Москва, г. Москва и Московская область, Россия
В последние годы актуален переход к персонализированной медицине, учитывающей индивидуальные анатомические особенности пациентов. Используются данные компьютерной томографии, методы цифрового проектирования и аддитивные технологии для создания трехмерных моделей костных структур пациентов. На основе этих моделей осуществляется точное позиционирование и проектирование имплантатов с применением специализированного инженерного ПО. Медицинские специалисты формируют технические задания и утверждают результирующие модели. В статье обсуждается необходимость разработки отечественных информационных систем для совместного проектирования имплантатов, учитывая ограниченный функционал существующих решений и их зависимость от иностранных продуктов. Представлены математическая модель напряженно-деформируемого состояния упругого тела и программный комплекс для моделирования, включающий графический интерфейс пользователя. Рассмотрены этапы создания объемной модели из поверхностного представления, задания краевых условий и проведения прочностного расчета методом конечных элементов. Примеры моделирования демонстрируют использование разработанных методов для проектирования имплантатов при краниотомии черепа. Итогом является создание системы, которая повышает качество медицинских услуг и прочностные характеристики имплантатов за счет внедрения цифровых методов проектирования, адаптированных к индивидуальным анатомическим особенностям каждого пациента. Дополнительно рассматривается применение технологии Color Picking для интерактивного выбора граней модели, что улучшает точность задания краевых условий и оптимизацию процессов проектирования имплантатов.
имплантаты, персонализированная медицина, информационная система, компьютерная томография, моделирование
1. Баянов Е.В. Визуализация распространения волн в стержне [Текст] / Е.В. Баянов // Наука. Промышленность. Оборона: Труды XIV Всероссийской научно-технической конференции, Новосибирск, 24–26 апреля 2013 года. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет. — 2013. — С. 29–31. EDN: https://elibrary.ru/SNPTLX
2. Гриф А.М. Разработка CAD/CAM технологии планирования реконструктивных нейрохирургических операций и ее реализация в программной платформе «CranioCAD» [Текст] / А.М. Гриф; науч. рук. М.Г. Персова // Дни науки НГТУ-2017: материалы науч. студен. конф.: (итоги науч. работы студентов за 2016–2017 гг.). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. — С. 28–30.
3. Гриф А.М. Технология формирования конфигурации индивидуальных имплантатов для проведения реконструктивных нейрохирургических операций [Текст] / А.М. Гриф, С.В. Мишинов // Цивьяновские чтения, Новосибирск, 25–26 ноября 2016 года. Т. 3. — Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2016. С. 939–942. EDN: https://elibrary.ru/LEPNJH
4. Дедов И.И. Персонализированная медицина [Текст] / И.И. Дедов // Вестник Российской академии медицинских наук. — 2019. — Т. 74. — № 1. — С. 61–70. — DOI:https://doi.org/10.15690/vramn1108 EDN: https://elibrary.ru/ZBOBWH
5. Долгалев А.А. Получение модели челюсти по данным компьютерной томографии для изучения и прогнозировани механического напряжения элементов имплантационной системы в условиях, приближенных к реальным [Текст] / А.А. Долгалев, В.М. Аванисян, Д.З. Чониашвили, Д.В. Стоматов, Г.К. Гезуев, В.В. Громова // Медицинский алфавит. — 2024. — № 1. С. 84–87. — DOI:https://doi.org/10.33667/2078-5631-2024-1-84-87 EDN: https://elibrary.ru/QTZZVB
6. Еолчиян С.А. Пластика сложных дефектов черепа имплантатами из титана и полиэтерэтеркетона (РЕЕК), изготовленными по CAD/CAM технологиям [Текст] / С.А. Еолчиян // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. — 2014. — Т. 78. — № 4. — С. 3–13. EDN: https://elibrary.ru/SXTEGJ
7. Жихарев Л.А. Обзор геометрических способов повышения удельной прочности конструкций: топологическая оптимизация и фрактальные структуры [Текст] / Л.А. Жихарев // Геометрия и графика. — 2021. — Т. 9. № 4. — С. 46–62. — DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2022-9-4-46-62 EDN: https://elibrary.ru/EKVBVF
8. Иванов Д.В. Возможности различных CAD-комплексов при построении математической модели костной ткани [Текст] / Д.В. Иванов, А.В. Лепилин, Д.А. Смирнов, А.В. Доль // Саратовский научно-медицинский журнал. — 2013. — Т. 9. — № 3. — С. 403–405. EDN: https://elibrary.ru/RUZFUH
9. Каминский И.П. Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения как приоритет стратегии научно-технологического развития Российской Федерации [Текст] / И.П. Каминский, О.Е. Ваизова, Д.А. Кокорина, Ж.А. Спицко, Н.А. Энглевский // Опухолевые маркеры: фундаментальные и клинические аспекты: Материалы конференции, посвященной памяти советского и российского ученого Гарри Израйлевича Абелева, Горно-Алтайск, 27–29 июня 2018 года. Горно-Алтайск: Новосибирский национальный исследовательский государственный университет. 2018. — С. 45–48. EDN: https://elibrary.ru/VSKKQA
10. Куракова Н.Г. Переход к модели персонализированной медицины: барьеры и возможные решения [Текст] / Н.Г. Куракова, И.М. Сон, А.Н. Петров // Менеджер здравоохранения. — 2017. — № 8. — С. 53–67. EDN: https://elibrary.ru/ZMQMBX
