Развој методе за одређивање геометријских модела a...

Развој методе за одређивање геометријских Развој методе за одређивање геометријских модела модела aaнатомски прилагођених имплантатанатомски прилагођених имплантата

Милорад Митковић, Мирослав Трајановић, Милорад Митковић, Мирослав Трајановић, Милош Стојковић, Александар РајићМилош Стојковић, Александар Рајић

Преглед стања истраживања у свету и СрбијиПреглед стања истраживања у свету и Србији

Александар РајићАлександар Рајић

Примена CAD технологија у инжињерском пројектовању и моделирању, анализама и производњи је већ постала традиција. У овом истраживању су описани различити приступи генерисања CAD модела имплантата на бази неинвазивних снимака високе резолуције, који се обрађују и реконструишу 3Д техникама. Представљена је примена различитих софтвера у 3Д реконструкцији и развоју медицинског моделирања. Кроз три студије случаја дат је приказ најновијих трендова у области развоја методе за одређивање геометријских модела анатомски прилагођених имплантата костију и зглобова.

УВОДУВОД

Студија случаја 1.Студија случаја 1.Schmutz, Beat and Reynolds, Karen J. and Slavotinek, John P. (2006)

DEVELOPMENT AND VALIDATION OF A GENERIC 3D MODEL OF THE DISTAL

FEMUR (Развој и вредновање генеричког 3Д модела дисталног фемура)

Формирање геометријског модела кости Формирање геометријског модела кости захтева следеће кораке:захтева следеће кораке: 1.1. AAквизицију CT података квизицију CT података 3Д морфологије кости применом стандардне 3Д морфологије кости применом стандардне

компјутерске томографије компјутерске томографије CT CT скенером;скенером;

2.2. ППоравнање 3Д модела реконструисаних на бази CT података у оравнање 3Д модела реконструисаних на бази CT података у односу на референти координатни систем;односу на референти координатни систем;

3.3. ППресецање модела рачунарском графиком;ресецање модела рачунарском графиком;

4.4. Екстракцију контуре кости из пресечних приказа;Екстракцију контуре кости из пресечних приказа;

5.5. Комбиновање и интерполацију пресечних контура;Комбиновање и интерполацију пресечних контура;

6.6. 3Д реконструкцију интерполираних контура;3Д реконструкцију интерполираних контура;

7.7. Вредновање генеричког модела.Вредновање генеричког модела.

СТУДИЈЕ СЛУЧАЈАСТУДИЈЕ СЛУЧАЈА

Сл. 1.1 Круг (визуелно) поравнат са профилом

condyle-acondyle-a Сл. 1.2 Модел фемура поравнат са координатним

системом

Сл. 1.3. Комбиновање контура поравнатих модела (лево)

Контуре поравнате са средином њихових центроида (средња

контура је приказана подебљано) (десно)

Сл. 1.4. Поглед спреда (лево) и страга (десно) седам фемура поравнатих,

скалираних и другачије обојених

РезултатиРезултати

Сл. 1.5 Поглед спреда (лево) и страга (десно) фемура генерисаног из средњих контура седам фемура

Генерички модел који је развијен из података са седам фемура дат је сл. 1.5.

Stephen D. Fening (2003)THE CREATION OF SOLID MODELS OF THE HUMAN KNEE FROM MAGNETIC RESONANCE IMAGES (Формирање солид модела људског колена помоћу MRI)

У овој студији развијен је метод за конструкцију солид модела колена, заснован на подацима добијених магнетном резонанцом.

Да би се формирао солид модел подаци добијени применом MRI (Magnetic Resonance Images) конвертују се у облак тачака са одговарајућим бројем тачака у сваком пресеку;

Затим се од тих тачака формирају контурне криве b-spline (у даљем тексту б-сплајн);

На крају се ове б-сплајн криве спајају командом loft у солид модел;

Установљен је метод за компарацију солид модела добијеног на овај начин (командом loft) и солид модела добијеног параметарским приступом. Ова метода компарације заснива се на компарацији модела на бази запремине и облика.

Студија случаја 2.Студија случаја 2.

Алати за формирање солид моделаАлати за формирање солид модела

У овом истраживању примењени су следећи софтвери:

Optimus је софтвер за обраду слика на Windows платформи који је примењен за формирање података о тачкама са MRI.

Unigraphics je софтвер за 3Д моделирање.

Microsoft Excel je употребљен за интерполацију тачака добијених са софтвера Optimus.

Solid Edge је кориснички оријентисан програм за солид моделовање. Solid Edge 10 је примењен за Boolean операције одузимања и за приказ солид модела.

Формирање солид моделаФормирање солид модела

У истраживању су формирани солид модели дисталног фемура и тибијалне плоче. Солид модел формиран је на бази MRI пресека у А-П равни. Формирање солид модела изведено је у пет фаза:

1.1. Селекција тачака са Селекција тачака са MRI MRI података;података;

2.2. Примена Примена Excel-aExcel-a у интерполацији тачака; у интерполацији тачака;

3.3. Конвертовање у облак тачака;Конвертовање у облак тачака;

4.4. Конструкција сплајнова из тачака;Конструкција сплајнова из тачака;

5.5. Примена команде Примена команде loftloft у формирању сплајнова. у формирању сплајнова.

Сл. 2.2 Увоз тачака у Uniдraphics

Сл. 2.1 Селекција тачака по обиму кости

Сл. 2.4 Изглед солид модела након примене команде loft

Сл. 2.3 Формирање сплајнова у Uniдraphics-у

Примена Примена Rapid Prototypinд-aRapid Prototypinд-aБрзи прототип дисталног краја фемура и тибијалне плоче формирани су применом Rapid Prototyping уређаја Dimension. Конвертовање у STL формат изведено је у Solid Edge-у, да би се затим STL фајл учитао у Catalyst програму Rapid Prototyping уређаја. За израду солид модела утрошено је приближно 8 часова.

Сл. 2.5 Rapid Prototypinд модел колена

РезултатиРезултати

У овом истраживању изведена су три покушаја конструкције дисталног завршетка фемура. У првом је примењенo 9 MRI пресека. У другом покушају примењено је 18 пресека са међурастојањем од по 4.5 мм. Завршни солид модел у ствари представља оптимизацију модела из оба покушаја.

Сл. 2.6 Солид модел дисталног фемура

Поређење са приступом параметарског моделовањаПоређење са приступом параметарског моделовања

У студији случаја примењена су два приступа параметарског моделирања. Оба користе 6 пресека у хоризонталној равни за општи модел. У сваком пресеку бира се између 4 и 11 тачака.

Први параметарски приступ моделирању користи 3 параметра за цео MRI колена: Максимална ширина дисталног краја фемура (медиолатерални правац) Максимална ширина на средишњем пресеку дисталног краја фемура (медиолатерални правац) Максимална дужина (антериорни правац)

Други параметарски приступ моделирању користи укупно 12 параметара.Основни параметри су: Максимална ширина (медиолатерални правац) Максимална дужина (антериорни правац)Ова два основна параметра бирају се за сваки од 6 пресека што укупно износи 12 параметара.

Поређење запреминеПоређење запремине

Поређење запремине је брз и једноставан начин провере компатибилности објеката. Запремина се може одредити провером физичких карактеристика објекта.

Поређење обликаПоређење облика

Техника поређења која је овде примењена заснива се на одузимању (subtraction). Од првог објекта одузима се други и обрнуто, при чему остају делови који се не поклапају.

Сл. 2.7 Подручје непоклапања у поређењу облика

B. Starly (2006)

BIO-CAD MODELING AND ITS APPLICATIONS IN COMPUTER-AIDED TISSUE ENGINEERING (Био-CAD моделирање и примена у рачунарски подржаном инжењерингу ткива)

Примена рачунаром подржаних технологија у истраживањима и развоју у инжењерингу ткива, довела је до развоја новог подручја Computer-Aided Tissue Engineering (CATE).

Специфичност представља примену CAD, CT и MRI, CAM и RP у области био-моделирања, био-физичке анализе и симулације, као и пројектовању и производњи имплантата (ткива, костију, зглобова и органа).

Рачунарски подржан инжењеринг ткива обухвата три подручја:Рачунарски подржан инжењеринг ткива обухвата три подручја:

1.1. Рачунарски подржано био-моделирање и моделирање ткиваРачунарски подржано био-моделирање и моделирање ткива

2.2. Информатика ткива и биомиметичко моделовање Информатика ткива и биомиметичко моделовање

3.3. Био-производња за регенерацију ткива и органаБио-производња за регенерацију ткива и органа

Студија случаја 3.Студија случаја 3.

