1

Тематическая конференция«Применение инновационных технологий в медицине: возможности малого и среднего

предпринимательства с учетом опыта России и ЕС»Москва, МГИМО (У) МИД России

08 апреля 2012 г.Секция 3: Инновационные технологии в стоматологии

Математическое моделирование в Математическое моделирование в армирующей стоматологииармирующей стоматологии

Гаврюшин Сергей Сергеевич Гаврюшин Сергей Сергеевич

зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. профессор.зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. профессор.

Давыдова Ксения ИгоревнаДавыдова Ксения Игоревна

- врач стоматолог.- врач стоматолог. ООО ООО ““Д Вита ДентД Вита Дент” ”

2

Наиболее значимые достижения мирового уровня в области Наиболее значимые достижения мирового уровня в области высокотехнологичных медицинских операций ассоциируются с высокотехнологичных медицинских операций ассоциируются с разработкой специальных программно-аппаратных систем, разработкой специальных программно-аппаратных систем, получивших наименование получивших наименование Computer Aided (или Assisted) Surgery Computer Aided (или Assisted) Surgery (сокращенно - CAS системы). (сокращенно - CAS системы).

CASCAS системы предназначены для автоматизации проведения системы предназначены для автоматизации проведения диагностических процедур, предоперационного планирования, диагностических процедур, предоперационного планирования, тренинга хирурга-оператора, непосредственно хирургического тренинга хирурга-оператора, непосредственно хирургического вмешательства и интраоперационного сопровождения.вмешательства и интраоперационного сопровождения.

Использование CAS систем позволяет добиться значительного Использование CAS систем позволяет добиться значительного повышения эффективности работы хирурга за счет научно-повышения эффективности работы хирурга за счет научно-обоснованного учета индивидуальных особенностей пациента, обоснованного учета индивидуальных особенностей пациента, оптимизации операционного процесса и минимизации оптимизации операционного процесса и минимизации хирургического вмешательства. хирургического вмешательства.

В настоящее время для проведения диагностики и малоинвазивной В настоящее время для проведения диагностики и малоинвазивной хирургии, в том числе, для эндовазальных операций, активно хирургии, в том числе, для эндовазальных операций, активно используются микроробототехнические системы. используются микроробототехнические системы.

Медико- технологические системы поддержки хирургического леченияМедико- технологические системы поддержки хирургического лечения

К медико-технологическим системы поддержки хирургического лечения относятся К медико-технологическим системы поддержки хирургического лечения относятся CASCAS (Computer Aided Surgery) (Computer Aided Surgery) системы, задачей которых является планирование результатов системы, задачей которых является планирование результатов

хирургического вмешательствахирургического вмешательства

Области применения Области применения CASCAS систем систем

нейрохирургиянейрохирургия

ортопедияортопедия

Спинальная Спинальная хирургияхирургия Челюстно-лицевая Челюстно-лицевая

хирургия и стоматологияхирургия и стоматология

Сосудистая хирургияСосудистая хирургия

офтальмологияофтальмология

Суставная Суставная артропластикаартропластика

Динамика роста внедрения МИСДинамика роста внедрения МИСДинамика роста внедрения МИСДинамика роста внедрения МИС

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2004 2005 2007 2009

среднее число внедрений одной МИС

среднее число пользователей одной МИС

4

5

Различия в особенностях самих моделейРазличия в особенностях самих моделей

Отличия:Отличия:Механические изделия Биомеханические

системы

Большая часть элементов имеет аналитическую форму

Формы всех элементов описываются только NURBS-геометрией

Элементы формы имеют однозначно заданные границы

Границы элементов формы выявляются с помощью специальных алгоритмов

Одна модель соответствует типу, серии или партии изделий

Модели индивидуальны

Какая из Какая из моделей моделей сложнее?сложнее?

6

Имеется положительный опыт использования методов Имеется положительный опыт использования методов математического моделирования для анализа ряда математического моделирования для анализа ряда

биомеханических конструкцийбиомеханических конструкций..

Ортопедические Ортопедические конструкцииконструкцииПротезные конструкции с Протезные конструкции с

опорой на внутрикостные опорой на внутрикостные имплантатыимплантаты

Реконструкция и Реконструкция и реставрация зубовреставрация зубов

Расчет и оптимизация Расчет и оптимизация конструкций имплантатов, конструкций имплантатов,

аттачманов, бюгелей и других аттачманов, бюгелей и других элементов супраструктурыэлементов супраструктуры..

7

Компьютерная томография.Компьютерная томография.физический принцип: явление затухания рентгеновского луча при прохождении физический принцип: явление затухания рентгеновского луча при прохождении через вещество.через вещество.измеряется: радиационная плотность вещества, близкая его физической плотностиизмеряется: радиационная плотность вещества, близкая его физической плотности+ высокая скорость сканирования+ высокая скорость сканирования+ более простое и компактное оборудование (особенно с помощью Конусно-лучевых + более простое и компактное оборудование (особенно с помощью Конусно-лучевых рентгеновских компьютерных томографов (CBCT, CBVT)) рентгеновских компьютерных томографов (CBCT, CBVT))+ возможно сканирование объектов, содержащих магнитные материалы+ возможно сканирование объектов, содержащих магнитные материалы- риски, связанные с облучением пациента (особенно в случаях, когда необходимо - риски, связанные с облучением пациента (особенно в случаях, когда необходимо выполнить ряд сканирований в течение короткого срока)выполнить ряд сканирований в течение короткого срока)

Магнитно-резонансная томография.Магнитно-резонансная томография.Физический принцип: явление ядерного магнитного резонанса.Физический принцип: явление ядерного магнитного резонанса.измеряется: концентрация свободных протонов (воды), жира и др. параметрыизмеряется: концентрация свободных протонов (воды), жира и др. параметры+ отсутствие ионизирующего излучения+ отсутствие ионизирующего излучения+ большая гибкость: возможна визуализация распределения целого ряда + большая гибкость: возможна визуализация распределения целого ряда параметров и процессовпараметров и процессов- существенно более высокие стоимость, габариты и сложность оборудования.- существенно более высокие стоимость, габариты и сложность оборудования.-объект не должен содержать элементы, выполненные из магнитного веществаюобъект не должен содержать элементы, выполненные из магнитного веществаю

Хранение и передача данных.Хранение и передача данных.Универсальный стандарт DICOM, в котором записываются изображения, позволяет Универсальный стандарт DICOM, в котором записываются изображения, позволяет хранить как графическую, так и служебную информацию (сопровождающие данные) хранить как графическую, так и служебную информацию (сопровождающие данные) снимка. снимка.

8

Реальная клиническая ситуация содержит большой Реальная клиническая ситуация содержит большой объем информации, что приводит к необходимости объем информации, что приводит к необходимости автоматизации работы. автоматизации работы.

На послойных растровых изображениях, полученных На послойных растровых изображениях, полученных при помощи компьютерной томографии, выделяются при помощи компьютерной томографии, выделяются области, соответствующие различным тканямобласти, соответствующие различным тканям

Затем на основе этой информации строятся Затем на основе этой информации строятся твердотельные геометрические модели челюститвердотельные геометрические модели челюсти

9

Построение геометрической модели на основе Построение геометрической модели на основе компьютерного томографированиякомпьютерного томографирования

Преобразование Преобразование растрового формата в растрового формата в

векторный форматвекторный формат

Построение твердотельной пространственной моделиПостроение твердотельной пространственной моделиГенерация сеткиГенерация сетки

конечных элементовконечных элементов

Послойные растровые изображения Послойные растровые изображения

1010

Этапы построения конечно-элементной модели зуба

Растровая модельРастровая модельТвердотельная модельТвердотельная модель

Конечно-элементная модельКонечно-элементная модель

++

Виртуальное препарированиеВиртуальное препарирование

Программное обеспечениеПрограммное обеспечение, , используемое при анализе.используемое при анализе.

Программные Программные средствасредства

Построение Построение визуальныхвизуальных

растровых растровых моделеймоделей

Триангулизация Триангулизация поверхностей.поверхностей.

Построение Построение расчетных расчетных 3D -3D -моделеймоделей

Построение Построение конечно-конечно-элементных элементных моделеймоделей

Средства Средства численногочисленного

анализаанализа

Amira Amira + +

+ + HyperHyper MESHMESH

+ + ANSYSANSYS

ААmiramira AmiraAmira HyperHyper MESHMESH ANSYSANSYS

Materialise Materialise MimicsMimics

+ CATIA+ CATIA

+ ABAQUS+ ABAQUS

MimicsMimics MimicsMimics CATIACATIA ABAQUSABAQUS

ПО МГТУ им. ПО МГТУ им. Н.Э.Баумана)Н.Э.Баумана)

+ + ++ +*+* ++* *

((сс APM Win- APM Win-Machine)Machine)

* * разрабатываетсяразрабатывается

МетодикаМетодика преобразования данных КТ в биомеханические преобразования данных КТ в биомеханические данные данные

Дополнительные данныеДополнительные данныеМедикобиологические:Медикобиологические:

Состояние белковой Состояние белковой матрицы:матрицы:

старение белка:старение белка:% содержания жира;% содержания жира;

Размер трабекул;Размер трабекул;……

Инженерные:Инженерные:Мощность излучения;Мощность излучения;Режимы сканирования;Режимы сканирования;

……

L-R L-R интерпретацияинтерпретация

))(/())((' ll YY

qq dyydyyyy

Биомеханические Биомеханические данные лабораторных данные лабораторных

исследованийисследований

Сегментация Сегментация областей с областей с

одинаковыми одинаковыми биомеханическими биомеханическими

свойствамисвойствами

13

Физико-механические свойства материаловФизико-механические свойства материалов

МатериалМатериал Модуль Модуль упругости E, упругости E,

[МПа][МПа]

Коэффициент Коэффициент Пуассона Пуассона

Предел Предел прочности прочности bb, ,

[МПа][МПа] ТитанТитан 11,,1212101055 0,320,32 345345Никель Никель

титановый титановый сплавсплав

1,12х1051,12х105 0,330,33 280280

СплавСплавхром кобальтахром кобальта

1,721,72101055 0,320,32 193193

Композит Композит Этакрил-02Этакрил-02

2,62,6101022 0,250,25 7070

Зубная эмальЗубная эмаль 8,08,0101044 0,330,33 7070Кортикальный Кортикальный

слой костислой кости 2,02,0101044 0,30,3 4545

ДентинДентин 1,471,47101044 0,30,3 1717

Спонгиозное Спонгиозное вещество костивещество кости

5,05,0101033 0,30,3 1515

ПериодонтПериодонт 1.01.0 0,450,45 --

•Линейно-упругая модельЛинейно-упругая модель•Нелинейные моделиНелинейные модели•КомпозитыКомпозиты•Метаболические свойства живых тканейМетаболические свойства живых тканей

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

1 3 5 7 9 11 13 15 17Число элементов вдоль дуги 45град.Э

кви

вал

ентн

ые

нап

ря

жен

ия

Осредненные в узлах Неосредненные по элементам

14

Нагрузка и условия закрепления

Таблица 2.

Экспериментальные данные о величинах максимальных сдавливающих сил

Максимальная сила сдавливания (ньютоны)Максимальная сила сдавливания (ньютоны)

ВозрастВозраст РезцыРезцы КлыкиКлыки ПремолярыПремоляры МолярыМоляры

ВзрослыеВзрослые До 150До 150 323-485323-485 424-583424-583 475-749475-749

Таблица 3.

Предельно-допустимые значения силовых факторов для имплантатов

НагрузкаНагрузка ВеличинаВеличина

Вертикальное усилиеВертикальное усилие 100 – 300 н100 – 300 н

Боковое усилиеБоковое усилие 30 –50 н30 –50 н

Изгибающие моментыИзгибающие моменты 400 – 600 н*мм400 – 600 н*мм

•Силовое (статическое) нагружениеСиловое (статическое) нагружение•Кинематическое нагружениеКинематическое нагружение

Соединительный слойСоединительный слой

Модель без паза Модель с пазом

Соотношение толщины соединительного слоя и габаритных размеров Соотношение толщины соединительного слоя и габаритных размеров конечных элементов исходной моделиконечных элементов исходной модели

Исходное состояниеИсходное состояние Формирование Формирование соединительного соединительного

слояслоя

Результаты построения при различных толщинах соединительного слояРезультаты построения при различных толщинах соединительного слоя

Малая толщина Малая толщина соединительного соединительного

слояслоя

Средняя толщина Средняя толщина соединительного соединительного

слояслоя

Большая толщина соединительного слоя, Большая толщина соединительного слоя, превышающая высоту тетраэдрального элементапревышающая высоту тетраэдрального элемента

17

Примеры армирования конструкцийПримеры армирования конструкций

СтроительствоСтроительство

Дорожные покрытияДорожные покрытия

Армированное стеклоАрмированное стекло

Машиностроительные Машиностроительные изделияизделия

Косметическая Косметическая медицинамедицина

18

Экспериментально-теоретическое Экспериментально-теоретическое исследования прочностных свойств исследования прочностных свойств

армированного композиционного образца армированного композиционного образца в зависимости от расположения в зависимости от расположения

армирующей сетки армирующей сетки

19

Чем обусловлен эффект от армирования?

Эффективность армирование основана на трех основополагающих моментах - перераспределение функциональных нагрузок, приводящее

к разгрузке критических зон, снижение уровня неблагоприятных растягивающих напряжений и сопротивление росту микротрещин, препятствующее появлению магистральных трещин, являющихся

причинами возникновения сколов и отколов.

1, Армирующая сетка позволяет перераспределить напряжения от функциональной нагрузки, снижая тем самым уровень напряжений в критических зонах – зонах адгезии, а также защищая конструкцию от действия неблагоприятных контактных напряжений.

2.Армирующая сетка принимает на себя растягивающие напряжения, которые для композиционного материала , в силу его физико-механических свойств, наиболее опасны.

3.Наличие армирующей сетки препятствует (оказывает сопротивление) росту микродефектов , изначально присутствующих в композитной реставрации, уменьшая тем самым риск отколов и сколов.

Чем обусловлен эффект от армирования?

Эффективность армирование основана на трех основополагающих моментах - перераспределение функциональных нагрузок, приводящее

к разгрузке критических зон, снижение уровня неблагоприятных растягивающих напряжений и сопротивление росту микротрещин, препятствующее появлению магистральных трещин, являющихся

причинами возникновения сколов и отколов.

1, Армирующая сетка позволяет перераспределить напряжения от функциональной нагрузки, снижая тем самым уровень напряжений в критических зонах – зонах адгезии, а также защищая конструкцию от действия неблагоприятных контактных напряжений.

2.Армирующая сетка принимает на себя растягивающие напряжения, которые для композиционного материала , в силу его физико-механических свойств, наиболее опасны.

3.Наличие армирующей сетки препятствует (оказывает сопротивление) росту микродефектов , изначально присутствующих в композитной реставрации, уменьшая тем самым риск отколов и сколов.

20

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !