автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники

На правах рукописи

Алешкевич Павел Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Дмитревич Г. Д. Научный консультант —

доктор медицинских наук, профессор Безгодков Ю. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яшин Л. И.

кандидат технических наук Никитин А. В.

Ведущая организация — филиал ОАО «Силовые машины - Электросила»

Защита диссертации состоится « -/9» 2006 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.238.02 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться, в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрков Ю. В.

I. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Современный этап развития САПР характеризуется динамичным расширением предметных областей их применения. В широком круге задач, охватываемых проблемой дальнейшего развития автоматизированного проектирования, существенную роль играет создание новых проблемно-ориентированных систем проектирования сложных объектов заданного целевого направления, в частности механических изделий медицинской техники (средств коррекции и замещения функций органов и систем и относящихся к этой группе протезно-ортопедических изделий, часть из которых, а именно, фиксаторы и эндопротезы, используется для лечения переломов).

В возрастной группе 20-60 лет смертность от травм (в том числе и от переломов костей) в два раза выше, чем в результате сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. В России с течением времени данные приобретают все более угрожающий вид. Поэтому все более значимой становится проблема лечения сложных случаев переломов костей, полученных в результате действия сил, обладающих высокой кинетической энергией. Статистика показывает, что использование традиционных методов лечения, основанных на клиническом эмпиризме, приводят к длительной потере работоспособности пострадавшего и к различным осложнениям, вплоть до инвалидности. Существующие в медицинской практике подходы к проектированию механических устройств фиксации позволяют оценивать эффективность данных конструкций лишь эмпирическим путем в течение длительного периода времени, что делает разработку устройств экономически нецелесообразной.

Для проектирования указанного класса механических изделий применим весь набор базовых инструментов и технологий. Специфика использования механических устройств в составе организма человека накладывает определенные ограничения. Многокритериальность задач проектирования механических изделий медицинской техники требует неформального участия инженеров и медиков на всех этапах целостного процесса проектирования, включая этап диалогового доопределения решаемой задачи. Как существующие, так и перспективные потребности развития САПР ставят задачи разработки общесистемного программного обеспечения в виде ядра, ориентированного на адаптацию системы к новым задачам проектирования механических изделий медицинской техники и предоставляющего возможность гибкой настройки диалогового интерфейса в соответствии с квалификацией пользователя (инженера-проектировщика, медика). Проблема получения достоверной информации о биологических объектах (кости, суставы) и трудоемкость создания этих моделей обуславливают необходимость разработки централизованного банка моделей, доступного различным коллективам проектировщиков и медиков.

Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР Санкт-Петербургского государственного электротехнического университе-

та «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии. Таким образом, разработка САПР механических изделий медицинской техники является актуальной задачей, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование вопросов организации программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, анализ взаимодействия подсистем и разработка на основе этого исследования системы ВюМесНСАО.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных

задач:

1) исследование и разработка архитектуры программного обеспечения системы ВюМесИСАВ;

2) исследование вариантов и разработка общесистемного ядра, инвариантного по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам;

3) исследование и разработка программной объектной модели описания компонентов систем кость-устройство;

4 4) исследование и разработка информационных и программных'средств учета индивидуальных особенностей человеческого организма;

5) исследование и разработка механизмов хранения описания биомеханических систем в базе данных;

6) исследование и разработка лингвистических средств системы ВюМесИСАО.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы построения систем автоматизированного проектирования, системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования, теория реляционных баз данных.

Новые научные результаты.

1. Предложена архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, отличающаяся наличием инвариантной части, обеспечивающей возможность развития и адаптации системы к новым задачам проектирования путем добавления описаний моделей костей, суставов и механических конструкций.

2. Впервые разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся наличием единого прикладного программного интерфейса.

3. Предложено оригинальное информационное обеспечение САПР, включающее в себя программную объектную модель универсального описания био-

механических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам, и учитывающую характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

4. Впервые разработан централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий. В состав банка входит база данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающая поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

5. Предложены лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика) и допускающие модификацию операционной модели диалога.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники.

2. Общесистемное ядро САПР механических изделий медицинской техники.

3. Программная объектная* модель универсального описания биомеханических систем.

4. Централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий медицинской техники.

Практическая ценность работы. Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1. Система ВюМесНСАВ позволяет проектировать механические устройства, определять их взаимодействие с биологическими объектами, такими как кости, учитывая характер перелома, и формировать, таким образом, систему кость-устройство, которая может быть нагружена согласно анатомическим функциям, выполняемых реальным суставом, и рассчитана с использованием метода конечных элементов для определения перемещений и напряжений, возникающих в системе. Полученные результаты расчетов могут быть использованы для оценки пригодности механического устройства для лечения конкретного типа перелома.

2. Предложенная архитектура программного обеспечения системы ВюМеШ-САО обеспечивает расширяемость системы и быструю модификацию подсистем вплоть до полной замены подсистем другими, в большей степени удовлетворяющими задачам проектирования.

3. Реализованная система импорта моделей позволяет разрабатывать модули поддержки произвольных форматов описания костей, суставов, механиче-

ских устройств и систем кость-устройство, что обеспечивает быструю и гибкую адаптацию системы для использования уже имеющихся моделей.

4. Хранение моделей биологических компонентов и фиксаторов в централизованном банке моделей, доступном для разных коллективов проектировщиков и медиков, сокращает усилия, затрачиваемые на разработку новых моделей фиксаторов.

5. Подсистемы ВюМесНСАО могут быть использованы в качестве самостоятельных программных средств, предназначенных для выбора конструкции, более других подходящей в конкретном случае лечения перелома.

Достоверность научных результатов подтверждается практическим использованием разработанной САПР при проектировании механических изделий медицинской техники в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена, Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии, а также в учебной практике Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты использовались в научно-исследовательских и учебно-методических работах по планам госбюджетной НИР «Моделирование и исследование биомеханиче-' ских систем при хирургических операциях и остеосинтезе» (шифр ИУТ-41,2006 г.), госбюджетной НИР по теме «Анализ и синтез моделей и методов адаптивного автоматизированного управления производством» (шифр САПР-43 тем. плана СПбГЭТУ 2006 г.), по хоздоговору «Разработка клиент-серверной версии базы данных каналов НЧ и ВЧ-связи для передачи цифровых данных» (договор № 6639/САПР-69 с ООО «МИНИТЕХ», 2006 г.) по хоздоговору «Разработка биомеханических критериев оптимальной регенерации тканей в зоне перелома при стабильно-функциональном остеосинтезе длинных костей» (договор № 6318/ПМИГ-1,2003 г.).

Теоретические и практические результаты используются при подготовке инженеров по специальностям 230104 «Системы автоматизации проектирования», 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике» и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специализация 230100.68-16 «Информационное и программное обеспечения САПР»). Применение разработанной системы в учебном процессе обеспечивает поддержку дисциплин «Информационные технологии в проектировании и производстве» учебного плана подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специализация 230100.68-16 «Информационное и программное обеспечения САПР»), дисциплины «Механика» учебного плана подготовки инженеров по специальности 230104 «Системы автоматизации проектирования» а также дисциплины «Биомеханика и биоматериалы» учебного плана подготовки дипломированных специалистов по направлению 653900 «Био-

медицинская техника» (специализация 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике»). Разработанная система BioMediCAD внедрена в: учебную практику в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) на кафедрах «Системы автоматизированного проектирования» и «Прикладная механика и инженерная графика»; инженерную и медицинскую практику в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена, Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2005 г.

• Всероссийская конференция «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы Биомедсистемы-2005», Рязанская государственная радиотехническая академия, 2005 г.

• Международная научно-техническая конференция «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологодский государственный техниче-, ский университет, 2005 г.

• Всероссийский конкурс инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы». Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк МГУ им. М. В. Ломоносова», 2005 г.

• 58, 59 научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Работа поддержана грантом всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы» (Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк МГУ им. М. В. Ломоносова», 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи и 4 работы в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок.

II. Содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности проблемы, приводятся основные цели и задачи работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе проводится анализ существующих методов исследования систем кость-устройство и рассматриваются вопросы разработки архитектуры программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники.

Показано, что проблема сложных переломов становится все более актуальной с развитием технического прогресса. Повсеместное использование машин, промышленные катастрофы, локальные военные конфликты приводят к увеличению ударных воздействий на опорно-двигательный аппарат, что вызывает сложные случаи переломов костей.

Рассматриваются методы лечения различных переломов, и дается краткое обоснование их применения. Применение фиксаторов позволяет анатомически точно разместить отломки костей и стабильно их зафиксировать, что положительным образом влияет на процессы сращивания костей и уменьшает период реабилитации. В некоторых случаях для лечения переломов используются также эндопротезы, что является высокотехнологическим методом лечения. Описаны существующие тенденции в проектировании механических устройств на примере фиксаторов остеос^нтеза. Наиболее распространенный, традиционный, способ заключается в разработке конструкции фиксатора с испытанием фиксатора на мертвом костном материале и последующим вводом фиксатора в медицинскую практику. Такой подход требует больших материальных и временных затрат, что сокращает количество новых разработок. Другой способ заключается в предварительном моделировании поведения системы кость-устройство при помощи расчетов нагруженных систем методом конечных элементов. Отмечено преимущество данного подхода, заключающееся в возможности корректировки характеристик устройства до его испытания в реальных условиях и отказа от заведомо неудачных конструкций. Это позволяет сократить сроки и стоимость разработок. Вместе с тем, в настоящее время этот метод используется не часто, ввиду отсутствия систем автоматизированного проектирования медицинских механических изделий и слабой проработке вопросов построения моделей и расчетов систем кость-устройство.

Формируются функциональные требования к системе ВюМесИСАО. Система должна предоставлять средства для: проектирования конструкций механических устройств; описания биологических систем (кости, мышцы, суставы, описания переломов, усилия мышц) как среды, внешней к устройству; расчета нагруженной системы кость-устройство и визуализация результатов; поддержки удаленной централизованной базы данных моделей. Система должна функционировать на персональных ЭВМ и иметь открытую структуру.

Рассматривается процесс проектирования в САПР фиксаторов. Выделены проектные процедуры процесса проектирования и определены связи между

процедурами, что отражено в виде соответствующей РШЭ-сети. Анализ процесса проектирования обосновывает необходимость хранения моделей биологических систем и механических устройств в единой базе данных.

С точки зрения системного подхода обосновано выделение подсистем и предложена архитектура ПО системы ВюМеШСАО. Система включает в себя инвариантную и проблемно-ориентированную части. Назначением инвариантной части является организация и поддержка процесса проектирования и инкапсуляция работы с моделями. Инвариантная часть состоит из интерактивной управляющей подсистемы, инвариантной обслуживающей подсистемы, подсистемы управления моделями сеанса проектирования и базы данных моделей. Проблемно-ориентированная часть обеспечивает выполнение проектных, процедур и включает в себя подсистему моделирования костей и суставов, подсистему моделирования механических устройств, подсистему описания патологии кости, подсистему формирования системы кость-устройство, подсистему задания нагрузок и подсистему расчета.

Выделение подсистем и определение связей между ними произведено с учетом принципов расширяемости и модульности, функциональной полноты и замкнутости. Принято целесообразным уменьшить количество связей между подсистемами и разделить системы на следующие слои: подсистемы по работе с -базой данных; проблемно-ориентированные подсистемы; обслуживающая под-^ система; управляющая подсистема. В результате вводится дополнительный уро- § вень абстракции в операциях с данными, чем достигается изоляция проблемно- * ориентированных подсистем от базы данных моделей, все функции по обеспечению процесса проектирования сосредоточены в инвариантной обслуживаю- * щей подсистеме, а управление процессом проектирования возложено на интерактивную управляющую подсистему. Характерной чертой такой организации является ориентация подсистем на работу с произвольными моделями биологических систем и механическими устройствами. Таким образом, предложенная архитектура ПО системы ВюМеШСАБ обеспечивает адаптацию программного обеспечения для решения задач проектирования новых устройств.

Вторая глава посвящена вопросам построения и реализации общесистемного ядра системы ВюМеШСАО, управляющего процессом проектирования и обеспечивающего взаимодействие подсистем САПР.

Определены следующие требования, предъявляемые к общесистемному ядру системы (ОЯС): организация процесса проектирования, поддержка базы данных моделей, обеспечение расширяемости системы и ее адаптации для решения новых классов задач. На основе анализа этих требований выделены подсистемы ОЯС и предложена его структура, согласно которой ОЯС включает в себя:

• интерактивную управляющую подсистему (ИУП);

• инвариантную обслуживающую подсистему (ИОП);

• модуль импорта моделей;

• подсистему управления моделями сеанса проектирования (ПУМ);

• базу данных моделей (БДМ).

ИУП предназначена для предоставления пользователю инструментов по управлению процессом проектирования. ИОП обеспечивает выполнение проблемно-ориентированных подсистем в нужной последовательности и их информационную поддержку, транслируя запросы по работе с моделями в ПУМ. ПУМ выполняет две основные функции - кэширование моделей сеанса проектирования и взаимодействие с базой данных моделей. Модели, хранящиеся в кэше, образуют базу моделей сеанса проектирования. Кэширование моделей позволяет предотвратить частое обращение к БДМ. Обоснована необходимость реализации программного интерфейса ОЯС и определен набор функций, входящих в его состав. Программный интерфейс включает функции для управле- , ния процессом проектирования, информационной поддержки проблемно-ориентированных систем, импорта моделей и изменения конфигурации системы. В соответствии с разработанной структурой ОЯС, программный интерфейс не включает функции по работе с базой данных. Таким образом, выделены основные преимущества предложенной структуры общесистемного ядра системы: малое число связей с другими подсистемами САПР фиксаторов; объединение всех функций по управлению процессом проектирования; инкапсуляция работы с БДМ; наличие четко определенного программного интерфейса.

Интерактивная управляющая подсистема предоставляет пользовательский интерфейс, посредством которого пользователь ьяржет управлять прЬцессом проектирования, конфигурировать систему и импортировать модели. Сформированные запросы из пользовательского интерфейса передаются в ИОП, которая обеспечивает: поддержку процесса проектирования, управление процессами проблемно-ориентированных подсистем, информационную поддержку проблемно-ориентированных подсистем, настройку конфигурации системы, импорт моделей. С учетом перечисленных требований предложена структура ИОП. На основе анализа связей ИОП с другими подсистемами САПР фиксаторов определены программные интерфейсы, предоставляемые ИОП, а также рассмотрены их методы. Таким образом, ИОП предоставляет программные интерфейсы: конфигурации системы, управления процессом проектирования, импорта моделей и управления моделями.

