Информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Лебедева, Елена Александровна

• Лебедева, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедева, Елена Александровна

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния исследования и коррекции мышечно-апоневротических структур брюшной стенки в норме, патологии и после герниопластики.

1.1. Проблемы предоперационного прогнозирования результатов герниопластики.

1.2. Исследование структур брюшной стенки в норме и патологии.

1.2.1. Строение и функционирование стенок живота.

1.2.2. Механические свойства структур передней брюшной стенки.

1.2.3. Общие сведения о грыжах живота.

1.2.4. Классификация грыж живота.

1.2.5. Общие факторы образования грыж.

1.3. Методы диагностики грыж брюшной стенки.

1.4. Коррекция мышечно-апоневротических структур брюшной стенки 50 Выводы.

Глава 2. Биомеханическое моделирование структур брюшной стенки

2.1. Построение содержательных моделей в герниологии.

2.2. Схематизация механических свойств тканей структур передней брюшной стенки.

2.3. Экспериментальные исследования механических свойств тканей структур передней брюшной стенки.

2.4. Решение задач биомеханики методом конечных элементов.

2.5. Сравнительный анализ точности вычислений

2.6. Моделирование структур передней брюшной стенки с использованием компьютерных программ.

2.6.1. Моделирование передней брюшной стенки.

2.6.2. Моделирование паховой области.

Выводы.

Глава 3. Исследование состояния биологических структур в герниологии до и после реконструкции

3.1. Исследование патологических изменений в белой линии живота.

3.2. Исследование состояния структур передней брюшной стенки после реконструкции.

3.3. Исследование патологических изменений в паховом канале.

Выводы.

Глава 4. Информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии»

Проблема лечения грыж брюшной стенки до сих пор привлекает внимание хирургов всего мира. Это можно объяснить большой распространенностью данной патологии и частичной неудовлетворенностью результатами операций. Важность проблемы определяется также тенденцией к росту заболеваемости грыжами, отмечаемой в последнее время многими авторами. Это обусловлено увеличением числа людей пожилого и старческого возраста с присущими им хроническими заболеваниями органов дыхания и кровообращения, моче-выводящей системы, хроническими запорами, приводящими к периодическому повышению внутрибрюшного давления, а также болезнями обмена веществ (ожирение, сахарный диабет), что способствует расхождению фасциального футляра мышц передней брюшной стенки. С другой стороны, увеличение количества лапаротомий и расширение объема оперативных вмешательств на органах брюшной полости уже само по себе привело к большому количеству грыж в области послеоперационного рубца как следствие нарушения анатомо-физиологической целостности брюшной стенки, так и возможных дефектов оперативной техники.

Наличие грыж нарушает общее состояние больных, понижает их трудоспособность и нередко приводит к тяжелым осложнениям, самым грозным из которых является ущемление. Число пациентов с ущемленными грыжами достигает 15 - 18 % от общего количества грыженосителей. Послеоперационная летальность при этом неотложном состоянии составляет от 3 до 12 %, а для больных старше 60 лет она возрастает до 16-20 %. Нельзя недооценивать экономическое значение лечения больных с грыжами, поскольку ежегодно оно требует огромных дополнительных затрат на госпитализацию и амбулаторное долечивание пациентов.

Для хирургического лечения различных грыж живота в настоящее время разработаны многочисленные методики - от простых аутопластических способов за счет собственных тканей больного до сложных реконструктивных oneраций с использованием биологических и искусственных материалов. Однако, как показывает клинический опыт, ни один из предложенных способов не гарантирует от рецидивов грыж, что может свидетельствовать в ряде случаев о несовершенстве используемых методов лечения. Основным принципом оперативного лечения грыж является индивидуальный, дифференцированный подход к выбору методов грыжесечения. Это связано с тем, что: 1) существует большое количество разных форм и различные сочетания поражений одних и тех же мышечно-апоневротических структур брюшной стенки; 2) один и тот же патологический процесс протекает по-разному в различных организмах; 3) диагностические методы отражают только состояние, в котором реконструируемые структуры находятся до и после операции; 4) часто технологию проведения реконструкции структур брюшной стенки приходиться менять прямо во время операции в связи с выявлением новых диагностических признаков после вскрытия грыжевого дефекта.

Отсутствие необходимых знаний о поведении мышечно-апоневротических структур и возникающего в них напряженно-деформированного состояния объясняет тот факт, что в герниопластике из-за отсутствия необходимого информационного обеспечения, до настоящего времени не сложилось общее мнение о технологических принципах операций, не изучены условия минимальной травматизации биологических структур. По сути, операции выполняются "вслепую". Врачи видят только результат операции: положительный или отрицательный. Создание новых надежных оперативных методик невозможно без применения методов предоперационного прогнозирования результатов операций.

