Применение конечно-элементного анализа в образовании стоматологов: современные подходы и перспективы

EDN: NUKISB

Автор выражает благодарность Александровой Кристине Алексеевне, студенту 3-го курса стоматологического факультета Самарского государственного медицинского университета, за содействие в данном исследовании

Введение . В современном мире к молодому стоматологу предъявляются высокие требования знаний не только медико-биологической направленности, но владения цифровыми технологиями. Для эффективного освоения основных дисциплин и общего кругозора будущих стоматологов необходимо как теоретическое понимание анатомии, физиологии и строения челюстно-лицевой системы, так и практическое владение инструментами анализа биомеханических процессов. Именно здесь на помощь приходит КЭА – численный метод решения задач механики сплошных сред, позволяющий моделировать деформированное состояние различных объектов; компьютерное моделирование, в процессе которого сложный объект разбивается на множество малых элементов и для каждого элемента определяются возникающие в нем напряжения, деформации и пр. в соответствии с заданными нагрузками и ограничениями [Бруяка В.А., с. 7].

История вопроса . Этот подход широко используется в машиностроении, авиации, строительстве и всё чаще применяется в медицине и стоматологии.

В стоматологии МКЭ находит применение по следующим направлениям: исследование распределения напряжений в зубах, периодонте и костной ткани при жевательной трети; моделирование поведения имплантатов и протезов в условиях функциональной нагрузки; анализ эффективности ортодонтических аппаратов и сил, воздействующих на зубы и челюсти; прогнозирование устойчивости реставраций и эндодонтических конструкций [Дьяченко Д.Ю., Семенюк В.М.; Shruti S. ]. В этих исследованиях врачи лучше учитывают последствия медицинских решений, представляя соответствующие рекомендации и предлагая оптимальные варианты лечения.

Методы исследования . В подготовке научной работы использован комплекс методов: теоретический анализ научной и учебно-методической литературы по проблеме применения цифровых технологий в стоматологическом образовании; моделирование – построение конечно-элементных моделей стоматологических конструкций (имплантатов, коронок) в программной среде ANSYS; педагогический эксперимент (формирующий и констатирующий этапы), проведённый на базе Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) совместно со студентами стоматологического факультета: в ходе эксперимента внедрялся модуль «Основы конечно-элементного анализа в стоматологии» в рамках дисциплины по биомеханике и цифровым технологиям. Такой методологический подход позволил комплексно оценить дидактический потенциал КЭА в подготовке будущих стоматологов.

Результаты исследования . Включение КЭА в учебный процесс открывает новые горизонты обучения молодых стоматологов, например для углубленного понимания теоретических знаний: МКЭ позволяет визуализировать абстрактные понятия биомеханики, такие как напряжение, деформация, упругость, силы реакции. МКА способствует развитию аналитического мышления, способности интерпретировать результаты моделирования, приобретению навыков работы с программным обеспечением (ANSYS, ABAQUS, SolidWorks и др.). Владение студентом МКЭ становится мощным подспорьем в подготовке студенческих научных работ и исследований. Он позволяет формировать гипотезы, проверять их в условиях виртуальной среды и делать выводы без необходимости проведения технически или этически сложных экспериментов на людях или животных.

Обучение КЭА устанавливает междисциплинарные связи в образовательном процессе: обеспечивает знания в области анатомии, материаловедения, биомеханики, информатики и инженерии, отвечающие требованиям современного образования. В этой связи в передовых современных университетах и научных центрах внедряют программы, в которых студенты знакомятся с основами конечно-элементного моделирования.

Примером может служить лабораторные практики, на которых с использованием программного обеспечения студенты создают модель зуба, зубного ряда, элемента челюстно-лицевой системы, имплантатов, коронок и других конструкций. В ряде случаев для этой цели используются 3D – сканеры. Затем, студентами проводится КЭА модели, проверяются гипотезы, делаются выводы.

Обучение этапам КЭМ можно рассмотреть на примере исследования напряженно-деформированного состояния имплантата, изготовленного из сплава NiTi [ Shruti S., с. 415 ]. Расчет проводится с помощью пакета инженерного анализа ANSYS, работающего на основе МКЭ [ Бруяка В. А., с. 8 ].

Начальным этапом расчета (рre-processor) является создание модели, задание свойств материала и граничных условий, генерация сетки КЭ [ Адеянов И.Е., c. 198 ]. Геометрическая модель имплантата представлена на рис. 1. Она представляет собой цилиндрический реконструктивный имплантат с размерами: диаметр 5,95 мм, высота 8,1 мм, диаметр центрального направляющего отверстия 3,2 мм.

Построенной модели присваиваются механические свойства материала. Материалом имплантата сплав NiTi со следующими механическими упругими константами: модуль продольной упругости E =115 ГПа коэффициент Пуассона ν=0,32. В силу симметрии 3-D модели и прикладываемых нагрузок для численного анализа, может быть использована конечно-элементная модель четвертой части имплантата, на которой генерируется сетка КЭ (рис. 1, б - модель четвертой части имплантата).

На модель накладываются следующие граничные условия: основание закреплено вдоль направляющей, в двух продольных сечениях модели заданы условия симметрии, к верхней части приложена сжимающая распределенная нагрузка с постоянной интенсивностью, соответствующей силе 600 Н (рис. 1, в - граничные условия).

Следующим этапом (processor/solver) является непосредственно решение систем уравнений с заданными пользователем параметрами.

Заключительным этапом (post-processor) проводится анализ результатов расчета. В приведенном примере в результате статического расчета были получены поля эквивалентных напряжений и суммарных перемещений геометрии имплантата (рис. 2).

Рис. 1 . 3D - модель имплантата и ее граничные условия:

• а) модель сплошная; б) модель четвертой части имплантата; в) граничные условия (3D model of the implant and its boundary conditions:

• a) solid model; b) model of the fourth part of the implant; c) boundary conditions)

  
  
  
  

  б

  
  
  

  в

  
  

  Рис. 2 . Результаты численного анализа модели имплантата:

  а) распределение эквивалентных напряжений, Па; б) распределение суммарных перемещений (Results of the numerical analysis of the implant model:

  a) distribution of equivalent stresses, Pa; b) distribution of total displacements)

  

  а

  
  
  

  б

  
  

Выводы . Таким образом, на простой модели имплантата студенты знакомятся с этапами численного расчета, осваивают МКЭ, обретают навыки работы с программным обеспечением. Аналогичная работа может быть представлена, как проектная деятельность – выполнение групповых проектов по моделированию конкретных объектов. Как междисциплинарная интеграция, для создания точных анатомических моделей могут быть использованы данные КТ/МРТ. Так же занятия могут проводиться совместно со студентами технической направленности (медицинская кибернетика, биоинженерия).

Освоение метода КЭА перед будущими стоматологами открывает перспективы дальнейшего использования цифровых технологий и искусственного интеллекта в процессе обучения и профессиональной деятельности.

КЭА в образовании стоматологов имеет свое логическое развитие: в автоматизации процессов расчета; интеграцией с машинным обучением, а именно прогнозированием последствий исходов на основе анализа большого количества модельных данных; виртуальной реальности и дополненной реальности – визуализацией напряжений и деформаций в 3D-формате в режиме реального времени; использование облачных платформ – доступ к программному обеспечению без установки на локальные компьютеры, что делает обучение более доступным .

Применение КЭА в образовании стоматологов открывает новые возможности для углубленного изучения биомеханики зубочелюстной системы, развития аналитического мышления и подготовки компетентных специалистов. Внедрение КЭА в учебный процесс обеспечивает формирование у студентов навыков, которые будут востребованы в условиях стремительно развивающейся цифровой науки. Это не просто инструмент для исследования, но и ведущий образовательный ресурс, способный повысить качество подготовки будущих стоматологов.