Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования механических изделий медицинской техники

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

кандидата технических наук

Алешкевич Павел Александрович

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Дмитревич Г. Д.

Научный консультант - доктор медицинских наук, профессор Безгодков Ю. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яшин А. И.

кандидат технических наук Никитин А. В.

Ведущая организация - филиал ОАО «Силовые машины - Электросила»

Защита диссертации состоится 19 декабря 2006 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.02 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 17 ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юрков Ю. В.

программный информационный база человеческий

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Современный этап развития САПР характеризуется динамичным расширением предметных областей их применения. В широком круге задач, охватываемых проблемой дальнейшего развития автоматизированного проектирования, существенную роль играет создание новых проблемно-ориентированных систем проектирования сложных объектов заданного целевого направления, в частности механических изделий медицинской техники (средств коррекции и замещения функций органов и систем и относящихся к этой группе протезно-ортопедических изделий, часть из которых, а именно, фиксаторы и эндопротезы, используется для лечения переломов).

В возрастной группе 20-60 лет смертность от травм (в том числе и от переломов костей) в два раза выше, чем в результате сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. В России с течением времени данные приобретают все более угрожающий вид. Поэтому все более значимой становится проблема лечения сложных случаев переломов костей, полученных в результате действия сил, обладающих высокой кинетической энергией. Статистика показывает, что использование традиционных методов лечения, основанных на клиническом эмпиризме, приводят к длительной потере работоспособности пострадавшего и к различным осложнениям, вплоть до инвалидности. Существующие в медицинской практике подходы к проектированию механических устройств фиксации позволяют оценивать эффективность данных конструкций лишь эмпирическим путем в течение длительного периода времени, что делает разработку устройств экономически нецелесообразной.

Для проектирования указанного класса механических изделий применим весь набор базовых инструментов и технологий. Специфика использования механических устройств в составе организма человека накладывает определенные ограничения. Многокритериальность задач проектирования механических изделий медицинской техники требует неформального участия инженеров и медиков на всех этапах целостного процесса проектирования, включая этап диалогового доопределения решаемой задачи. Как существующие, так и перспективные потребности развития САПР ставят задачи разработки общесистемного программного обеспечения в виде ядра, ориентированного на адаптацию системы к новым задачам проектирования механических изделий медицинской техники и предоставляющего возможность гибкой настройки диалогового интерфейса в соответствии с квалификацией пользователя (инженера-проектировщика, медика). Проблема получения достоверной информации о биологических объектах (кости, суставы) и трудоемкость создания этих моделей обуславливают необходимость разработки централизованного банка моделей, доступного различным коллективам проектировщиков и медиков.

Указанные обстоятельства определили основные направления выполненных в диссертации исследований, тематика которых тесно связана с планами НИР Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Российского научно-исследователь-ского института травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии. Таким образом, разработка САПР механических изделий медицинской техники является актуальной задачей, решение которой имеет большое теоретическое и практическое значение.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование вопросов организации программного, информационного, математического и лингвистического обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, анализ взаимодействия подсистем и разработка на основе этого исследования системы BioMediCAD.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

исследование и разработка архитектуры программного обеспечения системы BioMediCAD;

исследование и разработка общесистемного ядра, инвариантного по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам;

исследование и разработка программной объектной модели описания компонентов систем кость-устройство;

исследование и разработка информационных и программных средств учета индивидуальных особенностей человеческого организма;

исследование и разработка механизмов хранения описания биомеханических систем в базе данных;

исследование и разработка лингвистических средств системы BioMediCAD.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы построения систем автоматизированного проектирования, системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования, теория реляционных баз данных.

Новые научные результаты.

Предложена архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, отличающаяся наличием инвариантной части, обеспечивающей возможность развития и адаптации системы к новым задачам проектирования путем добавления описаний моделей костей, суставов и механических конструкций.

Впервые разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся наличием единого прикладного программного интерфейса.

Предложено оригинальное информационное обеспечение САПР, включающее в себя программную объектную модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам, и учитывающую характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

Впервые разработан централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий. В состав банка входит база данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающая поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

Предложены лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика) и допускающие модификацию операционной модели диалога.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники.

2. Общесистемное ядро САПР механических изделий медицинской техники.

3. Программная объектная модель универсального описания биомеханических систем.

4. Централизованный банк моделей, доступный для коллективов проектировщиков механических изделий медицинской техники.

