WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В. И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

(СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

На правах рукописи

Нгуен Нам Минь

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР

БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук



Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Г.Д. Дмитревич Санкт-Петербург – 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ

КРУПНЫХ СУСТАВОВ

1.1 Актуальные проблемы эндопротезирования тазобедренных суставов...... 11 1.2 Новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов

1.3 Функциональные требования к инструментарию САПР биомеханических объектов

2. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

2.1 Архитектура программного обеспечения САПР

2.2 Основные инвариантные инструменты САПР биомеханических объектов..

2.2.1 Инструмент “Управление приложением”

2.2.2 Инструмент “Регистрация пациентов и результатов КТ–исследований”.

2.2.3 Инструмент “Твердотельное моделирование”

2.2.4 Инструмент “Управление визуальным отображением геометрии объектов”

2.2.5 Инструмент “Webприложения”

2.2.6 Инструмент “Банк моделей”

2.3 Биомеханические инструменты САПР биомеханических объектов.......... 46 2.3.1 Инструмент “Анализ и оптимизация параметров эндопротеза”........... 46 2.3.2 Инструмент “Биомеханические испытания”

3. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

3.1 Выбор источника данных

3.2 Выбор технологии доступа к источнику данных

3.3 Архитектура информационного обеспечения САПР биомеханических объектов

3.4 Модели данных

3.5 Даталогическое проектирование баз данных

3.6 Поисковые процедуры.

4. ВНЕДРЕНИЕ В МЕДИЦИНСКУЮ ПРАКТИКУ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

4.1 Технология проектирования и изготовления индивидуальных компонентов эндопротезирования

4.2 Биомеханические испытания объектов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ «А».

ПРИЛОЖЕНИЕ «Б».

ПРИЛОЖЕНИЕ «В».

ПРИЛОЖЕНИЕ «Г».

ВВЕДЕНИЕАктуальность исследования

В последнее время в связи с урбанизацией, экологическими проблемами и общим старением населения во всем мире наблюдается неуклонный рост заболеваний органов опорно-двигательной системы, в том числе заболеваний крупных суставов (тазобедренного, коленного, плечевого) и позвоночника. Одним из способов лечения этой патологии являются операции эндопротезированиязамена поврежденного сустава на искусственный. В соответствии с данными регистров эндопротезирования (Шведский, Датский, Норвежский и Финский), примерно 40000 первичных артропластик выполняется ежегодно в странах Северной Европы [1], в то же время, более миллиона операций в год проводится по всему миру и в последующие два десятилетия ожидается увеличение данного количества вдвое. Вследствие значительного роста операций первичного эндопротезирования неуклонно растет количество выполняемых ревизионных вмешательств в связи с асептическим расшатыванием компонентов, износом вкладышей, рецидивирующим вывихом головки, переломом конструкций, ошибками в технике операций. Врачи вынуждены подбирать пациенту подходящий типоразмер эндопротеза и крепежных изделий из 6-8 доступных типоразмеров изделий, выпускаемых серийно [2]. Использование стандартных эндопротезов приводит к нарушению кинематики работы сустава при ходьбе и вызывает разрушение костной ткани. Поэтому проектирование и изготовление эндопротезов для каждого конкретного пациента с учетом анатомических изменений костей служит альтернативой традиционным методикам эндопротезирования. Данное направление получило развитие в единичных центрах мира и не имеет аналогов в российской ортопедии.





[3-6] В последние годы появились работы по применению математического и физического 3D-моделирования в ортопедии. Эти работы ограничиваются рассмотрением средств визуализации биомеханических объектов – систем «костьэндопротез», средств коррекции и замещения органов и систем, относящихся к группе протезно-ортопедических изделий. Отечественные биомеханические программные пакеты (БПП) представляют собой системы поддержки принятия решений или сервисные системы, рассматривающие частные задачи в сфере медицинской биомеханики на основе использования набора зарубежных многофункциональных машиностроительных комплексов – Unigraphics, CATTA, AnyBody, Ansys и др. Не рассматриваются и не решаются задачи сквозного проектирования и изготовления индивидуальных ревизионных систем для эндопротезирования тазобедренных суставов [8, 19-22].

Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР СПбГЭТУ «ЛЭТИ», научно-технического комплекса “Машиностроительные технологии” (НТК МашТех) СПбПУ и российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена (РНИИТО им. Р.Р.

Вредена). Таким образом, исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов является актуальной задачей, имеющей большое социально-экономическое и практическое значение.

Предметом исследования являются научные основы построения САПР биомеханических объектов.

Объектом исследования являются методы, модели и инструментальные средства САПР биомеханического объекта «кость-индивидуальный компонент ревизионной системы-эндопротез» (Bone-Сustom_component-Implant BCI).

Цель работы и основные задачи исследования Настоящая диссертация посвящена исследованию методов построения инструментария САПР биомеханических объектов BCI (в первую очередь тазобедренных суставов) и разработке на основе этого исследования методов, моделей и инструментальных средств биомеханической САПР BCI. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи:

Разработать технологию автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов с применением инструментария пользователяхирурга САПР биомеханических объектов и современных аддитивных технологий.

Разработать архитектуру программного обеспечения биомеханических САПР, обеспечивающих реализацию технологии автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов.

Разработать инструментарий САПР BCI, включая инвариантные и биомеханические инструменты.

Разработать компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов, в том числе Webориентированные банк моделей и средства доступа к банку моделей Разработать методы и модели для инструментов биомеханической САПР, в том числе инструменты, обеспечивающие конструктивное решение имплантата и способа структурирования его поверхности таким образом, чтобы активировать процессы роста костной ткани, консолидацию ее с материалом имплантата и образование нового анатомического объекта со свойствами, приближенными к физиологическим.

Методы исследования Для решения поставленных задач использовались теория баз данных, основы теории проектирования САПР, методы организации информационного и программного обеспечений, методы решения задачи механики деформируемого твердого тела, методы оптимизации.

Новые научные результаты:

1. Разработана новая технология автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов, отличающаяся от традиционных тем, что во первых, в ее основе лежит концепция замыкания полного цикла предоперационных проектных процедур, включая этап изготовления объектов BCI и этап моделирования объектов BCI; во вторых, эта технология реализуется не набором зарубежных БПП, а инструментами одной отечественной САПР; в третьих, изготовление индивидуальных ацетабулярных компонентов эндопротеза предполагает применение инструментов САПР BCI для формирования STLмоделей, ориентированных на современные и аддитивные технологии;

2. Впервые получены оригинальные архитектурные решения программного обеспечения биомеханических САПР, отличающиеся гибкостью в организации процесса проектирования и открытые для подключения новых объектов BCI и новых инструментов САПР BCI.

3. Впервые разработан инструментарий САПР BCI, отличающийся от известных наличием инвариантных и биомеханических инструментов, обеспечивающих возможность персонализации изготавливаемых конструкций с учетом анатомических изменений костей;

4. Впервые разработаны компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов, в том числе Webориентированный банк моделей и средства доступа к банку моделей. Разработанные компоненты обеспечивают единое информационное пространство жизненного цикла процесса проектирование и изготовления индивидуальных ацетабулярных компонентов ревизионных систем, а в перспективе и индивидуальных эндопротезов.

5. Разработаны оригинальные методы и модели для инструментов биомеханической САПР. Предложены алгоритмы твердотельного моделирования, отличающих от своих аналогов в машиностроительных САПР тем, что твердые тела формируются путем выдавливания контуров, построения системы контуров и выполнения булевых операций над геометрическими телами.

подтверждается основными Достоверность научных результатов положениями общей теории САПР, корректностью применяемого математического аппарата и учебной практикой на кафедре САПР СПбГЭТУ, инженерной практикой НТК МашТех СПбПУ и медицинской практикой РНИИТО им. Р.Р. Вредена.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технология автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов;

2. Архитектура программного обеспечения САПР BCI;

3. Инструментарий САПР BCI;

4. Компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов;

5. Методы и модели для инструментов биомеханической САПР;

Практическая ценность работы. Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Биомеханическая САПР BCI позволяет проектировать и изготовлять компоненты ревизионной системы эндопротезов тазобедренных суставов и определять их влияние на биомеханический объект «кость-индивидуальный компонент (ИК) - эндопротез» под действием нагрузок.

2. Биомеханическая САПР BCI предоставляет хирургу-пользователю инструментарий для проектирования компонентов ревизионной системы тазобедренных суставов.

3. Банк моделей информационного обеспечения САПР BCI позволяет экспортировать результаты исследования биомеханических объектов в другие системы.

4. Инструментарий САПР BCI позволяет реализовать технологию проектирования и прототипирования имплантатов для операции эндопротезирования тазобедренного сустава методом селективного лазерного сплавления из титанового сплава, с учетом индивидуальных анатомических изменений области протезирования каждого конкретного пациента.

Реализация и внедрение результатов Инструментальные средства САПР BCI реализованы на базе программной платформы разработки приложений.NetFramework 4.0 с использованием языка программирования C#. В качестве источника данных выступает файловая встраиваемая реляционная база данных SQLite.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в госбюджетной НИР, проводимой по тематическому плану СПбГЭТУ 2012-2014г по теме «Разработка алгоритмического и программноаппаратного обеспечения гибридной облачной среды для образовательного процесса».

Результаты диссертации внедрены в медицинскую практику РНИИТО им. Р.

Р. Вредена, в инженерную практику НТК МашТех СПбПУ и используются в учебном процессе кафедры САПР СПбГЭТУ для изучения методики построения программного обеспечения систем автоматизированного проектирования при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника», что подтверждается тремя актами о внедрении.

Апробация работы Основные теоретические результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

1. XVI Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, SCM’2013.

2. XVIII Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, SCM’2015.

3. 64, 65-ая научно-технические конференция СПбГЭТУ “ЛЭТИ”.

Публикации Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в семи печатных работах, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в издании, индексируемом в базе данных SCOPUS, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, зарегистрированной в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2 статьи в международной конференции по мягким вычислениям и измерениям.

Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, четыре глав, заключения, списка сокращенных и условных обозначений и списка литературы, включающего 67 наименований. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, содержит 61 рисунков и 15 таблиц.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели исследования, приведен перечень решаемых в работе задач.

В первой главе рассматривается новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов.

Во второй главе ставится задача реализации оригинальных инструментов, исключающих необходимость адресации к машиностроительным САПР или к их подсистемам.

Третья глава посвящена вопросам разработки инструментальных средств информационного обеспечения САПР.

Четвертая глава представляет результат применения в медицинской практике разработанный в диссертационной работе биомеханической САПР BCI.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные на основе проведенных в диссертационной работе исследований.

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ

КРУПНЫХ СУСТАВОВ

Целью данной главы являются: 1) разработки новой структуры технологического процесса предоперационного и интраоперационного планирования хирургического вмешательства в эндопротезирование крупных суставов; 2) определение функциональных требований к САПР биомеханических объектов.

Заметим, что золотым стандартом хирургического лечения пациентов с тяжелыми травмами является эндопротезирование суставов, позволяющее восстановить нарушенную функцию сустава, обеспечить купирование болевого синдрома и тем самым улучшить качество жизни миллионам больных во всем мире. Поэтому именно разработка компьютерного инструментария врачаортопеда на интраоперационном этапе планирования индивидуального ревизионного эндопротезирования наиболее тяжелых в ортопедии клинических случаев и диктует как организацию технологического процесса, так и выбор инструментальных средств САПР, решающих рассматриваемую задачу.

1.1 Актуальные проблемы эндопротезирования тазобедренных суставов Анализ данных регистра эндопротезирования тазобедренного сустава (ТБС) ФГБУ «РНИИТО им Р.Р. Вредена» показал, что за период с 2007 по 2010 г. доля ревизионных вмешательств (в РНИИТО или в РФ) составила в среднем 9,2%, причем в большинстве случаев происходила замена (64,1% обоих компонентов, а вертлужный компонент подлежал замене в три раза чаще, чем бедренный [2].

По мнению ряда авторов, в России потребность в ревизионном эндопротезировании заметно возрастет в ближайшие годы, так как в течение многих лет пациентам имплантировали отечественны» эндопротезы, срок службы которых составляет 510 лет. Кроме того, отсутствовал опыт подобных операций и необходимое техническое обеспечение [3]. Вследствие значительного роста числа выполняемых операций первичного эндопротезирования неуклонно растет количество выполняемых ревизионных вмешательств Основными причинами, приводящими к ревизионному эндопротезированию тазобедренного сустава, являются асептическое расшатывание одного или обоих компонентов, износ полиэтиленового вкладыша, рецидивирующий вывих головки, усталостные переломы конструкций, глубокая инфекция в области эндопротеза, ошибки в технике операции [4], [5].

Однако форма любой кости человека индивидуальна и любая проекция кости имеет уникальную кривизну. Использование стандартных эндопротезных изделий приводит к нарушению кинематики работы сустава при ходьбе и вызывает разрушение костной ткани. При этом, индивидуальные эндопротезы тазобедренных суставов и утраченных костных фрагментов тазовых костей в России и странах ЕС практически не производятся. Поэтому создание индивидуальных конструкций для каждого конкретного случая (пациента) с учетом измененной анатомии вертлужной впадины может послужить рациональной альтернативой устоявшимся методикам ревизионной ацетабулопластики. Данное направление в ревизионном эндопротезировании получило развитие в единичных центрах мира и не имеет аналогов в современной Российской ортопедии, однако приобретает все большую актуальность, что связано с популяризацией операций эндопротезирования тазобедренного сустава.

Решение проблемы индивидуального эндопротезирования в настоящей работе предлагается на основе применения современных технологий компьютерного ЗD моделирования и проектирования и ЗD печати поврежденного (недостающего) костного фрагмента с использованием порошков титанового сплава.

1.2 Новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов Быстрое развитие средств компьютерной графики CAD/CAE/CAMсистем обуславливает разработку специальных технологий подготовки хирургического вмешательства. Они вначале были названы Image Guided Surgery технологиями, а затем распространились как Computer Aided или Assisted Surgery технологии (CASтехнологии). Зарубежные CASтехнологии [19], [20] зародились в середине 1990х гг. В настоящее время широко применяются в практике ведущих зарубежных ортопедических центров.

CASтехнологий Наиболее существенные результаты применения достигнуты в челюстнолицевой хирургии. Традиционно CASтехнологии в челюстнолицевой хирургии реализуются коллективами в составе высококвалифицированных хирургов, технических специалистов, владеющих навыками быстрого прототипирования и навыком применения биомеханических программных пакетов (БПП). Для повышения эффективности работы хирургов при планировании и проведении операции в Центральном научноисследовательском институте стоматологии и челюстнолицевой хирургии (ЦНИИС и ЧЛХ) и Российском научном центре хирургии (РНЦХ) на основе 3D-моделей анатомических элементов и технологий оснастки, созданных с использованием БПК, методом стереолитографии изготавливаются их пластиковые модели [2-8].

Что касается травматологии и ортопедии, то следует отметить появившиеся в последнее время работы по применению математического и физического 3Dмоделирования для подготовки операций эндопротезирования [2], направленные на поддержку принятия решений. Анализ этих работ показывает, что в них предлагаются в основном средстве представления геометрии объектов BCI, а не решение рассматриваемых проблем.

Развернутый обзор CASтехнологий и общие указания на целесообразность разработки методики подготовки операций эндопротезирования путем применения ЗDпринтера и биомеханических пакетов программ (БПП), был опубликован в журнале «САПР и графика» [8].

Однако, как отмечалась во введении, рекомендуют зарубежные БПП для решения лишь отдельных частных задач на основе хорошо известных универсальных программных систем Siemens NX, САТIА, Ansys, Mimics, AnyBody, AMIRA. Перечисленные средства не обеспечивают весь процесс подготовки операций и изготовления индивидуальных конструкций (ИК), фиксирующих имплантат на основании данных компьютерного томографического исследования и обладают следующими основными недостатками:

Загрузка...

