CC BY
70
УДК 616.716.1-001-07
Е.С. ГРиГоРьКиНА, А.В. КУЗЬМИН, С.В. СЕРГЕЕВ
Пензенский государственный университет, 440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40
Компьютерное 3D-моделирование травмирующего воздействия на верхнюю челюсть
Григорькина Евгения Сергеевна — ассистент курса оториноларингологии кафедры челюстно-лицевой хирургии, тел. (8412) 32-21-77, e-mail: grigorkina87@gmail.com
Кузьмин Андрей Викторович — кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-вычислительных систем, тел. (8412) 36-82-38, e-mail: flickerlight@inbox.ru
Сергеев Сергей Владимирович — доктор медицинских наук, профессор кафедры челюстно-лицевой хирургии, заведующий курсом оториноларингологии, тел. (8412) 32-21-77, e-mail: sergeylor@gmail.com
В статье представлены результаты исследования воздействия травмирующей нагрузки величиной 50 и 200 кг на переднюю стенку верхнечелюстной пазухи. Для этого на основании данных СКТ была построена 3D-модель синуса. Методом конечных элементов моделировалась реакция костной ткани на нагрузку. Изменения оценивались по модулю и площади напряжений и перемещений. Дана характеристика величине, распространенности и обратимости деформаций в зависимости от степени воздействия, определены зоны разрушения и зоны риска для каждого из выбранных вариантов нагрузки. Рассмотрены вопросы зависимости величины напряжений и перемещений от нарастания травмирующей силы: при нагрузке 50 кг костная ткань передней стенки верхнечелюстной пазухи вокруг области дефекта не теряет своих пластических свойств, изменения в ней носят обратимый характер. При нагрузке 200 кг формируются участки необратимых изменений кости, что может проявляться ее разрушением и образованием трещин.
Ключевые слова: верхнечелюстная пазуха, 3D-модель, метод конечных элементов, травма.
E.S. GRIGORKINA, A.V. KUZMIN, S.V. SERGEEV
Penza State University, 40 Krasnaya St., Penza, Russian Federation, 440026
Computer 3D-modeling of traumatic impact on the upper jaw
Grigorkina E.S. — Assistant of the course of otorhinolaryngology of the Department of Maxillofacial Surgery, tel. (8412) 32-21-77, e-mail: grigorkina87@gmail.com
Kuzmin A.V. — Cand. Tech. Sc., Associate Professor of the Department of information and computation systems, tel. (8412) 36-82-38, e-mail: flickerlight@inbox.ru
Sergeev S.V. — D. Med. Sc., Professor of the Department of Maxillofacial Surgery, Head of the Course of Otolaryngology, tel. (8412) 32-21-77, e-mail: sergeylor@gmail.com
The research results of the damaging effect of the load, equivalent to 50 and 200 kg, on the frontal wall of maxillary sinus are presented. According to this goal, 3D-model of maxillary sinus was built using SCT-data. Finite element method (FEM) was used to simulate the reaction of bone tissue to burden. Two parameters characterized the reaction: value and square of stress and displacement. Characteristic of strain value, area and reversibility depending on the load degree is given. Areas of destruction and areas of risk for each variant of load are defined. The relation of the load degree and it's effect are obtained: with the load equivalent to 50 kg bone tissue of the anterior wall of maxillary sinus around the area of the defect does not lose its plastic properties, any changes are reversible. The load equivalent to 200 kg results in such irreversible changes of bone which cause destruction and cracks. Key words: maxillary sinus, 3D-model, finite element method, trauma.
Травма челюстно-лицевой области — одно из наиболее распространенных повреждений, удельный вес которых среди всех травм составляет 3,2-8%, при этом травмы средней зоны лица составляют до 53,5% всех повреждений лицевого скелета. Учитывая ежегодный рост числа подобных травм, пробле-
ма их диагностики и лечения является весьма актуальной для практического здравоохранения [1, 2].
