Решение задач комплексного математического моделирования биомеханических свойств и поведения роговицы при внешних воздействиях в ходе диагностики и хирургического лечения прогрессирующих кератэктазий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-21-20085

НазваниеРешение задач комплексного математического моделирования биомеханических свойств и поведения роговицы при внешних воздействиях в ходе диагностики и хирургического лечения прогрессирующих кератэктазий

Руководитель Захаров Игорь Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" , Волгоградская обл

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-316 - Методы математического моделирования, оценивания и управления механическими и биомеханическими системами

Ключевые слова математическое моделирование, биомеханика, роговица, кератоконус, кросслинкинг, метод конечных элементов, Pentacam, Corvis.

Код ГРНТИ30.51.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью работы является построение и экспериментальная верификация комплекса математических моделей для многоуровневого компьютерного моделирования томографических параметров, биомеханических свойств, напряженно-деформированного состояния и поведения роговицы при внешних силовых и энергетических воздействиях в ходе диагностики, выбора методики и прогнозирования хирургического лечения пациентов на разных стадиях кератэктазии. Практическая ценность работы состоит в приложении полученных результатов при выработке процедуры лечении пациентов с диагностированным кератоконусом роговицы. В проекте впервые на основе математического моделирования в едином комплексе решается ряд оригинальных задач биомеханики роговицы, предназначенных для диагностики текущего состояния пациента, выбора методики и режимов хирургического воздействия, а также описания различных вариантов прогноза эффективности лечения или возможного развития заболевания. На первом этапе выстраивается геометрическая модель роговицы в виде пространственного сегмента выпуклой тонкостенной оболочки с переменной толщиной стенки и произвольной формой внешней (передней) и внутренней (задней) поверхностей, задаваемых путем интерполяции экспериментальных данных (карт высот), полученных из томографического исследования роговицы конкретного пациента с помощью кератотопографа Pentacam HR. Материал оболочки, моделирующей роговицу, считается однородным, изотропным и нелинейно-упругим, коэффициенты жесткости которого устанавливаются на основе экспериментальных данных, описанных в литературе, и уточняются из сопоставления результатов численного моделирования параметров деформации роговицы при воздействии воздушного импульса и их натурного определения на бесконтактном тонометре Corvis ST. Для описания действия воздушного потока при тонометрии на внешней поверхности модельной оболочки задается распределенная импульсная нагрузка, параметры которой соответствуют параметрам воздушного импульса используемого прибора. При наличии эктатического процесса в окрестности соответствующей зоны роговицы в модели вводятся локальные области со снижающимися (от периферии к центру) коэффициентами жесткости материала. Размеры, форма, положение, количество таких областей и характер снижения жесткости внутри них устанавливаются из решения серии обратных задач по минимизации разницы между результатами моделирования и экспериментального измерения кератотопометрических и деформационных параметров в характерных точках роговицы. Для моделирования процедуры кросслинкинга в стенке оболочки вводится дополнительная зона (кругового или кольцевого профиля) с повышенными коэффициентами жесткости. Изменение характеристик жесткости материала по глубине и радиусу данной зоны задается в соответствии с экспериментальными данными о распределении фотосенсибилизирующего вещества при его диффузии в роговице и плотности потока ультрафиолетового излучения заданной мощности. По результатам моделирования устанавливаются и исследуются закономерности изменения основных расчетных топографических, томографических и биомеханических показателей роговицы, а также параметров напряженно-деформированного состояния в ее характерных точках в зависимости от исходного состояния пациента и режимов лечения. Разработка и использование таких моделирующих комплексов позволяет не только существенно дополнить сложные, дорогостоящие экспериментально-клинические испытания, но и расширить возможности изучения ряда физиологических процессов, недоступных для наблюдения in vivo (а часто и in vitro) с использованием существующих технических средств, а также применять компьютерные модели в качестве виртуального тренажера в учебном процессе или при отработке различных стратегий лечения заболевания. Проект выполняется совместно специалистами Волгоградского государственного технического университета в области математического моделирования и механики процессов поверхностного упрочнения материалов высокоэнергетическими воздействиями и практикующими медиками офтальмологами клиники Волгоградского филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Фёдорова», специализирующимися в области коррекции аномалий рефракции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н., Багмутов В.П., Фокин В.П., Балалин С.В., Лобанов Е.В., Лэ В.Х. Разработка комплекса математических моделей биомеханических параметров роговицы с диагностированным кератоконусом до и после лечения кросслинкингом роговичного коллагена Российский журнал биомеханики, 2022, № 3, С. 10-28. (год публикации - 2022)
10.15593/RZhBiomeh/2022.3.01

2. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Фокин В.П., Балалин С.В., Лобанов Е.В., Захаров И.Н., Лэ В.Х. Analysis of the results of modified personalized topographically and tomographically oriented technique of ultraviolet corneal collagen crosslinking Вестник офтальмологии, vol. 139, №3, pp. 5-14 (год публикации - 2023)
10.17116/oftalma20231390315

3. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н., Лэ В.Х., Фокин В.П., Балалин С.В., Лобанов Е.В. Идентификация параметров модели роговицы с кератоконусом при численно-экспериментальном исследовании ее геометрии и механического поведения Российский журнал биомеханики, Т. 27, № 3 C. 67-80 (год публикации - 2023)
10.15593/RZhBiomech/2023.3.05

4. Захаров И.Н., Лэ В.Х., Баринов В.В. Некоторые обратные задачи по определению биомеханических свойств роговицы глаза при конечно-элементном моделировании патологий типа кератоконуса Краевые задачи и математическое моделирование, Год издания: 2023 Страницы: 38-44 (год публикации - 2023)

5. Захаров И.Н., Солодкова Е.Г., Лэ В.Х., Баринов В.В. Компьютерное моделирование механического поведения роговицы с кератоконусом в ходе диагностики и лечения Тезисы докладов XVII Всероссийской школы "Математическое моделирование и биомеханика в современном университете", С. 41. (год публикации - 2023)

6. Лэ В.Х., Захаров И.Н., Солодкова Е.Г. Применение полиномов цернике при построении геометрически персонализированных компьютерных моделей роговицы с кератоконусом Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2023: Сборник статей Всероссийской школы-семинара, C.152-155 (год публикации - 2023)

7. Захаров И.Н., Солодкова Е.Г., Лэ В.Х. Прямые и обратные задачи биомеханики роговицы с кератоконусом при компьютерном моделировании ее механического поведения при диагностике и лечении Материалы XXIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2023), С. 489-491 (год публикации - 2023)

8. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н., Лэ В.Х., Балалин С.В., Лобанов Е.В., Балалин А.С. Analysis of Corneal Biomechanical Properties in Different Keratotopographic Patterns of Keratoconus Journal of Current Ophthalmology, 2023, vol.35(3), p 249-258 (год публикации - 2023)
10.4103/joco.joco_83_23

9. Солодкова Е.Г., Малюгин Б.Э., Захаров И.Н., Фокин В.П., Балалин С.В., Лобанов Е.В., Сиволобов В.А., Лэ В.Х. Опыт применения математического моделирования в лечении прогрессирующего кератоконуса Офтальмохирургия, № 3, 2024 (год публикации - 2024)

10. Захаров И.Н., Багмутов В.П., Солодкова Е.Г., Лэ В.Х. Конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния роговицы с кератоконусом при внешних воздействиях в ходе диагностики и лечения Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в металлургии и машиностроении, материалы VI Дальневосточной конференции с международным участием, Комсомольск-на-Амуре, 5-7 октября 2022 г., С. 89-90 (год публикации - 2022)

11. Захаров И.Н., Багмутов В.П., Солодкова Е.Г., Лэ В.Х. Компьютерное моделирование механического поведения роговицы при коррекции кератоконуса внедрением гибкого импланта Современные проблемы механики сплошной среды: тезисы докладов XXI Международной конференции, С. 45 (год публикации - 2023)

Публикации