WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Компьютерное моделирование – метод исследования, необходимый для понимания закономерностей функционирования структур брюшной стенки и паха в норме, патологии и после реконструктивных герниопластик; и совершенствования методов ранней диагностики, как возникновения патологий, так и результатов реконструктивных герниопластик. Клинические исследования не дают ответ на эти вопросы: после их проведения врачи констатируют факты и на основании этих фактов рекомендуют методики коррекции грыж. Компьютерная модель позволяет получить ту информацию о биомеханике структур брюшной стенки и паха, которую в настоящее время нельзя получить современными средствами измерения.

Существующий комплекс методов исследования не дает адекватного диагностического обеспечения реконструктивных герниопластик. Недостатком является отсутствие системы предоперационного прогнозирования результатов реконструктивных герниопластик, который позволяет провести биомеханический анализ хирургических операций по поводу грыж, и, следовательно, осуществить выбор технологии проведения операции при обеспечении минимальной травматизации тканей и минимального риска возникновения рецидива.

Для построения такой системы необходимо:

1) выделить основополагающие биомеханические признаки структур брюшной стенки и паховой области;

2) провести экспериментальные исследования механических свойств структур апоневротических футляров мышц брюшной стенки, внутренней фасции, белой линии живота, структур паховой области;

3) построить содержательные и компьютерные модели, учитывающие реальную геометрию и механические характеристики структур и провести исследования напряженно-деформированного состояния, возникающего в структурах брюшной стенки и паховой области при развитии патологии и после реконструкции;

4) разработать метод прогнозирования поведения реконструированных после герниопластики структур при заданных внешних воздействиях.

Во второй главе рассмотрены биомеханические основы компьютерного моделирования структур брюшной стенки и паховой области. На основании имеющихся в литературе сведений изучено строение и функционирование мышечно-апоневротических структур брюшной стенки и паховой области. Проанализированы: 1) диапазон изменения геометрических параметров структур; 2) характер патологических изменений в структурах и способы их коррекции; 3) возможность диагностики геометрических и механических параметров структур, необходимых для построения моделей.

Коррекция грыжевого дефекта – это перестройка конструкции мышечно-апоневротических структур брюшной стенки или паховой области в зоне патологического изменения, направленная на формирование новой брюшной стенки в этой зоне или нового пахового канала, максимально приближенных к нормальному состоянию. Структуры брюшной стенки и паховой области могут иметь разную толщину, высоту, гибкость, подвижность, радиус патологического отверстия, выраженность патологических изменений. Поэтому, для того, чтобы судить о воздействии на корректируемые структуры, необходимо принимать во внимание три основных фактора: реальную конструкцию патологически измененных структур, механические характеристики тканей структур и значения допускаемых напряжений.

Геометрические параметры корректируемых структур можно определить в клинических условиях на компьютерных томограммах брюшной полости или на герниорентгенограммах.

В литературе отсутствуют статистически достоверные сведения о модуле нормальной упругости некоторых структур брюшной стенки, паховой области и какие-либо сведения о механических свойствах патологически измененных структур. Для получения этих сведений необходимо провести экспериментальные исследования модулей нормальной упругости и допускаемых напряжений тканей апоневротических футляров прямых мышц, внутренней фасции брюшной стенки, белой линии живота, структур семенного канатика в норме и при развитии патологии.

Проведенный анализ показал возможность схематизировать материал тканей структур при построении содержательных моделей и рассматривать его как однородный, изотропный и упругий.

Экспериментальные исследования механических свойств структур белой линии и апоневротических влагалищ прямых мышц живота проведены на образцах, вырезанных при помощи штампа из иссеченных во время хирургических операций структур белой линии и апоневроза прямых мышц живота. Для сохранения жизнеспособности образцы сразу после иссечения помещались в раствор Кребса и содержались в нем до начала испытаний. Длина образца = 10 мм, ширина = 2 мм; толщина варьировалась в зависимости от расположения места, из которого был вырезан образец. Исследование образцов проводили на установке, разработанной совместно с сотрудниками ИТМО и лаборатории кафедры хирургических болезней № 2 СПб ГМА им. И.И. Мечникова.

Таблица 1

Нагрузка

Р, Н

Образцы белой линии при патологии

Больная Л., 43 г.

Больная Б., 48 л.

Удлинение образца, м

Модуль нормальной упругости

, МПа

Удлинение образца, м

Модуль нормальной упругости

, МПа

0,1

0,080357

0,678222

0,142857

0,327

0,3

0,151786

1,077176

0,214286

0,654

0,5

0,214286

1,271667

0,321429

0,726667

0,7

0,258929

1,473379

0,392857

0,832364

0,9

0,285714

1,71675

0,464286

0,905538

1,1

0,446429

1,34288

0,517857

0,992276

1,3

0,491071

1,442764

0,571429

1,06275

1,5

0,517857

1,508621

0,62524

1,121143

1,7

0,607143

1,52612

0,68753

1,155117

Образцы тканей пациентов были разделены на 3 группы. Первую группу составили образцы белой линии живота пациентов, которые не имели патологии со стороны брюшной стенки, а образцы белой линии были взяты при срединном доступе, который осуществлялся лапаротомическим способом по поводу хирургических заболеваний органов брюшной полости. Вторую группу составили образцы белой линии пациентов, которые были оперированы по поводу грыж передней брюшной стенки. Третью группу составили образцы апоневротических футляров прямых мышц пациентов, которые имели нарушения со стороны брюшной стенки (грыжа или/и диастаз прямых мышц). Результаты экспериментов приведены в таблицах типа 1. При нагружении и разгружении образцов, кривые на диаграмме напряжения – относительные удлинения фактически совпадают. Ткань образцов апоневротических структур проявляет упругие свойства. Очевидно, это связано с тем, что ткань состоит из коллагеновых и эластиновых волокон и не содержит гладкомышечных клеток.