Приведенные факты позволяют сделать вывод об актуальности темы диссертации, которая определяется: 1) отсутствием объективных методов предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии; 2) существующими потребностями в предоперационном прогнозировании результатов реконструктивных герниопластик; 3) возможностями современных компьютерных технологий.

Объект исследования - система предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Предмет исследования - информационное обеспечение биотехнической системы предоперационного прогнозирования, позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние биологических структур при реконструктивных операциях в герниологии.

Цель работы: повышение эффективности предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций путем совершенствования информационного обеспечения системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневротических структур в герниологии.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) построить компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области;

2) провести экспериментальные исследования механических свойств структур передней брюшной стенки и паховой области;

3) провести исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции;

4) разработать биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований;

5) создать новое информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневротических структур в герниологии и провести апробацию выполненных разработок.

Методы исследования. В работе использованы методы компьютерного моделирования и механики твердого деформированного тела. Экспериментальные исследования механических свойств тканей мышечно-апоневротических структур брюшной стенки выполнены in vitro совместно с сотрудниками лаборатории кафедры хирургических болезней № 2 СПб ГМА им. И.И.Мечникова при использовании методов математической статистики. Компьютерные модели для исследования напряженно-деформированного состояния при хирургических воздействиях на рассматриваемые биологические структуры были реализованы при использовании модуля конечно-элементного анализа COSMOS-Works, интегрированного в систему пространственного моделирования Solid-Works.

Новые научные результаты:

1) алгоритм исследования напряжений и перемещений в структурах передней брюшной стенки и паха, позволяющий строить для них компьютерные модели;

2) компьютерные модели структур передней брюшной стенки и паховой области для исследования в них напряженно-деформированного состояния при патологии и после герниопластики;

3) метод экспериментальных исследований механических свойств тканей брюшной стенки in vitro и имплантатов, позволяющий вводить в модели их биомеханические характеристики;

4) биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований.

Практическую ценность работы составляют:

1) компьютерные модели брюшной стенки и паховой области при патологии и после реконструкции;

2) биомеханический метод исследования напряженно-деформированного состояния структур брюшной стенки и паховой области при патологии и после реконструкции;

3) состав и функции основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Внедрение результатов. Результаты исследований, включающие программное и информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии и выборки экспериментальных данных, переданы на кафедру хирургических болезней № 2 Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. На базе разработанного информационного обеспечения создана лабораторная работа «Компьютерное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния в герниологии», раздел методического пособия «Содержательные модели и моделирование конструкций». Использование результатов исследований подтверждено актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 10 всероссийских и международных научных и научно-технических конференциях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) методика проведения экспериментальных исследований механических свойств структур брюшной стенки и паха in vitro и результаты проведенных исследований;

2) алгоритм исследования напряжений и перемещений в структурах передней брюшной стенки и паха, позволяющий строить для них компьютерные модели;

3) компьютерные модели передней брюшной стенки и паха и результаты исследования напряженно-деформированного состояния структур при патологии и после герниопластики;

4) алгоритм проведения исследований при выборе технологии хирургического вмешательства;

5) состав и функции основных компонентов системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них - 4 статьи (3 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 6 работ - в трудах и материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 64 наименования. Основная

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Лебедева, Елена Александровна

Основные результаты работы

1. Построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области, позволяющие проводить исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах при развитии патологии и при назначении дозированных нагрузок после реконструкции.

2. Получены экспериментальные данные механических свойств апоневротических структур брюшной стенки, позволяющие вводить в компьютерные модели их биомеханические характеристики.

3. Проведены исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и при назначении дозированных нагрузок после реконструкции.

4. Разработан метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного биомеханического моделирования и клинических исследований.

5. Предложен алгоритм проведения исследований при выборе типа хирургического вмешательства для каждого конкретного случая.

6. На основе разработанного биомеханического метода создано информационное обеспечение системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

7. Разработаны предложения по составу основных компонентов, и построена обобщенная схема системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

172

Заключение

Актуальность работы определяется отсутствием объективных методов и существующими потребностями в предоперационном прогнозировании состояния структур в герниологии, а также возможностями современных компьютерных технологий. Поэтому целью работы являлось повышение эффективности предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций путем совершенствования информационного обеспечения системы предоперационного прогнозирования состояния мышечно-апоневротических структур в герниологии. Для достижения поставленной цели были построены компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур брюшной стенки и паховой области; проведены экспериментальные исследования механических свойств структур передней брюшной стенки и паховой области; проведены исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции; разработан биомеханический метод предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных операций в герниологии на основе компьютерного моделирования и клинических исследований. На основе этого метода разработано информационное обеспечение и предложена обобщенная схема системы предоперационного прогнозирования состояния структур в герниологии.

