Разработка подсистемы биомеханического моделирования для системы поддержки принятия врачебных решений в травматологии-ортопедии

Разработка подсистемы биомеханического моделирования для системы поддержки принятия врачебных решений в травматологии-ортопедии

Автор: Бессонов Л.В.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (106) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Одобренные Минздравом России клинические рекомендации по лечению заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата указывают на необходимость предоперационного планирования. Современные подходы подразумевают использование в предоперационном планировании средств цифровизации: начиная от цифровых программно-аппарат-ных комплексов лучевой диагностики и заканчивая медицинскими программами-планировщиками, позволяющими проводить рентгенометрические измерения, подбор фиксирующих конструкций и имплантатов, виртуальные репозицию и установку шаблонов имплантатов. Планирование на рентгенограмме или компьютерной томограмме осуществляется на основе опыта врача-хирурга и в плане количественных методик оценки привлекает в основном методики, основывающиеся на известных анатомических соотношениях нормальной анатомии и физиологии. В ряде работ был предложен подход к предоперационному планированию, включающий биомеханическую поддержку принятия врачебного решения. Этот подход основан прежде всего на оценке напряженно-деформированного состояния, которое будет возникать в системе «кость – имплантат» в результате планируемого лечения. В исследовании приведены результаты разработки подсистемы биомеханического моделирования системы поддержки принятия врачебных решений в травматологии-ортопедии. В качестве исходных данных взяты данные компьютерной томографии. Компьютерные томограммы обрабатываются посредством технологий искусственного интеллекта для построения твердо-тельных моделей биологических объектов. Применяются методы построения расчётных се-ток посредством систем Ansys и NetGen и решение задачи биомеханики посредством метода конечных элементов пакетов Ansys и NGSolve. Разработанная подсистема автоматизирует частично процедуру построения твердотельной модели системы «кость – имплантат» на основе компьютерной томограммы, позволяет выполнять постановку задачи биомеханики, построение вычислительной сетки, численное решение задачи биомеханики методом конечных элементов, а также визуализацию и интерпретацию результатов расчётов. В работе описана поэтапно типовая процедура биомеханического моделирования, представлена структура системы, типовой поток движения данных и описание каждого из модулей подсистемы, отвечающих за соответствующие этапы процесса. Помимо основных модулей описаны инфраструктурные модули, отвечающие за хранение данных и организацию взаимодействия между программными компонентами. Представлена программная реализация подсистемы. Проведена апробация на расчётных задачах в хирургии позвоночнотазового комплекса.

Еще

Биомеханика, биомеханическое моделирование, компьютерная томография, DICOM, сегментирова-ние, предоперационное планирование, твердотельные модели, задача биомеханики, модульная структура, система поддержки принятия врачебных решений

Короткий адрес: https://sciup.org/146283004

IDR: 146283004   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.4.11

Список литературы Разработка подсистемы биомеханического моделирования для системы поддержки принятия врачебных решений в травматологии-ортопедии

  • Тихилова, Р.М. Руководство по хирургии тазобедренного сустава / под ред. Р.М. Тихилова, И.И. Шубнякова. – СПб.: РНИИТО, 2015. – Т. 2. – 355 с.
  • ГОСТ Р: ИСО 12052-2009 Информатизация здоровья. Цифровые изображения и связь в медицине (DICOM), включая управление документооборотом и данными. – М.: НИИОИЗ Росздрава, 2010.
  • Length and offset restoration in partial hip arthroplasty (PHA) performed by resident surgeons: Comparison between pre-operative planning and intraoperative X-ray / G. Scalici, M. Zago, F. Di Maida, G. Benelli, P. De Biase // Injury. – 2024. – Vol. 55, no. 4. – P. 111342.
  • Surgeon’s Experience and Accuracy of Preoperative Digital Templating in Primary Total Hip Arthroplasty / M. Surroca, S. Miguela, A. Bartra-Ylla, J.H. Nuñez, F. Angles-Crespo // Hip & Pelvis. – 2024. – Vol. 36, no. 2. – P. 129.
  • Radiographic Indicators of Craniocervical Instability: Ana-lyzing Variance of Normative Supine and Upright Imaging in a Healthy Population / A.J. Gordillo, M. Magro, D. Obiri-Yeboah, A.A. Patel, V. Sarel, A. Spiessberger // Clinical Spine Surgery. – 2024. – Vol. 28. – P. 10.1097.
  • Лечение врожденных деформаций позвоночника у детей: вчера, сегодня, завтра / С.О. Рябых, Э.В. Ульрих, А.Ю. Мушкин, А.В. Губин // Хирургия позвоночника. –2020. – Т. 17, № 1. – С. 15–24.
  • Xing, Q. The Accuracy of Immediate Implantation Guided by Digital Templates and Potential Influencing Factors: A Sys-tematic Review / Q. Xing, J. Lin, M. Lyu // International Den-tal Journal. – 2024. – Vol. 8. – P. S0020–6539(24)01562-4.
  • Концепция систем поддержки принятия врачебных решений в хирургии позвоночно-тазового комплекса / Д.В. Иванов, Л.В. Бессонов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, С.И. Киреев // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2022. – Т. 22, № 4. – С. 517–535.
  • Иванов, Д.В. Биомеханическая поддержка решения врача при выборе варианта лечения на основе количественных критериев оценки успешности / Д.В. Иванов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2022. – Т. 22, № 1. – С. 62–89.
  • Иванов, Д.В. Биомеханика как основа систем поддержки принятия врачебных решений в хирургии: дис. д-ра физ.-мат. наук: специальность 01.02.08 «Биомеханика» / Д.В. Иванов. – 2022. – 438 с.
  • Understanding and using DICOM, the data interchange stand-ard for biomedical imaging / W.D. Jr. Bidgood, S.C. Horii, F.W. Prior, D.E. Van Syckle // J Am Med Inform Assoc. – 1997. – Vol. 4, no. 3. – P. 199–212.
  • Построение трехмерных твердотельных моделей позвонков с использованием сверточных нейронных сетей / А.С. Бескровный, Л.В. Бессонов, Д.В. Иванов, В.С. Золотов, Д.А. Сидоренко, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2021. – Т. 21, № 3. – С. 368–378.
  • Использование сверточной нейронной сети для автоматизации построения двумерных твердотельных моделей позвонков / А. С. Бескровный, Л. В. Бессонов, Д. В. Иванов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 502–516.
  • Создание трехмерных твердотельных моделей позвоночника с транспедикулярной фиксацией c использованием специализированного программного обеспечения / А.М. Донник, Д.В. Иванов, Л.Ю. Коссович, К.К. Левченко, С.И. Киреев, К.М. Морозов, Н.В. Островский, В.В. Зарецков, С.В. Лихачев // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2019. – Т. 19, № 4. – С. 424–438.
  • Иванов, Д.В. Применение томографических изображений для создания трехмерных индивидуальных реалистичных моделей биологических объектов / Д.В. Иванов, А.В. Доль // Кардио-ИТ. – 2015. – Т. 2, № 4. – С. 0402.
  • Доль А.В. Разработка программы полуавтоматической сегментации изображений для создания трехмерных моделей сосудов головного мозга / А.В. Доль, Д.В. Иванов // Российский журнал биомеханики. – 2017. – Т. 21, № 4. – С. 448–460.
  • Клячин, А.А. Выделение признаков на изображениях на основе интегральных преобразований при решении задач классификации фрагментов фотоснимков / А.А. Клячкин // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2024. – Т. 24, № 3. – С. 432–441.
  • Иванов, Д.В. Введение в Ansys Workbench: Учебно-мето-дическое пособие для студентов естественно-научных дисциплин / Д.В. Иванов, А.В. Доль. – Саратов: Общество с ограниченной ответственностью «Амирит», 2016. – 56 с.
  • Netgen/NGSolve [Электронный ресурс]. – URL: https://ngsolve.org/ (дата обращения: 24.10.2024).
  • Masse, M. REST API design rulebook / M. Masse – O'Reilly Media, Inc., 2011. – 94 p.
  • Huang, H. Unet 3+: A full-scale connected unet for medical image segmentation / H. Huang // ICASSP 2020-2020 IEEE international conference on acoustics, speech and signal pro-cessing (ICASSP). – IEEE, 2020. – P. 1055–1059.
  • Qurri, A. Improved UNet with attention for medical image segmentation / A. Qurri, M. Almekkawy // Sensors. – 2023. – Vol. 23, no. 20. – P. 8589.
