CC BY
6УДК 004.942
Павлова Я.Р.
студент кафедры картографии и геоинформатики Сибирский государственный университет геосистем и технологий
(Россия, г. Новосибирск)
Гриф А.М.
аспирант кафедры прикладной математики Новосибирский государственный технический университет (Россия, г. Новосибирск)
РАЗРАБОТКА НАУКОЕМКОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПЛАНТАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ
Аннотация: в работе приводится описание технологии для проектирования имплантатов черепа. Данная технология реализована в наукоемком программном обеспечении в виде системы взаимосвязанных модулей. Интерфейс пользователя был адаптирован под компетенции врачей, что позволило уменьшить время на проектирование одной модели имплантата.
Ключевые слова: Нейрохирургия, краниопластика, СЛБ-технология, титановые имплантаты, 3Б-печать.
Введение. По данным Всемирной организации здоровья ежегодно в мире от черепно-мозговой травмы (ЧМТ) погибают порядка 1.5 миллиона человек, а 2.4 миллиона становятся инвалидами. В России ЧМТ ежегодно получают около 700 тыс. человек, 50 тыс. из них погибают, а еще 50 тыс. становятся официальными инвалидами. Также существует особая категория пациентов с нейроонкологией, у которых при определенном методе лечения требуется проведение краниотомии.
В рабате приводится описание разработанной программной системы, с помощью которой врач-нейрохирург может планировать операции с использованием индивидуальных титановых имплантатов.
Методы и материалы. Предлагаемая в работе технология реализована в программном обеспечении и состоит из четырех этапов.
1. Первично формируется цифровая BD-модель черепа пациента. Для этого из серии снимков, выполненных в лечебном учреждении с использованием томографа, выполняется реконструкция для участков, соответствующих плотности костной ткани человека. Для этого применяется алгоритм «Marching Cubes» для значения плотности, равной +500 Hu по т.н. шкале Хаунсфилда. Далее эта модель преобразуется в полигональную, удобную для просмотра и анализа в различных трехмерных графических системах.
2. Для создания геометрии имплантата по модели черепа пациента используется функционал сглаживающих сплайнов, чтобы достичь конфигурацию имплантата близкую к геометрии черепа пациента. Для этого по набору выставленных характерных точек формируется B-spline, при чем для сглаживания граничных точек используется B-curve. У пользователя системы есть возможность двигать опорные точки сплайна в плоскости. В функционале системы предусмотрена возможность создания отверстий необходимого диаметра на границе имплантата. С помощью этих отверстий имплантат крепится к черепу пациента посредством специальных шурупов.
3. Третьим этапом является оптимизация толщины создаваемого имплантата и перфорационных отверстий. С помощью этой оптимизации возможно уменьшить вес конструкции и, как следствие, стоимость готовой продукции. Данная оптимизация производится на основе решения задачи условной оптимизации с ограничением на допустимую прочность получаемого имплантата. Для определения упругостных характеристик задается система уравнений теории упругости относительно трех неизвестных полей перемещений, напряжений и смещений, включая соотношения Коши, закон Гука
и соотношения Навье. Данная система решается с помощью программного пакета вычислительной математики с использованием метода конечных элементов.
4. Изготовление имплантата. Оптимизированная модель имплантата сохраняется в общий формат ЭЭ-принтеров и может быть напечатана в центре прототипирования на титановом 3D-принтере.
В качестве языка программирования был выбран язык С#, интерфейсная часть реализована с применением технологии WPF. На рисунке 1 представлен процесс создания индивидуального имплантата в разработанном ПК для пациента с черепно-мозговой травмой.
Рисунок 1. Процесс создания имплантата для пациента с ЧМТ.
Выводы. Предложенная в данной работе технология была реализована в виде программного обеспечения, состоящего из четырех модулей. Программная реализация CAD технологии позволяет врачам-нейрохирургам в кратчайшие сроки сформировать конфигурацию имплантатов.
Было проведено тестирование разработанного ПО врачами-нейрохирургами «ННИИТО им И.Я. Цивьяна» (г. Новосибирск). Было установлено, что создаваемые модели имплантатов хорошо повторяют форму лицевого и мозгового отделов черепа. Интерфейс пользователя был адаптирован под
компетенции врачей, что позволило уменьшить время на проектирование одной модели имплантата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Гриф А.М. Технология формирования конфигурации индивидуальных имплантатов для проведения реконструктивных нейрохирургических операций / Гриф А.М., Мишинов С.В. // Сборник материалов IX всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Цивьяновские чтения», 25-26 ноября 2016. - Новосибирск. Grif A. M. Planning technology for neurosurgical procedures by using a software platform to create an optimal configuration of customized titanium implants / A. M. Grif, M. G. Grif // Proceedings international multi-conference on engineering, computer and information sciences (SIBIRCON), Novosibirsk, Akademgorodok, 1822 Sept. 2017. - Novosibirsk : IEEE, 2017. - P. 544-549.
Лихтерман Л.Б. Черепно-мозговая травма. Диагностика и лечение - М.: Гэотар-Медиа, 2014. - 488 c.
Еолчиян С.А. Пластика сложных дефектов черепа имплантатами из титана и полиэтерэтеркетона (РЕЕК), изготовленными по CAD/CAM технологиям // Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2014;78(4): 3-13.
