализа путей совершенствования биомеханического анализа костных тканей в норме и при патологии определены и сформулированы задачи исследований для выполнения биомеханического обоснования поиска эффективного метода диагностики и лечения заболеваний ОДА человека.

Вторая глава посвящена разработке программного, методического, алгоритмического обеспечений СППР. Представлены общая структура, структура ядра системы и его функции, структура подсистем. Рассматривается разработанная методика исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) костной ткани в норме и при патологии для достижения поставленной цели системы, а затем, приведена ее реализация в виде алгоритма работы пользователя в СППР.

В состав ядра системы входят управляющая и обслуживающая подсистемы. Посредством пользовательского интерфейса пользователь взаимодействует с СППР через управляющую подсистему. Далее, поступающие команды передаются в обслуживающую подсистему, а результат операций представляется в виде текстовой или аудиовизуальной информации.

Обслуживающая подсистема является основной в осуществлении координации работы ядра СППР. В ее функции входит управление процессами моделирования, мониторинг и извещение пользователя о текущем этапе моделирования, запуск необходимых проблемно-ориентированных подсистем на каждом этапе, организация диалога пользователя с базой данных (БД) для сохранения результатов работы и базой знаний для помощи пользователю построения компьютерных моделей.

Программная реализация структуры СППР осуществлена с использованием специализированных пакетов в качестве программных блоков, связанных общим пользовательским интерфейсом.

В состав структуры СППР включены Matérialisé Mimics - система построения геометрических 3D моделей на базе снимков КТ; Catia, SolidWorks - системы автоматизированного проектирования, моделирования и конструирования (CAD-системы); Ansys Multiphysics - система автоматизации инженерных расчетов (САЕ-система); Microsoft Access - система управления базами данных (СУБД). Автоматический вызов необходимых операций программных блоков, пользовательский интерфейс СППР реализованы на языке программирования С++ Builder. При разработке структуры СППР заложена возможность ее расширения для решения новых инженерных задач.

Разработанная методика определения параметров НДС моделей костных тканей и БТС на основе снимков КТ пациента, которая помогает добиться достаточно точных результатов расчета, изучить распределение напряжений и деформаций в костной ткани в норме и при патологии при различных внешних воздействиях, отработать рациональное построение БТС. В ее основу положена задача упрощения технологии, снижения сложности и стоимости получения компьютерных моделей костей ОДА с сохранением точности расчета НДС построенных моделей.

Алгоритм работы пользователя в СППР представлен на рисунке 1. Основные этапы решения поставленных задач согласно разработанной методике:

. Получение твердотельных моделей объектов исследования. Для этого задействован пакет Mimics с базой сконструированных моделей систем фиксации и информационной базой свойств материалов. В автоматическом или ручном режиме врач выполняет избирательную сегментацию слоев костной и мышечной тканей по пороговым значениям уровней яркости в заданном промежутке с достаточной степенью точности. По полученным

маскам строит 3D модели биологических объектов, затем твердотельные модели во втором программном блоке. В пакете Mimics он измеряет плотность отдельных участков, геометрических размеров объектов по снимкам КТ.

Рисунок 1 - Алгоритм работы пользователя в СППР

2. Для учета анатомических особенностей строения кости, оператором выполняется разделение модели костной ткани на слои. Для реализации этого действия предложено два решения: 1) ручное построение разрезающей

поверхности с использованием инструментов Catia; 2) по снимкам КТ в пакете Mimics, с повторением процедур избирательной сегментации биологических объектов и получением для них твердотельных моделей. Второй способ является более точным и лучше отражает индивидуальные особенности строения кости.

3. Для задания в расчетах анизотропии биомеханических свойств слоев костной ткани средствами второго блока СГТПР пользователь выполняет разбиение кости на сегменты секущей плоскостью. Далее вырезает в моделях объем костной ткани для планирования остеотомии или резекции.

4. Выбор физической области в программном блоке Ansys для выполнения биомеханического анализа полученных моделей: анализ прочности, тепловой анализ, анализ динамики жидкостей и газов, электромагнитный анализ. Тем самым не тратится время на передачу промежуточных данных между физическими областями и сохраняется точность моделирования.

Для получения биомеханической оценки состояния главных суставов нижних конечностей пользователем выполняется нахождение биомеханической оси с помощью набора геометрических операций: нахождение центра тяжести сечения созданным макросом системы, затем, соединение линией полученных точек тяжести. Также клиническим ориентиром к остеотомии при анализе геометрических характеристик моделей костной ткани является нахождение отклонения биомеханической оси от ядра сечений диафизарных костей (костно-мозговой канал сечения диафиза).

5. Задание свойств материалов в модуле Ansys Engineering Data. Значения величин свойств материалов берутся из базы знаний, накопленной на основе литературных источников и научно-экспериментальных исследований. Для назначения ориентации анизотропии в пространстве по усмотрению оператора системы создаются локальные системы координат для каждой составляющей модели в сборке.

6. Построение конечно-элементной сети по заданным параметрам пользователя. Необходимо добиться высокого качества сети, проводя каждый раз анализ качества разбиения встроенным инструментом Ansys Structural.

7. Задание контактных условий, которые зависят от свойств материалов моделей. Затем, определение граничных условий (ограничений). Число граничных условий для моделей должно быть достаточным.

8. Назначение величин давления на костную ткань, которое обусловлено действием мышц, костей ОДА, силой тяжести, воздействием окружающей среды. Для этой операции врач использует функции, в том числе первого блока СППР, где по снимкам КТ выполняет 3D моделирование мышечной ткани, затем измерение площади сечения мышц и их ориентирование в

пространстве. В СППР предоставляется возможность учета гидростатического давления потока крови на поверхность костных тканей через параметры: скорость потока и плотность крови. Сила тяжести кости ОДА вычисляется пользователем предложенным методом сегментирования тела человека.

9. Задание прочностных критериев принятия решения согласно свойствам материалов моделей БТС. Далее, врач выбирает параметры НДС для расчета.

10. Рассчитанные величины просматриваются по усмотрению пользователя в виде графика, диаграммы, таблицы, 3D изображений для всей модели, отдельных ее сегментов, слоев, в интересующих областях.

Предложенный алгоритм позволяет легко перемещаться из одного программного блока в другой, вносить изменения в компьютерные модели, пропуская некоторые выполненные шаги. Таким образом, врач может провести виртуальную операцию многократно до получения наилучших результатов.

В третьей главе рассматриваются вопросы создания математического и информационного обеспечения СППР. Приводится математическое описание получения геометрических и расчетных моделей костных тканей, необходимых для достижения поставленных целей. Для насыщения разрабатываемой системы выполнено проектирование БД, информационного обеспечения СППР в виде базы знаний и научно-технической базы.

В основу диссертационной работы был положен принцип биомеханического анализа на базе метода конечных элементов, позволяющий проводить исследование НДС костных тканей. Рассчитанные значения напряжений и перемещений находятся в прямой зависимости от геометрических характеристик моделей оцениваемых объектов, свойств их материалов и приложенных к ним нагрузок.

Для проведения геометрического анализа полученных моделей приведен математический подход к нахождению центров тяжести сечений, площади фигур различной формы, массы частей тела человека.

При создании расчетной модели анизотропия и гетерогенность механических свойств костной ткань задается с использованием теории нелинейно-упругого и упругопластического тела. В связи с большой размерностью решаемой задачи, что затрудняет ее решение, связь между тензором напряжений аи и тензором деформации ец в процессе нагружения была представлена в виде тензорного ряда линейно-упругой деформации: £,j =aijkia'ki (Uj,k,l= 1,2,3), где аок1-тензоры податливости 4-го ранга.

Важной характеристикой НДС костной ткани является удельная энергия деформации, которая показывает количество энергии, потраченной на деформацию единицы объема исследуемого участка кости при заданном напряжении. При одноосном растяжении вдоль осей симметрии х, она

вычисляется как С/,. =0,5а,„.,сг?, в случае деформации при сдвиге в плоскостях х, -х, (/,у =1,2,3;/¿у), она находится по следующей формуле: Щ = 2а{.

Тензорный ряд линейно-упругой деформации может быть представлен в матричном виде при деформации растяжения (сжатия) и кручения:

«1111 «1122 «1133 0 0 0 о-ц

£22 а2211 «2222 «2233 0 0 0 а22

«3311 «3322 «3333 0 0 0 £Г33

Гп 0 0 0 «2323 0 0 °23

Г\ъ 0 0 0 0 «1313 0

1/12. 0 0 0 0 0 «1212 <Т, 2

где Еу (/, у = 1, 2, 3; / = у) - деформация при растяжении (сжатии), У у <А У =1, 2, 3; ¡ф/)- деформация при сдвиге.

По условиям симметрии матрицы податливости: ап22 ~ а22П, «пзз ~«ззп' а^зйЯззщ. По значениям компонент тензора податливости вычисляются постоянные материала = (я„„)-1 (/' = 1, 2, 3) и коэффициенты поперечной деформации Цу =-ат/аш{1, у = 1, 2, 3; /' ф у), характеризующие упругие

свойства костной ткани.

При создании расчетных моделей костных тканей и БТС требуется задание внешних воздействий на поверхность этих моделей, поэтому приведено математическое описание разложения векторов воздействий по ортам координатных осей.

Скелет человека состоит из соединенных подвижных костей, находящихся в непосредственном соприкосновении. Соответственно, две соединенные кости ОДА представляют собой кинематическую пару, а скелет человека - кинематическую цепь. Для построения расчетной модели отмечаются возможные вращения костей вокруг осей глобальной системы координат.