1) Отсутствие (замыкание полного цикла предоперационных процедур, включая этап изготовления компонентконструкций при индивидуальном ревизионном эндопротезировании и этап моделирования биомеханических испытаний объектов «кость индивидуальный компонент эндопротез» (BCI) при акцентированном воздействии на центр вращения искусственного сустава.

2) Частные предоперационные процедуры предусматривают взаимодействие разных программных средств БПП. Применение таких средств пользователямихирургами чревато проблемой возникновения неконтролируемых ошибок. Например, сетка 3Dмодели, созданная в БПП Mimics, возможно открывается в других пакетах САПР (Ansys, Siemens NX, САТIА) с ошибками в конструкции триангуляции. При этом, конвертация или преобразование моделей из одного формата в нужный формат для анализа методом конечных элементов обуславливают коллизии, исключающие программирование данной процедуры с помощью высокоуровневых макросов.

3) Полученные средствами БПП исходные 3Dмодели пораженной остеолизом части сустава пациента, на основе данных томографического исследования не выполняет две совместные проектные операции:

операцию «очистки» от посторонних материалов (биоцемента, имплантированных ранее конструкций, фоновых изображений тканей, сухожилий);

операцию включения 3D скрепов как условие изготовления на 3Dпринтере модели, отображающей разделённые части сложного объекта.

4) Программные средства не обеспечивают возможность изготовления «мягких» моделей для разработки индивидуальных конструкций, фиксирующих новообразованный сустав.

Более перспективной представляется структура технологического процесса проектирования и производства индивидуальных эндопротезов, представленная на рисунке 1.1.

–  –  –

Рисунок 1.1.

Технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов.

Предоперационная и интраоперационная технология исходит из данных анализа КТизображений, предусматривает построение иерахии 3Dмодели ТБС и отличается тем, что:

1) Исходная томограмма пациента импортируется в компьютерную 3Dмодель сустава (Блок 1).

2) Производится компьютерное построение иерархии 3Dмоделей суставов, обеспечивающее очистку костной основы от фоновых изображений тканей, сухожилий, сосудов, остатков цемента и т. д. (Блок 2).

3) Автоматически на 3Dпринтере изготавливается с помощью управляющей программы в формате используемого 3Dпринтера физический прототип сустава пациента в натуральном масштабе (Блоки 3, 4, 5).

4) Изготавливается анатомически адаптированная «мягкая» модель ИК, учитывающая индивидуальные особенности, геометрию формы, размеры и дефекты костей конкретного пациента (Блок 6).

5) Выполняется построение 3Dмоделей ИК как результат работы сканера и обрабатывающего мягкую модель ИК. (Блоки 7, 8).

6) Автоматически на 3Dпринтере изготавливается физический прототип ИК (Блоки 9, 10), который корректируется за счет обратной связи блока 10 блоком 8.

Строится композиционная модель объекта «кость индивидуальный 7) компонент эндопротез» (Блок 11).

8) Проводится моделирование биомеханических испытаний объекта «кость ИК эндопротез» в условиях разнонаправленных дестабилизирующих воздействий (Блок 12).

9) Выполняется 3Dпечать индивидуальных конструкций (Блоки 13, 14) в выбранном материале [24,25] (титановый сплав, композиционный биосовместимый материал, оптимизированный для современных аддитивных технологий).

10) Вводятся последовательные и обратные связи для коррекции физических прототипов и ИК эндопротезов (см. рисунок 1), где блок 1 соединяется с блоком 2 и далее последовательно до блока 14, а в свою очередь, обратной связью блок 2 с блоком 1; блок 12 с блоками 4, 8; блок 10 с блоком 8. За счет обратной связи от блока 10 к блоку 8 впервые представляется возможность хирургу корректировать размещение, крепление и форму конструкции с учетом деформаций и повреждений сустава.

11) В процессе коррекции ИК выполняются расчеты напряженного деформированного состояния биомеханического объекта при воздействии возмущений на центр вращения в новообразованном суставе.

Получение 3Dфизического прототипа сустава пациента и изготовление ИК на основе данных компьютерного томограммного исследования позволит:

учесть особенности анатомического строения, деформации и повреждения костной, мягкой ткани, или неисправленной функции опорнодвигательного аппарата;

–  –  –

моделирование адаптационных изменений структуры и свойств кортикальной и трабекулярной костной ткани, исследование напряженнодеформированного состояния биомеханического объекта «кость ИК эндопротез». [23] Техническая реализация предлагаемой технологии отличается от известных традиционных подходов к решению рассматриваемой задачи тем, что, вопервых, в его основе лежит концепция замыкания полного цикла предоперационных процедур, включая этап изготовления компонентконструкций ревизионной системы при индивидуальном ревизионном эндопротезировании и этап моделирования биомеханических испытаний объектов «кость ИК эндопротез»

при акцентированном воздействии на центр вращения векторных разнонаправленных сил, имитирующих реальные условия жизнедеятельности конкретного пациента, во вторых, программные блоки реализуются не набором зарубежных БПП, применяемых в машиностроении, а одной отечественной предметноориентированной биомеханической САПР BCI.

