Возможности внедрения систем автоматизированного проектирования в клиническую практику медицинских учреждений травматологии и ортопедии

Александр Волосников
Инженер-конструктор, патентовед, ФГБУ Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова (г.Курган)

Процесс совершенствования методов лечения переломов и других дефектов костей представляет собой важную практическую задачу. Многие  методы лечения подразумевают использование различных механических конструкций, в том числе аппаратов внешней фиксации. Применение аппарата внешней фиксации для каждого пациента должно быть спланировано и рассчитано с обеспечением максимальной эффективности лечения, удобства его использования для врача и пациента, а также с учетом экономии времени на  его сборку, установку и проведение манипуляций.

Современное производство уже немыслимо без систем автоматизированного проектирования (САПР), представляющих собой автоматизированные системы, реализующие информационную технологию выполнения функций проектирования [1]. Совершенствование методов лечения переломов в значительной мере связано с развитием и применением методов конечно­элементного моделирования для задач травматологии и ортопедии.

Системы автоматизации способны решать проектно­конструкторские и расчетные задачи любого уровня. Для моделирования и исследования процессов объемного напряженно­деформированного состояния трехмерных стержневых устройств существует достаточно много специализированных и общеинженерных пакетов конечно­элементного анализа (программных комплексов ANSYS, NASTRAN, COSMOS и др.), которые могут использоваться в комбинации с другими видами физического анализа [2].

Быстрое развитие компьютерной графики обеспечило высококачественную 3D­визуализацию анатомических структур пациента. Мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) для диагностики заболеваний и повреждений опорно­двигательной системы  дает полное представление о количественных изменениях опорных тканей, их анатомо­топографических взаимоотношениях, позволяет получать 3D­ и виртуальные реконструкции [3]. Задачу автоматизированного сопровождения работы хирурга во многих случаях можно рассматривать как техническую задачу и использовать для ее решения эффективные и проверенные методы и технологии компьютерной графики и CAD/CAE/CAM­систем. В настоящее время такой подход реализуется с помощью специальных технологий подготовки хирургического вмешательства. Они называются Computer Aided или Assisted Surgery — CAS технологиями. Разработка этих технологий в странах Запада была начата в середине 1990­х годов, и в настоящее время эти методы очень широко используются в западной медицине [4].

Цель внедрения САПР — максимально использовать возможности программного обеспечения при решении прикладных задач. В основе стимула внедрения САПР в травматологию и ортопедию лежит стремление к достижению совершенно определенных целей:

• сокращение сроков подбора оптимальной конструкции аппарата внешней фиксации для решения конкретной задачи лечения;
• повышение качества собираемых компоновок, обеспечивающих максимальную стабильность фиксации и возможности пространственного позиционирования отломков кости;
• унификация компоновок и устройств,  возможность создания библиотеки компоновок аппарата, применяемого для конкретной задачи, с отслеживанием эффективности ее использования;
• увеличение эффективности лечения вследствие более продуманной подборки конструкции;
• снижение сроков нахождения больного на лечении, времени подготовки операции, уменьшение количества неудовлетворительных результатов и получение финансовой отдачи от вложенных в САПР средств.

Применение моделирования при исследовании процесса нагружения системы «фиксирующее устройство — кость» позволяет рассчитать большое число вариантов компоновки конструкции и подобрать из них наиболее рациональный. Кроме того, отладка технологии на компьютере позволяет избежать материальных и временных затрат, а в ряде случаев отказаться от использования ошибочного или неэффективного  решения.

Благодаря внедрению САПР в области травматологии и ортопедии могут быть решены следующие задачи:

• быстрая подборка оптимальной компоновки аппарата внешней фиксации;
• прогнозирование функциональных возможностей аппарата. Оценка последовательности и количества манипуляций с заведомым исключением излишних;
• разработка модифицированных конструкций на базе существующей;
• возможность оценки эффективности лечения выбранной конструкцией;
• унификация и стандартизация компоновок для конкретного вида дефекта;
• накопление базы данных элементов, вариантов компоновок по видам лечения, создание справочно­информационных ресурсов и библиотек с описанием типовых решений, процедур,  материалов;
• мобильное планирование изменения компоновки аппарата без привлечения пациента. Упрощение процесса согласования компоновок и своевременного обнаружения ошибок.

