Modellerstellung auf der Basis von Computertomographie-Daten

die Geometrie der zu untersuchenden Struktur, das Materialverhalten der Struktur, physiologische Randbedingungen. Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Übersicht über das vorliegende Arbeitsgebiet: Um eine individuelle Analyse für jeden Patienten zu ermöglichen, müssen die lokalen Gegebenheiten, also die Geometrie, das Materialverhalten und die physiologischen Randbedingungen in die Modellerstellung mit einfließen. Für die Modellerstellung scheinen daher Datenbilder eines Computertomographen (CT) in besonderem Maße geeignet, da sie die eine Abbildung des menschlichen Körpers in vivo liefern. Bei den CT-Bildern handelt es sich um Schichtaufnahmen eines Körpers mittels der Röntgentechnik.
		Abb.1: Übersicht über das Arbeitsgebiet

Dabei werden Absorptionsmessungen eines um den Körper rotierenden Strahler-Detektor-Systems (Abbildung 2) aufgenommen und anschließend auf ebene Schichten vom Computer umgerechnet. Die digitalen Bilder liegen nach der Aufnahme durch den Computertomographen im genormten radiologischen ACR-NEMA Dateiformat vor. Jeder Datenpunkt eines CT-Bildes repräsentiert ein Viereck (Pixel), das sich aus dem Quotienten des Scanfelddurchmessers und der Pixelauflösung des gescannten Bildes ergibt. In Kombination mit der abgetasteten Schichtdicke ergibt sich für jeden Bildpunkt ein quaderförmiges Volumen, ein sogenanntes Voxel. Die FAM arbeitet dabei sowohl mit Daten des Visible Human Project1, als auch mit CT-Daten aus lokalen Krankenhäusern.   1 The Visible Human Project, USA    http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html
		Abb.2: Prinzipskizze eines Computertomographen

Die FAM hat Applikationen entwickelt, die es ermöglichen, eine möglichst schnelle und automatisierte Segmentierung der Knochenstrukturen des menschlichen Bewegungsapparates aus CT-Bildern vorzunehmen. Dabei wird das Visualisierungssystem AVS-Express als Grundlage der Benutzungsoberfläche eingesetzt. Durch geschickten Einsatz und Kombination verschiedener implementierter Filtertechniken wird durch das Programm FAM-FiltCT (Abbildung 3) die Datensegmentierung erheblich vereinfacht, indem der manuelle Aufwand auf ein Minimum reduziert wird. Nach der Datensegmentierung ergibt sich ein Volumen, das sich aus denjenigen Voxeln zusammensetzt, welche zur segmentierten Struktur gehören. Ein segmentierter Wirbelkörper ist in Abbildung 4 dargestellt.
		Abb.3: Screenshot FAM-FiltRad

Aus den so segmentierten Daten lässt sich auf zwei Arten die Geometrie der segmentierten Daten abbilden: Bei der Geometrieorientierten Finite-Elemente -Modellerstellung (FAM-BoneCAD) wird die segmentierte Struktur in ein CAD (Computer Aided Design)-Modell überführt [1], [2]. Bei den CAD-Modellen handelt es sich um Freiformflächenmodelle, die ein geschlossenes Volumen umschließen. Diese Modelle werden bei der FAM mit dem Programmsystem I-DEAS der Firma SDRC generiert. Ein Arbeitsgebiet der FAM ist die Automatisierung der CAD-Modellerstellung. Die Modelle können nach der Generierung mit dem Netzgenerator des Programms I-DEAS vernetzt und zur Simulation weiterverarbeitet werden. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Methode, wenn der Einbau von Implantaten und Prothesen simuliert werden soll, da die volle Funktionalität des CAD-Programms hier zum Einsatz kommen kann. Einige Modelle sind in folgenden Abbildungen dargestellt.
		Abb.4: Voxelmodell eines segmentierten Wirbels

Die Voxelorientierte Finite-Elemente-Modellerstellung (FAM-BoneFEM) dient zur direkten Überführung der segmentierten CT-Daten in ein Finite-Elemente-Modell. Dabei kommen Datenreduktionen und Projektionsmethoden zum Einsatz [3]. Die FAM konnte in den letzten Jahren weitreichende Erfahrungen und Kenntnisse auf diesem Forschungsgebiet sammeln. Die Abbildung 6 zeigt einige, mit FAM-BoneFEM erzeugten FE-Netze. Dieses Verfahren ist vollautomatisch und benötigt somit keine programmspezifischen Kenntnisse des Benutzers. FAM-BoneFEM eignet sich insbesondere zur Simulation von ungeschädigten Knochenstrukturen, da zur geometrischen Modifikation von FE-Netzen derzeit keine Programme zur Verfügung stehen.

Abb.6: v.l.: FE-Netz einer Hüftpfanne, eines Oberschenkelknochens und eines Wirbelkörpers

Das Materialverhalten, hierbei insbesondere der Elastizitätsmodul, kann, wie von Carter & Hayes beschrieben, aus der physikalischen Dichte innerhalb eines Elementes berechnet werden. Da sich die Absorptionsmessungen des Computertomographen proportional zur physikalischen Dichte verhalten, lassen sich die Dichten jedes Finiten Elementes durch Integration der korrespondierenden CT-Dichtewerte berechnen. Theoretisch kann so jedem Element ein eigenes Materialverhalten zugewiesen und somit den lokalen Steifigkeitsänderungen Rechnung getragen werden. Untersuchungen der FAM auf diesem Gebiet ergaben, daß diese Vorgehensweise jedoch nicht praktikabel ist, da die Rechenzeiten exponentiell mit der Anzahl der Materialien im Modell steigen. An einer Applikation zur sinnvollen Umsetzung der CT-Dichtewerte in Materialdaten wird gearbeitet.

Die physiologischen Randbedingungen werden in der FAM durch Absprache mit Medizinern und unter Zuhilfenahme entsprechender Literatur an die erstellten Modelle angepasst. Anschließend erfolgen die numerischen Simulationen der erstellten Modelle.

Veröffentlichungen:

• J. Weiser:
  Automatisierte Erstellung von individuellen Computermodellen zur Simulation des menschlichen Bewegungsapparates mittels der Finite-Elemente-Methode. Fortschritt-Bericht VDI, Reihe 17: Biotechnik/Medizintechnik Nr. 220, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2002.

• J. Weiser, G. Kullmer, H. A. Richard:
  FAM-BoneCAD - automatic generation of CAD-models for bone structures from radiological data
  In: J. Middleton, N. G. Shrive, M. L. Jones (Eds.): Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering - 4, 2001, CD-ROM Proceedings of the 5th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering, Rome, Italy, 2001.
   

• J. Weiser, G. Kullmer, H. A. Richard:
  FAM-BoneFEM - A new application for the automatic generation of individual FEM models for bone structures from radiological data
  In: J. Middleton, N. G. Shrive, M. L. Jones (Eds.): Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering - 4, 2001, CD-ROM Proceedings of the 5th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering, Rome, Italy, 2001.

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