CC BY
0гидрометеорологической береговой станции Актау. Материалы международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами, Усть-Каменогорск, 2010, С 182188.
5. Злобина Т.Г. Создание ГИС водных объектов по материалам космической съемки ОеошайсБ. - 2013 - № 3 - РР. 33-35
6. Лурье И. К, Косиков А. Г. Дистанционное зондирование Земли и географические информационные системы. Теория и практика цифровой обработки изображений. М., 2006. с. 174
7. Кузнецова И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков (Камеральное и полевое дешифрирование топографических объектов), Алматы, КазНТУ им К.И.Сатпаева, 2014. - 365 с.
Сулжовська 1.О.
Нацюнальний технгчний унгверситет Украти «Кивський полтехтчний тститут iM. 1горя Сжорського»,
Маггстер Швень О.О.
1нститут молекулярное бюлогий i генетики НАН Украти
Украша,
кандидатка бiологiчних наук КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТРАВМИ CTErHOBOÏ К1СТКИ COMPUTER SIMULATION TRAUMA OF FEMUR
Sulikovska I. O.
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute",
Master Piven O.O.
Institute of Molecular biology and Genetics NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine Candidate of Biological Sciences
АНОТАЦ1Я
У статп проводиться дослщження комп'ютерно! моделi стегново! кютки та визначення локалiзацi! нанесення травми. Виконуеться три дослщження з застосуванням ди сили рiзного значення та фжсацп кютки. В данш робот для отримання та дослщження моделi кютки використовуеться програмний комплекс SolidWorksPremium 2016, модуль статичного аналiзу. Визначення мюця нанесення травми проводиться ввдповщно до локалiзацil точки з максимальним показником мехашчно! напруженосп та деформаций
ABSTRACT
The article is studying computer models of the femur and determine localization injury. Performing three studies using different values of the force and fixation of bone. In this paper, for bone and research models used software package SolidWorksPremium 2016, a module of static analysis. Specify where injury is conducted in accordance with point location with the highest figure of mechanical tension and deformation.
Ключовi слова: комп'ютерна модель, травма стегново! кютки, мехашчне напруження та деформащя.
Keywords: computer model, femur injury, mechanical stress and deformation.
Вступ. Ввдпрацювання коректно! тваринно! моделi е першим кроком будь яких експеримента-льних дослщжень, включаючи i роботи з регенеративно! медицини, i трансплантологи, i створення та розробки нових комбшованих iмплантатiв. Для проведення тако! роботи, з визначення мюця нанесення травми кютково! тканини дрiбним лаборато-рним тваринам необхвдно залучити велику шль-кiсть щурiв, а це значно тдвищуе вартiсть досль дження. Спростити роботу дослiдника та знизити вартють таких експериментiв допоможе матема-тичне моделювання, що е перспективним напря-мом, який використовуеться в багатьох аспектах прикладних медико-бiологiчних дослiдженнях. Ро-зроблена, таким чином, модель кютки дозволяе визначити параметри бюлопчно! системи без втру-
чання в не!. Варто зауважити, що у сучаснiй лггера-турi вiдсутнi данi щодо використання методики комп'ютерного моделювання для визначення мюця нанесення травми кюток дрiбним експерименталь-ним тваринам.
Тому метою дано! роботи стало дослвдження комп'ютерно! моделi велико! гомiлково!' кютки та вибiр оптимального мюця для нанесення нас^з-ного дiрчатого ушкодження - травми кютково! тканини.
Застосування 3-Б моделювання дае можли-вiсть вiзуально оцшити розподiл навантаження на кютку тд час дi! зовнiшнiх навантажень рiзного направленна, сили та виявити !! найуразливiшi мiсця. За допомогою комп'ютерного моделювання мож-ливо розрахувати мiцнiсть та деформацш кiски при дп на не! сили. Бюмехашчна модель стегново!
к1стки, яка створена на основ1 реальних вихвдних параметр1в шстково! тканини дозволяе з високою ймов1ршстю розрахувати параметри мщносп шстково! тканини та деформацп, при застосуванш р1з-ного значення сили, та вибору м1сця нанесення тра-вми.
Матерiали i методи
Анал1з був проведений за допомогою програм-ного комплексу ЗоИсШогквРгетшт 2016 в яюй
було отримано об'емну модель для проведення до-слiджень для визначення мкця нанесення травми. На рисунку 1 представлена об'емна модель в про-грамному комплексi SolidWorksPremium 2016. Для уточнення геометричнiй моделi шстки використо-вувалася вiртуальна комп'ютерна геометрична модель, отримана за допомогою лазерного сканування в рамках проекту «The Titanium Bone Project» [1].
Рисунок 1 - Модель стегново'1 тстки виконана в середовищi SolidWorksPremium 2016
Шсля того як було отримано 3Д модель стегново!' шстки ми задали мехашчш параметри шстково! тканини [6] вщповвдно до таблиц 1.
Таблиця 1
Мехашчш характеристики кктковоТ тканини по Рейлi i Бурштейну [6]: Як, Ук - модуль пружносп i коефiцieнт Пуассона матерiалу кортикальной кктковоТ тканини вщповщно; От , От - масова щшь-
Параметри Значення
EH 1,7 *1010 Па
Vk 0.32
Om 1050 кг/м3
Ст 0.1 Па
Експериментальш даш по мехашчним характеристикам в данш робот1 були взят1 з науково! л1-тератури, а саме з даних дослвдження Рейл1 1 Бурш-тейнуа [6].
Результати та обговорення Для визначення точки нанесення наскр1зно! дь рчато! травми виконано три дослщження з застосу-ванням до сили р1зного значення та фшсаци стегново!' к1стки. До поверхш головки стегново! к1стки прикладаеться сила, яка ввдповщае половиш маси
тварини, що ввдповвдае початковому навантаженню на шнщвку при ходьба Враховуючи масу др1бних експериментальних тварин, а саме щур1в - 0,5 кг, взято навантаження 0,25 кг ввд маси тша.
При першому дослщженш для розрахунку ме-хашчного навантаження та деформаци було задано силу в 2,5 Н. Навантаження було прикладене на головку та великий вертел, закршлення здшснюва-лося в дистальнш частиш стегново! к1стки.
Рисунок 2 - Локалiзацiя закртлення та сили тиску на стегнову юстку
На рисунку 2 вщображено розташування нава-нтаження та закршлення дослвджуваного матерiалу (вiдповiдно рожевими та зеленими стрiлками).
Далi в ходi проведення дослiдження отриму-емо результати розподiлення навантаження по шстщ при дй' на не! сили 2,5 Н.
Рисунок 3 - Напруження за von Mises при силi тиску 2,5 Н на стегнову юстку
З рисунку 3 видно що максимальне навантаження спостертаеться в медiальнiй частиш шстки становить 0.37 Н/мм2, в дистальних вiддiлах не спо-стерiгаеться змш. Для дослiдження напруження за-стосовуеться основний критерiй, який розробив
Людвиг фон Мiзес. Критерiй максимального напруження по Мiзесу грунтуеться на теори Мiзес-Хенкi Mises-Hencky, також вщомо! як теорiя енергй' фор-мозмши. В даному модулi також виконано досль дження перемiщення та деформащю, що вщобра-жено на рисунку 4 А та Б.
Рисунок 4 - Розподшення навантаження та деформацй при статичному до^дженм стегновог юстки : А - Деформащя при силi тиску 2,5 Н стегново'1 юстки ; Б - Перемщення при силi тиску 2,5 Н стегново'1
юстки.
Змщення становило 0,7 мм i спостерталося на головщ стегново1 шстки. Розподшення деформацй' як i у випадку з навантаження було у дистальнш частит i сягае 1,3 вшносно початкового стану.
Для моделювання травми в експериментi пла-нуеться застосування стоматологiчного бору, так як за допомогою даного апарату можна легко здшс-нити ряд маншуляцш пов'язаних з препаруванням исток для дрiбних експериментальних тварин. Те-оретичнi данi свiдчать, що мшмальне середне зна-чення натискання хiрурга при препаруваннi к1стки в клшчних умовах становить 5-10 Н [2, 5]. Тому на-ступним етапом досл1дження модел1 виконано з ви-користанням сили 5 Н. Так як уже було визначено в попередньому дослiдженнi слад прикласти силу до медiальноï частини стегново! шстки. Закршлення к1стки було здiйснено по дистальним краям досль джувано! тканини. В результат отримано наступнi показники розподiлення навантаження, деформацiï що ввдображенш на рисунку 5 - А, Б.
Рисунок 5 - Розподшення навантаження та деформацй' при статичному дослвдженш стегново1 ш-стки: А - Деформацiя при crai тиску 5 Н на стег-нову шстку; Б - Напруження за von Mises при cилi тиску 5 Н на стегнову шстку.
Отримано показник навантаження при cилi тиску в 5 Н з максимальним значенням в 0,54 Н/м2 при розподiленнi по всш поверхнi доcлiджуваного об'екта.
ESTR - це вшношення довжини, яку отримали в результатi доcлiдження до первюно1 довжини. Максимальна деформацiя 4,9, а це означае, що ввд-булась деформацiя шстково1 тканини в 49 раз. На-ступним етапом дослвдження було застосування сили натиску в 10 Н на медiальну частину стегново1 к1стки. Фiкcацiя здшснена, як i в попередньому випадку по дистальним шнцям. На рисунку 6 А воображено результат статичного дослвдження розподшення навантаження по об'екту.
Рисунок 7 - Розподшення навантаження та деформацй при статичному до^джент стегновог тстки: А - Напруження за von Mises при силi тиску 10Н на стегнову юстку; Б - Деформащя при cwi тиску 10 Н
на стегнову юстку
10 Н використовуеться для моделювання на-с^зно! дирчато! травми, так як мехашчне навантаження становить 1,9 Н/м2, що е достатшми для пролому шстки.
При препаруванш шстки використовуються стоматолопчш бори за допомогою якого можливе точне нанесення нас^зно! травми [3, 4]. Стомато-лопчний бор для препарування шстки в дiаметрi становить 10 мм i в подальшому цей показник буде використаний для моделювання травми. На рисунку 7 вщображено змодельована к1сткова травма за показниками локалiзацiï та сили дй' отриманих в по-
переднiх дослвдженнях. s» V*- w vk m - • • т ■ цг aa ' ^ '
Рисунок 7 - Комп 'ютерна модель нас^зног дiрчатоï травми стегновог юстки
В даному дослщження прослщковуеться лока-лiзацiя точки, яка може служити для моделювання травми. Не менш важливим також в даному випа-дку е значения деформацй, що вщображено на рисунку 6 Б.
З рисунка 6 Б видно, що деформащя становить 2,5, що означае, що ввдбулась деформащя в 25 раз вщносно початкового стану.
Параметри, що були отримаш при дослщженш з застосуванням сили в
За допомогою програмних ÎHCTpyMeHTÎB в сере-довищi Solidwork було вщображено дану модель в розрiзi.
Рисунок 8 - Комп 'ютерна модель травми стегново'1 юстки в розрiзi
За допомогою програми МайаЬ було збудовано графж залежносп сили натиску вiд значень максимального напруження та деформацi! з попередшх
трьох дослiджень в програмному середовищi 8оШ-work.
Рисунок 9 - Графж залежностi напруженостi та деформацИ вiд сили стиснення
В результата бачимо, що напруженють об'екта дослвдження при силi стиснення 10 Н становить 1,9 Н/м2 i е в 3, 5 раз вище чим при силi в 5 Н. Дефор-мацiя же при силi в 5 Н е вищою, проте даний пока-зник мае менше значення, чим значення напру-ження в кiстцi. Тому для подальшого моделювання травми дрiбних експериментальних тварин доць льно використовувати силу стиснення в 10Н.