11. Матвеев А.Д. Метод многосеточных конечных элементов в анализе напряженного состояния упругих тел [Текст] / А.Д. Матвеев // Информационные технологии и математическое моделирование в экономике, технике, экологии, образовании, педагогике и торговле. 2016. — № 9. — С. 51–68. EDN: https://elibrary.ru/STYXAM
12. Назарян Д.Н. Немедленная нагрузка на краниальных имплантатах для устранения дефектов лица [Текст] / Д.Н. Назарян, А.Э. Харазян, С.В. Яранцев // Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. — 2016. — № 1. — С. 90–91. EDN: https://elibrary.ru/WFVXXZ
13. Орешко Е.И. Особенности расчетов устойчивости стержней и пластин [Текст] / Е.И. Орешко, В.С. Ерасов, А.Н. Луценко // Авиационные материалы и технологии. — 2016. — № 4. — С. 74–79. — DOI:https://doi.org/10.18577/20719140-2016-0-4-74-79 DOI: https://doi.org/10.18577/2071-9140-2016-0-4-74-79; EDN: https://elibrary.ru/WYHGWX
14. Патент № 2598769 C1 Российская Федерация, МПК A61F 2/28, A61B 17/88. Способ изготовления индивидуализированного прецизионного биоимпланта для одномоментного замещения костных дефектов: № 2015130372/14: заявл. 22.07.2015: опубл. 27.09.2016 [Текст] / Н.Н. Карякин, А.В. Новиков, Р.О. Горбатов, Ф.А. Аптекарев; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
15. Патент № 2638894 Российская Федерация, МПК A61F 2/28, A61B 17/80, A61L 27/06. Имплантат для протезирования костей черепа и способ изготовления имплантата для протезирования костей черепа: № 2016122068: заявл. 03.06.2016: опубл. 18.12.2017 [Текст] / С.В. Колядин, Д.В. Тетюхин, Г.Г. Маринич, Ю.И. Егоренкова; заявитель Общество с ограниченной ответственностью «КОНМЕТ».
16. Патент № 2720167 C1 Российская Федерация, МПК A61C 8/00. Способ визуализации индивидуализированной модели имплантата для замещения костных дефектов челюстей: № 2019133273: заявл. 18.10.2019: опубл. 24.04.2020 [Текст] / В.П. Василюк, Г.И. Штраубе, В.А. Четвертных, Р.А. Файзрахманов, Е.В. Долгова; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации.
17. Пелешок С.А. Топографические особенности искажения данных при построении трехмерных моделей костей на основе компьютерной томографии [Текст] / С.А. Пелешок, Р.Ф. Мамедов, И.А. Юшин, М.А. Елизаров, Д.В. Немков // Известия Российской военно-медицинской академии. — 2020. — Т. 39. — № S3-1. — С. 131–135. EDN: https://elibrary.ru/JGVDAP
18. Рукавишников В.А. Схема метода конечных элементов для краевой задачи с несогласованным вырождением исходных данных [Текст] / В.А. Рукавишников, Е.В. Кузнецова // Сибирский журнал вычислительной математики. — 2009. — Т. 12. — № 3. — С. 313–324. EDN: https://elibrary.ru/KNVRFX
19. Рущенко Н.Г. Компьютерное моделирование органов человека [Текст] / Н.Г. Рущенко, В.Т. Тозик, А.В. Меженин // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. — 2007. № 45. — С. 211–213. EDN: https://elibrary.ru/JSPWYL
20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022683051 Российская Федерация. Программа для построения компьютерных 3D моделей структуры кровеносных сосудов на основе данных компьютерной томографии: № 2022682223: заявл. 18.11.2022: опубл. 30.11.2022 [Текст] / А.А. Пойда, М.В. Калмыкова; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».
21. Сирота Е.С. Разработка алгоритмического обеспечения и специализированного устройства для визуализации внутренних органов пациента по данным магнитнорезонансного и компьютерного томографов [Текст] / Е.С. Сирота, М.И. Труфанов // Известия Юго-Западного государственного университета. — 2018. — Т. 22. № 6. — С. 189–197. — DOI:https://doi.org/10.21869/2223-1560-201822-6-189-197 DOI: https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-6-189-197; EDN: https://elibrary.ru/YZQTVR
22. Ушакова О.В. Классификация шестигранных ячеек [Текст] / О.В. Ушакова // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 2008. — Т. 48. № 8. — С. 1406–1428. EDN: https://elibrary.ru/JHKYWH
23. Чернышов Д.Н. Использование метода конечных элементов для физических расчетов в САПР [Текст] / Д.Н. Чернышов, О.С. Грищенко, А.В. Григорьев // Современные информационные технологии в образовании и научных исследованиях (СИТОНИ-2019): Материалы VI Международной научно-технической конференции, Донецк, 26 ноября 2019 года / Под общ. ред. В.Н. Павлыша. — Донецк: Донецкий национальный технический университет. — 2019. С. 347–352. EDN: https://elibrary.ru/QACKLZ
24. Grif M.G. Planning technology for neurosurgical procedures by using a software platform to create an optimal configuration of customized titanium implants / M.G. Grif, A.M. Grif // Proceedings international multi-conference on engineering, computer and information sciences (SIBIRCON), Novosibirsk, Akademgorodok, 18–22 Sept. 2017. Novosibirsk: IEEE, 2017. Pp. 544–549.
25. Kolmogorov Yu.N. Rekost-M Bone Replacement Implants Based on 3D Modeling for Closing Post-Craniotomy Skull Defects: Pre-Clinical and Clinical Studies / Yu.N. Kolmogorov, I.V. Uspensky, A.N. Maslov // Modern Technologies in Medicine. 2018. V. 10. I. 3. Pp. 95–103. DOI: 10.17691/ stm2018.10.3.11 DOI: https://doi.org/10.17691/stm2018.10.3.11; EDN: https://elibrary.ru/YLLJMT
