Информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии

Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

кандидата технических наук

Лебедева Елена Александровна

Санкт-Петербург - 2007

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Бегун П.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бауэр С.М.

кандидат технических наук Смирнова Л.М.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита диссертации состоится “07” ноября 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан “04” октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юлдашев З.М.

компьютерный механический брюшной герниология

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема лечения грыж брюшной стенки до сих пор привлекает внимание хирургов всего мира. Это можно объяснить большой распространенностью данной патологии и частичной неудовлетворенностью результатами операций. Важность проблемы определяется также тенденцией к росту заболеваемости грыжами, отмечаемой в последнее время многими авторами. Это обусловлено увеличением числа людей пожилого и старческого возраста с присущими им хроническими заболеваниями органов дыхания и кровообращения, мочевыводящей системы, хроническими запорами, приводящими к периодическому повышению внутрибрюшного давления, а также болезнями обмена веществ (ожирение, сахарный диабет), что способствует расхождению фасциального футляра мышц передней брюшной стенки. С другой стороны, увеличение количества лапаротомий и расширение объема оперативных вмешательств на органах брюшной полости уже само по себе привело к большому количеству грыж в области послеоперационного рубца как следствие нарушения анатомо-физиологической целостности брюшной стенки, так и возможных дефектов оперативной техники.

Наличие грыж нарушает общее состояние больных, понижает их трудоспособность и нередко приводит к тяжелым осложнениям, самым грозным из которых является ущемление. Число пациентов с ущемленными грыжами достигает 15 - 18 % от общего количества грыженосителей. Послеоперационная летальность при этом неотложном состоянии составляет от 3 до 12 %, а для больных старше 60 лет она возрастает до 16 - 20 %. Нельзя недооценивать экономическое значение лечения больных с грыжами, поскольку ежегодно оно требует огромных дополнительных затрат на госпитализацию и амбулаторное долечивание пациентов.

Для хирургического лечения различных грыж живота в настоящее время разработаны многочисленные методики - от простых аутопластических способов за счет собственных тканей больного до сложных реконструктивных операций с использованием биологических и искусственных материалов. Однако, как показывает клинический опыт, ни один из предложенных способов не гарантирует от рецидивов грыж, что может свидетельствовать в ряде случаев о несовершенстве используемых методов лечения. Основным принципом оперативного лечения грыж является индивидуальный, дифференцированный подход к выбору методов грыжесечения. Это связано с тем, что: 1) существует большое количество разных форм и различные сочетания поражений одних и тех же мышечно-апоневротических структур брюшной стенки; 2) один и тот же патологический процесс протекает по-разному в различных организмах; 3) диагностические методы отражают только состояние, в котором реконструируемые структуры находятся до и после операции; 4) часто технологию проведения реконструкции структур брюшной стенки приходиться менять прямо во время операции в связи с выявлением новых диагностических признаков после вскрытия грыжевого дефекта.

Отсутствие необходимых знаний о поведении мышечно-апоневроти-ческих структур и возникающего в них напряженно-деформированного состояния объясняет тот факт, что в герниопластике из-за отсутствия необходимого информационного обеспечения, до настоящего времени не сложилось общее мнение о технологических принципах операций, не изучены условия минимальной травматизации биологических структур. По сути, операции выполняются “вслепую”. Врачи видят только результат операции: положительный или отрицательный. Создание новых надежных оперативных методик невозможно без применения методов предоперационного прогнозирования результатов операций.

Приведенные факты позволяют сделать вывод об актуальности темы диссертации, которая определяется:

1) отсутствием объективных методов предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии;

2) существующими потребностями в предоперационном прогнозировании результатов реконструктивных герниопластик;

3) возможностями современных компьютерных технологий.

Объект исследования - система предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Предмет исследования - информационное обеспечение биотехнической системы предоперационного прогнозирования, позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние биологических структур при реконструктивных операциях в герниологии.

Цель работы: повышение эффективности предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций путем совершенствования информационного обеспечения системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневротических структур в герниологии.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) построить компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области;

2) провести экспериментальные исследования механических свойств структур передней брюшной стенки и паховой области;

3) провести исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции;

4) разработать биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований;

5) создать новое информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневротических структур в герниологии и провести апробацию выполненных разработок.

Методы исследования. В работе использованы методы компьютерного моделирования и механики твердого деформированного тела. Экспериментальные исследования механических свойств тканей мышечно-апоневроти-ческих структур брюшной стенки выполнены in vitro совместно с сотрудниками лаборатории кафедры хирургических болезней № 2 СПб ГМА им. И.И.Мечникова при использовании методов математической статистики. Компьютерные модели для исследования напряженно-деформированного состояния при хирургических воздействиях на рассматриваемые биологические структуры были реализованы при использовании модуля конечно-элементного анализа COSMOSWorks, интегрированного в систему пространственного моделирования SolidWorks.

Новые научные результаты:

1) алгоритм исследования напряжений и перемещений в структурах передней брюшной стенки и паха, позволяющий строить для них компьютерные модели;

2) компьютерные модели структур передней брюшной стенки и паховой области для исследования в них напряженно-деформированного состояния при патологии и после герниопластики;

3) метод экспериментальных исследований механических свойств тканей брюшной стенки in vitro и имплантатов, позволяющий вводить в модели их биомеханические характеристики;

4) биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований.

Практическую ценность работы составляют:

1) компьютерные модели брюшной стенки и паховой области при патологии и после реконструкции;

2) биомеханический метод исследования напряженно-деформирован-ного состояния структур брюшной стенки и паховой области при патологии и после реконструкции;

3) состав и функции основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Внедрение результатов. Результаты исследований, включающие программное и информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии и выборки экспериментальных данных, переданы на кафедру хирургических болезней № 2 Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. На базе разработанного информационного обеспечения создана лабораторная работа «Компьютерное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния в герниологии», раздел методического пособия «Содержательные модели и моделирование конструкций». Использование результатов исследований подтверждено актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 10 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях, в том числе: всероссийская научно-техническая конференция «Наука - Производство - Технологии - Экология» (Киров, 2005); юбилейная 60-я научно-техническая конференция, посвященная 110-летию изобретения радио (СПб, 2005); международная школа-семинар «Математическое моделирование и биомеханика в современном университете» (Ростов-на-Дону, 2005); X всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании. НИТ-2005» (Рязань, 2005); XVIII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы - 2005» (Рязань, 2005); VIII всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика-2006» (Н.Новгород, 2006); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Н.Новгород, 2006); VII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2006» (Владимир, 2006); Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2006); Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям «SCM'2007» (Санкт-Петербург, июнь 2007).

Научные положения, выносимые на защиту:

1) методика проведения экспериментальных исследований механических свойств структур брюшной стенки и паха in vitro и результаты проведенных исследований;

2) алгоритм исследования напряжений и перемещений в структурах передней брюшной стенки и паха, позволяющий строить для них компьютерные модели;

3) компьютерные модели передней брюшной стенки и паха и результаты исследования напряженно-деформированного состояния структур при патологии и после герниопластики;

4) алгоритм проведения исследований при выборе технологии хирургического вмешательства;

5) состав и функции основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них - 4 статьи (3 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 6 работ - в трудах и материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 64 наименования. Основная часть работы изложена на 95 страницах машинописного текста. Работа содержит 78 рисунков и 6 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния исследования и коррекции структур брюшной стенки и паха в норме, патологии и при хирургических операциях и выявлены проблемы предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных герниопластик.

Проведенный анализ клинических исследований показывает, что при выборе технологии реконструктивной герниопластики врач не располагает необходимой информацией о характеристиках элементов системы, их свойствах, приемлемом диапазоне внешних воздействий, при которых структуры сохраняют необходимые функциональные свойства. До настоящего времени не сложилось общее мнение о технологических принципах операций при коррекции грыж, не изучены условия минимальной травматизации структур.

