Кінцево-елементна модель таза

Реферат: Кінцево-елементна модель таза містить тривимірне векторне комп'ютерне зображення цілісного тазового кільця у вигляді кінцево-елементної сітки включно з лобковим симфізом, крижово-клубовими, крижово-бугорними і крижово-остистими зв'язками, а також систему навантаження таза з верхньою і нижньою силовими опорами. Крім цього вона має додатково імітовані за допомогою комп'ютерної програми відвідні м'язи з точками їх прикріплення до визначених місць стегна і таза, а як нижню опору системи навантаження використовують опору, що імітує колінний суглоб нижньої кінцівки. UA 96034 U (12) UA 96034 U UA 96034 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до експериментальної медицини і стосується безпосередньо розробки кінцево-елементної моделі таза людини для оцінки його напружено-деформованого стану. Таз людини з біомеханічної точки зору уявляє собою потужну замкнену кінематичну систему, що складається із широкого кісткового кільця, утвореного двома тазовими кістками, крижем і куприком, лубковим симфізом і двох крижово-клубових зчленувань, міцно фіксуючих вентральний і дорсальний сектори тазового кільця і несе на себе всю важкість віще розташованих частин тіла. У зв'язку з цим важливе значення у розподілу і витримуванні навантажень має стабільність таза, яка залежить не тільки від кісткової структури, але і від потужних зв'язкових структур при різних кутових відхилень їх відносно середньо-фізіологічного положення, а також патології уражених сегментів таза, у тому числі після виконання хірургічних втручань при ушкодженнях та захворюваннях. Характер зазначених змін і оцінювання напружено-деформованого стану таза і окремих його сегментів досліджується методом його моделювання. Відомі моделі таза виконані, як правило, або у вигляді механічних систем, або побудовані на основі тривимірного векторного комп'ютерного зображення тіла таза у вигляді кінцевоелементної сітки. Останні моделі є, на відзнаку від механічних, більш прогресивними і мають значно більші можливості для оцінювання напружено-деформованого стану різних сегментів таза. Ці моделі дають можливість виконувати моделювання таза в нормі, при його ушкодженнях та захворюваннях, у тому числі за наявності або відсутності фіксуючих та коригувальних елементів (фіксаторів, ендопротезів, ортезів тощо). Відома кінцево-елементна модель таза у вигляді тривимірного комп'ютерного зображення тіла таза і головки стегна у вигляді кінцево-елементної сітки (Мителева З.М., Органов В.В., Чуйко А.Н. и др.. Роль субхнондральной пластинки вертлюжной впадины при эндопротезировании // Ортопедия, травматология и протезирование - 1999. - № 1. - С. 33-37). Ця модель побудована з набраних в певній системі координат одноплощинних зображень одної половини таза і проксимального відділу стегнової кістки з її головкою. Однак точність результатів дослідження на основі використання однієї половини таза досить незначна, так як при цьому не враховується роль таких основних з'єднань, що скріплюють кісткові структури цілісного таза, як лобковий симфіз, крижово-клубові, крижово-бугорні і крижово-остисті зв'язки. Найбільш близьким по суті і результату, що досягається, до запропонованого технічного рішення є кінцево-елементна модель таза, що містить тривимірне векторне комп'ютерне зображення цілісного тазового кільця у вигляді кінцево-елементної сітки включно з лобковим симфізом, крижово-клубовими, крижово-бугорними і крижово-остистими зв'язками, а також систему навантаження таза з верхньою і нижньою силовими опорами, (пат. UA № 45024, А61В 5/055, G09B 23/28, 2002). У даній моделі верхня опора системи навантаження щільно зв'язана з п'ятим хребцем хребта, а нижня опора - з головкою стегна. Імітування в моделі цілісного таза зазначених зв'язків, що уявляють собою потужну біомеханічну структуру, здатну витримувати переніс навантаження від хребта на ніжні кінцівки, дозволяє враховувати перерозподіл і величину напружено-деформованого стану, як таза в цілому, так і окремих його фрагментів, і дає можливість отримати більш достовірні характеристики стану таза. В той же час, використання як нижньої опори системи навантаження головки стегна і відсутність м'язів та прикріплення їх до визначених місць стегна і таза не уможливлюють дослідження характеру перерозподілу зусиль, що виникають в тазі, його суглобових поверхнях і м'язовому апараті при різних кутових положеннях стегнової кістки відносно кульшових западин у конкретного пацієнта. Це знижує інформативність і вірогідність отриманих характеристик напружено-деформованого стану таза. Задача даної корисної моделі полягає у створенні кінцево-елементної моделі таза, яка дозволяє дослідити вплив відвідних та привідних м'язів стегна, а також місця розташування нижньої опори системи навантаження на перерозподіл напружено-деформованого стану різних фрагментів таза, згідно із задачею планованого оперативного втручання. Поставлена задача вирішується тим, що в кінцево-елементну модель таза, що містить тривимірне векторне комп'ютерне зображення цілісного тазового кільця у вигляді кінцевоелементної сітки включно з лобковим симфізом, крижово-клубовими, крижово-бугорними і крижово-остистими зв'язками, а також систему навантаження таза з верхньою і нижньою силовими опорами, згідно з корисною моделлю, вона має додатково імітовані за допомогою комп'ютерної програми відвідні м'язи стегна з точками прикріплення їх до визначених місць стегна і таза, а як нижню опору системи навантаження використовують опору, що імітує колінний суглобі нижньої кінцівки. 1 UA 96034 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Використання в зазначеній моделі як нижньої опори системи навантаження опори, що прикріплена до колінного суглоба нижньої кінцівки, а також додаткове введення в модель за допомогою комп'ютерної програми відвідних м'язів стегна з точками їх прикріплення до визначних місць таза і стегна дозволяє досліджувати характер перерозподілу зусиль, що виникають в тілі таза, його суглобових поверхнях і м'язовому апараті при різних кутових розташуваннях стегнових кісток відносно кульшових западин таза, а отже, підвищити інформативність і вірогідність отриманих характеристик напружено-деформованого стану таза. Аналогічних технічних рішень зі схожими ознаками при проведенні патентно-інформаційного пошуку не виявлено. Це свідчить про те, що запропоноване технічне рішення є новим і клінічно придатним. Кінцево-елементна модель таза пояснюється креслення, де на показане комп'ютерне зображення зазначеної моделі, пряма проекція. Кінцево-елементна модель таза містить тривимірне векторне комп'ютерне зображення цілісного тазового кільця 1 у вигляді кінцево-елементної сітки з лобковим симфізом 2, крижовоклубовими 3, крижово-бугорними 4 і крижово-остистими 5 зв'язками відповідно, а також систему навантаження таза з верхньою В і нижньою А силовими опорами. В модель додатково імітовані за допомогою комп'ютерної програми відвідні 6 м'язи з точками їх прикріплення до визначених місць стегна 7 і таза 1. Нижня силова опора А жорстко прикріплена до виростка стегна і імітує колінний суглоб кінцівки. Модель створюють таким чином. Виконують послідовні растрові томографічні зрізи і побудову тривимірного векторного комп'ютерного зображення частини поперекового відділу 8 (з 5-го хребця) разом з тазом і стегнами 7 у вигляді кінцево-елементної сітки з лобковим симфізом 2, крижово-клубовими 3, крижово-бугорними 4 і крижово-остистими 5 зв'язками відповідно, а також відвідними 6 м'язами з точками їх прикріплення до стегна і таза. В модель також вводять нижню силову опору А, що імітує колінний суглоб кінцівки. Задають фізичні характеристики матеріалів окремих елементів таза, стегна, зв'язок і м'язів. Матеріали умовно вважають однорідними та ізотропними. Для побудови кінцево-елементної сітки використовували: ЗД, 10-вузловий тетраедальний елемент SOLID 187; ЗД, 20-вузловий квадратичний елемент SOLID 186, а також TARGE 170, CONTA 174 - контактні елементи. Усього кінцево-елементна сітка моделі нараховувала 27356 елементів. Залежно від патології кульшового суглоба, а також характеру хірургічних втручань при лікуванні суглоба за допомогою комп'ютерної програми імітують інші від нейтрального положення кутові стегнової кістки шляхом зведення головки зазначеної кістки на визначену величину, або на переміщення кістки в медіальному або в латеральному напрямках на відстань не менш 1,0 см, або згинання і розгинання її від 10° до 90°, або приведення і відведення її від 10° до 45°, або шляхом внутрішньої або зовнішньої ротації від 10° до 90°, або шляхом одночасного переміщення в двох або більше із зазначених напрямків. Залежно від кутового розташування стегна змінюють також кут розташування нижньої силової опори 7. На верхню опору В, що контактує з 5-м хребцем хребта прикладають навантаження уздовж гравітаційної лінії хребта за величиною, що дорівнює 40 % від маси тіла конкретного хворого. Виконують реєстрацію напружень і деформацій в окремих компонентах моделі (кульшової западини, симфіз, зв'язки і м'язи тощо). За результатами досліджень, проведених з використанням запропонованої моделі встановлено, що додаткове формування на комп'ютерному зображенні таза нижньої опори А на рівні колінного суглоба кінцівки, а також відвідних м'язів стегна наближує умови моделювання таза до реальних умов функціонування організму пацієнта, що позитивно позначається на більш високій точності отриманих величин напружено-деформованого стану як таза в цілому, так і його окремих фрагментів. При цьому виникає можливість визначення зон ризику ушкоджень в окремих фрагментах таза. Результати дослідження на даній моделі використовуються в клініці ортопедичної артрології та ендопротезування ДУ "Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. M.I. Ситенка НАМНУ". Технічний ефект від використання даних досліджень на моделі при оперативних втручаннях складає у межах 94-97 %, а клінічний ефект - на рівні 90-92 %, що на 15-17 % вище, ніж без використання зазначених даних дослідження. На момент створення запропонованої кінцево-елементної моделі таза обстежено 9 пацієнтів. Корисна модель може бути використана у будь-який лікувальній або діагностичній установі, яка займається діагностикою та лікуванням ушкоджень і захворювань таза і кульшових суглобів. 60 2 UA 96034 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Кінцево-елементна модель таза, що містить тривимірне векторне комп'ютерне зображення цілісного тазового кільця у вигляді кінцево-елементної сітки включно з лобковим симфізом, крижово-клубовими, крижово-бугорними і крижово-остистими зв'язками, а також систему навантаження таза з верхньою і нижньою силовими опорами, яка відрізняється тим, що вона має додатково імітовані за допомогою комп'ютерної програми відвідні м'язи з точками їх прикріплення до визначених місць стегна і таза, а як нижню опору системи навантаження використовують опору, що імітує колінний суглоб нижньої кінцівки. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3