Создание нового информационного обеспечения системы прогнозирования состояния структур позволило учесть индивидуальные особенности геометрических размеров структур брюшной стенки и патологии конкретного пациента, определить величину механического воздействия и технологию оперативного вмешательства, необходимого для восстановления брюшной стенки или паха при сохранении их функциональных свойств, и тем самым осуществить предоперационное прогнозирование результатов реконструктивных операции и состояния структур в герниологии. Достоверность исследований подтверждена соответствием полученных результатов с результатами расчета аналитическими методами.

173

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедева, Елена Александровна, 2007 год

1. Жебровский, В.В. Хирургия грыж живота / В.В. Жебровский. М.: МИА, 2005.

2. Тимошин, А. Д. Хирургическое лечение паховых и послеоперационных грыж брюшной стенки / А.Д. Тимошин, А.В. Юрасов, A.JI. Шестаков. -М.: Триада-Х, 2003.

3. Бегун, П. И. Биомеханика / П.И. Бегун, Ю.А. Шукейло. СПб.: Политехника, 2000.

4. Вихров, С. П. Биомедицинское материаловедение: учеб. пособ. / Т.А. Хо-ломина, П.И. Бегун, П.Н. Афонин. Вологда: Телеком, 2006.

5. Бегун, П.И. Прикладная механика / П.И. Бегун, О.П. Кормилицын. СПб.: Политехника, 2006.

6. Егиева, В. Н. Ненатяжная герниопластика / Под ред. В.Н. Егиева. М.: Медпрактика-М, 2002.

7. Ороховский, В. И. Основные грыжесечения / В.И. Ороховский, И. Гас-тингер, И. Хорнтрих, Ш. Шваниц. Ганновер; Донецк; Коттбус: МУНЦЭХ, КИТИС, 2000.

8. Мариев, А. И. Послеоперационные вентральные грыжи / Н.Д. Ушаков, В.А. Шорников, A.M. Иванова. ПетрГУ. Петрозаводск, 2003.

9. Липченко, В. Я. Атлас нормальной анатомии человека: учеб. пособ. / В.Я. Липченко, Р.П. Самусев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1989.

10. Егиев, В. Н. Атлас оперативной хирургии грыж / В.Н. Егиев. М.: 2003.

11. Тоскин, К. Д. Грыжи брюшной стенки / К.Д. Тоскин, В.В. Жебровский. -М.: Медицина, 1990.

12. Емельянов, С. И. Эндохирургия паховых и бедренных грыж / С.И. Емельянов. СПб.: 2000.

13. Лаврова, Т. Ф. Клиническая анатомия и грыжи передней брюшной стенки / Т.Ф. Лаврова. М.: Медицина, 1979.

14. Мариев, А. И. Наружные грыжи живота / А.И. Мариев, Н.Д. Ушаков. -Петрозаводск, 1998.

15. Смирнов, А.В. Анатомия человека: учебник / под ред. А.В. Смирнова-М.: Медицина, 1986.

16. Кирпатовский, И. Д. Клиническая анатомия / И.Д. Кирпатовский, Э.Д. Смирнова. М.: МИА, 2003.

17. Привес, М. Г. Анатомия человека./ М.Г. Привес и др. Л.: Медицина, 1974.

18. Богданов, Д. Ю. Отдаленное осложнение эндовидеохирургической герниопластики/ Д.Ю. Богданов, А.А. Чистяков, Ю.Н. Евграшов // Эндоскопическая хирургия. 2004. - № 4. - С. 60-62.

19. Хитарьян, А. Г. Протезирование передней брюшной стенки в хирургии вентральных грыж / А.Г. Хитарьян, Х.И. Эль-Сахли, М.Р. Мишоян, А.В. Кузнецов // Эндоскопическая хирургия. 2003. - № 6. - С. 20-25.

20. Ветшев, П. Диагностика и лечение грыж спигелиевой линии/ П. Ветшев, А. Бекшоков, Г. Гургенидзе // Врач. 2004. - № 8. - С. 28-29.

21. Дерюгина, М. С. Метод ненатяжной пластики срединных послеоперационных грыж / М.С. Дерюгина // Хирургия. 2004. - № 7. - С. 69-70.

22. Маслов, В. И. Хирургическая тактика при осложненных травматических диафрагмальных грыжах / В.И. Маслов, М.А. Тахтамыш // Хирургия. -2004,-№7.-С.26-31.

23. Щитинин, В. Е. Правосторонняя врожденная диафрагмальная грыжа у новорожденных / В.Е. Щитинин, А.В. Арапова, Н.И. Мельникова // Детская хирургия. 2004. - № 4. - С. 4-5.