При хирургических операциях для определения величины и характера воздействия на патологическую структуру при обеспечении минимально возможного повреждения, необходимо располагать информацией о ее гистологических, патофизиологических, морфологических, геометрических и механических характеристиках и о процессах реконструкции структур, как следствия различных режимов воздействия на биологическую структуру при определенном физиологическом состоянии организма пациента в целом.

Компьютерное моделирование - метод исследования, необходимый для понимания закономерностей функционирования структур брюшной стенки и паха в норме, патологии и после реконструктивных герниопластик; и совершенствования методов ранней диагностики, как возникновения патологий, так и результатов реконструктивных герниопластик. Клинические исследования не дают ответ на эти вопросы: после их проведения врачи констатируют факты и на основании этих фактов рекомендуют методики коррекции грыж. Компьютерная модель позволяет получить ту информацию о биомеханике структур брюшной стенки и паха, которую в настоящее время нельзя получить современными средствами измерения.

Существующий комплекс методов исследования не дает адекватного диагностического обеспечения реконструктивных герниопластик. Недостатком является отсутствие системы предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных герниопластик, который позволяет провести биомеханический анализ хирургических операций по поводу грыж, и, следовательно, осуществить выбор технологии проведения операции при обеспечении минимальной травматизации тканей и минимального риска возникновения рецидива.

Для построения такой системы необходимо:

1) выделить основополагающие биомеханические признаки структур брюшной стенки и паховой области;

2) провести экспериментальные исследования механических свойств структур апоневротических футляров мышц брюшной стенки, внутренней фасции, белой линии живота, структур паховой области;

3) построить содержательные и компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур и провести исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции;

4) разработать метод прогнозирования поведения реконструированных после герниопластики структур при заданных внешних воздействиях.

Во второй главе рассмотрены биомеханические основы компьютерного моделирования структур брюшной стенки и паховой области. На основании имеющихся в литературе сведений изучено строение и функционирование мышечно-апоневротических структур брюшной стенки и паховой области. Проанализированы: 1) диапазон изменения геометрических параметров структур; 2) характер патологических изменений в структурах и способы их коррекции; 3) возможность диагностики геометрических и механических параметров структур, необходимых для построения моделей.

Коррекция грыжевого дефекта - это перестройка конструкции мышечно-апоневротических структур брюшной стенки или паховой области в зоне патологического изменения, направленная на формирование новой брюшной стенки в этой зоне или нового пахового канала, максимально приближенных к нормальному состоянию. Структуры брюшной стенки и паховой области могут иметь разную толщину, высоту, гибкость, подвижность, радиус патологического отверстия, выраженность патологических изменений. Поэтому, для того, чтобы судить о воздействии на корректируемые структуры, необходимо принимать во внимание три основных фактора: реальную конструкцию патологически измененных структур, механические характеристики тканей структур и значения допускаемых напряжений.

Геометрические параметры корректируемых структур можно определить в клинических условиях на компьютерных томограммах брюшной полости или на герниорентгенограммах.

В литературе отсутствуют статистически достоверные сведения о модуле нормальной упругости некоторых структур брюшной стенки, паховой области и какие-либо сведения о механических свойствах патологически измененных структур. Для получения этих сведений необходимо провести экспериментальные исследования модулей нормальной упругости и допускаемых напряжений тканей апоневротических футляров прямых мышц, внутренней фасции брюшной стенки, белой линии живота, структур семенного канатика в норме и при развитии патологии.

Проведенный анализ показал возможность схематизировать материал тканей структур при построении содержательных моделей и рассматривать его как однородный, изотропный и упругий.

Экспериментальные исследования механических свойств структур белой линии и апоневротических влагалищ прямых мышц живота проведены на образцах, вырезанных при помощи штампа из иссеченных во время хирургических операций структур белой линии и апоневроза прямых мышц живота. Для сохранения жизнеспособности образцы сразу после иссечения помещались в раствор Кребса и содержались в нем до начала испытаний. Длина образца = 10 мм, ширина = 2 мм; толщина варьировалась в зависимости от расположения места, из которого был вырезан образец. Исследование образцов проводили на установке, разработанной совместно с сотрудниками ИТМО и лаборатории кафедры хирургических болезней № 2 СПб ГМА им. И.И. Мечникова.