Применение CAD/CAM/CAE программного обеспечения для анализа состояния опорно­двигательного аппарата пациентов позволяет после анализа и обмера поврежденной кости или сустава для пациентов спроектировать, собрать или изготовить индивидуальный аппарат, имплантат или протез, точно соответствующий анатомии больного.

Использование САПР дает возможность внедрить прототипирование. Технологии 3D­печати обеспечивают осуществление наглядного представления предмета, а также быстрое изготовление требуемых наглядных пособий по различным предметным областям. Пример модели, напечатанной на 3D­принтере,  представлен на рис. 1.

Рис. 1. Модель скелета стопы человека, напечатанная на 3D-принтере

Технологии 3D­печати в медицине позволяют осуществить моделирование внутренних органов при подготовке к операциям, предварительную проработку имплантируемых частей. Точные размеры и форма дефекта той или иной кости определяются посредством компьютерной томографии. Физические 3D­модели являются незаменимыми помощниками для улучшения условий обслуживания пациентов и работы врачей [5].

Внедрение 3D­моделирования и организация коллективной работы в автоматизированной системе — неотъемлемая часть эффективной и разумной организации деятельности крупных клинико­научных медицинских учреждений в современных условиях.

Рассмотрим несколько примеров использования САПР в травматологии и ортопедии.

В «Российском научном центре “Восстановительная травматология и ортопедия” им. акад. Г.А. Илизарова» для проектирования аппаратов внешней фиксации используется КОМПАС–3D. На рис. 2 представлено устройство для лечения переломов проксимального отдела бедренной кости, моделирование на стадии предоперационного планирования.

Рис. 2. Моделирование на стадии предоперационного планирования, устройство для лечения переломов проксимального отдела бедренной кости

Рис. 3. Трехмерная модель тазовой кости, построенная по данным компьютерной томографии

В РНИИТО им. Р.Р. Вредена построена конечно­элементная модель тазовой кости со встроенной чашкой и головкой  и без них (рис. 3). В данной работе с помощью конечно­элементного моделирования проводится анализ прочности крепления эндопротеза при учете дисплазии [6].

В Саратовском государственном университете смоделировано напряженно­деформированное состояние системы «бедренная кость — фиксатор». Полученные данные приведены на рис. 4 [7].

Рис. 4. Моделирование «бедренная кость — фиксатор» после отображения полученных данных в постпроцессоре

В ГОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» с помощью метода конечных элементов были проанализированы причины осложнений, имевших место у пациентов с неопорными переломами типа В1, В2, по классификации AO/ASIF, оперированных методом блокируемого интрамедуллярного остеосинтеза в условиях недостаточной репозиции либо ее утраты. Результаты моделирования (рис. 5) показали, что фиксирующее устройство выполняет роль несущей конструкции, которая должна отвечать условиям прочности, жесткости и устойчивости [8].

Рис. 5. Напряженное состояние металлоконструкции для перелома типа В2 в условиях утраты репозиционного эффекта (слева дана цветовая шкала величин эквивалентных напряжений по vonMises, Па)

В Амурском государственном университете для проведения конечно­элементного анализа конструкции, состоящей из полукольца таза и фиксирующего устройства стержневого типа, использовался пакет ANSYS v 11.0. Результат расчета деформации системы «кость — фиксирующее устройство» показан на рис. 6. Анализ полученных результатов деформации конструкции показал, что под действием заданной нагрузки максимальное перемещение кости таза произошло в области симфиза и крестцово­подвздошного сочленения. Уменьшить смещение можно путем увеличения жесткости конструкции.

Рис. 6. Расчетная деформация системы «кость — фиксирующее устройство»

Найти рациональный вариант компоновки системы «кость — фиксирующее устройство» можно путем расчета и анализа нескольких вариантов компоновки рассматриваемого аппарата. Компьютерное моделирование позволяет быстро и качественно провести анализ конструкции и с учетом ее напряженно­деформированного состояния под действием определенной нагрузки подобрать для рассматриваемого случая наиболее подходящий вариант с целью надежной фиксации костных отломков [9].

