Многовариантные исследования при протезировании с использованием Nastran In-CAD

Доклад сделан на Autodesk University Russia 2016. Стенограмма доклада "Проведение многовариантных исследований для задач протезирования с использованием Nastran In-CAD"

И снова здравствуйте. Так как уже было достаточно большое количество докладов, которые рассказывали о том, как все хорошо и замечательно (относительно использования расчетных программ Autodesk) в различных отраслях, то хочется сделать еще один похожий, но в то же время сменить направление деятельности. Ведь обычно рассказывается о том, как расчеты приносят пользу в машиностроении или в архитектуре, строительстве и других связанных отраслях. Текущий доклад будет посвящен биомеханике и использованию расчетов в медицине. Хотелось бы отметить, что полностью все иллюстрации, которые есть в докладе – получены с использованием программных продуктов Autodesk.

К сожалению, медицина является достаточно закрытой отраслью, иногда даже более закрытой чем военные, аэрокосмические и некоторые другие отрасли, потому что те расчеты (и решения, которые принимаются) достаточно важные, сложные и от них зависит (нередко) человеческая жизнь, а не только большие суммы, которые (в результате неправильных решений) накрываются медным тазом если очередная ракета упала не туда. Т.е. можно сказать что иногда ответственность, в каком-то плане, даже больше чем при проектировании многочисленных машиностроительных конструкций. А самое главное, что иногда результаты видны практически сразу. То есть к примеру прооперировали неудачно и большое количество недовольных родственников могут захотеть повредить обидчика. Так как доклад посвящен медицине, он будет содержать юмор. Прошу прощения, он будет несколько черный. Собственно без черного юмора в медицине нельзя.

Наш центр, который, в принципе, некоторым из Вас, скорее всего уже известен (заочно) так как про него говорили не на одной конференции и мероприятиях Autodesk, занимается не только машиностроительными задачами, он занимается, в том числе, и задачами биомеханики. Естественно мы этим занимаемся не самостоятельно, потому что мы не медики, и мы сотрудничаем с институтом имени Ситенко, в котором работают хирурги, медики, ортопеды и все остальные. Ну и каждый в таком сотрудничестве отвечает за свое направление компетенции.

Содержание доклада приведено на слайде. Оно состоит из четырех пунктов. В первую очередь я уделю внимание двум пунктам, а именно: как используются расчеты в медицине, и в чем состоит сложность медицинских задач, на примере именно протезирования. А дальше, так как времени у нас не очень много, то все остальное будет освещаться по принципу «галопом по европам», а позже на форуме более подробно с развернутой презентацией (потому что боюсь, что просто не успею) я все выложу и расскажу с бОльшим количеством примеров. Эти примеры получены с помощью Autodesk Nastran In-CAD. Не смотря на то, Что это программный пакет ориентированный в первую очередь на решение задач аэрокосмоса, как уже говорил предыдущий докладчик, медицина тоже может получить от него пользу.

Итак, где используются расчеты в современной медицине? На самом деле – везде. Абсолютно везде. Впрочем это хоть и хорошая фраза, но она требует иллюстраций, подтверждений и более подробного объяснения, чем, собственно, и займусь.

Любая конструкция (в том числе медицинская) содержит некоторые силовые элементы. Примерами таких конструкций имеющих отношение к медицине могут быть: автомобиль скорой помощи, медицинская мебель или различные аппараты для диагностики (те же самые МРТ). И для них нужно выполнять расчеты. Не смотря на то, что речь идет о силовых элементах, далеко не всегда это расчеты на прочность. Допустим, для различного лабораторного оборудования, использующегося для обследования человека, важна даже не столько прочность потому, что запасы там обычно «бешенные», важно обеспечение высокой точности. А значит, конструкция должна быть максимально жесткой, содержать минимальное количество люфтов, и вообще практически не прогибаться под нагрузками от веса пациента. Такая задача в определенном смысле похожа на ту, которая стоит перед людьми проектирующими, разрабатывающими и изготавливающими высокоточные машиностроительные станки.

Здесь и далее, некоторые изображения идут не всегда именно из медицинской отрасли, потому что как уже говорилось ранее область достаточно закрытая, а значит, часто результаты не публикуются. Здесь «картинки» подобраны, скажем так, по смыслу. Но все сделаны в ПО Autodesk.

Также при разработке, непосредственно, различных медицинских устройств. Разрабатываются и просчитываются не только силовые рамы, но и, например, газодинамика внутри электронных устройств, распределение полей температур. Также нередко оцениваются различные магнитные эффекты. В общем, как уже говорилось исследует практически все что только можно.

В том числе, так как сейчас очень модно делать различные красивые аппараты. Т.е. не просто функциональные, а еще и красивые. Также важно, что  почти во всех из них для корпусов широко используется пластик. И соответственно для корпусных деталей выполняется не только расчет ан прочность и жесткость, но и расчет на проливаемость. А это сфера применения программного продукта Autodesk Moldflow. Он позволяет сделать много чего, в том числе оценить вероятность появления дефектов, дает возможность уменьшить толщину различных частей конструкции ну и тем самым (уменьшив массу, сделав производство бездефектным, упростив технологию изготовления) удешевить ее, если нужно.

Как видите пока, что идет речь о расчетах, которые очень близки и понятны машиностроителям.

Следующий пункт уже чуть дальше. В медицине часто используются различные небольшие носимые устройства. Это могут быть устройства, заменяющие какие-то внутренние органы, или просто отслеживающие работу внутренних органов. Например на слайде показаны датчики, которые следят за тем как работает сердце.

Также расчеты могут быть полезны при разработке различных «хайтек» устройств. Т.е. например тех самых, модных сейчас фитнес браслетов и фитнес трекеров.

При этом решается большое количество задач, как например уровень магнитного излучения вблизи тела. Этот уровень нормируется определенными стандартами и не должен превышать определенного уровня, но при этом должен обеспечивать достаточно качественную, устойчивую  связь с другими устройствами (например, между браслетом и мобильным телефоном). С учетом того что итоговая магнитная волна у сигнала получается достаточно слабой, и тело ему (сигналу) мешает достаточно сильно – эта задача становится достаточно нетривиальной. (прощу прощения за большое число повторений оценочных слов типа «достаточно»). Ну и кроме того сейчас активно ведутся разработки в сторону наносимых непосредственно на тело устройств и они также требуют проработки по большому количеству различных вопросов.

Также расчеты используются в фармацевтике. В первую очередь речь идет о проектировании элементов фармацевтического оборудования. Также речь идет о создании цехов. Например, расчеты зданий на прочность (устойчивость, сейсмостойкость и пр.) или как устроить вентиляцию на химическом производстве (чтобы никто не отравился). Эти задачи вроде имеют большее отношение и связь с химической промышленностью и строительством. Но, тем не менее, это задачи, которые необходимо решать на благо нашей медицины. А соответственно и на благо нашего здоровья (и экологии).

Кроме того иногда возникает вопрос с доставкой химически активных веществ со свойствами и характеристиками очень отличающихся от более привычных (к транспортировке) воды или (сжиженного) газа/бензина. И доставка должна быть на большие расстояния. При этом эти жидкости иногда должны активно перемешиваться, а в некоторых случаях - наоборот должны находиться в максимальном покое. Ну и конечно для решения таких задач можно использовать расчетные программные продукты (типа Autodesk CFD) для определения тех характеристик, которые есть.

Еще один интересный пример (как мне кажется), уже из области непосредственного производства лекарственных препаратов. Конечно, с моей точки зрения тут «буржуи» просто как говорится «зажрались», но, тем не менее, что-то в этом есть. Итак, задача: есть таблетка, которая имеет «борозду» посредине, потому что иногда нужно принять не полную дозу, а половину или даже четверть. И очень большая проблема состоит в том, что когда мы пытаемся поломать эту таблетку руками – она ломается не посредине (либо не ломается вовсе, либо превращается в набор мелких крошек). Для нас это может быть и смешно, надумано, а в некоторых западных странах за это могут и засудить (всегда находится тот, кто подаст в суд). Поэтому компании вынуждены разрабатывать форму и определять усилие, с которым нужно прессовать эти самые таблетки, с тем, чтобы они ломались «так, как нужно». Или с тем чтобы они растворялись с той скоростью, с которой нужно внутри человеческого организма. В общем, всячески стараются повысить их  эффективность и «юзабилити». (и многое из этого делается не только экспериментально но и расчетным образом)

Естественно наиболее часто встречающаяся на слуху у людей часть задач – это биомеханика. В английском есть термин: “Virtual human lab”, корректно и однозначно перевести его на русский язык достаточно сложно, особенно без тавтологии. Потому что речь идет о виртуальной компьютерной лаборатории, в рамках которой происходят различные «измывательства» над виртуальным же человеком. Поэтому тут напишем «виртуальная лаборатория», а «человек»  - возьмем в кавычки.

В рамках подобного подхода исследуется большое количество различных задач. В первую очередь это задачи связанные с проблемами опорно-двигательного аппарата и различными травмами, дефектами и всего остального вплоть до врожденных болезней. Также исследуется кровеносная система, сердце, работа почек, легких и всех остальных внутренних органов.

Ну и конечно исследуется работа не только реальных здоровых и «болеющих» органов, но также исследуются и проектируются устройства, которые должны заменить дефектный орган и при этом обеспечивать работу человека в нормальном режиме. А так как каждый человек у нас является уникальным и под каждого (по хорошему) нужно подбирать устройства со своими характеристиками то эта задача является достаточно непростой. И чуть позже мы об этом поговорим более подробно.

А пока перейдем к следующим задачам, что все расчеты в направлении биомеханики практически никогда не обходятся без экспериментов. Потому что откуда-то надо брать данные (о механических свойствах материалов костей, тканей и пр.). Но почему-то люди не согласны, чтобы эти эксперименты проводили непосредственно на них (странное явление да?), поэтому эксперименты проводятся либо на бедных животных, либо уже на тех, кто возразить не может, потому что, скажем так, пожертвовал себя посмертно науке. Но даже так остается проблема, что у мертвых тканей и даже костей характеристики несколько отличаются от тех, которые были у тех же тканей этого человека до того как он всего себя пожертвовал науке. И этот факт также определенным образом затрудняет исследования, но не смотря на это наука движется и все эти задачи потихоньку решаются.

Еще одно направление, в котором также активно используются компьютерные расчеты это оценка работы и процессов на микроуровне. На одном из слайдов раньше была показана пористая структура кости, с силовыми элементами. Здесь для программы TED, компания Autodesk в свое время делала демонстрационные расчеты по работе бактерий и отдельных клеток и работы органов на клеточном уровне. Я, к сожалению, не могу сказать какая точность таких расчетов, но как минимум это наглядно (что иногда тоже важно для понимания). Ну а сама точность зависит уже от качества постановки.

Также у нас есть такая вещь, как спорт. Спорт, как известно, – жизнь. То есть он влияет на продолжительность жизни, соответственно, различных устройств, различных объектов, которые используются в спорте, можно (с некоторой натяжкой) тоже отнести к медицине.

Но, кроме того, что занятия спортом улучшают и продолжают нашу жизнь, есть еще вторая часть, которая тесно связана с профессиональными спортсменами. Задача, которых состоит не столько в том, чтобы повысить собственное здоровье, сколько, скорее, в том, чтобы его максимально эффективно загробить (т.е. пусть угробить здоровья, но при этом показать максимально возможные спортивные результаты). Т.е. они пытаются добиться максимально возможных результатов в спорте всеми возможными способами, в том числе и без допинга (хотя и не без него тоже). Но все таки и спортсмены и их тренеры стараются понапрасну здоровье не портить, и использование новых материалов, использование новых форм (у спортивного инвентаря), часто может дать очень большое преимущество. Например, человек в модных современных плавательных костюмах может иметь к-т сопротивления на 20-30% меньше, чем если бы он плавал без него. Кроме того с помощью программных продуктов можно оценить не только работу спортинвентаря, но также выработать определенные стратегии для поведения спортсмена в тех соревнованиях в которых он участвует. Так, например, на сайте компании Autodesk можно найти описание того, как решалась задача для пловцов. И оказывается грести нужно не на полную руку и не на короткую а где-то на среднюю потому что именно таким образом получается наилучший баланс между скоростью и всем остальным. Но это можно самостоятельно посмотреть и почитать.

Ну и естественно, раз мы говорим о профессиональных достижениях. И раз мы говорим о том, что иногда спортсмены идут на многое, в том числе на риск и по результатам этого могут случиться травмы, то исследования на различные травмы тоже является достаточно важным. А в спорте (особенно профессиональном) их (травм), к сожалению достаточно много.

Также, расчеты используются в гигиене. Естественно, если мы говорим о медицине, то в первую очередь идет речь о гигиене медицинской. Как пример на слайде показаны результаты расчета внутри операционной палаты. Это проводится с тем, чтобы оптимизировать вытяжку, минимизировать количество микробов, лучше их «выдуть» и пр.

Но на самом деле и обычная гигиена с которой мы сталкиваемся каждый день, является не менее важной для нашего здоровья, и соответственно для медицины в целом.

Что по итогам? По итогам, есть ряд цифр, которые говорят, что эффективность от использования расчетных технологий – очень высока. Эти цифры придумал не я. Они «выдраны» «внаглую» из отчетов компаний, проводивших опрос среди медиков и компаний использующих расчеты (для разработки мед. оборудования). Как видно эффективность иногда даже выше чем у машиностроителей. Ну и чуть позже будет понятно почему.

Именно об этом (о том, почему эффективность получается выше) сейчас и пойдет речь. Сейчас будет рассказано, почему различные медицинские CAE расчеты (на примере биомеханики), это очень и очень сложно.

Дело в том, что, как уже говорилось, каждый человек является уникальным: мы все разного роста, разного веса (у кого-то кость широкая и толстая), разного телосложения. И, соответственно, обладаем разной геометрии (органов, костей и пр.) и разными свойствами материалов внутри нас. При этом даже для людей которые живут в разных регионах нашего мира: средний «перцентиль» - 50 (средний рост/вес), 5( минимальный рост/вес) и 95 (максимальный рост/вес) тоже сильно отличаются. То есть все характеристики прыгают от человека к человеку и найти какое-то одно решение, которое поможет абсолютно всем – по умолчанию является достаточно сложной задачей. Более того, даже если у нас есть один человек (с приблизительно похожими весовыми и геометрическими размерами),  с течением времени характеристики его внутренних органов, опорно-двигательного аппарата – меняются. При этом они могут меняться в обе стороны – если человек занимается спортом, они могут и улучшиться, а так могут и ухудшится. В общем даже для одного человека в разные моменты времени они сильно отличаются.

И получается очень большая проблема, которая состоит в том, что если перечислить все параметры, которые у нас есть и учесть, что эти параметры, которые нам нужны, для проведения расчетов, иногда отличаются не в проценты, а на порядки.. Даже не в разы, а именно на порядки, то у нас получается очень большой диапазон, куда мы можем попасть по итогам. И проблема состоит в том, что для конкретного человека такой итог – не подходит. Для него нужно разработать четкий объект, который встанет внутри него и потом (не смотря на все возможные разбросы значений характеристик его организма) подойдет ему и только ему.

То есть наша задача, как в старой пословице – впихнуть караван в игольное ушко.

Для исследователя, перед которым не ставится практическая задача – данная задача это «супер»! Все хорошо. Чего не посчитай, везде попали ( а чего тут попадать – 10 стволов и все небо в попугаях (с) ). А вот для практика, с учетом, что потом это нужно внедрять в человека… Задача сложная, потому что нужно, как говорится, «отвечать за базар».

Еще одной проблемой является то, что геометрия у людей достаточно сложная. Сейчас она получается с помощью МРТ. Мы получаем кучу сечений (с мелким шагом) человека. И на этих сечениях показана плотность в каждой точке, и соответственно, можно с высокой точностью восстановить геометрию человека (и его органов, костей и пр.). Эта геометрия является достаточно сложной.

На слайде видно большое количество костей, хрящей и всего остального. Видно, что все они криволинейные, но не совсем понятно насколько это «страшно» в жизни.

А в жизни, если мы проведем анализ кривизны хотя бы одного «простого» позвонка, то мы увидим что эта геометрия – крайне и крайне сложная.

А если при этом вспомнить еще и о том, что позвонок не является цельным (монотонным по характеристикам), как и любая кость. И внутри его (позвонка) есть несколько дополнительных материалов…  то, понятно, что задача очень сильно усложняется. Еще «веселее» становится от того факта, что те материалы, которые у нас есть в позвонке в частности и вцелов в опорно-двигательном аппарате, они отличаются по характеристикам на порядки (не только сами по себе, но и между собой). Т.е. допустим кортикальная кость (которая снаружи) она приблизительно в 20 раз жестче, чем губчатая кость, которая находится внутри нее. А диск, который находится между двумя позвонками, от них отличается на кучу порядков (от губчатой кости более чем в 100 раз). И с точки зрения механики, мы получаем разные «масштабы» деформаций и напряжений.

Т.е.  итоговая задача получается крайне сложной, как с точки зрения построения конечно-элементной сетки (вследствие сложной геометрии, которую также еще нужно построить) , так и с точки зрения получения корректных результатов и даже их анализа.

Кроме того, все эти объекты могут «ломаться», например может поломаться позвонок.

И тогда его нужно заменять каким-то протезом. На слайде показан пример «кейджа» (эндопротеза). И справа показан пример не только геометрии или расчета, а экспериментального исследования с помощью голографии (голографическая спекл-интерферометрия), потому что в жизни там настолько малые деформации, что результаты компьютерных расчетов нужно вымерять чем-то высокоточным.

А тут показан другой пример, когда поломанным является не позвонок, а межпозвоночный диск. И вместо диска можно делать различные конструкции. Некоторые из них (в том числе западные), к сожалению, не приводят к нужному результату. Т.е. «модные» и очень дорогие протезы для замены диска приводят к тому, что все равно, через некоторое время они зарастают  и в итоге несколько «срощенных» позвонков. В институте имени Ситенко были придуманы конструкции, которые тут показаны очень упрощенно, потому что в данный момент происходит процесс патентования и просили более точно не показывать. Но в данном случае речь о том, что используя современные расчетные технологии можно придумать конструкции, которые будут арботать как надо.

И в чем основная шутка всех этих расчетов? В конечном итоге все решения все равно принимает «хирург». Но без компьютерных расчетов, он принимает их просто на глаз. И как это происходит? Он сделал операцию. Она прошла успешно? Значит запомнили. Пришлось переоперировать? Ну значит надо что-то менять. (причем что – это еще один вопрос).

Это, к сожалению, не лучший вариант. При этом использование компьютерных расчетов, как говорил предыдущий докладчик, позволяет глубже понять процессы происходящие внутри тела, и лучше подобрать те самые параметры, которые нужны.

Также следует учесть, что проблемы бывают не только с позвоночником. Часто бывают проблемы в ногах. Это может быть тазобедренный сустав, колено, голеностоп. И не всегда важно оценивать полную замену какого-то элемента. Иногда нам нужно оценить конструкцию, которая нужна на время пока поломанная кость – сращивается.

Также нередкими бывают проблемы с шеей. Подобные (тому, что показано на слайде) конструкции, думаю, многие видели городе. Это шейный ортез. И они бывают очень разными. И к сожалению людям, которые ходят в подобных ортезах, мягко скажем очень «не прикольно» (не удобно). И поэтому задача создания ортезов более приятных для ношения (менее неудобных и неприятных) и при этом снова же сделать, чтобы он не был ни слишком жестки, ни наоборот слишком мягким (податливым). В общем, тоже достаточно «веселая задача.

Для этого необходимо моделировать полностью всю шею, вместе с геометриями ортеза, позвонков и пр.

Таким образом. Для того, чтобы осуществить подбор протезов и выбор качественного решения для конкретного человека, необходимо сделать достаточно большое количество расчетов. Потому что как уже говорилось, материалы могут отличаться на несколько порядков. И хирург, к сожалению, не может на базе только МРТ анализа определить, какие конкретно свойства у каждого материала у текущего пациента. Т.е. приходится брать приблизительно усредненное значение (на основе МРТ и опыта) и варьировать в определенных пределах с тем, чтобы получить целый спектр различных расчетов. Также необходимо варьировать различные геометрические параметры протезов и смотреть  правильно ли они замещают поврежденный элемент.

По итогам получается, что мы можем сделать и получить два принципиально разных (по смыслу) поля результатов.

«Зелененьким» обозначены результаты для «идеальной» (здоровой) конструкции опорно-двигательного аппарата или внутренних органов, которые работают «как новенькие». Т.е. варьируем параметры и получаем то, в каких пределах, как выглядит и как работает хорошая, нормальная «конструкция». А также мы моделируем с различными нарушениями, и получаем «Серенькую» область – область «плохих» результатов.

В определённой мере они могут пересекаться, но в целом наша задача состоит в том, чтобы спроектировать конструкцию протеза, который станет на замену поврежденному, таким образом, чтобы он не входил в «серую» зону и при этом не выходил из «зеленой».

Так как подобные расчеты сложные и большие (как говорилось выше) многие расчеты патяются поначалу делать максимально упрощенными. На слайде показан пример такого упрощения. На сладе показан не стул боком (как предположили некоторые глядя на данное изображение), тут сложно догадаться что же это такое, если Вы не сталкивались с подобными расчетами. Но это два позвонка, межпозвоночный диск и элемент, который удерживает позвонки между собой. Эти расчеты приведены на сайте компании Algor (которая была выкуплена в свое время компанией Autodesk). Тут хорошо видно, что позвонки «несколько» отличаются от реальных, но и эти расчеты важны, потому что позволяют отсеять большое количество различных неправильных (вариантов конструкций). Т.е. переход к боле точным и сложным расчетам можно делать в конце.

Ну и собственно, мне показывают, что время выходит, а значит, могу показать только примеры деформаций и   напряжений только для различных типов одного конкретного «кейджа». Который как говорилось выше нужен для замещения дефектного позвонка. Ну а все остальное – уже чуть позже на форуме.

Спасибо.

Васильев Антон, для adsk.tmm-sapr.org