Рассмотрены алгоритмические основы управления процессами проблемно-ориентированных систем при обеспечении процесса проектирования. Учитывая требование адаптации системы к решению новых типов задач, предлагается организовать процесс проектирования в виде последовательного выполнения проектных процедур, а порядок вызова процедур представить в виде сценария процесса проектирования. Использование сценария позволяет описывать и модифицировать процесс проектирования не внося изменений в ОЯС. Обосновано описание сценария на языке XML (extended Markup Language). Предложенная XSD-схема по существу формирует язык определения сценария, входящий в состав лингвистического обеспечения САПР фиксаторов.

Предлагается алгоритм обработки сценария процесса проектирования и выполнения программных модулей проблемно-ориентированных подсистем, включающий в себя в качестве основных шагов: запуск процессов модулей и передачу им необходимых параметров; обработку сообщений, посылаемых процессом модуля; завершение процессов модулей. Запуск модулей сопряжен с созданием процесса и передаче порожденному процессу соответствующего программного интерфейса ОЯС. Разработан механизм передачи сообщений от процессов проблемно-ориентированных систем и их обработки в ОЯС. Для этого организуется очередь сообщений, и используются потоки записи сообщений в очередь и чтения сообщения из очереди. Асинхронность передачи и обработки сообщений обеспечивает высокое быстродействие и экономное расходование системных ресурсов, но требует решения задачи синхронизации потоков записи и чтения. Предлагается алгоритм синхронизации потоков работы с очередью сообщений. Рассмотрен алгоритм завершения процессов проблемно-ориентированных подсистем, основанный на механизме передачи сообщений и обеспечивающий корректное завершение работы модуля, сохранение данных и освобождение занимаемых системных ресурсов.

Обоснован способ прерывания и возобновления процесса проектирования. На каждом ¡-м этапе процесс проектирования можно представить как Б; = (О;, 01), где Б; это множество данных, а О; - множество операций, которые необходимо выполнить над Б; для перехода к следующему этапу. О, однозначно определяется номером этапа ц так как совокупность 0{ и описывает функциональную сторону процесса проектирования. Таким образом, для обеспечения возможности прерывания и возобновления процесса проектирования на 1-м этапе достаточно сохранить все данные 1-1 этапа. Сохраненные данные ьго этапа предлагается назвать сохраненным состоянием процесса проектирования. Предложены алгоритмы прерывания и возобновления процесса проектирования, определены способы сохранения данных, описывающих состояние процесса.

Проектные процедуры, используемые для проектирования фиксаторов ос-теосинтеза, оперируют моделями биомеханических систем и их компонентами. Показано, что в процессе проектирования происходит преобразование моделей проектируемых объектов, поэтому можно выделить конечное множество моделей сеанса проектирования. Так как изначально описания моделей хранятся в базе данных моделей, предлагается включить в состав САПР фиксаторов подсистему управления моделями сеанса проектирования, обеспечивающей кэширование моделей в виде их программного объектного описания. Наличие такой подсистемы позволяет предоставить проблемно-ориентированным системам единый программный интерфейс по работе с моделями и снизить нагрузку на СУБД моделей. В состав подсистемы управления моделями входят интерфейсный модуль, модуль кэширования моделей и модуль взаимодействия с СУБДМ. Рассматриваются алгоритмы получения описания модели, создания новой модели и сохранения измененной модели. Определяются потоки данных при выполнении операций с моделями.

Процесс создания моделей биологических объектов может потребовать значительных затрат ресурсов. Это обусловлено сложной геометрией, широким диапазоном изменения физических свойств и необходимостью проведения дополнительных, зачастую дорогостоящих исследований. Для обеспечения возможности использования моделей биомеханических систем и их компонентов, созданных в других системах, предлагается включить в САПР фиксаторов подсистему импорта моделей. Разработана архитектура подсистемы, отличительной особенностью которой является наличие координирующего модуля и неограниченного количества модулей трансляции, преобразующих описание модели на некотором языке в программное объектное описание моделей. Предложен способ реализации модулей трансляции в виде подключаемых библиотек, рассмотрен алгоритм загрузки библиотек и разработана структура классов, обеспечивающая полиморфную работу с модулями трансляции.

Рассмотрены вопросы реализации общесистемного ядра САПР фиксаторов. При разработке ОЯС должны учитываться следующие требования: кросс-платформенность, предоставление прикладного программного интерфейса, низкая потребность в системных ресурсах, поддержка различных, в том числе и удаленных баз данных моделей. Согласно разработанной диаграмме размещения, ИУП и ИОП реализуются в виде отдельных исполняемых модулей. Для организации межпроцессного взаимодействия предлагается использовать технологию, реализующую удаленный вызов процедур (RPC — Remote Procedure Call). Рассматриваются технологии обеспечения межпроцессного взаимодействия и проводится их оценка с точки зрения учета требований к реализации ОЯС. К таким технологиям относятся: использование специфических механизмов, предоставляемых современными операционными системами; разработка протокола взаимодействия процессов на основе сокетов; реализации XML-RPC, в частности, SOAP (Simple Object Access Protocol); построение приложений на основе COM (Component Object Model); CORBA (Common Object Request Broker Architecture). Обоснован выбор технологии CORBA как наиболее удовлетворяющей требованиям к ОЯС. Предложено описание программных интерфейсов ОЯС на языке описания интерфейсов CORBA IDL.

В третьей главе рассматривается информационное, математическое и лингвистическое обеспечения системы BioMediCAD. Предлагается реализация информационного обеспечения, состоящего из программной объектно-ориентированной модели биомеханических систем и базы данных, предназначенной для хранения описания систем.

Рассмотрены особенности использования моделей биомеханических систем. В системе BioMediCAD используются следующие виды моделей: модели механических устройств, модели биологических объектов, модели гетерогенных систем кость-устройство. Использование моделей объектов имеет две особенности. Первая заключается в использовании моделей проблемно-ориентированными системами при выполнении проектных процедур. Вторая особенность состоит в необходимости сохранения описания модели в базе дан-

ных. Учитывая принципиально разный характер использования, определяются два формата атрибутивного описания моделей: формат сеанса проектирования и формат хранения в базе данных.

Формат сеанса проектирования должен предоставлять информацию о модели в виде, удобном для использования программным обеспечением проблемно-ориентированных подсистем. Описание модели в формате хранения должно обеспечивать компактное представление данных для долговременного размещения модели в реляционной базе данных. Для оценки результатов, полученных при проектировании механических устройств, интересны механические свойства системы кость-устройство, следовательно, необходимы расчеты, определяющие деформации, перемещения и напряжения компонентов системы. Для решения такого класса задач широко применяется метод конечных элементов.