Основная сложность фиксирующих конструкций, проектируемых для травматологии, — разнообразное сочетание геометрических размеров и форм стержней, большой диапазон вектора действующих на конструкцию сил, наличие регулировочных узлов и др. Пространственные конструкции отличает высокая степень сложности. Эти причины являются стимулом для перехода на 3D­проектирование и анализ.

Теоретические исследования методом конечных элементов позволяют более объективно оценить поведение поврежденной кости и интерполировать полученные данные в клиническую практику при расчете допустимых нагрузок в процессе реабилитации [10].

Алгоритм использования конечно­элементного анализа при планировании операции:

1. Изучение данных обследования (полученные из КТ­сканирования, Микро­КТ, МРТ и ультразвука).
2. Обработка изображений.
3. 3D­реконструкция, создание модели кости (прототип), расположение отломков.
4. Моделирование конструкции аппарата (протеза), виртуальное наложение аппарата.
5. Построение конечно­элементной сетки.
6. Определение сил, контактов, свойств материалов.
7. Расчет и при необходимости корректировка конструкции аппарата.

Математика, механика, биология — во взаимодействии этих трех наук многие ученые видят важнейшее средство решения актуальных медицинских задач современности. Внедрение САПР в клиническую практику является неотъемлемой частью прогресса в области медицины травматологии и ортопедии.  

Список литературы

1. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения. ГОСТ 34.003– 90.
2. Щипачев А., Письмеров К., Мамедов  И. Методологические основы внедрения систем автоматизированного проектирования // САПР и графика: Изд. КомпьютерПресс. Москва. 2010. № 11.  С. 82­84.
3. Дьячкова Г.В., Дьячков К.А., Александров Ю.М., Кутиков С.А. Возможности мультиспиральной компьютерной томографии (МСКТ) в оценке качества кости при заболеваниях опорно­двигательной системы // Материалы III съезда травматологов­ортопедов Уральского федерального округа и научно­практической конференции с международным участием «Чаклинские чтения». Екатеринбург, Изд. Уральский НИИТО им. В.Д. Чаклина. 2012.  С. 52.
4. Жук Д.М., Перфильев С.А.  CAS­системы —  системы автоматизированного проектирования в хирургии //Наука и образование: http://technomag.edu.ru (2011. 3 марта).
5. BBC News technology. Engineers pioneer use of 3D printer to create new bones//http://www.bbc.co.uk/news/technology–15963467 (2011, 30 ноября).
6. Марков С.А.,  Семёнов С.Г., Семёнов А.С., Шубняков И.И. Конечно­элементное моделирование эндопротезирования тазобедренного сустава и анализ прочности крепления эндопротеза при учете дисплазии // XLI Неделя науки СПбГПУ. Материалы международной научно­практической конференции. 2012. Ч. 14.
7. Андрейченко Д.К., Ирматов П.В., Ирматова М.С., Щербаков М.Г. О реализации конечно­элементного моделирования в задачах остеосинтеза на кластерных системах СГУ // Математика. Механика. Информатика: Изд. Саратовского гос. университета. Саратов. 2010. № 3. С. 77­85.
8. Верховод А.Ю., Баракат М.Ф. Биомеханический анализ причин осложнений остеосинтеза блокируемыми интрамедуллярными стержнями неопорных оскольчатых диафизарных переломов костей голени // Фундаментальные исследования: Изд. «Академия Естествознания». Москва. 2012. № 10 (часть 2). С. 236­243;
9. Бушманов А.В. Проектирование фиксирующих устройств в травматологии на основе CAD/CAE/CAM­технологий 2 // Медицинская информатика. Благовещенск. 2008. № 3(17).
10. Мальцева А.А., Акулич А.Ю., Акулич Ю.В. Осевое усилие сжатия шейки бедра при ходьбе на костылях // Математическое моделирование и биомеханика в современном университете. Труды международной школы­семинара. Ростов­на­Дону. Изд. НПК «Гефест». 2005.

САПР и графика 5`2013