Биомеханические технологии и программно-аппаратная поддержка высокотехнологичных хирургических операций

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Биомеханические технологии и программно-аппаратная поддержка высокотехнологичных хирургических операций

С.С. Гаврюшин

gss@bmstu.ru

Аннотация

биомеханический хирургический программный томография

Излагается современное состояние, и оцениваются перспективы использования биомеханических подходов при планировании и проведении высокотехнологичных хирургических операций. В рамках концепции CAS-технологий обсуждается методология объединения возможностей современной компьютерной томографии, специализированные программных комплексов, программных средств и технологического оборудования, включая 3D-печать, для планирования, проведения и осуществления послеоперационной реабилитации высокотехнологичных хирургических операций. Приводится реальный пример применения созданной CAS - системы для поддержки высокотехнологичной челюстно-лицевой хирургической операции.

Введение

В декабре 1970 г. было зарегистрировано научное открытие "Явление возникновения собственных напряжений в костях человека и животных" №181, принадлежащем В. И. Лощилову, Г.А.Николаеву, Э.П.Бабаеву. Суть открытия заключается в том, что привычное для инженеров понятие - внутреннее механическое напряжение можно распространить и на живые биологические объекты. Внутренние напряжения изначально присутствуют в костном аппарате человека и животных, играя важную роль в проходящих в организме метаболических процессах.

Развивая данную концепцию, разумно сделать предположение о существовании некоторого оптимального, контролируемого организмом значения напряжений в здоровых тканях, выход которого за предельные значения является одной из возможных причин перестройки костной ткани. Информированным читателям, данное утверждение вряд ли покажется новым. Широко известны хирургические операции доктора Г.А.Елизарова. Ему, а также его ученикам и последователям, принадлежит приоритет в разработке специальных аппаратов, позволяющих реконструировать дефекты и аномалии костного аппарата человека. Аналогичные по своей природе методики широко используются в ортодонтии и стоматологии для исправления аномалий зубочелюстной системы [1-4]. Известно большое число аппаратов используемых при лечении различного вида переломов локтевых, коленных, бедренных суставов, а также, так называемые, экзоскелетоны - робототехнические устройства, используемые как для восстановления и реабилитации больных, так и для увеличения физических возможностей человека.

Более редкая медицинская операция, так называемая процедура Насса [5], используется при хирургическом лечения воронкообразной деформации грудной клетки. При проведении процедуры Насса воронкообразная деформация исправляется посредством введения корректирующих балок (Рис.1). При этом производится силовое воздействие на ребра, грудину, реберные хрящи и позвоночный столб. Важно отметить, что результаты всех выше описанных операций не всегда предсказуемы. В сложных случаях существенно увеличивается вероятность неблагоприятного исхода операции. В связи с этим возникает необходимость в информационной и аппаратной поддержке вышеупомянутых операций.

Рис. 1 Исправление дефекта грудной клетки

Рис. 2 Послойные растровые томографические изображения

Рис. 3 Конечно-элементная модель зубочелюстного ряда пациента

1. CAS -технологии и томография

В настоящее время накоплен соответствующий опыт, созданы аппаратные и вычислительные средства, позволяющие анализировать процессы деформирования костных тканей и моделировать процессы хирургического и ортопедического лечения. Решение данной проблемы прочно ассоциируются с разработкой и применением специальных программно-аппаратных систем, получивших наименование Computer Aided Surgery. CAS-технологии предназначены для совершенствования и автоматизации проведения диагностических процедур, предоперационного планирования, тренинга хирурга-оператора, непосредственно хирургического вмешательства и интраоперационного сопровождения. Возникновение и совершенствование CAS-технологий связано с научными достижениями последних десятилетий. Так, технология компьютерной томографии, позволила приступить к построению трехмерных и строго индивидуальных моделей биомеханических объектов. С помощью компьютерной томографии получают послойные растровые изображения - срезы под заданным углом (Рис.2). Качество изображения зависит от разрешающей способности томографа, которая оценивается размером объемной ячейки - вокселя. В настоящее время с помощью специализированных томографов удается получить изображения с размером вокселя до 0,1 мм. Томограммы записываются в специализированном формате DICOM, который поддерживает открытый обмен изображениями и сопутствующей информацией между различными устройствами анализа, хранения и обработки цифровых изображений, медицинской аппаратурой и т.д..