Костная ткань является хрупким материалом, для ее разрушения при сжатии требуется напряжение большее, чем при растяжении. Поэтому главные нормальные напряжения по продольному направлению кости не должны превышать растягивающего предельного разрушающего напряжения: сг, <аг

Используя теорию прочности Мора-Кулона, сравнивают главные нормальные напряжения продольного ст, и поперечного сг3 направлений кости с пределом прочности при сжатии сгс и растяжении а,, учитывая коэффициент запаса.

Для прочностного анализа моделей БТС применяют критерий пластического течения. Максимальное сдвиговое напряжение, найденное по формуле: т1тх = (<7] -ег3)/ 2, сравнивается с пределом текучести материалов.

При расчете эквивалентных напряжений ат учитываются одновременно нормальные и касательные напряжения:

=^°'5[(сгп -<т22) + (^22 -^зз) + (о-зз -^п) + б(о-2з2 +а-,з2 + <г122)].

Затем значения ат сравнивают с пределом текучести костной ткани а и пределом усталостной прочности металлов ар .

Перечисленные теории прочности относятся к числу отобранных критериев принятия решения в поставленных задачах СППР.

Для оптимизации работы пользователя в системе в третьей главе определены требования к созданию реляционной БД и выполнено ее проектирование. Сохранение данных о моделях происходит в четырех взаимосвязанных таблицах: «Пациент», «Адрес», «Диагноз», «Фиксатор».

Для информационного обеспечения СППР определены физические области научных материалов: биомеханика, физиология, хирургия, анатомия, травматология и т.д. Предложены аудиовизуальные и текстовые материалы в качестве технической справки СППР.

В четвертой главе рассматривается описание программной реализации ядра системы и ее структуры, пользовательского интерфейса, алгоритма взаимодействия программных блоков, реализации математического и информационного обеспечения, базы данных сохранения моделей.

В результате практического применения СППР предложены биотехнические рекомендации по выбору эффективного метода лечения ОДА Исходными данными были снимки КТ костей тазобедренного, плечевого суставов 62-ух пациентов одной возрастной группы. Снимки предоставлены Тверской государственной медицинской академией.

В четвертой главе диссертационной работы приведено два примера практического применения СППР. Первый пример - расчет характеристик НДС модели тазовой кости пациента №1 на восьми фазах походки человека при разных значениях воздействия прикрепленных мышц к костной ткани. Второй пример - биомеханическое обоснование рационального способа размещения эндопротеза в костной ткани бедренной кости для двух разных материалов: титан ВТ1-00 и сталь коррозионно-стойкая 30x13. Определялись допустимые нагрузки на проблемные зоны костной ткани.

В результате биомеханического анализа тазовой кости, было выявлено, что опасной для пациента № 1 является третья фаза походки, так как

рассчитанные эквивалентные напряжения на этой фазе сравнительно больше, чем на других. При планировании операции нужно учитывать данный фактор.

Проведен сравнительный анализ параметров НДС бедренной кости с учетом индивидуального анатомического строения костной ткани. Выполнен биомеханический анализ результатов расчета для двух случаев установки эндопротеза. В случае использования титана, рассчитанные напряжения и деформации незначительно меньше значений, полученных для стали по всему объему кости. Поэтому установка эндопротеза из титана более рациональна.

Были изучены зависимости распределения величин НДС от мест приложения и направления внешних воздействий на поверхность бедренной кости. Выявлено, что под углом 45° при перпендикулярном нагружении к продольной оси кости действуют максимальные сдвиговые напряжения, образуя клиновидную форму (рисунок 2). С увеличением действующей силы, повышается вероятность появления микротрещин и разрушения кости.

сегменте компактного слоя костной ткани при сжатии

Полученные расчеты отклоняются на 1-5% от результатов, приведенных в научной литературе, а также проведенных экспериментальных исследований на костях при похожих нагрузках, что говорит об их достоверности.

В системе организована БД моделей костных тканей и БТС. Возможен их отбор по параметрам: возраст человека, пол, раса, возрастная группа, диагноз, материал фиксатора, назначение фиксатора. Этап предварительного анализа схожих моделей сокращает время решения поставленных задач, позволяет использовать накопленный опыт.

В СППР присутствует сквозное обращение к подготовленной базе знаний, которая насчитывает около 120 наименований различного рода источников информации: научных литературных источников, статей, ссылок на интернет-

ресурсы, научных словарей. Техническая поддержка включает ситуационные подсказки при работе с СППР, видеоуроки, текстовые файлы методических указаний - в общей сложности 80 наименований различного рода материала.

Основные результаты работы:

1) предложена методика выполнения биомеханического обоснования выбора рационального метода диагностики и лечения ОДА, начиная с импорта снимков компьютерной томограммы в систему и заканчивая проведением сравнительного анализа параметров НДС моделей костных тканей и БТС;

2) разработана математическая модель напряженно-деформированного костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающая анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия со стороны мышечной массы и давления кровяного потока на поверхность кости;

3) отобраны критерии принятия решения при выборе методов лечения заболеваний ОДА с учетом индивидуального анатомического строения и прочностных характеристик костных тканей;

4) построена структура СППР, позволяющая организовать взаимодействие пользователя, программного ядра и проблемно-ориентированных подсистем;

5) разработано алгоритмическое обеспечение, имеющее итерационный характер для поиска наилучшего решения поставленной задачи;

6) создано программное обеспечение, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам, создан пользовательский интерфейс системы;

7) разработано информационное обеспечение СППР, включающее базу данных моделей биологических объектов для многократного использования и базу знаний, научно-техническую базу для помощи врачу в принятии решения;

8) проведены экспериментальные исследования прочностных параметров костной ткани, подтверждающие адекватность компьютерных моделей.

Публикации по теме диссертации:

Публикации в журналах, входящих в перечень ВАК:

1.Патрина Т. А., Аносов А. В. Система поддержки принятия решения при диагностике и лечении опорно-двигательного аппарата человека / Т. А. Патрина // Математическая биология и биоинформатика (электронное тучное издание) 2012 Т. 7, №1. С. 257-265.

2. Патрина Т. А. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей в норме и патологии / Т. А. Патрина // Математическая биология и биоинформатика (электронное научное издание). 2011. Т. 6,№ 1. С. 71-78.

3. Патрина Т. А. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей и имплантантов на основе набора

специализированных программных блоков / Т. А. Патрина // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 5. С. 101-108.

Публикации в других изданиях:

4. Patrina Т. A., Kormilicyn О. P. Automated System for the Research and the Control of Biomechanical Parameters of Bone Tissues without Pathology and with it on the Set of Software Blocks / T. A. Patrina, O. P. Kormilicyn // Proceedings of the IEEE North West Russia Section. SPb., 2011. Vol. 4. P. 87-89.

5. Патрина Т. А. Формирование индивидуальной программы контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков / Т. А. Патрина // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2009. №4. С. 47-51.

6. Патрина Т. А. Инновация в изучении индивидуального остеосинтеза с помощью автоматизированного построения биотехнической системы / Т. А. Патрина // Сборник статей П-й Международной дистанционной научной конференции и конкурса проектов «Инновации в медицине», г. Курск, ноябрь 2009 г. Курск, 2009, С. 141-144.

7. Патрина Т. А. Автоматизация проекгарования и исследования биотехнической системы индивидуального остеосинтеза / Т. А. Патрина // Сборник докладов Х-й Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2009», г. Санкт-Петербург, 23-24 июня 2009 г. СПб., 2009. С. 144-146.

8. Патрина Т. А., Марков М. В. Построение автоматизированной биотехнической системы остеосинтеза с учетом индивидуальных особенностей человека / Т. А. Патрина, М. В. Марков // Сборник трудов УІІІ-Й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'2008. г. Владимир - Суздаль, 2-4 июля 2008 г. Владимир, 2008. Т. 1. С. 270-273.

9. Патрина Т. А. Моделирование биотехнической системы остеосинтеза с использованием компьютерной технологии конструирования моделей / Т. А. Патрина // Сборник докладов XI Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям «SCM'2008», г. Санкт-Петербург, 23-25 июня 2008 г. СПб., 2008. Т. 2. С. 148-150.

10. Патрина Т. А. Построение автоматизированной биотехнической системы индивидуального остеосинтеза с использованием компьютерной технологии конструирования моделей / Т. А. Патрина // Сборник докладов конференции «Современные компьютерные технологии в биомеханике и медицине», г. Санкт-Петербург, 7 апреля 2009 г. СПб., 2009. С. 31-32.

11. Патрина Т. А. Автоматизированная система информационной поддержки и принятия решения при диагностике и лечении опорно-двигательного аппарата человека / Т. А. Патрина // Сборник трудов 65-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, 24 января-4 февраля 2012 г. СПб., 2012. С. 227-230.

Подписано в печать: 28.04.2012 Формат: 60x84 1/16 Печать цифровая Тираж: 100 экз. Отпечатано: Типография ООО "АльфаДом" 197372, Санкт-Петербург, ул. Ильюшина, д. 2 Тел.: +7(812) 309-29-59, print@deen.ru, deenprint.ru

Список сокращений.!.

ВВЕДЕНИЕ'.:.:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .:.„„.:„.„.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДИК И ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ В НОРМЕ И ПРИ ПАТОЛОГИИ.

1.1 Анатомическое строение костей ОДА.

Г. 1.1 Анатомия опорно-двигательного аппарата.:.;.

1.1.2 Форма и функции костей.

1.1.3 Строение и химический состав костей.

1.2 Хирургические вмешательства нажостях и суставах ОДА

1.2Л Операции на костях:!.;.

1.2.2 Операции на суставах.

1.3 Аналитический обзор систем CAD; САЕ и баз данных.:.„.

1.4-Анализ программных систем исследования состояния костных тканей в норме и при патологии

Выводы.;.

2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕС11ЕЧЕНИЙ СИСТЕМЫ ДОДДЕРЖКИ принятия решения.

2:11 Структура СППР .:.

2.2 Структура ядра СППР.•.'.

2.3 Программные блоки СППР

2.4 Методика определения НДС моделей костной ткани и БТС

2.5 Алгоритм работы СППР.

2.5.1 Получение твердотельной модели костной ткани по компьютерной томограмме.:.

2.5.2 Получение твердотельных моделей биотехнической системы.

2.5.3 Создание локальных систем координат.

2.5.4 Создание расчетной модели.

2.5.4.1 Задание свойств материалов.

2.5.4.2 Построение конечно-элементной сети.

2.5.4.3 Задание нагрузок.

2.5.4.4 Контактные условия.

2.5.4.5 Прочностной анализ полученных моделей с применением критериев прочности.

2.5.5 Настройка решателя. Расчет и анализ необходимых параметров.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ5.

3.1 Геометрические особенности моделей костных тканей и БТС.

3.2 Анизотропия упругих и деформативных свойств материала костной ткани.

3.3 Математическое представление анизотропии механических свойств костной ткани.

3.4 Математическое представление распределенных нагрузок, действующих на костную ткань и БТС.

3.5 Анализ прочности моделей костных тканей, БТС.

3.6 Прочностные и деформативные свойства компактной костной ткани при растяжении.

3.7 Прочностные и деформативные свойства компактной костной ткани при кручении.

3.8 Прочностные и деформативные свойства спонгиозной костной ткани.

3.9 Основные требования к созданию базы данных.

3.9.1 Проектирование базы данных.

3.9.2 Определение первичного ключа.

3.9.3 Формирование ЕЯ-диаграммы.

3.9.4 Проверка на соответствие требованиям нормальной формы Бойса-Кодда

БКПФ).

3.915 Схема базы данных.

3.10 Информационное содержание базы знаний.

Выводы.

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СППР.

4.1 Запуск и начало работы с системой.

4.2 Работа в программном блоке Mimics.

4.3 Работа во втором и третьем программных блоках Catia, SolidWorks.

4.3.1 Создание твердотельных моделей костных тканей и БТС.

4.3.2 Разделение костной ткани на слои, исходя из индивидуальных анатомических особенностей пациента.

4.3.3 Соединение моделей (Костной ткани и систем фиксации в сборку.

4.3.4 Разделение костной ткани на сегменты, построение локальных систем координат для задания свойств анизотропности*.

4.4 Работа в четвертом программном блоке Ansys. Биомеханический анализ модели тазовой.кости во время ходьбы.

4.4.1 Создание базы материалов и назначение биомеханических свойств моделям костной ткани.

4.4.2 Разбиение моделей на конечные элементы.

4.4.3 Контактные условия.

4.4.4 Граничные условия.

4.4.5 Задание нагрузок.

4.4.6 Расчет характеристик НДС моделей костной ткани. Анализ полученных результатов.

4.4.7 Задание прочностных свойств моделей костной ткани. Применение теории прочности.

4.4.8 Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

4.5 Работа в четвертом программном блоке Ansys. Биомеханический анализ модели бедренной кости с эндопротезом.

4.5.1 Создание базы материалов и назначение биомеханических свойств моделям костной ткани и БТС.

4.5.2 Разбиение моделей на конечные элементы.

4.5.3 Контактные условия.

4.5.4 Граничные условия.

4.5.5 Задание нагрузок.

4.5.6 Расчет характеристик НДС моделей БТС. Анализ полученных результатов.

4.5.7 Выполнение биомеханического обоснования рационального построения БТС.

4.5.8 Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

4.6 Работа в СУБД.

4.7 Работа с базой знаний, использование технической поддержки.

Выводы.

Актуальность проблемы. Возросшая интенсивность жизни, катастрофы, огнестрельные ранения* дорожно-транспортные происшествия, спортивные травмы, естественное изнашивание костных тканей часто приводят к различным заболеваниям и патологиям опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека. Уровень травматизма, по данным медиков, в России выше, чем в западных странах. Это объясняется более низким уровнем жизни населения.

По данным Санкт-Петербургского медицинского информационно-аналитического центра, в среднем по городу за последние 10 лет на каждую тысячу населения в возрастной группе от 20 до 60 лет приходится порядка 126-128 травм и* отравлений в год, а на. каждую тысячу детей - Г45-150. I

Ежедневно в каждый городской- травматологический пункт поступает в среднем от 50 до 100 человек [1].

Велико и число травм, полученных при ДТП. Так, за 2011* г. в России произошло» 199868 ДТП, в которых ранения- различной степени тяжести получили 251848 человек [2].

Большим количеством травм характеризуются различные производства. По информации Минздравсоцразвития, в России ежегодно травмируется свыше 200 тыс. человек, из них более 14 тыс. человек получают группу инвалидности [3].

Также достаточно высок спортивный травматизм, он составляет около 2,5% от общего числа полученных травм. По данным Университетской Спортивной Ассоциации- (NCAA), более половины спортивных травм -повреждения нижних конечностей [4].

Лечение такого рода'травм и патологий зачастую сводится к установке имплантатов, аппаратов внешней и внутренней фиксации, искусственных суставов. При этом важно учитывать, что внедрение в тело человека различных посторонних конструкций приводит к перераспределению нагрузки внутри костной ткани и способствует изменению »ее внутренней структуры.

Изучение внутреннего строения костных тканей, исследование механических свойств биологических и композитных материалов, выявление закономерностей движения и деформирования биологических тканей под воздействием внешних сил открывает важные перспективы для разработки и отработки эффективных способов лечения различных заболеваний ОДА человека.

В настоящее время в институтах травматологии и ортопедии, в медицинских лабораториях с инженерным уклоном, ведутся разработки рационального использования механических, тепловых, электромагнитных, звуковых факторов воздействия на процесс заживления биологических тканей. В то же время, вопрос динамического нагружения биологических тканей и допустимых деформаций регенерата костной ткани при сращивании переломов костей до сих пор остается открытым и представляет интерес для разработок.

Важные экспериментальные и клинико-биомеханические исследования по данному вопросу были» проведены в лабораториях' Рижского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии и* Института механики полимеров АН Латвийской ССР в течение 1969-1978 гг. Они отражены в работах И; В. Кнетса, Ю; Ж. Саулгозиса, X. А. Янсона. Труды этих ученых были продолжены М. А. Добелисом' и А. Э. Мелнисом, изучавшими неоднородности прочностных свойств компактной, деминерализированной, депротеинизированной костных тканей при растяжении.

Профессоры В. И. Дубровский, В. Н. Федорова исследовали биомеханические показатели в норме и при патологии, предложили биомеханические методы контроля лиц, занимающихся физкультурой и спортом. В этой же области большую значимость имеют труды R. A. Brand, R. D. Crowninshield, Американского общества инженеров-механиков.

Важные отечественные работы по биомеханике ОДА принадлежат авторам 3. И. Кацитадзе [5], О. В. Недригайловой [6]. В-настоящее время имеют мировую известность труды по моделированию костной ткани J. G. Hazenberg, Ирландия; D. Taylor, Т. С. Lee, Великобритания [7], Е. Roland, J. К. Harting, Швейцария и других.

В России накоплена обширная база научных исследований в. области ортопедии, диагностики и лечения в травматологии, реабилитации пациентов, костной патологии. Значительная часть работ принадлежит Центральному институту травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова.

В последние годы для изучения этих вопросов применяют методы компьютерного моделирования, которые дают больше возможностей в проведении многостороннего биомеханического анализа костных тканей. В отличие от них, экспериментальные исследования на трупном материале не учитывают физиологических процессов костных тканей, характерных для живого организма. Компьютерное моделирование позволяет построить твердотельные* модели костей- ОДА и назначить им> физические и биомеханические свойства, соответствующие реальным костным тканям.

В области построения биотехнических систем известна разработка компании AnyBody Technology, Дания, США, - The AnyBody Modeling System. Она позволяет выполнить анализ динамики скелетно-мышечного аппарата. В качестве результата выводятся- данные о работе мышц. ОДА, величинах действия сил на костную ткань, значения моментов в суставах и упругой энергии в связках.

Представляют интерес геометрические исследования, представленные немецкими учеными М. Moeser, W. Hein, которые определили зависимость расположения центров масс костей тазобедренного сустава и точек прикрепления мышц среднестатистического человека.

Широко известна система SurgiCase Orthopaedics .компании Materialise - она позволяет планировать операции, имеет базу сконструированных моделей эндопротезов- для различных областей применения, включает информацию по свойствам материалов.

Факультет ортопедической хирургии университета Абердина, Великобритания проводит компьютерное моделирование бедренной костной ткани по снимкам рентгенограммы с установкой эндопротезов.

В настоящее время в данной области сделано немало исследований и разработок с применением компьютерной техники. Но они имеют преимущественно узконаправленный, проблемно-ориентированный характер, требуют от оператора знания предлагаемых программных продуктов. Биомеханический анализ моделей костной, ткани с системой фиксации или- эндопротезом, которые в результате будут входить в* состав биотехнической системы для контроля, коррекции; патологических деформаций костной ткани, функционального-эндопротезирования суставов ОДА человека, в различных физических областях делает задачу трудно решаемой! и практически невыполнимой* из-за отсутствия отлаженных методик. Кроме того,, для-этого требуются значительные временные ресурсы, вычислительные мощности и изучение различных программных продуктов.

