Содержание к диссертации
Введение
1. Архитектура САПР механических изделий медицинской техники 9
1.1. Лечение патологий костей. Проектирование конструкций для остеосинтеза и эндопротезов 9
1.1.1. Состояние проблемы сложных типов переломов 9
1.1.2. Методы лечения переломов 10
1.1.3. Проектирование конструкций, применяемых при печении переломов 12
1.2. Функциональные требования к САПР механических изделий медицинской техники 15
1.3. Процесс автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники 18
1.4. Структура и организация подсистем САПР механических изделий медицинской техники 21
1.5. Функциональное назначение проблемно-ориентированных подсистем 24
1.6. Взаимодействие подсистем САПР 26
2. Разработка общесистемного ядра САПР механических изделий медицинской техники 29
2.1. Постановка задачи 29
2.2. Функции и структура общесистемного ядра САПР 29
2.3. Интерактивная управляющая подсистема 34
2.4. Инвариантная обслуживающая подсистема 36
2.5. Алгоритмические основы обеспечения процесса проектирования 41
2.5.1. Сценарий процесса проектирования 41
2.5.2. Управление модулями проблемно-ориентированных подсистем 47
2.5.3. Прерывание и возобновление процесса проектирования 55
2.6. Подсистема управления моделями сеанса проектирования 59
2.7. Модуль импорта моделей 65
2.8. Реализация общесистемного ядра САПР механических изделий медицинской техники 69
3. Информационное и математическое обеспечение сапр механических изделий медицинской техники 76
3 1. Характеристика информационного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники 76
3.2. Математическая модель системы кость - устройство 78
3.3. Программная объектно-ориентированная модель системы кость -устройство 81
3.3Л. Представление биологических объектов. 85
3.3.2. Представление механических объектов 90
3.3.3. Представление системы кость - устройство 92
3.4. База данных моделей биомеханических систем 94
3.5. Лингвистическое обеспечение САПР 107
4. Применение сапр механических изделий медицинской техники 108
4.1. Функциональные характеристики САПР механических изделий медицинской техники 108
4.2. Обоснование выбора конструкции 109
4.3. Построение модели биомеханической системы 109
4.4. Расчет модели биомеханической системы и анализ полученных результатов 113
Заключение 118
Литература
- Состояние проблемы сложных типов переломов
- Процесс автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники
- Функции и структура общесистемного ядра САПР
- Программная объектно-ориентированная модель системы кость -устройство
Введение к работе
Современный этап развития САПР характеризуется динамичным расширением предметных областей их применения. В широком круге задач, ох-ватываемых проблемой дальнейшего развития автоматизированного проектирования, существенную роль играет создание новых проблемно-ориентированных систем проектирования сложных объектов заданного целевого направления, в частности механических изделий медицинской техники (средств коррекции и замещения функций органов и систем, в том числе для травматологии и ортопедии, часть из которых, а именно, фиксаторы и эндо-протезы, используется для лечения переломов и заболеваний суставов).
Совершенствование помощи больным с травмами и заболеваниями опорно-двигательной системы (ОДС) актуально как в России, так и за рубежом, и обусловлено следующими социальными факторами. По данным Всемирной организации здравоохранения ежегодно в мире вследствие травм погибают 3,5 млн. человек, а более 2 млн. травмированных людей навсегда становятся инвалидами. Это число в 100-150 раз превышает количество раненых в военных действиях, которым необходима медико-санитарная помощь. В Российской Федерации от травм и несчастных случаев ежегодно страдает около 13 млн. человек. Среди всех причин временной нетрудоспособности травмы занимают 2-е место (после острых респираторных и вирусных инфекций), а по утраченным дням трудоспособности они вышли на 1-е место. Среди всех причин инвалидности травмы занимают 4-е место (после болезней органов кровообращения, болезней нервной системы и органной чувств, злокачественных новообразований). Смертность от травм занимает 2-е место (после болезней органов кровообращения), что составляет около 310-350 тысяч человек. Заболеваниями ОДС страдает более 8% населения России и это число постоянно увеличивается. Заболевания ОДС занимают 3-е место среди причин временной утраты работоспособности (после острых респираторных инфекций, травм) и 5-е место среди всех причин инвалидизации. Для лечения тяжелых видов травм костей и суставов - переломов и их заболеваний часто необходимо хирургическое лечение с использованием фиксаторов и эндо-протезов. Качество последних во многом определяет успех лечения. Существующие в медицинской практике подходы к проектированию механических устройств для травматологии и ортопедии позволяют оценивать их эффективность преимущественно путем длительного субъективного наблюдения за больными, для лечения которых они применялись, что делает разработку таких устройств недостаточно рациональной и экономически не всегда оправданной.
