Τρισδιάστατη γεωμετρική μοντελοποίηση άρθρωσης ανθρώπινου γονάτου από δεδομένα απεικονιστικής ιατρικής.

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη τρισδιάστατου παραμετρικού γεωμετρικού μοντέλου, το οποίο αναπαριστά την άρθρωση ενός ανθρώπινου γονάτου με τη χρήση λογισμικού CAD. Τα στάδια της εργασίας αυτής είναι: i) H Αξιοποίηση δεδομένων μαγνητικής τομογραφίας, ii) H Μετατροπή δεδομένων σε τρισδιάστατα αρχεία απεικόνισης, iii) H Ανάπτυξη τρισδιάστατου γεωμετρικού μοντέλου και iv) H Μελέτη καταπονήσεων. Κατά την αρχική φάση της εργασίας, δόθηκαν δικαιώματα χρήσης πραγματικών δεδομένων ασθενούς, προερχόμενα από μαγνητική τομογραφία στην περιοχή του γονάτου του, με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία τους. Στο επόμενο στάδιο, τα δεδομένα αυτά επεξεργάστηκαν με κατάλληλο λογισμικό και μετατράπηκαν σε αρχεία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Στο τελικό στάδιο, με τη βοήθεια των προαναφερθέντων τρισδιάστατων εκτυπώσεων, αναπτύχθηκε λεπτομερές τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο της άρθρωσης του γονάτου με τη χρήση λογισμικού τύπου CAD. Το τρισδιάστατο αντικείμενο δημιουργήθηκε με σκοπό την μελέτη καταπονήσεων του μοντέλου σε διάφορες στατικές φορτίσεις. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη της παρούσας εργασίας είναι δύο. Το σχεδιαστικό λογισμικό Creo Parametric, και το λογισμικό μετατροπής αρχείων τρισδιάστατης εκτύπωσης (Dornheim Segmenter) το οποίο είναι ένα ισχυρό λογισμικό αποτύπωσης των πραγματικών ιατρικών δεδομένων, απαραίτητο για την εισαγωγή αυτών στο λογισμικό CAD. Η μοντελοποίηση του γονάτου στο λογισμικό τρισδιάστατης σχεδίασης Creo Parametric, έγινε με τη βοήθεια αρχείων τρισδιάστατης εκτύπωσης όπως προαναφέρθηκε. Στο περιβάλλον σχεδίασης εμφανίστηκαν τα αρχεία αυτά ως μορφές επιφανειών. Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν καμπύλες πάνω στις επιφάνειες αυτών για την υλοποίηση της ακριβέστερης γεωμετρίας του μοντέλου. Ως αποτέλεσμα, προέκυψε ένα ακριβέστατο τρισδιάστατο μοντέλο του γονάτου του ασθενούς. Στη συνέχεια με τη βοήθεια του λογισμικού CREO, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση ανάλυσης διαφόρων δυνάμεων (καταπονήσεων) σε σχέση με το βάρος του σώματος κατά τη διαδικασία μίας δραστηριότητας. Τέλος, το μοντέλο που αναπτύχθηκε μελετήθηκε περαιτέρω, σε θέματα που αφορούν τις ροπές με τη συνεισφορά των χιαστών και των μηνίσκων καθώς και τη μηχανική τους συμπεριφορά στην άρθρωση και καταγράφηκαν τα αποτελέσματα. Τέλος με τη χρήση των αποτελεσμάτων που εξήχθησαν από το μοντέλο, δημιουργήθηκαν τα σχετικά γραφήματα στα οποία αντιστοιχήθηκαν η τάση που αναπτύχθηκε, στο σημείο της σύνδεσης του μηριαίου οστού και του πρόσθιου χιαστού συνδέσμου, σε συνάρτηση με την παραμόρφωση, όπως και η παραμόρφωση σχετικά με τη μετατόπιση που υπήρξε κατά τη δεξιόστροφη ροπή που καταπόνησε την κατασκευή. Μελλοντικά μπορεί να γίνει η υλοποίηση της κατασκευής της άρθρωσης σε πραγματικό αντικείμενο για τη συμβολή σε ερευνητικές ομάδες προς μελέτη αυτού και εξαγωγή συμπερασμάτων – αποτελεσμάτων. Τα συμπεράσματα αυτά θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες μελέτες προς πραγματικές ιατρικές εγχειρητικές τεχνικές.

The purpose of this thesis is to develop a three-dimensional geometric model, which represents the articulation of a human knee using CAD software. The stages of this work are: i) The use of magnetic resonance imaging data (MRI), ii) Conversion of data into threedimensional imaging files, iii) The development of a three-dimensional geometric model, and iv) The stress-strain study via Finite Elements Analysis (FEA). During the initial phase of this work, rights to use actual patient data derived from MRI in the knee area were given for further processing. In the next step, these data were processed with appropriate software and converted to three-dimensional prints. In the final stage, with the help of the aforementioned three-dimensional prints, a detailed three-dimensional geometric model of the knee joint was developed using CAD software. The three-dimensional object was created to study the stresses of the model in various static charges scenarios. The tools used to develop this work are two main software. Creo Parametric design software is the primary used, and Dornheim Segmenter conversion software the second one, which is a powerful software for capturing the actual medical data needed to import them into CAD software. The modeling of the knee in the Creo Parametric three-dimensional software was done using three-dimensional prints as mentioned above. In the drawing environment, these files appeared as surface formats. Curves were then created on their surfaces to realize a more accurate geometry of the model. As a result, a precise three-dimensional model of the patient's knee has emerged. Afterwards, with the assistance of the CREO software, a simulation of various forces (stresses) was carried out in relation to the body weight in the process of an activity. Finally, the model that was developed was further studied, on issues related to developing torques with the contribution of the kinsman and the meniscus, as well as their mechanical behavior in the joint and the results were recorded.