Метод конечных элементов сводит решение линейной задачи к решению системы линейных алгебраических уравнений, в матричной форме имеющей вид Ки = Р, где и - столбец неизвестных, Р — столбец свободных членов. В зависимости от решаемой задачи матрица К носит название матрицы жесткости, или матрицы пластичности. Коэффициенты матрицы К формируются в соответствии с законами теории упругости и зависят от параметров конечных элементов (координат их узлов) и свойств материала (плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести и т. д.). Вектор Р формируется заданием граничных условий. Полученную систему решают с помощью численных методов и определяют искомые перемещения и напряжения.

Обосновано использование существующего программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов (АКБУБ, КАБТКАЫ) в качестве основы для реализации подсистемы расчета системы ВюМесНСАВ. Построение математической модели биомеханической системы сводится к определению коэффициентов системы. Для этого требуется описание следующих характеристик компонентов модели: геометрическая форма компонентов системы; свойства материалов; описание связей между компонентами; ограничения, накладываемые на перемещения компонентов относительно друг друга; нагрузки, возникающие в системе. Таким образом, эта информация должна найти отражение в описании моделей.

Определена иерархическая организация биомеханических систем. Показано, что для программного представления таких сущностей обосновано применение объектно-ориентированного подхода. Выделены общие свойства компонентов систем и разработана иерархия классов, представляющих компоненты биомеханических систем. Базовый класс компонента определяет методы описания: геометрии, связей, материалов и физиологических характеристик человеческого организма. От базового класса наследуются классы биологического объекта, механического объекта, представляющие неделимые компоненты и класс составного объекта, представляющий совокупность компонентов и связи между ними. В свою очередь, класс биологических объектов является базовым для

классов костей и мышц, а от класса составного объекта наследуются классы суставов, механических устройств и систем кость-устройство.

Рассмотрены особенности реализации классов биологических компонентов. Описание атрибутов кости включает: описание геометрической формы кости; описание перелома; характеристики костной ткани; описание действий, производимых при установке механического изделия; описание мест крепления мышц. Предложен способ определения геометрической формы кости в виде набора сечений, представленных в виде сплайнов. В этом случае становятся возможными генерация описания поверхности кости в виде сетки граней и построение конечно-элементной модели кости. Такие представления формы кости используются при визуализации и в расчетах методом конечных элементов соответственно. Атрибутами класса мышцы являются геометрическое представление формы мышцы и значение силы мышцы. Показано, что для расчета системы кость-устройство можно представить мышцы как силы, приложенные к определенным местам кости, таким образом, форма мышцы представляет интерес только дня визуализации. Класс сустава наследует атрибуты класса составного объекта и предоставляет доступ к списку компонентов и описаниям связей. Для представления механических объектов предложено использование твердотельных моделей. В настоящее время реализованы системы твердотельного моделирования, входящие в состав различных машиностроительных САПР. Эти системы могут быть использованы как основа рля реализации подсистемы моделирования механических устройств. По твердотельной модели осуществляется построение трехмерной сетчатой модели поверхности, используемой подсистемой визуализации и конечно-элементной модели, применяемой при расчете системы кость-устройство. Помимо представления геометрической формы компонентов устройства рассматриваются также вопросы определения их материалов. Класс системы кость-устройство включает в себя такие атрибуты как биологическую систему (объект класса сустав) и объект класса механического устройства. Для описания взаимодействия этих объектов добавляется набор связей.

Обоснован выбор существующих СУБД для поддержки базы данных моделей. К числу таких СУБД относятся Oracle, Microsoft SQL Server, PostgreSQL, MySQL. СУБД поддерживают работу с реляционными базами данных, расположенными на удаленных серверах, что согласуется с требованиями к САПР фиксаторов. Можно выделить подмножество языка SQL, одинаково реализованное во всех СУБД, следовательно, использование этого подмножества для работы с данными, описывающими биомеханические системы, позволяет разрабатывать программный код модуля взаимодействия с СУБДМ без привязки к конкретной СУБД.

Отмечается, что характерной чертой моделей, используемых в системе BioMediCAD, является их параметризация, которая подразумевает под собой зависимость численных значений атрибутов моделей от некоторых обобщенных макропараметров (ОМП), учитывающих особенности строения человеческого организма. К таким параметрам относятся: рост человека, масса тела, возраст,

половая принадлежность, наличие остеопороза и степень его прогрессирования. Можно считать, что параметры изменяются линейно и ограничены некими предельными значениями. Вводятся коэффициенты влияния ОМП на численное значение какого-то атрибута модели. При условии, что ОМП не влияют друг на

друга, значение атрибута может быть представлено как v,. = v't * П^ » где v,- -

У-1

значение i-ro атрибута модели, v,- - базовое значение i-ro атрибута модели, ку -коэффициент учета влияния j-ro ОМП на v,-, m - количество рассматриваемых ОМП.

Предложена структура таблиц, содержащих информацию о влиянии ОМП на атрибуты моделей. Приводятся примеры SQL-запросов для извлечения значений атрибутов моделей и обсуждаются вопросы учета ОМП в программном объектном представлении моделей. Определена таблица описания свойств материалов, учитывающая следующий свойства материалов: плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, предел текучести. Также материал имеет название и номер, идентифицирующий материал в библиотеке материалов. Рассмотрены структуры таблиц для описания моделей костей, мышц и суставов. При этом обеспечивается параметризация моделей. Вводится понятие сценария движения. Все движения человека осуществляются за счет работы мышц. Таким образом, можно описать нагрузки на кости при любом движении как совокупность сил, развиваемых мышцами, силы тяжести и реакции опоры. В зависимости от значений ОМП эти силы будут меняться. Наличие сценариев движения позволяет полнее описывать организм человека как внешнюю среду по отношению к фиксаторам. Предложена структура таблиц для описания произвольного сценария движения. Разработана структура таблиц, содержащих данные о механических устройствах и их компонентах. Разработанная структура базы данных моделей позволяет представить все сведения об объектах проектирования, описания биологических объектов, характеристики материалов и сценарии движения. При этом учитывается влияние ОМП на атрибуты моделей.

Предложены лингвистические средства системы BioMediCAD, позволяющие приспособиться к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика), имеющие гибкий диалоговый интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога

Четвертая глава посвящена реализации проблемно-ориентированных подсистем. Приводятся характеристики системы BioMediCAD. Представлены результаты применения разработанной САПР на примере разработки эндопротеза бедренной кости, применяемого для лечения перелома шейки бедра.

Предложены варианты реализации проблемно-ориентированных подсистем. В качестве основы для построения подсистем САПР фиксаторов взята САПР NX 3.0 фирмы UGS Corp, как одна из распространенных в мировой машиностроительной практике и предоставляющая широкие возможности по интеграции средствами прикладного программного интерфейса. Для упрощения описания костей в составе подсистемы моделирования костей реализована

функция автоматизированного построения сечений по изображениям срезов кости, например, по результатам томографии.

В составе системы BioMediCAD реализовано общесистемное ядро, интерактивная управляющая подсистема, подсистемы ввода описания костей, моделирования механических устройств и создания системы кость-устройство. Также реализована подсистема расчета и визуализации полученных результатов. BioMediCAD функционирует под управлением операционных систем семейств Windows и Linux. В качестве СУБД моделей используется Microsoft SQL Server. Отработаны основные механизмы управления подсистемами и передачи данных между подсистемами. В то же время, отмечаются направления модификации подсистем для их более эффективной работы.