Практическая ценность работы. Значение для практики результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1. Система BioMediCAD позволяет проектировать механические устройства, определять их взаимодействие с биологическими объектами, такими как кости, учитывая характер перелома, и формировать, таким образом, систему кость-устройство, которая может быть нагружена согласно анатомическим функциям, выполняемых реальным суставом, и рассчитана с использованием метода конечных элементов для определения перемещений и напряжений, возникающих в системе. Полученные результаты расчетов могут быть использованы для оценки пригодности механического устройства для лечения конкретного типа перелома.

2. Предложенная архитектура программного обеспечения системы BioMediCAD обеспечивает расширяемость системы и быструю модификацию подсистем вплоть до полной замены подсистем другими, в большей степени удовлетворяющими задачам проектирования.

3. Реализованная система импорта моделей позволяет разрабатывать модули поддержки произвольных форматов описания костей, суставов, механических устройств и систем кость-устройство, что обеспечивает быструю и гибкую адаптацию системы для использования уже имеющихся моделей.

4. Хранение моделей биологических компонентов и фиксаторов в централизованном банке моделей, доступном для разных коллективов проектировщиков и медиков, сокращает усилия, затрачиваемые на разработку новых моделей фиксаторов.

5. Подсистемы BioMediCAD могут быть использованы в качестве самостоятельных программных средств, предназначенных для выбора конструкции, более других подходящей в конкретном случае лечения перелома.

Достоверность научных результатов подтверждается практическим использованием разработанной САПР при проектировании механических изделий медицинской техники в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена, Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии, а также в учебной практике Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты использовались в научно-исследовательских и учебно-методических работах по планам госбюджетной НИР «Моделирование и исследование биомеханических систем при хирургических операциях и остеосинтезе» (шифр ИУТ-41, 2006 г.), госбюджетной НИР по теме «Анализ и синтез моделей и методов адаптивного автоматизированного управления производством» (шифр САПР-43 тем. плана СПбГЭТУ 2006 г.), по хоздоговору «Разработка клиент-серверной версии базы данных каналов НЧ и ВЧ-связи для передачи цифровых данных» (договор № 6639/САПР-69 с ООО «МИНИТЕХ», 2006 г.) по хоздоговору «Разработка биомеханических критериев оптимальной регенерации тканей в зоне перелома при стабильно-функциональном остеосинтезе длинных костей» (договор № 6318/ПМИГ-1, 2003 г.).

Теоретические и практические результаты используются при подготовке инженеров по специальностям 230104 «Системы автоматизации проектирования», 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике» и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специализация 230100.68-16 «Информационное и программное обеспечения САПР»). Применение разработанной системы в учебном процессе обеспечивает поддержку дисциплин «Информационные технологии в проектировании и производстве» учебного плана подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специализация 230100.68-16 «Информационное и программное обеспечения САПР»), дисциплины «Механика» учебного плана подготовки инженеров по специальности 230104 «Системы автоматизации проектирования» а также дисциплины «Биомеханика и биоматериалы» учебного плана подготовки дипломированных специалистов по направлению 653900 «Биомедицинская техника» (специализация 190600 «Инженерное дело в медико-биологической практике»). Разработанная система BioMediCAD внедрена в: учебную практику в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) на кафедрах «Системы автоматизированного проектирования» и «Прикладная механика и инженерная графика»; инженерную и медицинскую практику в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена, Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2005 г.

Всероссийская конференция «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы Биомедсистемы-2005», Рязанская государственная радиотехническая академия, 2005 г.

Международная научно-техническая конференция «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологодский государственный технический университет, 2005 г.

Всероссийский конкурс инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы». Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк МГУ им. М. В. Ломоносова», 2005 г.

58, 59 научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Работа поддержана грантом всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Живые системы» (Вятский государственный университет и ЗАО «Научный парк МГУ им. М. В. Ломоносова», 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи и 4 работы в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок.

Содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности проблемы, приводятся основные цели и задачи работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе проводится анализ существующих методов исследования систем кость-устройство и рассматриваются вопросы разработки архитектуры программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники.

Показано, что проблема сложных переломов становится все более актуальной с развитием технического прогресса. Повсеместное использование машин, промышленные катастрофы, локальные военные конфликты приводят к увеличению ударных воздействий на опорно-двигательный аппарат, что вызывает сложные случаи переломов костей.