Для проектирования указанного класса механических изделий применим весь набор базовых инструментов и технологий. Специфика использования механических устройств в составе организма человека накладывает определенные ограничения. Многокритериальность задач проектирования механических изделий медицинской техники требует неформального участия инженеров и медиков на всех этапах целостного процесса проектирования, включая этап диалогового доопределения решаемой задачи. Как существующие, так и перспективные потребности развития САПР ставят задачи разработки общесистемного программного обеспечения в виде ядра, ориентированного на адаптацию системы к новым задачам проектирования механических изделий медицинской техники и предоставляющего возможность гибкой настройки диалогового интерфейса в соответствии с квалификацией пользователя (инженера-проектировщика, медика). Проблема получения достоверной информации о биологических объектах (кости, суставы) и трудоемкость создания этих моделей обуславливают необходимость разработки централизованного банка моделей, доступного различным коллективам проектировщиков и медиков.
Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Российского научно исследовательского института травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии. Таким образом, разработка САПР механических изделий медицинской техники является актуальной задачей, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование вопросов организации программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, анализ взаимодействия подсистем и разработка на основе этого исследования системы BIoMediCAD.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:
1. исследование и разработка архитектуры программного обеспечения системы BioMediCAD;
2. исследование и разработка общесистемного ядра, инвариантного по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам;
3. исследование и разработка программной объектной модели описания компонентов систем кость - устройство;
4. исследование и разработка информационных и программных средств учета индивидуальных особенностей человеческого организма;
5. исследование и разработка механизмов хранения описания биомеханических систем в базе данных;
6. исследование и разработка лингвистических средств системы BioMediCAD.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы построения систем автоматизированного проектирования, системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования, теория реляционных баз данных.
Новые научные результаты.
1. Предложена архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, отличающаяся наличием инвариантной части, обеспечивающей возможность развития и адаптации системы к новым задачам проектирования путем добавления описаний моделей костей, суставов и механических конструкций.
2. Впервые разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся наличием единого прикладного программного интерфейса.
3. Предложено оригинальное информационное обеспечение САПР, включающее в себя программную объектную модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам, и учитывающую характер взаимодействия объектов биомеханической системы.
4. Впервые разработан централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий. В состав банка входит база данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающая поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.
5. Предложены лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика) и допускающие модификацию операционной модели диалога.
Состояние проблемы сложных типов переломов
Переломы костей являются наиболее часто встречающейся патологией. В настоящее время в возрастной группе 20-60 лет смертность от травм в два раза выше, чем в результате сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний [45]. Со временем эти статистические данные приобретают все более негативный вид. Быстрый рост промышленности, урбанизации, высокая степень механизации, возрастающее значение техники и незатухающие военные конфликты приводят не только к повышению числа травм, но и качественно меняют их облик. Разрушения скелетной системы человека, предназначенной, в том числе для амортизации ударов, оказываются все более тяжелыми. При переломах, вызванных малой ударной силой, в тканях фрагментов кости сохраняется достаточно высокий уровень жизненных функций, тем самым происходит быстрая регенерация тканей. Совсем другая картина наблюдается при получении травмы вследствие удара объекта, обладающего высокой кинетической энергией. В этом случае имеют место девитализация фрагментов костной ткани, повреждение мягких тканей, сильные смещения костных отломков, нарушения кровообращения и иннервации. Статистика показывает, что в данном случае использование старых методов лечения порой не приносит положительных результатов. Зачастую такие методы, основанные на клиническом эмпиризме, связаны с длительной потерей трудоспособности пострадавшего и приводят к различным осложнениям, вплоть до инвалидности. Таким образом, для лечения сложных случаев переломов требуются новые .методы, учитывающие особенности повреждения костей. 1..1.2. Методы лечения переломов
Методы лечения переломов можно разделить на две группы: консервативные методы; е оперативные методы.
Консервативным можно считать лечение переломов, когда для лечения поврежденной кости применяется бескровный метод. Консервативное лечение основывается на том тысячелетнем опыте, что соединенная и иммобили-зированная кость заживает костным «рубцом». Поэтому принцип лечения переломов заключается в репоиировании и наложении после этого фиксирующей повязки [5,30, 45]. К таким методам относятся: фиксационный метод одномоментной репозиции с наложением фиксирующей повязки (для изготовления фиксирующей повязки используются гипс, теперь широко применяют полимеры). экстензионный метод, основанный на применении вытяжения для противодействия смещающей силе мышц с целью совмещения и иммобилизации костных отломков.
Несмотря на относительную простоту, консервативные методы могут приводить к неудовлетворительным результатам. Это связано с невозможностью точного репонирования костных отломков, а также с осложнениями, вызываемыми длительной иммобилизацией.
Оперативные методы - это методы, предполагающие хирургическое вмешательство и основанные на использовании различных типов фиксаторов, позволяющих точно совместить костные отломки и обеспечить необходимую фиксацию отломков.
Оперативные методы включают в себя: Погружной остеосинтез . Осуществляется с помощью фиксаторов, крепящихся непосредственно к поверхности кости или внутри кости. В качестве
Остеосинтез - соединение костных фрагментов с целью их сращения. таких фиксаторов выступают винты, накостные пластины (накостный ос-теосинтез), интрамедуллярные штифты (интрамедуллярный остеосинтез) и другие фиксаторы. Погружной остеосинтез обеспечивает точность репозиции и стабильность фиксации. Внеочаговый остеосинтез предполагает использование аппаратов внешней фиксации с применением стержней и спиц, пронизывающих кость и мягкие ткани (например, аппарат Илизарова). Имея ряд преимуществ, данный метод не всегда обеспечивает точность вправления отломков кости (от 7 до 23%) и может приводить к воспалению мягких тканей в местах расположения стержней [30].
Можно выделить следующие преимущества оперативных методов над консервативными [5, 6, 30]. Оперативное лечение предоставляет возможность анатомически точно репонировать отломки кости, и структура поврежденной кости, а также вся пострадавшая конечность приобретают первоначальную форму. К тому же, кость фиксируется настолько стабильно, что наружная фиксация конечности излишня, поэтому в близких к перелому суставах не наступает ограничения подвижности, что избавляет от многих проблем, связанных с длительной иммобилизацией. Известно, что раннее включение сломанной конечности в функциональную нагрузку, особенно опорную, благотворно сказывается на процессах сращивания, так как в зоне перелома создается микроподвижность отломков, что положительно влияет на репаративные процессы костеобразования и способствует росту регенерата [6]. Таким образом, оперативные методы остеосинтеза на сегодняшний день наилучшим образом подходят для лечения сложных вариантов переломов.
Процесс автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники
В настоящее время наблюдается все больше попыток применения ЭВМ для моделирования поведения систем кость - устройство. Это обусловлено возрастающим числом случаев сложных переломов и других патологий кости, для которых применение традиционных способов лечения дает неудовлетворительные результаты, и, как следствие, разработкой новых конструкций. Анализ таких работ показывает, что разработка новой модели устройства сопряжена с решением следующих задач; проектирование конструкции устройства; создание модели кости; формирование и расчет модели кость - устройство; анализ полученных результатов и принятие решения о пригодности устройства. При этом отсутствие необходимого программного обеспечения зачастую вынуждает пропускать этап расчетов моделей и сразу переходить к испытаниям устройства на мертвом костном материале, а затем и вводить устройство в медицинскую практику. Естественно, что при таком подходе, основанном лишь на интуиции и опыте, весьма высока вероятность случаев неудовлетворительных результатов лечения.
Проектирование конструкции изделия, а именно, принятие решений о геометрической форме устройства, используемых материалах, подготовка конструкторской документации, является в чистом виде инженерной задачей, Для ее решения разработано и реализовано достаточно большое число машиностроительных САПР [19, 35]. Наиболее популярны такие САПР, как SolidWorks, ProEngineer, Unigraphics.
Что касается этапа построения модели системы кость - устройство и ее расчета, в каждом конкретном случае эта задача решается по-своему. Чаще всего для создания модели кости применяются подсистемы твердотельного моделирования тех же машиностроительных САПР, а для расчетов моделей используются реализации метода конечных элементов. Степень детализации костных моделей обычно невелика, что отражается в неточности получаемых результатов. Хотя известны работы [94], в которых структура кости воспроизводится с беспрецедентной точностью. Например, в исследованиях, проведенных в Институте Биомедиаинских Разработок Цюрихского Университета, трубчатая кость сканировалась с помощью специальных сканеров, что позво лило построить модель кости с разрешением 70 мкм, при этом была воссоз дана внутренняя структура кости. Полученная конечно-элементная модель, состоящая из 7,6 млн. элементов и 9,2 млн. узлов, предварительно нагружен ная, в течение 30 часов рассчитывалась на суперкомпьютере Cray С90. Такие исследования проводятся крупными зарубежными научными центрами с ис пользованием аппаратуры, зачастую недоступной отечественным исследова телям. В то же время, другие исследования [93, 97-102] демонстрируют, что для оценки поведения системы кость - фиксатор вполне достаточно описания кости, учитывающего основные анатомические характеристики, как іеомет рическис, так и прочностные. Как показывает практика, для расчета таких моделей можно использовать персональные ЭВМ.
Рассмотрение системы кость - устройство имеет смысл только применительно к ее использованию в организме. Система кость - устройство подвергается постоянным нагрузкам, как статическим, так и динамическим, обусловленных взаимодействием различных органов. К таким нагрузкам можно отнести действие силы тяжести, усилие работы мышц, различные нагрузки, вызванные движением (ходьба, бег, поднятие грузов и т.п.). Несмотря на многообразие естественных воздействий, в большинстве работ проводятся исследования поведения систем кость - устройство, нагруженных статически.
На основе вышеизложенного можно определить ряд функциональных требований к САПР механических изделий медицинской техники.
I. САПР должна предоставлять инструментарий для построения моделей механических устройств, а именно средства для задания геометрических и прочностных параметров. 2. САПР должна предоставлять средства для ввода описания костей, суставов, мышц и сухожилий, обеспечивая, по возможности, максимальный учет их параметров и способов взаимодействия, При этом важным является параметризация моделей в зависимости от возраста, пола, роста и веса человека.
3. Необходимым является наличие инструментов для описания перелома кости произвольного вида. При этом необходимо учитывать, что перелом может характеризоваться наличием нескольких отломков,
4. Система должна обеспечивать возможность размещения устройства на кости и костных отломках и описания, таким образом, системы кость -устройство, В данном случае необходимо предусмотреть возможность модификации модели кости, так как зачастую установка устройства сопряжена с изменением структуры кости - сверлением отверстий, нарезанием резьбы и т.п., что может сильно отразиться на прочностных характеристиках кости.
