Математическое моделирование в армирующей стоматологии
advertisement
Тематическая конференция «Применение инновационных технологий в медицине: возможности малого и среднего предпринимательства с учетом опыта России и ЕС» Москва, МГИМО (У) МИД России 08 апреля 2012 г. Секция 3: Инновационные технологии в стоматологии Математическое моделирование в армирующей стоматологии Гаврюшин Сергей Сергеевич зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. профессор. Давыдова Ксения Игоревна - врач стоматолог. ООО “Д Вита Дент” 1 Наиболее значимые достижения мирового уровня в области высокотехнологичных медицинских операций ассоциируются с разработкой специальных программно-аппаратных систем, получивших наименование Computer Aided (или Assisted) Surgery (сокращенно - CAS системы). CAS системы предназначены для автоматизации проведения диагностических процедур, предоперационного планирования, тренинга хирурга-оператора, непосредственно хирургического вмешательства и интраоперационного сопровождения. Использование CAS систем позволяет добиться значительного повышения эффективности работы хирурга за счет научнообоснованного учета индивидуальных особенностей пациента, оптимизации операционного процесса и минимизации хирургического вмешательства. В настоящее время для проведения диагностики и малоинвазивной хирургии, в том числе, для эндовазальных операций, активно используются микроробототехнические системы. 2 Медико- технологические системы поддержки хирургического лечения Динамика роста внедрения МИС 50 45 40 35 30 среднее число внедрений одной МИС 25 20 среднее число пользователей одной МИС 15 10 5 0 2004 2005 2007 2009 К медико-технологическим системы поддержки хирургического лечения относятся CAS (Computer Aided Surgery) системы, задачей которых является планирование результатов хирургического вмешательства Области применения CAS систем нейрохирургия ортопедия Спинальная хирургия офтальмология Сосудистая хирургия Челюстно-лицевая хирургия и стоматология Суставная артропластика Система поддержки электронных медицинских карт (ЭМК) Системы обмена, управления и интеграции медицинской информации (DICOM, HL7 и др.) Системы поддержки принятия медицинских решений (CDSS) Специализированные программные средства Диагностика Планирование Тренинг Операция Реабилитация Хирургические тренажеры Системы роботизированной хирургии Системы диагностики и визуализации Специализированные аппаратные средства 4 Различия в особенностях самих моделей Какая из моделей сложнее? Отличия: Механические изделия Биомеханические системы Большая часть элементов имеет аналитическую форму Формы всех элементов описываются только NURBSгеометрией Элементы формы имеют однозначно заданные границы Границы элементов формы выявляются с помощью специальных алгоритмов Одна модель соответствует типу, серии или партии изделий Модели индивидуальны 5 Имеется положительный опыт использования методов математического моделирования для анализа ряда биомеханических конструкций. Протезные конструкции с опорой на внутрикостные имплантаты Ортопедические конструкции Расчет и оптимизация конструкций имплантатов, аттачманов, бюгелей и других элементов супраструктуры. Реконструкция и реставрация 6зубов Компьютерная томография. физический принцип: явление затухания рентгеновского луча при прохождении через вещество. измеряется: радиационная плотность вещества, близкая его физической плотности + высокая скорость сканирования + более простое и компактное оборудование (особенно с помощью Конусно-лучевых рентгеновских компьютерных томографов (CBCT, CBVT)) + возможно сканирование объектов, содержащих магнитные материалы - риски, связанные с облучением пациента (особенно в случаях, когда необходимо выполнить ряд сканирований в течение короткого срока) Магнитно-резонансная томография. Физический принцип: явление ядерного магнитного резонанса. измеряется: концентрация свободных протонов (воды), жира и др. параметры + отсутствие ионизирующего излучения + большая гибкость: возможна визуализация распределения целого ряда параметров и процессов - существенно более высокие стоимость, габариты и сложность оборудования. -объект не должен содержать элементы, выполненные из магнитного веществаю Хранение и передача данных. Универсальный стандарт DICOM, в котором записываются изображения, позволяет хранить как графическую, так и служебную информацию (сопровождающие данные) снимка. 7 Реальная клиническая ситуация содержит большой объем информации, что приводит к необходимости автоматизации работы. На послойных растровых изображениях, полученных при помощи компьютерной томографии, выделяются области, соответствующие различным тканям Затем на основе этой информации строятся твердотельные геометрические модели челюсти 8 Построение геометрической модели на основе компьютерного томографирования Послойные растровые изображения Построение твердотельной пространственной модели Преобразование растрового формата в векторный формат Генерация сетки конечных элементов 9 Этапы построения конечно-элементной модели зуба Растровая модель Твердотельная модель + Конечно-элементная модель Виртуальное препарирование 10 Программное обеспечение, используемое при анализе. Программные средства Построение визуальных растровых моделей Триангулизация поверхностей. Построение расчетных 3D моделей Построение конечноэлементных моделей Средства численного анализа Amira + + Hyper MESH + ANSYS Аmira Amira Hyper MESH ANSYS Materialise Mimics + CATIA + ABAQUS Mimics Mimics CATIA ABAQUS ПО МГТУ им. Н.Э.Баумана) + + +* +* (с APM WinMachine) * разрабатывается L-R интерпретация yq' ( yq ( y )dy ) /( ( y )dy ) Yl Дополнительные данные Медикобиологические: Состояние белковой матрицы: старение белка: % содержания жира; Размер трабекул; … Инженерные: Мощность излучения; Режимы сканирования; … Yl Биомеханические данные лабораторных исследований Сегментация областей с одинаковыми биомеханическими свойствами Численный расчет биомеханических характеристик Сканирование областей интереса и постпроцессорная подготовка данных КТ Методика преобразования данных КТ в биомеханические данные Физико-механические свойства материалов • • • • Линейно-упругая модель Нелинейные модели Композиты Метаболические свойства живых тканей Модуль упругости E, [МПа] Коэффициент Пуассона Предел прочности b, [МПа] 1,12105 0,32 345 Никель титановый сплав 1,12х105 0,33 280 Сплав хром кобальта 1,72105 0,32 193 Композит Этакрил-02 Зубная эмаль 2,6102 0,25 70 8,0104 0,33 70 Кортикальный слой кости Дентин 2,0104 0,3 45 1,47104 0,3 17 Титан 4000 Эквивалентные напряжения Материал 3800 3600 3400 3200 3000 Спонгиозное вещество кости 5,0103 Периодонт 1.0 0,3 15 2800 1 3 5 7 9 1145град. 13 Число элементов вдоль дуги Осредненные в узлах 0,45 - 15 Неосредненные по элементам 13 17 Нагрузка и условия закрепления • Силовое (статическое) нагружение • Кинематическое нагружение Таблица 2. Экспериментальные данные о величинах максимальных сдавливающих сил Максимальная сила сдавливания (ньютоны) Возраст Резцы Клыки Премоляры Моляры Взрослые До 150 323-485 424-583 475-749 Таблица 3. Предельно-допустимые имплантатов Нагрузка значения силовых факторов для Величина Вертикальное усилие 100 – 300 н Боковое усилие 30 –50 н Изгибающие моменты 400 – 600 н*мм 14 Соединительный слой Модель без паза Модель с пазом Соотношение толщины соединительного слоя и габаритных размеров конечных элементов исходной модели Исходное состояние Формирование соединительного слоя Результаты построения при различных толщинах соединительного слоя Малая толщина соединительного слоя Средняя толщина соединительного слоя Большая толщина соединительного слоя, превышающая высоту тетраэдрального элемента Примеры армирования конструкций Армированное стекло Строительство Косметическая медицина Машиностроительные изделия Дорожные покрытия 17 Экспериментально-теоретическое исследования прочностных свойств армированного композиционного образца в зависимости от расположения армирующей сетки 18 Чем обусловлен эффект от армирования? Эффективность армирование основана на трех основополагающих моментах - перераспределение функциональных нагрузок, приводящее к разгрузке критических зон, снижение уровня неблагоприятных растягивающих напряжений и сопротивление росту микротрещин, препятствующее появлению магистральных трещин, являющихся причинами возникновения сколов и отколов. 1, Армирующая сетка позволяет перераспределить напряжения от функциональной нагрузки, снижая тем самым уровень напряжений в критических зонах – зонах адгезии, а также защищая конструкцию от действия неблагоприятных контактных напряжений. 2.Армирующая сетка принимает на себя растягивающие напряжения, которые для композиционного материала , в силу его физикомеханических свойств, наиболее опасны. 3.Наличие армирующей сетки препятствует (оказывает сопротивление) росту микродефектов , изначально присутствующих в композитной реставрации, уменьшая тем самым риск отколов и сколов. 19 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ! 20