Обоснован выбор эндопротеза бедренной кости в качестве примера механической конструкции, разрабатываемой в системе BioMediCAD. Эндопротезы относятся к высокотехнологичной медицинской технике, их высокая стоимость и ориентированность на продолжительное пребывание в организме человека требуют высококачественного проектирования. Рассмотрены варианты лечения, применяемых при переломах шейки бедра, обоснован выбор метода эндопроте-зирования как наиболее распространенного способа лечения таких переломов.

Для обеспечения возможности сравнения результатов, полученных при моделировании системы кость-эндопротез, предлагается в качестве объекта проектирования выбрать существующую модель эндопротезй, применяемую в медицинской практике, а именно VerSys Enchanced Taper фирмы Zimmer. Описаны характеристики данного эндопротеза и методика его использования. Рассмотрен процесс моделирования эндопротеза и показаны этапы построения соответствующей твердотельной модели.

Рассматривается процесс построения модели бедренной кости. Для построения моделей длинных костей, можно использовать набор сечений, полученных, например, в результате томографии. По сечениям определяется геометрическая форма всей кости. Данный подход используется и для формирования модели бедренной кости. Проведена параметризация модели в зависимости от роста, веса человека и степени остеопороза.

Сформирована модель системы кость-эндопротез. При этом учитывается методика установки эндопротеза, принятая в медицинской практике. Произведено задание нагрузок на систему. При совершении человеком движений, кости подвергаются действию силы мышц и силы тяжести. В соответствии с результатами исследований биомеханики движения определяются величины и направления сил, что находит отражение в формировании соответствующего сценария движения. Рассмотрены силы, действующие на кости при стоянии человека и при ходьбе. Сформированная модель бедренной кости и сценарии движения сохраняются в базе данных моделей и могут быть использованы в дальнейшей работе с системой BioMediCAD.

Нагруженная система кость-эндопротез при различных значениях роста, веса человека и степени остеопороза рассчитана методом конечных элементов в

подсистеме расчета. Проводится анализ полученных результатов и сравнение их с данными, получаемыми в медицинской практике, что подтверждает достоверность результатов. Показано, что применение подсистемы расчета и визуализация полученных результатов позволяет выделять преимущества и недостатки конструкции и делать обоснованные выводы о применимости эндопротезов, а использование всего комплекса обеспечения системы BioMediCAD приводит к сокращению сроков проектирования конструкций фиксации.

III. Основные результаты работы

1. Разработана архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, обеспечивающая адаптацию программного обеспечения для решения задач проектирования новых механических изделий медицинской техники путем добавления описаний моделей костей, механических устройств и типов переломов.

2. Разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся от известных наличием единого прикладного программного интерфейса.

3. Разработана программная объектная модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические'объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам. Также программная модель учитывает характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

4. Разработан централизованный банк моделей, включающий базу данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающую поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

5. Реализована система импорта моделей, позволяющая разрабатывать модули поддержки произвольных форматов описания костей, суставов, механических устройств и систем кость-устройство, что обеспечивает быструю и гибкую адаптацию системы для использования уже имеющихся моделей.

6. Разработаны лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирущиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика), имеющие гибкий диалоговый интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога.

7. На основе полученных результатов реализована система BioMediCAD, внедренная в: учебную практику в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); инженерную и медицинскую практику в Российском научно-исследовательском

институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Алешкевич, П. А. Автоматизация проектирования фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2004. - №. 2. - С. 36-39.

2. Алешкевич, П. А. Информационное обеспечение САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005: тез. докл. Междунар. конф., г. Санкт-Петербург, 2005 г. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ. - 2005. -С. 107-109.

3. Алешкевич, П. А. Архитектура САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы Биомедсисгемы — 2005: тез. докл. Все-рос. конф., г. Рязань, 2005 г. - Рязань: РГРТА. - 2005. - С. 107-108.

4. Алешкевич, П. А. Проектирование индивидуальных устройств остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Автоматизирован. подготовка мапшностроит. производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: тез. докл. Междунар. конф., г. Вологда, 2005 Г. - Вологда: ВоГТУ. - 2005. - Т. 2. - С. 136г138.

5. Алешкевич, П. А. Математическое обеспечение САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич II Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2005. -№.3.-С. 89-91

6. Алешкевич, П. А. САПР фиксирующих конструкций индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Всерос. конкурс инновацион. проектов аспирантов и студентов по приоритет, направлению «Живые системы»: тез. докл. Всерос. конф., г. Вятка, 2005 г. - Вятка: ВятГУ. — 2005. — С. 9-10.

7. Алешкевич, П. А. Реализация подсистемы расчета в САПР устройств фиксации / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии - 2006. - №. 1. - С. 48-52.

Подписано в печать 17.11.2006. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 189/2

Отпечатано в типографии «Альтернативная Полиграфия» 197046, Санкт-Петербург, Александровский парк, д. 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. АРХИТЕКТУРА САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ.

1.1. Лечение патологий костей. Проектирование конструкций для остеосинтеза и эндопротезов.

1.1.1. Состояние проблемы сложных типов переломов.

1.1.2. Методы лечения переломов.

1.1.3. Проектирование конструкций, применяемых при лечении переломов.

1.2. Функциональные требования к САПР механических изделий медицинской техники.

1.3. Процесс автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники.

1.4. Структура и организация подсистем САПР механических изделий медицинской техники.

1.5. Функциональное назначение проблемно-ориентированных подсистем.

1.6. Взаимодействие подсистем САПР.

2. РАЗРАБОТКА ОБЩЕСИСТЕМНОГО ЯДРА САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Функции и структура общесистемного ядра САПР.

2.3. Интерактивная управляющая подсистема.

2.4. Инвариантная обслуживающая подсистема.

2.5. Алгоритмические основы обеспечения процесса проектирования.

2.5.1. Сценарий процесса проектирования.

2.5.2. Управление модулями проблемно-ориентированных подсистем.

2.5.3. Прерывание и возобновление процесса проектирования.

2.6. Подсистема управления моделями сеанса проектирования.

2.7. Модуль импорта моделей.

2.8. Реализация общесистемного ядра САПР механических изделий медицинской техники.

3. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ.

3.1. Характеристика информационного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники.

3.2. Математическая модель системы кость - устройство.

3.3. Программная объектно-ориентированная модель системы кость -устройство.

3.3.1. Представление биологических объектов.

3.3.2. Представление механических объектов.

3.3.3. Представление системы кость - устройство.

3.4. База данных моделей биомеханических систем.

3.5. Лингвистическое обеспечение САПР.

4. ПРИМЕНЕНИЕ САПР МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ.

4.1. Функциональные характеристики САПР механических изделий медицинской техники.

4.2. Обоснование выбора конструкции.

4.3. Построение модели биомеханической системы.

4.4. Расчет модели биомеханической системы и анализ полученных результатов.

Современный этап развития САПР характеризуется динамичным расширением предметных областей их применения. В широком круге задач, охватываемых проблемой дальнейшего развития автоматизированного проектирования, существенную роль играет создание новых проблемно-ориентированных систем проектирования сложных объектов заданного целевого направления, в частности механических изделий медицинской техники (средств коррекции и замещения функций органов и систем, в том числе для травматологии и ортопедии, часть из которых, а именно, фиксаторы и эндо-протезы, используется для лечения переломов и заболеваний суставов).

Совершенствование помощи больным с травмами и заболеваниями опорно-двигательной системы (ОДС) актуально как в России, так и за рубежом, и обусловлено следующими социальными факторами. По данным Всемирной организации здравоохранения ежегодно в мире вследствие травм погибают 3,5 млн. человек, а более 2 млн. травмированных людей навсегда становятся инвалидами. Это число в 100-150 раз превышает количество раненых в военных действиях, которым необходима медико-санитарная помощь. В Российской Федерации от травм и несчастных случаев ежегодно страдает около 13 млн. человек. Среди всех причин временной нетрудоспособности травмы занимают 2-е место (после острых респираторных и вирусных инфекций), а по утраченным дням трудоспособности они вышли на 1-е место. Среди всех причин инвалидности травмы занимают 4-е место (после болезней органов кровообращения, болезней нервной системы и органной чувств, злокачественных новообразований). Смертность от травм занимает 2-е место (после болезней органов кровообращения), что составляет около 310-350 тысяч человек. Заболеваниями ОДС страдает более 8% населения России и это число постоянно увеличивается. Заболевания ОДС занимают 3-е место среди причин временной утраты работоспособности (после острых респираторных инфекций, травм) и 5-е место среди всех причин инвалидизации. Для лечения тяжелых видов травм костей и суставов - переломов и их заболеваний часто необходимо хирургическое лечение с использованием фиксаторов и эндо-протезов. Качество последних во многом определяет успех лечения. Существующие в медицинской практике подходы к проектированию механических устройств для травматологии и ортопедии позволяют оценивать их эффективность преимущественно путем длительного субъективного наблюдения за больными, для лечения которых они применялись, что делает разработку таких устройств недостаточно рациональной и экономически не всегда оправданной.

Для проектирования указанного класса механических изделий применим весь набор базовых инструментов и технологий. Специфика использования механических устройств в составе организма человека накладывает определенные ограничения. Многокритериальность задач проектирования механических изделий медицинской техники требует неформального участия инженеров и медиков на всех этапах целостного процесса проектирования, включая этап диалогового доопределения решаемой задачи. Как существующие, так и перспективные потребности развития САПР ставят задачи разработки общесистемного программного обеспечения в виде ядра, ориентированного на адаптацию системы к новым задачам проектирования механических изделий медицинской техники и предоставляющего возможность гибкой настройки диалогового интерфейса в соответствии с квалификацией пользователя (инженера-проектировщика, медика). Проблема получения достоверной информации о биологических объектах (кости, суставы) и трудоемкость создания этих моделей обуславливают необходимость разработки централизованного банка моделей, доступного различным коллективам проектировщиков и медиков.

Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Российского научноисследовательского института травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии. Таким образом, разработка САПР механических изделий медицинской техники является актуальной задачей, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование вопросов организации программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, анализ взаимодействия подсистем и разработка на основе этого исследования системы BioMediCAD.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. исследование и разработка архитектуры программного обеспечения системы BioMediCAD;

2. исследование и разработка общесистемного ядра, инвариантного по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам;

3. исследование и разработка программной объектной модели описания компонентов систем кость - устройство;

4. исследование и разработка информационных и программных средств учета индивидуальных особенностей человеческого организма;

5. исследование и разработка механизмов хранения описания биомеханических систем в базе данных;

6. исследование и разработка лингвистических средств системы BioMediCAD.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы построения систем автоматизированного проектирования, системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования, теория реляционных баз данных.

Новые научные результаты.

1. Предложена архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, отличающаяся наличием инвариантной части, обеспечивающей возможность развития и адаптации системы к новым задачам проектирования путем добавления описаний моделей костей, суставов и механических конструкций.

2. Впервые разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся наличием единого прикладного программного интерфейса.

3. Предложено оригинальное информационное обеспечение САПР, включающее в себя программную объектную модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам, и учитывающую характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

4. Впервые разработан централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий. В состав банка входит база данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающая поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

5. Предложены лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика) и допускающие модификацию операционной модели диалога.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, обеспечивающая адаптацию программного обеспечения для решения задач проектирования новых механических изделий медицинской техники путем добавления описаний моделей костей, механических устройств и типов переломов.

2. Разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся от известных наличием единого прикладного программного интерфейса.

3. Разработана программная объектная модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам. Также программная модель учитывает характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

4. Разработан централизованный банк моделей, включающий базу данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающую поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

5. Реализована система импорта моделей, позволяющая разрабатывать модули поддержки произвольных форматов описания костей, суставов, механических устройств и систем кость - устройство, что обеспечивает быструю и гибкую адаптацию системы для использования уже имеющихся моделей.

6. Разработаны лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика), имеющие гибкий диалоговый интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога.

7. На основе полученных результатов реализована система BioMediCAD, «' внедренная в: учебную практику в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); инженерную и медицинскую практику в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вреде-на и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии.

Разработанное программное обеспечение отличается открытостью и адаптационными свойствами, гарантирующими возможность дальнейшего развития системы BioMediCAD. Сущность предложенной организации САПР такова, что возможна независимая модификация подсистем, направленная на улучшение их характеристик. Наиболее перспективными задачами, позво-► ляющими расширить функциональные возможности системы являются:

• совершенствование способов описания биомеханических свойств органов и систем человека с точки зрения представления их в виде, пригодном для использования в САПР механических изделий медицинской техники;

• модификация информационного, математического обеспечения и разработка принципиально новых проблемно-ориентированных подсистем, предназначенных для решения задач проектирования новых устройств медицинской техники и добавление соответствующих сценариев процессов проектирования. улучшение диалогового интерфейса проблемно-ориентированных подсистем для расширения круга пользователей с различным уровнем квалифи-» кации, заинтересованных в решении разных задач (например, инженеровпроектировщиков и медиков).

8. разработка дополнительных средств поддержки коллективной, распределенной разработки механических изделий медицинской техники.

Работа поддержана грантом всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы» (Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк т МГУ им. М. В. Ломоносова», 2005 г.).

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

• Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», 2005 г.

• Всероссийская конференция «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы Биомедсистемы-2005», Рязанская государственная радиотехническая академия, 2005 г.

• Международная научно-техническая конференция «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологодский государственный технический университет, 2005 г.

• Всероссийский конкурс инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы». Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк МГУ им. М.В. Ломоносова», 2005 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Авдиев, Ю. А. Электромеханические свойства костной ткани / Ю. А. Авдиев С. А. Регирер // Современные проблемы биомеханики. - Рига: Зи-нантне, 1985.-№2.-С. 103-131.

2. Алгоритмы, математическое обеспечение и архитектура многопроцессорных вычислительных систем / Под ред. Ершова А. П. М.: Наука, 1982. -336 с.

3. Бакаев, А. А. Методы организации и обработки баз данных / А.А. Бакаев, В. И. Гриценко, Д. Н. Козлов. Киев: Наук, думка, 1993. - 148 с.

4. Басов, К. A. ANSYS в примерах и задачах / К. А. Басов; под общ. ред. Д. Г. Красковского. -М.: КомпьтерПресс, 2002. 224 с.

