| Аннотация |
Планирование операций в кардио- и эндоваскулярной хирургии, травматологии и ортопедии, нейрохирургии, разработка тканеинженерных конструктов требуют знания механических свойств биоматериала, которые можно получить только в условиях натурного эксперимента. Поэтому механический эксперимент формирует фундамент систем поддержки принятия врачебных решений, невозможных без адекватных математических моделей вовлеченных процессов.
При описании поведения биоматериалов в условиях in vivo необходимо учитывать их все возможные моды их деформации (например, сдвиговые, растягивающие и изгибные), а также материальную и геометрическую нелинейность в условиях сложного нагружения и их анизотропию, гетерогенность, вязкоупругие свойства. Кроме того, поскольку биоматериалы характеризуются хрупкостью, деградацией, обезвоживанием и часто имеют малые размеры, натурный механический эксперимент требует быстрой и в то же время деликатной работы с образцами, специфичного оснащения, использования различных типов эксперимента (раздувание, растяжение, сдвиг, индентирование и пр.) и экспериментальных протоколов.
Математические технологии позволяют проводить предварительные виртуальные эксперименты для стандартизации и повышения эффективности натурного исследования, что повышает шансы на проведение удачного эксперимента за счет получения репрезентативных данных и снижения затрат на его проведение за счет обоснованного расхода материалов и изготовления оснащения.
Цель и задачи проекта.
Цель проекта – методология и инструментарий оптимального планирования натурных биомеханических экспериментов с использованием математического моделирования. Достижение цели позволит обосновано масштабировать оснащение для проведения эксперимента, определить условия натурного эксперимента для идентификации параметров математической модели биоматериала или нефеноменологического создания его математической модели. Это позволит воспроизводить поведение биоматериала in vivo и на бенчмарках. Для достижения поставленной цели планируется решить ряд задач:
- определение критериев корректного натурного биомеханического эксперимента и оснащения для его проведения, при которых: достигается однородность поля напряжений в исследуемой области, минимизируется размер образца, избегается незапланированное разрушение образца;
- создание программной инфраструктуры на базе открытого конечно-элементного кода решения задач нелинейной теории упругости, которая включает инструментарий для постановки виртуального эксперимента;
- определение оптимальной формы образца, позволяющей идентифицировать параметры модели, предсказывающей напряженно-деформированное состояние других геометрий образца при аналогичном типе эксперимента (под типом подразумевается мода деформации);
- определение критериев корректного натурного биомеханического эксперимента и оснащения для его проведения, при которых достигается неоднородные поля деформаций в исследуемой области, для построения data-driven определяющих соотношений.
|
