Автоматизация процедур проектирования биомеханической системы «аппарат — конечность» для проведения операций в ортопедии

Проектирование индивидуализированной реализации биомеханической системы это процесс составления описания функций системы, определение динамических схем функционирования системы, определение компонентов, их геометрических характеристик и конечного состава элементов биомеханической системы, результатом которого является реализация биомеханической системы, отвечающая заданным требованиям. Проектирование представляет собой трудоемкий процесс, требующий от пользователя глубокого знания предметной области и навыков в проектировании. В связи с этим, весьма актуальна задача модификации процедур проектирования таким образом, что бы процесс проектирования индивидуализированных реализаций биомеханических систем стал более доступным.

В настоящее время проектирование биомеханической системы включает проведение биомеханического анализа, разработку математической модели системы, определение динамических схем функционирования системы, выбор элементов системы и компоновку индивидуализированной реализации. Необходимо учитывать что качество выполнения отдельных этапов процесса существенно зависит от применяемого инструментария, технологии и опыта специалиста выполняющего работы. Большинство работ в области САПР направлены на создание и модификацию инструментария для автоматизации процесса проектирования технических систем с известными параметрами. Значительный вклад в развитие САПР внесли В. И. Аверченков, И. П. Норенков, А. В. Андрейчиков, В. А. Камаев, В. М. Курейчик, И. Ю. Петрова, А. И. Половинкин, А. В. Петрухин и др. В области изучения методов исследования и анализа биомеханических систем выделяются работы Н. А. Бернштейна, М. Е. Маршака, Р. Александера, Д. Д. Донского и др.

Наиболее известные из коммерческих программных продуктов предназначены для проведения биомеханического анализа, анализа биологических параметров тканей и расчета базовых параметров биомеханической системы. Некоторые из них позволяют компоновать биомеханическую систему на основе геометрических и физических параметрах проектируемой системы. При этом задача комплексного проектирования индивидуализированной реализации биомеханической системы не решается. Это связано с необычайной сложностью проблемы расчета физико-биологических и геометрических параметров системы, для решения которой необходимо автоматизировать процесс биомеханического анализа системы.

Таким образом, задача автоматизации процедур проектирования индивидуализированной реализации биомеханических систем «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии является актуальной.

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектирования биомеханических систем за счет автоматизации процесса расчета параметров создаваемой системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ процесса проектирования биомеханических систем.

2. Разработать математическую модель, учитывающую индивидуальные особенности состояния биологических тканей пациента.

3. Разработать методику построения трехмерной модели, позволяющую отображать индивидуальные особенности строения тканей пациента.

4. Разработать методику планирования результатов и расчета параметров операции на основе математической модели.

5. Разработать алгоритмическое обеспечение средств автоматизации процедур проектирования элементов биомеханической системы «аппарат-конечность».

6. Реализовать разработанные алгоритмы и методики в виде автоматизированной системы, обеспечивающей проектирование биомеханической системы.

7. Провести проверку работоспособности и эффективности разработанного программного обеспечения.

Объектом исследования является биомеханическая система «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии.

Предметом исследования является процесс проектирования биомеханических систем «аппарат-конечность».

Методы исследования. При разработке методики проектирования биомеханических систем использовались методы системного анализа, математического моделирования, компьютерной графики и технологии программирования. При проектировании автоматизированной системы использованы современные методики построения программных систем.

Научная новизна состоит в следующем: В данном исследовании разработана методика автоматизации процедур проектирования биомеханических систем на примере систем «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии, основанная на создании индивидуальной модели пациентов, позволяющей учитывать особенности физиологического строения человека:

1. Разработана модель представления индивидуальных особенностей физиологического строения тканей пациента в виде воксельной модели, с использованием характеристического вектора для описания совокупности параметров тканей.

2. Предложена методика визуализации воксельной модели, позволяющая получить трехмерную поверхностную модель, отражающую особенности геометрического строения тканей пациента.

3. Разработана методика формирования структуры системы «аппарат-конечность» на основе предполагаемых результатов лечения, с учетом физиологических особенностей строения участков тканей пациента.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель представления данных, позволяющая учитывать индивидуальные физиологические особенности строения тканей пациента.

2. Методика визуализации математической модели участков тканей пациента.

3. Методика проектирования технической составляющей биомеханических систем «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии.

