Павлова Я.Р., Гриф А.М.
РАЗРАБОТКА НАУКОЕМКОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПЛАНТАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ *
Аннотация:
в работе приводится описание технологии для проектирования имплантатов черепа. Данная технология реализована в наукоемком программном обеспечении в виде системы взаимосвязанных модулей. Интерфейс пользователя был адаптирован под компетенции врачей, что позволило уменьшить время на проектирование одной модели имплантата
Ключевые слова:
Нейрохирургия, краниопластика, CAD-технология, титановые имплантаты, 3D-печать
Введение. По данным Всемирной организации здоровья ежегодно в мире от черепно-мозговой травмы (ЧМТ) погибают порядка 1.5 миллиона человек, а 2.4 миллиона становятся инвалидами. В России ЧМТ ежегодно получают около 700 тыс. человек, 50 тыс. из них погибают, а еще 50 тыс. становятся официальными инвалидами. Также существует особая категория пациентов с нейроонкологией, у которых при определенном методе лечения требуется проведение краниотомии. В рабате приводится описание разработанной программной системы, с помощью которой врач-нейрохирург может планировать операции с использованием индивидуальных титановых имплантатов. Методы и материалы. Предлагаемая в работе технология реализована в программном обеспечении и состоит из четырех этапов. 1. Первично формируется цифровая 3D-модель черепа пациента. Для этого из серии снимков, выполненных в лечебном учреждении с использованием томографа, выполняется реконструкция для участков, соответствующих плотности костной ткани человека. Для этого применяется алгоритм «Marching Cubes» для значения плотности, равной +500 Hu по т.н. шкале Хаунсфилда. Далее эта модель преобразуется в полигональную, удобную для просмотра и анализа в различных трехмерных графических системах. 2. Для создания геометрии имплантата по модели черепа пациента используется функционал сглаживающих сплайнов, чтобы достичь конфигурацию имплантата близкую к геометрии черепа пациента. Для этого по набору выставленных характерных точек формируется B-spline, при чем для сглаживания граничных точек используется B-curve. У пользователя системы есть возможность двигать опорные точки сплайна в плоскости. В функционале системы предусмотрена возможность создания отверстий необходимого диаметра на границе имплантата. С помощью этих отверстий имплантат крепится к черепу пациента посредством специальных шурупов. 3. Третьим этапом является оптимизация толщины создаваемого имплантата и перфорационных отверстий. С помощью этой оптимизации возможно уменьшить вес конструкции и, как следствие, стоимость готовой продукции. Данная оптимизация производится на основе решения задачи условной оптимизации с ограничением на допустимую прочность получаемого имплантата. Для определения упругостных характеристик задается система уравнений теории упругости относительно трех неизвестных полей перемещений, напряжений и смещений, включая соотношения Коши, закон Гука и соотношения Навье. Данная система решается с помощью программного пакета вычислительной математики с использованием метода конечных элементов. 4. Изготовление имплантата. Оптимизированная модель имплантата сохраняется в общий формат 3D-принтеров и может быть напечатана в центре прототипирования на титановом 3D-принтере. В качестве языка программирования был выбран язык C#, интерфейсная часть реализована с применением технологии WPF. На рисунке 1 представлен процесс создания индивидуального имплантата в разработанном ПК для пациента с черепно-мозговой травмой. Выводы. Предложенная в данной работе технология была реализована в виде программного обеспечения, состоящего из четырех модулей. Программная реализация CAD технологии позволяет врачам-нейрохирургам в кратчайшие сроки сформировать конфигурацию имплантатов. Было проведено тестирование разработанного ПО врачами-нейрохирургами «ННИИТО им И.Я. Цивьяна» (г. Новосибирск). Было установлено, что создаваемые модели имплантатов хорошо повторяют форму лицевого и мозгового отделов черепа. Интерфейс пользователя был адаптирован под компетенции врачей, что позволило уменьшить время на проектирование одной модели имплантата.
Номер журнала Вестник науки №7 (28) том 2
Ссылка для цитирования:
Павлова Я.Р., Гриф А.М. РАЗРАБОТКА НАУКОЕМКОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПЛАНТАТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ // Вестник науки №7 (28) том 2. С. 111 - 114. 2020 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/3438 (дата обращения: 26.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2020. 16+