Редактирование: Моделирование митрального клапана
Внимание! Вы не авторизовались на сайте. Ваш IP-адрес будет публично видимым, если вы будете вносить любые правки. Если вы войдёте или создадите учётную запись, правки вместо этого будут связаны с вашим именем пользователя, а также у вас появятся другие преимущества.
Правка может быть отменена. Пожалуйста, просмотрите сравнение версий, чтобы убедиться, что это именно те изменения, которые вас интересуют, и нажмите «Записать страницу», чтобы изменения вступили в силу.
Текущая версия | Ваш текст | ||
Строка 14: | Строка 14: | ||
==Строение митрального клапана== | ==Строение митрального клапана== | ||
+ | [[Файл:MV anatomy.png|thumb|Рисунок Н. Строение митрального клапана.|250px]] | ||
+ | Митральный клапан состоит из фиброзного кольца, двух створок, хорд и папиллярных мышц (рисунок 2). Главная его задача – контроль потока крови от левого предсердия к левому желудочку. Во время систолы желудочков, митральный клапан закрывается, чтобы предотвратить регургитацию (обратный ток) крови в левое предсердие. | ||
+ | |||
+ | Хордами называют сухожильные соединительные волокна, которые скрепляют свободные края створок митрального клапана с папиллярными мышцами, расположенными на внутренней поверхности левого желудочка. Во время сокращения желудочков, папиллярные мышцы сокращаются и натянутые хорды предотвращают пролапсирование митрального клапана. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Пролапс митрального клапана == | ==Пролапс митрального клапана == | ||
− | Пролапс митрального клапана (ПМК) — это порок сердца, при котором происходит прогиб створок митрального клапана в левое предсердие во время сокращения левого желудочка. В норме во время сокращения предсердия клапан открыт и кровь поступает в желудочек. Затем клапан закрывается и происходит сокращение желудочка, за счет которого кровь выбрасывается в аорту. При ПМК прогиб створок клапана во время сокращения левого желудочка приводит к тому, что часть крови поступает обратно в предсердие. В редких случаях величина регургитации велика и требуется коррекция порока, вплоть до хирургического вмешательства. | + | Пролапс митрального клапана (ПМК) — это порок сердца, при котором происходит прогиб створок митрального клапана в левое предсердие во время сокращения левого желудочка (рисунок 3). В норме во время сокращения предсердия клапан открыт и кровь поступает в желудочек. Затем клапан закрывается и происходит сокращение желудочка, за счет которого кровь выбрасывается в аорту. При ПМК прогиб створок клапана во время сокращения левого желудочка приводит к тому, что часть крови поступает обратно в предсердие. В редких случаях величина регургитации велика и требуется коррекция порока, вплоть до хирургического вмешательства. |
− | Научный сотрудник детского госпиталя Бостона, преподаватель хирургии медицинского факультета Гарвардского университета, Васильев Николай Владимирович предложил проведение операции на работающем сердце с исправлением пролапса митрального клапана за счет специального устройства “Клип”, закрепленного на створке клапана и тем самым предотвращающего провисание створок клапана в область левого желудочка (рисунок | + | Научный сотрудник детского госпиталя Бостона, преподаватель хирургии медицинского факультета Гарвардского университета, Васильев Николай Владимирович предложил проведение операции на работающем сердце с исправлением пролапса митрального клапана за счет специального устройства “Клип”, закрепленного на створке клапана и тем самым предотвращающего провисание створок клапана в область левого желудочка (рисунок 4). |
<gallery widths=330px heights=300px perrow = 2> | <gallery widths=330px heights=300px perrow = 2> | ||
− | Файл:MVP.png|Рисунок | + | Файл:MVP.png|Рисунок Н. Сравнение нормального митрального клапана и клапана с пролапсом. |
− | Файл:Leaflet with clip.png|Рисунок | + | Файл:Leaflet with clip.png|Рисунок Н. Способ крепления устройства “Клип” на створке митрального клапана. |
</gallery> | </gallery> | ||
Строка 59: | Строка 61: | ||
<gallery widths=330px heights=300px perrow = 1> | <gallery widths=330px heights=300px perrow = 1> | ||
− | Файл:Geom.PNG|Рисунок | + | Файл:Geom.PNG|Рисунок Н. Геометрическая модель митрального клапана. |
</gallery> | </gallery> | ||
− | + | В таблице 2 не указан очень важный параметр – толщина створок, это связано с тем, что распределение толщины по поверхности митрального клапана имеет неоднородное значение. Характер распределения толщины по поверхности клапана [7] приведен на рис. 9. | |
<gallery widths=330px heights=300px perrow = 1> | <gallery widths=330px heights=300px perrow = 1> | ||
− | Файл:Thick.png|Рисунок | + | Файл:Thick.png|Рисунок Н. Распределение толщины по поверхности митрального клапана. |
</gallery> | </gallery> | ||
+ | |||
+ | Неоднородное распределение толщины было реализовано с помощью опции “External Data”, которая позволяет пользователям импортировать данные в текстовом формате из внешних источников или программ сторонних разработчиков в приложения ANSYS. Процедура импорта заключается в том, что пользователь задаёт программе величину толщины в указанной точке, и затем, это значение интерполируется на узлах модели, расположенных в указанном диапазоне. | ||
==Конечно-элементная модель== | ==Конечно-элементная модель== | ||
− | По описанной выше геометрической модели была построена конечно-элементная модель митрального клапана ( | + | По описанной выше геометрической модели была построена конечно-элементная модель митрального клапана (рис. 11). |
<gallery widths=330px heights=300px perrow = 2> | <gallery widths=330px heights=300px perrow = 2> | ||
− | Файл:Mesh.png|Рисунок | + | Файл:Mesh.png|Рисунок Н.Конечно-элементная модель митрального клапана. |
− | Файл: | + | Файл: |
</gallery> | </gallery> | ||
==Начальные и граничные силовые условия== | ==Начальные и граничные силовые условия== | ||
− | Начальные и граничные условия задачи будем ставить исходя из реальных условий работы сердца. В начальный момент расчета клапан находится в ненапряженном состоянии, что соответствует переходу от этапа наполнения к этапу систолы предсердий. | + | Начальные и граничные условия задачи будем ставить исходя из реальных условий работы сердца. В начальный момент расчета клапан находится в ненапряженном состоянии, что соответствует переходу от этапа наполнения к этапу систолы предсердий (Таблица 1). |
− | Граничные силовые условия схематично отображены на рис. | + | Граничные силовые условия схематично отображены на рис.14. Для митрального кольца ограничены перемещения по трем трансляционным степеням свободы (A). Также ограничены перемещения (B) нижней части хорд, которой они крепятся к стенкам левого желудочка. В соответствии с описанными в параграфе 1.4 нагрузками на створки, к поверхности створок митрального клапана по нормали приложено поверхностное давление (C), обеспечивающее смыкание створок. |
− | + | [[Файл:File2.png|thumb|Рисунок Н.Граничные силовые условия.|200px]] | |
− | Файл:File2.png|Рисунок | ||
− | |||
==Результаты== | ==Результаты== | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Обработка данных c компьютерного томографа == | ==Обработка данных c компьютерного томографа == | ||
Строка 138: | Строка 97: | ||
а) Перевод облака точек из формата DICOM в формат STL. | а) Перевод облака точек из формата DICOM в формат STL. | ||
− | Принцип действия компьютерного томографа заключается в одновременном выполнении трех действий: непрерывного вращения вокруг тела пациента рентгеновской трубки, испускающей рентгеновское излучение; регистрации этого излучения, проходящего сквозь тело человека, специальными детекторами-матрицами; непрерывного движения кушетки вдоль продольной оси вместе с лежащим на ней человеком. После прохождения через тело пациента лучи фиксируются матрицами-детекторами, преобразуются в электрические сигналы, и передаются на компьютер. Компьютер томографа обрабатывает эту информацию, поступившую с детекторов излучения, и в результате создается двухмерное изображение поперечного сечения тела на разных уровнях, так называемые "срезы"(рисунок | + | Принцип действия компьютерного томографа заключается в одновременном выполнении трех действий: непрерывного вращения вокруг тела пациента рентгеновской трубки, испускающей рентгеновское излучение; регистрации этого излучения, проходящего сквозь тело человека, специальными детекторами-матрицами; непрерывного движения кушетки вдоль продольной оси вместе с лежащим на ней человеком. После прохождения через тело пациента лучи фиксируются матрицами-детекторами, преобразуются в электрические сигналы, и передаются на компьютер. Компьютер томографа обрабатывает эту информацию, поступившую с детекторов излучения, и в результате создается двухмерное изображение поперечного сечения тела на разных уровнях, так называемые "срезы"(рисунок 21). |
− | + | [[Файл:Dicom.PNG|thumb|Рисунок Н.Снимок компьютерного томографа.|200px]] | |
− | Файл:Dicom.PNG|Рисунок | ||
− | |||
− | Если сравнить разрешение магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии и компьютерной томографии, проведенной на малогабаритном компьютерном томографе ( | + | Если сравнить разрешение магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии и компьютерной томографии, проведенной на малогабаритном компьютерном томографе (таблица 4), можно сделать вывод, что для получения анатомически точной модели митрального клапана необходим именно малогабаритный компьютерный томограф, т.к. только он позволяет обнаружить хорды митрального клапана. |
− | + | таблица!!!!!!!!!!! | |
− | |||
− | |||
− | + | [[Файл:Bone.PNG|thumb|Рисунок Н. STL модель части позвоночника.|200px]] | |
− | + | Снимки компьютерного томографа (рисунок 21) являются визуализацией DICOM данных полученных при проведении обследования. DICOM (англ. Digital Imaging and Communications in Medicine) — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов. | |
− | |||
− | |||
− | С помощью программного пакета 3D Slicer, путем обработки DICOM файлов, построена STL модель части позвоночника человека (рисунок | + | С помощью программного пакета 3D Slicer, путем обработки DICOM файлов, построена STL модель части позвоночника человека (рисунок 22). Т.к. полученная модель имеет много лишних поверхностей и неровностей, вызванных шумовыми эффектами при проведении томографии, с помощью программы MeshLab модель была отфильтрована (рисунок 23). |
− | + | [[Файл:Filter.PNG|thumb|Рисунок Н. Сравнение кол-ва поверхностей до фильтрации и после.|200px]] | |
− | Файл:Filter.PNG|Рисунок | ||
− | |||
б) Создание твердотельной геометрии из STL. | б) Создание твердотельной геометрии из STL. | ||
Формат STL широко используется для хранения трехмерных моделей объектов для использования в технологиях быстрого прототипирования. Информация об объекте хранится как список треугольных граней, которые описывают его поверхность, и их нормалей. Но для использования при проведении расчетов в инженерных пакетах программ требуется построение твердотельного геометрии CAD модели. Таким образом, с помощью программы ANSYS SpaceClaim вышеуказанная STL модель была конвертирована в CAD модель, представляющая собой твердотельную геометрию. | Формат STL широко используется для хранения трехмерных моделей объектов для использования в технологиях быстрого прототипирования. Информация об объекте хранится как список треугольных граней, которые описывают его поверхность, и их нормалей. Но для использования при проведении расчетов в инженерных пакетах программ требуется построение твердотельного геометрии CAD модели. Таким образом, с помощью программы ANSYS SpaceClaim вышеуказанная STL модель была конвертирована в CAD модель, представляющая собой твердотельную геометрию. | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | |||
==Ограничения и допущения== | ==Ограничения и допущения== | ||
Строка 180: | Строка 127: | ||
В рамках данной задачи выполнено численное моделирование работы митрального клапана в сердце человека. По анатомическим атласам построена балочно-оболочечная геометрическая модель с учетом неоднородности распределения толщины клапана по поверхности створок. С помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS Mechanical проведено моделирование для полного цикла работы митрального клапана. При численном решении данной задачи был выбран тип анализа Transient structural (нестационарный структурный анализ), позволяющий определять изменяющиеся во времени перемещения, деформации, напряжения и внутренние усилия в теле под воздействием нестационарных нагрузок. При моделировании материала створок митрального клапана была выбрана линейная изотропная модель. | В рамках данной задачи выполнено численное моделирование работы митрального клапана в сердце человека. По анатомическим атласам построена балочно-оболочечная геометрическая модель с учетом неоднородности распределения толщины клапана по поверхности створок. С помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS Mechanical проведено моделирование для полного цикла работы митрального клапана. При численном решении данной задачи был выбран тип анализа Transient structural (нестационарный структурный анализ), позволяющий определять изменяющиеся во времени перемещения, деформации, напряжения и внутренние усилия в теле под воздействием нестационарных нагрузок. При моделировании материала створок митрального клапана была выбрана линейная изотропная модель. | ||
− | Полученные результаты для напряжений, возникающих на створках хорошо согласуются с данными, полученными в статьях [7][8][9], посвященных моделированию работы митрального клапана. Так же, в рамках численного моделирования было доказано, что клапан плотно смыкается во время перехода от фазы напряжения к фазе изгнания на 0.302 сек расчета, это совпадает данными для цикла работы клапана. | + | Полученные результаты для напряжений, возникающих на створках хорошо согласуются с данными, полученными в статьях [7][8][9], посвященных моделированию работы митрального клапана. Так же, в рамках численного моделирования было доказано, что клапан плотно смыкается во время перехода от фазы напряжения к фазе изгнания на 0.302 сек расчета, это совпадает данными для цикла работы клапана, приведенными в Таблице 1 (п.1.4). |
Помимо моделирование нормально функционирующего клапана, проведено моделирование работы клапана с устройством “Клип” на задней створке. Анализ полученных результатов позволят заявить, что установка “Клипа” не повлечет за собой появление дополнительных растягивающих напряжений, способных привести к необратимым деформациям створок митрального клапана. | Помимо моделирование нормально функционирующего клапана, проведено моделирование работы клапана с устройством “Клип” на задней створке. Анализ полученных результатов позволят заявить, что установка “Клипа” не повлечет за собой появление дополнительных растягивающих напряжений, способных привести к необратимым деформациям створок митрального клапана. |