Компьютерное моделирование в предоперационном планировании при лечении переломов бедренной кости Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 616.718.45-001.5-089.84]:001.8(045)

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРЕДОПЕРАЦИОННОМ ПЛАНИРОВАНИИ ПРИ ЛЕЧЕНИИ ПЕРЕЛОМОВ БЕДРЕННОЙ КОСТИ

© О.Н. Ямщиков, Д.А. Марков, Р.К. Абдулнасыров, Д.В. Афанасьев, А.А. Ненашев

Ключевые слова: компьютерная модель; метод конечных элементов; бедренная кость.

В статье обсуждаются возможности построения компьютерных моделей бедренной кости в рамках предоперационного планирования с целью последующего проведения виртуальных хирургических вмешательств.

В медицинской практике при решении задач травматологии и ортопедии проблема выбора оптимального метода лечения переломов и исправления дефектов костных сегментов опорно-двигательного аппарата является наиболее актуальной. В этих случаях возможность проведения т. н. «виртуальной операции» на стадии предоперационного обследования пациента значительно влияет на результат лечения [1, 2]. Для обеспечения такой возможности необходимо первостепенное создание базы компьютерных моделей, на которых в последующем будут осуществляться описанные выше вмешательства.

Одним из путей решения дайной проблемы является создание точной трехмерной компьютерной модели исследуемого объекта, анализ ее напряженно-деформированного состояния с возможностью последующего проведения определённых манипуляций в цифровом

формате [3, 4]. При этом очень большое значение имеет получение объективной информации о геометрии исследуемого объекта [5]. Для сложных структур для этой цели оправданным является использование компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Компьютерная томография, в силу особенностей метода, идеально подходит для диагностики костных повреждений [6].

Результат компьютерной томографии представляет собой набор изображений, каждое из которых соответствует определенному сечению сканируемого объекта [7]. Для обработки изображений компьютерной томографии используется различное специализированное программное обеспечение. С этой целью нами было успешно применено программное обеспечение, разработанное компанией Materialise, Mi-mics.V.13 (рис. 1).

R И I I

\ 1 Iflfl 1 Ф A 85.50

/

Ш

Рис. 1. Основной интерфейс программы Mimics.V.13 1508

Рис. 2. Компьютерная модель проксимального отдела бедренной кости

Данное программное обеспечение может использоваться для создания 3Б-моделей, поскольку позволяет преобразовывать результаты КТ в биомеханико-мате-матические трёхмерные модели для дальнейшего их экспорта в конечно-элементные пакеты [8].

В основу построения визуальной модели положена разница в интенсивности серого цвета на сканированных изображениях, напрямую связанная с плотностью тканей человеческого тела. По значению интенсивности серого цвета можно выделять мягкие ткани, мягкие ткани и кости, только кости и т. д. (при этом используются либо уже предусмотренные диапазоны плотности, либо диапазон настраивается вручную, например, для выделения сверхплотных костей или имплантатов).

Важнейшей возможностью Mimics является оптимизация геометрии объекта и преобразование её в конечно-элементную вычислительную сетку. Оптимизация модели включает в себя удаление элементов, не влияющих на качество расчётов в конечно-элементный пакет, изменение размеров элементов разбиения, компенсирование утраченного в разбиении объёма, сглаживание формы модели и др. Это позволяет уменьшить вероятность возникновения сложностей при импортировании трёхмерной геометрии в конечно-элементный пакет, улучшить качество расчёта и уменьшить время анализа.

На втором шаге при построении биомеханикоматематической трёхмерной модели нами был использован модуль Mimics FEA Module, который позволяет

преобразовывать визуальную модель в рабочий материал для конечно-элементных пакетов. На данном этапе контролируется размер элементов модели, их качество и пригодность для конечно-элементного анализа.

Mimics связывает упорядоченные снимки, создавая, тем самым, визуальную модель ранее сканируемого объекта. На этапе обработки изображения нами строились модели, представляющие собой набор поверхностей (рис. 2).

Поскольку геометрия модели определяется набором плоскостей, из которых она состоит, то для оптимизации расчета в конечно-элементном пакете поверхность модели нами переразбивалась на треугольники, как показано на рис. 2, так, чтобы максимальная длина стороны треугольника составляла 3 мм. При этом значение максимальной геометрической ошибки (максимально допустимое значение отклонения поверхностей модели до и после применения функции переразбие-ния) выставлялось на 0,3.

Следующий этап моделирования включает в себя автоматизированную оценку распределения плотности костной ткани на томограмме и перенос данных на вычислительную сетку. Так как материал кости не является однородным, то данное распределение позволяет передать модели различные свойства материала. При этом элементам передаются свойства в зависимости от плотности локации, в которой они находятся (рис. 3).

Нами были построены 24 биомеханико-математи-ческие трехмерные модели бедренной кости человека. Планируется постоянное пополнение базы данных компьютерных моделей, которая позволит врачам-травматологам в последующем иметь полное представление о прочностных характеристиках поврежденного костного сегмента пациента. Это, в свою очередь, способствует верному выбору металлофиксатора при планировании хирургического вмешательства, что позволит существенно снизить сроки лечения пациентов и повысить качество их жизни.

ЛИТЕРАТУРА

1. Симбирцев С., Стрельченя В., Лойт А., Трунин Е., Лебедев А., Кулаков А. Трехмерное моделирование строения человека и оперативных вмешательств с помощью системы DUCT5 // САПР и графика. 2000. № 3.

2. Caon M., Mohyla J. Automating the segmentation of medical images for the production of voxel tomographic computational models // Australas Phys. Eng. Set Med. 2001. № 24. P. 166-172.

3. Jing Quin1, Yim-Pan Chui, Simon Sze-Ming Ho, Wai-Sang Poon, Pheng Ann Hengel PPU-friendly Biomechanical models for Virtual Medicine // The International Journal of Virtual Reality. 2009. V. 8 (1). Р. 17-26.

Рис. 3. Распределение зон прочностных характеристик костной ткани

1509

4. Nagaoka T., Watanabe S., Sakurai K. et al. Devalopment of realistic high resolution whole-body voxel models of Japanese adult male and female of average heit and weight, and application of models to radiofrequency electromagnetic-field dosimetry // Phys. Med. Biol. 2004. № 49. Р. 1-15.

5. Няшин Ю.И., Подгаец Р.М., Тютюнщикова В.Д. и др. Экспериментальные методы в биомеханике: учеб. пособие / под ред. Ю.И. Няшин, Р.М. Погодаец. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. 400 с.

6. Рабухина Н.А., Голубева Т.И., Перфильев С.А. Об использовании компьютерной реконструкции изображения при некоторых патологических изменениях челюстно-лицевой области // Вестник рентгенологии и радиологии. 2002. № 3. С. 51-53.

7. Аврунин А.С., Демеш О.В., Касумова М.К. Перспективы и возможности цифровой обработки изображений в медицине // Травматология и ортопедия России. 1996. № 3. С. 83-85.

8. Bathe K.-J. Finite element procedures. USA: Prentice Hall, Pearson education. Inc., 2006. 1037 p.

Поступила в редакцию 30 августа 2010 г.

Yamshchikov O.N., Markov D.A., Abdulnasyrov R.K., Afanasyev D.V., Nenashev A.A. Computer modelling in presurgical preparing during treatment of patients with femur fractures

In this article the possibility of femur computer modeling making within presurgical planning with aim of next virtual surgical treatment is discussed.

Key words: computer model; finite elements method; femur.

1510