Поэтому представляется целесообразной разработка системы поддержки принятия решений (СППР), основанной на технологиях построения виртуальных твердотельных моделей костных тканей ОДА по компьютерной томограмме пациента. Система позволит создавать модели данной биотехнической- системы путем установки спроектированных фиксаторов или эндопротезов в различные места компьютерных моделей костной ткани. Для упрощения и повышения точности процесса моделирования1 необходимо обеспечить пользователя базой знаний по медицине и контекстной справкой по выполнению операций в СППР. Для сохранения и управления полученными моделями требуется организовать базу данных.

На основе особенностей'физиологии ОДА в норме и при патологии, а также биомеханики; процесса деятельности человека с разной интенсивностью! приг конкретных видах работ, автоматизированная система позволит выполнить, расчет параметров; напряженно-деформированного состояния костной ткани, провести анализ полученных результатов. Точность, расчетов зависит от степени соответствия виртуальных« моделей реальным костным тканям, системам фиксации, эндопротезам и правильности принятия решения пользователем по набору критериев, предлагаемых СППР.

Многокритериальность задач моделирования данной биотехнической системы»: требует непосредственного участия: медиков и инженеров-проектировщиков; поэтому интерфейс программного комплекса должен быть организован? для пользователей различного рода деятельности и уровня подготовки.

В настоящее время не существует действующих аналогичных систем поддержки-принятия решений, поэтому ее создание: является актуальной задачей, решение: которой" имеет большое теоретическое и практическое значение: в медицине: у >

Целью диссертационной' работы! является« разработка системы поддержки принятия решения- врачом-травматологом для* выполнения биомеханического обоснования урегулирования? биологических процессов, поиска' эффективных методов- диагностики;; и лечения заболеваний ОДА человека. , . ;

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать методическое обеспечение СППР, позволяющее строить компьютерные модели костных тканей; мышечной массы в соответствии с пороговыми значениями по компьютерной томограмме пациента и проводить сравнительный анализ параметров напряженно-деформированного состояния' этих моделей при различных функциональных нагрузках в различных физических областях;

2) разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния костной ткани и' биотехнической системы на основе' метода конечных элементов, учитывающую анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия, со стороны мышечной массы и давления кровяного потока, костей ОДА на поверхность модели кости;

3) отобрать критерии принятия решения при выборе метода лечения ОДА при различных уровнях функциональных нагрузок, учитывающие индивидуальное анатомическое строение костной ткани и ее прочностные характеристики;

4) разработать структуру системы и подсистем принятия решения, обеспечивающую необходимыми возможностями в выполнении биомеханического обоснования рационального комплекса лечебных мероприятий заболеваний ОДА;

5) разработать алгоритмическое обеспечение C1U.JP с организацией итерационных циклов, позволяющее найти, наилучшее решение поставленных задач;

6) разработать информационное обеспечение СШ1Н, включающее базу данных компьютерных моделей косных тканей и биотехнической системы для многократного использования и базу знаний с научно-технической базой для помощи пользователю в принятии решения;

7) разработать программное обеспечение на основе математического, алгоритмического, методического, информационного обеспечений СППР;

8) провести экспериментальные исследования прочностных характеристик костной ткани, позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования.

Объектом исследования является- система поддержки принятия решения врачом-травматологом при диагностике и лечении заболеваний ОДА человека.

Предметом исследования являются методическое,, математическое, алгоритмическое, программное и информационное обеспечения. СППР.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы системного, модульного и- объектно-ориентированного программирования, аналитические и численные методы решения задач механики, методы компьютерного и математического моделирования, теория реляционных- баз данных, теория биотехнических систем.

Новые научные результаты:

1) методика исследования напряженно-деформированного состояния костных тканей в норме и при патологии в различных физических областях, позволяющая получать компьютерные модели, биологических объектов, в соответствии с пороговыми значениями- по компьютерной томограмме пациента и проводить биомеханический анализ полученных моделей- по отобранным критериям принятия решения;

2) математическая1 модель напряженно-деформированного состояния костной ткани и биотехнической' системы на основе метода конечных элементов, учитывающая, анизотропию, и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия со стороны мышечной- массы, костей ОДА и давления кровяного потока на поверхность кости;

3) структура системы, которая отражает взаимодействие* проблемно-ориентированных подсистем,, ядра системы, базы данных моделей, базы знаний с оператором посредством пользовательского интерфейса;

4) алгоритм-функционирования< системы с организацией итерационных циклов, позволяющий построить компьютерные модели костной ткани или биотехнической системы с наименьшими значениями параметров напряжено-деформированного состояния;

5) реляционная- база данных для1 структурированного сохранения и многократного использования компьютерных моделей костных тканей и биотехнической системы с целью нахождения наилучшего решения.

Практическую ценность работы составляют:

1) компьютерные модели напряженно-деформированного состояния костной ткани в норме и при патологии на основе компьютерной томограммы пациента с учетом ее физических характеристик, анизотропии биомеханических свойств, позволяющие рассчитывать предельные нагрузки костной ткани и биотехнической системы, допустимые деформации регенерата костной ткани при сращивании переломов костей;

2) сравнительный анализ полученных параметров напряженно-деформированного состояния моделей биотехнической системы в различных физических областях по отобранным-критериям^ принятия решения, дающий возможность врачу-травматологу выполнить биомеханическое обоснование урегулирования биологических процессов, поиска, эффективного метода лечения заболевания с целью сокращения времени реабилитации пациента и уменьшения риска повторного оперирования;

3)'результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик костной ткани; позволяющие оценить адекватность компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1) для выполнения биомеханического обоснования выбора рационального метода диагностики и лечения ОДА получена новая методика исследования напряженно-деформированного состояния костных тканей в норме и при патологии в различных физических областях, позволяющая получать компьютерные модели биологических объектов по компьютерной томограмме пациента и проводить, биомеханический анализ этих моделей по отобранным критериям принятия решения;

2) для исследования состояния костных тканей предложено использовать математическую модель напряженно-деформированного состояния костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающая анизотропию и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также распределенного воздействия на поверхность костной ткани со стороны мышечной массы, костей ОДА и кровяного потока;

3) для организации работы врача-травматолога в СППР предложена структура системы, которая отражает взаимодействие оператора с проблемно-ориентированных подсистемами, ядром системы, базой данных моделей, базой знаний посредством пользовательского интерфейса;

4) для поиска эффективного комплекса лечебных мероприятий разработан алгоритм функционирования системы на основе предложенной методики, носящий итерационный характер и нацеленный на поиск наилучшего решения поставленной, задачи.

Реализация результатов работы. Система поддержки принятия решения при диагностике и лечении ОДА внедрена в работу Тверской государственной медицинской академии (ТГМА), в учебный процесс кафедры автоматизации технологических процессов. Тверского государственного * технического университета, в учебный процесс кафедры прикладной- механики и инженерной1 графики* Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ).

Представленные расчеты были* экспериментально подтверждены испытаниями при подобных, нагрузках реальных костей на кафедре травматологии и ортопедии ТГМА.

Области применения результатов. Травматология, спортивная медицина, эргономика, стоматология.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы положения докладывались и обсуждались на 11 национальных и международных научных и научно-технических конференциях. Это: П-я Международная дистанционная научная конференция и конкурс проектов «Инновации в медицине» (Курск, 2009); Х-я Международная научно-техническая конференция «Компьютерное моделирование 2009» (СПб, 2009); УШ-я Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ' 2008 (Владимир, 2008); Х1-я Международная- конференция по мягким вычислениям и измерениям «8СМ'2008», (СПб, 2008); конференция «Современные компьютерные технологии в. биомеханике и медицине» (СПб, 2009); ежегодные научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (№ 61, 62, 63, 64, 65) (2008-2012); научные семинары кафедры Прикладной механики и инженерной графики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2008-2012).

Проект «Автоматизированная система контроля процесса остеосинтеза на основе набора программных блоков» был отмечен организаторами выставки- Петербургской технической- ярмарки, в Ленэкспо> как инновационный проект 20 Ю г.

