Помощь студентам в учебе
Компьютерное моделирование механических свойств бедренной кости в норме и при патологических изменениях костной ткани
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. Аналитический обзор источников 10
1.1 Развитие костной системы 10
1.1.1 Прямой остеогенез 11
1.1.2 Непрямой остеогенез 11
1.1.3 Процесс формирования кости 13
1.1.4 Эндохондральное образование трубчатых костей 16
1.1.5 Анатомия кости 18
1.1.6 Строение костной ткани 19
1.2 Метастатическое поражение костной ткани 20
1.2.1 Структура опухоли кости 22
1.2.2 Хирургическое лечение кости в связи с поражением
метастазами 22
1.3 Компьютерное моделирование 23
1.3.1 История математического моделирования 25
1.3.2 Развитие компьютерного моделирования 25
1.3.3 Компьютерное моделирование в современном мире 26
1.3.4 Применение дифференциальных уравнений при моделировании
27
1.4 Выводы к главе 1 29
ГЛАВА 2 Выбор методов и технология решения задач ВКР 31
2.1 Методы исследований 31
2.2 Информационные технологии 40
ГЛАВА 3. Организация исследований 44
3.1 Организация исследований 44
3.1.1 Определение исходных характеристик объекта исследований 45
3.1.2 Выбор методов и технологий исследования 45
3.1.3 Построение компьютерной модели 46
3.1.4 Определение ситуаций подлежащих исследованию на модели ..46
3.2 Организация исследований и модельных экспериментов 46
3.2.1 Построение модели остеона 46
3.2.2 Применение к модели бедренной кости функциональных результатов остеона 47
3.2.3 Создание модели с поражением костной ткани 47
3.2.4 Эксперимент по укреплению модели, пораженной деструктивным процессом, решётчатой пластинкой 48
3.3 Организация работы в среде COMSOL 48
3.3.1 Базовый функционал COMSOL Multiphysics 49
3.3.2 Построение простой модели в COMSOL Multiphysics 50
3.4 Выводы к главе 3 54
ГЛАВА 4. Раздел модельных экспериментов 57
4.1 Результат моделирования остеона 58
4.2 Результат создания модели бедренной кости 63
4.3 Результат применения свойств модели компактной костной ткани,
а именно остеона, на макрообъект бедренной кости человека 65
4.4 Результат моделирования бедренной кости с поражённой костной
тканью 67
4.5 Результат эксперимента по укреплению модели, пораженной
деструктивным процессом в кости, решётчатой пластиной 73
ГЛАВА 5. Обсуждение результатов модельных экспериментов и выводы 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
ГЛАВА 1. Аналитический обзор источников 10
1.1 Развитие костной системы 10
1.1.1 Прямой остеогенез 11
1.1.2 Непрямой остеогенез 11
1.1.3 Процесс формирования кости 13
1.1.4 Эндохондральное образование трубчатых костей 16
1.1.5 Анатомия кости 18
1.1.6 Строение костной ткани 19
1.2 Метастатическое поражение костной ткани 20
1.2.1 Структура опухоли кости 22
1.2.2 Хирургическое лечение кости в связи с поражением
метастазами 22
1.3 Компьютерное моделирование 23
1.3.1 История математического моделирования 25
1.3.2 Развитие компьютерного моделирования 25
1.3.3 Компьютерное моделирование в современном мире 26
1.3.4 Применение дифференциальных уравнений при моделировании
27
1.4 Выводы к главе 1 29
ГЛАВА 2 Выбор методов и технология решения задач ВКР 31
2.1 Методы исследований 31
2.2 Информационные технологии 40
ГЛАВА 3. Организация исследований 44
3.1 Организация исследований 44
3.1.1 Определение исходных характеристик объекта исследований 45
3.1.2 Выбор методов и технологий исследования 45
3.1.3 Построение компьютерной модели 46
3.1.4 Определение ситуаций подлежащих исследованию на модели ..46
3.2 Организация исследований и модельных экспериментов 46
3.2.1 Построение модели остеона 46
3.2.2 Применение к модели бедренной кости функциональных результатов остеона 47
3.2.3 Создание модели с поражением костной ткани 47
3.2.4 Эксперимент по укреплению модели, пораженной деструктивным процессом, решётчатой пластинкой 48
3.3 Организация работы в среде COMSOL 48
3.3.1 Базовый функционал COMSOL Multiphysics 49
3.3.2 Построение простой модели в COMSOL Multiphysics 50
3.4 Выводы к главе 3 54
ГЛАВА 4. Раздел модельных экспериментов 57
4.1 Результат моделирования остеона 58
4.2 Результат создания модели бедренной кости 63
4.3 Результат применения свойств модели компактной костной ткани,
а именно остеона, на макрообъект бедренной кости человека 65
4.4 Результат моделирования бедренной кости с поражённой костной
тканью 67
4.5 Результат эксперимента по укреплению модели, пораженной
деструктивным процессом в кости, решётчатой пластиной 73
ГЛАВА 5. Обсуждение результатов модельных экспериментов и выводы 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
В 2013 году в России было выявлено 1518 больных с опухолями костей [18]. При этом, почти в шестидесяти процентах случаев они локализуются в конечностях, большему количеству таких пациентов показано калечащее лечение в качестве операции [12]. В США ежегодно диагностируется 8680 только новых случаев СМТ, в 60% случаев эти опухоли локализуются в конечностях. Каждый год в мире умирает около 3100 человек от злокачественных опухолей мягких тканей, латентность в течение первого года после постановки диагноза составляет 32,0-34,5% [32].
