Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Механика

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   |   УДК: 531/534: [57+61]   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.4.11

Development of biomechanical modeling subsystem for the medical decision support system in traumatology and orthopedics

Clinical recommendations for the treatment of diseases and injuries of the musculoskeletal system approved by the Russian Ministry of Health indicate the need for preoperative planning. Modern approaches imply the use of digitalisation tools in preoperative planning: starting from digital software and hardware complexes of radial diagnostics and ending with medical planning software that allows for radiometric measurements, selection of fixation structures and implants, virtual repositioning and installation of implant templates. Planning on radiographs or computed tomograms is based on the experience of the surgeon and, in terms of quantitative evaluation techniques, involves mainly techniques based on known anatomical relationships of normal anat-omy and physiology. A number of papers have proposed an approach to preoperative planning that includes biomechanical support for physician decision making. This approach is based pri-marily on the assessment of the stress-strain state that will occur in the system ‘bone - implant’ as a result of the planned treatment. This paper presents the results of the development of the bio-mechanical modelling subsystem of the medical decision support system in traumatology-ortho-paedics. Computer tomography data are taken as initial data. Computer tomograms are processed by means of artificial intelligence technologies for construction of solid-state models of biological objects. The methods of computational meshes construction by means of Ansys and NetGen sys-tems and biomechanics problem solving by means of finite element method of Ansys and NGSolve packages are applied. The developed subsystem partially automates the procedure of building the solid model of the system ‘bone - implant’ on the basis of computer tomogram, allows to perform the statement of the biomechanics problem, computational grid construction, numerical solution of the biomechanics problem by the finite element method, as well as visualisation and interpretation of the calculation results. The paper describes step-by-step a typical procedure of biomechanical modelling, presents the system structure, typical data flow and description of each of the subsys-tem modules responsible for the corresponding stages of the process. In addition to the main mod-ules, infrastructure modules responsible for data storage and organisation of interaction between software components are described. The software implementation of the subsystem is presented. Approbation on calculation tasks in spine and pelvic surgery is carried out.

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp