CC BY
73
УДК 519.6/617-089
C. C. Гаврюшин
ИНФОРМАЦИОННАЯ
И ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ ПОДДЕРЖКА ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ И ХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Проанализирован накопленный опыт использования современных информационных технологий для разработки интегрированных средств автоматизации, так называемых CAS-систем, предназначенных для программно-аппаратной поддержки высокотехнологичных медицинских операций. Изложены вопросы использования компьютерной томографии для построения твердотельных моделей. С помощью конечно-элементной аппроксимации выполнен анализ прочностных и функциональных характеристик биомеханических конструкций. Рассмотрены достигнутые результаты и перспективы применения современных математических методов, прикладного программного обеспечения и аппаратных средств для поддержки планирования и проведения хирургических и ортодонтиче-ских операций.
E-mail: gss@rk9.bmstu.ru
Ключевые слова: компьютерная томография, биомеханические объекты, метод конечных элементов, математическая модель, хирургическая операция, CAS-системы.
Методы математического моделирования, опирающиеся на возможности современной компьютерной томографии, 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.
Автор настоящей статьи считает необходимым начать с упоминания о научном открытии "Явление возникновения собственных напряжений в костях человека и животных" (№ 181с приоритетом от декабря 1970г.), принадлежащем В.И.Лощилову (рис.1), Г.А.Николаеву, Э.П. Бабаеву.
Суть открытия заключается в том, что привычное для инженеров понятие внутреннее механическое напряжение [1] 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
Рис. 1. Владимир Иванович Лощилов
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.Илизарова (рис.2) [2]. Ему, а также его ученикам и последователям принадлежит приоритет в разработке и применении различных методик с использованием аппарата Илизарова (рис. 3), позволяющих
Рис. 2. Гавриил Абрамович Илизаров
Рис. 3. Один из вариантов аппарата Илизарова
реконструировать дефекты и аномалии костного аппарата человека [3]. Аналогичные методики широко используются в ортодонтии для исправления аномалий зубочелюстной системы (рис. 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 [4].
Более редкая медицинская операция, так называемая процедура Насса [5], используется при хирургическом лечении воронкообразной деформации грудной клетки (рис. 5,6). При проведении процедуры
Рис. 4. Брекет-система, используемая для устранения дефектов и аномалий зубного ряда
Рис. 5. Воронкообразная деформация грудной клетки (слева — фото пациента) и изображение, полученное при помощи компьютерного томографа (справа)
Насса воронкообразная деформация исправляется посредством введения корректирующих балок, при этом оказывается силовое воздействие на ребра, грудину, реберные хрящи и позвоночный столб.
Важно отметить, что результаты всех 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 операций. 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 CAS-системы (Computer Aided (или Assisted) Surgery — сокращенно CAS) или CAS-технологии, которые 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.
Созданная лауреатами Нобелевской премии (1979 г.) Г. Хаунсвилдом и А. Кормаком технология компьютерной томографии [6,7], позволила приступить к построению трехмерных и строго индивидуальных моделей биомеханических объектов.
Рис. 6. Исправление дефекта с помощью корректирующих балок
Рис. 7. Послойные растровые изображения, полученные с помощью компьютерного томографа (а), и конечно-элементная модель (б) зубочелюстного ряда пациента
С помощью компьютерной томографии получают послойные растровые изображения — срезы под заданным углом. Качество изображения зависит от разрешающей способности томографа, которая оценивается размером объемной ячейки — вокселя (рис. 7). В настоящее время с помощью специализированных томографов удается получить изображения с размером вокселя до 0,1 мм. На рис. 8 приведена принципиальная схема получения изображения с помощью ограниченного конического луча компьютерного рентгеновского томографа.
Томограммы используют послойные растровые изображения, представленные в специализированном формате DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine, что можно перевести как формирование изображений и коммуникации в медицине), разработанном Американской коллегией радиологии и Национальной ассоциацией производителей электроники (ACR/NEMA). Формат DICOM поддерживает открытый обмен изображениями и сопутствующей информацией между различными устройствами анализа цифровых изображений и медицинской аппаратурой, которая создает эти изображения, и де-факто стал стандартом, на который ориентируются зарубежные и российские разработчики медицинского оборудования. Формат DICOM поддерживает подсоединение медиа-устройств, устройств хранения цифровых изображений, полученных, в частности, на таком диагностическом оборудовании, как устройства компьютерной томографии, ультразвукового обследования, рентгенографии.