5. Бегун, П. И. Биомеханические системы человека: Учеб. пособие / П. И. Бегун, О. П. Кормилицын, Ю. А. Шукейло- СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000.-188 с.

6. Безгодков Ю. А. Оптимизация эндопротезирования тазобедренного сустава на основании медико-технической оценки различных видов эндопроте-зов. дисс. докт. мед. наук. - СПб., 1999.

7. Белоногов, Г. Г. Автоматизированная обработка научно-технической информации: Лингвистические аспекты / Г. Г. Белоногов, Б. А. Кузнецов, А. П. Новоселов // Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1989. Т.8.

8. Бин, Дж. XML для проектировщиков. Повторное использование и интеграция / Дж. Бин. М.: КУДИЦ-Образ, 2004. - 256 с.

9. Боггс, У. UML и Rational Rose / У. Боггс, М. Боггс. М.: Лори, 2000. - 348 с.

10. Ю.Бреббия, К. Методы граничных элементов / К. Бреббия, Ж. Теллес, Л. Вроубел; пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 524 с.

11. Буланже, Г. В., Инженерная графика. Проецирование геометрических тел / Г. В. Буланже, И. А. Гущин, В. А. Гончарова. М.: Высшая школа, 2003. -184 стр.

12. Веселов Е. Н. Операционные структуры диалога / Е. Н. Веселов. М.: ВЦ АН СССР, 1980.-38 с.

13. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер; пер с англ.-М.: Мир, 1984.-428 с.

14. Гамма, Э. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software / Э. Гамма, P. Хелм, P. Джонсон, Дж. Влиссидес. СПб.: Питер, 2006.-366 с.

15. Гарсиа-Молина, Г. Системы баз данных. Полный курс / Гектор Гарсиа-Молина, Джеффри Д. Ульман, Дженнифер Уидом. М.: Диалектика, 2002. - 1088 с.

16. Герасимов Н. А. Разработка программного обеспечения адаптивных диалоговых систем / Н. А. Герасимов, В. Н. Полищук // Программирование. -1982.-№4. С. 44-53.

17. Гешвинде, Э. PostgreSQL. Руководство разработчика и администратора /

18. Эвальд Гешвинде, Ганс-Юрген Шениг. М.: DiaSoftUP, 2002. - 608 с.

19. Грейвс, М. Проектирование баз данных на основе XML / Марк Грейвс. -М.: Вильяме, 2002.-640 с.

20. Григорьева, О. А. Современные САПР: Учеб. пособие / О. А. Григорьева. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. 73 с.

21. Гультяев, А. К. Проектирование и дизайн пользовательского интерфейса / А. К. Гультяев, В. А. Машин. СПб.: Корона-Принт, 2000. - 352 с.

22. Дейт, К. Введение в системы баз данных / К. Дейт. М.: Вильяме, 2001. -1072 с.

23. Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных, 8-е издание / К. Дж. Дейт. -М.: Вильяме, 2005. 1328 с.

24. Джонс, Д. К. Методы проектирования / Д. К. Джонс. М.: Мир, 1986. -326 с.

25. Дунаев, С. Б. Доступ к базам данных и техника работы в сети: Практ. приемы соврем, программирования / С. Б. Дунаев. М.: Диалог-МИФИ, 1999.-416 с.

26. Дюбуа, Д. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике / Д. Дюбуа, А. Прад. М.: Радио и связь, 1990.

27. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич; пер. с англ.-М.: Мир, 1975.

28. Иванов, В. П. Трехмерная компьютерная графика / В. П. Иванов, А. С. Батраков. М.: Радио и связь, 1995. - 244 с.

29. Интеллектуальные системы принятия проектных решений / А. В. Алексеев, А. Н. Борисов, Э. Р. Вилюмс и др. Рига: Зинатне, 1997.

30. Калиткин, Н. Н. Численные методы / Н. Н. Калиткин. М.: Наука, 1978. -512 с.

31. Каплан, А. В. Повреждения костей и суставов. 3-е издание / А. В. Каплан. -М.: Медицина, 1979. 568 с.

32. Каплун, А. Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

33. Коллинз, Уильям Дж. Структуры данных и стандартная библиотека шаблонов / Уильям Дж. Коллинз. М.: Бином, 2003. - 624 с.

34. Коннолли, Т. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение: Теория и практика: Пер. с англ. / Т. Коннолли, К. Бегг, А. Страчан. 3-е изд. -М.: Вильяме, 2003. 1440 с.

35. Краснов, М. Unigraphics для профессионалов / М. Краснов, Ю. Чигишев. -М: Лори, 2005.-319 с.

36. Латышев, П. Н. Каталог САПР. Программы и производители / П. Н. Латышев. М.: Солон, 2006. - 608 с.

37. Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) / К. Ли. СПб.: Питер, 2004. - 560

38. Мартин, Дж. Организация баз данных в вычислительных системах / Дж. Мартин; пер. с англ. 2-е изд., доп. М.: Мир, 1999. - 662 с.

39. Митчелл, Э. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными / Э. Митчелл, Р. Уэйт; пер с англ. М.: Мир, 1981. - 216 с.

40. Нейбург, Э. Проектирование баз данных с помощью UML / Эрик Дж. Нейбург, Роберт А. Максимчук. М.: Вильяме, 2002. - 288 с.

41. Павлидис, Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений / Т. Павлидис. М.: Мир, 1989. - 400 с.

42. Павлюк, О. В. Обзор некоторых способов формального описания диалоговых систем / О. В. Павлюк. УС и М. - 1983. - № 6. - С. 74 - 78.

43. Питерсон, Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Дж. Питер-сон; пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 264 с.

44. Питц Моултис, Н. XML в подлиннике / Н. Питц - Моултис, Ч. Кирк. -СПб.: BHV, 2001.-718 с.

45. Построение современных систем автоматизированного проектирования / К. Д. Жук, А. А. Тимченко, А. А. Родионов и др. Киев: Наукова думка, 1983.-248 с.

46. Потапкин, А. В. 3D Studio МАХ: Трехмерная компьютерная анимация: Практ. пособие / А. В. Потапкин, Д. Ф. Кучвальский. М.: Эком, 1997. -479 с.

47. Потемкин, А. Трехмерное твердотельное моделирование / А. Потемкин. -М.: Компьютер Пресс, 2002 296 с.• 55.Проектирование интегрированных баз данных / А. А. Строгний В. Э.

48. Вольфенгаген, В. А. Кушниров и др. Киев: Техшка, 1987. - 134 с.

49. Пэрент, Р. Компьютерная анимация. Теория и алгоритмы Computer Animation. Algorithms and Techniques / Рик Пэрент. M.: КУДИЦ-Образ, 2004. -560 с.

50. Райордан, Р. Основы реляционных баз данных / Р. Райордан; пер., с англ. М.: Русская Редакция, 2001. - 384 с.

51. Растригин, JI. А. Адаптация сложных систем / JI. А. Растригин. Рига: Зи-натне, 1981.-375 с.

52. Рихтер, Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows / Дж. Рихтер. М.: Русская Редакция , 2000. - 752 с.

53. Роджерс, Д. Алгоритмические основы машинной графики / Д. Роджерс. -М.: Мир, 1986.-495 с.61 .Роджерс, Д. Математические основы машинной графики / Д. Роджерс, Дж. Адаме.-М.: Мир, 2001.

