XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение. В настоящее время биомедицинское моделирование является важным инструментом для изучения механизмов системной организации физиологических функций организма. Для изучения закономерностей протекания физиологических процессов в организме широко применяются математические и компьютерные модели. Эти модели имеют преимущества перед другими видами биомеханических моделей, так как для получения новых научных знаний они не требуют создания реальной физической модели [8].

Для определения различных параметров в исследованиях сложных биомеханических систем обычно используются методы численного моделирования. Наиболее популярным в решении сложных задач численного моделирования является метод конечных элементов, который позволяет повторить анализ системы при изменении параметров модели. Таким образом, можно исследовать влияние соответствующего параметра на результат расчета всей модели. Кроме того, указанный метод позволяет получить информацию, которая не может быть получена с помощью обычных методов измерения, и провести моделирование ситуаций, которые не могут быть получены в реальной жизни на основе эксперимента [1].

Полноценным инструментом для 3D-моделирования и автоматизированного проектирования сложных изделий различного назначения является программная среда «SolidWorks» [9]. Данное средство имеет широкий потенциал применения в проектировании различных биомеханических моделей, который позволяет создавать как целостные модели, так и сборные модели из множества отдельных деталей. Программа учитывает взаимодействие деталей модели между собой. Программная среда дает возможность оценивать распределение нагрузок в модели, что позволяет ее оптимизировать и исключить некоторые недочеты конструкции еще на этапе моделирования, без необходимости создания физической модели.

Результаты. А.Е. Кобитянским, А.О. Трофимовым, Д.А. Фефиловым, В.С. Белобородовым (2014) в среде «SolidWorks» был разработан тренажер для людей с посттравматическими контрактурами локтевого сустава. Процедура моделирования осуществлялась путем задания модели свойств материала, из которых она изготовлена, и задания силовых факторов, прикладываемых к ее элементам. В ходе разработки были проведены расчеты на статическую прочность модели, полученной в среде «SolidWorks Simulation». Были сформированы картины поля относительных смещений, поля деформаций и напряжений в элементах тренажера. Полученные результаты позволили спроектировать и изготовить методом быстрого прототипирования один из вариантов тренажера для пациентов с этой патологией [7].

Я. Зубжицки с соавторами (2018) представили результаты структурного анализа тазового пояса, проведенного до и после процедуры замены тазобедренного сустава, с учетом изменений механических свойств суставного хряща. Численные модели кости и имплантата были также выполнены в среде «SolidWorks». Механический анализ проводился с использованием метода конечных элементов. Полученная в ходе исследования модель позволяет получить данные об изменениях распределения напряжений в тазовом поясе в результате приложенных нагрузок до и после процедуры замены тазобедренного сустава и может являться хорошей основой для дальнейших исследований тазобедренного сустава. Так же полученная модель может использоваться как дополнительный фактор при принятии решения выполнения замены сустава, представляя потенциальные преимущества этой процедуры [6].

В исследовании С.А. Линника с соавторами (2011) изучалось биомеханическое состояние систем фиксации четырехфрагментарного перелома проксимального отдела плечевой кости пластинами АО (ассоциации остеосинтеза), с угловой стабильностью, Воронкевича и с шипом. Исследование заключалось в компьютерном моделировании систем фиксации перелома, сравнении их жесткости и выборе наилучшего варианта фиксации. Объемная модель кости строилась по томографическим срезам при помощи среды «SolidWorks». Затем были выполнены компьютерные остеотомии кости и созданы компьютерные модели системы фиксации четырехфрагментарного перелома. Задачи определения напряженно-деформированного состояния звеньев систем фиксации решены с помощью метода конечных элементов с использованием высокоточных тетраэдральных конечных элементов в пакете «Simulation», интегрированном в SolidWorks. В результате исследования было выяснено, что пластина с шипом обеспечивает лучшую стабильность фиксации и может быть рекомендована для предпочтительного применения в системах фиксации четырехфрагментарного перелома плечевой кости [3].

Анализ показателей при физическом и математическом моделировании взрывного перелома поясничного отдела позвоночника был проведен Попсуйшапко К.А. с соавторами (2016). В ходе исследования были созданы 4 математические модели: первая модель - в норме; вторая - с разрушением 50 % объема тела позвонка; третья - с разрушением всего тела позвонка и смежных дисков; четвертая - с разрушением тела позвонка, диска, заднего опорного комплекса (дуги и частично суставов). Построение геометрических моделей проводили в программной среде «SolidWorks», конечно-элементные расчеты — в программе «Ansys».

В результате исследования было установлено, что у первой и второй математической модели обнаружено достаточно близкое совпадение результатов с экспериментальными моделями, была выявлена одинаковая направленность процессов, но без полного совпадения полученных данных. Однако, при возрастании нагрузки свыше 200 Н в экспериментальных моделях было обнаружено нелинейное поведение, в отличие от математических. В случае моделей третьей и четвертой возникает существенное отличие результатов расчетной модели от эксперимента вследствие явного нелинейного поведения экспериментальной модели, следовательно анализ на этих расчетных моделях может дать неадекватные результаты [1].

Следует отметить, что программная среда «SolidWorks» содержит инструменты для моделирования процессов течения жидкости, что позволяет строить модели и изучать характер движения различных физиологических жидкостей, как при нормальном, так и при различных патологических состояниях. Инструменты математического расчета помогают оценить скорости и характер движения жидкостей, а так же давление оказываемое жидкостями на сосуды, в которых они находятся. Такие модели могут применяться для выбора методики лечения и прогнозирования различных аспектов оперативных вмешательств. Помимо жидкостей программа позволяет моделировать потоки воздуха, что, например, полезно при моделировании дыхательной системы.

Тишковец Ю.А. и Филиппова М.В. (2016) в среде «SolidWorks» исследовали пространственную модель двухслойного сосуда с патологической извитостью в виде петли. Были выявлены особенности напряженно-деформированного состояния сосуда в области петли в зависимости от отношения диаметра петли к диаметру сосуда. Получены значения параметров патологической извитости (петли), при которых механическое состояние сосуда значительно отличается от состояния сосуда без патологии. Была создана модель кровотока в сосудистом русле для исследования величины касательного напряжения в потоке крови на внутренней стенке артерии. Низкое значение касательных напряжений на стенке свидетельствует о большой вероятности начала атеросклеротического процесса. Проведенное моделирование патологических извитостей в зоне бифуркации сонной артерии выявило определенные закономерности нарушения нормальной гемодинамики [4].

В исследовании Г. Башаровой, П.И. Бегун и О.В. Тихоненковой (2018) была разработана модель кровеносных сосудов, питающих мозг. По срезам томограмм в программе «SolidWorks» были построены трехмерные компьютерные модели брахицефальных артерий с Виллизиевом кругом. В программе «Сosmos», конвертируемой со средой «SolidWorks, был проведен анализ напряженно – деформированного состояния сосудов, затем компьютерные модели экспортировались в программу «Ansys», где были созданы конечно-элементные модели для анализа кровотока. В работе исследованы различия в скорости и завихренности кровотока при разных степенях стеноза. Результаты этих исследований могут быть использованы как дополнительный диагностический инструмент при анализе мозгового кровообращения в специфических анатомических случаях или в случае планирования операций при закупорке нескольких артерий [5].

Построение 3D-модели миокарда левого желудочка сердца человека в системе «SolidWorks» было выполнено в исследовании Е.А. Родионова и А.А. Голядкиной (2018). Полученная модель представляет собой средний слой стенки левого желудочка сердца – миокард, который состоит из соединительного слоя и 3 слоев разнонаправленных миокардиальных волокон: внутренний, средний и внешний. Численный анализ проводился в конечно-элементном пакете «Ansys». B работе построена осесимметричная модель миокарда и для простоты расчетов рассматривалась только 1/4 часть модели. На основе результатов моделирования был проведен анализ распределения значений эквивалентных напряжений и деформаций для тканей элементов модели миокарда. Так же было проведено сравнение значений эквивалентных напряжений и деформаций у модели с учетом миокардиальных волокон с моделью без учета миокардиальных волокон. В результате исследования было обнаружено, что при биомеханическом моделировании миокарда левого желудочка более точные результаты дает неоднородная модель с разнонаправленными миокардиальными волокнами [2].

Выводы. Результаты проведенного обзора результатов исследований по вопросам применения программной среды «SolidWorks» в моделировании биомеханики систем организма человека показали, что в большинстве случаев данная программная среда применяется для моделирования костно-мышечной и гемодинамической систем.

В доступной литературе нам не удалось обнаружить достаточной информации о разработке компьютерных моделей желчевыводящей системы человека в норме и при патологии. Актуальность разработки подобной модели обоснована значительной распространенностью и высоким уровнем заболеваемости данной патологией во всем мире. Так, по сведениям различных авторов, желчекаменная болезнь выявляется у 10 - 40% населения различных возрастов, и в настоящее время представляет одну из самых частых и экономически значимых медицинских проблем в индустриально развитых странах. Число послеоперационных осложнений также достаточно высоко, поскольку врачи не всегда могут спрогнозировать функциональное поведение системы (суточный расход желчи, давление в элементах билиарной системы и т.д.). Учитывая вышеизложенное, разработка модели позволяющей анализировать состояние желчевыводящей системы и риски проведения оперативных вмешательств является актуальной. К настоящему моменту нами рассмотрены теоретические аспекты реологических свойств желчи, а также направления моделирования течения желчи в сегментах билиарной системы, которые в дальнейшем будут реализованы в компьютерной модели с использованием среды «SolidWorks».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Попсуйшапка К.А., Тесленко С.А., Яресько А.В., Krishnappa V. Сравнительный анализ показателей при физическом и математическом моделировании взрывного перелома поясничного отдела позвоночника // Травма. – 2016.– №3.– С. 92–98.

2. Родионов Е.А., Голядкина А.А. Конечно-элементное моделирование миокарда левого желудочка сердца // Математика. Механика. – 2018. – № 20. – C. 121–123.

3. Линник С.А., Ранков М.М., Шукейло Ю.А., Щеглов О.В. Биомеханика остеосинтеза накостными пластинами четырехфрагментарного перелома плечевой кости // Российский журнал биомеханики. – 2011. – № 1. – C. 52–64.

4. Тишковец Ю.А., Филиппова М.В. Моделирование кровеносных сосудов человека в аппаратной среде SolidWorks // Знание. – 2016. – № 4 – С. 138–142.

5. Башарова Г., Бегун П.И., Тихоненкова О.В. Моделирование в 3D-пакете и биомеханическое исследование состояния кровеносных сосудов, питающих мозг // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. – 2018. – № 3. – С. 30-39.

6. Зубжицки Я. Структурный анализ таза до и после процедуры замены тазобедренного сустава / Я. Зубжицки и др. // Наука и техника. – 2018. – № 2. – С. 165–172.

7. Кобитянский А.Е., Трофимов А.О., Фефилов Д.А., Белобородов В.С. Твердотельное моделирование элементов тренажера для реабилитации локтевого сустава // Пермский национальный исследовательский политехнический университет. – 2014 – 12 с.

8. Мезенцева Л.В., Перцов С.С. Математическое моделирование в биомедицине // Вестник новых медицинских технологий. – 2013. – № 1. – С. 11-14.

9. SolidWorks 2016: краткий обзор программы[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3ddevice.com.ua/blog/3d-printer-obzor/obzor-programmy-solidworks/ (дата обращения: 25.01.2020). – Загл. с экрана.