Приглашаем Вас и Ваших коллег на очередное заседание научного семинара.
Во вторник 28 апреля 2015 г. в 1600 в компьютерном классе кафедры состоится доклад:

Грибов Денис Алексеевич (аспирант каф. РК-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана)

«Разработка методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки»
(аннотация прилагается)
Заявки для выступления на семинаре можно прислать по адресу:

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

+7(499)-263-64-87, +7(916)-112-43-37

Сорокин Федор Дмитриевич

Разработка методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки

Грибов Денис Алексеевич, аспирант кафедры РК-5

Актуальность темы.

Методы математического моделирования, опирающиеся на возможности современной компьютерной томографии (КТ), вычислительной техники и конечно-элементного анализа, активно используются для решения широкого ряда прикладных научных проблем, возникающих при проведении операций с биомеханическими объектами. Безусловно, важнейшими среди них являются медицинские операции, для которых использование математического моделирования открывает перспективу научно обоснованного и строго индивидуального подхода к лечению. Данная работа посвящено проблеме математического моделирования хирургического лечения наиболее распространенной врожденной деформацией передней стенки грудной клетки – воронкообразной деформации (ВДГК). Воронкообразная деформация отмечается у 0,6-2,3% населения и составляет 91% всех врожденных деформаций грудной клетки. Причиной деформации считается дефект костной и соединительной ткани, вызывающий неправильное развитие ребер и хрящей, что формирует вогнутость передней стенки грудной клетки (рисунок 1). На сегодняшний день наиболее распространенным способом лечения ВДГК является т.н. «операция Насса», использующая малоинвазивную технологию. В ходе операции воронкообразная деформация исправляется посредством установки внутри грудной клетки Рисунок 1 – Фото пациента с ВДГК 2 корректирующих пластин (КП), фиксирующих грудину в требуемом положении. Процесс установки КП внутри грудной клетки схематично представлен на рисунке 2а, б. При этом производится сильное воздействие на ребра, грудину, реберные хрящи и позвоночный столб. Основным преимуществом операции являются минимальная травматичность и максимальный косметический эффект. Вместе с тем были зафиксированы различные осложнения, возникающие при использовании данной методики. Наиболее сложными являются случаи с глубокими и асимметричными деформациями. В таких случаях результаты операции могут быть не идеальными, полученная форма грудной клетки может отличаться от желаемой. а) б) Рисунок 2 – Процесс установки КП внутри грудной клетки: а – начальное положение КП; б – конечное положение КП В связи с этим возникла необходимость в создании методики прогнозирования результатов хирургического лечения ВДГК, позволяющей проводить планирование будущей операции. Послеоперационная форма грудной клетки, жесткость, форма, количество и место расположения КП являются основными параметрами, требующими индивидуального определения. Анализ литературных источников выявил отсутствие описания комплексной методики, позволяющей проводить оценку послеоперационного напряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки, КП и прогнозировать результаты будущей операции. В связи с этим разработка подобной методики является актуальной научной задачей. Цель исследования: разработка биомеханической модели грудной клетки, позволяющей проводить моделирование хирургического лечения ВДГК, 3 оценивать результаты и осуществлять выбор оптимальных параметров будущей операции.

Для достижения поставленной цели исследования решались следующие задачи:

1. Анализ существующих подходов к созданию адекватной биомеханической модели грудной клетки и способов моделирования процесса хирургического лечения ВДГК.

2. Разработка комплексной методики прогнозирования результатов хирургического лечения ВДГК на основе использования программных комплексов.

3. Оценка адекватности полученной методики на основе сравнения результатов расчетов с имеющимися расчетными и экспериментальными данными.

