Исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Нгуен Нам Минь

  • Нгуен Нам Минь
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2015, Санкт-ПетербургСанкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.13.12
  • Количество страниц 151
Нгуен Нам Минь. Исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов: дис. кандидат технических наук: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (по отраслям). Санкт-Петербург. 2015. 151 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Нам Минь

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ КРУПНЫХ СУСТАВОВ

1.1 Актуальные проблемы эндопротезирования тазобедренных суставов

1.2 Новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов

1.3 Функциональные требования к инструментарию САПР биомеханических объектов

2. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

2.1 Архитектура программного обеспечения САПР

2.2 Основные инвариантные инструменты САПР биомеханических объектов

2.2.1 Инструмент "Управление приложением"

2.2.2 Инструмент "Регистрация пациентов и результатов КТ-исследований"

2.2.3 Инструмент "Твердотельное моделирование"

2.2.4 Инструмент "Управление визуальным отображением геометрии объектов"

2.2.5 Инструмент "\УеЬ-приложения"

2.2.6 Инструмент "Банк моделей"

2.3 Биомеханические инструменты САПР биомеханических объектов

ОБЪЕКТОВ

3.1 Выбор источника данных

3.2 Выбор технологии доступа к источнику данных

70

71

3.3 Архитектура информационного обеспечения САПР биомеханических

объектов

3.4 Модели данных

3.5 Даталогическое проектирование баз данных

3.6 Поисковые процедуры

4. ВНЕДРЕНИЕ В МЕДИЦИНСКУЮ ПРАКТИКУ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

4.1 Технология проектирования и изготовления индивидуальных компонентов эндопротезирования

4.2 Биомеханические испытания объектов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ «А»

ПРИЛОЖЕНИЕ «Б»

ПРИЛОЖЕНИЕ «В»

ПРИЛОЖЕНИЕ «Г»

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», 05.13.12 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

В последнее время в связи с урбанизацией, экологическими проблемами и общим старением населения во всем мире наблюдается неуклонный рост заболеваний органов опорно-двигательной системы, в том числе заболеваний крупных суставов (тазобедренного, коленного, плечевого) и позвоночника. Одним из способов лечения этой патологии являются операции эндопротезирования-замена поврежденного сустава на искусственный. В соответствии с данными регистров эндопротезирования (Шведский, Датский, Норвежский и Финский), примерно 40000 первичных артропластик выполняется ежегодно в странах Северной Европы [1], в то же время, более миллиона операций в год проводится по всему миру и в последующие два десятилетия ожидается увеличение данного количества вдвое. Вследствие значительного роста операций первичного эндопротезирования неуклонно растет количество выполняемых ревизионных вмешательств в связи с асептическим расшатыванием компонентов, износом вкладышей, рецидивирующим вывихом головки, переломом конструкций, ошибками в технике операций. Врачи вынуждены подбирать пациенту подходящий типоразмер эндопротеза и крепежных изделий из 6-8 доступных типоразмеров изделий, выпускаемых серийно [2]. Использование стандартных эндопротезов приводит к нарушению кинематики работы сустава при ходьбе и вызывает разрушение костной ткани. Поэтому проектирование и изготовление эндопротезов для каждого конкретного пациента с учетом анатомических изменений костей служит альтернативой традиционным методикам эндопротезирования. Данное направление получило развитие в единичных центрах мира и не имеет аналогов в российской ортопедии. [3-6]

В последние годы появились работы по применению математического и физического ЗБ-моделирования в ортопедии. Эти работы ограничиваются рассмотрением средств визуализации биомеханических объектов - систем «кость-эндопротез», средств коррекции и замещения органов и систем, относящихся к группе протезно-ортопедических изделий. Отечественные биомеханические

программные пакеты (БПП) представляют собой системы поддержки принятия решений или сервисные системы, рассматривающие частные задачи в сфере медицинской биомеханики на основе использования набора зарубежных многофункциональных машиностроительных комплексов - Unigraphics, С ATTA, AnyBody, Ansys и др. Не рассматриваются и не решаются задачи сквозного проектирования и изготовления индивидуальных ревизионных систем для эндопротезирования тазобедренных суставов [8, 19-22].

Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР СПбГЭТУ «ЛЭТИ», научно-технического комплекса "Машиностроительные технологии" (НТК МашТех) СПбПУ и Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии имени P.P. Вредена (РНИИТО им. P.P. Вредена). Таким образом, исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов является актуальной задачей, имеющей большое социально-экономическое и практическое значение.

