Диссертация (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки), страница 11

Установлена необходимость выполнениясравнения результатов моделирования операции Насса, проведенного с учетомизотропной и ортотропной модели материала костной ткани ребер.5.Проанализирована возможность дискретного задания механическиххарактеристикдлякомпонентовэмпирическимуравнениям,груднойзависящимотклеткипосоответствующимхарактеристикУстановлены ограничения применения данного подхода.снимковКТ.71ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ3.1. Краткий обзор программных комплексов, используемых примоделированииАнализ источников литературы показал, что наиболее эффективнымспособом создания модели грудной клетки и проведения моделированияоперации Насса является использование современных программных комплексов[37, 73, 74].

Основными этапами, позволяющими реализовать поставленныезадачи, являются:1.Обработкаснимковкомпьютернойтомографии,включающаяопределение границ областей рассматриваемых в модели компонентов [16].2.Созданиематематическоймоделигруднойклетки(наиболеераспространенным способом создания моделей является использование методаконечных элементов, подробно описанного в работах [6, 7, 8]).3.Моделирование операции, осуществляемое посредством заданиятребуемых нагрузок, граничных условий и проведения расчета.4.Анализ полученных результатов.Первый этап может быть реализован с использованием интерактивныхпрограммных пакетов Amira и Mimics, позволяющих осуществлять сегментациюснимков КТ, создавать поверхностные и объемные модели рассматриваемыхэлементов человеческого тела, экспортировать полученные модели в сторонниепрограммные пакеты. Отличительной особенностью программного пакета Mimicsявляется возможность задания дискретного распределения механических свойствбиологических тканей в зависимости от характеристик снимков КТ (GV, HU).

Врамках данной работы обработка снимков КТ осуществлялась при помощи ПКAmira.Непосредственное создание конечно-элементной модели грудной клеткиможет быть реализовано как в конечно-элементном пакете осуществляющем72моделирование операции, так и при помощи специализированных программныхкомплексов, предназначенных для работы с конечно-элементными сетками. Так,программный пакет Mimics обладает функцией прямого экспорта построенныхповерхностных моделей в популярные конечно-элементные пакеты (ANSYS,ABAQUS, NASTRAN и т.д.) с последующим созданием объемной конечноэлементной модели рассматриваемого элемента. Программный пакет Amiraпозволяет экспортировать модели как в конечно-элементный пакет ABAQUS, таки в специализированный пакет по работе с КЭ-сетками Altair HyperMesh, которыйможет служить промежуточным звеном для последующего экспорта модели втакие программные пакеты как ANSYS, NASTRAN.Анализ ряда работ [5, 22, 23, 29, 30, 31, 36, 73, 74], посвященныхбиомеханическому моделированию, показал, что чаще всего исследованияпроводятся с применением конечно-элементного пакета ANSYS.

Таким образом,моделирование операции Насса и анализ результатов расчетов, рассмотренные вданнойработе,реализовывалисьсприменениемданногопрограммногокомплекса.Программныекомплексы,используемыеприсозданииметодикимоделирования операции Насса, представлены в Таблице 13.Таблица 13.Программные комплексы, используемые при моделированииПрограммныйкомплексAmiraMimicsAltairHyperMeshANSYSИспользуемые функцииОбработка снимков КТ, создание поверхностныхмоделей, создание объемных моделейОбработка снимков КТ, создание поверхностныхмоделей, создание объемных моделей, заданиераспределения механических свойств биологическихтканейОбработка конечно-элементной модели, экспорт конечноэлементной модели в различные программные комплексыСоздание конечно-элементной модели, определениенагрузок и граничных условий, выполнение расчетов,анализ результатов расчетов733.2.

Исходные данные для моделированияВ данном исследовании рассматривается случай пациента мужского пола18-ти лет с симметричным типом воронкообразной деформации (индекс Галлера –6,5). Операция по исправлению деформации методом Насса проводилась вМосковскомобластномнаучно-исследовательскоминститутеим.М.Ф.Владимирского (МОНИКИ).