Исходными материалами для выполнения работы являются:

рабочие компьютерные томограммы суставов в формате DIСОМ;

сопроводительные медицинские документы;

требования к компьютерной платформе для использования в комплексе;

профессиональные 3Dпринтеры.

Программные блоки, содержат полный набор рабочих процедур, таких как:

Регистрация пациента и хранение данных обследования.

Импорт в систему результатов томографического обследования в формате DIСОМ.

Построение иерархии 3Dмоделей исследуемых суставов, обеспечивающей визуализацию и послойную очистку костной ткани от фоновых изображений мягких тканей, сухожилий, сосудов и т. д.

Иерархия 3Dмоделей должна допускать сборку композиционной 3Dмодели, при необходимости её декомпозицию на составные части, соединенные в отдельных случаях дополнительными скрепамисегментами.

Построение реконструированной 3Dмодели, отражающей повреждения и деформации тазобедренного сустава, а также свободную от шумов и коллизий в узлах, как следствие практического совпадения плотности биоцемента и костной ткани.

Формирование управляющей программы в формате используемого 3Dпринтера для получения физического прототипа сустава.

Объемную печать («выращивание») на 3Dпринтере физического прототипа сустава пациента в натуральном масштабе с погрешностью не более 1 мм.

Изготовление мягкой модели ИК.

Сканирование мягкой модели и построение 3Dмодели ИК.

Построение композиционной 3Dмодели комплексного объекта «кость ИК эндопротез».

Анализ композиционной 3Dмодели и исследование напряженнодеформированного состояния комплексного объекта BCI в условиях дестабилизирующих воздействий разнонаправленных сил в центре вращения искусственного сустава.

Коррекция композиционной 3Dмодели по результатам моделирования биомеханических испытаний, имитирующих жизнедеятельность конкретного пациента.

3Dпечать индивидуальных конструкций искусственного сустава в выбранном материале [24,25] (титановый сплав, композиционный биосовместимый материал, оптимизированный для современных технологий).

Выпуск сопроводительных медицинских документов для формирования истории болезни пациента.

Предлагаемая технология реализует полный цикл предоперационных процедур для индивидуального ревизионного эндопротезирования суставов в условиях массивного остеолиза и обеспечивает:

использование новых биотехнологий остеозамещения;

уменьшение времени операций;

уменьшение кровопотери;

уменьшение послеоперационных осложнений;

улучшение результатов ревизионного эндопротезирования у пациентов с массивным остеолизом и тем самым решает весьма актуальную задачу ревизионного эндопротезирования.

1.3 Функциональные требования к инструментарию САПР биомеханических объектов Исходя из анализа рассмотренной в 1.2 технологии планирования хирургических операций и производства индивидуальных эндопротезов, проектирование комплексного объекта BCI сопряжено с решениями широкого круга задач, таких как: построение модели костной ткани; индивидуального компонента ревизионной системы с указанием его характеристиками;

проектирование модели, на основе этих моделей построение модели объекта «костьИКэндопротеза»; произведение биомеханических испытания на модель объекта объект «кость индивидуальный компонент ревизионной системы – эндопротез» (объект BCI) в условиях разнонаправленных дестабилизирующих воздействий.

В САПР BCI требуется реализовать следующие существенные сточки зрения пользователяврача функциональные требования:

1. САПР BCI должна предоставлять инструменты для построения моделей объектов BCI.

2. САПР BCI должна содержать централизованный банк моделей, доступный для распределенного коллектива пользователей. В состав банка входят база данных моделей БП, база данных пациентов, база данных компонентов ревизионных систем, база данных индивидуальных конструкций эндопротезов, база данных стандартных эндопротезов.

3. САПР BCI должна иметь инструменты редактирования среза, импорта томограмм, построения 3Dмодели по срезам.

4. САПР BCI должна иметь инструменты декомпозиции и композиции сложных БП.

5. САПР BCI должна иметь средства реализации двух совместных проектных операций:

операцию «очистки» от посторонних материалов (биоцемента, имплантированных ранее конструкций, фоновых изображений тканей, сухожилий) операцию включения 3Dскрепов как условие изготовления на 3Dпринтере модели отображающей разделенные части сложного объекта.

6. САПР BCI должна позволять импортировать КТ исследования, зарегистрировать сохраненные данные в тегах КТизображений и построить модель костной ткани в STLформате как условие ее прототипирования.

[35,37,44,45,46]

7. САПР BCI должна обеспечивать возможность модификации модели ИК, исходя из анализа исходной «мягкой» модели.

8. САПР BCI должна предоставить инструментальные средства биохимических испытаний, позволяющие задавать разнонаправленные анализы объектов BCI.

9. САПР BCI должна обеспечить формирования конечно-элементных моделей BCI для расчета напряженного-деформационного состояния костной ткани. [18, 23].

2. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

Данная глава посвящена проектированию инструментальных средств САПР BCI. Отмечается, что САПР BCI должна быть построена на основе открытых библиотек. Формулируется функциональные требования к инструментальным средствам САПР BCI: 1) наличие банка моделей, который обеспечит централизованное хранение всех моделей биомеханических объектов и результаты биомеханических испытаний; 2) наличие инструментов импорта и хранения изображений КТ и результатов моделирования и обработки томограмм, 3) наличие инструментов геометрического и трехмерного редактирования 3Dмоделей; 4) наличие инструментов анализа и оптимизации параметров эндопротезов; 5) наличие инструментов биомеханических испытаний; 6) наличие инструментов управления объектами в трехмерном виде и геометрическими изображениями.

