Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Bio3DModel: budowa modeli przestrzennych kręgosłupa człowieka, Publikacje z Inżynieria medyczna

Artykuł opublikowany w: MODELOWANIE INŻYNIERSKIE

Typologia: Publikacje

2019/2020

Załadowany 28.08.2020

Konrad_88
Konrad_88 🇵🇱

4.6

(101)

304 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Bio3DModel: budowa modeli przestrzennych kręgosłupa człowieka i więcej Publikacje w PDF z Inżynieria medyczna tylko na Docsity! MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 229-234, Gliwice 2008 BUDOWA MODELI PRZESTRZENNYCH KRĘGOSŁUPA CZŁOWIEKA Z UWZGLĘDNIENIEM SKOLIOZY PRZY UśYCIU PROGRAMU Bio3DModel ILONA MAŃKA, DAGMARA TEJSZERSKA Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska e-mail:[email protected], [email protected] Streszczenie. W artykule opisano sposób tworzenia modelu kręgosłupa człowieka zdrowego oraz modelu kręgosłupa ze skoliozą, sformułowanego na podstawie wcześniej opracowanej geometrii kręgów i Ŝeber. Podstawą do opracowania geometrii było napisanie autorskiego programu komputerowego Bio3DModel, który, bazując na wczytanych zdjęciach z tomografii komputerowej umoŜliwiał zaznaczenie poszczególnych struktur kostnych, a następnie import tych danych do programu typu MES. Dodatkowo wskazano wady i zalety przedstawionej metody, a takŜe niektóre problemy związane z modelowaniem numerycznym w biomechanice i moŜliwością zmniejszenia czasu obliczeń. 1. WSTĘP Tematyka schorzeń kręgosłupa jest ciągle aktualnym problemem nie tylko z punktu widzenia diagnostyki i leczenia, ale równieŜ biomechaniki. W dalszym ciągu nie są znane wszystkie mechanizmy powstawania nieprawidłowości postawy ciała ludzkiego, a co za tym, idzie utrudniona jest rehabilitacja i leczenie. Badania przesiewowe prowadzone wśród dzieci szkół podstawowych w Polsce wykazały, Ŝe 87% dzieci ma wady postawy, z czego u około 21% stwierdzono skoliozę. Dlatego teŜ Katedra Mechaniki Stosowanej Politechniki Śląskiej prowadzi szereg prac skoncentrowanych na identyfikacji zjawisk zachodzących w układzie mięśniowo - szkieletowym kręgosłupa człowieka oraz na sposobach przeciwdziałania im, a takŜe mechanicznych aspektach rehabilitacji tych schorzeń. W tym celu opracowano numeryczny model odcinka piersiowo-lędźwiowego kręgosłupa człowieka wraz z klatką piersiową, który w dalszym etapie stanowił bazę do utworzenia modelu kręgosłupa ze skoliozą, a następnie do przeprowadzenia symulacji numerycznej implantacji. W pierwszym etapie budowy modeli numerycznych przeanalizowano istniejące metody tworzenia geometrii. Sprawdzono moŜliwości formułowania złoŜonych geometrycznie struktur kostnych w programach typu CAD i ich przydatności po zaimportowaniu do programu typu MES. Stwierdzono wówczas występowanie problemów związanych z opisem odwzorowywanych geometrii, ograniczeniami wynikającymi z ich triangulacji, eksportem plików, a przede wszystkim brakiem integracji z programami typu MES. W związku z tym, zaistniała potrzeba opracowania własnej metody tworzenia geometrii, którą opisano poniŜej. 230 I. MAŃKA, D. TEJSZERSKA 2. TWORZENIE GEOMETRII KRĘGOSŁUPA CZŁOWIEKA PRZY UśYCIU AUTORSKIEGO PROGRAMU Bio3DModel Jakość modeli w biomechanice jest zaleŜna głównie od dokładności odwzorowania geometrii modelowanych obiektów, odzwierciedlenia własności wytrzymałościowych modelowanych tkanek oraz od wprowadzonych załoŜeń upraszczających [1], [2]. Dlatego teŜ, w celu ułatwienia budowy biomechanicznych modeli przestrzennych, opracowano program komputerowy Bio3DModel, który umoŜliwia przeglądanie kolejnych ”warstw” ciała człowieka, a następnie zaznaczenie na nich konturów interesujących nas elementów. Zaznaczone kontury zapisywane są w bazie danych, co pozwala na ich późniejsze przetworzenie i eksport do programów CAD lub MES. Podczas analizy rozkładu napręŜeń i przemieszczeń układu mięśniowo-szkieletowego człowieka poddanego róŜnego rodzaju wewnętrznym i zewnętrznym obciąŜeniom, bardzo istotną rolę odgrywa jakość i dokładność geometrii modelu oraz miejsc, w których załoŜono siły. Problem ten jest szczególnie istotny podczas modelowania układu mięśniowo-szkieletowego kręgosłupa człowieka z uwzględnieniem implantu, w którym konieczne jest wyznaczenie nie tylko napręŜeń w samym implancie, ale równieŜ precyzyjne określenie rozkładu napręŜeń szczególnie w kręgach, w których umieszczono śruby mocujące. WaŜne jest równieŜ otrzymanie zgodności odkształceń całego modelowanego odcinka kręgosłupa z danymi uzyskanymi przykładowo ze zdjęć RTG po operacji. Kolejne etapy modelowania umoŜliwiające utworzenie geometrii o bardzo dobrej jakości odwzorowania wybranego fragmentu układu mięśniowo - szkieletowego człowieka to: • import wybranych zdjęć RTG do autorskiego programu komputerowego, a następnie utworzenie konturów wszystkich modelowanych elementów w postaci osobno identyfikowalnych grup; • eksport tych danych w formacie plików makro do programu ANSYS; • uruchomienie wczytanych plików makro w programie ANSYS i generowanie chmury punktów lub zbioru splajnów (w szczególnych przypadkach automatyczne utworzenie brył); • tworzenie krzywych prowadzących a następnie powierzchni i brył; • dyskretyzacja utworzonych brył siatką. Po uruchomieniu programu pojawiają się dwa okna. Pierwsze zawiera widok zdjęcia aktualnie rozpatrywanej warstwy wraz z odczytanymi z bazy i pokazanymi na zdjęciu punktami grup. W tym miejscu uŜytkownik ma moŜliwość wprowadzenia nowej nazwy modelowanej grupy lub wyboru i edycji juŜ istniejącej w bazie grupy. Drugie okno programu umoŜliwia między innymi zmianę skali zdjęcia, co jest szczególnie przydatne w sytuacjach, gdy trudno jednoznacznie określić krawędź modelowanej tkanki. MoŜliwe jest równieŜ przełączenie widoku ze zdjęć przekrojów na zdjęcia uzyskane z tomografii komputerowej. Pozwala to na jednoznaczne wyodrębnienie struktur kostnych na modelowanym przekroju. W trakcie pracy z programem stwierdzono, Ŝe szczególnie korzystne byłoby wyświetlanie punktów zaznaczonych na warstwie poniŜej i powyŜej aktualnie wykorzystywanej, co zostało uwzględnione w kolejnej jego wersji. Widok okna programu Bio3DModel pokazano na rys. 1. OPRACOWANIE PRZESTRZENNEGO MODELU KRĘGOSŁUPA CZŁOWIEKA … 233 Rys. 5. Model krąŜka międzykręgowego Ostatecznie model kręgosłupa wraz z klatką piersiową, łopatkami, obojczykami oraz mostkiem przedstawiał się zgodnie z rys. 6. Rys. 6. Model kręgosłupa człowieka wraz klatką piersiową Geometria poszczególnych struktur opracowanego modelu numerycznego stanowiła podstawę podczas formułowania modelu kręgosłupa ze skoliozą. Widok modelu ze skoliozą został pokazany na rys. 7. Rys. 7. Zdjęcie rentgenowskie kręgosłupa człowieka ze skoliozą oraz model utworzony na jego podstawie 234 I. MAŃKA, D. TEJSZERSKA W celu odwzorowania skrzywienia bocznego kręgosłupa człowieka określono poszczególne kąty w płaszczyźnie czołowej oraz strzałkowej, a takŜe kąty rotacji kręgów. Pierwsze z nich odczytano ze zdjęć rentgenowskich pacjentki ze skoliozą w odcinku piersiowo - lędźwiowym, wykonanych w rzucie przednio-tylnym oraz bocznym. Zdjęcia te stanowiły dokumentację medyczną Kliniki Ortopedii Akademii Medycznej w Poznaniu. Natomiast w przypadku kątów rotacji, których nie da się bezpośrednio odczytać ze zdjęć wykonanych w wymienionych rzutach, konieczne było określenie związków geometrycznych bazujących na dostępnych zdjęciach. 4. WNIOSKI Przedstawiony w artykule sposób tworzenia geometrii na podstawie zdjęć z tomografii komputerowej i zdjęć pozyskanych z programu badawczego The Visible Human Project daje moŜliwość połączenia wymaganych w trakcie modelowania w biomechanice duŜej dokładności oraz ilości odwzorowywanych obiektów. Uzyskane w ten sposób modele, w porównaniu z modelami po triangulacji, umoŜliwiają łatwe uwzględnienie dodatkowych elementów oraz pozwalają na dowolną regulację ilości elementów skończonych w zaleŜności od lokalnie wymaganej dokładności obliczeń. LITERATURA 1. Dietrich M., Kędzior K., Borkowski P., Krzesiński G., Skalski K., Zagrajek T.: A nonlinear analysis of the human vertebral column and medical recommendations that follow. “ Bulletin of the Polish Academy of Sciences”, Technical Sciences, 2005, Vol. 53, p. 79-194. 2. Głowacki M.: Stopień translacji kręgu szczytowego skoliozy po leczeniu operacyjnym z dostępu przedniego lub tylnego. „Biomechanika” 2004, s. 147-150 3. Mańka I., Tejszerska D.: Modelowanie skrzywień bocznych kręgosłupa. W: XLII sympozjon „Modelowanie w mechanice”.Gliwice 2004. Zesz. Nauk. Kat. Mech. Stos. nr 21. 4. Mańka I.: Modelowanie i analiza stanu napręŜenia w kręgosłupie człowieka przed i po leczeniu operacyjnym skoliozy. Rozprawa doktorska. Politechnika Śląska 2008. THREE DIMENSIONAL MODEL OF HUMAN SPINE WITH SCOLIOSIS AND COMPUTER PROGRAM CREATING Summary. In this article described universal method for modeling of chosen part of human spine with thorax on the basis of pictures obtained from tomography and pictures of particular body cross-section. This article include also description of model of human spine with scoliosis. In this article described also advantages and disadvantages of this method of modeling in biomechanics, on the basis of human spine model. This article was presented also a few problems with modeling and method for solving it and possibility of reduction of computation time.