Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования биомеханических объектов «кость-эндопротез»

Актуальность исследования.

На современном этапе развития САПР актуальной становится задача разработки новых проблемно-ориентированных систем автоматизированного проектирования сложных объектов заданного целевого назначения, в частности биомеханических объектов (средств коррекции и замещения функций органов и систем, относящихся к этой группе протезно-ортопедических изделий, часть из которых, а именно фиксаторы и эндопротезы, используется для лечения переломов). Деструктивно-дистрофические заболевания суставов получили широкое распространение. Например, в Санкт-Петербурге частота заболеваний крупных суставов составляет 353,3 случая на 10 000 жителей [1]. Остро стоит проблема улучшения условий сращивания отломов при хирургическом лечении переломов [2], увеличения срока службы эндопротеза, разработки методики контролируемой реабилитации кости после операций и травмы.

Операция эндопротезирования позволяет лечить тяжёлые заболевания тазобедренного сустава (дегенеративно-дистрофические заболевания, артриты, переломы шейки бедренной кости и др.) на поздних стадиях развития, а также при наличии анатомических изменений сустава (дисплазия, врожденные вывихи тазобедренных суставов и др.) [3]. Несмотря на более чем полувековую практику применения эндопротезов, их конструкции до сегодняшнего дня имеют ряд недостатков, которые уменьшают их эксплуатационный срок, а иногда служат причиной осложнений (расшатывание ножки эндопротеза, перипротезные переломы и др.). Дальнейшее улучшение результатов операций эндопротезирвоания требует решения двух взаимосвязанных задач: разработка новых конструкций эндопротезов, адаптированных для работы в составе биомеханического объекта «кость-эндопротез» и разработка инструментария медика-пользователя биомеханических САПР, позволяющего ему подобрать оптимальный эндопротез для конкретного пациента.

В последние годы появились отечественные биомеханические программные комплексы (БПК), позволяющие решать частные задачи в сфере медицинской биомеханики [4], на основе использования зарубежных многофункциональных машиностроительных САПР, программных и графических систем, таких как: Unigraphics, CATIA, Ansys, Mimics, AnyBody и др. [5, 6, 7, 8]. Однако следует признать, что БПК не решают задачу сквозного проектирования биомеханических объектов и не содержат развитых инструментальных средств для различных групп пользователей:

• медиков-ортопедов (система должна оперативно приспосабливаться к уровню их квалификации и иметь гибкий интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога);

• администраторов САПР, сопровождающих систему в клинике (система должна быть развиваемой в функциональном направлении и иметь открытый инструментальный аппарат для подключения новых биомеханических инструментов и новых моделей биомеханических объектов). Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии имени P.P. Вредена (РНИИТО им. P.P. Вредена) и Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета (СПбГПМУ). Исследования проводились в 2006;2013 годах в соответствии с приоритетным направлением развития науки и технологии в РФ «Науки о жизни» (указ президента РФ № 810) и в рамках программы стратегического развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по разработке приоритетной научно-образовательной платформы «Биомедицинские технологии».

С учетом сказанного, разработка системы автоматизированного проектирования биомеханических объектов «кость-эндопротез» является актуальной задачей, имеющей большое теоретическое, практическое и социально-экономическое значение.

Цель работы и основные задачи исследования.

Настоящая диссертация посвящена исследованию методов построения САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез» и разработке на основе этого исследования математического, информационного и программного обеспечений САПР Вопе1тр1ап1.

Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать и разработать открытую архитектуру САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез», отличающуюся возможностью гибкого конфигурирования отдельных инструментов проектирования.

2. Выполнить исследование методов визуализации биомеханических объектов, алгоритмов манипуляции биомеханическими объектами на сцене и разработать на их основе подсистему визуализации биомеханических объектов.

3. Выполнить исследование алгоритмов триангуляции, а также алгоритмов проведения булевых операций над трехмерными геометрическими телами и разработать на их основе подсистему твердотельного моделирования.

4. Исследовать методы импорта томограммы, а также методы построения трехмерной модели кортикальной и трабекулярной костной ткани и разработать на их основе подсистему моделирования кости.

5. Исследовать известные эндопротезы, способы их фиксации в костной ткани, методы построения трехмерной модели эндопротеза и разработать на основе результатов этого исследования подсистему моделирования эндопротеза.

6. Провести исследование методов моделирования адаптационных изменений структуры и механических свойств кортикальной и трабекулярной костной ткани и разработать на основе результатов этого исследования подсистему моделирования адаптационных изменений биомеханического объекта «кость-эндопротез».

7. Исследовать влияние параметров эндопротеза на адаптационные изменения структуры и механические свойства костной ткани после операции эндопротезирования и разработать на основе проведенного исследования подсистему анализа и оптимизации параметров эндопротеза с целью улучшения его характеристик.

8. Исследовать механизмы хранения в базе данных объектов, участвующих в процессе проектирования, а именно: томограмм, данных о пациенте, моделей костных тканей, моделей эндопротезов, моделей биомеханических объектов «кость-эндопротез», результатов моделирования адаптационных изменений костной ткани, результатов оптимизации параметров эндопротеза. Разработать на основе проведенного исследования подсистему информационного обеспечения.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались основы общей теории САПР, методы оптимизации, методы решения задач механики деформируемого твердого тела, методы организации информационного и программного обеспечений.

Новые научные результаты 1. Впервые разработана архитектура САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез», отличающаяся от известных систем наличием общесистемной биомеханической части, обеспечивающей возможность развития и адаптации САПР к новым биомеханическим объектам, а также гибкую настройку инструментов биомеханического проектирования.

2. Исследованы и разработаны оригинальные методы визуализации биомеханических объектов и манипуляции биомеханическими объектами на сцене, обеспечивающие высокую скорость работы с большими геометрическими объектами.

3. Разработаны оригинальные методы и алгоритмы построения трехмерных моделей костных тканей по снимкам томограммы, а также методы и алгоритмы построения модели эндопротеза.

4. Разработана модель биомеханического объекта «кость-эндопротез», учитывающая особенности фиксации эндопротеза в кости и позволяющая оптимизировать параметры эндопротеза с целью улучшения его характеристик.

5. Разработана биомеханическая модель адаптационных изменений структуры и свойств кортикальной и трабекулярной костной ткани, отслеживающая адаптационные изменения структуры и свойств костной ткани под действием нагрузок.

6. Разработан метод подбора оптимального эндопротеза для конкретного пациента, позволяющий учитывать особенности строения тазобедренного сустава и биомеханические характеристики пациента. Достоверность научных результатов подтверждается корректностью применяемого математического аппарата и практикой использования САПР Вопе1тр1ап1 в педагогической и практической деятельности кафедры «Госпитальной хирургии с курсами травматологии и военно-полевой хирургии (ВПХ)» СПбГПМУ и в учебном процессе кафедры «Системы автоматизированного проектирования» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в курсе «Методы оптимизации».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Архитектура САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез».

2. Общесистемная и объектно-ориентированная части САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез».

3. Методы построения подсистемы визуализации.

4. Модель биомеханического объекта «кость-эндопротез».

5. Биомеханическая модель адаптационных изменений Практическая ценность.

Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Система Bonelmplant позволяет проектировать эндопротезы тазобедренных суставов и определять их влияние на биомеханический объект «кость-эндопротез» под действием нагрузок, соответствующих анатомическим характеристикам тазобедренного сустава. Полученные результаты позволяют оценивать пригодность эндопротеза для лечения реального пациента.

2. Система Bonelmplant может быть использована в составе других систем проектирования для оценки биомеханической совместимости проектируемых конструкций.

3. Интерфейс системы, ориентированный на врача, позволяет использовать ее в широкой врачебной практике с целью подбора оптимального эндопротеза для конкретного пациента.

4. Информационное обеспечение системы позволяет использовать накопленные результаты исследования биомеханических объектов в других системах.

5. Зарегистрированные Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программы перспективны для применения в биомеханических САПР различного назначения. Реализация и внедрение результатов.

Система реализована на базе программной платформы .Net Framework 4.5 с использованием языка программирования С#. В качестве источника данных выступает легковесная встраиваемая реляционная база данных SQLite.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в ряде госбюджетных НИР, проводимых по тематическому плану СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2008;2013 гг.: по теме «Разработка теоретических основ модельного проектирования на основе парадигмы виртуальности» (шифр САПР-45, 2009;2010 гг.) — по теме «Разработка моделей и методов анализа и синтеза интеллектуальных систем поддержки принятия решений для управления сложными распределенными объектами» (шифр САПР-47 тем. плана СПбГЭТУ 2011 г.) — по теме «Математико-логические основы построения сред виртуальных инструментов» (шифр САПР-49 тем. плана СПбГЭТУ 2012;2014 г.) — по теме «Разработка алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения гибридной облачной среды для образовательного процесса» (шифр ФИМЦ-1тем. плана СПбГЭТУ 2012;2014 г.).

