для чего нужна биомеханика
Что такое биомеханика
Наверняка вы могли видеть в описаниях различных спортивных тренажеров характеристику «правильная биомеханика». Но что это значит? Расскажем все самое важное о биомеханике простым языком.
Понятие биомеханики
Биомеханика — это наука, изучающая движения живых существ. Происхождение этого понятия исходит из Греции: bios (жизнь) и mexane (механизм). В спорте и фитнесе, где движения человеческого тела имеют огромное влияние, биомеханика фигурирует постоянно.
Зачем разбираться в биомеханике
Зачем нужно знать, что такое биомеханика и как она работает? Осознание, каким образом двигается наше тело и какой диапазон движений у суставов, костей и связок, помогает нам заниматься спортом эффективно и безопасно.
Также понимание биомеханики помогает легче ориентироваться в спортивных тренажерах и инвентаре. Многие производители добавляют в инструкции к своему спортивному оборудованию биохимические термины. Без их понимания может пострадать техника упражнения и увеличиться риск травм.
Как происходит биомеханика
Каждое наше движение начинается с анатомической позиции: вертикальное положение тела, взгляд вперед, руки вдоль тела, пятки немного расставлены, а пальцы ног обращены вперед.
Переход от анатомической позиции к движению конечностей происходит через сокращения мышц. Когда мы хотим выполнить движение, мышца становится короче, а две точки ее крепления к кости приближаются друг к другу. Такая система напоминает работу механического рычага по поднятию / передвижению.
Движение мышц осуществляется в двух противоположных направлениях. Для перемещения конечности вокруг опорной точки необходимо две мышцы, противоположные друг к другу. Поэтому названия биомеханических направлений всегда парные: сгибание / разгибание, инверсия / эверсия, пронация / супинация и так далее.
Главные элементы биомеханики
Во время движения наше тело одновременно задействует несколько важных элементов биомеханики. Их всего пять: перемещение, сила, импульс, рычаг и равновесие.
Перемещением называют движение тела в пространстве посредством скорости и ускорения. Под силой подразумевается толчковое или тяговое усилие, контролирующее перемещение. Импульс — это произведение масса тела на его скорость во время изменения расположения тела.
Наши конечности являются рычагами, которые имеют плечо рычага, точку опоры и ось вращения. Равновесие отвечает за устойчивость тела с помощью размещения его центра тяжести над основной поддерживающей конструкцией.
Плоскости и оси в биомеханике
Все пять важных компонентов действуют в диапазоне осей и плоскостей тела. Под осью понимаются прямые линии, проходящие сквозь тело перпендикулярно друг другу. Эти линии — основные зоны вращательных / поворотных телодвижений.
Всего существует три оси нашего тела: поперечная, продольная и медиальная. Поперечная ось — горизонтальная линия в области талии. Продольная ось является вертикальной линией, проходящей от центра головы до стоп. Медиальная ось проходит по диагонали от бедер до плеч.
Плоскостей тела также три: сагиттальная, фронтальная и поперечная. Сагиттальная делит тело на правую и левую сторону. В такой плоскости происходят такие движения, как сгибание и разгибание.
Фронтальная плоскость выделяет в теле заднюю и переднюю часть. В данной плоскости происходят движения, как отведение / приведение. Поперечная плоскость делит тело на верхнюю и нижнюю часть, в которых происходят вращательные движения.
Комбинирование плоскостей одновременно создает диагональное движение.
Названия телодвижений в биомеханике
Основные движения, которые мы выполняем во время тренировок со спортивными тренажерами и инвентарем происходят в рамках вышеперечисленных осей и плоскостей.
Зачастую названия этих телодвижений добавляют в описания оборудования. Чтобы отлично ориентироваться в терминах, расшифруем самые распространенные:
Знание биомеханики позволит вам не только повысить осознанность о вашем теле, но и грамотно выбирать спортивные тренажеры и инвентарь. Оборудование, произведенное с упором на правильную биомеханику, делает движения спортсмена безопасными и эффективными во время тренировки. Изучайте свое тело и повышайте качество упражнений!