Предметом исследования являются научные основы построения САПР биомеханических объектов.

Объектом исследования являются методы, модели и инструментальные средства САПР биомеханического объекта «кость-индивидуальный компонент ревизионной системы-эндопротез» {Bone-Custom_component-Implant - ВСТ).

Цель работы и основные задачи исследования Настоящая диссертация посвящена исследованию методов построения инструментария САПР биомеханических объектов BCI (в первую очередь тазобедренных суставов) и разработке на основе этого исследования методов, моделей и инструментальных средств биомеханической САПР BCI. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи:

• Разработать технологию автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов с применением инструментария пользователя-хирурга САПР биомеханических объектов и современных аддитивных технологий.

• Разработать архитектуру программного обеспечения биомеханических САПР, обеспечивающих реализацию технологии автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов.

• Разработать инструментарий САПР ВС1, включая инвариантные и биомеханические инструменты.

• Разработать компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов, в том числе \¥еЬ-ориентированные банк моделей и средства доступа к банку моделей

• Разработать методы и модели для инструментов биомеханической САПР, в том числе инструменты, обеспечивающие конструктивное решение имплантата и способа структурирования его поверхности таким образом, чтобы активировать процессы роста костной ткани, консолидацию ее с материалом имплантата и образование нового анатомического объекта со свойствами, приближенными к физиологическим.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались теория баз данных, основы теории проектирования САПР, методы организации информационного и программного обеспечений, методы решения задачи механики деформируемого твердого тела, методы оптимизации.

Новые научные результаты:

1. Разработана новая технология автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов, отличающаяся от традиционных тем, что во первых, в ее основе лежит концепция замыкания полного цикла предоперационных проектных процедур, включая этап изготовления объектов ВС1 и этап моделирования объектов ВС1; во вторых, эта технология реализуется не набором зарубежных БПП, а инструментами одной отечественной САПР; в третьих, изготовление индивидуальных ацетабулярных компонентов эндопротеза

предполагает применение инструментов САПР BCI для формирования STL-моделей, ориентированных на современные и аддитивные технологии;

2. Впервые получены оригинальные архитектурные решения программного обеспечения биомеханических САПР, отличающиеся гибкостью в организации процесса проектирования и открытые для подключения новых объектов BCI и новых инструментов САПР BCI.

3. Впервые разработан инструментарий САПР BCI, отличающийся от известных наличием инвариантных и биомеханических инструментов, обеспечивающих возможность персонализации изготавливаемых конструкций с учетом анатомических изменений костей;

4. Впервые разработаны компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов, в том числе Web-ориентированный банк моделей и средства доступа к банку моделей. Разработанные компоненты обеспечивают единое информационное пространство жизненного цикла процесса проектирование и изготовления индивидуальных ацетабулярных компонентов ревизионных систем, а в перспективе и индивидуальных эндопротезов.

5. Разработаны оригинальные методы и модели для инструментов биомеханической САПР. Предложены алгоритмы твердотельного моделирования, отличающиеся от своих аналогов в машиностроительных САПР тем, что твердые тела формируются путем выдавливания контуров, построения системы контуров и выполнения булевых операций над геометрическими телами.

Достоверность научных результатов подтверждается основными положениями общей теории САПР, корректностью применяемого математического аппарата и учебной практикой на кафедре САПР СПбГЭТУ, инженерной практикой НТК МашТех СПбПУ и медицинской практикой РНИИТО им. P.P. Вредена.

Основные положения, выносимые на защиту

¡.Технология автоматизированного проектирования и изготовления индивидуальных имплантатов;

2. Архитектура программного обеспечения САПР BCI;

3. Инструментарий САПР ВС1;

4. Компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов;

5. Методы и модели для инструментов биомеханической САПР; Практическая ценность работы. Значение для практики результатов

диссертационной работы заключается в следующем:

1. Биомеханическая САПР ВС1 позволяет проектировать и изготовлять компоненты ревизионной системы эндопротезов тазобедренных суставов и определять их влияние на биомеханический объект «кость-индивидуальный компонент (ИК) - эндопротез» под действием нагрузок.

2. Биомеханическая САПР ВС1 предоставляет хирургу-пользователю инструментарий для проектирования компонентов ревизионной системы тазобедренных суставов.

3. Банк моделей информационного обеспечения САПР ВС1 позволяет экспортировать результаты исследования биомеханических объектов в другие системы.