Рассматриваются методы лечения различных переломов, и дается краткое обоснование их применения. Применение фиксаторов позволяет анатомически точно разместить отломки костей и стабильно их зафиксировать, что положительным образом влияет на процессы сращивания костей и уменьшает период реабилитации. В некоторых случаях для лечения переломов используются также эндопротезы, что является высокотехнологическим методом лечения. Описаны существующие тенденции в проектировании механических устройств на примере фиксаторов остеосинтеза. Наиболее распространенный, традиционный, способ заключается в разработке конструкции фиксатора с испытанием фиксатора на мертвом костном материале и последующим вводом фиксатора в медицинскую практику. Такой подход требует больших материальных и временных затрат, что сокращает количество новых разработок. Другой способ заключается в предварительном моделировании поведения системы кость-устройство при помощи расчетов нагруженных систем методом конечных элементов. Отмечено преимущество данного подхода, заключающееся в возможности корректировки характеристик устройства до его испытания в реальных условиях и отказа от заведомо неудачных конструкций. Это позволяет сократить сроки и стоимость разработок. Вместе с тем, в настоящее время этот метод используется не часто, ввиду отсутствия систем автоматизированного проектирования медицинских механических изделий и слабой проработке вопросов построения моделей и расчетов систем кость-устройство.

Формируются функциональные требования к системе BioMediCAD. Система должна предоставлять средства для: проектирования конструкций механических устройств; описания биологических систем (кости, мышцы, суставы, описания переломов, усилия мышц) как среды, внешней к устройству; расчета нагруженной системы кость-устройство и визуализация результатов; поддержки удаленной централизованной базы данных моделей. Система должна функционировать на персональных ЭВМ и иметь открытую структуру.

Рассматривается процесс проектирования в САПР фиксаторов. Выделены проектные процедуры процесса проектирования и определены связи между процедурами, что отражено в виде соответствующей PRO-сети. Анализ процесса проектирования обосновывает необходимость хранения моделей биологических систем и механических устройств в единой базе данных.

С точки зрения системного подхода обосновано выделение подсистем и предложена архитектура ПО системы BioMediCAD. Система включает в себя инвариантную и проблемно-ориентированную части. Назначением инвариантной части является организация и поддержка процесса проектирования и инкапсуляция работы с моделями. Инвариантная часть состоит из интерактивной управляющей подсистемы, инвариантной обслуживающей подсистемы, подсистемы управления моделями сеанса проектирования и базы данных моделей. Проблемно-ориентированная часть обеспечивает выполнение проектных процедур и включает в себя подсистему моделирования костей и суставов, подсистему моделирования механических устройств, подсистему описания патологии кости, подсистему формирования системы кость-устройство, подсистему задания нагрузок и подсистему расчета.

Выделение подсистем и определение связей между ними произведено с учетом принципов расширяемости и модульности, функциональной полноты и замкнутости. Принято целесообразным уменьшить количество связей между подсистемами и разделить системы на следующие слои: подсистемы по работе с базой данных; проблемно-ориентированные подсистемы; обслуживающая подсистема; управляющая подсистема. В результате вводится дополнительный уровень абстракции в операциях с данными, чем достигается изоляция проблемно-ориентированных подсистем от базы данных моделей, все функции по обеспечению процесса проектирования сосредоточены в инвариантной обслуживающей подсистеме, а управление процессом проектирования возложено на интерактивную управляющую подсистему. Характерной чертой такой организации является ориентация подсистем на работу с произвольными моделями биологических систем и механическими устройствами. Таким образом, предложенная архитектура ПО системы BioMediCAD обеспечивает адаптацию программного обеспечения для решения задач проектирования новых устройств.

Вторая глава посвящена вопросам построения и реализации общесистемного ядра системы BioMediCAD, управляющего процессом проектирования и обеспечивающего взаимодействие подсистем САПР.

Определены следующие требования, предъявляемые к общесистемному ядру системы (ОЯС): организация процесса проектирования, поддержка базы данных моделей, обеспечение расширяемости системы и ее адаптации для решения новых классов задач. На основе анализа этих требований выделены подсистемы ОЯС и предложена его структура, согласно которой ОЯС включает в себя:

интерактивную управляющую подсистему (ИУП);

инвариантную обслуживающую подсистему (ИОП);

модуль импорта моделей;

подсистему управления моделями сеанса проектирования (ПУМ);

базу данных моделей (БДМ).

ИУП предназначена для предоставления пользователю инструментов по управлению процессом проектирования. ИОП обеспечивает выполнение проблемно-ориентированных подсистем в нужной последовательности и их информационную поддержку, транслируя запросы по работе с моделями в ПУМ. ПУМ выполняет две основные функции - кэширование моделей сеанса проектирования и взаимодействие с базой данных моделей. Модели, хранящиеся в кэше, образуют базу моделей сеанса проектирования. Кэширование моделей позволяет предотвратить частое обращение к БДМ. Обоснована необходимость реализации программного интерфейса ОЯС и определен набор функций, входящих в его состав. Программный интерфейс включает функции для управления процессом проектирования, информационной поддержки проблемно-ориентированных систем, импорта моделей и изменения конфигурации системы. В соответствии с разработанной структурой ОЯС, программный интерфейс не включает функции по работе с базой данных. Таким образом, выделены основные преимущества предложенной структуры общесистемного ядра системы: малое число связей с другими подсистемами САПР фиксаторов; объединение всех функций по управлению процессом проектирования; инкапсуляция работы с БДМ; наличие четко определенного программного интерфейса.

Интерактивная управляющая подсистема предоставляет пользовательский интерфейс, посредством которого пользователь может управлять процессом проектирования, конфигурировать систему и импортировать модели. Сформированные запросы из пользовательского интерфейса передаются в ИОП, которая обеспечивает: поддержку процесса проектирования, управление процессами проблемно-ориентированных подсистем, информационную поддержку проблемно-ориентированных подсистем, настройку конфигурации системы, импорт моделей. С учетом перечисленных требований предложена структура ИОП. На основе анализа связей ИОП с другими подсистемами САПР фиксаторов определены программные интерфейсы, предоставляемые ИОП, а также рассмотрены их методы. Таким образом, ИОП предоставляет программные интерфейсы: конфигурации системы, управления процессом проектирования, импорта моделей и управления моделями.

Рассмотрены алгоритмические основы управления процессами проблемно-ориентированных систем при обеспечении процесса проектирования. Учитывая требование адаптации системы к решению новых типов задач, предлагается организовать процесс проектирования в виде последовательного выполнения проектных процедур, а порядок вызова процедур представить в виде сценария процесса проектирования. Использование сценария позволяет описывать и модифицировать процесс проектирования не внося изменений в ОЯС. Обосновано описание сценария на языке XML (eXtended Markup Language). Предложенная XSD-схема по существу формирует язык определения сценария, входящий в состав лингвистического обеспечения САПР фиксаторов.

Предлагается алгоритм обработки сценария процесса проектирования и выполнения программных модулей проблемно-ориентированных подсистем, включающий в себя в качестве основных шагов: запуск процессов модулей и передачу им необходимых параметров; обработку сообщений, посылаемых процессом модуля; завершение процессов модулей. Запуск модулей сопряжен с созданием процесса и передаче порожденному процессу соответствующего программного интерфейса ОЯС. Разработан механизм передачи сообщений от процессов проблемно-ориентированных систем и их обработки в ОЯС. Для этого организуется очередь сообщений, и используются потоки записи сообщений в очередь и чтения сообщения из очереди. Асинхронность передачи и обработки сообщений обеспечивает высокое быстродействие и экономное расходование системных ресурсов, но требует решения задачи синхронизации потоков записи и чтения. Предлагается алгоритм синхронизации потоков работы с очередью сообщений. Рассмотрен алгоритм завершения процессов проблемно-ориентированных подсистем, основанный на механизме передачи сообщений и обеспечивающий корректное завершение работы модуля, сохранение данных и освобождение занимаемых системных ресурсов.

Обоснован способ прерывания и возобновления процесса проектирования. На каждом i-м этапе процесс проектирования можно представить как S_i = (D_i, O_i), где D_i это множество данных, а O_i - множество операций, которые необходимо выполнить над D_i для перехода к следующему этапу. O_i однозначно определяется номером этапа i, так как совокупность O_i и описывает функциональную сторону процесса проектирования. Таким образом, для обеспечения возможности прерывания и возобновления процесса проектирования на i-м этапе достаточно сохранить все данные i - 1 этапа. Сохраненные данные i-го этапа предлагается назвать сохраненным состоянием процесса проектирования. Предложены алгоритмы прерывания и возобновления процесса проектирования, определены способы сохранения данных, описывающих состояние процесса.

Проектные процедуры, используемые для проектирования фиксаторов остеосинтеза, оперируют моделями биомеханических систем и их компонентами. Показано, что в процессе проектирования происходит преобразование моделей проектируемых объектов, поэтому можно выделить конечное множество моделей сеанса проектирования. Так как изначально описания моделей хранятся в базе данных моделей, предлагается включить в состав САПР фиксаторов подсистему управления моделями сеанса проектирования, обеспечивающей кэширование моделей в виде их программного объектного описания. Наличие такой подсистемы позволяет предоставить проблемно-ориентированным системам единый программный интерфейс по работе с моделями и снизить нагрузку на СУБД моделей. В состав подсистемы управления моделями входят интерфейсный модуль, модуль кэширования моделей и модуль взаимодействия с СУБДМ. Рассматриваются алгоритмы получения описания модели, создания новой модели и сохранения измененной модели. Определяются потоки данных при выполнении операций с моделями.

Процесс создания моделей биологических объектов может потребовать значительных затрат ресурсов. Это обусловлено сложной геометрией, широким диапазоном изменения физических свойств и необходимостью проведения дополнительных, зачастую дорогостоящих исследований. Для обеспечения возможности использования моделей биомеханических систем и их компонентов, созданных в других системах, предлагается включить в САПР фиксаторов подсистему импорта моделей. Разработана архитектура подсистемы, отличительной особенностью которой является наличие координирующего модуля и неограниченного количества модулей трансляции, преобразующих описание модели на некотором языке в программное объектное описание моделей. Предложен способ реализации модулей трансляции в виде подключаемых библиотек, рассмотрен алгоритм загрузки библиотек и разработана структура классов, обеспечивающая полиморфную работу с модулями трансляции.

Рассмотрены вопросы реализации общесистемного ядра САПР фиксаторов. При разработке ОЯС должны учитываться следующие требования: кроссплатформенность, предоставление прикладного программного интерфейса, низкая потребность в системных ресурсах, поддержка различных, в том числе и удаленных баз данных моделей. Согласно разработанной диаграмме размещения, ИУП и ИОП реализуются в виде отдельных исполняемых модулей. Для организации межпроцессного взаимодействия предлагается использовать технологию, реализующую удаленный вызов процедур (RPC - Remote Procedure Call). Рассматриваются технологии обеспечения межпроцессного взаимодействия и проводится их оценка с точки зрения учета требований к реализации ОЯС. К таким технологиям относятся: использование специфических механизмов, предоставляемых современными операционными системами; разработка протокола взаимодействия процессов на основе сокетов; реализации XML-RPC, в частности, SOAP (Simple Object Access Protocol); построение приложений на основе COM (Component Object Model); CORBA (Common Object Request Broker Architecture). Обоснован выбор технологии CORBA как наиболее удовлетворяющей требованиям к ОЯС. Предложено описание программных интерфейсов ОЯС на языке описания интерфейсов CORBA IDL.

В третьей главе рассматривается информационное, математическое и лингвистическое обеспечения системы BioMediCAD. Предлагается реализация информационного обеспечения, состоящего из программной объектно-ориентированной модели биомеханических систем и базы данных, предназначенной для хранения описания систем.

Рассмотрены особенности использования моделей биомеханических систем. В системе BioMediCAD используются следующие виды моделей: модели механических устройств, модели биологических объектов, модели гетерогенных систем кость-устройство. Использование моделей объектов имеет две особенности. Первая заключается в использовании моделей проблемно-ориентированными системами при выполнении проектных процедур. Вторая особенность состоит в необходимости сохранения описания модели в базе данных. Учитывая принципиально разный характер использования, определяются два формата атрибутивного описания моделей: формат сеанса проектирования и формат хранения в базе данных.

Формат сеанса проектирования должен предоставлять информацию о модели в виде, удобном для использования программным обеспечением проблемно-ориентированных подсистем. Описание модели в формате хранения должно обеспечивать компактное представление данных для долговременного размещения модели в реляционной базе данных. Для оценки результатов, полученных при проектировании механических устройств, интересны механические свойства системы кость-устройство, следовательно, необходимы расчеты, определяющие деформации, перемещения и напряжения компонентов системы. Для решения такого класса задач широко применяется метод конечных элементов.

Метод конечных элементов сводит решение линейной задачи к решению системы линейных алгебраических уравнений, в матричной форме имеющей вид Ku = P, где u - столбец неизвестных, P - столбец свободных членов. В зависимости от решаемой задачи матрица K носит название матрицы жесткости, или матрицы пластичности. Коэффициенты матрицы К формируются в соответствии с законами теории упругости и зависят от параметров конечных элементов (координат их узлов) и свойств материала (плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести и т. д.). Вектор P формируется заданием граничных условий. Полученную систему решают с помощью численных методов и определяют искомые перемещения и напряжения.

Обосновано использование существующего программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов (ANSYS, NASTRAN) в качестве основы для реализации подсистемы расчета системы BioMediCAD. Построение математической модели биомеханической системы сводится к определению коэффициентов системы. Для этого требуется описание следующих характеристик компонентов модели: геометрическая форма компонентов системы; свойства материалов; описание связей между компонентами; ограничения, накладываемые на перемещения компонентов относительно друг друга; нагрузки, возникающие в системе. Таким образом, эта информация должна найти отражение в описании моделей.

Определена иерархическая организация биомеханических систем. Показано, что для программного представления таких сущностей обосновано применение объектно-ориентированного подхода. Выделены общие свойства компонентов систем и разработана иерархия классов, представляющих компоненты биомеханических систем. Базовый класс компонента определяет методы описания: геометрии, связей, материалов и физиологических характеристик человеческого организма. От базового класса наследуются классы биологического объекта, механического объекта, представляющие неделимые компоненты и класс составного объекта, представляющий совокупность компонентов и связи между ними. В свою очередь, класс биологических объектов является базовым для классов костей и мышц, а от класса составного объекта наследуются классы суставов, механических устройств и систем кость-устройство.

Рассмотрены особенности реализации классов биологических компонентов. Описание атрибутов кости включает: описание геометрической формы кости; описание перелома; характеристики костной ткани; описание действий, производимых при установке механического изделия; описание мест крепления мышц. Предложен способ определения геометрической формы кости в виде набора сечений, представленных в виде сплайнов. В этом случае становятся возможными генерация описания поверхности кости в виде сетки граней и построение конечно-элементной модели кости. Такие представления формы кости используются при визуализации и в расчетах методом конечных элементов соответственно. Атрибутами класса мышцы являются геометрическое представление формы мышцы и значение силы мышцы. Показано, что для расчета системы кость-устройство можно представить мышцы как силы, приложенные к определенным местам кости, таким образом, форма мышцы представляет интерес только для визуализации. Класс сустава наследует атрибуты класса составного объекта и предоставляет доступ к списку компонентов и описаниям связей. Для представления механических объектов предложено использование твердотельных моделей. В настоящее время реализованы системы твердотельного моделирования, входящие в состав различных машиностроительных САПР. Эти системы могут быть использованы как основа для реализации подсистемы моделирования механических устройств. По твердотельной модели осуществляется построение трехмерной сетчатой модели поверхности, используемой подсистемой визуализации и конечно-элементной модели, применяемой при расчете системы кость-устройство. Помимо представления геометрической формы компонентов устройства рассматриваются также вопросы определения их материалов. Класс системы кость-устройство включает в себя такие атрибуты как биологическую систему (объект класса сустав) и объект класса механического устройства. Для описания взаимодействия этих объектов добавляется набор связей.

Обоснован выбор существующих СУБД для поддержки базы данных моделей. К числу таких СУБД относятся Oracle, Microsoft SQL Server, PostgreSQL, MySQL. СУБД поддерживают работу с реляционными базами данных, расположенными на удаленных серверах, что согласуется с требованиями к САПР фиксаторов. Можно выделить подмножество языка SQL, одинаково реализованное во всех СУБД, следовательно, использование этого подмножества для работы с данными, описывающими биомеханические системы, позволяет разрабатывать программный код модуля взаимодействия с СУБДМ без привязки к конкретной СУБД.

Отмечается, что характерной чертой моделей, используемых в системе BioMediCAD, является их параметризация, которая подразумевает под собой зависимость численных значений атрибутов моделей от некоторых обобщенных макропараметров (ОМП), учитывающих особенности строения человеческого организма. К таким параметрам относятся: рост человека, масса тела, возраст, половая принадлежность, наличие остеопороза и степень его прогрессирования. Можно считать, что параметры изменяются линейно и ограничены некими предельными значениями. Вводятся коэффициенты влияния ОМП на численное значение какого-то атрибута модели. При условии, что ОМП не влияют друг на друга, значение атрибута может быть представлено как , где v_i - значение i-го атрибута модели, v_i' - базовое значение i-го атрибута модели, k_ij - коэффициент учета влияния j-го ОМП на v_i, m - количество рассматриваемых ОМП.