Виртуальное моделирование. Вместе с тем, полученная с помощью компьютерной томографии пространственная растровая модель не может быть непосредственно использована для проведения численного анализа. Растровое (тоновое) изображение на срезах необходимо преобразовать в трехмерную твердотельную модель, состоящую из геометрических примитивов: точек, линий, поверхностей и объемов. При ручной обработке на каждом слое выделяются границы, разделяющие области, занимаемые различными материалами. В настоящее время зарубежными разработчиками создан ряд программных систем MIMICS (http://www.materialise.com/mimics), AMIRA (http://www.amira.com/) и др., которые позволяют перейти от срезов к трехмерным объектам с возможностью структурного анализа системы в зависимости от плотности кости. Трехмерная твердотельная модель описывает индивидуальную геометрию объекта. Области, занимаемые различными естественными тканями, а также искусственными материалами (металлом, композитом и т.д.) рассматриваются, как правило, как односвязные области, однозначно определяемые ограничивающими поверхностями. Ограничивающие поверхности представляют собой фасеточные (многогранные) поверхности, составленные из плоских треугольных элементов. Объем обрабатываемой при этом информации весьма значителен и немыслим без использования ЭВМ.

Важнейшим элементом CAS - технологий является конечно-элементный анализ виртуальной модели. Метод конечных элементов реализует алгоритм исследования поведения системы на основе известной информации о законах поведения отдельных ее частей - конечных элементов (Рис.3). Поведение каждого из конечных элементов подчиняется известным соотношениям, полученным на базе соотношений механики деформируемого твердого тела. Проблема достоверного описания физико-механических свойств биологических тканей, к которым относится и костная ткань, до настоящего времени полностью не изучена, поэтому для описания свойств биологических тканей привлекаются различные феноменологические модели. При численном анализе, как правило, используются программные комплексы ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и др. хорошо зарекомендовавшие себя при решении инженерных задач. Используя конечно элементные модели, просчитываются различные варианты исполнения операции, оптимизируется процесс ее проведения, определяются параметры элементов протезирования и необходимого инструментария.

Аддитивные технологии. В последнее время важную роль при разработке CAS - систем стали играть аддитивные технологии или 3D-печать. Этому способствуют такие уникальные характеристики этой группы технологий, как простота и доступность оборудования, дешевизна расходных материалов, широкие технологические возможности по изготовлению изделий самой разной формы и назначения. Современный 3D-принтер больше не требует навыков работы в компьютеризированных системах подготовки производства (CAM), а зачастую и в простейших инженерных САПР. С одной стороны, это расширяет рынок пользователей аддитивного оборудования и изменяет саму структуру этого рынка: по сути, теперь каждый может иметь мощную компактную промышленную систему даже у себя дома. С другой стороны, экспансия аддитивных технологий заставляет по-новому взглянуть на вопрос подготовки виртуальных моделей для изготовления на печатающих устройствах.

Предполагается, что использование 3D- печати позволит врачу в кратчайшее время получать прототипы протезных конструкций, модели тканей и органов организма, оценивать с их помощью эффективность тех или иных стратегий лечения. На этапе проведения операции хирург может воспользоваться изготовленными на 3D-принтере хирургическими шаблонами. При этом все изготовленные изделия будут полностью индивидуализированы, то есть будут учитывать геометрическую форму поверхностей тканей и органов конкретного пациента.