Доверительная вероятность погрешности расчета модуля упругости в динамике 0,9–0,95 вполне достаточна для практических целей. По закону распределения случайной величины по Стьюденту, при обработке числа измерений n = 30, математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур белой линии в норме = 2,48 МПа: среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости – 0,13 МПа. С доверительной вероятностью p=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упру­гости структур белой линии живота в норме составляет 5,2 %.

При обработке числа измерений n = 18 математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур белой линии при патологическом состоянии = 1,61 МПа: среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости – 0,21 МПа. С доверительной вероятностью p = 0,95 погрешность оценки модуля нормальной упру­гости структур белой линии живота при патологическом состоянии составляет 13 %.

При обработке числа измерений n = 18 математическое ожидание случайной величины модуля нормальной упругости структур апоневротических футляров мышц при патологическом состоянии = 1,37 МПа, среднеквадратичное отклонение случайной величины модуля нормальной упругости – 0,65 МПа. С доверительной вероятностью p=0,95 погрешность оценки модуля нормальной упру­гости структур апоневротических футляров мышц при патологическом состоянии составляет 47 %.

Решение задач биомеханики для тел сложной формы и неоднородной структуры определяет необходимость применения численных сеточных методов. Метод конечных элементов является одним из наиболее эффективных методов расчета напряжений и деформаций в структурах сложной конфигурации.

Компьютерные модели для исследования перемещений и напряжений, возникающих в структурах при реконструктивной герниопластике, реализуются при использовании модуля конечно-элементного анализа COSMOSWorks, интегрированного в систему пространственного моделирования SolidWorks.

В программе SolidWorks содержится алгоритм построения примитивных объемных моделей из двумерных геометрических примитивов и алгоритм построения основной модели из примитивных объемных моделей. Построение основной модели заключается в сборке примитивных объемных моделей и выполнении условий сопряжения. В пакете прикладных программ COSMOSWorks выполняется: 1) имитация процесса исследования объекта при разнообразных вариантах его геометрии и условий нагружения; 2) наглядное графическое отображение результатов исследования напряжений и перемещений объекта.

На рис. 2 приведена схема патологического образования в белой линии живота (1 – брюшина; 2 – прямые мышцы; 3 – апоневрозы прямых мышц; 4 – подкожно-жировая клетчатка; 5 – кожа; 6 – белая линия живота; 7 – патологическое отверстие).

а

б

в

г

д

е

Рис. 2. Схема патологического образования в белой линии живота:

а – мышцы передней брюшной стенки; б – геометрическая схема содержательной модели; в – конечно-элементная модель; г – зависимость напряжений от числа конечных элементов; д, е – эпюры напряжений (д) и перемещений (е)

Число введенных конечных элементов до 150 тысяч существенно влияет на результат (рис. 2, г). Дальнейшее увеличение числа конечных элементов на результатах вычислений сказывается незначительно. Поэтому, для достижения необходимой точности, при минимальных затратах времени на вычисления напряженно-деформированного состояния в структурах передней брюшной стенки целесообразно задавать разбиение на 150 тысяч конечных элементов. На рис. 2, д, е представлены эпюры напряжений и перемещений.

а

б

в

г

д

е

Рис. 3. Схема косой паховой грыжи:

а – схема паховой области, б – геометрическая схема содержательной модели,

в – конечно-элементная модель, г – зависимость напряжений от числа конечных элементов, д, е – эпюры напряжений (д) и перемещений (е)

На рис. 3 представлена схема косой паховой грыжи (1 – кожа, 2 – подкожно-жировая клетчатка, 5 – внутренняя косая мышца живота с апоневрозом, 7 – паховый канал, 8 – семенной канатик, 9 – паховая связка, 10 – грыжевой мешок).

Для достижения необходимой точности при минимальных затратах времени на вычисления напряженно-деформированного состояния в структурах паховой области целесообразно задавать разбиение на 200 тысяч конечных элементов (рис. 3, г). На рис. 3, д, е приведены эпюры напряжений и перемещений.

Оценка погрешностей вычисления проведена при сравнении значений перемещений и напряжений в гибких элементах конструкций, полученных конечно-элементным методом при использовании программы COSMOSWorks и аналитическим методом. Аналитический расчет произведен для тонкостенного цилиндра с толщиной h и модулем нормальной упругости E, находящегося под действием внутреннего давления p. Разность результатов экстремальных значений напряжений по безмоментной теории оболочек и трехмерного тела составила 30%.

В третьей главе проведено исследование влияния различных параметров на напряженно-деформированное состояние в структурах передней брюшной стенки.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»