Вместе с тем полученная с помощью компьютерной томографии пространственная растровая модель не может быть непосредственно использована для проведения численного анализа. Необходимо преобразовать растровое (тоновое) изображение в так называемую трехмерную твердотельную модель, состоящую из геометрических примитивов: точек, линий, поверхностей и объемов [8].
Рис. 8. Принципиальная схема получения изображения с помощью специализированного стоматологического компьютерного томографа
В настоящее время зарубежными разработчиками создан ряд программных систем MIMICS (http://www.materialise.com/mimics), AMIRA (http://www.amira.com/), 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 биологическими 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. Каждый из треугольников однозначно определяется значениями координат трех его вершин. Таким образом, геометрическая модель зуба включает в себя перечень координат вершин многогранника, каждой из которых присвоен уникальный порядковый номер, и описание топологии треугольников, содержащее перечисление глобальных порядковых
номеров вершин для каждого треугольника. Объем обрабатываемой при этом информации весьма значителен и немыслим без использования вычислительной техники.
Важнейшим элементом технологической цепочки явилось использование для анализа математических моделей и планирования операций метода конечных элементов [9,10], в котором реализуют алгоритм исследования поведения системы на основе известной информации о законах поведения отдельных ее частей. Для аппроксимации анализируемого объекта используют модель в виде набора отдельных, конечных элементов. Поведение каждого конечного элемента подчиняется известным соотношениям, полученным на базе математического аппарата механики деформируемого твердого тела.
В случае нелинейного поведения конструкции задача усложняется и на заключительном этапе сводится к решению нелинейной системы уравнений. Различают два вида нелинейности: геометрическую и физическую. Геометрическую нелинейность необходимо учитывать в случае, когда перемещения, возникающие в конструкции, уже нельзя считать малыми и принцип неизменности начальных размеров становится неприменимым. Физическая нелинейность связана с физическими свойствами материалов. Рассматривать кость как упругий материал можно только в ограниченных случаях, поскольку костная ткань является сложным композиционным материалом, имеющим включения как органических, так и неорганических материалов. 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 [11-13]. Важно отметить, что процессы ремоделирования костной ткани существенным образом связаны с уровнем внутренних напряжений.
При численном анализе, как правило, используются программные комплексы ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и другие, хорошо зарекомендовавшие себя при решении инженерных задач.
Используя конечно-элементные модели, просчитывают различные варианты проведения операции, оптимизируют процесс ее проведения, определяют параметры элементов протезирования и необходимого инструментария. Таким образом, современные достижения в биомеханике ассоциируются с современными компьютерными технологиями, известными как CAD/CAE/CAM-системы. (CAD (Computer Aided Design) — компьютерный дизайн или компьютерное конструирование; CAE (Computer Aided Engineering), компьютерные инженерные расчеты CAM (Computer Aided Manufacturing) — компьютерная помощь при производстве.)
/ После- ■ ¥ операцион- ■ / ная реаби-[ литация
Диагностика \ 1
К\ Операция -11 Планирование J
и тренинг М
Рис. 9. Последовательность этапов жизненного цикла высокотехнологичной хирургической операции
Следует отметить, что процесс проведения высокотехнологичных медицинских операций в определенной мере аналогичен процессу анализа производственных задач на промышленных предприятиях, в котором широкое распространение получила концепция жизненного цикла изделия (ЖЦИ). В соответствии с определением стандарта ISO 9004-1, ЖЦИ -это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Для эффективной работы предприятия на всех стадиях ЖЦИ необходимо создание единого информационного пространства на основе распределенных баз данных, обеспечивающих унифицированные средства хранения, поиска и выдачи технологической и иной информации об изделии.
Распространяя концепцию жизненного цикла в сферу медицинских услуг, отмечаем, что услуга, предусматривающая хирургическое вмешательство, выполняется как последовательность следующего ряда действий: предоперационная диагностика, планирование операции, проведение операции, послеоперационная реабилитация пациента (рис. 9).
Таким образом, CAS-системы можно рассматривать как комплексные информационно-вычислительные технологии, отвечающие концепции жизненного цикла; CAS-системы включают в себя аппаратуру и программные средства для получения исходных данных, их обработки методами математического моделирования в целях нахождения рационального плана проведения операции с использованием (при необходимости) специализированного инструментария, в том числе ро-бототехнических устройств, как на этапах проведения операции, так и при проведении реабилитации пациента.