Основные результаты работы получены в рамках:

1) конкурсного отбора на предоставление субсидий молодым ученым, молодым, кандидатам- наук вузов и академических институтов, расположенных на> территории Санкт-Петербурга (2011) с темой проекта «Система исследования и контроля биомеханических параметров * костных тканей в норме и патологии»;

2) конкурса на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга. (2009) в номинации «Лучшая научно-инновационная идея» с проектом «Разработка автоматизированной системы индивидуального контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков»;

3) конкурса инновационных проектов «Инновации в медицине» (2009) в номинации «За перспективность проекта» с работой «Формирование индивидуальной программы контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков»;

4) конкурса научных достижений студентов' и аспирантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2009 г.;

5) гранта Санкт-Петербурга для студентов5 и аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов (2009) с темой проекта «Исследование и разработка автоматизированной системы выбора и анализа состояния остеосинтеза с адаптивной параметризацией математических моделей»; ,

6) конкурса научных достижений студентов, и аспирантов. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из них 2 статьи в периодических изданиях, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 6 докладов на международных и национальных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами» по каждой из них, заключения, трех приложений и библиографического списка. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, в том числе 142 страниц основного текста, включая 46 рисунков, 12 таблиц и библиографический список из 72 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1) разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния костных тканей в норме и при патологии в различных физических областях, позволяющая получать компьютерные модели биологических объектов в соответствии с пороговыми значениями по компьютерной томограмме пациента и проводить биомеханический анализ полученных моделей по отобранным критериям принятия решения;

2) создана математическая модель напряженно-деформированного состояния костной ткани и биотехнической системы на основе метода конечных элементов, учитывающая анизотропию* и гетерогенность биомеханических свойств костной ткани, а также воздействия со стороны мышечной массы и давления кровяного л отока на поверхность кости;

3) отобраны критерии принятия решения при выборе методов лечения заболеваний ОДА с учетом индивидуального анатомического строения и прочностных характеристик костных тканей;

4) построена структура СППР, позволяющая организовать взаимодействие пользователя, программного ядра и проблемно-ориентированных подсистем;

5) разработано алгоритмическое обеспечение, носящее итерационный характер в поиске наилучшего решения поставленной задачи;

6) создано программное обеспечение, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам, создан пользовательский интерфейс системы;

7) разработано информационное обеспечение СППР, включающее базу данных компьютерных моделей костных тканей и биотехнической системы для многократного использования и базу знаний с научно-технической базой для помощи врачу в принятии решения;

8) проведены экспериментальные исследования' прочностных параметров костной ткани, подтверждающие адекватность компьютерных моделей.

Разработанный программный комплекс обладает адаптивностью к различным областям решения инженерных задач, позволяет вносить изменения в* свою функциональность. Наиболее перспективными задачами по дальнейшему развитию функциональных возможностей СППР являются:

1) отработка наиболее эффективной методики проведения биомеханического обоснования выбора рационального метода диагностики и лечения ОДА человека, которая значительно сократит время на достижение поставленных целей, уменьшит потребление вычислительных ресурсов персонального компьютера с сохранением точности проводимых расчетов;

2)>переоформление структурной организации СППР с целью сокращения' расходов на покупку программных продуктов, входящих в состав разработанной системы, без потерь ее функциональных возможностей. Включение в состав разработанного пакета других программ: системы SurgiCase Orthopaedics компании Materialise, которая содержит базу сконструированных моделей- эндопротезов различных областей применения и базу материалов для- них; системы захвата движения^ Qualisys для регистрации величин сил мышц, моментов в суставах, значения упругой энергии в связках для*каждого пациента вфеальном времени;

3) задействование новых физических областей предметного анализа: анализ прочности, тепловой анализ, анализ динамики - жидкостей и газов, электромагнитный анализ в проведении биомеханического обоснования урегулирования биологических процессов;

4) пополнение базы; материалов СППР' за счет проведения экспериментальных исследований упругих, деформативных, прочностных свойств костных тканей и систем фиксации при различных внешних воздействиях;

5) пополнение базы данных результатами расчетов в СППР, выполненных в ходе медицинской практики, для различных типов костей, различного рода заболеваний, для разных систем фиксации;

6) пополнение базы знаний системы научной литературой междисциплинарных областей;

7) адаптация пользовательского интерфейса, научно-технической базы системы под цели и задачи пользователя различного рода деятельности и уровня подготовки.

Публикации автора по теме диссертационной работы

Публикации в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Патрина Т. А., Аносов А. В. Система поддержки принятия решения при диагностике и лечении опорно-двигательного аппарата человека / Т. А. Патрина // Математическая биология и биоинформатика (электронное научное издание). 2012. Т. 7, № 1. С. 257-265.

2. Патрина Т. А. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей в норме и патологии / Т. А. Патрина // Математическая биология и биоинформатика (электронное научное издание). 2011. Т. 6, № 1. С. 71-78.

3. Патрина Т. А. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей и имплантантов на основе набора специализированных программных блоков / Т. А. Патрина // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 5. С. 101-108.

Публикации в других изданиях:

4. Patrina Т. A., Kormilicyn О. P. Automated System for the Research and the Control of Biomechanical Parameters of Bone Tissues without Pathology and with it on i the Set of Software Blocks / T. A. Patrina, O. P. Kormilicyn // Proceedings of the IEEE North West Russia Section. SPb., 2011. Vol. 4. P. 87-89.

Патрина Т. А., Кормилицын О. П. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костной ткани в норме и при патологии, организованная на основе программных блоков / Т. А. Патрина, О. П. Кормилицын // Обсуждения в России Северо-западной секции Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Санкт-Петербург, 2011. № 4, С. 87-89.

5. Патрина Т. А. Формирование индивидуальной программы контроля процесса остеосинтеза на основе набора специализированных программных блоков / Т. А. Патрина // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2009. №4. С. 47-51.

6. Патрина Т. А. Инновация в изучении индивидуального остеосинтеза с помощью автоматизированного» построения биотехнической системы / Т. А. Патрина // Сборник статей П-й Международной дистанционной научной конференции и конкурса проектов «Инновации в медицине», г. Курск, ноябрь 2009 г. Курск, 2009, С. 141-144.

7. Патрина Т. А. Автоматизация проектирования и исследования биотехнической системы индивидуального остеосинтеза / Т. А. Патрина // Сборник докладов Х-й Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2009», г. Санкт-Петербург, 23-24 июня 2009 г. СПб., 2009. С. 144-146.

8. Патрина Т. А., Марков М. В. Построение автоматизированной биотехнической системы остеосинтеза с учетом индивидуальных особенностей человека / Т. А. Патрина, М. В. Марков // Сборник трудов VIII-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и1 экологии» ФРЭМЭ'2008. г. Владимир -Суздаль, 2-4 июля 2008 -г. Владимир; 2008. Т. 1. С. 270-273.

9. Патрина Т. А. Моделирование биотехнической*. системы остеосинтеза с использованием компьютерной технологии конструирования моделей / Т. А. Патрина // Сборник докладов XI Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям «8СМ'2008», г. Санкт-Петербург, 23-25 июня 2008 г. СПб., 2008. Т. 2. С. 148-150/

10. Патрина Т. А. Построение автоматизированной биотехнической системы индивидуального остеосинтеза с использованием компьютерной технологии конструирования моделей / Т. А. Патрина // Сборник докладов конференции «Современные компьютерные технологии в биомеханике и медицине», г. Санкт-Петербург, 7 апреля 2009 г. СПб., 2009. С. 31-32.

11. Патрина Т.А. Автоматизированная система информационной поддержки и принятия решения при диагностике и лечении опорно-двигательного аппарата человека / Т. А. Патрина // Сборник трудов 65-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург, 24 января-4 февраля 2012 г. СПб., 2012. С. 227-230.

Заключение

1. Юридический ГИД Санкт-Петербурга: юридич. интернет-портал. СПб., 2006-2011. URL: http://www.lawlinks.ru/ (дата обращения: 10.01.2012).

2. Госавтоинспекция МВД России: офиц. сайт. [М., б.г.]. URL: http://www.gibdd.ru (дата обращения: 10.01.2012).

3. Агентство РиФ: сайт. СПб., 2001-2012. URL: http://www.rf-agency.ru (дата обращения: Д 0.01.2012).

4. Hootman J. М. Epidemiology of collegiate injuries for 15 Sports: summary and recommendations for injury prevention initiatives / J. M. Hootman, R. Dick, J. Agel // J. Athl Train. 2007. Vol. 42, N. 2. P. 311-319.

5. Кацитадзе 3. И. Анатомо-биомеханические основы эволюции вертикальной ходьбы: дис. д-ра мед. наук / Кацитадзе 3. И. М., 1971. 387 с.

6. Недригайлова О. В. Основы биомеханики опорно-двигательного аппарата в норме и при патологии // Руководство по ортопедии и травматологии. М., 1967. Т. 1. С. 169-220.

7. Taylor D. The cellular transducer in damage-stimulated bone remodelling: a theoretical investigation using fracture mechanics / D. Taylor, J. G. Hazenberg, Т. C. Lee // J. of Theoretical Biology. 2003. Vol. 225. P. 65-75.

8. Гололобов В.Г. Новый подход к лечению дефектов длинных костей конечностей. От культур in vivo к культурам in vitro / В.Г. Гололобов, А. К. Дулаев, Р. В. Деев // Анатомия и военная медицина. СПб.: ВМедА, 2003. С. 104-106.

9. Риггз Б. Остеопороз / Б. Лоренс Риггз, Л. Джозеф Мелтон LU. // под общ. ред. Е. А. Лепарского. М.: Бином; СПб.: Нев. диалект, 2000. 558 с.

10. Лаврищева Г. И. Морфологические и клинические аспекты репаративной регенерации опорных органов и тканей / Г. И. Лаврищева, Г. А. Оноприенко. М.: Медицина, 1996. 208 с.

11. Дедух, Н.В. Репаративная регенерация костей / Н.В. Дедух // Мат-лы науч. конф. "Фундаментальные и прикладные проблемы гистологии. Гистогенез,и регенерация тканей". СПб.: 2004. С. 151.

12. Силантьева Т.А. Репаративное костеобразование при заживлении перелома тазовой кости в области суставной (вертлужной) впадины: дис. канд. биол. наук / Т. А. Силантьева. Курган, 2005. 255 с.

13. Анатомия человека: в 2 т.: Учеб. / под ред. М: Р: Сапина. 5-е изд. М., 2001. Т1. 639 с.

14. Rouiller Ch. Collagen fibers of connective tissue // The biochemistry and physiology of bone / ed. by Bourne G. H. London; New York: Acad. Press, 1956: P. 108-147.

15. Кнетс И. В. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей / И. В. Кнетс, Г. О. Пфафрод, Ю. Ж. Саулгозис. Рига: Зинатне, 1980. 319 с.

16. Большаков О. П. Оперативная хирургия и топографическая анатомия: учеб. для ВУЗов / О. П. Большаков, Г. М. Семенов. СПб.: Питер,2004. 1663 с.

17. Мовшович И. А. Оперативная ортопедия / И. А. Мовшович. М.: Медицина, 1983. 393 с.

18. Сингаевская* Г. А. Функции в. Microsoft Office Excel 2010 / Г. А. Сингаевская. М:: Диалектика' 2010.- 672 с.

19. AnyBody software // AnyBody research group: site. Aalborg. [2011]. URL: http://www.anybody-.aau.dk (дата обращения: 10.03.2011).

20. Moser M. Determination of hip force orientation of the fracture surface of hip1 joint prostheses / M. Moser, W. Hein // J. Beitr Orthop Traumatol. 1986. Vol. 33. P: 286-295.

21. A total solutionfor the.orthopaedic surgeon?// Materialise: site. [S.T.], 2012. URL: http://www.materialise:com/orthopaedics (дата! обращения: 12.03.2011).

22. Rudman K.E. Compression or tension? The stress distribution in the proximal femur / K.E. Rudman, R:M: Aspden, J.R. Meakin // J. Biomed Eng Online. 2006. Vol. 5. P. 12-17.

23. Kovacs L. et al. Patient-specific optimization of prosthetic socket construction and fabrication using innovative manufacturing processes: A project in progress // Materialise: site. [S.l.]. URL: http://www.materialise.com (дата обращения: 14.04.2011).

24. Архангельский.А. Я. Программирование в С++ Builder 6. М.: Бином, 2003. 1152 с.

25. Культин Н. C++Builder в задачах и примерах. СПб.: БХВ-Петербург,2005. 336 с.

26. Осипов Д; Графика^ в- проектах^ Delphi; М.:. Символ-Плюс, 2008;648 с.

27. Янсон X.A. Биомеханика нижней конечности человека. Рига: Зинатне, 1975. 324 с:

28. Yamada, H. Srength. of biological; materials. Baltimore (Maryland): Williams a. Wilkins, 1970. 297 p.

29. Кнетс И.В. Основные современные направления в математической теории ,пластичности. Рига: Зинатне; 197U Г461с.

30. Малмейстер А. К. Сопротивление жестких полимерных;материалов-, / А. К. Малмейстер, В: П: Тамуж^ Т.: А. Тетере. Рига: Зинатне, 1972. 498 с. :

31. Mow V. С. Basic Orthopeadic biomechanics and Mechano-Biology / V. С. Mow, RuHuiskes // 3rd cd. by Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, 2005. 720 p.

32. Лагздинып А. Ж. Тензоры упругости высших порядков / А. Ж. Лагздинып, В. П. Тамуж.// Механика полимеров. 1965. № 6. С. 40-48.

33. Бегун П. И. Прикладная механика: учеб. для ВУЗов / П. И. Бегун, О. П. Кормилицын. СПб.: Политехника, 2006. 462 с.

34. R. Huiskes. From structure to process, from organ to cell: recent development of FE-analysis in orthopeadic biomechanics / Huiskes R., Hollster S. J. // J. Biomed. Eng. 1993. P. 520-527.

35. Кнетс И. В. Деформативность и прочность компактной костной* ткани при растяжении / И. В. Кнетс, Ю. Ж. Саулгозис, X. А. Янсон // Механика полимеров. 1974. № 3. С. 501-506.

36. Саулгозис Ю. Ж. Механические свойства конструкции биополимера компактной костной ткани: дис. канд. техн. наук. Рига, 1975. 142 с.

37. Currey J. D. The adaptation of bone to stress // J. Theor. Biol. 1968. Vol. 20. P. 91-106.

38. Evans F. G. Relation of collagen fiber orientation to some mechanical properties of human cortical bone / F. G. Evans, R. Vincentelli // J. Biomech. 1969. Vol. 2, № l.P. 63-71.

39. Dempster W. T. Compact bone as a non-isotropic material / W. T. Dempster, R. T. Liddicoat // Amer. J. Anat. 1952. Vol. 91, № 3. P. 331-362.

40. Подрушняк E. П. Возрастные изменения суставов человека. Киев: Здоровье, 1972. 212 с.

41. Подрушняк Е. П. Методы исследования- костной системы / Е. П. Подрушняк, Е. И. Суслов. Киев: Здоровье, 1975. 112 с.

42. Femoral trabecular pattern index for. evaluation of spinal osteoporosis. A detailed methodologic description / M: Singh, B: L. Riggs, J. W. Beabout, J. Jowsey// J. Mayo Clinic Proc. 1973. Vol. 48. P. 184-189.

43. Rietbergen В: V. Assessment of trabecular tissue loading in a proximal femur using a full scale microstructural FE-model / B. Van Rietbergen, R. Miiller, D. Ulrich, P." Riiegsegger, R1 Huiskes // 7-th Annual EORS Conference. Barselona. 1997. P. 58.

44. Хансен. Г. Базы данных: разработка и управление / Г. Хансен, Д. Хансен. М.: БИНОМ, 2000: 699 с.

45. Атре Ш. Структурный подход к организации баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983. 320 с.

46. Бойко В. В. Проектирование баз данных информационных систем / В. В. Бойко, В. М. Савинков. М.: Финансы и статистика, 1989. 351 с.

47. Джексон Г. Проектирование реляционных баз данных для» использования с микроЭВМ. М.: Мир, 2001. 252 с.

48. Зеленков Ю. А. Введение в базы данных Электронный ресурс. // Мурманский государственный технический университет: [сайт]. Мурманск, 1997. URL: http://www.mstu.edu.ru (дата обращения: 10.02.2011).

49. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. М.: Мир, 1978. 616 с.

50. Диго С. М. Проектирование и использование баз данных. М.: Финансы и статистика, 1995. 208 с.

51. Evans F. G. Regional differences in some physical properties of human spongy bone // Biomechanical studies of the musculo-skeletal system / ed. by F. G. Evans. Springfield (111.): С. C. Thomas, 1961. P: 49-67.

52. Ekkehard E. Anatomie und Biomechanik des Beckens / E. Ekkehard, S. Heining // J. Trauma und Berufskrankheit. 2000. V. 2, № 1. P. 2-10.

53. Бушманов A\ В. Разработка компьютерной модели тазового кольца / А. В. Бушманов, Н. В. Назаренко, М. А. Серов // Математические методы в технике и технологиях ММТТ 14: сб. науч. тр. Смоленск, 2001. Т. 5. С. 47-48.

54. Crowninshield R. D. A physiologically based criterion of muscle force prediction'in locomotion / R. D. Crowninshield, R. A. Brand // J. Biomech. 1981. Vol. 14, P. 793-801.

55. Thelen D. G. Generating dynamic simulations of movement using computed muscle control / D. G. Thelen, F. C. Anderson, S. L. Delp // J. of Biomech. 2003. Vol. 36. P. 321-328.

56. Добелис M. А. Оценка механического поведения компактной депротеинизированной и деминерализованной костной ткани прирастяжении / М. А. Добелис, А. Э. Мелнис // Механика композитных материалов. 1982. № 6. С. 1060-1066.

57. Утенькин А. А. Биомеханические свойства компактного вещества кости / А. А. Утенькин, А. А. Свешникова // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1971. Т. 61, № 10. С. 45-49.

58. Добелис М. А. Неоднородность прочностных свойств деминерализованной компактной костной ткани человека // Механика композитных материалов. 1979. № 4. С. 663-667.

59. Саулгозис Ю. Ж. Влияние функциональной адаптации на неоднородность механических свойств болыпеберцовой кости / Ю. Ж. Саулгозис, М. А. Добелис // Механика композитных материалов. 1982. № 2. С. 322-329.

60. Лайуни Р. Б. Ш. К вопросу о механических свойствах костной ткани Электронный ресурс. / Лайуни Рида бен Шейдли // Физ. воспитание студентов творч. специальностей. Харьков, 2002. № 4. С. 18-22. URL: http://lib.sportedu.ru (дата обращения: 30.11.2011).

61. Бланшет Ж. Qt 4. Программирование GUI на С++ / М. Саммерфилд, Ж. Бланшет. М.: КУДИЦ-Пресс, 2008. 718 с.

