автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Программно-технический комплекс для биомеханической оценки нагрузки на коленный сустав человека

На нравах рукописи

Безбородое Сергеи Александрович

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ'КОМПЛЕКС ДЛЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ НАГРУЗКИ НА КОЛЕННЫЙ СУСТАВ ЧЕЛОВЕКА

05.Ii. 16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроение);

05. П. 17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2011

1 2 МАЙ 2011

4846001

4846001

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» в Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Муха Юрий Петрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Геннадий Андреевич;

доктор технических наук, профессор Кириевскнй Евгений Владимирович.

Ведущая организация

Юго-западный государственный университет, г. Курск.

Защита диссертации состоится *' 27 " мая 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, Россия, Волгоград, пр. Леннна 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^¿1" апреля 2011 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования.

Согласно приказу Президента Российской Федерации от 21 мая 2006 года, и Распоряжению Президиума РАМН №14-09/40 от 27 июля 2006 года, научные исследования, посвященные развитию и внедрению новых информационных технологий в различных отраслях знаний, в том числе и в медицине в настоящее время занимают приоритетное положение в развитии науки и техники.

Биомеханическое распределение нагрузок в коленном суставе - один из актуальнейших вопросов ортопедии, решение которого позволило бы по-новому рассматривать проблемы хирургической коррекции осевых деформаций нижних конечностей, осуществлять индивидуализированный подход к эндопротезированию коленного сустава (КС), подбору ортопедической обуви, стелек. В литературе имеются данные по биомеханике коленных суставов, построены трехмерные модели суставов, но эти данные основаны на усредненных параметрах, нет четкой физико-математической модели нагружения КС, что не позволяет осуществлять индивидуального подхода к диагностике и выбору метода лечения патологий КС, связанных с нарушением распределения нагрузок в нем.

В то же время отсутствуют работы по моделированию нагрузочных процессов, которые давали бы возможность оценивать ожидаемые деформации элементов коленного суставов и вырабатывать оптимальные лечебные технологии. С этой целью необходимо решить следующие задачи и цели:

- выработать эффективные биомеханические характеристики коленного сустава;

- разработать методики оценки этих характеристик;

- создать технические средства для получения значений этих оценок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель механических характеристик коленного сустава.

2. Программно-технический комплекс для биомеханических оценок коленного сустава.

3. Алгоритмическое и программное обеспечение программно-технического комплекса для биомеханических оценок коленного сустава.

Научная новизна

1. Впервые определены биомеханические оценки, позволяющие оценивать состояние сустава и определять характер оперативной технологии.

2. Впервые синтезированы модели биомеханических оценок коленного сустава, позволяющие определять технологию биомедицинских измерений.

3. Впервые синтезирован программно-технический комплекс для биомеханических оценок коленного сустава, позволяющий определить параметры состояния коленного сустава для выработки оперативной технологии.

Научная значимость

1. Определены биомеханические оценки коленного сустава и синтезированы модели, позволяющие разрабатывать программно-технические комплексы для их оценивания.

2. Синтезированы структуры программно-технического комплекса, позволяющие сформировать набор инструментальных модулей технического комплекса, удовлетворяющих по техническим характеристикам.

3. Выполнен метрологический анализ программно-технического комплекса, позволяющий оценить интервальные и предельные оценки технических характеристик программно-технического комплекса.

4. Сформирован измерительный алгоритм, позволяющий определять измерительную технологию для оценки биомеханических оценок коленного сустава.

Практическая значимость

1. Разработана технология измерения биомеханических характеристик.

2. Разработан пакет программ программно-технического комплекса оценивания биомеханических характеристик.

3. Реализован программно-технический комплекс и определены его технические характеристики.

Апробация и реализация результатов исследования.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в медицине», Волгоград 2008, международная конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине, Волгоград 2009. Работа отмечен фондом содействия развитию малых форм предприятий в рамках программы У.М.Н.И.К и грандом МИК Инновариум.

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники Волгоградского государственного технического университета, в лаборатории моделирования патологии, на кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии Волгоградского государственного медицинского университета, в Волгоградском научном центре РАМН и Администрации Волгоградской области, при участии специалистов отдела лучевой диагностики Волгоградского областного кардиологического центра.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на кафедрах оперативной хирургии и топографической анатомии, анатомии человека ВолГМУ. Практические рекомендации используются в работе ортопедического отделения на базе Госпиталя инвалидов войн.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных статьи, из которых, согласно положению ВАК РФ, одна опубликована в журнале, входящем в список ВАК Минобрнауки России.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности.