Лечение таких пациентов предусматривает комплексный подход: применение химиотерапии, лучевой терапии и хирургическое вмешательство. Ввиду малой эффективности химиолучевого лечения основным методом лечения является, безусловно, хирургический. Он заключается в широком иссечении опухоли в едином блоке со всеми сосудами, что позволяет удалить опухоль в полном объёме. При этом всего одной возможностью миновать ампутацию является выполнение не простого реконструктивного этапа, иногда с использованием микрохирургических методик, восстановления кровотока, протезирования сосудов аутовеной или с использованием синтетических протезов [20].
Цель работы:
Разработка (построение) компьютерной модели бедренной кости в норме и при паталогических изменениях костной ткани с применением инновационного метода реконструирования поражения компактной костной ткани.
Задачи работы:
1. Применить моделирование для построения компьютерных моделей кости, при этом получить максимально приближенную к реальным показателям модель бедренной кости человека.
2. Проанализировать нагрузку на модель кости в норме и при патологическом изменении в костной ткани.
3. Создать модель, улучшающую функциональные результаты лечения и качество жизни пациентов со злокачественными опухолями костей, за счёт разработки и выбора оптимального метода реконструирования дефекта кости.
4. Расчёт примерной экономической выгоды нового способа реконструирования места с деструктивным процессом.
Объект исследования.
Объект исследования - это кость в норме и патологии посредством ее представления в виде математической модели, воссозданной на компьютере с помощью технологий имитационного моделирования, на которой проводятся вычислительные эксперименты в соответствии с целями и задачами проведения исследований в рамках ВКР.
Предмет исследования.
Предметом исследования является компьютерная модель, а именно, модель бедренной кости человека, а именно проверка её свойств в норме и при патологическом изменении в компактной костной ткани при использовании аддитивных технологии, которая подразумевает вставление инновационного протеза в очаг новообразования.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Значимость данного исследования заключена в получении полезных научно-практических данных, так как моделирование позволяет в будущем не только проводить множество экспериментов над костной тканью, но и за счёт упрощения технологий производства встраиваемых элементов, а именно уменьшением их соприкосновения с костной тканью, улучшить постоперационный период у пациентов .
Экономическая значимость исследования заключается в том, что выявленные закономерности в построении импланта позволят сделать их производство более эффективных с точки зрения сбережения ресурсов и уменьшат цену за одну единицу, этого планируется достичь при помощи новых 3D принтеров, уже сейчас позволяющих при помощи печати металлическими порошками создавать сложные конструкции, которые до этого момента невозможно было воспроизвести.
В данный момент в терапии опухолей кости применяют хирургических, лучевой и химический методы лечения, в то же время хирургическое лечение рассматривается в качестве основного направления. С каждым годом всё большее значение приобретает выполнение реконструктивных операций по замещению аномалий ткани после выполненного удаления опухоли.
В связи с реализацией Федерального проекта "бережливая поликлиника". Применение методов бережливого производства в медицинских организациях начал остро стоять вопрос об рациональном использовании средств поликлиник и сокращении времени на проведение медицинских операций. Целью пилотных проектов бережливых поликлиник было уменьшение затрат на производство, оказывание услуг и улучшение отзывов на оказанные услуги пациентами, говорится в этом проекте. Поэтому стоит отметить важность нашей работы, так как это должно не только уменьшить время хирургов на одну операцию, но и упростить выбор наиболее целесообразного метода реконструирования дефекта.
Данные об эффективности, функциональных и эстетических результатах включения реконструктивных методик в комплексное лечение больных со злокачественными новообразованиями кости единичны и не систематизированы. Вышеизложенное свидетельствует о высокой актуальности темы исследования и о её перспективах.
Метод исследования.
Для исследования было выбрано несколько методов, таких как:
- системный анализ
- структуризация
- обобщённости информации
- контент-анализ
- метод организации сложных экспертиз на основе модификации метода анализа иерархий
- систематизация
- имитационный метод
Структура выпускной квалификационной работы: дипломная работа выполнена на 86 страницах, состоит из списка сокращений, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа проиллюстрирована 37 рисунками и 6 таблицами.
Лечение таких пациентов предусматривает комплексный подход: применение химиотерапии, лучевой терапии и хирургическое вмешательство. Ввиду малой эффективности химиолучевого лечения основным методом лечения является, безусловно, хирургический. Он заключается в широком иссечении опухоли в едином блоке со всеми сосудами, что позволяет удалить опухоль в полном объёме. При этом всего одной возможностью миновать ампутацию является выполнение не простого реконструктивного этапа, иногда с использованием микрохирургических методик, восстановления кровотока, протезирования сосудов аутовеной или с использованием синтетических протезов [20].
Цель работы:
Разработка (построение) компьютерной модели бедренной кости в норме и при паталогических изменениях костной ткани с применением инновационного метода реконструирования поражения компактной костной ткани.
Задачи работы:
1. Применить моделирование для построения компьютерных моделей кости, при этом получить максимально приближенную к реальным показателям модель бедренной кости человека.
2. Проанализировать нагрузку на модель кости в норме и при патологическом изменении в костной ткани.
3. Создать модель, улучшающую функциональные результаты лечения и качество жизни пациентов со злокачественными опухолями костей, за счёт разработки и выбора оптимального метода реконструирования дефекта кости.
4. Расчёт примерной экономической выгоды нового способа реконструирования места с деструктивным процессом.
Объект исследования.
Объект исследования - это кость в норме и патологии посредством ее представления в виде математической модели, воссозданной на компьютере с помощью технологий имитационного моделирования, на которой проводятся вычислительные эксперименты в соответствии с целями и задачами проведения исследований в рамках ВКР.
Предмет исследования.
Предметом исследования является компьютерная модель, а именно, модель бедренной кости человека, а именно проверка её свойств в норме и при патологическом изменении в компактной костной ткани при использовании аддитивных технологии, которая подразумевает вставление инновационного протеза в очаг новообразования.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Значимость данного исследования заключена в получении полезных научно-практических данных, так как моделирование позволяет в будущем не только проводить множество экспериментов над костной тканью, но и за счёт упрощения технологий производства встраиваемых элементов, а именно уменьшением их соприкосновения с костной тканью, улучшить постоперационный период у пациентов .
Экономическая значимость исследования заключается в том, что выявленные закономерности в построении импланта позволят сделать их производство более эффективных с точки зрения сбережения ресурсов и уменьшат цену за одну единицу, этого планируется достичь при помощи новых 3D принтеров, уже сейчас позволяющих при помощи печати металлическими порошками создавать сложные конструкции, которые до этого момента невозможно было воспроизвести.
В данный момент в терапии опухолей кости применяют хирургических, лучевой и химический методы лечения, в то же время хирургическое лечение рассматривается в качестве основного направления. С каждым годом всё большее значение приобретает выполнение реконструктивных операций по замещению аномалий ткани после выполненного удаления опухоли.
В связи с реализацией Федерального проекта "бережливая поликлиника". Применение методов бережливого производства в медицинских организациях начал остро стоять вопрос об рациональном использовании средств поликлиник и сокращении времени на проведение медицинских операций. Целью пилотных проектов бережливых поликлиник было уменьшение затрат на производство, оказывание услуг и улучшение отзывов на оказанные услуги пациентами, говорится в этом проекте. Поэтому стоит отметить важность нашей работы, так как это должно не только уменьшить время хирургов на одну операцию, но и упростить выбор наиболее целесообразного метода реконструирования дефекта.
Данные об эффективности, функциональных и эстетических результатах включения реконструктивных методик в комплексное лечение больных со злокачественными новообразованиями кости единичны и не систематизированы. Вышеизложенное свидетельствует о высокой актуальности темы исследования и о её перспективах.
Метод исследования.
Для исследования было выбрано несколько методов, таких как:
- системный анализ
- структуризация
- обобщённости информации
- контент-анализ
- метод организации сложных экспертиз на основе модификации метода анализа иерархий
- систематизация
- имитационный метод
Структура выпускной квалификационной работы: дипломная работа выполнена на 86 страницах, состоит из списка сокращений, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа проиллюстрирована 37 рисунками и 6 таблицами.
Проанализировав данные литературных источников, удалось смоделировать костную ткань, которая ни по одному критерию не уступает оригиналу. С помощью этой модели удалось установить, что метод реконструирования опухоли с помощью титановой пластины возможен и имеет достаточно большое количество преимуществ перед методами, используемыми на данный момент в современной медицине, за счёт своих уникальных характеристик и особых свойств. Цель, которая состояла в разработке компьютерной модели бедренной кости в норме и при паталогических изменениях костной ткани, с применением инновационного метода реконструирования поражения компактной костной ткани, считается выполненной.
В заключение, хотелось бы подчеркнуть, что данная разработка может быть использована не только в реконструировании опухолевого процесса, но и в аналогичных случаях поражения костной ткани, соответствующих моделируемым ситуациям, что, в итоге, должно улучшать качество жизни и время восстановления пациентов после операции.
В заключение, хотелось бы подчеркнуть, что данная разработка может быть использована не только в реконструировании опухолевого процесса, но и в аналогичных случаях поражения костной ткани, соответствующих моделируемым ситуациям, что, в итоге, должно улучшать качество жизни и время восстановления пациентов после операции.