В результате операции у пациента были установленыдве корректирующие пластины длиной 350 мм, шириной 13 мм и толщиной 3,5мм, изготовленные из титана марки ВТ6. При предоперационном обследованиипациента была получена компьютерная томограмма (КТ) грудной клетки,содержащая 301 растровое изображение в формате DICOM с размером пикселя0,88×0,88 мм. Расстояние между изображениями составляло 1 мм. Также, черезнесколько месяцев после операции была получена дополнительная КТ саналогичными характеристиками.Повторное компьютерное исследованиепроводилось в связи с развившимся у пациента спонтанным пневмотораксом, помедицинским показаниям.

В обоих случаях снимки КТ были получены припомощи компьютерного томографа GE HiSpeed DX/I. Предоперационный ипослеоперационный снимки КТ грудной клетки пациента представлены на Рис.3.1.а)б)Рис. 3.1. Снимок компьютерной томографии пациента с симметричным типомдеформацииа) до операции; б) после операции743.3. Обработка снимков компьютерной томографии в программномкомплексе Amira3.3.1. Сегментация снимков компьютерной томографииОсновной задачей первого этапа моделирования является преобразованиерастровых изображений предоперационной КТ в трехмерную твердотельнуюмодель грудной клетки, основными элементами которой являются ребра, грудина,реберныехрящи,позвоночныйстолб.Нижеподробноописанышаги,позволяющие решить поставленную задачу с помощью программного комплексаAmira 5, интерфейс которого представлен в [106] (см.

Рис. 3.2).На первом шаге осуществляется загрузка всех снимков КТ в программучерез панель меню (File → Open Data), либо область объектов данных (Pool →Open Data). Импортированные данные сохраняются в файл в формате AmiraMesh(расширение *.am) и отображаются в области объектов данных (Рис. 3.2).Рис. 3.2. Интерфейс программы Amira с загруженными снимками КТСледующей задачей является сегментация снимков КТ, заключающаяся вкорректном определении областей, относящихся к моделируемым элементамгрудной клетки, а именно ребрам, грудине, реберным хрящам и позвоночному75столбу, модель которого должна включать в себя позвонки и межпозвоночныедиски.

Программный комплекс Amira обладает широким набором инструментовдля реализации данной задачи, к которым относятся модуль автоматическойсегментацииLabelVoxelиинструментыинтерактивногоредактированияизображений. Ниже подробно описана методика применения указанныхинструментов для выполнения качественной сегментации снимков КТ.Напервомэтапе,вкачествепредварительнойсегментациивсехизображений, используется модуль LabelVoxel, подключаемый в областиобъектов данных к набору загруженных снимков (Compute → LabelVoxel).Определение областей, относящихся к костной (ребра, грудина, позвонки) ихрящевой (реберные хрящи) тканям осуществляется посредством заданияпороговых значений рентгеновской плотности по шкале Хаунсфилда (HU) длясоответствующего типа ткани.

Шкала Хаунcфилда является шкалой линейногоослабления излучения по отношению к дистиллированной воде, рентгеновскаяплотностькоторойбылапринята0HU.Ориентировочныезначениярентгеновской плотности для различных тканей представлены в Таблице 14.Таблица 14.Значения рентгеновской плотности по шкале Хаунсфилда для различных типовбиологических тканейТип тканиЗначение рентгеновской плотности(HU)Жировая ткань– 100Мышечная ткань+ 100Губчатая костная ткань+ 200Компактная костная тканьЗубная эмальСвыше + 200 до +2000+ 3072По умолчанию расчетный модуль LabelVoxel позволяет автоматическивыделить на каждом снимке КТ четыре области: внешняя область, лежащая запределами тела (-2040 ≤ HU < -250), жировая ткань (-250 ≤ HU < -30), мышечнаяткань (-30 ≤ HU < 100), костная ткань (HU ≥ 100). Окно свойств модуля76LabelVoxel с указанными значениями рентгеновской плотности представлено наРис. 3.3.Рис.