Техника Био-Техника Био-CADCAD моделирања моделирања

Технику Био-CAD моделирања чине три главна корака:

Неинвазивна аквизиција података Обрада података и 3Д реконструкција у voxel приказ Конструкција CAD модела

Конструкција CAD модела

У истраживању су развијена и упоређена три различита процеса генерисање CAD модела из података са медицинског снимка:

1. Приступ МedCAD интерфејсом 2. Приступ интерфејсом реверзибилног инжињерства3. Приступ конвертовања модела STL триангулацијом

Поређење и анализа ова три процеса изведена је за случај фемура. Дијаграм на којем су приказани ови приступи дат је на слици 3.1.

CT/MRI приказ

2Д сегментација

Пораст 3Д региона

Интерфејс реверзибилног инжењерства

Триуангулациони модел

Подаци о тачкама

Поравнање NURBS сегмената са површином модела

Обрада површина и прочишћавање

Конверзија у CAD формат из IGES, STEP

Пројектовање имплантата и протеза

CAD МОДЕЛ

Медицинскипрототипови из STL

Прочишћавање изаобљавање површина

Пораванање Б сплајнповршина и/или примитива

Поравнање Б сплајнована полилинијама

Поравнање контурнихполилинија модела

MedCAD интерфејсSTL триангулациони

модел

Директна израдапрототипова и имплантата

FEA анализа модела

Сл. 3.1 Дефиниција процеса добијања CAD модела из CT/MRI података

Сл. 3.2 Конструкција CAD модела применом MedCAD интерфејса

Полилинијска контураза означавање региона

Пораст полилинијасегментацијом

Б-сплајн површи и примитиви (сфера)

Сл. 3.3 Конверзија voxel у STL модел применом STL интерфејса

Обрада тачака

Чишћење површина

Формирање мреже

NURBS поравнање (CAD)

Површински модел

Триангулација

Сл. 3.4 Конструкција CAD модела реверзибилним инжињерством

Процес Квалитет Поређење величине фајла Укупно

MedCAD интерфејс

Једноставност брзина, непогодан за сложене моделе

Величина фајла је мала једино IGES конверзијом

IGES: 266KB

CAD (Pro-E): 309KB

Оскудно

Интерфејс реверзибилног инжињерства

Дужи процес али погодан за сложене облике са могућношћу контроле на свом нивоима

Почетна величина фајла није велика али завршна величина CAD модела јесте.

Тачке: 256KB (7732 тачке)

IGES:266KB (102 NURBS segmenаta)

CAD (Pro-E): 298KB

Најбоље

STL интерфејс Брз метод добијања CAD модела. Модел није функционалан ако поседује грешке на триангулисаним површинама

Почетна величина STL фајла још више се повећава у завршном CAD моделу.

STL: 1.82МB

IGES: 9.83МB (2316 NURBS segmenаta)

CAD (Pro-E): 10.3МB

Средње

Табела 3.1 Поређење различитих приступа у конструкцији CAD модела

Најновији светски трендови указују да методологија за одређивање Најновији светски трендови указују да методологија за одређивање геометријских модела геометријских модела aaнатомски прилагођених имплантата укључује натомски прилагођених имплантата укључује следеће кораке:следеће кораке:

Идентификацију најбољег метода снимања;Идентификацију најбољег метода снимања;

Селекцију погодног алгоритма за 3Д реконструкцију Селекцију погодног алгоритма за 3Д реконструкцију површина;површина;

Пројектовање генеричког модела имплантата;Пројектовање генеричког модела имплантата;

Примену симулационих техника у циљу доказивања Примену симулационих техника у циљу доказивања функционалности пројектованог имплантата;функционалности пројектованог имплантата;

Производњу на Производњу на Rapid PrototypingRapid Prototyping/М/Мanufacturing anufacturing систему у систему у циљу верификације имплантата.циљу верификације имплантата.

ЗАКЉУЧАКЗАКЉУЧАК

ХВАЛА НА ПАЖЊИ !