Биомеханика: как работает наше тело
К любой технике есть инструкция, если ее не соблюдать – техника сломается. К нашему телу тоже есть инструкция?
Если мы начинаем ходить неправильно, что происходит?
В нашем теле все мышцы парные, то есть в одном движении задействованы две мышцы. Если какая-то мышца, ослабев, выключается из ежедневной деятельности, то ее функцию в поддержании положения тела частично берёт на себя вторая мышца-синергист. Наступает мышечный дисбаланс, а далее происходит цепная реакция и перестройка всего тела по типу «слабость-перенапряжение», приводящая к возникновению хронических болей в спине.
Какие причины приводят к мышечному дисбалансу?
Какие могут быть последствия мышечных дисбалансов?
В это время организм пытается компенсировать неполадки, «подстраивается» под ситуацию, меняя работу всего организма. Процесс длится годами и примерно в 35-40 лет заходит в тупик. Начинают проявляться хронические боли, протрузии, грыжи, заболевания суставов. И эти изменения касаются не только опорно-двигательного аппарата, также нарушается сон, появляются головные боли и хроническая усталость.
Возможно ли исправить эти изменения, повернуть их вспять?
Распутать этот клубок проблем с каждым годом становится сложнее, дороже и занимает больше времени. Поэтому мы рекомендуем проходить диагностику раз в год, начиная с 18 лет. Часто я встречаю людей, которым врачи рекомендуют массаж, медикаментозное лечение, иглоукалывание, физиопроцедуры. И только в конце списка стоит лечебная физкультура (ЛФК). В большинстве случаев люди выполняют первые пункты, боль уходит, но через какое-то время возвращается снова. Это закономерно, ведь процедуры устраняют только симптом мышечного дисбаланса (боль), а не истинную причину.
Как нужно действовать правильно?
Биомеханика движений человека
Что такое биомеханика?
Название включает в себя греческие слова bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг. В отличие от традиционной механики, в которой рассматривается движение и взаимодействие предметов, биомеханика это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. В фитнесе, да и во всех видах спорта, особенно подвижных, биомеханика рассматривается и используется, как базовая наука и имеет большое значение. Основу биомеханики составляют физиология, геометрия, математика, анатомия и физика в разделе механики. Не меньше биомеханика связана с психологией и биохимией. Все варианты взаимодействия прикладных наук полезны и приносят ощутимую пользу.
Биомеханическая мускульная работа
Работа любой мышцы человеческого опорно-двигательного аппарата основаны на умении и возможности мышцы сокращаться. В момент мышечного сокращения сама мышца укорачивается, а обе точки крепления к костям сближаются одна относительно другой. Подвижная точка Insertion начинает приближаться к начальной неподвижной точке крепления Origin, так осуществляется движение данной конечности.
Если применить это качество и свойство мышечной материи к области фитнеса, то открывается возможность выполнения определенной механической работы (подъем штанги, перемещение конечности с гантелей), прилагая разную степень мышечного усилия. Мышечная сила в данном случае будет определяться площадью сечения мышечных волокон, или говоря простым языком площадью разреза мышцы в поперечнике. Размер мышечного сокращения определен длиной мышечного волокна. Соединения костей и взаимодействие с мышечными группами устроено в форме механического рычага, позволяющего выполнять простейшую работу по поднятию и передвижению предметов.
Механика учит нас, что чем дальше от оси будет приложена сила, тем выше кпд, ибо благодаря большому плечу рычага, работу можно выполнить с меньшими усилиями. Так и в биомеханике — если мышца крепится дальше от опорной точки, тем более выгодно будет использована ее сила. П.Ф. Лесгафт в этом смысле квалифицировал мышцы на сильные, имеющие крепление дальше от опорной точки и быстрые или ловкие, имеющие точку крепления вблизи опоры.
Мышечное движение всегда производится в двух противоположных направлениях. По этой причине для выполнения двигательного процесса вокруг одной опорной точки необходимо наличие двух мышц на противоположных сторонах одна от другой. Направления движения в биомеханике тоже получили свои определения: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и горизонтальное отведение, ротация медиальная и ротация латеральная.
Мышца, которая вызывает момент движения при сокращении и принимает на себя основную нагрузку, называется агонистом — Prime mover. Каждое сокращение мышцы-агониста приводит к полному расслаблению противоположной ей мышцы-антагониста. Если мы выполняем сгибание в локте, агонистом будет являться сгибатель локтя — бицепс, а антагонистом в этот момент будет разгибатель локтя — трицепс. После окончания движения обе мышцы будут уравновешивать друг друга, находясь в немного растянутом состоянии. Это явление называется мышечным тонусом. Мышцы, помогающие выполнять движение мышце-агонисту и действующие в одном с ним направлении, но испытывающие меньшую нагрузку и меньшую степень сокращения называются синергистами. Мышцы, обеспечивающие устойчивость и равновесие определенному суставу при выполнении движения, называются фиксаторами. Помимо фиксаторов значительную роль в тренировочном процессе выполняют мышцы стабилизаторы, которые работают в качестве элементов равновесия тела при смещении центра тяжести и увеличении общей силовой нагрузки. Кроме того мышцы стабилизаторы участвуют в повседневной жизни человека в обеспечении равновесного расположения частей тела относительно друг друга вне силовой тренировки.
В любой момент движения, кости образуют механические рычаги, следуя за мышечными командами.
Биомеханика выделяет три вида биомеханических рычагов:
Рассмотрим виды рычагов более подробно:
Рычаг 1 рода
В биомеханике он называется «рычагом равновесия». Поскольку точка опоры расположена между двумя точками приложения силы, рычаг еще называют «двуплечим». Такой рычаг нам демонстрирует соединения позвоночника и черепной коробки. Если вращающий момент силы, действующей на затылочную часть черепа равен вращающему моменту силы тяжести, действующему на переднюю часть черепа, и они имеют одинаковое плечо рычага, достигается равновесие. Нам удобно, мы не замечаем разнонаправленного действия, и мышцы не напряжены.
Рычаг 2 рода
В биомеханике он подразделяется на два вида. Название и действие этого рычага зависят от места расположения приложения нагрузки, но у рычагов обоих видов точка приложения силы точка приложения сопротивления находятся по одну сторону от точки опоры, поэтому оба рычага являются «одноплечими». Рычаг силы образуется при условии, что длина плеча приложения силы мышц длиннее плеча приложения силы тяжести (сопротивления). В качестве наглядного примера можно продемонстрировать человеческую стопу. Осью вращения здесь являются головки плюсневых костей, пяточная кость служит точкой приложения силы, а тяжесть тела образует сопротивление в голеностопном суставе. Здесь имеет место выигрыш в силе, за счет боле длинного плеча приложения силы и проигрыш в скорости. Рычаг скорости имеет более короткое плечо приложения мышечной силы, чем плечо силы противодействия (силы тяжести). Примером может служить работа мышц сгибателей в локтевом суставе. Бицепс крепится вблизи точки вращения (локтевой сустав) и с таким коротким плечом необходима дополнительная сила мышце сгибателю. Здесь имеет место выигрыш в скорости и ходе движения, но проигрыш в силе. Можно заключить, что чем ближе от места опоры будет крепиться мышца, тем короче будет плечо рычага, и тем значительнее будет проигрыш в силе.
При соединении двух костных пар образуется биокинетическая пара, характер движения в которой определяется строением костного сочленения (сустава), работой мышц, сухожилий и связок. Подвижность в суставе может зависеть от многочисленных факторов: пола, возраста, генетического строения, состояния ЦНС.
Для того чтобы оптимально и правильно принять исходное положения для выполнения упражнений необходимо напрямую руководствоваться знанием законов рычагов первого и второго типов. Если мы изменим положение конечности или туловища, то в свою очередь определенным образом изменится длина плеча рычага конечности или туловища. В любом случае всегда исходное положение выбирается таким образом, чтобы начальный период тренировки сопровождался менее нагрузочными положениями конечностей и корпуса. В дальнейшем, в зависимости от состояния и формы тренирующегося, можно постепенно увеличивать длину плеча рычага, для усиления воздействия на определенную мышечную группу. Увеличение силы противодействия одновременно с удлинением плеча рычага в свою очередь еще больше акцентирует внимание на укрепление силы конкретной мышечной группы или одной мышцы.