Данная тема соответствует п. 6 Паспорта специальностей научных работников «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений» по шифру 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям) и п.1 Паспорта специальностей научных работников «Исследование, разработка и создание медицинской техники, изделий, инструментов, методов и способов диагностики и лечения человека, которые рассматриваются как средства восстановления нарушенной поливариантной системы, представление которой возможно математической, физико- и биотехнической, механической моделью, а также энергетической, физико- химической, химической, электрохимической моделью и т.д.» по шифру 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

Личный вклад автора.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:

[2],[5],[6],[7],[8],[10],[12],[13] - синтез и анализ методики индивидуального распределения нагрузки на коленный сустав;

[1],[3],[4],[9],[11]- синтез и анализ алгоритмов работы программно-технического комплекса (ПТК) для биомеханической оценки нагрузки на коленный сустав;

Структура и объем диссертации:

Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 13 таблиц, иллюстрирована 55 рисунками. Список использованной литературы содержит 66 отечественных и 36 зарубежных источников

^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель и формулируются задачи исследования, указываются методы исследования, научная новизна, достоверность и значимость полученных научных и практических результатов.

В первой главе диссертации выполнен обзор методов и средств определения БМО органов движения. Отмечается, что подавляющее большинство разработанных средств диагностики не являются достаточными для проведения исследований направленных на получения полной информации о распределении нагрузки, создаваемой человеческим телом на поверхность КС. Как правило, существующие методы диагностики (стабилометрия, магнитно-резонансная томография, морфометрия) не позволяют определить следующие биомеханические оценки: примитив нагружения; площадь поверхности КС; общую нагрузку на коленный сустав; распределение нагрузки по поверхности КС.

Определяется необходимость создания инструмента, использующего специфические данные, получаемые с перечисленных медицинских измерительных приборов в процессе диагностики и объединяющие эти результаты для определения искомых БМО.

Формируются задачи данной диссертационной работы, целью которой является разработка ПТК для биомеханической оценки нагрузок на коленный сустав человека.

Во второй главе диссертации выполнен синтез алгоритма биомеханической оценки КС. Проведено обоснование рассмотрения выбранных оценок, введено но-

Рисунок 1

вое понятие - статический примитив нагружения.

Определение: под примитивом нагружения понимается представление общей статической нагрузки, создаваемой массой человеческого тела с помощью метода приведенных масс (статическое распределение приведенных масс (рисунок 1)).

Проведено разбиение алгоритма на четыре этапа (по количеству измеряемых БМО).

На первом этапе строится алгоритм получения примитива нагружения, рассматривается понятие массы тела, методы получение приведенных масс и определение их точек приложения.

Тело человека - это система подвижно соединенных звеньев. На каждое звено тела человека действует сила тяжести звена, направленная вертикально вниз. Если силы тяжести звеньев обозначить соответственно Рь Р2, ... Рп, то равнодействующая этих параллельных сил Ртела и модуль (величина) этой силы, равна:

+!> + •••(1) Формула (I) описывает векторное представление сил действующих в примитиве нагружения.

Таким образом, появляется возможность получить одну из БМО человеческого тела - примитив нагружения.

На втором этапе проводится построение модели осевых нагрузок на коленный сустав человека.

Опираясь на данные, полученные при построении индивидуальной модели нагружения человеческого тела, проецируется распределение общей массы человеческого тела на определенные точки биомеханических осей нижних конечностей. Полученный центр давления используется в разложении общей силы реакции опоры на составляющие Рх и Ру, которые представляют собой силы реакции опоры на столы. Силы Рх и

Рисунок 3 Ру можно получить исходя из следующих формул:

ЕЬЦ* (2)

Величина X является расстояниями от точки центра давления до точек приложения сил реакции опоры на стопы.. На рисунке 2. представлена правая конечность где Ртх - сила действующая на правый тазобедренный сустав.

о)

Для определения результирующей силы действующей на коленный сустав во фронтальной плоскости нужно получить силы Ин и Рв - силы действующие на нижнюю и верхнюю поверхности сустава

Из полученной модели следует, что:

+ (4)

Н=051-И) се®« (5)

Таким образом, появляется возможность получить одну из БМО человеческого тела - общее нагружение КС человека.На третьем этапе проводится расчет индивидуальной прижизненной поверхности КС человека. Для её расчета рассматриваются методы дискретизации (разбиения) поверхности, получаемой при обработке томограмм - метод конечных элементов.

На четвертом этапе строится модель распределения давления по рабочим поверхностям КС. Для исследования поставленной задачи было изучено ряд математических методов. Метод, представленный в данной главе, является самым оптимальным и максимально приближенным к реальности.

Форма поверхности КС определяется на третьем этапе. Для нахождения формы поверхности для проведения следующего этапа, сделаем следующее допущение: поверхность КС представляет собой два эллипсоида соединенных в определенных точках между собой (рисунок 4).

^ЧвЦИМНЯНН"* Так как у нас два эллипсоида, то уравнение поверх-

ности можно задать в виде кусочной функции Р 1 Щ Для удобства рассмотрим один из этих эллипсоидов.

Рисунок 4 Пусть, нам известна сила, действующая на поверхность

КС Р , которая имеет вид:

Таким образом, в векторном виде имеем следующее выражение: Вследствие чего мы имеем:

а = Fcosy (8)

I где (8) - нормальное давление на поверхность КС в точке (x¡,y¡).

т = Fsin у (9)

где (9) - касательное давление на поверхность КС в точке (xbyi) Проведя вычисления такого рода для поверхности КС, появляется возможность определить четвертую биомеханическую оценку КС - распределение нагрузки по поверхности КС.

В третьей главе диссертации приведен синтез методик определения БМО наколенный сустав человека.

Общая схема разрабатываемого комплекса складывается из последовательного проведения четырех этапов исследований. На рисунке 5 представлена общая схема комплекса. Проводимые исследования обведены пунктирами. В настоящей главе описываются все этапы, проводимые в рамках функционирования ПТК для определения БМХ КС человека.

штшшхмшшжщашч

И ршцуашх tú тлшзш

щжшяяя Г""*" íwí f

скт

№ *№№#шб tymsu

i í y

Рисунок 5

На первом этапе проводится определение примитива нагружения человека, для чего выполняется съем антропометрических данных с человека, с занесением их в специальную таблицу, и цифровое фотографирование человека. При выполнении цифровой фотографии для четкой визуализации топографо-анатомических ориентиров нижней конечности (лобковый симфиз, верхняя передняя подвздошная ость,

П

большой вертел бедренной кости, медиальный и латеральный надмы-

I-

щелки бедренной кости, латеральный и медиальный надмыщелки большеберцовой кости, латеральная и медиальная лодыжки) использовались накожные маркеры. Для осуществления второго этапа проводится стабилометрическое (МБН Стабилометр (МБН)) исследование.

После проведения данного исследования появляется возможность заполнить таблицу программного пакета, в которой все расстояния определяются в зависимости от положения центра масс.

Дальнейшее построение ПКТ требует введения следующей биомеханической ^ характеристики - площадь рабочих поверхности КС. При помощи использования рентгеновского компьютерного и магнитно-резонансного томографических иссле- 1 дований (рисунок 6), которые дают чёткую визуализацию костных и мягкотканых структур КС, и возможность получения морфометрических данных об индивидуальных особенностях его строения.

После обработки данные заносятся в таблицу программного пакета.

Результатом проведения третьего этапа является третья биомеханическая оценка - площадь поверхности КС.

На заключительном этапе построения разрабатываемого ПТК проводится определение следующей биомеханичекой оценки - распределения контактного давления по поверхности КС.

В четвертой главе диссертации представлены результаты метрологического анализа ПТК.

После построения уравнений по потокам реализуемым в комплексе, уравнение измерений, может быть записано следующим образом:

Рисунок 6

Я5.ДМ

_ . Г »яйггЯл

На основании полученного уравнения, проводится определение полных погрешностей измерений по всем четырем каналам.

1. Полная погрешность определения примитива нагружения.

Полная погрешность измерения складывается из разности между измерительной процедурой и гипотетической измерительной процедурой. Опираясь на выражение (10), запишем выражение полной погрешности измерительного канала примитива нагружения:

где Щ} - оператор гипотетического измерения.

