Біомеханічний супровід операцій у щелепно-лицьовій хірургії з використанням програм MIMICS та ANSYS

Abstract

The purpose of the present work was to demonstrate abilities of the MIMICS-ANSYS complex in analysis of mechanical properties of osseous and soft tissues for reconstruction of the lower jaw (LJ) in patients. As materials and methods, a complex of computer programs MIMICS-ANSYS was used. After segmentation of LJ and optimization of the superficial grid a 3D object is exported to ANSYS for generating a three-dimensional grid, the latter being loaded to MIMICS again in order to prescribe materials, i.e., to provide each finite element with concrete mechanical properties. As a result, the stress-strained state of LJ in patients was assessed in different conditions of loading, which modelled processes of food biting off and chewing. In designed cases, areas of stress concentration were revealed and displacement fields plotted. Working and injuring (admissible) stresses were compared. Effectiveness of the СТ/CAD/CAM/CAE system was determined for biomechanical support of operations in maxillofacial surgery with a concrete realization of the abilities, built in MIMICS-ANSYS programs.

Цель работы: продемонстрировать возможности комплекса MIMICS–ANSYS при анализе механических свойств костных и мягких тканей для реконструкции нижней челюсти (НЧ) пациента. Материал и методы: использован комплекс компьютерных программ MIMICS–ANSYS. После сегментации НЧ и оптимизации поверхностной сетки 3D объект экспортируют в ANSYS для генерирования объемной сетки, которую снова загружают в MIMICS для определения материалов, т. е. присвоения каждому конечному элементу конкретных механических свойств. Результаты: проведена оценка напряженно-деформированного состояния НЧ пациента при различных условиях нагрузки, которые моделируют процессы откусывания и жевания пищи. В расчетных случаях выявлены зоны концентрации напряжения и построены поля перемещений. Сравнены действующие напряжения с травмирующими (допустимыми). Установлена эффективность системы СТ/CAD/CAM/CAE для биомеханического сопровождения операций в челюстно-лицевой хирургии с конкретной реализацией возможностей, заложенных в программах MIMICS–ANSYS.

Мета роботи: продемонструвати можливості комплексу MIMICS–ANSYS для аналізу механічних властивостей кісткових та м’яких тканин під час реконструкції нижньої щелепи (НЩ) пацієнта. Матеріал та методи: використано комплекс комп’ютерних програм MIMICS–ANSYS. Після сегментації НЩ та оптимізації поверхневої сітки 3D об’єкт експортують до ANSYS для генерування об’ємної сітки, яку знов завантажують до MIMICS, щоб призначити матеріали, тобто надати кожному кінцевому елементові конкретні механічні властивості. Результати: проведено оцінку напружено-деформованого стану НЩ пацієнта за різних умов навантаження, які моделюють процеси відкушування та жування їжі. У розрахункових випадках виявлено зони концентрації напруги та побудовано поля переміщень. Порівняно діючі напруги з травмувальними (допустимими). Встановлено ефективність системи СТ/CAD/CAM/CAE для біомеханічного супроводу операцій у щелепно-лицьовій хірургії з конкретною реалізацією можливостей, закладених у програмах MIMICS–ANSYS.