Для осуществления технически грамотного движения в момент выполнения упражнения, необходимо и важно знать, в каком направлении работает сустав, соединяющий активную мышечную группу. Здесь нам необходимо опять обратиться к анатомическим плоскостям. Виды и описание осей и плоскостей даны в разделе кинезиологии. Виды и названия суставов вы можете найти в разделе анатомии. Опорно-двигательный аппарат человека представляет собой различные костные сочленения, соединенные друг с другом посредством суставов. Тело человека может свободно перемещаться в шести направлениях: вперед и назад, вправо и влево, вверх и вниз. Определенная классификация суставов позволяет движения в этих направлениях.
Суставы трехосные — это самые подвижные суставы, они свободно обеспечивают движение в трех направлениях. Примером служат: соединения черепа и позвоночника, межпозвонковых дисков, плечевые суставы, лучевой и тазобедренный. Подобные суставы имеют шарообразную форму. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной, корональной и трансверсальной плоскостях. В этих суставах тренирующийся имеет возможность выполнять все виды движений: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и отведение, медиальную и латеральную ротацию.
Суставы двухосные — обеспечивают движение в двух направлениях, менее подвижны. Они имеют форму эллипса или седла. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной и корональной плоскостях. Примером служат суставы пальцев рук, лучезапястный сустав. Здесь возможны сгибание и разгибание, приведение и отведение.
Суставы одноосные — обеспечивают однонаправленное движение. Они имеют форму цилиндров и блоков. Примером служат плече локтевой, лучевой, коленный, голеностопный суставы. Движения возможны в сагиттальной плоскости и это сгибания и разгибания. В лучевом суставе возможна ротация латеральная (супинация) и ротация медиальная (пронация).
Несмотря на то, что многие крупные мышцы рассматриваются в анатомии как единое целое, различные части и отделы больших мышц могут осуществлять неодинаковые движения. В сгибании плеча, например, принимает участие Deltoid Anterior, в отведении плеча Middle Deltoid, а в разгибании Deltoid Posterior. Данные знания являются основой для составления индивидуальной программы тренировок, которую инструктор или тренер готовит для тренирующегося. Это позволяет грамотно осуществить подбор необходимых упражнений для воздействия на конкретную мышцу или мышечную группу.
В зависимости от того, какое исходное положение принимает тренирующийся, выполнение определенного упражнения может усложняться или облегчаться. Поэтому общая эффективность тренировки также зависит от исходного положения в выполнении упражнения. В фитнесе мы применяем следующие исходные положения: положение лежа — самое простое и легкое, положение сидя — менее легкое и положение стоя — с малой площадью опоры и поэтому достаточно сложное для удержания равновесия.
Для сглаживания разбалансировки в положениях тела с неустойчивым равновесием используются упоры. Очень распространенным является упор лежа. Это закрытая кинематическая цепь, поскольку все части тела замкнуты. Устойчивость и равновесие имеют достаточно высокую степень, центр тяжести расположен низко, площадь опоры большая.
Для примера верхней опоры могут послужить висы. Висы тоже считаются достаточно устойчивыми. Тело человека испытывает силу растяжения под тяжестью собственного веса. Руки прямые и соприкасаются с опорой в фиксировано положении. Вис является силовым упражнением уже сам по себе. Подтягивания на перекладине являются сложным силовым упражнением, которое может выполнить только подготовленный спортсмен с сильно развитыми мышцами верхнего пояса и верхних конечностей. В таком положении любая двигательная активность является сложно выполнимой, поэтому можно использовать опору для ног.
Ходьба — повседневная двигательная активность человека. Это попеременное движение ног. Одна нога служит опорой в тот момент, когда другая находится в воздухе и движется вперед. Ноги поочередно сменяют друг друга, меняя последовательно опорную фазу на двигательную.
Бег — быстрые циклические шаги, требующие от опорно-двигательного аппарата достаточно больших энергозатрат, напряжения центральной нервной системы, хорошей физической формы. Измеряется длиной шага, скоростью бега и длительностью временного промежутка.
Приседания — выполняются мышцами нижних конечностей. Площадь опоры достаточно мала, равновесие не обладает достаточной устойчивостью. При опоре руками выполнение приседаний значительно облегчается. Чем приседания глубже, тем они тяжелее. Усложнение упражнений осуществляется за счет темпа и числа приседаний, возможно дополнительное отягощение на плечи.
Прыжки — это поочередные отталкивания тела от площади опоры. Главную работу выполняют мышцы нижних конечностей, мышцы туловища и рук участвуют в движении, обеспечивая вспомогательную функцию.
Биомеханика тела: что должен знать фитнес-тренер
Начинать фитнес-тренировки важно с опытным тренером, который имеет хорошую теоретическую подготовку по основам биомеханики. Он объяснит, как именно нужно двигаться, чтобы «выжать» максимум пользы из упражнения, сможет эффективно оценить движение и внесет необходимые коррективы для обеспечения максимального прогресса.
Почему же без тренера никак? Дело в том, что обычные движения человека являются эволюционными. Мы не задумываемся, как ходим, поднимаем руки и наклоняемся. Наш организм использует для этого силу тех мышц, что сильнее, и не задействуют те, что не нужны ему для выполнения этого движения. Никто ведь специально не напрягает пресс, чтобы поднять тяжелую вещь? Задача же фитнеса — сделать тело крепким и здоровым, обучить безопасному распределению нагрузки на мышцы.
Движение созданных человеком машин осуществляется благодаря всевозможным рычагам внутри конструкции. Так же и с нашим телом: внутри у него сотни различных рычагов, представленные костями разной формы, размера и плотности. Их изучал еще Леонардо да Винчи, представляя человеческое тело сложным механизмом.
Чтобы привести рычаг в действие, нужно воздействие двух сил:
Рычаг первого рода представлен рычагом равновесия. В нем есть точка опоры, а по разные стороны от нее прилагаются силы, которые могут уравновешивать друг друга. Самый наглядный пример рычага первого рода — позвоночный столб.
Спереди от него — грудная клетка, брюшная полость и органы, которые под действием силы тяжести стремятся вниз. Чтобы их поддерживать, по другую сторону позвоночника есть мышцы, которые сокращаются и создают противодействие. Благодаря их работе человек не падает вперед.
Рычаг второго рода, в свою очередь, делится на два вида: рычаг скорости и рычаг силы.
В рычаге скорости есть точка опоры. Движущая сила воздействует рядом с этой точкой опоры, а сила тяжести — дальше от нее, что позволяет значительно ускорить движение этого рычага. Эволюция большую часть человеческих рычагов реализовала именно с таким механизмом, чтобы сделать нас быстрыми и ловкими, способными убегать, нападать и защищаться. Но где есть плюс, есть и минус — чтобы задействовать рычаг скорости, нужно потратить много энергии.
В рычаге силы и сила воздействия, и сила тяжести тоже располагаются по одну сторону от точки опоры. Однако движущая сила воздействует дальше от точки опоры, а силы тяжести — ближе. На движение такого рычага нужно меньше энергии, но и скорость будет ниже.
«Что нам дают знания о принципах работы рычагов внутри человеческого тела?
Понимая особенности рычагов, вы сможете принять оптимальное исходное положение, точно выбрать вес отягощения, темп выполнения упражнения и получить максимальный эффект от тренировочного воздействия»
Упражнение: Многосуставное.
Суставы: Тазобедренный, коленный, голеностопный.
Воздействие: Ягодичные мышцы, мышцы задней, внутренней, передней поверхностей бедра, мышцы голени.
Упражнение: Односуставное.
Суставы: Коленный.
Воздействие: Четырехглавая мышца бедра.
Упражнение: Многосуставное
Суставы: Суставы ключицы, плечевой, локтевой
Воздействие: Трапециевидная, ромбовидные мышцы, широчайшая мышца спины, дельтовидная, трехглавая и двуглавая мышцы плеча.
Биомеханика. Начало
Представляем гостевой пост студентов Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).
Всем доброго времени суток! Мы студенты «ЛЭТИ» Овсепьян Артур (Artsearcher) и Квиндт Павел (Paul_Quindt). Всю нашу осознанную деятельность в университете мы посвятили работе с 3D моделями анатомических структур человеческого организма и их биомеханическому анализу под руководством профессора, доктора технических наук Бегуна Петра Иосифовича, доцента, кандидата технических наук Лебедевой Елены Александровны, ассистента, кандидата технических наук Пустозерова Евгения Анатольевича.
Для чего это нужно?
Во-первых, информация, получаемая классическими методами визуализации анатомических структур, такими как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и ангиография чаще всего используется частично и оценивается врачами качественно. В то же время процессы, фиксируемые этими методами, несут информацию, которая, в частности, связана с объяснением природы возникновения патологий структур человека.
По нашим представлениям, понять природу патологий по изображению вряд ли возможно. Но в совокупности с математическим моделированием эта задача реальная.
Во-вторых, биомеханическое моделирование нашло широкое применение в предоперационном планировании, реабилитации и планировании лучевой терапии. Современные методы визуализации и анализа дают возможность предварительно оценить исход операции.
Рассмотрим это на примере.
Перед нами стоит задача устранить патологическое сужение органа (сосуд, дыхательные пути, пищевод) с помощью раздуваемого баллона (баллонная ангиопластика). Неплохо было бы знать, насколько раздувать баллон. Этот процесс можно смоделировать и выявить оптимальные значения давления в баллоне, при которых не произойдет разрыв структур органа либо ремиссия. Данный вопрос является частью предоперационного планирования, который особенно актуален при патологиях сердечных клапанов.
Но, казалось бы, смоделировали ситуацию, получили значения и всё, применяем методику. Нет, индивидуальное строение структур пациента требует индивидуальный подход к моделированию.
К сожалению, предшествующие математическому анализу шаги, да и сам анализ лежат за пределами знаний большинства врачей, а медицинские знания недоступны специалистам, владеющим математическим аппаратом. Тут-то на сцену выходим мы [фанфары]. Конечно, мы не претендуем на звание асов в двух этих сферах, но точками соприкосновения назваться можем.
Этапы биомеханического анализа
В принципе, если не учитывать постановку глобальной задачи, то биомеханический анализ можно разделить на три этапа:
Теперь о граничных условиях. Математические вычисления мы производим в CAE-пакетах (Computer aided engineering) Abaqus, Ansys, Nastran, Cosmos, LS-dyna и прочих, в зависимости от типа задачи. Все эти пакеты основаны на конечно-элементных решателях, которые предназначены для решения краевой задачи (она же граничная) для систем дифференциальных уравнений. Введение граничных условий необходимо для нахождения единственного решения на границе рассматриваемой области.
Эту статью мы решили посвятить первому этапу биомеханического анализа – созданию модели анатомической структуры человека, как биологического объекта.
Моделирование
Для начала, нам следует ознакомиться с основными способами создания 3D моделей анатомических структур.
Начнем с основ. У большинства людей, при упоминании слов «построение» и «3D модель» в голове сразу возникает такая последовательность действий:
Во-первых – недоступность. Чаще всего, мы не можем своими глазами увидеть нужный нам орган. Геометрические параметры и механические свойства тканей приходится изучать путем всякого рода визуализации, или с помощью препарирования.
Во-вторых, геометрия исследуемых объектов, чаще всего, очень сложна, из-за чего приходится вводить упрощения в построении, а это ведет к уменьшению достоверности исследования.
В-третьих – время. Применение такого способа для создания моделей анатомических структур требует больших затрат сил и времени, в связи с индивидуальностью каждого объекта исследования.