5. Система должна предоставлять инструментальные средства, позволяющие задавать нагрузки на систему кость - устройство в статическом и динамическом режимах. Учитывая детерминированность нагрузок при выполнении определенных действий, например, при сидении, ходьбе, беге, необходимо предоставить возможность формирования библиотеки таких сценариев нагрузок, параметризованных в зависимости от возраста, пола, роста и веса человека.
6. Система должна обеспечивать расчет моделей кость - устройство для определения перемещений и деформации компонентов системы, а также напряжений, возникающих в системе.
Функции и структура общесистемного ядра САПР
Общесистемное ядро является основой САПР механических изделий медицинской техники. Как было показано в первой главе, общесистемное ядро состоит из ряда подсистем, взаимодействие которых обеспечивает работу всей системы.
Организация ядра определяет расширяемость и гибкость системы, способность ее адаптации к решению новых классов задач с использованием новых объектов проектирования. Вместе с тем, ядро обеспечивает поддержку процесса проектирования, и предоставляет средства проектирования. Поэтому необходимым является анализ общесистемных функций ядра, разработка его структуры и структуры компонентов, обсуждение вопросов программной реализации.
В данной главе рассматриваются функции и структура общесистемного ядра, структуры и организации его составляющих подсистем, а также исследуются вопросы, касающиеся выбора технологий и программной реализации ядра.
Требования к общесистемному ядру системы (ОЯС) вытекают из функциональных требований ко всей САПР механических изделий медицинской техники. К таким основным требованиям можно отнести: необходимость организации процесса проектирования; необходимость поддержки базы данных моделей; необходимость обеспечения расширяемости системы и ее адаптации для решения новых классов задач.
Рассмотрим перечисленные требования. Необходимость организации процесса проектирования предполагает наличие средств, обеспечивающих диалог системы с проектировщиком и средств управления проблемно « ориентированными подсистемами. В данном случае под обеспечением диа лога с пользователем подразумевается предоставление диалоговых средств, позволяющих инициировать или завершить процесс проектирования, сохранить состояние процесса, возобновить процесс по его сохраненному описанию и редактировать настройки системы. Последовательность выполнения проблемно проектных процедур, и, следовательно, последовательная передача управления проблемно-ориентированным системам описывается сценарием сеанса проектирования. Таким образом, ОЯС должно обеспечивать управление подсистемами согласно этому сценарию.
Выполнение требования поддержки базы данных не ограничивается лишь созданием базы данных. Как было сказано в первой главе, необходимо обеспечить поддержку удаленной базы данных моделей. В этом случае ис пользование базы проблемно-ориентированными процедурами может быть неэффективным, что связано с временными затратами при передаче значительных по объему данных по сетям. К тому же потребуется постоянное подключение к удаленному серверу, что, в ряде случаев, может ограничить возможности использования САПР. Для решения этой проблемы предлагается реализовать базу моделей сеанса проектирования, которая будет хранить модели, использующиеся в текущем сеансе проектирования. Подсистема управления моделями сеанса проектирования обеспечивает загрузку необходимых моделей из удаленной базы данных и минимизирует обращение к удаленным серверам.
Расширяемость системы заключается в возможности дальнейшего раз вития системы путем добавления в сценарий сеанса проектирования новых проблемно-ориентированных подсистем. Для обеспечения этого разработка проблемно-ориентированных подсистем должна вестись в рамках технологии, которая будет описана ниже, а также О.ЯС должна предоставлять при кладной программный интерфейс (API - Application Program Interface), позволяющий получить доступ ко всей функциональность ядра. В целях предоставления дополнительных средств по адаптации системы, в составе ОЯС необходимо реализовать модуль импорта моделей из различных форматов. Структура модуля должна обеспечивать легкое добавление подмодулей импорта новых форматов.