  • A spinal MRI image segmentation method based on improved Swin-UNet / J. Cao, J. Fan, C.L. Chen, Z. Wu, Q. Jiang, S. Li // Network: Computation in Neural Systems. – 2024. – Vol. 3. – P. 1–29.
  • Stability evaluation of oblique lumbar interbody fusion con-structs with various fixation options: a finite element analysis based on three-dimensional scanning models / H.Z. Guo, Y.C. Tang, D.Q. Guo, P.J. Luo, Y.X. Li, G.Y. Mo, Y.H. Ma, J.C. Peng, D. Liang, S.C. Zhang // World neurosurgery. – 2020. – Vol. 138. – P. e530-e538.
  • Finite element analysis of a new pedicle screw-plate system for minimally invasive transforaminal lumbar interbody fu-sion / J. Li, J. Shang, Y. Zhou, C. Li, H. Liu // PLoS one. – 2015. – Vol. 10, no. 12. – P. e0144637.
  • Rho, J.Y. Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone / J.Y. Rho, M.C. Hobatho, R.B. Ashman // Medical engineering & physics. – 1995. – Vol. 17, no. 5. – P. 347–355.
  • Morgan, E.F. Bone mechanical properties in healthy and dis-eased states / E.F. Morgan, G.U. Unnikrisnan, A.I. Hussein // Annual review of biomedical engineering. – 2018. – Vol. 20, no. 1. – P. 119–143.
  • Построение зависимости между значениями модуля Юнга и числами Хаунсфилда губчатой кости головок бедра / Л.В. Бессонов, А.А. Голядкина, П.О. Дмитриев, А.В. Доль, В.С. Золотов, Д.В. Иванов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, Ю.И. Титов, В.Ю. Ульянов, А.В. Харламов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2021. – Т. 21, № 2. – С. 182–193.
  • Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии / О.В. Герасимов, Р.Р. Рахматулин, Т.В. Балтина, О.А. Саченков // Российский журнал био-механики. – 2023. – Т. 27, № 3. – С. 53–66.
  • Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М.А. Жмайло, А.Н. Коваленко // Российский журнал биомеханики. – 2022. – Т. 26, № 4. – С. 19–33.
  • Correlation of mechanical properties of vertebral trabecular bone with equivalent mineral density as measured by com-puted tomography / S.M. Lang, D.D. Moyle, E.W. Berg, N. Detorie, A.T. Gilpin, N.J. Jr. Pappas, J.C. Reynolds, M. Tkacik, R.L. Waldron 2nd. // JBJS. – 1988. – Vol. 70, no. 10. – P. 1531–1538.
  • Исследование влияния характеристик межсистемных шунтов на гемодинамические показатели и распределение кислорода / А.Р. Хайрулин, И.О. Ракишева, А.Г. Кучумов, М.В. Голуб, Р.М. Шехмаметьев, П.В. Лазарьков // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2024. – Т. 24, № 2. – С. 254–274.
  • Перельмутер, М.Н. Концентрация напряжений в костных тканях и винтовых дентальных имплантатах / М.Н. Перельмутер // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 2. – С. 18–29.
  • Численное моделирование полного протеза коленного сустава с силиконовой прослойкой / А. Мааче, М. Амаджи, Х. Амеддах, Х. Мазуз // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 1. – С. 77–87.
  • Хорошев, Д.В. Влияние фасеточных суставов на биомеханическое поведение позвоночно-двигательного сегмента L4–L5: трехмерная модель межпозвоночного диска с идеальной жидкостью / Д.В. Хорошев // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 2. – С. 145–156.
  • Иванов, Д.В. Биомеханическое моделирование / Д.В. Иванов, А.В. Доль. – Издание второе, переработанное и дополненное. – Саратов: Общество с ограниченной ответственностью «Амирит», 2021. – 250 с.
  • Huang, W. Biomechanical evaluation of a novel anatomical plate for oblique lumbar interbody fusion compared with various fixations: a finite element analysis / W. Huang, Y. Tian, X. Ma, F. Lv, H. Wang, J. Jiang // Annals of Trans-lational Medicine. – 2022. – Т. 10, no. 16. – P. 871.
  • Методология «Планирование - Моделирование - Прогнозирование» для предоперационного планирования в травматологии-ортопедии / Л.В. Бессонов, И.В. Кириллова, А.С. Фалькович, Д.В. Иванов, А.В. Доль, Л.Ю. Коссович // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2024. – Т. 24, № 3. – С. 359–380.
  • Биомеханическое моделирование при хирургическом лечении пациента с истинным спондилолистезом поясничного позвонка / А.Л. Кудяшев, В.В. Хоминец, А.В. Теремшонок, Е.Б. Нагорный, С.Ю. Стадниченко, А.В. Доль, Д.В. Иванов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, А.Л. Ковтун // Хирургия позвоночника. – 2018. – Т. 15, № 4. – С. 87–94.
  • Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения односторонних переломов крестца / А.В. Доль, Д.В. Иванов, И.В. Кажанов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, С.И. Микитюк, А.В. Петров // Российский журнал биоме-ханики. – 2019. – Т. 23, № 4. – С. 537–548.
  • Биомеханический анализ вариантов позвоночно-тазовой фиксации при продольных переломах крестца методом конечных элементов / А.А. Кулешов, Н.А. Аганесов, М.С. Ветрилэ, А.В. Доль, И.Н. Лисянский // Хирургия позвоночника. – 2023. – Т. 20, № 1. – С. 28–35.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp