Спосіб моделювання шийного відділу хребта

1. Спосіб моделювання шийного відділу хребта, що включає виконання послідовних растрових томографічних зрізів і побудову тривимірного векторного комп'ютерного зображення шийних хребців, м'язів і зв'язок у вигляді скінченно-елементної сітки і наступну реєстрацію напружень і деформа 3 37929 В той же час, відомий спосіб моделювання не дає можливості розв'язувати завдання моделювання спільної роботи шийного відділу хребта з ортезом з урахуванням індивідуальних особливостей пацієнта, його патологій та силових навантажень (величини, напрямки і розподілу сил та напружень). Це суттєво обмежує можливості відомого способу моделювання. Завдання даної корисної моделі полягає у створенні способу моделювання шийного відділу хребта, що забезпечує можливість сумісного дослідження зазначеного відділу хребта разом із ортезом та іншими замісними та допоміжними конструкціями і, таким чином, поширює функціональні можливості моделювання. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі моделювання шийного відділу хребта, заснованому на виконанні послідовних растрових томографічних зрізів і побудові тривимірного векторного комп'ютерного зображення шийних хребців, м'язів і зв'язок у вигляді скінченно-елементної сітки і наступній реєстрації напружень і деформацій в компонентах останнього при різних варіантах навантаження, згідно з корисною моделлю, додатково імітують за допомогою комп'ютерної програми ортез із зазначеними властивостями і за індивідуальною формою, що повторює форму шиї пацієнта і охоплює останню у єдиній тривимірній моделі, нижню опору ортеза обмежують по переміщенню шляхом жорсткої її фіксації, а на верхню опору і бічні його ділянки накладають навантаження як при середньо-фізіологічному положенні шиї, так і при різних кутови х її відхиленнях від зазначеного положення, а напруження і деформацію на різних ділянках шиї визначають з урахуванням властивостей матеріалу ортеза. Кутові відхилення шиї від середньо-фізіологічного положення її виконують при цьому у фронтальній площині - у межах до 10°, а у сагітальній площині - у межах до 12°. Додаткова імітація за допомогою комп'ютерної програми ортеза із зазначеними властивостями і за індивідуальною формою, що повторює форму шиї пацієнта і охоплює останню у єдиній тривимірній моделі, у якій нижню опору ортеза обмежують по переміщенню шляхом жорсткої її фіксації, а на верхню опору і бічні його ділянки навантаження як 4 при середньо-фізіологічному положенні шиї, так і при різних кутови х її відхиленнях від зазначеного положення, а також визначення напруження і деформацій на різних ділянках шиї з урахуванням властивостей матеріалу ортеза, дає можливість досліджувати спільну роботу зазначеного відділу хребта з ортезом при різних видах патології і різних способах навантаження, а також моделювати хірургічне втр учання за різними схемами і обчислювати розподіл напружень у будь-якому елементі системи (хребці, ендопротеза, ортеза). Виконання кутових відхилень шиї від середньо-фізіологічного положення її у фронтальній площині - у межах до 10°, а у сагітальній площині у межах до 12° дає можливість досліджувати розподіл напружень і деформацій на елементи системи у межах відхилення шиї, що не допускають можливі патологічні зміни в ній. Аналогічних те хнічних рішень зі схожими ознаками при проведенні патентно-інформаційного пошуку не виявлено. Це свідчить про те, що спосіб моделювання шийного відділу хребта, що пропонується, є новим і клінічно придатним. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений шийний ортез; на фіг. 2 геометрія шийного відділу хребта; на фіг. 3 - геометрія моделі даного відділу хребта в зборі з ортезом; на фіг. 4 - скінченно-елементна модель, фронтальна її проекція; на фіг. 5 - те ж саме, повернуте на кут до 45°; на фіг. 6 - розподіл напружень в досліджуваній геометрії без ортеза; на фіг. 7 - те ж саме із ортезом. Спосіб моделювання шийного відділу хребта виконується наступним чином. Виконують послідовні растрові томографічні зрізи і побудову тривимірного векторного комп'ютерного зображення шийних хребців 1 (фіг. 3), м'язів і зв'язок як одне ціле у вигляді скінченно-елементної сітки 2. Імітують також за допомогою комп'ютерної програми додатково ортез 3 із зазначеними властивостями його матеріалу і за індивідуальною формою, що повторює форму шиї і о хоплює останню у єдиній тривимірній моделі. Задаються фізичні характеристики матеріалів окремих елементів шийного відділу хребта та матеріалу ортеза, що позначенів таблиці 1. Таблиця 1 Фізичні характеристики моделі шийного відділу хребта із ортезом 1 2 3 4 5 Матеріал і складова частина моделі 1 Кортикальний шар кістки Губчаста кістка Суглоб Диск Ортез (спінений поліетилен) Модуль Юнга (МПа) Е Коефіцієнт Пуассона V 2 10000 450 10,6 4,2 1,2 3 0,3 0,2 0,49 0,45 0,45 Матеріали умовно вважають однорідними і ізотропними. Для побудови скінченно-елементної сітки використовували: 3-D, 10-вузловий тетраедральний елемент - SOLID 187; 3D, 20-вузловий квадратичний елемент - SOLID 186, а також TARGE 170 і CONTA 174 - контактні елементи. 5 37929 Усього скінченно-елементна сітка моделі нараховувала 246159 елементів (фіг. 4 і 5). На побудовану модель шийного відділу хребта із ортезом накладають навантаження як при середньо-фізіологічному положенні шиї, що характеризується вертикальною віссю ОО, так і при різних кутови х її відхиленнях від зазначеного положення: у фронтальній площині - у межах до 10°, а у сагітальній площині - у межах до 12°. Вертикальне навантаження здійснювали шляхом прикладання до верхньої частини моделі сили, величина якої дорівнювала 100Н, що відповідає вазі голови середньостатистичної людини. Нижню опору 4 (фіг. 5) ортеза обмежували по переміщенню шляхом жорсткої її фіксації, а навантаження виконували на верхню опору 5 ортеза, бічні його ділянки 6. Наступну реєстрацію напружень і деформацій в окремих компонентах моделі виконували при різних варіантах навантажень з урахуванням властивостей матеріалу ортеза. На фіг. 6 і 7, що фіксують розподіл напружень в досліджуваній геометрії моделі у варіанті вертикаль 6 ного навантаження, можна бачити, що напруження в шийному відділі хребта за рахунок ортезування знизилися відповідним чином по висоті. Комп'ютерно-томографічні зрізи шийних хребців були використані без ознаків природжених аномалій розвитку або деструктивного ураження. Таким чином, додаткова імітація за допомогою комп'ютерної програми ортеза із зазначеними властивостями, обмежування нижньої його опори шляхом жорсткої фіксації і прикладання навантаження на верхню опору ортеза і бічні його ділянки при різних кутови х відхиленнях шиї від середньофізіологічного положення її, а також визначення напружень і деформацій на різних ділянках шиї з урахуванням властивостей матеріалу ортеза, дозволяє досліджувати спільну роботу зазначеного відділу хребта з ортезом при різних видах патології і різних способах навантаження і обчислювати розподіл напружень у будь-якому елементі системи - хребцях, ортезі та інших. Це значно підвищує функціональні можливості моделювання шийного відділу хребта. 7 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 37929 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601