Развој методе за одређивање геометријских модела a натомски прилагођених имплантата

1. Развој методе за одређивање геометријских модела aнатомски прилагођених имплантата Милорад Митковић, Мирослав Трајановић, Милош Стојковић, Александар Рајић Преглед стања истраживања у свету и Србији Александар Рајић

2. УВОД Примена CAD технологијау 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.

3. СТУДИЈЕ СЛУЧАЈА 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 захтева следеће кораке: • Aквизицију CT података 3Д морфологије кости применом стандардне компјутерске томографије CT скенером; • Поравнање 3Д модела реконструисаних на бази CT података у односу на референти координатни систем; • Пресецање модела рачунарском графиком; • Екстракцију контуре кости из пресечних приказа; • Комбиновање и интерполацију пресечних контура; • 3Д реконструкцију интерполираних контура; • Вредновање генеричког модела.

4. Сл. 1.1 Круг (визуелно) поравнат са профилом condyle-a Сл. 1.2 Модел фемура поравнат са координатним системом

5. 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

6. Резултати Генерички модел који је развијен из података са седам фемура дат је сл. 1.5. Сл. 1.5 Поглед спреда (лево) и страга (десно) фемура генерисаног из средњих контура седам фемура

7. Студија случаја 2. 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.

8. Алати за формирање солид модела У овом истраживању примењени су следећи софтвери: • Optimusје 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.

9. Формирање 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: • Селекција тачака са MRI података; • Примена Excel-a у интерполацији тачака; • Конвертовање у облак тачака; • Конструкција сплајнова из тачака; • Примена команде loft у формирању сплајнова.

10. Сл. 2.1 Селекција тачака по обиму кости Сл. 2.2 Увоз тачака у Unigraphics

11. Сл. 2.3 Формирање сплајнова у Unigraphics-у Сл. 2.4 Изглед солид модела након примене команде loft

12. Примена Rapid Prototyping-a Брзи 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 Prototyping модел колена

13. Резултати 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

14. Поређење 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.

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

16. Студија случаја 3. B. Starly (2006) BIO-CAD MODELING AND ITS APPLICATIONSIN 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 подржано био-моделирање и моделирање ткива • Информатика ткива и биомиметичко моделовање • Био-производња за регенерацију ткива и органа

17. Техника Био-CAD 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: • Приступ МedCAD интерфејсом • Приступ интерфејсом реверзибилног инжињерства • 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.

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

19. Б-сплајн површи и примитиви (сфера) Полилинијска контура за означавање региона Пораст полилинија сегментацијом Сл. 3.2 Конструкција CAD модела применом MedCAD интерфејса Сл. 3.3 Конверзија voxel у STL модел применом STL интерфејса

20. Обрада тачака Триангулација Површински модел NURBS поравнање (CAD) Формирање мреже Чишћење површина Сл. 3.4 Конструкција CAD модела реверзибилним инжињерством

21. Табела 3.1 Поређење различитих приступа у конструкцији CAD модела

22. ЗАКЉУЧАК Најновији светски трендови указују да методологија за одређивање геометријских модела aнатомски прилагођених имплантата укључује следеће кораке: • Идентификацију најбољег метода снимања; • Селекцију погодног алгоритма за 3Д реконструкцију површина; • Пројектовање генеричког модела имплантата; • Примену симулационих техника у циљу доказивања функционалности пројектованог имплантата; • Производњу на Rapid Prototyping/Мanufacturing систему у циљу верификације имплантата.

23. ХВАЛА НА ПАЖЊИ !