Тогда полная погрешность будет складываться из суммы погрешностей по каждому измерению

2. Полная погрешность канала определения общей нагрузки на коленный сус-

Согласно выражению (10), измерительное уравнение данного канала состоит из системы уравнений, а поэтому полная погрешность будет определяться суммой полной погрешности первого канала и погрешностями преобразований второго: -

Л1у <0 = Дбйнйий^йп^йпУцСО-^^яЬ^^зй^^иГ^СО

(И)

тав.

¿\2jit) = ЛбЙДО +

Разложение полной погрешности:

¿6*5/00= ««¥>!/(*).

Тогда

3. Полная погрешность канала расчета площади КС.

Опираясь на выражение (10) = й^ЯмЯз^агЙмУаДО ~ Я&ФзДО.

Погрешность = В-Л^Я^Ь) -

Разложение полной погрешности: = -

а также = -

4. Полная погрешность канала расчета распределения нагрузки по поверхности КС.

Уравнение измерения согласно формуле (10) выглядит следующим образом:

= где =

Уравнение полной погрешности: = ¿«£¿(0 +

С учетом паспортных технических данных и ограничений численных методов (конечных элементов) можно составить таблицу значений окончательных погрешностей при определении БМХ КС с помощью созданного ПТК:

Таблица 1

Название шага Инструментальная погрешность,% Методическая погрешность,0/» Общая погрешность^

Погрешности MPT: Siemens soma-tom 4 plus 5 4 6.4

Погрешность при стабилометрии аппарата МБН Стабилометр 3 0,36 4.68

Фотографирование фотоаппарат sony dwr 5w 7 4 8.06

Морфометрия 2 4 4.47

программная ошибка при обработке данных 4 3 5

Общая погрешность иссследова-ния 10 7.55 13

В пятой главе диссертации описываются все шаги, проводимые в рамках функционирования ПТК для определения БМХ КС человека.

Измерительная часть исследования по определению БМО нагрузок на коле-ный сустав человека состоит из четырех шагов: морфометрическое исследование, цифровое фотографирование, стабилометрическое исследование и магнитно-резонансное фотографирование. Каждый шаг представляет собой получение входных характеристик и занесение их в определенные графы таблицы программного комплекса. Обработка входных данных производится при помощи алгоритмов разработанных в процессе проектирования ПТК на ЭВМ. После нажатия клавиши ввод данных отображаются искомые биомеханические характеристики. Интерфейс программного пакета показан на рисунке 7. Выходные характеристики отображаются в трех полях данного интерфейса.

В качестве эксперимента автором было проведено десять полных исследований по методике, описанной в первом параграфе данной главы.

В заключении приводятся основные выводы и результаты работы. Разработанный ПТК для биомеханической оценки нагрузок на коленный сустав человека

позволяет эффективно решать вопросы практической коррекции КС. Выводы:

1. Разработанный ПТК для БМО нагрузок на коленный сустав человека позволяет эффективно решать вопросы практической коррекции КС. В процессе построения были решены следующие задачи:

1) Определена схема и распределение статических нагрузок на опорные поверхности КС;

2) Определено направление механической оси относительно поверхности сустава;

3) Сформирована технология оперативной коррекции для восстановления нормального распределения нагрузки по поверхности КС.

Информационное обеспечение эффективной коррекции КС требовало:

1) Разработки системы БМО КС;

2) Разработки методик определения БМО КС;

3) Создания измерительного комплекса для определения значений БМО.

2. До настоящего времени оценки связанные с физической моделью нагружения в медицине определялись исходя из геометрических моделей, что противоречит законам физики. Благодаря геометрическим представлениям о строении КС человека, можно лишь провести корреляционный анализ сложившейся формы поверхности КС и нагрузок, создаваемых на него телом человека. Получить прижизненную модель нагружения поверхности можно лишь исходя из физических представлений о распределении нагрузки по объему человеческого тела, а затем их проекции данную поверхность. В настоящей работе взят за основу именно такой подход к измерению выбранных БМО.

3. Сформирована методика и синтезирована структура подсистемы ПТК для построения нагрузочного примитива, получения осевых нагрузок на коленный сустав, определения рабочих поверхностей КС, определения давления на рабочие поверхности КС и БМО КС в целом.

4. Описан процесс проведения метрологического анализа разработанного аппаратно-программного комплекса для биомеханической оценки нагрузок на коленный сустав человека. Анализ проводится на основании теории аналитико-алгоритмического описания измерительных процессов, разработанной Цветковым

Э.И. И содержит в себе построение измерительной ситуации и определение полной погрешности измерений.