2.1 Архитектура программного обеспечения САПР Предложена архитектура САПР BCI, которая позволяет реализовать сквозной цикл проектирования и изготовления биомеханического объекта BCI, начиная с построения STL-модели по томограмме объекта и заканчивая моделированием биомеханических испытаний сложного композиционного объекта (BCI) в условиях дестабилизирующих воздействий векторных сил в точке ротации искусственного сустава. Биомеханические испытания имитируют жизнедеятельность конкретного пациента.

Обобщенная архитектура программного обеспечения САПР BCI (рисунок 2.1) включает в себя проблемнонезависимые инструменты, такие как: инструмент “Управление приложением”, инструмент “Регистрация пациентов и результатов КТисследований”, инструмент “Твердотельное моделирование”, инструмент “Формирование и редактирование 3Dмоделей”, инструмент “Управление визуальным отображением геометрии объектов”, “Банк моделей” и модуль доступа к банку моделей и инструмент “Webприложение” для обмена моделями через Интернета. Проблемноориентированная часть включает инструменты, предназначенные для работ с объектом BCI, такие как: инструмент “Анализа и оптимизация эндопротезов”, инструмент “Биомеханические испытания”.

–  –  –

Рисунок 2.1.

Инструментальные средства САПР BCI.

Основный инструмент проблемнонезависимой части является инструментом “Управление приложением”, которое выступает посредником между другими инструменами и реализует управляющие и утилитарные функции.

Установлены правила и способы взаимодействия отдельных инструментов.

Инструмент “Управление приложением” адресуется к системным ресурсам, таким как: системные события, системная библиотека, системные интерфейсы и следующие модули: модуль “Мониторинг системы”, модуль “Диспетчер”, модуль “Планировщик”, модуль “Управление инструментами”.

Инструмент “Регистрация пациентов и результатов КТ–исследований” служит для загрузки и хранения данных КТизображений. В инструменте реализуется алгоритм чтения и текстовой информации, так и цифровой информации изображения от стандартных файлов DICOM. Извлеченные данные хранятся в локальной базе данных SQLite с определенной структурой модели данных.

Инструмент “Твердотельное моделирование” содержит модуль импорта и предобработки изображений КТ, модуль формирования 2D контуров, модуль формирования томограмм, модуль загрузки и сохранения томограмм, модули алгоритма триангуляции Делоне. Инструмент позволяет создавать «объемную»

модель твердых тел посредством выполнения алгоритма «Триангуляции Делоне».

Результаты работы данного инструмента хранятся в банке моделей «Томограмм»

или передается в блок “Формирование и редактирование 3Dмоделей”.

Инструмент “Формирование и редактирование 3Dмоделей” содержит модули загрузки и сохранения 3Dмоделей, модуль редактирования и отчистки 3Dмоделей, модуль формирования моделей костной ткани, моделей эндопротезов, моделей индивидуальных конструкций, модуль формирования «сложной» модели конструкции объекта «кость – индивидуальная конструкция эндопротез». Инструмент предоставляет пользователю средства геометрического моделирования, позволяющие создать 3Dмодель твердых тел так и модель биомеханических объектов. Также дает возможность сохранить модель в банке моделей “3Dмоделей”.

Инструмент “Управление визуальным отображением геометрии объектов” содержит модули управления и организации «дерева» объектов, модуль управления сценой и установки их параметры, модуль представления 3Dизображения, геометрические библиотеки, подключаемую открытую OpenGL, библиотеку модуль управления геометрическими операциями.

Инструмент отвечает за представления объектов и отображение на экране пользователей и управление ими сцены, позволяет отображать 3Dмодель на экране и выполнение манипуляций с моделей посредством указателей мыши.

Инструмент “Анализа и оптимизации параметров эндопротеза” содержит модуль установки параметров материала, модуль методов оптимизаций, модуль справочкакаталога эндопротезов, модуль установки параметров оптимизации, модуль формирования и сохранения эндопротезов в банке моделей «Компоненты ревизионной системы». Инструмент позволяет построить или загрузить модели эндопротеза и справочную информацию о эндопротезе для различных задач таких как: анализ деформации, анализ прочности объекта, анализ тонкости стены объекта в целях улучшения процесса изготовления или выбора оптимального эндопротеза для конструкции биомеханических объектов.

Инструмент “Биомеханические испытания” содержит модули формирования «сложной» модели объекта BCI и обеспечивает динамические анализы конструкции, анализ долговечности и усталости, анализ прочности соединенной конструкции, анализы напряженности и деформации объекта BCI.... Инструмент описывает модель объекта «эндопротез-кость» и позволяет оценить и принять решение перед тем выполнением операции эндопротезирования.

Инструмент “Webприложение” предназначен для работы и обмена данными моделей процесса через браузер. Данный инструмент поддерживет передачи информации и данные о моделях таких как: файл проектных моделей (в STL-формата), виде результаты КТисследований, шаблоны в каталоге эндопротезов и их параметры, результаты анализа и оптимизации параметров эндопротезов, результаты биомеханических испытания. Webприложение включает в себя следующие компоненты: Webсервер, модуль авторизации, модуль шифрования данных, модуль загрузкивыгрузки моделей данных, модуль управления сеансом, наборы репозиториев, база данных Webприложения, модуль подключения к банку моделей.

