Überführung eines CT-Datensatzes eines menschlichen Beckenknochens in ein Finite Elemente Modell

 

Development of a finite element model of a human pelvis using CT scan data

 

Alexander Bohne

01.10.2005

 

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht

2. Einführung

3. Zum Stand Der Technik - State of the Art

4. Zur Theorie

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Originalarbeit

10. Über den Autor

11. Impressum

 

Übersicht

Im Rahmen eines ECTS-Beleges im Modul FEM soll in dieser Arbeit ein möglicher Weg aufgezeigt werden, wie aus einem Computertomographie-Datensatz (DICOM) ein Finite Elemente Modell entwickelt werden kann.
Hierbei handelt es sich um eine Kooperation zwischen dem Fachbereich Maschinen- und Energietechnik der HTWK Leipzig und dem Labor for Biomechanik der Orthopädischen Klinik und Polyklinik des Universitätsklinikums Leipzig.
Dabei soll der Weg beginnend mit der Datenakquisition, sowie dem Thresholding, bis zur Erstellung des FE-Modells aufgezeigt und beschrieben werden.
Der Schwerpunkt liegt hierbei bei der Konvertierung der Voxel basierenden Bilddateien der CT-Daten zu einem CAD-Modell, das als Vorlage zur Netzgenerierung dienen soll.
Beispielhaft wird die Vernetzung in Catia V5 R12 und Ansys 10 dargestellt.

 


 

This project is focused on the development of a finite element model based on computer tomography data (DICOM). It has arisen due to a cooperation between the University of Applied Science / Department for Mechanical and Energy Engineering and the University Hospital in Leipzig / Faculty of Medicine (Orthopaedic Clinic).

The demand for analysis of e.g. bone structure, implants, human tissue as well as simulation and planning of surgery is increasing nowadays. A method called finite element analysis is mainly applied to compute stress and deformation of meshed models.

To provide such a model of a human pelvis, a method will be provided to convert DICOM data into a CAD model. Special consideration will be made regarding data acquisition and thresholding.

The mesh generation will be explained by means of computer software like Catia V5 R12 and Ansys 10.

 

 

Einführung

Seit der Erstellung des ersten CT-Bildes eines Tumorgeschwüres am 1.Oktober 1971 hat sich die Computertomographie rasant entwickelt. Der Erste von dem britischen Ingenieur Godfrey N. Hounsfield entwickelte Computertomograph benötigte damals noch fünf Minuten, um einen menschlichen Schädel zu scannen. Heutzutage würden zum Scan des gleichen Bildes rund 0.25 Sekunden benötigt. Die enorme Leistungssteigerung ist nicht nur durch die erhöhte Rechenleistung zu erklären. Vielmehr tragen die Verwendung von Mehrschichtscans, Spiralaufnahmen und die Kontrasterhöhung zur Verbesserung von CT-Aufnahmen bei. Dadurch ist es möglich geworden, so viele Schichten eines betroffenen Körperbereiches zu scannen, um durch Interpolationsalgorithmen Volumenmodelle zu erstellen und diese geometrisch zu beschreiben. Diese können neben der weiteren Verwendung in der operativen Planung auch zur Generierung von Prototypen mittels generativer oder subtraktiver Verfahren oder zur Analyse in der Finite Elemente Analysis dienen.

Gerade in der Biomedizin wird die Finite Elemente Modellierung immer häufiger für die Simulation und Analyse von Knochenstrukturen oder das Knochen-Implantat Verhalten herangezogen. Grundlage dieser Untersuchungen ist jedoch stets ein Modell, welches das zu analysierende Objekt geometrisch beschreibt und dadurch die Generierung des FE-Netzes erst ermöglicht.

Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes zwischen der Orthopädischen Uniklinik Leipzig und der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur in Leipzig soll im Rahmen dieses Beleges ein Datensatz eines menschlichen Beckens auf der Grundlage von CT-Daten erstellt werden. Dieser soll, ergänzend zu einem bereits bestehenden FE-Modell einer Pfanne einer Hüft-gelenksendoprothese, die Analyse des Kochen-Implantat-Interfaces in Hinsicht auf Schubspannungen ermöglichen.