Таблица 1

Нагрузка Р, Н	Образцы белой линии при патологии
	Больная Л., 43 г.	Больная Б., 48 л.
	Удлинение образца , м	Модуль нормальной упругости , МПа	Удлинение образца , м	Модуль нормальной упругости , МПа
0,1	0,080357	0,678222	0,142857	0,327
0,3	0,151786	1,077176	0,214286	0,654
0,5	0,214286	1,271667	0,321429	0,726667
0,7	0,258929	1,473379	0,392857	0,832364
0,9	0,285714	1,71675	0,464286	0,905538
1,1	0,446429	1,34288	0,517857	0,992276
1,3	0,491071	1,442764	0,571429	1,06275
1,5	0,517857	1,508621	0,62524	1,121143
1,7	0,607143	1,52612	0,68753	1,155117

Образцы тканей пациентов были разделены на 3 группы. Первую группу составили образцы белой линии живота пациентов, которые не имели патологии со стороны брюшной стенки, а образцы белой линии были взяты при срединном доступе, который осуществлялся лапаротомическим способом по поводу хирургических заболеваний органов брюшной полости. Вторую группу составили образцы белой линии пациентов, которые были оперированы по поводу грыж передней брюшной стенки. Третью группу составили образцы апоневротических футляров прямых мышц пациентов, которые имели нарушения со стороны брюшной стенки (грыжа или/и диастаз прямых мышц). Результаты экспериментов приведены в таблицах типа 1. При нагружении и разгружении образцов, кривые на диаграмме напряжения - относительные удлинения фактически совпадают. Ткань образцов апоневротических структур проявляет упругие свойства. Очевидно, это связано с тем, что ткань состоит из коллагеновых и эластиновых волокон и не содержит гладкомышечных клеток.

Доверительная вероятность погрешности расчета модуля упругости в динамике 0,9-0,95 вполне достаточна для практических целей. По закону распределения случайной величины по Стьюденту, при обработке числа измерений n = 30, математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур белой линии в норме = 2,48 МПа: среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости - 0,13 МПа. С доверительной вероятностью p=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упругости структур белой линии живота в норме составляет 5,2 %.

При обработке числа измерений n = 18 математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур белой линии при патологическом состоянии = 1,61 МПа: среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости - 0,21 МПа. С доверительной вероятностью p = 0,95 погрешность оценки модуля нормальной упругости структур белой линии живота при патологическом состоянии составляет 13 %.

При обработке числа измерений n = 18 математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур апоневротических футляров мышц при патологическом состоянии = 1,37 МПа, среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости - 0,65 МПа. С доверительной вероятностью p=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упругости структур апоневротических футляров мышц при патологическом состоянии составляет 47 %.

Решение задач биомеханики для тел сложной формы и неоднородной структуры определяет необходимость применения численных сеточных методов. Метод конечных элементов является одним из наиболее эффективных методов расчета напряжений и деформаций в структурах сложной конфигурации.

Компьютерные модели для исследования перемещений и напряжений, возникающих в структурах при реконструктивной герниопластике, реализуются при использовании модуля конечно-элементного анализа COSMOSWorks, интегрированного в систему пространственного моделирования SolidWorks.

В программе SolidWorks содержится алгоритм построения примитивных объемных моделей из двумерных геометрических примитивов и алгоритм построения основной модели из примитивных объемных моделей. Построение основной модели заключается в сборке примитивных объемных моделей и выполнении условий сопряжения. В пакете прикладных программ COSMOSWorks выполняется: 1) имитация процесса исследования объекта при разнообразных вариантах его геометрии и условий нагружения; 2) наглядное графическое отображение результатов исследования напряжений и перемещений объекта.

