3 - 2001

Моделирование внутренних органов человека в PowerSHAPE

Денис Федоренко, Юрий Кургузов

Одной из главных задач предприятий на современном этапе развития рынка и экономики наряду с сохранением рентабельности производства является создание конкурентоспособной продукции за счет уменьшения времени разработки изделий и подготовки квалифицированных инженерных кадров. На базе Института механики и технологии Самарского государственного технического университета был (СамГТУ) создан учебно-научно-производственный центр компьютерного проектирования и технологии производства изделий. Учебная, научная и производственная деятельность центра направлена на повышение качества подготовки специалистов СамГТУ, а также удовлетворение потребностей предприятий и фирм в создании программно-аппаратного сопровождения новых изделий на всех этапах разработки и сокращения сроков технологической подготовки производства. Материальная база учебного центра включает в себя следующее программное обеспечение: PowerSHAPE, PowerMILL, PowerINSPECT, ArtCAM, КОМПАС-ГРАФИК, ANSYS 5.5, SolidWorks. Центр активно сотрудничает со многими ведущими предприятиями, в том числе с Delcam plc (Великобритания), «Делкам-Самара», «Делкам-Иркутск», АО «АвтоВАЗ», АО «Авиакор», завод «Прогресс» и др. Студенты старших курсов и аспиранты, работающие в учебном центре, осуществляют разработку математических моделей деталей по чертежам заказчика (как правило, автомобильная номенклатура), проектируют технологическую оснастку для изготовления этих деталей, разрабатывают управляющие программы на станки с числовым программным управлением.

Основной объем работ выполняется с использованием компьютерных технологий фирмы Delcam plc (в частности, приложений PowerSHAPE и PowerMILL). CAD-система трехмерного моделирования PowerSHAPE предоставляет широкий спектр возможностей для реализации задач по моделированию сложных пространственных конструкций. Простой и удобный интерфейс делает его доступным даже для непрофессионального пользователя, что позволяет проводить подготовку специалистов в короткие сроки. Пакет имеет обширную, корректно работающую библиотеку экспорта данных. Это дает возможность работать с электронной моделью, созданной в PowerSHAPE, в других приложениях. Например, проводить конечно-элементные расчеты, кинематический анализ модели и др.

Помимо решения «классических» производственных задач в учебном центре ведется разработка других перспективных направлений. Одним из таких направлений является построение электронных моделей внутренних органов человека (скелет, суставы, сосудистая и сердечная системы и т.д.). Первым шагом в моделировании сердца стало создание натурного макета аортального клапана человека, который позволит слушателям медицинских учреждений яснее представить себе форму и особенности работы этого важного сердечного органа. В качестве исходной информации для построения модели использовались биологические клапаны, принадлежавшие людям одной возрастной категории (25-35 лет) (рис. 1). Основными элементами аортального клапана являются ствол аорты, перепонки и мешочки. Сведения о размерах, форме, отклонениях и другая необходимая геометрическая информация были получены с помощью набора различных шаблонов. Основными параметрами, необходимыми для построения электронной модели, являются наружный диаметр ствола аорты, размеры, определяющие форму мешочка, толщины стенок и перепонок. Характерной особенностью природного клапана является то, что он состоит из трех одинаковых частей, каждая из которых имеет плоскость симметрии. Таким образом, задача сводится к построению лишь 1/6 части модели. По полученным с помощью измерений данным был построен каркас, на который затем были натянуты поверхности. Завершающий этап работы заключается в корректировке поверхностей и отражении сегментов по плоскостям симметрии.

PowerSHAPE обладает следующими возможностями визуального представления электронной модели: каркасный вид; закрашенный вид, где предусмотрено цветовое различие внутренних и наружных сторон поверхностей; в виде полупрозрачного трехмерного объекта (рис. 2). Режим динамического сечения позволяет разрезать модель любой плоскостью на произвольную глубину (рис. 3). Поскольку размеры снимались с нескольких клапанов, разработанная модель (рис. 4) является усредненным вариантом для данной возрастной категории. В общем, возможности программы PowerSHAPE позволяют сделать вывод о том, что данный продукт фирмы Delcam plc отвечает всем требованиям, необходимым для наглядной и качественной демонстрации электронных моделей внутренних органов человека.

Таким образом, современные компьютерные технологии в ближайшем будущем позволят создавать пространственные анатомические атласы человека. Разработка и внедрение в практику программ, позволяющих визуализировать объемные изображения различных органов и систем человеческого организма, открывают новые перспективные возможности в плане детального изучения нормальной анатомии и физиологии, моделирования патологических процессов и состояний внутренних органов. Применение моделей органов человека в медицине позволит на качественно новом уровне осуществлять теоретические исследования в таких областях, как общая и специализированная хирургия, трансплантология, и поможет в разработке оптимального оперативного вмешательства при определенных патологических состояниях и пороках развития внутренних органов человека, требующих хирургической коррекции.

«САПР и графика» 3'2001