4. Инструментарий САПР ВС1 позволяет реализовать технологию проектирования и прототипирования имплантатов для операции эндопротезирования тазобедренного сустава методом селективного лазерного сплавления из титанового сплава, с учетом индивидуальных анатомических изменений области протезирования каждого конкретного пациента.

Реализация и внедрение результатов

Инструментальные средства САПР ВС1 реализованы на базе программной платформы разработки приложений .А^еХРгатеюогк 4.0 с использованием языка программирования С#. В качестве источника данных выступает файловая встраиваемая реляционная база данных ЗОЬЫе.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в госбюджетной НИР, проводимой по тематическому плану СПбГЭТУ 2012-2014г по теме «Разработка алгоритмического и программно-

аппаратного обеспечения гибридной облачной среды для образовательного процесса».

Результаты диссертации внедрены в медицинскую практику РНИИТО им. Р. Р. Вредена, в инженерную практику НТК МашТех СПбПУ и используются в учебном процессе кафедры САПР СПбГЭТУ для изучения методики построения программного обеспечения систем автоматизированного проектирования при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника», что подтверждается тремя актами о внедрении. Апробация работы

Основные теоретические результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

1. XVI Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, SCM'2013.

2. XVIII Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, SCM'2015.

3. 64, 65-ая научно-технические конференция СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в семи печатных работах, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в издании, индексируемом в базе данных SCOPUS, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, зарегистрированной в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2 статьи в международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, четыре глав, заключения, списка сокращенных и условных обозначений и списка литературы, включающего 67 наименований. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, содержит 61 рисунков и 15 таблиц. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели исследования, приведен перечень решаемых в работе задач.

В первой главе рассматривается новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов.

Во второй главе ставится задача реализации оригинальных инструментов, исключающих необходимость адресации к машиностроительным САПР или к их подсистемам.

Третья глава посвящена вопросам разработки инструментальных средств информационного обеспечения САПР.

Четвертая глава представляет результат применения в медицинской практике разработанный в диссертационной работе биомеханической САПР ВС1.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные на основе проведенных в диссертационной работе исследований.

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ

КРУПНЫХ СУСТАВОВ

Целью данной главы являются: 1) разработки новой структуры технологического процесса предоперационного и интраоперационного планирования хирургического вмешательства в эндопротезирование крупных суставов; 2) определение функциональных требований к САПР биомеханических объектов.

Заметим, что золотым стандартом хирургического лечения пациентов с тяжелыми травмами является эндопротезирование суставов, позволяющее восстановить нарушенную функцию сустава, обеспечить купирование болевого синдрома и тем самым улучшить качество жизни миллионам больных во всем мире. Поэтому именно разработка компьютерного инструментария врача-ортопеда на интраоперационном этапе планирования индивидуального ревизионного эндопротезирования наиболее тяжелых в ортопедии клинических случаев и диктует как организацию технологического процесса, так и выбор инструментальных средств САПР, решающих рассматриваемую задачу. 1.1 Актуальные проблемы эндопротезирования тазобедренных суставов

Анализ данных регистра эндопротезирования тазобедренного сустава (ТБС) ФГБУ «РНИИТО им P.P. Вредена» показал, что за период с 2007 по 2010 г. доля ревизионных вмешательств (в РНИИТО или в РФ) составила в среднем 9,2%, причем в большинстве случаев происходила замена (64,1% обоих компонентов, а вертлужный компонент подлежал замене в три раза чаще, чем бедренный [2]. По мнению ряда авторов, в России потребность в ревизионном эндопротезировании заметно возрастет в ближайшие годы, так как в течение многих лет пациентам имплантировали отечественны» эндопротезы, срок службы которых составляет 5-10 лет. Кроме того, отсутствовал опыт подобных операций и необходимое техническое обеспечение [3]. Вследствие значительного роста числа выполняемых операций первичного эндопротезирования неуклонно растет количество выполняемых ревизионных вмешательств Основными причинами, приводящими к ревизионному эндопротезированию тазобедренного сустава,

являются асептическое расшатывание одного или обоих компонентов, износ полиэтиленового вкладыша, рецидивирующий вывих головки, усталостные переломы конструкций, глубокая инфекция в области эндопротеза, ошибки в технике операции [4], [5].

Однако форма любой кости человека индивидуальна и любая проекция кости имеет уникальную кривизну. Использование стандартных эндопротезных изделий приводит к нарушению кинематики работы сустава при ходьбе и вызывает разрушение костной ткани. При этом, индивидуальные эндопротезы тазобедренных суставов и утраченных костных фрагментов тазовых костей в России и странах ЕС практически не производятся. Поэтому создание индивидуальных конструкций для каждого конкретного случая (пациента) с учетом измененной анатомии вертлужной впадины может послужить рациональной альтернативой устоявшимся методикам ревизионной ацетабулопластики. Данное направление в ревизионном эндопротезировании получило развитие в единичных центрах мира и не имеет аналогов в современной Российской ортопедии, однако приобретает все большую актуальность, что связано с популяризацией операций эндопротезирования тазобедренного сустава.

Решение проблемы индивидуального эндопротезирования в настоящей работе предлагается на основе применения современных технологий компьютерного 3D моделирования и проектирования и 3D печати поврежденного (недостающего) костного фрагмента с использованием порошков титанового сплава.

1.2 Новая технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов

Быстрое развитие средств компьютерной графики CAD/CAE/CAM-cистем обуславливает разработку специальных технологий подготовки хирургического вмешательства. Они вначале были названы Image Guided Surgery технологиями, а затем распространились как Computer Aided или Assisted Surgery технологии (С4£-технологии). Зарубежные CAS-'технологии [19], [20] зародились в середине

1990-х гг. В настоящее время широко применяются в практике ведущих зарубежных ортопедических центров.

Наиболее существенные результаты применения С45-технологий достигнуты в челюстно-лицевой хирургии. Традиционно С4£-технологии в челюстно-лицевой хирургии реализуются коллективами в составе высококвалифицированных хирургов, технических специалистов, владеющих навыками быстрого прототипирования и навыком применения биомеханических программных пакетов (БПП). Для повышения эффективности работы хирургов при планировании и проведении операции в Центральном научно-исследовательском институте стоматологии и челюстно-лицевой хирургии (ЦНИИС и 4J1X) и Российском научном центре хирургии (РНЦХ) на основе ЗБ-моделей анатомических элементов и технологий оснастки, созданных с использованием БПК, методом стереолитографии изготавливаются их пластиковые модели [2-8].

Что касается травматологии и ортопедии, то следует отметить появившиеся в последнее время работы по применению математического и физического 3 D-моделирования для подготовки операций эндопротезирования [2], направленные на поддержку принятия решений. Анализ этих работ показывает, что в них предлагаются в основном средстве представления геометрии объектов BCI, а не решение рассматриваемых проблем.

Развернутый обзор CAS-технологий и общие указания на целесообразность разработки методики подготовки операций эндопротезирования путем применения ЗБ-принтера и биомеханических пакетов программ (БПП), был опубликован в журнале «САПР и графика» [8].

Однако, как отмечалась во введении, рекомендуют зарубежные БПП для решения лишь отдельных частных задач на основе хорошо известных универсальных программных систем Siemens NX, CATIA, Ansys, Mimics, AnyBody, AMIRA. Перечисленные средства не обеспечивают весь процесс подготовки операций и изготовления индивидуальных конструкций (ИК), фиксирующих

имплантат на основании данных компьютерного томографического исследования и обладают следующими основными недостатками:

1) Отсутствие (замыкание полного цикла предоперационных процедур, включая этап изготовления компонент—конструкций при индивидуальном ревизионном эндопротезировании и этап моделирования биомеханических испытаний объектов «кость - индивидуальный компонент - эндопротез» (BCI) при акцентированном воздействии на центр вращения искусственного сустава.

2) Частные предоперационные процедуры предусматривают взаимодействие разных программных средств БГТП. Применение таких средств пользователями-хирургами чревато проблемой возникновения неконтролируемых ошибок. Например, сетка ЗО-модели, созданная в БПП Mimics, возможно открывается в других пакетах САПР (Ansys, Siemens NX, CATIA) с ошибками в конструкции триангуляции. При этом, конвертация или преобразование моделей из одного формата в нужный формат для анализа методом конечных элементов обуславливают коллизии, исключающие программирование данной процедуры с помощью высокоуровневых макросов.

3) Полученные средствами БПП исходные ЗО-модели пораженной остеолизом части сустава пациента, на основе данных томографического исследования не выполняет две совместные проектные операции:

• операцию «очистки» от посторонних материалов (биоцемента, имплантированных ранее конструкций, фоновых изображений тканей, сухожилий);

• операцию включения 3D скрепов как условие изготовления на ЗО-принтере модели, отображающей разделённые части сложного объекта.

4) Программные средства не обеспечивают возможность изготовления «мягких» моделей для разработки индивидуальных конструкций, фиксирующих новообразованный сустав.

Более перспективной представляется структура технологического процесса проектирования и производства индивидуальных эндопротезов, представленная на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Технология проектирования и изготовления индивидуальных эндопротезов.

