Разработка программных средств для оценки биомеханики, планирования и прогнозирования способа хирургического вмешательства у пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями позвоночника на основе медицинского изображения

ggtu_admin - пт, 03/01/2019 - 09:36
Цели и задачи: 


Цель исследования – разработать программное обеспечение для создания индивидуальной трехмерной модели поясничного отдела позвоночника по результатам рентгеновского изображения при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и соответствующих программных средств для биомеханического моделирования напряженно-деформированного состояния позвоночно-двигательных сегментов с целью повышения качества диагностики, лечения и реабилитации пациентов.

Задачи:

  • Автоматизировать процесс анализа геометрических параметров поясничного отдела позвоночника.
  • Разработать программное обеспечение для построения индивидуальной геометрической 3D модели поясничного отдела позвоночника на основе рентгеновского изображения DICOM стандарта с возможностью ее модификации с целью моделирования наиболее оптимального и малоинвазивного вмешательства.
  • Разработать программное обеспечение для прогнозирования характера напряженно-деформированного состояния поясничного отдела позвоночника методом конечных элементов с учетом хирургического вмешательства.
Актуальность (решаемые проблемы): 

Трехмерное изображение позволяет досконально изучить анатомо-топографические особенности в зоне вмешательства, выбрать оптимальный доступ и минимизировать объем резекции связок и костных структур позвоночника, что обеспечит малотравматичность операции, а следовательно, снизит длительность стационарного этапа лечения и улучшит качество жизни пациентов в послеоперационном периоде. Таким образом, применение компьютерного моделирования для выбора наиболее оптимального и малоинвазивного вмешательства имеет существенное значение, как в практическом здравоохранении, так и в обучении хирургов выполняющих операции на позвоночнике.

Ни один из методов инструментальной диагностики не дает информации о механических характеристиках измененных структур позвоночно-двигательного сегмента in vivo. Таким образом, изучение биомеханической функции ПДС в условиях физиологических и патологических процессов, представляется одним из самых актуальных и перспективных направлений в научных исследованиях. Четкое представление о биомеханике позвоночника и ее изменениях на фоне заболеваний, является фундаментом при разработке новых медицинских технологий.

На сегодняшний день наиболее достоверным и научно-обоснованным методом изучения напряженно-деформированного состояния (НДС) в области биомеханики позвоночника является метод конечных элементов (МКЭ). С помощью математических моделей в специализированных пакетах, основанных на МКЭ возможно оценить НДС элементов поясничного отдела позвоночника при функциональных нагрузках как у здоровых лиц, так и при различных патологических состояниях, в частности на фоне дегенеративно-дистрофических заболеваний. В целом такие биомеханические модели могут быть использованы для: анализа кинематики ПДС; объективизации показаний и индивидуального подхода к выбору объема хирургического вмешательства; прогнозирования развития заболевания и осложнений; разработки индивидуальных программ реабилитации.

Краткое описание создаваемой научно-технической продукции: 

Разработанное при выполнении работы программное средство «Волот», использовалось у 55 пациентов с дегенеративно-дистрофическими заболеваниями позвоночника для измерения и анализа рентгенометрических характеристик, а так же оценки кинематики поясничного отдела позвоночника  по рентгенограммам в горизонтальном и вертикальном положении. Установлено: значимое снижение высоты вентрального отдела диска и угла замыкательных пластин на L4 – L5 (0,16 (-0,57; 1,98) при p=0,023 и 0,25 (-2,37; 3,48) при p=0,035 соответственно) и L5 – S1 (0,98 (-0,27; 2,10) при p=0,001 и 1,37 (-0,84; 3,84) при p=0,042); нарушение кинематики заинтересованных двигательных сегментов выявлено у 42 (76,4%) пациентов (p<0,001), а в 28 (66,7%) случаях из 42 (p=0,003) и на смежных уровнях.

Разработано программное обеспечение для построения индивидуальной 3D модели поясничного отдела позвоночника на основе рентгеновского изображения. Реализованы функции визуализации и навигации.

Разработано программное обеспечение для прогнозирования характера напряженно-деформированного состояния структур поясничного отдела позвоночника методом конечных элементов на фоне хирургического вмешательства. Использование предлагаемого программного продукта предоставляет врачу возможность получить представление о характере нагружения связочного аппарата ПДС, что крайне актуально для выбора оптимального способа и объема хирургического вмешательства и прогнозирования его влияния на качество жизни пациента.

Область применения результатов НИОКР: 

Медицина.

Технические преимущества по отношению к лучшим отечественным и зарубежным аналогам: 

Полученные в работе результаты в виде программного продукта «Волот» с регистрацией права интеллектуальной собственности являются новыми и позволяют: определить и патогенетически обосновать объем хирургического пособия; смоделировать этапы оперативного вмешательства, что позволит сократить его длительность; минимизировать травматичность операций, тем самым поможет сократить послеоперационный койко-день, снизить частоту послеоперационных осложнений (эпидуральный фиброз) и улучшить качество жизни; повысить качество обучения и профессиональный уровень врачей-специалистов (нейрохирургов, неврологов, вертебрологов и ортопедов).

Экономические преимущества: 

Результаты НИР позволяют: определить и обосновать объем хирургического пособия; сократить послеоперационный койко-день; повысить качество обучения и профессиональный уровень врачей-специалистов.

Потенциальные потребители создаваемой научно-технической продукции: 

Нейрохирургические и травмотологические отделения учреждений здравоохранения Республики Беларусь.

Контактная информация: 

УО "Гомельский государственный технический университет"
Научный руководитель
Комраков Владимир Викторович, доцент кафедры "Информационные технологии", кандидат технических наук
Тел.: +375 232 40 37 45
E-mail: msf_vdos@mail.ru