На рис. 2 приведена схема патологического образования в белой линии живота (1 - брюшина; 2 - прямые мышцы; 3 - апоневрозы прямых мышц; 4 - подкожно-жировая клетчатка; 5 - кожа; 6 - белая линия живота; 7 - патологическое отверстие).

аб

вг

де

Рис. 2. Схема патологического образования в белой линии живота: а - мышцы передней брюшной стенки; б - геометрическая схема содержательной модели; в - конечно-элементная модель; г - зависимость напряжений от числа конечных элементов; д, е - эпюры напряжений (д) и перемещений (е)

Число введенных конечных элементов до 150 тысяч существенно влияет на результат (рис. 2, г). Дальнейшее увеличение числа конечных элементов на результатах вычислений сказывается незначительно. Поэтому, для достижения необходимой точности, при минимальных затратах времени на вычисления напряженно-деформированного состояния в структурах передней брюшной стенки целесообразно задавать разбиение на 150 тысяч конечных элементов. На рис. 2, д, е представлены эпюры напряжений и перемещений.

аб

вг

де

Рис. 3. Схема косой паховой грыжи: а - схема паховой области, б - геометрическая схема содержательной модели, в - конечно-элементная модель, г - зависимость напряжений от числа конечных элементов, д, е - эпюры напряжений (д) и перемещений (е)

На рис. 3 представлена схема косой паховой грыжи (1 - кожа, 2 - подкожно-жировая клетчатка, 5 - внутренняя косая мышца живота с апоневрозом, 7 - паховый канал, 8 - семенной канатик, 9 - паховая связка, 10 - грыжевой мешок).

Для достижения необходимой точности при минимальных затратах времени на вычисления напряженно-деформированного состояния в структурах паховой области целесообразно задавать разбиение на 200 тысяч конечных элементов (рис. 3, г). На рис. 3, д, е приведены эпюры напряжений и перемещений.

Оценка погрешностей вычисления проведена при сравнении значений перемещений и напряжений в гибких элементах конструкций, полученных конечно-элементным методом при использовании программы COSMOSWorks и аналитическим методом. Аналитический расчет произведен для тонкостенного цилиндра с толщиной h и модулем нормальной упругости E, находящегося под действием внутреннего давления p. Разность результатов экстремальных значений напряжений по безмоментной теории оболочек и трехмерного тела составила 30%.

В третьей главе проведено исследование влияния различных параметров на напряженно-деформированное состояние в структурах передней брюшной стенки.

Проведен анализ влияния внешних воздействий и механических свойств тканей на напряжения и перемещения в структурах передней брюшной стенки человеческого организма в норме, при развитии патологических образований в белой линии живота, при изменении формы патологического образования в белой линии, при ущемлении грыжевых ворот, после проведения различных видов герниопластики белой линии (рис. 4, в, г), в структурах паховой области при развитии косых и прямых грыж различной степени.

На рис. 4, а, б (1 - круглая форма, 2 - эллиптическая форма вдоль белой линии с соотношением осей 1:2, 3 - эллиптическая форма поперек белой линии с соотношением осей 1:2) приведены результаты исследования влияния формы патологического отверстия на напряженно-деформированное состояние в белой линии живота. Наибольшая предрасположенность к возникновению грыжи возникает при патологическом отверстии эллиптической формы, вытянутом по форме вдоль белой линии живота. При ущемлении грыжи разрушаются ткани в зоне грыжевых ворот. С увеличением жесткости срединного шва при герниопластике белой линии напряжения и перемещения в структурах уменьшаются.

Проведен сравнительный биомеханический анализ целесообразности применения герниопластики белой линии живота с использованием сетчатых имплантатов и герниопластики белой линии живота с применением собственных тканей: применение имплантата позволяет значительно снизить напряженно-деформированное состояние в области шва грыжевых ворот, и, следовательно, снизить вероятность возникновения рецидива.

На рис. 4, в, г приведены результаты исследования герниопластики с различным расположением сетчатого имплантата по отношению к апоневротическим футлярам мышц: 1 - под апоневротическими футлярами, 2 - внутри апоневротических футляров, 3 - над апоневротическими футлярами мышц. Исследования напряжений и перемещений проведены в зависимости от модуля упругости шва (рубца) грыжевого дефекта. Наиболее оптимальным при равных прочих параметрах является надапоневротическое расположение имплантата.