В центре информационного обеспечения САПР стоит централизованный “Банк моделей”, который обеспечивает полное и неизбыточное хранение данных всех объектов, таких как: объект “Пациент», объект “Изображения”, объект “Исследование”, объект «3D-Модель», объект «Томограмм», объект «Компоненты индивидуальных конструкций», объект «Эндопротезы» и «Биомеханические объекты», результаты анализа и оптимизация параметров эндопротезов, результаты биомеханических испытаний.

2.2 Основные инвариантные инструменты САПР биомеханических объектов 2.2.1 Инструмент “Управление приложением” Инструмент “Управление приложением” выполняет функцию управление общей системы и всеми подключенными инструментами. В нем задаются правила и способы взаимодействия отдельных инструментов. Все компоненты инструментов можно разделить на две группы: ядро и модули “диспетчера”.

Модуль ядра включают в себя системные журналы, драйверы, системные библиотеки, базы данных системных ресурсов, монитор системы и управление системы. Ядро обеспечивает работу системы в целом, выполняет обмен информации между компонентами и между ядром с внешними инструментами системы. Во время работы все события системы записываются в системном журнале и все настройки других компонентов загружаются и сохраняются в системной базе данных (Рисунок 2.2). Модулы “диспетчера” направлены на взаимодействия с внешними инструментами системы. Модулы “диспетчерисполнитель” реализует запуски других инструментов и передает необходимые им данные для работы. Модулы управление инструментами обеспечивает работу все текущих сеансов работы инструментов, при возникновении программных исключений модуль сообщает системе эти события и выполняет завершение работы модуля.

СИСТЕМНАЯ

СИСТЕМНЫЕ ЖУРНАЛ ДРАЙВЕРЫ

БИБЛИОТЕКА

ВХОД МОНИТОР СИСТЕМЫ

СИСТЕМНЫЕ

КОМПОНЕНТЫ,

ДИАЛОГОВЫЕ

УПРАВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСЫ,

СИСТЕМОЙ СИСТЕМНЫЕ

РЕСУРСЫ

УПРАВЛЕНИЕ ДИСПЕТЧЕР ВЫХОД ПЛАНИРОВЩИК

ИНСТРУМЕНТАМИ ИСПОЛНИТЕЛЬ

ЯДРО

–  –  –

Рисунок 2.2 – Компоненты инструмента управления приложением В начале работы всей системы загружаются системные журналы.

Инструмент управления приложением считывает из базы данных конфигурации настройки всей системы: настройки рабочих окон, системные события, информацию о запуске системы, настройки системных ресурсов, проверки наличия баз данных, параметры доступа к банкам данных. Далее выполняется загрузка монитора системы, после чего устанавливается соединение с модулями диспетчера.

Используя данные о конфигурации инструментов, модуль управления инструментами загрузит соответствующие им данные интерфейса. Каждый загружаемый инструмент обеспечивается базовым интерфейсом взаимодействия, предоставляемый в общем рабочем окне. Используя данные о настройках интерфейсов, модуль управления рабочими пространствами загружает данные и параметры интерфейса и создает все компоненты интерфейса при загрузке системы или отдельных инструментов. Все инструменты показаны в общем рабочем окне последовательно и используют общий набор меню интерфейса, элементы общего интерфейса и общей команды управления системы. Модуль управления инструментов позволяет добавить новый инструмент системы путем регистрации данных и компонентов нового инструмента в системной базе данных.

2.2.2 Инструмент “Регистрация пациентов и результатов КТ– исследований”.

Инструмент “Регистрация пациентов и результатов КТ–исследований” служит для загрузки и хранения данных из компьютерных томограмм [64]. В инструменте реализуется алгоритм чтения и текстовой информации, так и алфавитноцифровой информации изображения от стандартных файлов DICOM [29,30,43,44]. Извлеченные данные хранятся в локальной базе данных SQLite с определенной структурой, при этом рассматриваются 2 варианта хранения изображений в базе данных [26]:

1) полностью загрузить изображения КТ в БД как битовые данные,

2) хранение только информации КТ-изображений и ссылки на эти файлы, Обычно в одной серии изображений КТ содержит около тысячи DICOM изображений, а в одном изучении около четырех тысяч DICOM изображений. Для быстрой и эффективной обработки данных, все изображения хранятся полностью в базе данных. Структура базы данных также упрощает процесс поиска информацию по любому критерию из тегов, представленных в списке тегов.

Создаваемый программный инструмент включает средство просмотра DICOM, базу данных и поисковую систему. Целью создания этого программного продукта является удовлетворение настоящих и дальнейших требований специалистов в области обработки изображений DICOM [64].

При чтении загруженных изображений КТ, программ автоматически загружает все необходимые данные в окне DICOM Browser (Рисунок 2.3). Для обхода всех DICOM файлов в папке, в составе модулей инструмента выполняет алгоритм чтения данных DICOM файла. Алгоритм проверяет информацию в тегах и осуществляет поиск тега, а после его обнаружения выполняются следующие шаги:

Проверяется равенство ‘D’, ’I’, ’C’, ’M’ – символов 128ому, 129ому, 130ому и 131ому байтам файла соответственно.

Загрузка изображения из стандартных файлов DICOM,.

Проверка количества изображений, сохраненных в серии: единственный срез или множество срезов.

Проверка числа бит на пиксель: 8 бит, 12 бит, 16 бит или 24 бита.