Точность диагностики до и в процессе хирургического лечения значительно повышается за счет методов лучевой диагностики [3]. Трехмерная реконструкция и моделирование на основе медицин-
'2 (87) июнь 2015 г. / Том 2
ПРАКТИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА ^ 77
ских изображений (DICOM) играют ключевую роль в планировании хирургического лечения травм и посттравматических деформаций средней зоны лица [3-6]. Компьютерное моделирование позволяет изучать особенности строения анатомической зоны интереса, при необходимости воссоздавать ее недостающие фрагменты с использованием математической КТ-модели [3, 5, 7, 8]. Кроме того, значительное развитие получили технологии моделирования воздействия нагрузок на биологические ткани, нашедшие наиболее широкое применение в дентальной имплантологии и челюстно-лицевой хирургии [7]. Существующее программное обеспечение (например, SolidWorks, США) позволяет исследовать реакцию костной ткани на воздействие заданной нагрузки [7]. Изучение воздействия травмирующей силы на стенки верхнечелюстной пазухи (ВЧП) позволит получить четкое представление о выраженности и распространенности изменений, возникающих в костной ткани. Изучение воздействия травмирующей нагрузки на стенки верхнечелюстной пазухи (ВЧП) методом конечных элементов позволит получить четкое представление о выраженности и распространенности изменений, возникающих в костной ткани.
Цель исследования — смоделировать и изучить влияние травмирующей нагрузки на переднюю стенку верхнечелюстной пазухи.
Материалы и методы
Для изучения реакции костной стенки ВЧП на травмирующее воздействие были использованы данные спиральной компьютерной томографии СКТ околоносовых пазух пациента Б. 25 лет (архив ГКБСМП им. Г.А. Захарьина): СКТ с нормальным строением костных структур носа и околоносовых пазух, без признаков их повреждения и хронического воспаления.
Для построения трехмерной модели ВЧП выбирались срезы, содержащие изображение ВЧП, с шагом 2,5 мм. С помощью приложения Rhino (св-во № 2014610074 от 09.01.2014) определялся геометрический центр каждой пазухи, из которого через каждые 10о строились лучи (всего 18). Определялись координаты точек пересечения каждого луча с внутренним и наружным контуром стенок верхнечелюстной пазухи. Таким образом, создавалась 3D-модель, на основании которой в программе SolidWorks 2012 строилась конечно-элементная модель (FEM). Моделировалось воздействие нагрузки 50 и 200 кг на переднюю стенку верхнечелюстной пазухи, что считалось эквивалентным воздействию хирургическим долотом и тупым предметом небольшой площади поперечного сечения (например, нападение, травма при строительных работах) соответственно.
Результаты и обсуждение
Результаты моделирования воздействия заданной нагрузки представлены в табл. 1.
Рисунок 1. 3D-модель верхнечелюстной пазухи пациента Б. 25 лет, демонстрирующая напряжения, развивающиеся в передней стенке под воздействием нагрузки: А — 200 кг, Б — 50 кг (оценка по цветовой шкале справа)
А ' " Б ^
Рисунок 2. 3D-модель верхнечелюстной пазухи пациента Б. 25 лет, демонстрирующая перемещения, развивающиеся в передней стенке под воздействием нагрузки: А — 200 кг, Б — 50 кг (оценка по цветовой шкале справа, мм)
А Б
Нагрузка 200 кг создает в кости напряжение, превышающее заданный возрастной предел текучести 118,4 Н/мм2 [9], т.е. порог, после которого изменения ткани становятся необратимыми. При нагрузке 50 кг превышения предела текучести не происходит.
Рис. 1 демонстрирует распространенность возникающего напряжения и его значения. Красным обозначен участок максимального напряжения, соответствующий месту приложения нагрузки и формирования дефекта передней стенки ВЧП. В обоих случаях напряжения имеют одинаковую распространенность при разном численном значении. Сопоставляя значения и данные рисунка, можно заключить, что при увеличении нагрузки надпорого-вые напряжения развиваются в верхне-медиальном направлении от точки приложения силы. В то же время значительно большее напряжение, чем при умеренной нагрузке, развивается в нижне-лате-ральном направлении от участка повреждения, что свидетельствует о возможности микроструктурных обратимых изменений в кости данной области.
Анализируя цветовой градиент и величину перемещений (рис. 2), можно отметить, что при повышении нагрузки до 200 кг площадь распространения перемещения не увеличивается при растущем значении показателя. Нагрузка 200 кг провоцирует
Таблица 1.
Результаты моделирования НДС
Нагрузка, кг Максимальное напряжение, Мпа/Н/мм2 Максимальное перемещение, мм
50 35,52 0,06
200 142,85 0,23
значительное перемещение в верхне-медиальном направлении от места воздействия, т.е. в данной области происходит существенное растяжение костной ткани.
Таким образом, для лиц молодого возраста для заданных нагрузок отмечена прямо пропорциональная зависимость напряжения и перемещений от силы воздействия. Нагрузка 200 кг вызывает необратимые изменения костной ткани (ее разрушение) как в месте непосредственного воздействия, так и в верхне-медиальном направлении от него. Это может проявляться переломами и микротрещинами передней стенки ВЧП. В нижне-латеральном направлении от места приложения силы костная ткань подвергается выраженным, близким к пороговым, но обратимым изменениям, т.е. является зоной риска.
Анализируя подобным образом данные для нагрузки 50 кг, можно заключить, что развивающееся напряжение в исследуемой зоне не приводит к макроструктурным изменениям костной ткани. В данном случае возникает значительно меньшее перемещение, что в совокупности может рассматриваться как признаки сохранения целостности кости вокруг области дефекта.
Полученные данные могут быть использованы как в практической работе для более точной оценки повреждений костной ткани по данным лучевых методов исследования, а также для создания виртуальных симуляторов в образовательных целях [10].
Таким образом, применение компьютерного трех-
ЛИТЕРАТУРА
1. Левенец А.А., Горбач Н.А., Фокас Н.Н. Челюстно-лице-вой травматизм как социальная, экономическая и медицинская проблема // Сибирское медицинское обозрение. — 2013. — №2. - С. 13-18.
2. Повертовски Г. Лобно-лицевые травмы. — M.: Рипол Классик, 2013. — 220 с.
3. Аврунин А.С. Адаптационная модель потери губчатой кости при старении / А.С. Аврунин, Р.М. Тихилов, И.И. Шубняков [и др.] // Гений ортопедии. — 2007. — №1. — С. 100-111.
4. Жук Д.Н., Перфильев С.А. CAS системы — системы автоматизированного проектирования в хирургии // Наука образование. Электронный журнал. — 2011. — №3. — Режим доступа: http:// technomag.edu.ru/doc/168885.html
5. Щаденко С.В. 3D-визуализация для планирования операций и выполнения хирургического вмешательства (CAS-технологии) / С.В. Щаденко, А.С. Горбачева, А.Р. Арсланова, И.В. Толмачев // Бюллетень сибирской медицины. — 2014. — Т. 13, №4. — С. 165-171.
6. Сергеев С.В. Методика создания трехмерных моделей полостей околоносовых пазух на примере верхнечелюстной пазухи
мерного моделирования с использованием метода конечных элементов позволило изучить реакцию костной ткани на травмирующую нагрузку различной величины. Выявлены зоны разрушения и зоны риска. Дальнейшее исследование вопроса предполагает изучение кривой зависимости напряжений и перемещений от возрастающей нагрузки, т.к. для биологических тканей с учетом их эластичности эта зависимость может иметь нелинейный характер [11].
Выводы
1. Метод 30-моделирования с использованием конечных элементов позволяет изучать реакцию костной ткани на травму.
2. При повышении нагрузки на переднюю стенку верхнечелюстной пазухи до 200 кг включительно происходит прямо пропорциональное увеличение развивающихся напряжений и перемещений.
3. Травмирующее воздействие в область клыковой ямки, эквивалентное 200 кг, вызывает необратимые изменения кости (разрушение, образование трещин) как в зоне воздействия, так и в верхнемедиальном направлении от нее. Область, расположенная ниже и латеральнее места повреждения, является зоной риска, так как развивающиеся напряжения и деформации близки к пороговым.
4. Нагрузка 50 кг на переднюю стенку верхнечелюстной пазухи не нарушает пластичности костной ткани, т.е. не приводит к ее разрушению, поэтому может считаться допустимой при оперативных вмешательствах.
и ее практическое применение / С.В. Сергеев, Е.С. Григорькина, С.Д. Зиновьев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. — 2013. — №4. — С. 44-52.
7. Ishak M.I. Finite element analysis of different surgical approaches in various occlusal loading locations for zygomatic implant placement for the treatment of atrophic maxillae / M.I. Ishak [et al.] // Int J Oral Maxillofac Surg. — 2012. — Vol. 41(9). — P. 1077-1089.
8. Григорькина Е.С., Сергеев С.В., Кузьмин А.В. Математическая модель возрастных параметров хирургической анатомии верхнечелюстной пазухи // Российская оториноларингология. — 2013. — №6. — С. 114-118.
9. Громов А.П. Биомеханика травмы (повреждения головы, позвоночника и грудной клетки). — М.: Медицина, 1979. — 275 с.
10. Кузьмин А.В. Алгоритмы определения видимости объектов сцены при симуляционном обучении базовым навыкам лапароскопии / А.В. Кузьмин, М.Г. Милюткин, А.С. Черепанов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2013. — №3. — С. 40-51.
11. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и ре-гуляторные механизмы оптимальной биомеханики. — Томск: STT. — 2001. — 480 с.