Предложена структура таблиц, содержащих информацию о влиянии ОМП на атрибуты моделей. Приводятся примеры SQL-запросов для извлечения значений атрибутов моделей и обсуждаются вопросы учета ОМП в программном объектном представлении моделей. Определена таблица описания свойств материалов, учитывающая следующий свойства материалов: плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, предел текучести. Также материал имеет название и номер, идентифицирующий материал в библиотеке материалов. Рассмотрены структуры таблиц для описания моделей костей, мышц и суставов. При этом обеспечивается параметризация моделей. Вводится понятие сценария движения. Все движения человека осуществляются за счет работы мышц. Таким образом, можно описать нагрузки на кости при любом движении как совокупность сил, развиваемых мышцами, силы тяжести и реакции опоры. В зависимости от значений ОМП эти силы будут меняться. Наличие сценариев движения позволяет полнее описывать организм человека как внешнюю среду по отношению к фиксаторам. Предложена структура таблиц для описания произвольного сценария движения. Разработана структура таблиц, содержащих данные о механических устройствах и их компонентах. Разработанная структура базы данных моделей позволяет представить все сведения об объектах проектирования, описания биологических объектов, характеристики материалов и сценарии движения. При этом учитывается влияние ОМП на атрибуты моделей.

Предложены лингвистические средства системы BioMediCAD, позволяющие приспособиться к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика), имеющие гибкий диалоговый интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога

Четвертая глава посвящена реализации проблемно-ориентированных подсистем. Приводятся характеристики системы BioMediCAD. Представлены результаты применения разработанной САПР на примере разработки эндопротеза бедренной кости, применяемого для лечения перелома шейки бедра.

Предложены варианты реализации проблемно-ориентированных подсистем. В качестве основы для построения подсистем САПР фиксаторов взята САПР NX 3.0 фирмы UGS Corp, как одна из распространенных в мировой машиностроительной практике и предоставляющая широкие возможности по интеграции средствами прикладного программного интерфейса. Для упрощения описания костей в составе подсистемы моделирования костей реализована функция автоматизированного построения сечений по изображениям срезов кости, например, по результатам томографии.

В составе системы BioMediCAD реализовано общесистемное ядро, интерактивная управляющая подсистема, подсистемы ввода описания костей, моделирования механических устройств и создания системы кость-устройство. Также реализована подсистема расчета и визуализации полученных результатов. BioMediCAD функционирует под управлением операционных систем семейств Windows и Linux. В качестве СУБД моделей используется Microsoft SQL Server. Отработаны основные механизмы управления подсистемами и передачи данных между подсистемами. В то же время, отмечаются направления модификации подсистем для их более эффективной работы.

Обоснован выбор эндопротеза бедренной кости в качестве примера механической конструкции, разрабатываемой в системе BioMediCAD. Эндопротезы относятся к высокотехнологичной медицинской технике, их высокая стоимость и ориентированность на продолжительное пребывание в организме человека требуют высококачественного проектирования. Рассмотрены варианты лечения, применяемых при переломах шейки бедра, обоснован выбор метода эндопротезирования как наиболее распространенного способа лечения таких переломов.

Для обеспечения возможности сравнения результатов, полученных при моделировании системы кость-эндопротез, предлагается в качестве объекта проектирования выбрать существующую модель эндопротеза, применяемую в медицинской практике, а именно VerSys Enchanced Taper фирмы Zimmer. Описаны характеристики данного эндопротеза и методика его использования. Рассмотрен процесс моделирования эндопротеза и показаны этапы построения соответствующей твердотельной модели.

Рассматривается процесс построения модели бедренной кости. Для построения моделей длинных костей, можно использовать набор сечений, полученных, например, в результате томографии. По сечениям определяется геометрическая форма всей кости. Данный подход используется и для формирования модели бедренной кости. Проведена параметризация модели в зависимости от роста, веса человека и степени остеопороза.

Сформирована модель системы кость-эндопротез. При этом учитывается методика установки эндопротеза, принятая в медицинской практике. Произведено задание нагрузок на систему. При совершении человеком движений, кости подвергаются действию силы мышц и силы тяжести. В соответствии с результатами исследований биомеханики движения определяются величины и направления сил, что находит отражение в формировании соответствующего сценария движения. Рассмотрены силы, действующие на кости при стоянии человека и при ходьбе. Сформированная модель бедренной кости и сценарии движения сохраняются в базе данных моделей и могут быть использованы в дальнейшей работе с системой BioMediCAD.

Нагруженная система кость-эндопротез при различных значениях роста, веса человека и степени остеопороза рассчитана методом конечных элементов в подсистеме расчета. Проводится анализ полученных результатов и сравнение их с данными, получаемыми в медицинской практике, что подтверждает достоверность результатов. Показано, что применение подсистемы расчета и визуализация полученных результатов позволяет выделять преимущества и недостатки конструкции и делать обоснованные выводы о применимости эндопротезов, а использование всего комплекса обеспечения системы BioMediCAD приводит к сокращению сроков проектирования конструкций фиксации.

Основные результаты работы

1. Разработана архитектура программного обеспечения САПР механических изделий медицинской техники, обеспечивающая адаптацию программного обеспечения для решения задач проектирования новых механических изделий медицинской техники путем добавления описаний моделей костей, механических устройств и типов переломов.

2. Разработано общесистемное ядро системы, управляющее процессом проектирования, инвариантное по отношению к используемым проблемно-ориентированным подсистемам и отличающееся от известных наличием единого прикладного программного интерфейса.

3. Разработана программная объектная модель универсального описания биомеханических систем, которая позволяет рассматривать биологические объекты, такие как кости, мышцы и сухожилия, аналогично механическим объектам. Также программная модель учитывает характер взаимодействия объектов биомеханической системы.

4. Разработан централизованный банк моделей, включающий базу данных моделей биомеханических систем и их компонентов, обеспечивающую поддержку параметризации моделей в зависимости от индивидуальных особенностей человеческого организма. Реализован механизм преобразования моделей, описанных в терминах базы данных, в программное объектно-ориентированное представление моделей.

5. Реализована система импорта моделей, позволяющая разрабатывать модули поддержки произвольных форматов описания костей, суставов, механических устройств и систем кость-устройство, что обеспечивает быструю и гибкую адаптацию системы для использования уже имеющихся моделей.

6. Разработаны лингвистические средства САПР механических изделий медицинской техники, адаптирующиеся к уровню квалификации пользователя (инженера-проектировщика, медика), имеющие гибкий диалоговый интерфейс, допускающий модификацию операционной модели диалога.

7. На основе полученных результатов реализована система BioMediCAD, внедренная в: учебную практику в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); инженерную и медицинскую практику в Российском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и Санкт-Петербургской государственной педиатрической медицинской академии.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Алешкевич, П. А. Автоматизация проектирования фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2004. - №. 2. - С. 36-39.

2. Алешкевич, П. А. Информационное обеспечение САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005: тез. докл. Междунар. конф., г. Санкт-Петербург, 2005 г. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ. - 2005. - С. 107-109.

3. Алешкевич, П. А. Архитектура САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы Биомедсистемы - 2005: тез. докл. Всерос. конф., г. Рязань, 2005 г. - Рязань: РГРТА. - 2005. - С. 107-108.

4. Алешкевич, П. А. Проектирование индивидуальных устройств остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Автоматизирован. подготовка машиностроит. производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: тез. докл. Междунар. конф., г. Вологда, 2005 г. - Вологда: ВоГТУ. - 2005. - Т. 2. - С. 136-138.

5. Алешкевич, П. А. Математическое обеспечение САПР фиксаторов индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2005. - №. 3. - С. 89-91.

6. Алешкевич, П. А. САПР фиксирующих конструкций индивидуального остеосинтеза / П. А. Алешкевич, Д. А. Кузнецов // Всерос. конкурс инновацион. проектов аспирантов и студентов по приоритет. направлению «Живые системы»: тез. докл. Всерос. конф., г. Киров, 2005 г. - Киров: Изд-во ун-та. - 2005. - С. 9-10.

7. Алешкевич, П. А. Реализация подсистемы расчета в САПР устройств фиксации / П. А. Алешкевич, Г. Д. Дмитревич, О. П. Кормилицын, Д. А. Кузнецов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Биотехнические системы в медицине и экологии - 2006. - №. 1. - С. 48-52.

Размещено на Allbest.ru