24. Егиев, В. Н. Осложнения пластики пахового канала по Лихтенштейну/ В.Н. Егиев, Г.П. Титова, С.Н. Шурыгин, Д.В. Чижов // Хирургия. 2002. -№ 7. - С. 37-40.

25. Сурков, Н. А. Особенности репаративных процессов передней брюшной стенки в зоне имплантации сетки из пролена в эксперименте / Н.А. Сурков, С.А. Заринская, В.А. Виссарионов, A.JI. Лозоватор, А.Г. Кирпичев,

26. B.Г. Владимиров, А.В. Гущин // Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. 2002. - № 1. - С. 52-61.

27. Юрасов, А.В.Современная тактика хирургического лечения паховых грыж / А.В. Юрасов, Д.А. Федоров, А.Л. Шестаков, А.А. Бижев, А.Д. Тимошин // Анналы хирургии. 2002. - №2. - С. 54-59.

28. Васильев, С.В. Аллопластика паховых грыж полипропиленовыми сетками / С.В. Васильев, Т.А. Мошкова, В.В. Олейник, А.Б. Морозов // Вестник хирургии. 2007. - Том 166. №1. - С. 80-82.

29. Мошкова, Т.А. Оценка способов размещения полипропиленовых сеток при аллопластике вентральных грыж / Т.А. Мошкова, С.В. Васильев, В.В. Олейник, А.Б. Морозов // Вестник хирургии. 2007. - Том 166. №2. - С. 78-81.

30. Фанг, Я.Ч. Математические модели зависимости напряжение-деформация для живых мягких тканей / Я.Ч. Фанг // Механика полимеров. Том 5. 1975. - С. 850-864.

31. Фын, Ю.Ч. Биомеханика / Ю.Ч. Фын // Теоретическая и прикладная механика: труды 14 международного конгресса IUTAM. М.: Мир, 1997.1. C. 100-135.

32. Козлов, В.В. Проверка средств неразрушающего контроля / В.В. Козлов. М.: Мир, Изд-во стандартов. - 1989.

33. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О.Зенкевич. М.: Мир. - 1975.

34. Алямовский, А.А. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. М.: ДМК, 2004.

35. Алямовский, А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов и др. СПБ.: БХВ-Петербург. 2005. - 800 с.

36. Лебедева, Е.А. Моделирование патологических образований в белой линии живота / Е.А. Лебедева // Наука Производство - Технологии - Экология: сборник матер. Всеросс. науч.-техн. конф. в 6 томах. Том 1. ВятГУ. -Киров.-2005.-С. 164-166.

37. Лебедева, Е.А. Моделирование критического состояния грыж белой линии живота/ Е.А. Лебедева // Наука Производство - Технологии - Экология: сборник матер. Всеросс. науч.-техн. конф. в 6 томах. Том 1. ВятГУ. -Киров.-2005.-С. 167-169.

38. Бегун, П.И., Лазарев С.М., Лебедева Е.А Информационное обеспечение исследований и коррекции в герниологии / П.И.Бегун, С.М.Лазарев, Е.А. Лебедева // Информационно-управляющие системы. Сер. Управление в медицине и биологии. 2006. № 2 (21). - С. 47-52

39. Бегун, П.И. Интегральная компьютерная технология исследования структур человеческого организма / ПИБегун, О.В. Кривохижина, Е.А. Лебедева, и др. // Пятые Окуневские Чтения: тез. докл. Междун. конф., 26-30 июня 2006. Санкт-Петербург. 2006. С. 147 -148

40. Бегун, П.И. Математические модели и компьютерное моделирование в герниологии / П.И.Бегун, Е.А. Лебедева // Биомеханика-2006: тез. докл. УШ Все-росс. конф. по биомеханике. Н.Новгород. 2006. - С. 136-138.

41. Лебедева, Е.А. Биомеханические исследования состояния биологических структур в герниологии / Е.А Лебедева // Биомеханика-2006: тез. докл. УШ Всеросс. конф. по биомеханике. Н.Новгород. -2006. С. 174-175.

42. Лебедева, Е.А. Компьютерное моделирование и исследование в герниологии / Е.А. Лебедева // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии -ФРЭМЭ-2006: докл. УП междун. науч.-техн. конф. Владимир. - 2006. - С. 292-294.

43. Лебедева, Е.А. Компьютерное моделирование биологических структур в герниологии / Е.А. Лебедева // Известия ТРТУ. Сер. «Медицинские информационные системы». 2006. -№11.- Таганрог. С. 90-94

44. Лебедева, Е.А. Прогнозирование результатов реконструктивных операций в герниологии / Е.А. Лебедева // Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона»: матер, конф. - Санкт-Петербург. - 2006. - С. 196 - 197