Предоперационная и интраоперационная технология исходит из данных анализа КТ-изображений, предусматривает построение иерахии ЗО-модели ТБС и отличается тем, что:

1) Исходная томограмма пациента импортируется в компьютерную ЗБ-модель сустава (Блок 1).

2) Производится компьютерное построение иерархии ЗБ-моделей суставов, обеспечивающее очистку костной основы от фоновых изображений тканей, сухожилий, сосудов, остатков цемента и т. д. (Блок 2).

3) Автоматически на ЗБ-принтере изготавливается с помощью управляющей программы в формате используемого ЗБ-принтера физический прототип сустава пациента в натуральном масштабе (Блоки 3, 4, 5).

4) Изготавливается анатомически адаптированная «мягкая» модель ИК, учитывающая индивидуальные особенности, геометрию формы, размеры и дефекты костей конкретного пациента (Блок 6).

5) Выполняется построение ЗБ-моделей ИК как результат работы сканера и обрабатывающего мягкую модель ИК. (Блоки 7, 8).

6) Автоматически на ЗБ-принтере изготавливается физический прототип ИК (Блоки 9, 10), который корректируется за счет обратной связи блока 10 блоком 8.

7) Строится композиционная модель объекта «кость - индивидуальный компонент - эндопротез» (Блок 11).

8) Проводится моделирование биомеханических испытаний объекта «кость - ИК - эндопротез» в условиях разнонаправленных дестабилизирующих воздействий (Блок 12).

9) Выполняется ЗБ-печать индивидуальных конструкций (Блоки 13, 14) в выбранном материале [24,25] (титановый сплав, композиционный биосовместимый материал, оптимизированный для современных аддитивных технологий).

10) Вводятся последовательные и обратные связи для коррекции физических прототипов и ИК эндопротезов (см. рисунок 1), где блок 1 соединяется с блоком 2 и далее последовательно до блока 14, а в свою очередь, обратной связью блок 2 с блоком 1; блок 12 с блоками 4, 8; блок 10 с блоком 8. За счет обратной связи от блока 10 к блоку 8 впервые представляется возможность хирургу корректировать размещение, крепление и форму конструкции с учетом деформаций и повреждений сустава.

11) В процессе коррекции ИК выполняются расчеты напряженного деформированного состояния биомеханического объекта при воздействии возмущений на центр вращения в новообразованном суставе.

Получение ЗБ-физического прототипа сустава пациента и изготовление ИК на основе данных компьютерного томограммного исследования позволит:

• учесть особенности анатомического строения, деформации и повреждения костной, мягкой ткани, или неисправленной функции опорно-двигательного аппарата;

• подобрать или изготовить индивидуальный эндопротез сустава, а также средства коррекции и замещения, в том числе компоненты индивидуальной ревизионной конструкции;

• выполнить предварительную проверку прилегания имплантата и ИК к костным тканям;

• составить подробный план проведения операции;

• выпустить комплект медицинских документов для формирования истории болезни;

• разработать способ замещения дефектов или эндопротезирования костной ткани.

На этапе предоперационного планирования технология позволяет обеспечить:

• реконструкцию поврежденных костей конкретного пациента;

• моделирование адаптационных изменений структуры и свойств кортикальной и трабекулярной костной ткани, исследование напряженно-деформированного состояния биомеханического объекта «кость - ИК - эндопротез». [23]

Техническая реализация предлагаемой технологии отличается от известных традиционных подходов к решению рассматриваемой задачи тем, что, во-первых, в его основе лежит концепция замыкания полного цикла предоперационных процедур, включая этап изготовления компонент-конструкций ревизионной системы при индивидуальном ревизионном эндопротезировании и этап моделирования биомеханических испытаний объектов «кость - ИК - эндопротез» при акцентированном воздействии на центр вращения векторных

разнонаправленных сил, имитирующих реальные условия жизнедеятельности конкретного пациента, во вторых, программные блоки реализуются не набором зарубежных БПП, применяемых в машиностроении, а одной отечественной предметно-ориентированной биомеханической САПР ВС1.

Исходными материалами для выполнения работы являются:

• рабочие компьютерные томограммы суставов в формате Б1СОМ;

• сопроводительные медицинские документы;

• требования к компьютерной платформе для использования в комплексе;

• профессиональные ЗБ-принтеры.

Программные блоки, содержат полный набор рабочих процедур, таких как:

• Регистрация пациента и хранение данных обследования.

• Импорт в систему результатов томографического обследования в формате В1СОМ.