Проверка тип изображений: Без сжатия (необработанные цифровые данные) или со сжатием (во виде TIFF или JPEG).

–  –  –

Рисунок 2.3 – Главное окно модуль “Регистрация пациентов и результатов КТ– исследований” Окно DICOM Browser представленное на рисунке 2.

3, содержит следующее компоненты управления:

Панель «File and directories to scan», которая используется для выбора файла(ов), директории, где содержатся файлы DICOM. При загрузке файла DICOM кадр (или первый кадр в случае многокадрового изображения) отображаются в панели “Image”.

При загрузке файла DICOM кадр (или первый кадр в случае многокадрового изображения) отображаются в панели «Image». Панель также используется для просмотра файла после обработки изображений.

Панель «Studies» содержит информацию об изучаемом объекте – это информации о пациентах, сколько серии было сняты, дата снятия изображений.

Панель «Series» содержит общую информацию о загруженных компьютерных томографии (тип КТ, размер, описание, количество изображений…).

Панель «Image Metadata» (Рис 4.3) отображает всю информацию о каждом изображении компьютерной томограммы. В панели «ImageFiles содержится список, в котором все категории выведены на экран. Дважды щелкая по элементу списка, все теги от той категории, которые были найдены в файле DICOM, будут выведены на экран, вместе с содержащейся информацией. Вся информация о файле содержится в базе данных, в которую сохраняются обработанные файлы.

Сохранение файла DICOM осуществляется путем декодирования файла, дальнейшим преобразованием извлеченного изображения в формат, такой как JPEG или TIFF файлы и сохранением тегов и путей изображений в базе данных.

Когда декодирование выполнено, файл добавляется в базу данных SQLite.

Обработанные данные могут быть выведены на экран в панели Image по команде пользователя.

Чтобы посмотреть словарь (список свойств) DICOM, необходимо выбрать [Справка | Словарь DICOM]. На экран будут выведены все теги, содержащиеся в словаре и сортированные по категориям Сохранение файла DICOM осуществляется путем декодирования файла, дальнейшим преобразованием извлеченного изображения в формат, такой как JPEG или TIFF файлы и сохранением тегов и путей изображений в базе данных.

Когда декодирование выполнено, файл добавляется в базу данных SQLite.

Обработанные данные могут быть выведены на экран в панели Image по команде пользователя.

Чтобы посмотреть словарь (список свойств) DICOM, необходимо выбрать [Справка | Словарь DICOM]. На экран будут выведены все теги, содержащиеся в словаре и сортированные по категориям 2.2.3 Инструмент “Твердотельное моделирование” 2.2.3.1 Компоненты инструмента “Твердотельное моделирование” Математическое обеспечение данного инструмента разрабатывалось автором совместно с Марковым М.В. и подробно представлено в работе [23]. Остановимся кратко на обосновании выбора основных компонент, формирующих инструмент «Твердотельное моделирование». В качестве источника данных выступает КТизображения, представленные в формате DICOM.

Инструмент твердотельного моделирования содержит модули: модуль обработки КТизображений, модуль триангуляции, модуль формирования контуров, модуль формирования томограмм, модуль построения геометрических объектами. Инструмент “Твердотельное моделирование” обеспечит построить 3Dмодель твердых тел с помощью математического и компьютерного графического обеспечения [36,41]. (Рисунок 2.4)

–  –  –

Рисунок 2.4 Компоненты инструмента твердотельного моделирования Модуль компьютерного графического обеспечения содержит определенный набор параметров, на основе которого строится модель твердых тел, или геометрии объекта твердых тел.

Для моделирования модели биомеханического объекта, в инструмент поступают КТизображения, или всю серию КТ, модуль “Обработки КТизображений” определяет тип изображения, сделает конвертацию тип изображения и сортировку, определяет зону обработки исследуемого объекта, предварительно обрабатывает изображения для лучшего качества сегментации контуров. После того, сформируется массив контрольных точек, на основе которых построится массив сплайнов. Модуль формирования 2D контуров позволяет на каждом срезе КТ построит контуры по сплайнлиниям, бывают 2 типа контура внутренний и внешний, все контуры должны замкнуты. Модуль формирования томограмм построит на основе массива 2D контуров математическую модель томограммы исследуемого объекта. И наконец, инструмент “твердотельного моделирования” формирует модель твёрдых тел, адресуясь к модулям “математическое обеспечения” и “компьютерного графического обеспечения”.

[36,41,42,60] Модуль математическое обеспечения Для моделирования геометрии объекта или 3Dмодели объекта используются КТизображения.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 
Похожие работы:

«БАЯНОВ Владимир Андреевич КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕРМАНОМОЛИБДЕНОВОГО ГЕТЕРОПОЛИАНИОНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ Специальность 02.00.04 – физическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент О.В. Рахимова Санкт-Петербург 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ГЕТЕРОПОЛИСОЕДИНЕНИЯ: ТИПЫ СТРУКТУР И ОБЛАСТИ...»

«Боровицкий Дмитрий Сергеевич Выбор сигнальных форматов для перспективных СРНС и их гидроакустических функциональных дополнений Специальность 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Ипатов Валерий Павлович Санкт-Петербург – 2015 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК...»

«АЛЯМКИН ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО – ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, профессор...»

«Орехов Дмитрий Львович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ Специальность: 05.27.06 Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.