Опыт разработки CAS - системы. В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с НМХЦ им. Пирогова (Москва) разрабатывается специализированная компьютерная программа для планирования и сопровождения челюстно-лицевых хирургических операций. На вход программы подается компьютерная томограмма пациента, содержащая индивидуальные данные о геометрии и состоянии тканей пациента в зоне операции. В автоматизированном режиме последовательно создаются твердотельная и конечно-элементная модели оперируемого участка черепа пациента. Построенная модель с помощью дружественного интерфейса становится доступна для лечащего врача, который может с помощью виртуальных инструментов (копирования, добавления, удаления, масштабирования, отражения, деформирования и т.д.) промоделировать предстоящую операцию. Программа оснащена интеллектуальным модулем параметрического проектирования индивидуального протеза с использованием принципов твердотельного моделирования (Рис.4). По завершению моделирования, на выходе программы врач получает модель индивидуально спроектированного протеза в виде файла, записанного в формате STL. Согласно созданному описанию модели по STL-файлу на 3D-принтере или на станке с числовым программным управлением изготавливается непосредственно протезная конструкция (Рис.5), либо вспомогательная индивидуальная оснастка, необходимая для проведения операции. а также использован для изготовления детали на более традиционном технологическом оборудовании, например, на станке с ЧПУ. Программа основана на библиотеках промышленного качества с открытым исходным кодом (VTK, CGAL, OpenCASCADE и др.), написана на языке C++ и является кроссплатформенной.

Поскольку программа изначально создается с расчетом на пользователя-хирурга, ее пользовательский интерфейс максимально прост и избавлен от лишних и неиспользуемых функций. логика твердотельного моделирования скрыта в реализации модуля проектирования протеза, а в качестве величин, которыми может манипулировать сам врач, выбраны очевидные параметры самого протеза - размеры его характерных частей, углы наклона ключевых поверхностей и так далее. Предварительные результаты тестирования программы показали, что с ее помощью врач, не обладая знаниями в области программирования и опытом работы в системах автоматизированного проектирования, может достаточно быстро производить сложные манипуляции для создания трехмерных моделей.

Рис. 4 Параметрический протез с индивидуальной корректировкой формы

Рис. 5 Индивидуальный протез изготовленный по STL -модели на станке с ЧПУ

Заключение

Таким образом, CAS-системы можно рассматривать как комплексные информационно вычислительные технологии, объединяющие в единую технологическую цепочку (КТ/CAD/CAE/CAM) диагностическую аппаратуру, специализированные программных комплексы, программные средства и технологическое оборудование для планирования, проведения и послеоперационной реабилитации высокотехнологичной хирургических операций. Разработка автоматизированных CAS - систем для нужд медицины и хирургии открывает путь для революционного процесса комплексной автоматизации медицинских учреждений, что позволит - существенно сократить сроки лечения; снизить риск неблагоприятного исхода, повысить доступность высокотехнологичных операций для широких слоев населения,.

Литература

1. Гаврюшин С.С. Численный анализ биомеханических систем в стоматологии. Проблемы прикладной механики, динамики и прочности машин: Сб. статей. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, с. 130-143.

2. Арутюнов С.Д., Гаврюшин С.С., Демишкевич Э.Б. Конечно-элементное моделирование ортодонтических перемещений зубочелюстной системы // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Ест. науки», 2014, №3,с.108-119.

3. Чиликин В.Н., Гаврюшин С.С. Использование методов математического моделирования при выборе рационального способа устранения дефектов передней группы зубов с помощью виниров // Клиническая стоматология, 2009,№1, с.6-7.

4. Меликян М.Л., Давыдова К.И., Гаврюшин С.С. и др. Анализ напряженно-деформированного состояния композитной реставрации режущего края зуба// Институт стоматологии, 2012, №3, с.42-43.

5. Гаврюшин С.С., Кузьмичев В.А., Грибов Д.А. Биомеханическое моделирование хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки //Российский журнал биомеханика, 2014. T.18, №1 (63), с.36-47.

Работа поддержана грантом РФФИ № 13-07-00972.

Размещено на Allbest.ru