54. Ролланд, Ф. Основные концепции баз данных / Фред Роланд. М.: Вильяме, 2002. - 256 с.

55. Роутс, Р. Интерфейс «Человек-компьютер» / Р. Роутс, И. Влейминк; пер. с • англ. М.: Мир, 1990. - 501 с.

56. Рыбаков, Ф. И. Системы эффективного взаимодействия человека и ЭВМ / Ф. И. Рыбаков. -М.: Радио и связь, 1985. 200 с.

57. Сегерлинд, JI. Применение метода конечных элементов / JI. Сегерлинд. -М.: Мир, 1979.-392 с.

58. Сигорский, А. П. Проблемная адаптация систем автоматизированного проектирования / А. П. Сигорский, О. А. Витязь. Киев: Знание, 1986. -20 с.

59. Системы параллельной обработки. Под ред. Д. Дж. Ивенса; пер. с англ. -М.: Мир, 1985.

60. Сичкаренко, В. A. SQL 99. Руководство разработчика баз данных / В. А. > Сичкаренко. М.: DiaSoftUP, 2002. - 816 с.

61. Сольницев, Р. И. Система автоматизации проектирования инструментарий проектировщика / Р. И. Сольницев // ЭВМ в проектировании и производстве. - JI: Машиностроение, 1983. - С. 60 - 71.

62. Сызранцев, В.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов / В.Н. Сызранцев, К.В. Сызранцева. Курган: Изд-во Курганского гос. университета., 2000. - 111 с.

63. Тербер, К. Дж. Архитектура высокопроизводительных вычислительных систем / К. Дж. Тербер. М.: Наука, 1985. - 272 с.

64. Тиори, Т. Проектирование структур баз данных: Пер. с англ.: В 2 кн. / Т. f Тиори, Д. Фрай. М.: Мир, 1985.

65. Трельсен, Э. Модель СОМ и применение ATL 3.0 / Э. Трельсен. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 928 с.

66. Уилтон, Р. Видеосистемы персональных компьютеров IBM PC и PS/2. Руководство по программированию / Р. Уилтон. М.: Радио и связь, 1994. -384 с.

67. Ульман, Дж. Основы системы баз данных / Дж. Ульман. М.: Финансы истатистика, 1983. 334 с.

68. Уолтон, Ш. Создание сетевых приложений в среде Linux / Шон Уолтон. -М.: Издательский дом Вильяме, 2001. 464 с.

69. Федоров, В. В. Итеративные циклы и диалог в процессе автоматизированного проектирования / В. В. Федоров. Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. - 1982. -№ 3. - С. 59-66.

70. Фоли, Дж. Основы интерактивной машинной графики / Дж Фоли, А. Ван Дэм.-М.: Мир, 1985.

71. Фролов, А.В. Базы данных в Интернете: практическое руководство по созданию Web-приложений с базами данных / А.В. Фролов, Г.В. Фролов;изд. 2-ое, испр. М.: Русская Редакция, 2000. - 448 с.

72. Хансен, Г. Базы данных: разработка и управление / Г. Хансен, Д. Хансен; пер. с англ. под ред. С. Каратыгина. М.: БИНОМ, 2000. - 699 с.

73. Холзнер, С. XML. Энциклопедия / С. Холзнер. СПб.: Питер, 2004 - 1104 с.

74. Цаленко, М. Ш. Моделирование семантики в базах данных / М. Ш. Цален-ко. М.: Наука, 1989. - 286 с.

75. Цимбал, А. А. Технология CORBA для профессионалов / А. А. Цимбал. -СПб.: Питер, 2001.-624 с.

76. Шикин, Е. В. Компьютерная графика. Полигональные модели / Е. В. Шикин, А. В. Боресков. М.: Диалог-МИФИ, 2005. - 464 с.

77. Эдди, Сандра Э. XML. Справочник. Наиболее полное руководство / Сандра Э. Эдди. СПб.: Питер, 1999. - 480 с.

78. Энкарначчо, Ж. Автоматизированное проектирование: Основные понятия * и архитектура систем / Ж. Энкарначчо, Э. Шлехтендаль. М.: Наука,1988.

79. Якубайтис, Э. А. Информационно-вычислительные сети / Э. А. Якубайтис. -М.: Финансы и статистика, 1984. 232 с.

80. Янсон, X. А. Биомеханика нижней конечности человека / X. А. Янсон. -Рига: Зинатне, 1975.

81. Яшин, А. И. Геоинформационные системы и технологии: учеб. пособие / А. И. Яшин; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) "ЛЭТИ". СПб.: Изд-во СПбГЭ-ТУ «ЛЭТИ», 2002. - 66 с.

82. XML для профессионалов / Дидье Мартин и др. М.: Лори, 2001. - 866 с.

83. Alnfelt L., Herberts Н, Malchau Н, et al. Prognosis of total hip replacement.

84. Acta Orthop Scand Suppl. 1990; 238.

85. B. Van Rietbergen, R. Mtiller, D. Ulrich, P. Riiegsegger, R. Huiskes Assessment of trabecular tissue loading in a proximal femur using a full scale micro-structural FE-model // 7-th Annual EORS Conference Barselona, 1997. - P 58.

86. Hughes TJR. The finite element method: linear statistic and dynamic finite element analysis. Upper Sadie River, NJ: Prentice-Hall, 1987.

87. Huiskes R, Weinans H, Van Reitbergen B. The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the affect of flexible materials. Clin. Orthop., 1992; 272, 124-134.

88. Huiskes R. Chao EYS. A survey of finite element method in orthopeadic biomechanics. J. Biomech, 1983: 16, 385-409.

89. Huiskes R. Hollster SJ. From structure to process, from organ to cell: recent development of FE-analysis in orthopeadic biomechanics. J Biomech, Eng, 1993; 115, 520-527.

90. Kang YK, Park HC, Youm Y, et al. Three dimensional shape reconstruction and finite element analysis of femur before and after the cementless type of hip replacement. J. BiomedEng., 1993; 15, 497-504.

91. Keyak JH, Meagher JM, Skinner HB, et al. Automated three-dimensional finite element modeling of bone: a new method. J. Biomed. Eng., 1990; 12, 389397.

92. Kotzar GM, Davy DT, Goldberg VM, et al. Telemetrized in vivo hip joint force data: a report on two patients after total hip surgery. J. Orthop. Res., 1991; 9, 621-633.

93. Mackerle J. Finite and boundary element methods in biomechanics: a bibliography. Eng. Comput., 1992; 9, 403-435.

94. Schlechtendahl E. G. CAD process and CAD system design. In Encarnacao J., Ed., Computer aided design, Lecture Notes in Computer Science, 1989, pp. 338 -429.

95. Strelnikov Y. N., Pulkkis G., Dmitrevich G. D. An approach to CAD systemperformance evaluation. Int. J. of Man Machine Studies, Voo. 21, No. 5, Nov, 1984, pp. 429-444.

96. Van C. Mow, Rik Huiskes. Basic Orthopeadic biomechanics and Mechano-Biology, 3-rd ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2005.

97. Zienkewicz ОС, Taylor RL. The finite element method 5th ed. Oxford, UK: Butter worth-Heinemann, 2002.