4. Алгоритмическое обеспечение, архитектура и реализация программного обеспечения, позволяющего проектировать индивидуализированную реализацию биомеханических систем для операций в ортопедии.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанная методика проектирования биомеханических систем позволяет упростить процесс создания индивидуализированных реализаций систем, применяемых в ортопедии.

2. Разработанные методики могут применяться для автоматизации процедур проектирования биомеханических систем с другим функциональным назначением.

3. В результате разработки и внедрения предлагаемой методики повышается качество проектирования БМС за счет учета особенностей строения биологических составляющих БМС, автоматизации процесса расчета параметров технической составляющей БМС, а так же планирования результатов применения биомеханической системы.

4. Методика визуализации воксельной модели данных внедрения в учебный процесс Волгоградского государственного технического университета и Волгоградского государственного медицинского университета.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием хорошо зарекомендовавших себя методов и подходов, результатами применения разработанного программного обеспечения в Волгоградском медицинском университете, Волгоградском клиническом госпитале ветеранов и Волгоградском государственном техническом университете.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV-ая всероссийская конференция «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г.Камышин, 2006 г.) — 1-ая Всероссийская конференция с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (г. Волгоград, 2006) — П-ая Всероссийская конференция с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (г. Волгоград, 2007) — «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий: Инноватика-2007″ (г.Сочи, 2007) — 3-я Всероссийская конференция с международным участием „Новые информационные технологии в медицине“ (Волгоград, 2008) — XXXVI-ая Международная конференция. „Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе“ IT + S&E» 09″ .(Ялта-Гурзуф, 2009) — Международная конференция.

Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2009).

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе: 3 статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК- 6 статей в российских журналах- 4 в сборниках Международных и Всероссийских конференций.

Структура и содержание диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 130 страниц основного текста, 52 рисунка и 6 таблиц. Библиографический список включает 110 наименование. Общий объем работы 151 страница.

4.4. Основные выводы по главе 4.

1. Разработаны методические рекомендации по работе с системой при проектировании индивидуализированной реализации биомеханической системы.

2. Показаны возможности использования процедур моделирования результатов операции с использованием биомеханических систем для проведения подготовительного этапа операции с использованием систем «аппарат — конечность».

3. Проведена апробация разработанной системы на основе решения практических задач проектирования индивидуализированных реализаций биомеханических систем «аппарат — конечность» в ортопедии.

4. Проанализирована эффективность разработанной автоматизированной системы для проектирования технической составляющей биомеханической системы «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии. Полученные результаты соответствуют требованиям точности и функциональной полноты, предъявляемыми специалистами по проведению операций в ортопедии.

5.

Заключение

.

В диссертационной работе приводятся новые методы решения некоторых актуальных задач, связанных с проблемами проектирования биомеханических систем, на примере систем «аппарат-конечность» для проведения операций в ортопедии. Итогом данного исследования является разработка методики автоматизации процесса проектирования биомеханических систем, и создание автоматизированной системы для реализации предложенной методики. Основные результаты работы:

1. За счет использования разработанной автоматизированной системы достигается повышение эффективности проектирования биомеханических систем.

2. Произведено исследование основных этапов процесса проектирования биомеханической системывыявлены требования, предъявляемые к проектируемым БМС.

3. Разработана математическая модель, позволяющая представлять индивидуальные особенности строения биологических тканей пациента.

4. Разработана методика построения трехмерной модели участков тканей пациента на основе воксельной модели, позволяющей визуализировать индивидуальные особенности геометрического строения тканей пациента.

5. Разработана методика автоматизации процесса планирования результатов и расчета параметров операции в ортопедии на основе трехмерной модели пациента.

6. Разработана методика расчета параметров системы «аппарат конечность» при проведении операций в ортопедии.

7. Разработана архитектура системы и соответствующее программное обеспечение для проектирования элементов биомеханической системы аппарат — конечность", учитывающее анатомические особенности строения участков тканей пациентов.

8. Проведена апробация разработанной системы на основе решения практических задач проектирования индивидуализированных реализаций технических составляющих биомеханических систем «аппарат — конечность» в ортопедии.

Повышение эффективности заключается в значительном сокращении времени проектирования индивидуализированной реализации технической составляющей биомеханической системы, оценочно, до трети общего времени проектирования, уменьшается рассогласование между планируемыми и реально полученными результатами, при проектировании биомеханической системы в зависимости от сложности создаваемой системы. Так же повышается качество проектирования биомеханических систем за счет автоматизации процесса расчета параметров создаваемой системы.