 

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

Seit Beginn der 90-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts hat man begonnen, erfolgreich virtuelle Modelle basierend auf CT-Datensätzen im Rahmen von Reverse Engineering Prozessketten zu entwicklen. Anfänglich noch sehr ungenau können heutzutage qualitativ hochwertige Computermodelle entwickelt werden, die als Vorlage zur Fertigung von Biomodellen durch z.B. Rapid Prototyping dienen, für die Vernetzung in der Finite Elemente Analysis herangezogen werden, oder für die robotergesteuerte Operation sowie der virtuellen Operationsplanung notwendig sind.

Ein wesentlicher Schwerpunkt dieser Studien bildet dabei der menschliche Stützapparat, das Skelett. Neben FEM-Analysen von Kiefer- und Mittelgesichtsstrukturen z.B. in der Dentalmedizin sowie der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, sind oft Analysen des Beckens speziell der Hüfte in der Literatur beschrieben. Die hier ermittelten Spannungen können z.B. für Analysen des Knochen-Implantat Interfaces in der Implantologie herangezogen werden.

 

 

Zur Theorie

Menschlicher Knochen ist im Gegensatz zu Materialien wie sie teilweise im Maschinenbau verwendet werden, kein homogenes, isotropes Material. Aufgrund seiner evolutionären Entwicklung ist es ein besonderes Beispiel der Leichtbauweise. Der Knochen besteht neben seiner harten Außenschicht, der Kortikales, aus der sich nach innen anschließenden balkenartigen Struktur, der Spongiosa, wodurch er bei einem relativ geringen Gewicht äußerst stabil ist. Aufgrund des belastungsabhängigen Aufbaus ist der Knochen als richtungsabhängig zu betrachten, was die Erstellung eines Knochenmodells erschwert. Daraus versteht sich, dass das zu entwickelnde virtuelle-oder FE-Modell zum heutigen Zeitpunkt stets nur eine Vereinfachung des realen Knochens darstellt.

Grundlage hierbei bilden die im CT erstellten Graustufenbilder, welche aufgrund der unterschiedlichen Strahlenabsorption verschieden dichter Gewebestrukturen entstehen und als DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) Datensätze gespeichert und verwaltet werden. Diese können mit entsprechender Software ausgewertet werden, d. h., mittels eines Schwellwertes können die besonders hellen Strukturen, die den Knochen darstellen, separat erfasst werden. Diese Bereiche gleicher Graustufen stellen somit einen abgegrenzten Bereich gleichen Gewebes dar. Mit speziellen Oberflächen-Rekonstruktionsalgorithmen, wie zum Beispiel dem Marching Cubes Algorithmus, können anschließend aus den einzelnen Schichten dreidimensionale Modelle erstellt werden. Durch die heutzutage immer noch massiv vorhandene Schnittstellenproblematik ist es notwendig, diese Modelle in sogenannte Datenaustauschformate zu konvertieren. Das bedeutet, eine STL oder IGES Datei ist als Zwischenschritt zu erstellen, und anschließend in einen vernetzbaren Volumenkörper zu überführen. Im Anschluss kann das Modell in einer FEA-Sofware bearbeitet und vernetzt werden, was die Grundlage der Analyse darstellt.

 

Prozesskette: (CT-Daten-> CAD-Modell -> vernetztes FE-Model)


Ergebnisse

Thema dieser Arbeit war die Überführung eines CT-Datensatzes eines menschlichen Beckenknochens in ein Finite-Elemente-Modell. Dabei hat sich gezeigt, dass schon zu Beginn der Prozesskette aus Datenakquisition, Datenkonvertierung und Flächenrückführung entscheidende Parameter für die Genauigkeit des zu generierenden Modelles gesetzt werden. Besonders die exakte Unterscheidung der differierenden Grauwerte stellt sich als Hauptproblem dar. Dies stellt die Systematik der Umwandlung von geränderten Modellen in Volumenmodelle gänzlich in Frage, da dies trotz enorm verbesserter CT-Technologien immer noch sehr unbefriedigende Modelle entstehen lässt. Besonders bei Technologien wo höchste Genauigkeit gefordert ist, wie z.B. die Navigation von Operations-Robotern anhand von CT-Datensätzen, führt die unzureichende Genauigkeit der CT-Dateninterpretation zum Versagen dieser. Hier sollte der Schritt des Thresholding von Graustufenbildern umgangen werden und die digitalen Informationen direkt zur Modellerstellung verwendet werden.

Daraus leitet sich die nächste Problematik ab. Durch die Überlagerung von Graustufenwerten ist keine eindeutige Abgrenzung der zur Modellerstellung notwendigen Knochenstruktur möglich. Dies erfordert stets manuelle Nacharbeit, welches die Genauigkeit des zu generierenden Modelles vom Können, der Erfahrenheit und den anatomischen Kenntnissen des Benutzers des jeweiligen Softwarepaketes abhängig macht. Das heißt auch, dass dies kein reproduzierbarer Prozess ist, da jede neue Modellerstellung, trotz Verwendung derselben Ausgangsdaten, ein abweichendes Modell erzeugen würde.

Ein wesentlicher Meilenstein dieser Arbeit war die Erstellung der STL-Datei des Beckenmodelles, welche als Importvorlage in ein CAD-System und für die Vernetzung in Ansys dienen sollte. Hier hat sich gezeigt, dass diese Dateiformate für den Datenaustausch geeignet und aufgrund ihrer Eigenschaften gut manipulierbar sind. Für eine Vernetzung müssen diese jedoch durch Flächenrückführungsmethoden zu einer Oberfläche, oder wie in diesem Beispiel zu einem Volumenkörper zurückgeführt werden. Hierzu gibt es bereits mehrere Ansätze. Der hier beschrieben Weg zeigt mehrere Verbesserungsmöglichkeiten auf. Zum einen ist er noch sehr ungenau, da eine Flächenrückführung, wie sie hier beschrieben wurde, durch eine Annäherung an eine Punktwolke erreicht wurde. Weiterhin sind die erstellten Modelle oft fehlerbehaftet und müssen durch verschiedene Algorithmen manipuliert werden, um letztendlich ein Volumenmodell zu erhalten.

Abschließend hat sich gezeigt, dass es trotz diverser Datenaustauschformate, sehr kompliziert ist, Volumeninformationen zwischen verschiedenen CAE-Systemen zu transferieren, was die Frage aufwirft, wieso es trotz des enormen Bedarfes bezügliches des Reverse Engineering Prozesses, noch kein Modul gibt, welches den komplizierten Datenaustausch zwischen den verschiedenen CAE-Systemen erübrigt.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit konnte ein Weg zur Erstellung eines vernetzbaren Modelles, welches auf der Basis von CT-Daten erstellt wurde und für die Analyse des Knochen-Implantat-Interfaces dienen soll, aufgezeigt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass hier noch ein hohes Potenzial für Verbesserungen vorhanden ist. Besonders die Schnittstellenproblematik, die den Datenaustausch zwischen den Softwaresystemen erschwert, ist bedenklich. Gerade die Problematik der Erstellung und Analyse von Biomodellen stellt einen immer wichtigeren Bestandteil in der Biomedizin dar. Daher sollte darüber nachgedacht werden, ein kompatibles System zu entwickeln, in dem alle Module die für den hier beschriebenen Reverse Engineering Prozess, beginnend von der Datenaufbereitung bis hin zur Vernetzung notwendig sind, beinhaltet.

Bezugnehmend zur Modellentwicklung sollte in weiteren Arbeiten damit begonnen werden, ein noch realistischeres Modell zu entwickeln. Um dies jedoch zu erreichen, müssen mehrere Materialzuweisungen im Modell möglich sein. Das heißt, eine eindeutigen Unterscheidung von Kortikales und Spongiosa ist notwendig. Weiterführend sollte ein Methode entwickelt werden, um die belastungsabhängigen anisotropen Eigenschaften des Knochen in die Analyse mit zu integrieren.

 

Ausblick

Bezugnehmend auf die Modellentwicklung sollte in weiteren Arbeiten damit begonnen werden, ein noch realistischeres Modell zu entwickeln. Um dies jedoch zu erreichen, müssen mehrere Materialzuweisungen im Modell möglich sein. Das heißt, eine eindeutige Unterscheidung von Kortikales und Spongiosa ist notwendig. Weiterführend sollte ein Methode entwickelt werden, um die belastungsabhängigen anisotropen Eigenschaften des Knochen in die Analyse mit zu integrieren.


Quellen

[Bert-92] Bertolini Rolf, Systematische Anatomie des Menschen, Ullstein
Mosby Verlag GmbH & Co. KG, Berlin, 1992, 4. Auflage


[Choi-02] Choi, J.-Y., Analysis of errors in medical rapid Prototyping
models, Int. J. Oral Maxillofac. Surgery, 2002; 31: 23-32

[Esen-04] Esenwein, S., A.,Klinische Anwendungsmöglichkeiten von
porösen Biomaterialien im Knochengewebe,
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Volume 35, Issue
4, (p 178-185), 2004
[Hierl-05] Hierl, Th., persönliche Gespräche 2005


[Häfn-98] Häfner, U., Virtual Reallity für CAD und FEM
http://vr.iao.fhg.de/papers/CAD_FEM_98-paper.pdf ; (05.09.2005)


[Bern-05] Berner Fachhochschule/Hochschule für Technik und
Informatik
http://venus.isburg.ch/wuetja/3d/modell/m02nurbseigen.htm ; (07.07.2005)


[Stein-05] Steinberg, B., Reverse Engineering Trimmed NURB Surfaces
From Laser Scanned Data;
http://prism.asu.edu/research/data/publications/paper98_retnsflsd.pdf ; (12.08.2005)


[Deck-03] Decker, F., Fluchtpunkt;
http://www.bitmanagement.de/documents/ix.1003.068-071.pdf ; (09.06.2005)


[Rain-05] Raindrop Geomagic online Training;
http://training.geomagic.com/# ; (05.09.2005)

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit.

 

Über den autor

Über den Autor


 

Alexander Bohne, geboren am 09.02.1975 in Altenburg.

 

  • Polytechnische Oberschule (1981-1991)
  • Studium bis zum Vordiplom (2001-2003):  HTWK - Leipzig
  • Bachelorstudiengang (2003-2004):  University of Paisley
  • Joint-Degree Masterstudiengang (2004-2007):  HTWK - Leipzig / University of Paisley
  • seit 2007-wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik in Halle

 

Impressum

Autor

Alexander Bohne
Am Stadtwald 8
D-04600 Altenburg
alexbohne(at)gmx.net
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (Universität Leipzig)

OA Dr. Med. R. Scholz
Orthopädische Klinik und Poliklinik
Universitätsklinikum Leipzig AöR
Liebigstraße 20,
D 04103 Leipzig
Betreuer ( Universität Leipzig )

Dipl.-Ing.(FH) Christian Voigt

Technischer Leiter des Labors für Biomechanik

Orthopädische Klinik und Poliklinik

Universitätsklinikum Leipzig AöR
Liebigstraße 20,
D 04103 Leipzig
christian.voigt(at)medizin.uni-leipzig.de

State of the Art - Zum Stand der Technik

Charakterisierung von Hybridstrukturen

Ein Hybrid besteht aus mindestens zwei oder mehreren Komponenten, die durch den gleichzeitigen Einsatz in einem Systemverbund ein neues Eigenschaftsprofil besitzen. Je unterschiedlicher die Werkstoffkategorien ursprünglich sind, desto größer ist das erzielbare Verbesserungspotenzial, wenn dabei jeweils die Vorteile der einen Komponente die Nachteile der anderen ausgleichen können. Ein solches unterschiedliches Portfolio an Eigenschaften zeigen Kunststoffe und Metalle. Zum Beispiel weisen Metalle hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, hingegen sind Kunststoffe mit hohen Bruchdehnungen gutmütiger für Verformungen. Die Automobilindustrie erkannte das Potential der Werkstoffkombination. Audi führte mit dem Frontend des Audi A6 1998 das erste Großserien-Hybridbauteil ein. Damit konnten Gewichtseinsparungen von 15 % erreicht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Herstellungskosten um 10 % [3].

Das Ziel der Hybridkonstruktion liegt darin, eine kosten- und ressourcensparende Lösung zu entwickeln, die Vorteile kombiniert und Nachteile kompensiert. In Tabelle 2.1 sind die Eigenschaften der beiden Verbundpartner dargestellt.

 

Tab. 2.1: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen [4,5]