Проведен анализ влияния внешних воздействий и механических свойств тканей на напряжения и перемещения в структурах паховой области в норме, при развитии патологического расширения пахового канала, при косой и прямой паховых грыжах различной степени выраженности. При герниопластике пахового канала необходимо восстановление задней стенки пахового канала и нормальных размеров глубокого пахового кольца.

аб

вг

Рис. 4. Зависимости напряжений (а, в) и перемещений (б, г) от: а, б - от формы патологического отверстия в белой линии живота; в, г - модуля упругости шва грыжевого дефекта при герниопластике с различным расположением сетчатого имплантата

При анализе поведения модели варьирование значениями параметров дало возможность определить роль каждого из них на проявление синдрома, и, следовательно, рассмотреть множество его вариантов и сочетаний с другими симптомами.

Проведенные исследования влияния геометрических параметров и механических свойств мышечно-апоневротических структур на результат коррекции грыжевого дефекта предопределяют необходимость, а вводимые при этом погрешности вычислений - возможность создания метода предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных герниопластик.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания и практического применения системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии. Предложена блок-схема структуры аппаратно-программ-ного комплекса (рис. 5) системы.

Рис. 5. Схема взаимодействия основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур

Составной биомеханической частью нового информационного обеспечения являются таблицы, содержащие сведения о механических свойствах биологических структур в норме и патологии, компьютерные модели реконструированных передней брюшной стенки и паха, геометрическая программа Solid Works, программа для расчета напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов COSMOSWorks, алгоритмы проведения исследований и предоперационного прогнозирования результатов операций при использовании системы предоперационного прогнозирования состояния структур.

Определение необходимых для исследования геометрических размеров выполняется по компьютерным томограммам в вычислительном комплексе томографа. Информация о геометрических размерах структур, представленных к коррекции, передается в систему предоперационной диагностики результатов реконструктивных герниопластик. По базе данных механических свойств подбираются свойства в соответствии с введенными клиническими данными пациента по разработанному в работе алгоритму. Подбор осуществляется по следующим основным критериям: 1) пол пациента; 2) возраст пациента; 3) телосложение; 4) срок заболевания. По соответствующим комбинациям этих критериев определяются механические свойства исследуемой ткани. Выбирается модель герниопластики и проводится анализ. Если напряжения в структурах превышают допустимые, то производится повторный выбор модели в соответствии с разработанным алгоритмом, до тех пор, пока не будет найдена технология хирургического вмешательства, обеспечивающая оптимальный результат операции для данного пациента. Результаты прогноза выводятся на печатающее устройство или на накопитель информации. Для расчета рассматриваемых моделей необходим компьютер класса не ниже, чем Pentium IV 3000 МГц, с объемом оперативной памяти не менее 1 Гб и объемом жесткого диска не менее 20 Гб. Расчет каждой из моделей на компьютерах подобного класса, при разбиении на 100-150 тысяч конечных элементов, занимает порядка 10 минут, а при разбиении на 200-250 тысяч - порядка 20 минут. По результатам проведенного прогноза составляются рекомендации по выбору технологии хирургического вмешательства. Полученный прогноз не является окончательным и требует заключения врача-хирурга.

Проведено сопоставление результатов предоперационного прогнозирования результатов герниопластики с результатами операций, проведенных в медицинской академии им. И.И. Мечникова.

Основные результаты работы

1. Построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области, позволяющие проводить исследования напряженно-деформирован-ного состояния, возникающего в структурах при развитии патологии и при назначении дозированных нагрузок после реконструкции.

2. Получены экспериментальные данные механических свойств апоневротических структур брюшной стенки, позволяющие вводить в компьютерные модели их биомеханические характеристики.

3. Проведены исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и при назначении дозированных нагрузок после реконструкции.

4. Разработан метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного биомеханического моделирования и клинических исследований.

5. Предложен алгоритм проведения исследований при выборе типа хирургического вмешательства для каждого конкретного случая.

6. На основе разработанного биомеханического метода создано новое информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

7. Разработаны предложения по составу, функциям основных компонентов, и построена обобщенная схема системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Заключение

Актуальность работы определяется отсутствием объективных методов и существующими потребностями в предоперационном прогнозировании состояния структур в герниологии; а также возможностями современных компьютерных технологий. Поэтому целью работы являлось повышение эффективности предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций путем совершенствования информационного обеспечения системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневро-тических структур в герниологии. Для достижения поставленной цели были построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области; проведены экспериментальные исследования механических свойств структур передней брюшной стенки и паховой области; проведены исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции; разработан биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований. На основе этого метода разработано новое информационное обеспечение и предложена обобщенная схема системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Создание нового информационного обеспечения системы прогнозирования состояния структур позволило учесть индивидуальные особенности геометрических размеров структур брюшной стенки и патологии конкретного пациента, определить величину механического воздействия и технологию оперативного вмешательства, необходимого для восстановления брюшной стенки или паха при сохранении их функциональных свойств, и тем самым осуществить предоперационное прогнозирование результатов реконструктивных операции и состояния структур в герниологии. Достоверность исследований подтверждена соответствием полученных результатов с результатами расчета аналитическими методами.

Публикации по теме диссертации

1. Лебедева, Е.А. Моделирование структур человеческого организма в герниологии/ Е.А.Лебедева // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии. - 2005. - №1. - С. 53 - 55

2. Бегун, П.И. Компьютерное моделирование и исследование состояния биологических структур в герниологии/ П.И.Бегун, Е.А. Лебедева // Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: материалы Междунар. школы-семинара, г. Ростов-на-Дону. - 2005. - С. 22 - 23

3. Лебедева, Е.А. Блок «Биомеханика» в биотехнических системах медицинского назначения «Герниология»/ Е.А. Лебедева // материалы юбилейной 60-й науч.-техн. конф., посвященной 110-летию изобретения радио. С-Пб, апрель 2005. - С. 211 - 213

4. Лебедева, Е.А. Моделирование патологических образований в белой линии живота / Е.А.Лебедева // Наука - Производство - Технологии - Экология: сборник матер. Всеросс. науч.-техн. конф. ВятГУ. - Киров. - 2005. - С.164-166.

5. Бегун, П.И. Информационное обеспечение исследований и коррекции в герниологии / П.И.Бегун, С.М.Лазарев, Е.А.Лебедева // Информационно-управляющие системы. Сер. Управление в медицине и биологии. - 2006. - №2 (21). - С. 47 - 52

6. Лебедева, Е.А. Биомеханические исследования состояния биологических структур в герниологии /Е.А. Лебедева// Биомеханика-2006: материалы VIII Всеросс. конф. по биомеханике. Н.Новгорд, июнь 2006. - Н.Новгород. - 2006. - С. 174-175

7. Лебедева, Е.А. Компьютерное моделирование в герниологии / Е.А. Лебедева // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии. - 2006. - №1. - С. 45 - 47

8. Лебедева, Е.А. Компьютерное моделирование и исследование в герниологии / Е.А.Лебедева // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ-2006: матер. VII Международной науч.-техн. конф. г. Владимир, август 2006. - Владимир. - 2006. - С. 292 - 294

9. Лебедева, Е.А. Компьютерное моделирование биологических структур в герниологии/ Е.А. Лебедева // Изв. ТРТУ. Сер. Медицинские информационные системы. - 2006. - № 11. - С. 90 - 94

10. Лебедева, Е.А. Прогнозирование результатов реконструктивных операций в герниологии / Е.А.Лебедева // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: материалы Политехнического симпозиума, г. С-Пб, сентябрь 2006. - С-Пб, 2006. - С. 196 - 197

Подписано в печать 01.10.07. Формат 60*84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ 102.

Отпечатано с готового оригинал-макета

в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Размещено на Allbest.ru