Созданные к настоящему времени CAS-системы можно охарактеризовать как объединение в единую технологическую цепочку (КТ/CAD/CAE/CAM) аппаратных средств, специализированных программных комплексов и компьютерных программ, выбор которых определяется субъективными предпочтениями исследователей.
Традиционно CAS-системы специализируются в соответствии с разделами хирургии. Так, в монографии [14], посвященной вопросам
биомеханики в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, объединяются возможности компьютерной томографии и программных систем MIMICS (Materialise) и SolidWorks/COSMOSWorks. В работе [15], посвященной математическому моделированию бифуркаций сонной артерии в норме, при патологии и после реконструктивной операции, используются исходные данные, полученные методами компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии, а также математические пакеты ANSYS, ADINA, ABAQUS, COMSOL. Теоретические основы математического моделирования объектов протезирования с использованием различных пакетов и программ рассматриваются в монографии [16].
В работе [17] изложены различные методики построения математических конечно-элементных моделей, которые использовались при численном моделировании реальных стоматологических операций.
При создании CAS-систем следует выделить следующие задачи:
— разработка программного сопровождения, позволяющего использовать возможности современных средств традиционной и компьютерной диагностики для геометрического 3D-моделирования биомеханических объектов, и определения их индивидуальных физико-механических и физиологических характеристик;
— разработка программных средств для автоматизированного создания на основе данных компьютерной диагностики конечно-элементных математических моделей, пригодных для проведения вариантного анализа будущей операции;
— планирование с помощью разработанной модели оперативного вмешательства и интраоперационного сопровождения в целях обеспечения безопасности, оптимизации и интеграции этапов хирургического вмешательства;
— разработка специализированного инструментария, в том числе медицинских микроробототехнических систем, для поддержки работы хирурга-оператора и его предварительного обучения работе с микрохирургической системой.
В заключение отметим, что внедрение CAS-систем позволит добиться значительного повышения эффективности работы хирурга за счет научно-обоснованного учета индивидуальных особенностей пациента, оптимизации операционного процесса и минимизации хирургического вмешательства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1986. - 512 с.
2. 11 i z a r o v G. A. Transosseous osteosynthesis. theoretical and clinical aspects of the regeneration and growth of tissue / G.A. Ilizarov . - Berlin: Springer-Verlag, 1992. - 800 p.
3. Шевцов В. И., Макушин В. Д., Тепленький М. П., Атман-с к и й И. А. Лечение врожденного вывиха бедра: Новые технологии остеосин-теза модулями аппарата Илизарова. - Курган, 2006. - 1000 с.
4. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы // Пер. с англ. - М.: Мир, 1976. - 541 с.
5. Awrejcewicz J., Luczak B. The finite element model of human rib cage // J. of theoretical and applied mechanics. - 2007. - No. 45. - P. 25-32.
6. Календер В. Компьютерная томография. - М.: Техносфера, 2006. - 244 с.
7. Прокоп М., Галански М. Спиральная и многослойная компьютерная томография: Учеб. пособие / Пер. с англ. - М.: Медпресс-информ, 2007. - 712 с.
8. Божко А. Н., Жук Д. М., Маничев В. Б. Компьютерная графика. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 392 с.
9. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 541 с.
10. Bathe K.-J. Finite element procedures in engineering analysis. - New Jersey: Prentice-Hall, 1982. - P. 735.
11. S e d l i n E. D. A Rheoligic model for cortical bone, Elanders Boktryckeri Aktiebolag. - Guteborg, 1965. - P. 1-77.
12. Кнет И. В., Пфафрод Г. О., С аул г аз и с Ю. Ж. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей. - Рига, 1980. - 320 с.
13. Проблемы прочности в биомеханике: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1988.- 311 с.
14. Ч у й к о А. Н., Ш и н ч у к о в с к и й И. А. Биомеханика в стоматологии: Монография. - Х.: Изд-во "Форт". 2010. - 516 с.
15. Kossovich L. Y u., Kirillova I. V., Gulayev Y u. P., et. al. Mathematical modeling of human carotid in healthy, affected or post-corrective surgery conditions // Topical problems in solid mechanics. Elite Pub. House Pvt. Ltd., 2008. - P. 235-250.
16. Бегун П. И. Биомеханическое моделирование объектов протезирования. -СПб.: Политехника, 2011. - 464 с.
17. Гаврюшин C. C. Численный анализ биомеханических систем в стоматологии // Сб. тр. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-С. 130-143.
Статья поступила в редакцию 9.08.2011