Программная объектно-ориентированная модель системы кость -устройство
В настоящее время существуют реализации МКЭ для решения задач в различных областях физики. Наиболее известными являются программы ANSYS и NASTRAN, используемые в различных САПР [4, 31, 84], что явля-г ется поводом оценивать результаты работы этих программ как заслуживающие доверия. Так как это программное обеспечения предоставляет прикладной интерфейс программирования, целесообразно использовать указанные реализации в качестве расчетного модуля САПР механических изделий медицинской техники.
Таким образом, для составления системы 1 требуются координаты вершин конечных элементов (узлов), характеристики материалов, значения нагрузок и ограничений. Применительно к системе кость - фиксатор координаты вершин могут быть получены при построении конечноэлементной сетки на основе имеющегося описания геометрии объекта. Нагрузки и ограничения получаются при учете связей между компонентами системы кость -фиксатор и силы тяжести. Другими словами, построение математической модели биомеханической системы требует описания следующих характеристик: геометрическая форма компонентов системы; свойства материалов; описание связей между компонентами; ограничения, накладываемые на перемещения компонентов относительно друг друга; нагрузки, возникающие в системе.
Эта информация должна быть включена в описание модели. Совокупность описаний моделей формирует информационное обеспечение САПР.
Компоненты биомеханической системы как физические объекты обладают характеристиками, которые можно объединить в категории, такие как геометрическая форма и свойства материалов. При определении связей между компонентами возникает описание группы компонентов как системы. Такие системы, в свою очередь, могут входить в другие системы в качестве подсистем. Таким образом, биомеханическая система имеет иерархическую структуру (рис. 3.1).
При разработке проблемно-ориентированных подсистем удобно рассматривать биомеханическую систему как объект, обладающий рядом свойств. Такой объект предоставляет информацию об объектах, входящих в его состав, а также информацию о связях между объектами.
Следовательно, можно выделить ряд общих свойств объектов биомеханических систем независимо от уровня иерархии:
Описание геометрии. Для конечного объекта, такого как кость, или деталь фиксатора, это описание геометрической формы с некоторой степенью приближения. Для объекта-подсистемы это некоторое обобщенное гео метрическое представление, позволяющее заменять изображение отдель ных компонентов для уменьшения потребления системных ресурсов при визуализации модели.
Описание связей. Объект-подсистема определяет связи, описывая места и способы соединения составляющих объектов, определяя степени свободы и ограничения на перемещения.
Характеристики материалов. Сюда входят как описание материалов, из которых изготавливаются фиксаторы, так и прочностные характеристики костной ткани различных видов [1].
Описание физиологических особенностей человека. Индивидуальные особенности строения человеческого тела определяют многие параметры биомеханических систем, поэтому их необходимо учитывать для получения адекватных результатов.
Другие вспомогательные свойства, такие как название объекта, его уникальный идентификатор и т. п.
Итак, имеется набор объектов, обладающих рядом одинаковых по своей природе характеристик и объединяющиеся в подсистемы, которым присущи свойства объектов. Для программной реализации таких объектов и их отношений наилучшим образом подходит объектно-ориентированный подход, реализуемый большинством современных языков программирования высокого уровня. Действительно, в данном случае имеется возможность создания базового класса объекта - компонента биомеханической системы, инкапсулирующего сведения о геометрической форме, материалах, связях и так далее. Используя свойство полиморфизма можно разрабатывать алгоритмы, оперирующие объектами единым образом. К тому же, такая реализация поддерживает решение создания единого программного интерфейса по работе с моделями биомеханических систем.
Помимо общих свойств, компонентам биомеханической системы присущи и специфические свойства, необходимые для построения соответствующей математической модели. Наглядным примером может служить мышца, определяющая нагрузки на кости при совершении какого-то движения. Следовательно, для конкретных объектов должны быть созданы классы, наследующие базовый класс объекта биомеханической системы. В тоже время, на этом уровне тоже МОЇКНО выделить общие подходы для определения характеристик объектов, что служит предпосылкой для создания промежуточных классов объектов (рис. 3.2).
