Численный анализ работы толстого кишечника

Численный анализ работы толстого кишечника

,

Саратовский государственный университет им.

E-mail: *****@***ru

В настоящее время операции на желудочно-кишечном тракте широко распространены, и проблема восстановления целостности кишечника является актуальной, так как до сих пор нет единого мнения о выборе той или иной техники кишечного анастомоза.

Моделирование операции на кишечнике позволит наиболее безопасно для пациента выработать необходимую методику хирургического лечения, а так же снизить риски во время и после его проведения. Однако прежде чем приступить к моделированию кишечного анастомоза, необходимо изучить биомеханические свойства тканей и физиологические процессы стенки толстой кишки.

Был проведен эксперимент по растяжению семи образцов тканей толстой кишки в продольном и поперечном направлениях, а так же шести образцов тканей тений, четыре из которых были изъяты с сопутствующими слоями.

В результате эксперимента были получены диаграммы растяжения (рис.1, 2), определены модули Юнга (табл. 1), а также пределы прочности тканей толстой кишки и тений в различных направлениях.

Рисунок 1. Диаграмма растяжений тканей прямой кишки в поперечном направлении

Рисунок 2. Диаграмма растяжений тканей тений

Таблица 1. Модуль Юнга тканей, МПа

Образец ткани толстой кишки	1	2	3	4	5	6	7	Среднее значение, МПа
В продольном направлении	0.1	0.14	0.6	0.4	0.32	0.2	0.48	0.32
В поперечном направлении	0.4	0.4	0.2	0.4	0.26	0.4	0.4	0.35
Тения с включениями				0.5	0.6	0.2	0.3	0.8
Тения					0.3		0.4	0.35

Исследования показали, что модуль Юнга образцов тканей тений с включениями больше, чем данный показатель у образцов тканей толстой кишки, взятых в продольном и поперечном направлении. При моделировании перистальтики стенки толстой кишки результаты исследования необходимо учитывать.

Были построены трехмерные модели толстой кишки в программном комплексе SolidWorks: трехмерная модель, при построении которой были учтены анатомические особенности, и упрощенная модель (рис.3а, 3б).

а) усложненная	б) упрощенная

Рисунок 3. Модели толстой кишки

Вычислительный эксперимент был проведен в программном комплексе Ansys. Для отладки методики конечно-элементного моделирования перистальтики толстой кишки был проведен анализ с упрощенной моделью, чтобы затем применить все те же нагрузки к усложненной модели. Внешняя поверхности импортированной модели была поделена на области. К каждой из них было приложено давление 7000 Па (данное давление соответствует средней амплитуде наиболее частых сокращений толстой кишки за сутки[5]) (рис.4).

Рисунок 4. Трубка, поделенная на области

Материал стенки толстой кишки предполагался линейным, однородным, изотропным и идеально-упругим с механическими характеристиками E = 3.3·105 Па (модуль Юнга), ν = 0.4 (коэффициент Пуассона) и = 1378 кг/м3 (плотность)[4].

В результате решенной задачи были получены следующие картины напряженно-деформированного состояния стенки толстой кишки, что позволило наглядно увидеть физиологические процессы, происходящие в заданной биологической системе (рис.5, 6).

Рисунок 5. Поле перемещений стенки толстой кишки

Рисунок 6. Эквивалентные напряжения стенки толстой кишки

Результаты данной работы в дальнейшем будут применимы для конечно-элементного моделирования перистальтики усложненной модели толстой кишки, учитывающей ее анатомические особенности, и для моделирования кишечного анастомоза.

Библиографический список

1.  Marino J. Context Preserving Maps of Tubular Structures / J. Marino, W. Zeng, X. Gu, A. Kaufman // IEEE TRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS,, P.197-203.

2.  Wienbeck M. Methods of studying gastro-intestinal motility: large intestine / M. Wienbeck // Medizinische Klinik 3, Zentralklinikum, D-86156 Augsburg, Germany, P.15-23.

3.  Синельников, анатомии человека / , . М.: Мед. лит., 2 19с.

4.  Городков анастомозы тонкой кишки у новорожденных: Диссертация. —Саратов, 2007.

5.  http://www. *****/tryphonov2/terms2/mfcln. htm. Двигательная активность толстой кишки. Обращение к ресурсу 20.08.2013.

Сведения об авторах

·  Менишова Лияна Рифатьевна – аспирант кафедры МТУиБМ, г

·  – к. ф.-м. н., доцент, директор ОНИ наноструктур и биосистем,

Вид доклада: стендовый