• Построение иерархии ЗБ-моделей исследуемых суставов, обеспечивающей визуализацию и послойную очистку костной ткани от фоновых изображений мягких тканей, сухожилий, сосудов и т. д. Иерархия ЗБ-моделей должна допускать сборку композиционной ЗБ-модели, при необходимости её декомпозицию на составные части, соединенные в отдельных случаях дополнительными скрепами-сегментами.

• Построение реконструированной ЗБ-модели, отражающей повреждения и деформации тазобедренного сустава, а также свободную от шумов и коллизий в узлах, как следствие практического совпадения плотности биоцемента и костной ткани.

• Формирование управляющей программы в формате используемого ЗБ-принтера для получения физического прототипа сустава.

• Объемную печать («выращивание») на ЗБ-принтере физического прототипа сустава пациента в натуральном масштабе с погрешностью не более 1 мм.

Похожие диссертационные работы по специальности «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», 05.13.12 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Нам Минь, 2015 год

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Pivec R., Johnson A.J., Mears S.C., Mont M.A.. Hip arthoplasty.// Lancet, 2012, C1768-1777.

2. Bozic E.A., The Epidemiology of Revision Total Hip Arthoplasty in the United States. // The Journal of Bone & Joint Surgery, January 2009. Vol. 91a. № 1, ppl28-133.

3. Howie D.W., Neale S.D., Martin W.. Progression of periacetabular osteolytic lesions.// Bone Koint Surh Am, 2012, Vol. 94, ppl 171-1176

4. Michael A. Wind Jr, Michael L. Swank, Joel I. Sorger, SashaColen, Ramzi Harake, Julien De Haan. A modified custom-made triflanged acetabular reconstruction ring for revision hip arthroplasty with severe acetabular defects. Acta Orthopaedica Beligica, 2912, 78, pp71-75;

5. Burak Beksac, David L. Helfet, Thomas P. Sculco, and Robert L. Buly, Paul S. Issack, Markku Nousiainen. Acetabular Component Revision in Total Hip Arthroplasty. Part II: Management of Major Bone Loss and Pelvic Discontinuity, MS, MD, FRCS ©, 2009; 38(11): 550-556

6. Sumner D.R. The initiation of failure in cemented femoral components of hip arthroplasties / M. Jasty et al // J. Bone Joint Surg. (Br.). - 1991. - Vol. 73 (4). - P. 551-558.

7. Michael A. Wind Jr, MD; Michael L. Swank, MD; Joel I. Sorger, MD. Short-term Results of a Custom Triflanged Acetabular Component for Massive Acetabular Bone Loss in Revision THA, , Orthopedics, MARCH 2013, Volume 36, Number 3, e260-265

8. Волосников А. Возможности внедрения САПР в клиническую практику медицинских учреждений травматологии и ортопедии. «Восстановительная травматология и ортопедия» [Текст] // ФГБУ РНЦ им. Г. А. Илизарова, г. Курган. Журнал «САПР и графика» №5, 2013г., стр.73-75

9. Тихилов P.M. Руководство по эндопротезированию тазобедренного сустава / под ред. Тихилов P.M., Шаповалов В.М. - СПб. РНИИТО им. P.P. Вредена, 2008.-324 с.

10. Тихилов P.M. Организационно-методическая работа по созданию и развитию травматологической службы Санкт-Петербурга // Тихилов P.M., Воронцова Т.Н., Лучанинов С.С. - Литография. - 2009. - 373 с.

11. Безгодков Ю. А., Ауди К., Дмитревич Г. Д., Кормилицын О. П., Марков М. В. Исследование и моделирование биомеханических процессов в тазобедренных суставах. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2'2012

12. Загородний Н.В. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Основы и практика. ГЭОТАР Медиа. ISBN: 978-5-9704-2071-3. 2012г, 746с.

13. Золотарев A.B. «Автоматизация процедур проектирования биомеханической системы «аппарат - конечность» для проведения операций в ортопедии» [Текст] // Автореферат диссертации ВГТУ, г. Волгоград, 2009г.

14. Марков М.В. Сравнительный анализ программного обеспечения биомеханических систем «кость-эндопротез» [Текст] // Дмитревич Т.Д., Кормилицын О .П., Марков М.В. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Санкт-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012г. - №09 - С.56-61

15. Патрина Т.А. Автоматизированная система исследования и контроля биомеханических параметров костных тканей в норме и патологии. Математическая биология и биоинформатика. Москва, 2011. Т. 6. № 1. С. 71-78.

16. Алешкевич П.А. Автоматизированная биотехническая система индивидуального остеосинтеза // Алешкевич П. А., Дмитревич Г. Д., Кормилицын О.П., Кузнецов Д.0А., Олейник A.B. // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», выпуск 2/2005, С. 36-40.

17. Марков М.В. Исследование и моделирование биомеханических процессов в тазобедренных суставах [Текст] / Марков М.В. Безгодков Ю.А., Ауди К., Дмитревич Г.Д., Кормилицын О.П. //Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия «Биотехнические системы в медицине и экологии». Санкт-Петербург: Изд-во СПБГЭТУ «ЛЭТИ»,2012. - №2 -С.88-91.

18. Безгодков Ю.А. Оптимизация эндопротезирования тазобедренного сустава на основании медико-технической оценки различных видов эндопротезов.

Автореф. дисс.... доктора мед. наук. - Санкт-Петербург. - 1999. - 32 с.

19. http://vmw.anvbodytech.com/7icN20 // The AnyBody Modeling System™ - The leading musculoskeletal modeling software to solve design problems on ergonomics

20. http://www.materialise.com/products-and-services/products-and-services-for-m edical-professionals-Q // Products and Services for Medical Professionals

21. http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Structural+Analysis/ANS YS+Structural, Structural analysis software from ANSYS.

22. http://www.plm.automation.siemens.com/ru ru/products/femap/nxNastran/index.s html, Femap with NX Nastran Structural Analysis Toolkit.

23. Нгуен H.M. Современный подход к биомеханической оценке эффективности применения эндопротезов // Безгодков Ю.А., Дмитревич Т.Д., Марков М.В., Аболин А.Б., Нгуен Н.М. // Ученые записки СПбГМУ 2012.вып 4, С.70-81.

24. Michael N. Helmus. Biomaterials in the Design and Reliability of Medical Devices. - Landes Bioscience. ISBN: 1-58706-039-6. 2002r, 235c.

25. Michael N. Helmus. Service characteristics of biomedical materials and implants. - Imperial College Press. ISBN: 1-58706-039-6. 2002r

26. Наттсрер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. // Пер. с англ. И. В. Паламодова — М.: Мир, 1990г.—288 е., ISBN 5-03-001355-5

27. Терещенко С. А. Методы вычислительной томографии. — М. Физматлит, 2004. - 320 с. - ISBN 5-9221-0551-5.

28. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применение. - Томск: Изд-во Том.ун-та, 2002. - 128 с. ISBN 5-7511-1501-5.

29. Терновой С. К. Компьютерная томография: Учеб. пос. // Терновой С. К., Абдураимов А. Б., Федотенков И. С.. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 176 с. ISBN: 978-5-9704-0890-2.

30. Губарени Н. М. Вычислительные методы и алгоритмы малоракурсной компьютерной томографии. // - Киев : Наук, думка, 1997.— 328 с.— ISBN 966-00-0136-3.

31. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных - 8-е изд. - М.: Вильяме, 2005г. - 1328 с.

32. Кент У. Простое руководство по пяти нормальным формам в теории реляционных баз данных, коммуникаций АСМ 26 (2), 1983 г. 120-125 с.

33. Кузнецов С. Д. Основы баз данных. - 2-е изд.// Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007г. - 484 с.

34. Robert Cierniak. X-Ray Computed Tomography in Biomedical Engineering. -Springer, 201 lr. 319c - ISBN 978-0-85729-026-7

35. David A. Clunie. DICOM Structured Reporting. - PixelMed Publishing, 2002r-394c. ISBN 0-9701369-0-0.

36. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. //Пер. с англ. М. Радио и связь. 1986г. 400 с

37. Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 132 с, ISBN 5-7577-0283-4.

38. Анисимов Б. В., Распознавание и цифровая обработка изображений./ Курганов В. Д., Злобин В. К. - М.: Высшая школа, 1983. - 295 с

39. Бутаков Е. А., Обработка изображений на ЭВМ./ Островский В. И., Фадеев И. Л. - М.: Радио связь, 1987 - 250 с

40. John Paul Mueller. Microsoft ADO.NET EF Step by Step. // Microsoft Press, 2013r. 448c. ISBN: 978-0-7356-6416-6.

41. Иванов, В. П. Трехмерная компьютерная графика / В. П. Иванов, А. С. Батраков. - М.: Радио и связь, 1995. - 244 с.

42. Margalit A., Knott G.D. An algorithm for computing the union, intersection of difference of two polygons // Computers & Graphics. 1989. Vol. 13. № 2. P. 167— 183.

43. http://medical.nema.org/dicom, Digital Imaging and Communications in Medicine.

44. https://ru.wikipedia.org/wiki/DICOM. Digital Imaging and Communications in Medicine — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов.

45. https://m.wikipedia,org/wiki/HL7_(4^HUHHCKHft стандарт), стандарт обмена, управления и интеграции электронной медицинской информации.

46. http://www.ctmed.ru/DICOM_HL7, Национальный стандарт обмена медицинскими данными в электронном виде DICOMvl HL7.

47. Тихонов А.Н., Арсенин В .Я., Тимонов А.А. Математические задачи компьютерной томографии. - М.: Наука, 1987. - 160 с

48. Ролланд, Ф. Основные концепции баз данных / Фред Роланд. - М.: Вильяме, 2002.-256 с.

49. Artyom М. Grigoryan, Merughan М. Grigoryan. Image Processing Tensor Transform and Discrete Tomography with MATLAB. - CRC Press, 2013r - 439c.

50. http://www.sheer.org/pages/Introduction, Sheer, or 3D Slicer, is a free, open source software package for visualization and image analysis.

51. http://sourceforge.net/projects/meshlab, MeshLab, the mesh processing system for 3D scanning and printing.

52. http://www.netfabb.com, Netfabb Software for 3D printing. Netfabb basic - A freeware for handling of files in STL-format.

53. https://modelrepair.azurewebsites.net, Microsoft 3D Model Repair service powered by netfabb to repair STL, OBJ, 3MF or VRML files automatically.

54. Токмаков Г.П., Базы данных. Концепция баз данных, реляционная модель данных, языки SQL и XML - Ульяновск, 20 Юг, 193 с. ISBN 978-5-9795-0762-0,

55. Julia Lerman, Programming EF Building Data Centric Apps with the ADO.NET EF.- O'Reilly, 2009r, 828c. ISBN: 0-596-52028-6.

56. Сахил M. Microsoft ADO.NET 2.0 для профессионалов. //Пер. с анг. А.А. Моргунова, А.А. Шило. - Вильяме, 2006 г., 560с. ISBN: 5-8459-1080-3

57. Сеппа Д. Microsoft ADO.NET. торговый дом «Русская Редакция», 2003 г., 640 стр.

58. Прамодкумар Дж. Садаладж, Мартин Фаулер. NoSQL. Новая методология разработки нереляционных баз данных. М.: Вильяме, 2013, - 192 с.

59. Grant Allen, Mike Owens. The Definitive Guide to SQLite, Second Edition // Springer Science, Business Media LLC, New York, 2010, - 369 c. ISBN: 978-1-4302-3226-1

60. Стиллмен Э., Грин Дж., Изучаем С#. Включая С# .NET 4.0 и Visual Studio 2010. 2-е издание//Пер. с анг. Рузмайкина И. — Бестселлеры O'Reilly, 2012 г., 689 стр. ISBN: 978-5-459-00422-9.

61. Алекс Макки. Введение в .NET 4.0 и Visual Studio 2010 для профессионалов - Вильяме, 2010 г., 416 стр. ISBN: 978-5-8459-1639-6

62. Нгуен Н.М. Графический редактор срезов кости для компьютерной томографии (Sheer), Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014619702 зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19.09.2014 / Дмитревич Г.Д, Платонов С.А.// Федеральной службы по интеллектуальной собственности Роспатент М.: ФИПС, 2014. RU.

63. Nguyen N.M., Biomechanical CAD system in revision arthroplasty [Текст] // Tikhilov R.M., Dmitrevich G.D., Solnitsev R.I., Tsibin A.V., Vopilovsky P.N.,// XVIII International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM 2015), 978-1-4673-6961-9/15 /2015 IEEE.

64. Nguyen N. M., Tools for biomechanical CAD systems in revision total hip arthroplasty [Текст] // Dmitrevich G. D., Марков M.V., // XVIII International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM 2015), 978-1-4673-69619/15/2015 IEEE

65. Дмитревич Г.Д., Нгуен H.M., Марков M.B. Оптимизация в САПР биомеханических объектов, г Санкт-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» №5'2015, С72-78.

66. Нгуен Н.М. Организация САПР медицинских изделий [Текст]// Материалы XVI международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2013). - СПб., 23-25.05.2013. - С. 168-170;

67. Нгуен Н.М. Модель позиционирования эндопротезов тазобедренных суставов [Текст]// Материалы XVI международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM 2013). - СПб., 23-25.05.2013. - С. 101-102;

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.