На рисунках ниже 3D модели внутренних органов человека: сосуды виллизиева круга и аортальный клапан (а – вид спереди, б – вид сверху в разрезе), построенные нами и нашими коллегами вручную, применяя различные САПР (чаще всего SolidWorks). Как видите, они не являются достаточно естественными, хоть мы и старались учесть максимум аспектов.
А ведь это ещё далеко не самые сложные структуры человеческого организма. Если, к примеру, вы захотите исследовать целый орган, например, почку или печень, боимся даже представить, сколько времени у вас займет подобное построение, с учетом всех особенностей органа. И мы не уверены, что на выходе у вас получится достаточно достоверная модель, результаты исследования которой, могут быть применимы к реальным объектам.
Всё плохо?
Нет! Существует альтернативный способ построения моделей – реконструкция по КТ. Вообще, КТ представляет собой распределение рентгеновской плотности (Шкала Хаунсфилда) и чем тканиевая структура плотнее, тем соответствующая ей зона на КТ ярче.
Томографы позволяют получить изображения в формате DICOM (срезы) с каким-то шагом (чем томограф современнее, тем шаг меньше), а это в свою очередь дает возможность реконструировать полигональную модель. Реконструкция полигональной модели практически всегда реализуется посредством алгоритма марширующих кубов. Так сложилось, что полигональные модели для удобства конвертируют в STL-файл. Чтобы это сделать, необходимо триангулировать полигональную модель.
Существует программное обеспечение для этих нужд, и самое известное – Mimics Materialise. Это линейка продуктов, в которых реализовано множество инструментов для сегментации, генерации трехмерных моделей с конвертацией в STL-файл и даже предоперационного планирования.
Но у нас с этим ПО не сложилось. Причина сугубо субъективная – неудобный инструментарий для сегментации в режиме 3D.
Выход из ситуации
Так как мы не медики и нам проще ориентироваться по 3D моделям, то для нас лучше как можно быстрее перейти от снимков КТ к 3D визуализации.
Перед нами стояла задача: исследовать газодинамику верхних дыхательных путей. Для этого требовалось найти базу снимков КТ, реконструировать и сегментировать зону интереса, сгенерировать STL-файл и импортировать его в CAE-пакет.
С первым и последним всё понятно: за снимками к медикам, за анализом к Abaqus, а вот с решением вопросов по сегментации и качественной триангуляции пришлось повозиться.
Для подобного рода операций существуют специальные программы – DICOM-Viewer’ы. Мы обращались к различным решениям, но все они, по той или иной причине, не удовлетворяли нашим запросам.
И тут, в процессе поиска, мы наткнулись на статью Dicom – взгляд изнутри. Статья посвящена продукту Inobitec DICOM-Viewer российской компании ИНОБИТЕК, и было принято решение остановиться на нем. Этот Просмотрщик полностью подошел под заявленные выше цели. По нашему субъективному мнению, данный Viewer дает на выходе лучшее качество модели и сетки, которое нам доводилось видеть. К тому же он предоставляется на русском языке.
Ниже иллюстрируется пример модели передней брюшной стенки, полученной при помощи Inobitec DICOM-Viewer’а.
Однако, в редких случаях, STL-файл не сразу пригоден к импорту после его генерации, тогда мы корректируем сетку в ПО MeshLab и дальше конвертируем STL-файл в STEP-файл. Файлы этого формата пригодны для чтения почти всеми CAE-пакетами.
От теории к практике
Вкратце покажем решение одной из задач с верхними дыхательными путями. Допустим, пациент с синдромом обструктивного апноэ сна. За счет снижения общего тонуса верхних дыхательных путей, происходит так называемое спадение дыхательной трассы (уменьшение исходного диаметра дыхательных путей). При запущенной форме апноэ есть вероятность, что при вдохе произойдет коллапс (полное спадение) верхних дыхательных путей и легочная вентиляция прекратится, при этом попытки сделать вдох будут продолжаться, из-за чего человек не сможет дышать какой-то промежуток времени.