Висновки
Проаналiзованi механiчнi показники допо-могли пщбрати оптимальний показники сили стис-
нення. Проведет три дослщження допомогли ви-явити локалiзацiю точки з максимальним показни-ком мехашчно! напруженостi для моделювання дiр-чато! травми шстково! тканини. Розроблена методика моделювання исток оптишзуе нанесення травми та дозволяе досить точно визначити опти-мальне мiсце нанесення травми для подальшого до-слiдження, що значно скоротить час та вартють до-слiдження на живих об'ектах.
The scientific heritage No 12 (12),2017 Список лггератури
1. Безруков В.М., Руководство по хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии./ Робустова Т.Г.- Медицина., 2000. - С 487.
2. Бернадский М., Основы челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. - 2003 -С 416.
3. Слободской А.Б., Оптимизация чрескост-ного остеосинтеза при переломах костей конечностей с помощью современных компьютерных технологий / Островский Н.В. - Хирургия., 2008. - № 4. - С. 53-57.
4. Reilly D. T., The elastic and ultimate properties of compact bone tissue / Burstein A. H. - Biomechanics. 2015. - Vol. 8. - P. 393-405.
5. Khoury F., Bone Augmentation in Oral Implan-tology/ Antoun H., Missika P. - Quintessence publ., 2007 - P. 241-259.
6. VRML Models from The Titanium Bone Project [Электронный ресурс]/ Texas: University of Texas at Austin, - 2014. - Режим доступа: https://web-space.utexas.edu/reyesr/titanium/3D models.html.
Зубчук В.И.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», к.т.н, доцент кафедры биомедицинской инженерии
Кондрацкий Ю.Н.
Национальный институт рака, к.м.н, заведующий отделением опухолей пищевода,
желудка и реконструктивной хирургии
Орел В.Э.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», д.б.н, профессор кафедры биомедицинской инженерии Национальный институт рака, заведующий научно-исследовательской лаборатории медицинской
физики и биоинженерии Шатохина К.С.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени
Игоря Сикорского», студентка Якимчук В. С.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», к.т.н, старший преподаватель кафедры биомедицинской кибернетики
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПИРАТОРНОГО ВОЗДУХА БОЛЬНЫХ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
РАКА ЛЕГКИХ
RESEARCH OF EXPIRATORY AIR OF PATIENTS FOR DIAGNOSTICS OF LUNG CANCER
ZubchukV.I.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Candidate of Engineering Sciences, associate Professor of FBMI.
Kondratskyy Y.N.
National Cancer Institute Ukraine, Candidate of Medical Sciences, Head of the Division of tumors of stomach, esophagus and reconstructive surgery.
Orel V.E.
National Cancer Institute Ukraine, Doctor of Biological Sciences, Professor at the Department of Biomedical Engineering, Head of the laboratory of medical physics and bioengineering.
Shatokhina K.S.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», student.
Yakymchuk V.S.
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»,
Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer.
АННОТАЦИЯ
Летучие и нелетучие соединения, содержащиеся в экспираторном воздухе, могут стать естественными экспресс-биомаркерами большинства ряда болезней, включая и легочную онкологию. Поэтому принципиально важно создать экспресс-диагностику болезней посредством использования дыхательной системы человека. Одной из таких систем является устройство типа «Электронный нос», разработанное в КПИ имени Игоря Сикорского, которое содержит набор электрохимических чувствительных сенсоров для газов O2, NH3, CO2, NO, NO2, H2S, HF. Технология апробирована на 2 группах: группе больных раком легких (пациентов Национального института рака) и контрольной группе практически здоровых людей из КПИ имени Игоря Сикорского. Общая выборка пациентов составила 31 испытуемых, среди которых 17 мужчин и 14 женщин в возрастном диапазоне 53-60 лет. В исследуемых группах выявлена статистически значимая разница по трем показателям: HF, CO2 и NO. В результате корреляционного анализа определена умеренная положительная связь высокой степени значимости между уровнем NH3 и NO2, а также NH3 и H2S.
