Материал: vfSyyPlR1p

На правах рукописи

Нгуен Нам Минь

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2015

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПБГЭТУ «ЛЭТИ»), на кафедре «Системы автоматизированного проектирования (САПР)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дмитревич Геннадий Даниилович, профессор кафедры САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Лузин Сергей Юрьевич, технический директор и руководитель обособленного подразделения САПР Санкт-Петербург- ского филиала ООО «Эремекс»

кандидат технических наук, Каменьков Дмитрий Васильевич, руководитель группы разработчиков ООО «Институт географических информационных технологий».

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».

Защита состоится 30 июня 2015года в 16 часов 30минутна заседании диссертационного совета Д 212.238.02 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)по адресу:197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайтеhttp://eltech.ru.

Автореферат разослан:29 апреля 2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.02

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

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, 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.

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.

Впоследние годы появились работы по применению математического

ифизического 3D-моделирования в ортопедии. Эти работы ограничиваются рассмотрением средств визуализации биомеханических объектов – систем

4

«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 для частных задач в сфере медицинской биомеханики на основе использования набора зарубежных многофункциональных машиностроительных комплексов –

Unigraphics, CATIA, AnyBody, Ansys и др. Не рассматриваются и не решаются задачи сквозного проектирования и изготовления индивидуальных ревизионных систем для эндопротезирования тазобедренных суставов.

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 Р.Р.

Вредена (РНИИТО им. Р.Р. Вредена). Таким образом, исследование и разработка инструментальных средств САПР биомеханических объектов является актуальной задачей, имеющей большое социально-экономическое и практическое значение.

Предметом исследования является научные основы построения САПР

биомеханических объектов.

Объектом исследования являются методы, модели и инструментальные средства САПР биомеханического объекта «кость – индивидуальный компонент ревизионной системы - эндопротез» (Bone-

Сustom_component-Implant − BCI).

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:

5

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

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

3.Разработать инструментарий САПР BCI, включая инвариантные и биомеханические инструменты.

4.Разработать компоненты информационного обеспечения САПР биомеханических объектов, в том числе Web−ориентированные банк моделей и средства доступа к банку моделей

5.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 BCI и этап моделирования