62. Тидвелл Д. Разработка пользовательских интерфейсов / СПб.: Питер, 2008.416 с.1. Экранные формы СППР

63. Рисунок А. 1 Начало работы с системой, авторизация пользователяN1. Ял Миплантат1. Создать 3D модем»1. ШЗ• Костная ткань1. Костная ткань + Фиксатор1. Далее >> Отмена1. Костная ткань (к т.)1. Спонгиозная к.т

64. Сборка: компактная+спангиоэная к т1. Алгоритм работы

65. Экспорт полученной модели в Solid Works Подготовка геометрической модели для Ansys Сохранить результат1. Выбор задачи1. Далее»1. Закрыть1. Инструкция по выполению1. Текст ^ 11. База знаний1. Конечности Голова Шея1. Туловище

66. Спина, позвоночник Таз, промежности Общие данные Фиксатор-нмплантат Стоматология Терминология Учебники

67. Переводные коэффициенты физ величин

68. Рисунок А.2 Экранная форма пользовательского окна построения твердотельной моделивсей кости по компьютерной томограмме

69. Polylines rEA Mesh Simulation О.1. Name ¿P Implant

70. Contrast Volume Rendering Clipping10231000 16021. Soné Transparent v

71. Polylines FEAMesh Simulation О,1. Name1. S> Implant ¿xf far

72. Contrast Volume Rendering Clipping1. Bone Transparent v

73. STls Polylines =EAMesh Simulation O, fiame Visible Based on

74. Contrast volume Rendering clipping1. В)

75. Рисунок А.З Пример ЗЭ реконструкции тазовой кости (а), ее спонгиозного слоя (б)и прилегающих мышц (в)w1. Имплантат1. Создать 3D модель• Костная ткань С Костная ткань + Фиксатор1. Далее »1. Отменаii .1. Medi1. Костная ткань (к.т.)1. Спонгиозная к.т

76. Сборка компактная+спангиозная к.т.■ Алгоритм работы

77. Моделирование средствами SW Г" Деление моде пи на сегменты Г Построение разрезающей поверхности

78. Разделение модели на слои Объединение сегментов Г Экспорт 3D модели в Формат STL Моделирование по компьютерной томограмме в Mimics Г" Mimes: получение 30 модели споитиозной к.т Г~ Mimics: экспорт 30 модели в Формат STL

79. Рабата с полученной моделью спонгиозной костной ткани Г С at ¡а. сглаживание сетки

80. Спина, позвоночник. Т аз, промежности Общие данные Фиксатор-имплантат

81. Стоматология Терминология Учебники

82. Переводные коэффициенты физ величи»1. Назад <<| Отмена

83. Рисунок А.4 Экранная форма программного интерфейса разделения моделей костнойткани на сегменты двумя способами

84. Поверхность-По сечем ф Поверхность-По сечем ф Поверхность-По сечен! ф Поверхность-По сечем ф Поверхность-По сечен!

85. Твердые тела(З) О Раэделить527. 1П СоединитьбЭ 10 Скругление29 Материал <неугазан> <$> Спереди Сверху Справа I* Исходная точка 1[с) Импортированный! <$> Плоскость12 Плоскость16 ^ Разделяющая лимияб ^ Разделяющая линияЮ

86. Рисунок А.5 Построение секущей плоскости для разделения модели костной ткани на сегменты, слои средствами третьего программного блока1. ВДШ

87. П Скругление29 Материал <неуказан> <$> Спереди <$> Сверху <$> Справа

88. Исходная точка I.©) Импортированный!

89. Плоскость12 <$> Плоскость16 | @ Разделяющая линияб + ^ Разделяющая линияЮ

90. Рисунок А.6 Результат разделения модели тазовой кости на компактный и спонгиозныйслои средствами 8оИс1\¥огк8

91. Рисунок А. 8 Экранная форма результата построения локальных систем координат длякаждого сегмента модели бедренной кости

92. Физические свойства + Линейная эластичность Пластичность Гилерэ ластичность Прочностные свойства Компактная костная ткань Физические свойства Линейная эластичность Анизотропность И зотоопность1. Фай я

93. Рисунок А.9 Экранная форма информационной поддержки задания свойств материалов1. База1. Конечности1. Голова1. Шея1. Туловище

94. Спина, позвоночник Таз. промежности Общие данные Фиксаторимплантат Стоматология Терминология Учебники

95. Переводные коэффициенты Физ вел мчи»- 1. Далее >> Назад« Отмена

96. Задание свойств материалов Создание конечно-элементной сети1. Контактные условия

97. Задание нагрузок, граничные условия1. Здание свойств материалов1. Алгоритм работы

98. Г Деление модели на сегменты

99. Дополнительный материал мет

100. Automatic Method 5! ifc Named Selections H Q Static Structural (A5)

101. Analysis Settings Fixed Support Fixed Support 2 Fixed Support 3 Fixprl Si innnrt 41. I- ------ -. - . ►

102. Details of "Automatic Method" Method ?1. Scope

103. Scoping Method Geometry Selection1. Geometry 1 Body1. Definition1. Suppressed No1. Method Automatic » |

104. Element Midside NodesJ Automatic

105. Tetrahedrons Hex Dominant Sweep

106. Рисунок А. 11 Назначение формы элементов для построения КЭ сети

107. Щ Mapped Face Meshing 0 Match Control 8J) Pinch Inflation1. Й Gap Tool

108. J3>, Fixed Support 4 Force /*. Force 2 J*. Force 3 : Fnrrn 4 < ►

109. Рисунок А. 12 Выбор метода разбиения объема моделей на КЭ1. Model (A4)

110. E v Geometry Ej Coordinate Systems ffi s^fo Connections Mesh

111. B ^ Named Selections E Static Structural (AS)

112. Ci Analysis Settings Fixed Support Fixed Support 2 Fixed Support 3 Fixed Support 4 /K Force J*. Force 2 ^ Force 3 „a, Fnrre 41. Details of "Mesh"

113. Sizing Inflation Advanced Defeaturing

114. Nodes Elements Mesh Metric Min Max Average102005 S5246

115. Element Quality 1Д6037261038294Е-02 0.999997400035094 0,661289100796904

116. Standard Devi. 0,1838882435430741.Percent of Volume/AreaО7 TetlO г Tet4

117. Г Hex20 Г Hex8 Г WedlS Г Wed61. Г Руг13 г Pyr5

118. Г Quad8 Г Quad4 Г Trl6 Г Tri31. SelectAII

119. Рисунок A. 13 Проверка качества построенной КЭ сетиэшйп« В! Рго*а1. Я ОотеГгу

120. М V-Л- ОооаЫвс1г4г*г* сстшаюг»Л1. Я «Мк «п»итМ (АЛ)агм*уя1зеюпргкейздскиг .ф, а^рои зv®. рог« рог« 2г<газелггчммпмсмс Лежек о«1Щ 1И М1п ДОННЫМ!1. Мю 0.тш«003!

121. О М1П91МТ91 вы- о.1»звввг«5<:1. НрО>1803.2812 22421. СопВоЬ 11. Ырвсл! МР1Г1(«

122. Рисунок А. 14 Представление в виде гистограммы разброса близких по размеру конечных элементов по объему моделей

123. Рисунок А. 15 Экранная форма пользовательского окна системы на этапе назначения контактных условий моделям костных тканей и БТС1. Закрыть |1. К) ■

124. Геометрическая модель Расчетная нпдепi Задание свойств материалов

125. Создание конечное лементной сети Контактные условия Задание нагрузок, граничные условия1. Алгоритм работы

126. Г" АМБУБ.контактные условия. Настройка решателя1. Выбор задачи1. Назад1. Инструкция по выполению1. Текст | Видео

127. Дополнительный материал нет1. А: МосЫ. 5и«с ис1ига11. Ро;ес1 ^иррог+. 4

128. Рисунок А. 17 Назначение граничных условий на примере тазовой костиone Transparen

129. STLs Polylines FEAMesh SimuationO.1. Name Visible Based oniQ^a

130. Contrast Volume Rendering Clipping

131. Рисунок А. 18 Получение ЗЭ модели мышечной ткани по снимкам компьютернойтомограммы

132. Fixed Support fff. Fixed Support 2 Ц Fixed Support 3 5] Fixed Support 4 |§] Force: 124,03 N Щ Force 2: 122,45 N [Щ] Force 3: 132,17 N Щ Force 5: 96,344 N g Force 6: 96,803 N Щ Force 7: 0, N

133. A: Model. Static Structural

134. Static Structural Time: 0,7 s1.ems: 10 of 29 indicated 05.04.2012 4:21

135. Рисунок А. 19 Пример графического представления конструкционных нагрузок и граничных условий для моделей тазовой кости

136. Расчет напряженно-деформированного О S ЕЭ1. Алгоритм работы

137. Г" ANSYS: параметры и опции решателя

138. ANSYS: анализ прочностных свойств костной ткани ANSYS: просмотр расчетных результатов1. Выбор задачи1. Далее » I1. Закрыть1. Инструкция по выполению1. Текст "1 f^J Виаео

139. Дополнительный материал нетокне «крепленные линии выделяются синим пве-ленения мой команды для ребра геометрической на рис. 6.57.1. Рис 6.57

140. Рисунок А. 20 Экранная форма пользовательского интерфейса на этапе настройкирешателя258,43 232,59 206,75 180,9 155,06 129,22 103,37 77,531 51,687 25,844 5,113 8 е-40, 0,81 2 з « 5 6 8а)

141. Time s. Minimum [МРа] Maximum [МРа]0,1 3,7482е-003 179,840,2 6,2859е-003 179,780,3 6,7076е-003 258,430,4 3,7396е-003 205,620,5 1,3107е-003 159,860,6 5,1138е-004 129,840,7 8,4895е-004 40,5370,8 1,9001е-003 109,57б)

142. Рисунок А.21 Графическое (а) и табличное (б) представления значений эквивалентныхнапряжений (напряжений Мизеса)

143. Рисунок А.22 Визуальное представление значений эквивалентных напряженийнапряжений Мизеса)1. Стадия 3:1. Стадия 4:1. Стадия 5:1. Стадия 6:1. Стадия 7:1. Стадия 8:1. Стадия 1:1. Л: Models»* Structural1. Equivalent Stress

144. Type Equr*alent (von-Mises) Stress Unit: MPj Time; Н.НЯНЧе (1(1? 21.03.2012 3:4723078 Max20514 179.5153,85 128 II 102,57 76.927 51.295 25.642 OMIn1. Стадия 2:

145. A: Mudrl Static Sirurtiiidbquiva'ent Stres:

146. Type: Equn/alent (von-Mises) Stress Unit MP. Time 0,17778 23 03 2012 3 532 til, 78 Max205,14 179,5 153,85 H 128,211.102,57 -. 76.927 51.285 25,6421. A: Model. Static Struct»J1. Equivalent Strejj

147. Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit: MPa Time 0,53333 23 03 2012 3:5123078 Max205,14 179,5 153,85 128,21 102,57 T6,92T 51,285 25,642 OMin230,78 Max205.1» 179,5 153,85 128.21 102.57 76.927 51,285 25.642 OMIn

148. A: Model Static Structural1. Equivalent Stress

149. Type Equivalent (von-Mises) Stress Unit: MPa Time: 0.62222 23.03.2012 1:49

150. A: Model. Static Structural1. Equivalent Stress

151. Type: Equivalent(von-Mises) Stress Unit: MPa Time: 0,8 23.03.2012 3 5420514 179.5 153,85 128,21 102.57 76.927 51.285 25,642 OMin

152. A: Model, Static Structural1. Equivalent Stres;

153. Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit MPa Time: 0,35556 23 03.2012 3:4823070 Max20514 179,5 153,85 128.21 102,57 76,827 51,285 25,642 OMIn1. A: Model Stalk Slrortual1. Equivalent Stress

154. Type Equivalent Mises) Stress Unit: MPa Time: 0,44444 23.03.2812 3:4623070 Max205,14 179.5 153,85 128,2110257 76,927 51.285 25,642 U Un

155. A: Model. Static Structural1. Equivalent Stress

156. A: Model. Static Structural1. Equivalent Elastic Strain

157. Type: Equivalent fron-Mlses) Elastic Strain1. Unit mm/mm1. Time: 0,266672303.2012 IS: 15s0,0235010.0205630.01762«0.01468«0,011750,00881260,00587528,88293761. OMin1. Стадия 4:1. A Modd. Static Structural1. Equivalent Elastic Strain

158. Type: Equivalent (von-Mises) Elastic Stra n1. Unit: mm/mm1. Time: 0,355562303.2012 19 191. S 0.026438 Max0,023591 0,020563 —I 0,017626 0.0146984 0,01175 0,0088128 0,0058752 0,002937« OMinmm)25,00 75,001. B)

159. Рисунок А.23 Графическое (а), табличное (б), визуальное (в) представления значений эквивалентных перемещений во 2, 3, 4-ой стадиях походки человека, где онимаксимальны

160. Рисунок А.24 Графическое представление векторов главных нормальных напряжений на8.ой стадии походки

161. A: Model, Static Structural

162. Vector Principal Elastic Strain Type: Vector Principal Elastic Strain Unit mm/mm Time: 0,8 23.03.2012 1.8:40

163. Q Maximum Principal I Middle Principal J Minimum Principal

164. Материал эндопротеза: титан ВТ 1-00

165. Распределение значений касательных напряжений (ХУ плоскость) г, :мин. напряжение равно (-4,3033е+006) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (5,3679е+006) Па (эндопротез)

166. Распределение значений касательных напряжений (ХУ плоскость) Тх :мин. напряжение равно (-3,1715е+006) Па (5-ый сегмент)макс, напряжение равно (3,3891е+006) Па (эндопротез)г 9»п1. Туг. >«»• «»»«олл»!мм1. МЛ11 И)

167. Распределение значений касательных напряжений {УХ плоскость) т2мин. напряжение равно (-4,003 8е+007) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (6,0294е+006) Па (5-ый сегмент)/цмср»1. Сс9<*п** У/Л»* г«.« 1мнли *>« т илмн.•4»ГТ»«•i««»»)1ШМ 3*4*тг

168. Распределение значений касательных напряжений (УЪ плоскость) т2 ■мин. напряжение равно (-2,3265е+007) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (6,1037е+006) Па (5-ый сегмент)л.)1ч* « i 9>и.|<1 v*""

169. Рисунок А.27, лист 1 Распределение значений характеристик НДС костных тканей бедренной кости с установленным эндопротезом двух видов материала: сталь коррозионно-стойкая 30x13, титан ВТ 1-00

170. Распределение значений нормальных напряжений <т,:мин. напряжение равно (-1,5228е+007) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (7,8968е+007) Па

171. Распределение значений нормальных напряжений сг,:мин. напряжение равно (-1,4962е+007) Па (4-ый сегмент)макс, напряжение равно (4,5584е+007) Па

172. Распределение значений касательных напряжений (XX плоскость) г3: мин. напряжение равно (-1,6695е+007) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (5,4466е+006) Па

173. Распределение значений касательных напряжений (ХЪ плоскость) г3:мин. напряжение равно (-1,3472е+007) Па (эндопротез)макс, напряжение равно (5,2575е+006) Па1. Рисунок А.27, лист 2

174. НомерФиксатора -I НазваниеФиксатора Характер использов » Материал * №)1. ШеФиксатора)1. Фиксатор1. Общие1. НомерФиксатора: 11. НачваниеФиксатора:

175. Характер использования: Материал1. Р|1рФиксатор: .\.Л.\ЗЛх11. Макрокоманда Аргументы

176. ЩНовЬ'й фи^гатор; Форме;, 1=0;, Окно диалога1. ПриОшибке Далее;1. Обновление

177. Поиск Записи ;; Первая; ="НомерФиксатора.=" & Мг(ОМах("[Номер Фиксатора]";[Рогт].[Ресогс15оигсе]);0)б)

178. Рисунок А.28 Используемые формы работы с таблицей «Фиксатор» с примером их макрокоманд: а) просмотр данных; б) ввод данныха)1. Диагноз1. Общие1. НомерДиагноза: 1

179. НазваниеДиагноза; Тип сустава:

180. РМеДиагноз: С;\и5ег5\Ца55еу\Ре5к1ор\Лп5У5 files\podvzl■agdb1. Макрокоманда Аргументы

181. ВэткрытьФорму^1 »1 новыйдиагноз; Форма;; 1=0;; Окно диалога1. ПриОшибке Далее;1. Обновление

182. Поиск Записи ;; Первая; ="НомерДиагноза)=" & №(0Мах("(НомерДиагнозаГ';[Рогт.[Весогс15оигсе1);0)б)

183. Рисунок А.29 Используемые формы работы с таблицей «Диагноз» с примером их макрокоманд: а) просмотр данных; б) ввод данныхay Список пациентов 1. Новый пациент Отчеты ^

184. Номерстраховогополиса Фамилия - Имя * Отчество * Возраст - Пол FileKocTb1692145 Никитина| Елена Анатольевна 33 женский C:\Users\Nassey\Desk

185. Условие Макрокоманда Аргументы1. ПриОшибке Далее;

186. Form.Dirty] ВыполнитьКоманду СохранитьЗапись

187. MacroError).Number.oO Сообщение =[MacroError], [Description]; Да; Отсутствует;1. ОстаноеитьМакрос 1. ПриОшибке Сбой;

188. ОткрытьТаблицу | Пациент; Таблица; Изменение

189. Not lsNull(ID.) ЗадатьВремПеременную СиггепНО; [10]

190. SNu«(ID.) ЗадатьВремПеременную CurrentID; Nz(DMax("lHOMep страх OBcrononHCa]";[Formj.[ReccrdSource]);0}1. Обновление

191. ПоискЗаписи ; ; Первая; ="Номерстраховогополиса1=" & [TempVars. ¡[CurrentID]

192. ПоискЗаписи ; ; Первая; ="Номерстраховогополиса.=" & Nz(DMax("[HoMepCTpaxoeoro noflHcal";[Form].[RecordSource]);0)б)

193. Рисунок А.ЗО Используемые формы работы с таблицей «Пациент» с примером их макрокоманд: а) просмотр данных; б) ввод данных

194. Макрос для нахождения центра масс

195. Dim swApp As Object Dim Part As Object Dim boolstatus As Boolean Dim longstatus As Long Dim Annotation As Object Dim Gtol As Object Dim DatumTag As Object Dim FeatureData As Object Dim Feature As Object Dim Component As Object1. Sub main()

196. Dim swApp As Object Dim Part As Object Dim mp As Variant Dim PlaneObj As Object Dim PlaneName As String Dim SketchObj As Object Dim Version As String On Error GoTo errhandlr

197. Set swApp CreateObject("SldWorks.Application") If swApp Is Nothing Then

198. MsgBox "Must have a part or assembly open", vbCritical Exit Sub End If

199. Set Part = swApp.ActiveDoc If Part Is Nothing Then

200. MsgBox "Must have a part or assembly open", vbCritical Exit Sub Elself Part.GetType = 3 Then

201. MsgBox "Must have a part or assembly open", vbCritical Exit Sub End If

202. Part. SetAddToDB True mp = Part.GetMassProperties Part.Insert3DSketch Part.CreatePoint2 mp(0), mp(l), mp(2) Part.InsertSketch

203. Part.FeatureByPositionReverse(0).Name = "CenterOfGravity"1. Exit Sub errhandlr:

204. MsgBox "An anknown error occured.", vbCritical Exit Sub End Sub

205. Подпрограмма «База знаний»

206. Подпрограмма поиска на жестком диске файлов, соответствующих заголовкам, // которые выбрал пользователь в «Базе знаний»

207. При перемещении пользователя по заголовкам, в список ниже выводятся имена файлов, // если они имеются по выбранной тематике (процедура FindFiles).

208. Если пользователь выбрал файл из нижнего списка, щелкнув по нему 2 раза мышкой, // запускается процедура LoadFiles, загружающая выбранный файл для просмотра1. Процедура FindFiles