3.3. Окно свойств модуля LabelVoxelСледует отметить, что для повышения качества сегментации и выделенияили устранения дополнительных областей на изображениях в модуле LabelVoxelпредусмотрены дополнительные опции: подэлементная точность (subvoxelaccuracy), удаление медицинской кушетки (remove couch), выделение пустот(bubbles). Первая опция позволяет вычислять весовые коэффициенты, которыебудут определять степень отношения вокселя к какой-либо конкретной области.Данная информация используется алгоритмом реконструкции поверхностноймодели объекта для создания сглаженной границы поверхности.

Вторая опцияпозволяет идентифицировать на изображениях медицинскую кушетку, элементыкоторой могут быть ошибочно выделены как биологические ткани, иассоциировать данную область с внешней областью. Последняя опция позволяетопределять т.н. пустоты, представляющие собой небольшие области с низкимизначениями рентгеновской плотности, заключенные внутри любой другойобласти. В случае отключения данной опции все области с низким значениемрентгеновской плотности будут ассоциированы с внешней областью. Послеприменения расчетного модуля LabelVoxel в окне объектов данных, под наборомзагруженных снимков, появляется новый набор данных, содержащий результатыавтоматической сегментации всех изображений.

Таким образом, автоматическисоздается новый файл с указанным набором данных, который имеет расширение*.Labels.am.77При создании модели грудной клетки расчетный модуль LabelVoxelиспользовался для выделения на снимках КТ следующих областей: внешняяобласть (-2040 ≤ HU < 0), мягкие ткани (0 ≤ HU < 60), хрящевая ткань (60 ≤ HU <150), костная ткань (HU ≥ 150). Представленные пороговые значениярентгеновской плотности, полученные эмпирическим путем, позволили выделитьна снимках КТ все рассматриваемые типы тканей. Просмотр и редактированиерезультатов сегментации осуществляется в специализированном редакторе –Segmentation Editor [106], изображенном на Рис.

3.4 с результатом обработкиодного из снимков предоперационной КТ.«Острова»Рис. 3.4. Интерфейс редактора Segmentation Editor с результатом обработкиодного из снимков предоперационной КТВ результате проведенной автоматической сегментации на снимкахпредоперационной КТ были выделены области, относящиеся к мягким тканям(жировая и мышечная ткани), хрящевой ткани (межреберные хрящи), костнойткани (ребра, грудина, позвонки), а также т.н. пустотам, представляющим собойнебольшиеобластиснизкимизначениямирентгеновскойплотности,заключенные внутри любой другой области.

В нашем случае все области пустот78расположены внутри области, относящейся к мягким тканям. Определение пустот(bubbles) является рекомендуемой дополнительной опцией модуля LabelVoxel.При отключении данной опции все области с низким значением рентгеновскойплотности будут ассоциированы с внешней областью. Так как мягкие ткани неучитывались при создании модели грудной клетки, то соответствующаявыделенные области, а также области пустот были удалены со снимков КТ.К сожалению, автоматическая сегментация изображений КТ являетсянедостаточным инструментом для качественного определения интересующихобластей, так какрентгеновская плотность одних тканей совпадает срентгеновской плотностью других. Так, при автоматической сегментациипредоперационной КТ к хрящевой ткани были отнесены реберные хрящи,межпозвоночные диски, мягкие ткани внутренних органов, а также ткани,окружающие костную ткань. Костная ткань ребер, грудины и позвонков былатакже отнесена к одной области.

Таким образом, все полученные областитребовали дополнительной корректировки, включающей как удаление лишнегоматериала (мягкие ткани внутренних органов, ткани окружающие костную ткань),так и разделение одной области на несколько (см. [51]). Решение указанных задачосуществлялось при помощи инструментов интерактивного редактированиярезультатов сегментации, позволяющих выделять, добавлять и удалять воксели врассматриваемом материале. Поэтому корректировка областей, относящихся креберным хрящам и межпозвоночным дискам, осуществлялась при помощиинструментов интерактивного редактирования.