5. С использованием разработанного ПТК было проведено ряд клинических исследований. Сопоставление результатов исследований показало их достоверную сопоставимость, что позволяет рекомендовать данную методику как метод прижизненного измерения распределения нагрузки по поверхности КС.

Основные результаты диссертации опубликованы работах: Публикации в изданиях, рекомендованных BAIC РФ:

1. A.A. Воробьёв, Ю.П. Муха, A.C. Баринов, С.А. Безбородов, A.A. Колмаков, М.Е. Егин, Методика индивидуального распределения нагрузки на коленный сустав, Биомедицинская радиоэлектроника, № 4, 2008, с 50-59.

Статьи и материалы конференций:

2. A.A. Воробьев, A.C. Баринов, Ю.П. Муха, М.Е. Егин, A.A. Колмаков, С.А. Безбородов, Метод определения нагрузки на коленный сустав, Сборник научных трудов «Современная инновационная медицина - населению Волгоградской области» - Волгоград - 2008, с. 186 - 188.

3. Воробьев A.A., Муха Ю.П., Колмаков A.A., Безбородов С.А., Баринов A.C., Анатомическое обоснование метода определения нагрузи! на коленный сустав, Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы морфологии». Гродно - 2008, с. 28-29.

4. Воробьев A.A., Муха Г.П., Колмаков A.A., Безбородов С.А., Баринов A.C., Анатомическое обоснование определения распределения нагрузки на коленный сустав, Сборник трудов 8-ого Международного симпозиума по клинической анатомии, Варна-2008. Том 40, с. 38.

5. А.А.Колмаков, С.А.Безбородов, А.А.Воробьев, Ю.П.Муха, Метод определния индивидуального распределния нагрузок на коленный сустав, II Всероссийская конференция с международным участием «Новые информационные технологии в медицине», 2008.

6. A.A. Воробьев, C.B. Поройский, М.Е. Егин, A.A. Колмаков, С.А. Безбородов, Возможности новых информационных технологий в клинической анатомии, Выпуск № 3-4 (22-23) 2007 г, Вопросы реконструктивной и пластической хирургии, с 37-38.

7. A.A. Воробьев, Ю.П. Муха, М.Е. Егин, A.A. Колмаков, С.А. Безбородов, Методика определения индивидуального распределения нагрузки на коленный

сустав, Выпуск № 2 (21) 2007 г, Вопросы реконструктивной и пластической хирургии, с. 34-36.

8. А.А.Колмаков, С.А.Безбородов, Новый подход к определению нагрузок на коленный сустав, № 3 2007, Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН, с. 51.

9. A.A. Воробьев, A.C. Баринов. Ю.П. Муха, М.Е. Егпн, A.A. Колмаков, С.А. Безбородов, Перспективы применения рентгеновской компьютерной и магнитнорезонансной томографии для изучения анатомии коленного сустава, Внедрение инновационных технологий в хирургическую практику, Пермь 2007, с. 63-65.

I.0 Воробьев A.A., Муха Г.П., Колмаков A.A., Безбородов С.А., Баринов A.C., Анатомическое обоснование определения распределения нагрузки на коленный сустав, Актуальные вопросы морфологии, Гродно, 2008, с. 28 - 29.

II. Воробьев A.A., Муха Г.П., Колмаков A.A., Безбородов С.А., Метод расчета поверхности коленного сустава, № 4 2007, Бюллетень Волгоградского научного центра РАМН, с. 54.

12. Ю.П. Муха, A.A. Воробьев, С.А. Безбородов, A.A. Колмаков Разработка методики построения модели осевых нагрузок на коленный сустав. Информационные технологии в образовании, технике и медицине : матер, междунар. конф., 21-24 сент. 2009 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 124.

13. Воробьев A.A., Муха Г.П., Колмаков A.A., Безбородов С.А., Баринов A.C., Новые возможности в определении биомеханических оценок коленных суставов, Вестник Винницкого национального медицинского университета. № 14, 2010, Винница, с 178-181.

.АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.04.2011 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ^.

Волгоградский государственный медицинский университет 400131, Волгоград, площадь Павших борцов, 1.

Издательство ВолгГМУ 400006, Волгоград, уд. Дзержинского, 45