Reconstructie 3D a structurii osoase umane utilizind tehnica Reverse Engineering

Student:

Generalitati

Reprezentarea tridimensionala a suprafetelor anatomice ofera o metoda de investigare medicala valoroasa. Imagini ale acestor suprafete, constituie pe baza planelor multiple bidimensionale rezultate prin tomografie computerizata, rezonanta magnetica, respectiv tomografie computerizata cu emisie de fotoni, ajuta medicii sa stabileasca un diagnostic corect pe baza imaginilor redate de echipamente sub forma 2D. Interpretarea imaginilor medicale bidimensionale necesita cunostinte speciale si experienta specialistilor care trebuie sa colaboreze si sa comunice interpretarile lor medicilor care vor aplica tratamentul. Tomografia computerizata furnizeaza imagini ce reprezinta atenuarea radiatiilor X in tesuturile vii. Imaginile sunt achizitionate ca o succesiune de plane paralele care, interpretate impreuna, reprezinta o distributie tridimensionala bazata pe aprecierea densitatii relative a tesuturilor.Principalul avantaj al metodei de reconstructie 3D a suprafetelor este in obtinerea modelului geometric al corpului scanat, folositor in medicina, pentru prototiparea implanturilor. Insa, din cauza complexitatii sporite, modelul de vizualizare indirecta implica folosirea intensa a memoriei, consum mare de timp si predispozitie spre artefacte. Pachetul soft pentru reconstrucie tridimensional Mimics este realizat de ctre Materialise Group, cu sediul la Leuven n Belgia. Este folosit la reconstrucia tridimensional a organelor umane cu ajutorul imaginilor luate n urma scanrii cu ajutorul CT Scan sau prin alte metode. Mimics permite, dup generarea suprafeelor 3D a zonei de interes, export acesteia n diferite formate CAD (.STEP, .IGES, .STL), analiza cu elemente finite, Rapid Prototyping, simulare.

Deoarece imaginile achiziionate n urma investigaiei CT au formatul DICOM, s-a folosit importarea automat cu ajutorul softului MIMICS.

Vizualizarea imaginilor CT.

Imagini importate automat in aplicatia MIMICS.

Conceptele, metodele si tehnicile de cercetare se pot evidenia urmtoarele:- utilizarea principiilor ingineriei inverse mai exact reconstrucia prin scanare tridimensional pentru realizarea modelelor 3D;- utilizarea de software de modelare utiliznd capabilitile programului Catia V5 pentru modelarea 3D generalizat.- utilizarea metodei elementului finit pentru studiul strilor de tensiuni i deformaii, pentru simularea virtual a interveniilor chirurgicale, planificarea preoperatorie i optimizarea general a interveniei;- realizarea analogiei dintre entitile constructiv-tehnologice utilizate n proiectarea inginereasc asistat de calculator i entitile constructiv-anatomico-medicale utilizate n modelarea oaselor;- utilizarea legturile posibile ntre Catia v5r21 i tabele de date parametrizate (excel) i instrumentele programului Access pentru realizarea unui produs informatic de gestionare a modelrii i integrare cu aspectele medicale;- utilizarea conceptelor specifice proiectrii PLM a produsului pentru proiectarea dispozitivului specializat de realizare a osteotomiilor i a standurilor experimentale folosite.Exemplu de reconstrucie a vertebrei lombare din scanare CT modelare 3D Procedeu de obinere a unui model fizic din date de scanare CT folosind MIMICS 10 i CATIA V5 R21 implic paii prezentati n imaginile urmatoare:

Reconstrucie a vertebrei lombare din scanare CT modelare 3D (Mimics)Fiierele DICOM au fost importate n software-ul MIMICS 10. dup aplicarea etapelor de prelucrare uzuale in aplicatia Mimics model 3D este exportat n CATIA V5 ntr-un format de fiier STL. Fiierul STL este importat si se supuse la operaiuni specifice pentru eliminarea erorilor de model (triunghiuri izolate sau muchii. Meshuirea astfel obinut este transformat ntr-un model de suprafa utiliznd Automatic surface.

Importul norului de puncte i crearea mesh-ului

Suprafata creata din mesh Automatic surface

Analiza de deviere ntre norul de puncte si de suprafa generat de vertebre

Urmatorul pas a fost crearea modelului CAM 3D pentru a generarea programul complex NC pentru suprafata vertebrei.

Modelul de vertebra lombara obtinut pe masina CNC

Marele avantaj al programului Mimics este faptul c realizeaz interpolarea seciunilor scanate fr a fi nevoie ca utilizatorul s posede cunotine avansate de modelare a suprafeelor.In conditii de precizie ridicata i pret scazut, pornind de la date de scanare computer tomograf (CT), intr-o abordare integrata CT/CAD/CAM (Mimics 10 CATIA V5). Crearea modelelor CAD prin reconstrucia 3D a oaselor piciorului utiliznd ingineria invers, respectiv scanarea, s-a dovedit o metod foarte avantajoas n ce privete facilitatea i chiar fidelitatea modelrii.Anumite actiuni medicale pot fi oferite de reconstructia 3D a oaselor umane:- uzri sau deprecieri funcionale oaselor sau a entitilor ce o compun;- particulariti fiziologice specifice subiectului analizat;- afeciuni consacrate;- diagnostic aferent;- strategii de tratament.Obiectivele proiectului sunt: Dezvoltarea de software specializat pentru prelucrarea / analiza imaginilor radiografice si modelarea tri-dimensionala a formei i structurii oaselor pornind de la imagini CT sau MRI; Modelarea 3D a structurii osoase a corpului uman si analiza de deviatie.

Documentatii:1. MANUFACTURING COMPLEX ANATOMICAL MODELS IN AN INTEGRATED APPROACH CT/CAD/CAM FROM RIGID POLYURETHANE FOAM. A CASE STUDY - U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 73, Iss. 4, 20112. Bio-CAD modeling and its applications in computer-aided tissue engineering - W. Sun*, B. Starly, J. Nam, A. Darling3. http://biomedical.materialise.com/mimics