Математическое моделирование биомеханики тазобедренного сустава
|
Скачать 30.01 Kb.
|
| МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОМЕХАНИКИ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА Ю. Г. Коноплев1, В. И. Митряйкин2, О. А. Саченков1 1Казанский государственный университет, 2Высшее артиллерийское командное училище, Казань, Россия Заболевания опорно-двигательного аппарата создают неблагоприятные условия жизнедеятельности человека, ограничивают его функциональные возможности и могут привести к инвалидности. Одним из таких заболеваний является поражение костных составляющих и мягкотканых образований тазобедренного сустава (ТБС). Далеко зашедшие стадии поражений ТБС приводят к необходимости его протезирования путём установки эндопротезов бесцементных конструкций. Клинико-функциональная оценка, прооперированных пациентов показала достаточно высокий процент положительных результатов, но и выявила ряд осложнений, в том числе связанных непосредственно с эндопротезом: асептатическая нестабильность его элементов, инфекция в области установки, а также вывихи головки. Совершенствование планирования и контроля этого вида лечения является одной из актуальных задач отечественной медицины. Наибольшую информативность в раннем выявлении заболеваний и адекватного подбора больных на эндопротезирование ТБС имеют, несомненно, лучевые методы диагностики. Целью настоящего исследования является разработка оптимизированного алгоритма лучевого обследования пациентов для выявления и стадирования патологии ТБС, выработки показаний к его эндопротезированию, а также контроля эффективности оперативного лечения с использованием рентгеновского компьютерного томографа (РКТ). Результаты РКТ исследования оценивались по аксиальным сканам и мультипланарным реконструкциям. Проводилось измерение плотности костной ткани по шкале Хаунсфильда с целью анализа степени поражения мягких и костных тканей. Проводились также рентгенометрические исследования с целью определения деформации вертлужной впадины и проксимального отдела бедра в области предстоящего оперативного вмешательства. В необходимых случаях использовалась 3D-реконструкция с целью определения анатомического соотношения костей, образующих сустав. Имеющийся математический аппарат РКТ не позволяет использовать 3D-реконструкцию для дальнейших расчетов. В работе для создания 3D модели ТБС используется набор изображений исследуемой области, полученных на РКТ, с шагом между сечениями 2–3 мм. На изображениях определяются контуры, относящиеся к геометрии ТБС, и контуры, относящиеся к бедренным костям, и реконструируется трехмерное изображение ТБС с учетом индивидуальных особенностей пациента. Математическое сопровождение позволяет размещать выбранную модель эндопротеза в модели сустава, проводить геометрический и кинематический анализы. Программа также даёт возможность передачи данных для исследования напряжённо-деформированного состояния таза как до, так и после установки имплантанта, что позволяет оценить индивидуальную биомеханическую ситуацию. Был проведен кинематический анализ тазобедренного сустава при ходьбе человека, определены величины рабочих нагрузок, приходящихся на тазобедренный сустав. Построенная модель ТБС была дополнена большим количеством мышц и связок. Были выявлены мышцы и связки, играющие значимую роль в биомеханике ТБС (кинематика ходьбы, распределение усилий). Также была построена параметрическая модель ТБС, исследовалось ее напряженно-деформированное состояние при различных геометрических параметрах (изменялись габаритные размеры ТБС, размах безымянных костей, глубина вертлужной впадины и т. п.) и различных механических характеристиках тканей, что обусловлено расхождениями этих данных в профильной литературе. Задача определения НДС решалась методом конечных элементов (МКЭ), что связано с нерегулярной геометрией ТБС и перспективной возможностью наиболее полного учета особенностей реального объекта исследований и специфики строения костной ткани. Реализация МКЭ на данном этапе была проведена на основе пакета ANSYS. Формулировка задачи определения НДС была уточнена с учетом влияния мышц и связок, что математически выразилось в постановке статических и геометрических граничных условий. Таким образом, применение РКТ в диагностике патологии тазобедренных суставов позволяет своевременно диагностировать начальные проявления патологических изменений, на основании чего назначить консервативную терапию или оперативное лечение, а применение методов математического моделирования к полученным данным дает возможность допонительно в индивидуальном характере подобрать эндопротез, и, значит, сократить диагностический период, снизить инвалидизацию трудоспособного населения. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 