Нам необходимо сымитировать и исследовать условия схлопывания.
Начнем с создания 3D модели. В данной статье мы рассмотрим два пути сегментации из представленных в Inobitec DICOM-Viewer’е:
На рисунках ниже проиллюстрирован принцип с послойным выделением зоны интереса, как в Mimics Materialise. В режиме мультипланарной реконструкции мы устанавливаем порог для интенсивности, тем самым срезая большинство не интересующих нас структур.
Далее, мы принимаемся за ручную сегментацию. На рисунке ниже мы иллюстрируем сегментацию на фронтальной плоскости с помощью инструмента «наращивание». Параметры для этого инструмента включают в себя изменение площади и шага сегментации. На сагиттальной и аксиальной плоскостях видны сегментированные слои, соответствующие выделенной структуре на фронтальной плоскости.
В конечном итоге, мы получаем новый набор срезов КТ с сегментированной структурой и только. Подход к сегментации с этой стороны оставляет желать лучшего, так как приходится тратить кучу времени.
А вот сегментация по трехмерной модели – дело другое. Как минимум, нам гораздо проще ориентироваться по ней. Без преувеличения, мы в разы экономим свое время. Если в первом случае мы устанавливаем один порог интенсивности и в ручную выделяем зону интереса, то в случае с 3D сегментацией мы изменяем передаточную характеристику визуализации 3D изображения и дальше вручную удаляем ненужные сегменты.
На следующем рисунке слева изображен сегмент дыхательных путей, включая носовую и ротовую часть глотки, надгортанник, вход в гортань и часть трахеи. На наш взгляд, количество артефактов сегментации в полученных STL-файлах минимально. Но самое главное – качество сетки. Мы считаем, в Inobitec DICOM-Viewer’e реализован отличный алгоритм триангуляции.
Собственно, модель получили. Что дальше?
По сути, перед нами связная задача – за счет отрицательного давления, создаваемого в легких на вдохе, просвет дыхательной трассы сужается. Мы решаем такие задачи в CAE-пакете Abaqus, но в принципе, их можно и в других, где есть FSI (Fluid–structure interaction). Демонстрации ради, мы попробуем смоделировать первые 0,3 секунды вдоха, чтобы проследить сужение просвета дыхательных путей. На вход модели (со стороны легких) прикладываем отрицательное давление, на выход – значение скорости, равное нулю. Чтобы сэкономить время, мы упростили модель, убрав часть носовой полости, и введя большой ряд допущений (изотропность, фиксация только входной и выходной граней, отсутствие преднапряженных состояний, постоянное значение давления), однако это не полностью исказит действительность.
Результаты анализа
Итак, на рисунке ниже изображена картина пространственных перемещений поверхности дыхательной трассы и их скорость в момент времени 0,25 секунды. Поток, создаваемый отрицательным давлением «стягивает» стенки дыхательной трассы внутри.
На следующих рисунках представлены эпюры потока воздуха практически вначале фазы вдоха и к 0,3 секунде вдоха. По логике вещей, чем меньше сечение, тем быстрее поток, следовательно, и вероятность коллапса в этом участке больше. Но моделирование первых 0,3 секунд вдоха показало, что в зоне 2 скорость потока меньше, чем в зоне 1, несмотря на диаметр сечения дыхательной трассы. В будущем мы планируем исследовать полный дыхательный цикл.
Заключение
В этой статье мы не претендуем на адекватность в постановке задачи. Мы в первую очередь хотим познакомить вас с деятельностью, которой занимаемся каждый день, и методикой, которую мы используем для создания трехмерных моделей. А также, донести, что если грамотно подходить к постановке и решению задачи, эта деятельность переходит в серьезную науку, связывающую врачей и инженеров, отчасти проливая свет на великое разнообразие процессов внутри нас.
Может кто-то откроет для себя новое интересное направление, найдет креативное применение нашим знаниям в других сферах науки и производства, а кто-то просто с интересом прочитает нашу работу.
Если такое произойдет, мы с удовольствием будем открывать для вас новые возможности биомеханики в следующих статьях.