4. Внедрение результатов работы и разработанной методики в практику предоперационного планирования хирургического лечения ВДГК. Методы исследования. При решении поставленной научной задачи использовались методы обработки изображений, методы создания и оптимизации расчетных поверхностных и объемных сеток, методы механики деформируемого твердого тела, методы математического моделирования, методы экспериментального исследования и обработки результатов. Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным биомеханическим процессам, совпадением результатов моделирования с экспериментальными данными и результатами моделирования других авторов.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

1. Разработана комплексная методика создания биомеханической модели грудной клетки, позволяющей проводить моделирование хирургического лечения ВДГК и осуществлять оценку результатов будущей операции. 4

2. Разработан алгоритм применения современных программных комплексов обработки снимков КТ и конечно-элементных расчетных комплексов, позволяющий реализовать разработанную методику.

3. На основе результатов численных и экспериментальных исследований выявлено влияние различных параметров, используемых в разработанной методике, на качество получаемого послеоперационного прогноза. Практическая ценность работы определяется разработкой методики, алгоритма и программной реализацией биомеханического сопровождения хирургического лечения ВДГК для конкретного пациента, позволяющих проводить оценку послеоперационного напряженно-деформированного компонентов грудной клетки и КП; выдачей рекомендаций по планированию и проведению хирургического лечения ВДГК. Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы и разработанная методика внедрены в практику хирургического лечения врожденных деформаций грудной клетки в Московском областном научно- исследовательском институте им. М.Ф. Владимирского, Россия.

Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Совместное использование предоперационных компьютерной томографии (КТ) с размером пикселя не более 0,880,88 мм и шагом между снимками не более 3мм, программных комплексов обработки снимков КТ, обработки конечно-элементных моделей и конечно-элементного моделирования позволяет создать индивидуальную биомеханическую модель грудной клетки пациента, основанную на 4-х узловых тетраэдральных конечных элементах, и выполнить моделирование хирургического лечения ВДГК. 2. Для обеспечения 1%-ной погрешности определения параметров напряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки, модель грудной клетки должна содержать не менее 725000 тетраэдров. При этом длина ребер тетраэдров, аппроксимирующих реберные хрящи, должна быть в 1,7 раза меньше ребер остальных тетраэдров модели. 5 3. При задании механических свойств ребер, грудины и реберных хрящей, определенных с 20%-ной погрешностью, погрешность вычисления основных параметров деформированной формы грудной клетки (перемещение нижней точки грудины, ширина грудной клетки) не превышает 1,1%; погрешность вычисления напряженного состояния компонентов грудной клетки не превышает 32%, КП – 67,9%.

4. Пренебрежение подвижностью межкомпонентных соединений в модели приводит к возникновению повышенной концентрации напряжений в области реберно-хрящевых и реберно-позвоночных соединений.

5. Сравнение численных и экспериментальных результатов исследований подтверждает возможность использования разработанной методики для выполнения оценки послеоперационного напряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки и КП, определения формы, количества и места расположения КП, выдачи рекомендаций по планированию и проведению хирургического лечения ВДГК.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на VII Международном научном симпозиуме «Проблемы прочности, пластичности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела» 16-17 декабря, 2010, Тверь, Россия; на XXIV Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых твердых тел и конструкций. Методы конечных и граничных элементов» 28-30 сентября 2011, Санкт-Петербург, Россия; на VII Российско-Баварская конференция по биомедицинской инженерии, 11-13 октября 2011, Эрланген, Германия; на Всероссийская конференция с элементами научной школы «Биометрические технологии», 1-2 ноября 2011, Москва, Россия; на XVIII Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. 13-17 февраля 2012, Ярополец, Россия; на 15- й Научно-технической конференции «МЕДТЕХ-2013», 20-27 сентября, 2013, о. Мадейра, Португалия. Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 печатных работ, 6 в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 тезисов и материалов докладов. Диссертация соответствует паспорту специальности 01.02.08 «Биомеханика» по пункту 4 «Изучение механики опорно-двигательной системы, плавания, полета и наземного движения животных, механики целенаправленных движений человека, движения совокупностей живых организмов, двигательной активности растений» и по пункту 6 «Разработка на основе методов механики средств для исследования свойств и явлений в живых системах, для направленного воздействия на них и их защиты от влияния внешних факторов». Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка цитированной литературы из 70 наименований. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 109 рисунков и 17 таблиц.