Результаты работы внедрены в инженерную и учебную практику на двух кафедрах СПбГЭТУ «ЛЭТИ» кафедре «Системы автоматизированного проектирования» для подготовки магистров и бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника» и кафедре «Прикладной механики и инженерной графики». Результаты работы используются в педагогической и практической деятельности кафедры «Госпитальной хирургии с курсами травматологии и ВПХ» СПбГПМУ и внедрены в медицинскую практику РНИИТО им. P.P. Вредена, что подтверждается тремя актами о внедрении.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XIV международной конференции «Современное образование: содержание, технологии, качество» (г. Санкт-Петербург) — XI международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2007, SCM 2008) (г. Санкт-Петербург) — X всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика 2010» (г. Саратов) — II межрегиональной научно-методической конференции: «Инновационные технологии в образовательной деятельности» (г. Санкт-Петербург) — 60, 61, 62 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (г. Санкт-Петербург) — VIII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭ-МЭ'2012 (г. Владимир — Суздаль).

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 4 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, зарегистрированной в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 9 работ в других изданиях и материалах конференций.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 72 наименования. Работа содержит 156 страницы машинописного текста, в том числе 144 страницы основного текста, 55 рисунков и 7 таблиц.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана архитектура САПР биомеханических объектов «кость-эндопротез», позволяющая учитывать эффективность работы эндопроте-за в составе биомеханического объекта «кость-эндопротез» и ориентированная на применение системы во врачебной практике.

2. Исследованы и разработаны методы визуализации биомеханических объектов и манипуляции над биомеханическими объектами на сцене, отличающиеся высокой скоростью работы с большими геометрическими объектами. На основе полученных результатов реализована подсистема визуализации.

3. Разработаны оригинальные методы и алгоритмы построения модели кости по снимкам томограммы, а также методы и алгоритмы построения модели эндопротеза. На основе полученных результатов реализована подсистема моделирования кости [71], подсистема моделирования эндопротеза и подсистема твердотельного моделирования.

4. Разработана математическая модель биомеханического объекта «кость-эндопротез» позволяющая проводить оптимизацию параметров эндопротеза. На основе полученных результатов реализована подсистема адаптационного анализа биомеханического объекта [72] и подсистема анализа и оптимизации параметров эндопротеза [73].

5. Разработана реляционная схема данных, отражающая объекты системы, сохраняемые в базе данных. На основе проведенных исследований реализована подсистема информационного обеспечения.

6. САПР Вопе1тр1аЩ получила практическое применение в инженерной и учебной практике на двух кафедрах СПбГЭТУ «ЛЭТИ» кафедре «Системы автоматизированного проектирования» для подготовки магистров и бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника» и кафедре «Прикладной механики и инженерной графики». Результаты работы используются в педагогической и практической деятельности кафедры «Госпитальной хирургии с курсами травматологии и ВПХ» СПбГПМУ и внедрены в медицинскую практику РНИИТО им. P.P. Вре-дена, что подтверждается четырьмя актами о внедрении.

Предложенные объектно-ориентированные инструменты проектирования позволяют сократить время создания биомеханического объекта с нескольких дней до нескольких часов. Разработанное программное обеспечение отличается открытостью и адаптационными свойствами, гарантирующими возможность дальнейшего развития САПР Bonelmplant. Сущность предложенной организации САПР такова, что возможна независимая модификация подсистем, направленная на улучшение их характеристик, и расширение имеющегося инструментария пользователя. Кроме этого имеется возможность расширения имеющегося набора подсистем с целью адаптации САПР Bonelmplant к новым биомеханическим объектам.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. XIV международная конференция «Современное образование: содержание, технологии, качертво». — СПб.

2. XI международная конференция по мягким вычислениям и измерениямСПб.

3. Всероссийская конференция по биомеханике «Биомеханика 2010» — Саратов.

4. II межрегиональная научно-методическая конференция: «Инновационные технологии в образовательной деятельности» — СПб.

5. 61 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ.

6. VIII международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» г. Владимир — Суздаль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.