Testmodellek előállítása virtuális műtétek vizualizációjához és végeselemes analíziséhez Lukács Attila, Pányik Árpád, Szabó Csilla, Veres Péter Debreceni Egyetem, Informatikai Kar Témavezető: Dr. Hajdu András, Információ Technológia Tanszék 4. Gyires Béla Informatikai Nap 2005. május 6.

Áttekintés Kitűzött feladatok Kész eszközök – előzmények (IKTA4) 3D-s modell előállítása 2D-s metszeti (CT, MRI) képekből virtuális műtéttervezéshez (vizualizáció), 3D-s geometria exportálása végeselemes rendszerbe (ANSYS) fizikai szimulációk végzéséhez. Kész eszközök – előzmények (IKTA4) előfeldolgozott CT képek, keretprogram a képek kezeléséhez (szegmentálás), testmodellező béta rendszer marching cubes algoritmussal. Irodalmi modellépítő algoritmusok marching cubes, marching tetrahedra. ANSYS® egyetemi licenc

Miért az ANSYS rendszer? Akadémiai és ipari oldalról egyaránt elismert végeselemes rendszer – validált Nagyon széleskörű vizsgálati spektrum (biomechanika, mezőgazdaság, gépgyártás, építészet, ...) Rugalmas, felhasználóbarát és könnyen tanulható felülettel rendelkezik Képes építkezni kisebb dimenziójú határoló elemekből és támogatja a CSG műveleteket

Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépgyártástechnológiai Tanszék Ipari hasznosítás Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépgyártástechnológiai Tanszék Az kész modell felhasználása rapid prototyping segítségével protézisek készítésére .stl formátum: solid ... facet normal 0.00 0.00 1.00 outer loop vertex 2.00 2.00 0.00 vertex -1.00 1.00 0.00 vertex 0.00 -1.00 0.00 endloop endfacet endsolid

Előzmények – képek feldolgozása DICOM formátum beolvasása (képi információ, személyi adatok, kórtörténet...) Szegmentáció (csontszövet kinyerése) Képjavító eljárások (morfológiai zárás, kitöltés, ...) eredeti kép csontablak szintrevágás javított kép

Előzmények – tesztelt műtéti terv Combcsont nyújtása spirális bemetszéssel Egyszerű topológia (csöves csont) ANSYS modellépítés spline-nal/Coons-folttal: bonyolultabb topológiához (medence) kevésbé alkalmas, lokális építkezés szükséges

Vizualizáció: Marching Cubes A tér felosztása voxelekre Külső és belső pontok elhatárolása háromszöglapokkal Topológiai problémák – lyukak a modellben Problémás esetek kezelése (15-33 alapeset) Sok, eltérő méretű háromszög Nehezen előállítható térháló

Vizualizáció: Marching Tetrahedra A voxelek felosztása tetraéderekre (5,6,24) A pontok elhatárolása a tetraédereken belül történik Sakktábla-modell Topológiailag helyes eredmény 3 alap- és 16 származtatott eset Nagy háromszögszám, de a méretbeli eltérés nem jelentős A térháló implicite előáll

Vizualizáció: Felhasználói felület Forgatás Eltolás Kicsinyítés/nagyítás Megjelenítési opciók: Felületháló Pontháló Áttetszés (blending) Tükröződés (cube mapping) Hátsó lapok (backface culling) Geometriai gyorsítás

Optimalizáció - felületjavítás Redundancia kiszűrése – a csúcsok száma akár hetedére is csökkenhet Két irányban indexelt B-rep Szomszédos csúcsok által súlyozva több iterációban közelítjük az elméleti felületet Gouraud-árnyalással és OpenGL-gyorsítással végezzük a megjelenítést

Optimalizáció - decimálás decimálás előtt decimálás után ~290 ezer háromszög ~29 ezer háromszög

Exportálás ANSYS rendszerbe A modell végeselemes hálóként való beolvasása

Exportálás ANSYS rendszerbe A modell felületi háromszögekként való beolvasása

Szimuláció (Végeselemes háló előállítása) Erők és kényszererők megadása

Végeselemes analízis eredménye Elmozdulás Nyírófeszültség

Műtéttervezés Virtuális műtéttervezés vizuális támogatása Alapeszközök: Mozgatás Forgatás Vágás Síkokkal és kúppal megvalósított vágás Többféle vágás lehetséges: Elkészített tetraéderháló vágása új tetraéderek előállításával Eredeti szeletképek 3D-s tömbjének vágása, a keletkezett pontokra új felület illesztése Virtuális műtét végeselemes analízise

További célok Univerzális virtuális műtéti felület kialakításában nehéz versenyezni a vezető kutató/fejlesztő helyekkel (NASA) Elsődleges célunk olyan informatikai háttér kialakítása, amellyel új orvosi elképzelések vizualizálhatók és végeselemesen tesztelhetők Potenciális kutatási irányok: Orthopédiai műtétek (bokaprotézis, combprotézis, vápakorrekció) Biomechanikai beavatkozások (gerincműtétek) Érsebészet (vérerek modellezése keringési problémák kezeléséhez)

Konkrét műtéti terv – bokaprotézis (gömb elhelyezése a bokaízületben)

Konkrét műtéti terv – combprotézis (a platina protézis kiküszöbölésének lehetősége)

Köszönöm a figyelmet!