Введение к работе
Актуальность. Проблемы моделирования всегда были актуальны при изучении механических конструкций, состоящих из элементов, изготовленных из различных материалов или имеющих сложную геометрическую форму. В инженерной практике и биомеханике встречаются задачи, решение которых традиционными методами затруднительно, а порой невозможно. Такие задачи возникают при расчете рациональных конструкций аппаратов внешней фиксации в травматологии.
Многокритериальность задач проектирования механических изделий медицинской техники требует неформального участия инженеров и медиков на всех этапах процесса проектирования, включая этап диалогового доопределения решаемой задачи. Определенные ограничения на проектирование аппаратов внешней фиксации накладывает специфика их использования при лечении конкретного больного. В настоящее время, с увеличением травматизма на дорогах и в быту, для своевременного и правильного лечения больного, особую актуальность приобретает проблема разработки прочной и надежной конструкции фиксирующего устройства. Оценка эффективности механических устройств фиксации в медицинской практике выполняется зачастую эмпирическим путем в течение длительного периода времени, что делает разработку устройств экономически нецелесообразной. Статистика показывает, что использование традиционных методов лечения, основанных на клиническом эмпиризме при выборе конструкции фиксирующего аппарата, приводит к длительной потере работоспособности пострадавшего и к различным осложнениям, вплоть до инвалидности.
Известно, что одной из основных характеристик аппаратов внешней фиксации, является показатель жесткости конструкции. Жесткость фиксирующего устройства характеризуется коэффициентом жесткости, который определяется из отношения внешних нагрузок к линейным и угловым перемещениям. Поэтому, при проектировании, для определения коэффициента жесткости конструкции фиксирующего аппарата, проводятся натурные и стендовые эксперименты.
В этих условиях особую роль приобретает компьютерное моделирование, которое позволяет избавиться от натурных или стендовых исследований разрабатываемой конструкции и в достаточно короткий промежуток времени определить жесткость устройства для конкретного клинического случая. Как существующие, так и перспективные потребности развития компьютерного моделирования, 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).
Цель работы – разработка моделей и алгоритмов для компьютерного проектирования рациональной конструкции фиксирующих устройств замкнутого типа.
Для достижения цели ставились и решались следующие задачи:
-
Разработать математическую модель напряженно деформированного состояния (НДС) спице-стержневых конструкций фиксирующих устройств замкнутого типа.
-
Разработать алгоритм для расчета коэффициентов жесткости фиксирующих устройств замкнутого типа и построения матрицы жесткости для конструкции на основе метода унифицированного обозначения чрескостного остеосинтеза.
-
Разработать алгоритм подбора рациональной конструкции фиксирующего устройства для конкретного клинического случая.
-
Рассчитать коэффициенты жесткости для эталонных модулей спице-стержневых конструкций при действии продольной, поперечной и ротационной нагрузки.
-
Разработать методику исследования жесткости фиксирующего устройства замкнутого типа на основе эталонных моделей.
-
Разработать программный комплекс для исследования жесткости фиксирующих устройств замкнутого типа.
Научная новизна. Предложена методика компьютерного исследования жесткости спице-стержневых фиксирующих устройств замкнутого типа.
Разработан алгоритм расчета коэффициентов жесткости фиксирующего устройства и подбора рациональной конструкции для конкретного клинического случая.
Для эталонных модулей фиксирующих устройств определены коэффициенты жесткости при различных видах нагружения, необходимые для оценки жесткости исследуемых устройств.
Разработан программный комплекс, реализующий разработанные алгоритмы и методику исследования фиксирующих устройств.
Практическое значение и реализация результатов работ. Компьютерное моделирование смещения элементов конструкции фиксирующего устройства позволит на подготовительном этапе компоновки оценить его жесткость и принять решение об использовании фиксирующего устройства в травматологии. Это позволит уменьшить риск возникновения осложнений различного характера при его применении.
Новизна и значимость технических решений подтверждена публикациями в научных изданиях.
Положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель НДС фиксирующего устройства.
-
Методика исследования фиксирующего устройства для определения возможности использования его в травматологии.
-
Алгоритмы расчета коэффициентов жесткости для фиксирующего устройства, построения матрицы жесткости для конструкции на основе метода унифицированного обозначения чрескостного остеосинтеза и подбора рациональной конструкции фиксирующего устройства для конкретного клинического случая.
-
Программный комплекс исследования показателей жесткости фиксирующего устройства.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: ХХХ Дальневосточной математической школе-семинаре имени Е.В. Зотова (Хабаровск 2005), III Всероссийской научно- практической конфереции «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск 2004), научной конференции «Системный анализ в медицине» (Благовещенск 2007), XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж 2008), XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж 2006.), XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков 2009). Работа обсуждалась на научных семинарах кафедры механики деформируемого твердого тела ТОГУ и Вычислительного центра ДВО РАН.
Публикации и личный вклад автора. Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 работах. Из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в др. журналах, 3 патента, 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.
В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат следующие научные и практические результаты: в [3] предложены компьютерное моделирование аппарата Илизарова (эталонной модели третьего порядка); в [ 4,8, 9, 10, 11, 12] описано использование метода конечных элементов в области биомеханики; в [5,6,7] рассматриваются проблемы, возникающие при проектировании фиксирующих устройств и пути их решения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Работа изложена на 145 страницах текста, из которых 6 составляют приложения, содержит 55 рисунка, 148 библиографических наименований.
