H-4012, Debrecen Pf Debreceni Egyetem - Informatikai Intézet

Átírás

1 3D modell készítése ortopédiai műtétek szimulálásához Csernátony Zoltán 1, Hajdu András 2, Manó Sándor 3, Zörgő Zoltán 2 1 Debreceni Egyetem - Ortopédiai Intézet H-4012, Debrecen Pf. 16 csz@jaguar.dote.hu 2 Debreceni Egyetem - Informatikai Intézet H-4010 Debrecen Pf. 12 {hajdua zorgoz}@inf.unideb.hu 3 Debreceni Egyetem - Műszaki Főiskolai Kar H-4028 Debrecen Ótemető u molnarsz@jaguar.dote.hu Absztrakt. Az orvosi informatika egyik egyre nagyobb kihívásokkal szembesülő ágazata a műtéti tervezés, a beavatkozások számítógépes szimulációja. Az új műtéti eljárások kidolgozásánál ez a megközelítés különösen nagy előnyt jelent, hiszen az olcsó tesztelés mellett a várható eredmények is megbecsülhetők. A klinikus így egy egyszerű röntgen vagy akár CT felvétel által nyújtottnál sokkal konkrétabb adatokkal rendelkezhet még mielőtt egyetlen szikevágás is történne. Ez a cikk a 2002-es KÉPAF3 konferencián bemutatott problémafelvetés és előzetes vizsgálatok óta elért eredményeket tárgyalja. Egyfelől a műtéti szimulációs keretrendszerhez kötődő megvalósításokat a megjelenítés, kezelőfelület és a végeselemes elemző rendszer összekapcsolásában történt előrelépéseket másfelől esettanulmányként egy új csontnyújtási eljárás végeselemes vizsgálatát közöljük. 1. Bevezetés Az orvosi képalkotást szolgáló technológiák és berendezések, mint a CT, MRI, PET vagy SPECT szelet- vagy vetületi képeket szolgáltatnak. Ezek felbontása, képminősége különböző. Egyesek az emberi test anatómiai aspektusait, mások a test működéséből származó adatokat rögzítik. Ezek a berendezések maguk is biztosítanak némi megjelenítési lehetőséget, de ezek távol vannak attól, hogy további feldolgozásra közvetlenül alkalmasak legyenek. Nem utolsó sorban majdnem minden ilyen berendezés alkalmas képi adatokat és egyéb információkat tartalmazó közismert orvosi fájlformátumokban exportálni. Ilyen formátum például a DICOM [13]. Ezeket az állományokat más gyártók által készített számítógépes programokkal lehet feldolgozni. Sok kereskedelmi és nyílt kódú vagy ingyenes projekt létezik ebben a témában, és ezek kiváló eredményeket értek el a megjelenítésben, egyes szervek vagy szövetstruktúrák felületének rekonstrukciójában, nagyban

2 2 Csernátony Zoltán és mtsai megkönnyítve ezzel a diagnózist felállító orvosok munkáját (lásd [6, 7, 11, 15]). Néhány alkalmazás speciális műtéti beavatkozásokhoz nyújt segítséget. Ígéretes eredmények mutatkoznak még a távgyógyászat, az egészségügyi felsőoktatásban alkalmazható virtuális környezetek létrehozása, és a számítógéppel támogatott prototípusgyártás területein is, lásd például [9,14,16]. Ha összekapcsoljuk a felület- és testrekonstrukciós technikákat a mérnöki szoftverek (pl. CAD rendszerek [18]) nyújtotta testmodell-szerkesztő lehetőségekkel és a végeselemes elemzést lehetővé tevő (FEM/FEA) szoftverekkel [17, 19], olyan gyakorlati alkalmazásokat hozhatunk létre amelyek alkalmasak például az egyes műtéti beavatkozások hatékonyságát becsülni és értékelni. Kutatásaink célja az ortopédia területén használható szoftveralkalmazások létrehozása, különös tekintettel a csontműtétekre. Kiinduló adatként a CT berendezés által szolgáltatott képfájlokat használjuk. Egyfelől egy új beavatkozás elméleti vizsgálatát végezzük, másfelől egy eset-orientált, interaktív alkalmazást fejlesztünk a csípőízület hibáit javító műtéti beavatkozások szilmulálására és elemzésére. Ez a két irányvonal sok részfeladat tekintetében átfedi egymást. Ilyen például a tulajdonképpeni képadatok kinyerése az egyes orvosi fájlformátumokból, a képek javítása, a megfelelő szegmentációs technika kiválasztása, CADorientált testfelépítés, adatcsere a FEM/FEA eszközzel, a virtuális beavatkozás geometriájának megfelelő leírása. Egy igen fontos, mégis sokszor mellőzött szempont ilyen alkalmazásoknál, annak a figyelembe vétele, hogy nagyon kevés orvos képzett informatikai vagy mérnöki területen. Ezért javasolt a szoftver feladatainak leszűkítése egy jól meghatározott célterületre, sőt egy általános eszközzel szemben előnyösebb egy könynyen bővíthető, de előre rögzített útvonalakat alkalmazó program. Ezért úgy véljük, hogy a végeselemes szoftver felületének közvetlen használata nem lenne megfelelő a virtuális műtétek tervezésére. Tehát vagy létrehozunk speciális munkafelületeket a végeselem rendszeren belül, vagy olyan különálló grafikus alkalmazást készítünk, amely képes kétirányú kommunikációra a FEM/FEA szoftverrel. 2. Modellépítés 2.1. A CT adatfájlok Ahogy azt fentebb említettük, az első lépés a tulajdonképpeni képadatok kinyerése az orvosi képfájlból. A CT képek képpontjai azt reprezentálják, hogy egy anatómiai keresztmetszet térfogatrészei (voxel) milyen mértékben nyelik el a röntgensugarakat. Így a képpontok a sugárelnyelés mértékének 12 biten ábrázolt egészértékű megfelelőjét tartalmazzák, és nem színinformációkat. Hogy a sugárterhelést a lehető legnagyobb mértékben csökkentsék, élő szervezetek szeknnelésénél a szeletek távolságát a lehető legnagyobbra veszik. A legtöbb esetben a szeletvastagság sokkal kisebb, mint a szeletek közötti távolság, így hasznos részletek veszhetnek el, főként az emberi test összetettebb részeinél. Megjelenítési célokra a hiányosságokat kijavíthatjuk különböző interpolációs technikák segítségével, de az elvesztett anatómiai részletek nem pótolhatók.

3 3D modell készítése ortopédiai műtétek szimulálásához Képjavítás és szegmentálás Mivel az egyes szövettípusoknak rájuk jellemző mértékben nyelik el a röntgensugarakat, az intenzitás-ablak alkalmazása csak egyszerű megjelenítéshez elegendő. Mindazonáltal különböző szövettípusok azonos mértékben nyelhetnek el sugarakat, így az ablak alkalmazása után az általunk választott céltartományon (VOI, Volume Of Interest) kívül más szövetekből is maradhatnak részek. Néhány hagyományos eljárást lehet itt alkalmazni, mint a morfológiai vagy a frekvenciatartományban végzett szűrés [3, 8], de léteznek a CT képek szegmentációjára kifejlesztett technikák is, mint például az, amelyről [12] oldalon olvashatunk. Megvizsgáltunk más módszereket is, mint a tartománynövelés és a gradiens alapú szegmentálás [3, 8]. Mivel a projektünk a csontszövetekre koncentrálódik, ezek a megközelítések kielégítő eredményekhez vezettek Testmodell építése A projekt végső célja olyan alkalmazás kifejlesztése, amely napi használatú segédeszköze lehet a műtéttervezésben a CAD rendszerekben nem jártas orvosoknak is. Mivel az alkalmazásnak struktúra jellegű adatokat kell átadni egy végeselemes modellező és elemző programnak, a testadatokat geometriailag megfelelő módon kell reprezentálni. Jelentős különbség van az egyszerű felületmegjelenítés és a CAD szemléletű testrekonstrukció között. Az térfogati adatokat merevtest-primitívekkel kell leírni, és az itt használatos elvek alapján összerakni: kulcspontok, parametrikus görbék, vonalsorok, görbült és síkfelületek, térfogati és merev testek. Amikor a vizsgált területek (ROI, Region Of Interest) kontúrpontjaiból görbéket készítünk, csak azokat a pontokat választjuk ki alappontnak, amelyek környezete gyorsan változik. Így átlagosan 10-15%-ra csökkentjük a pontok számát. Az eljárás alapöltlete a [3, 8] forrásanyagokban található. A görbékből felületeket állítunk össze, a felületekből testeket [5]. A legnagyobb gondot az okozza, hogy a CAD rendszerek szabályos alakú objektumok kezelésére lettek kialakítva, az emberi csontok pedig nem ilyenek. Ahhoz azonban, hogy a végeselemes rendszer lehetőségeit használjuk, ez a megközelítés elkerülhetetlen. Továbbmenve, a virtuális műtéti beavatkozást is ezen a reprezentáción kell végrehajtani, vagy oly módon, hogy a módosult geometriát könnyű legyen előállítani. Mivel a különböző CAD fájlformátumok közötti átjárás sokszor hibákat eredményez, úgy döntöttünk, hogy a testmodel felépítését a FEM szoftveren belül végezzük el a szoftver által nyújtotta technológiákat felhasználva. Több FEM szoftver tesztelése után mi az ANSYS-t választottuk a feladatra [17]. A 1. ábrán egy 20cm-es combcsont darab (femur diaphysis) geometriája felépítésének lépései láthatók az ANSYS-ban. Az eljárás során egy ANSYS szkript fájlt generálunk, melyet a szoftver végrehajt. Ezt a módszert könnyen alkalmassá lehet tenni a több darabból álló, vagy több üreget tartalmazó csontszerkezetek felépítésére is. A mi esetünkben az AN- SYS testek közötti Boole műveletei igen hatékony eszköznek bizonyultak. A változó topológiájú részek (elágazások a csontban) kezelése komoly kihívást jelent, jelenleg is vizsgáljuk a lehetőségeket.

4 4 Csernátony Zoltán és mtsai 1.ábra: A combcsont testmodell felépítésének lépései. 3. A virtuális műtét megvalósítása 3.1. Síkbeli megközelítés Néhány esetben a beavatkozás geometriája lehetővé teszi, hogy azt a kétdimenziós szeleteken hajtsuk végre a testek helyett. A csavarvonalú vágást használó combcsontnyújtás jó lehetőségeket biztosít ilyen kísérletekhez. A javasolt műtéti eljárás elméleti leírását [2] tartalmazza. Tekintve az elméleti vágóeszköz időbeli mozgását egyetlen 3D-s objektumként (2. ábra, bal oldal), majd véve ennek metszetét a CT szeletek síkjával (2. ábra, jobb oldal, sötét rész), a két szintre vágott képeken a metszetnek megfelelő részeket a háttér színére festjük (3. ábra bal oldal). 2.ábra: Az eszköz útjának egy része és annak egy síkmetszete. Ezt a technikát alkalmazva az előbb vázolt testmodell építés után már a módosított csontstruktúrát kapjuk minden további beavatkozás nélkül. A 3. ábrán az eredményül kapott 3D-s objektumban látszik a vágószerszám síkmetszeteiből összeállított testtel együtt, amelyet egy köztes megtözelítésben használtunk. Minden esetben egy ANSYS szkriptet generáltunk, így azt végrehajtva eredményül a kívánt testet kaptuk. A csípőízület-korrekciós műtét esetén is modellezhetők 2D-ben egyes beavatkozások, de a ROI-k kijelölése a szeletsorozaton nehezebb.

5 3D modell készítése ortopédiai műtétek szimulálásához 5 3.ábra: A módosított szeletkép és az eredményül kapott objektum. Egy jó köztes megoldás lehet a test pontjainak rendezetlen halmazként való kezelése is Háromdimenziós megközelítés A csontnyújtás szimulálásánál az általunk alkalmazott 3D-s megközelítés a 2.3. alfejezetben leírt modellépítés és közönséges CAD testszerkesztés kombinációja. Először felépítettük a combcsont középső diafízisnak nevezett részét, majd ugyanabban a koordinátarendszerben, a csont tengelyét felhasználva, egy olyan merevtestet készítettünk egy CAD rendszerben, amely a vágószerszám időbeli útjának felel meg. Ez utóbbit úgy álítottuk elő, hogy a megadott tengely mentén csavarvonalú kiterjesztést (helical extrusion) alkalmaztunk egy téglalapra. A kiterjesztés paramétereinek a tervezett csontműtét paramétereit választottuk (vastagság, menetemelkedés). A két merevtest egymásból történt kivonása után a kívánt testet kaptuk (4. ábra). 4.ábra: A combcsont modellje a beavatkozás után. A csípőízület esetén a terület 3D-s rekonstrukciója sokkal bonyolultabb, főleg a CT szeletek távolságából adódó információvesztés miatt. Sok esetben az egymást követő CT szeletek nagyon különböznek egymástól. Itt az interpoláció nem segít, ezért az általános módszereket kell specializálni annak érdekében, hogy a felhasználói beavatkozás szükségessége a lehető legjobban csökkenthető legyen. A virtuális beavatkozások elvégzésére készített felület GLUT-alapú, és tartalmaz létező térhálók importálására, és a FEM/FEA szoftver felé történő expotálásra

6 6 Csernátony Zoltán és mtsai alkalmas eszközöket. A már említett szkripkészítés mellett megpróbáljuk kihasználni az ANSYS által nyújtott térháló kezelési eszközöket is, az adatcsererét a térháló állományokra koncentrálva. Így lehetőségünk van például az OpenGLben használt tetraéder-hálót beolvasni ANSYS-ba végeselem elemzés céljából és visszafelé a megjelenítés számára (5. ábra). 5.ábra: A virtuális műtétek számára fejlesztett OpenGL felület. 6.ábra: A furat környékén kialkult feszültség. 4. Eredmények A fentebb bemutatott tesmodell építést használva csupán a belső reprezentáció szkript nyelvre való fordítását kell elvégeznünk. A test anyagparamétereinek megadása szintén beágyazható a szkriptbe. Mi lieáris izotropikus [1] illetve ortotropikus [4] anyagmodelleket használtunk. A kényszerfeltételek és a húzóelmozdulások alkalmazása után megvizsgáltuk a testben fellépő egyenlő feszültésget (von Misses). Azt tapasztaltuk, hogy a legnagyobb feszültség a vágás kezdeti és végpontjai mellett alakul ki (6. ábra), ezért további vizsgálatokat folytattunk a csatornát záró furatok formája és iránya tekintetében. Jelenleg folynak a nem egyenletes menetemelkedésű csavarpályák vizsgálatai, melyektől a

7 3D modell készítése ortopédiai műtétek szimulálásához 7 nyújthatóság további javulását várjuk. A további vizsgálatok megkönnyítése érdekében megfelelő vastagfalú csövekkel is végeztünk számításokat és megállapítottuk, hogy a kiszámított értékek nagy mértékben korrelálnak. Az eredményekről részletesebben a [10]-ben olvashatunk. Irodalom 1. H. Abé, K. Hayashi, and M. Sato (Eds.): Data Book on Mechanical Properies of Living Cells, Tissues, and Organs, Springer-Verlag, Tokyo, Z. Csernátony, L. Kiss, S. Manó, L. Gáspár and K. Szepesi: Multilevel callus distraction. A novel idea to shorten the lengthening time, Medical Hypotheses, R. C. Gonzalez, and R. E. Woods: Digital image processing, Addison-Wesley, Reading, MA, R. Klabunde, E. Roland, W. R. Taylor, S. E. Clift, L. Rakotomanana: Experimental validation of an orthotropic FE-model using modal analysis, 12th Conference of the European Society of Biomechanics, Dublin, A.L. Marsan: Solid model construction from 3D iamges,(pdf, PhD dissertation) The University of Michigan, K. Radermacher, C. V. Pichler, S. Fischer, G. Rau: 3D-Visualisation in Surgery, Helmholtz-Institute Aachen, L. A. Ritter, M. A. Liévin, R. B. Sader, H-F. B. Zeilhofer, E. A. Keeve: Fast Generation of 3D Bone Models for Craniofacial Surgical Planning: An Interactive Approach, CARS/Springer, M. Sonka, V. Hlavac, and R. Boyle: Image processing, analysis, and machine vision, Brooks/Cole Publishing Company, Pacific Grove, CA, Tsai Ming-Dar, Shyan-Bin Jou, Ming-Shium Hsieh: An Orthopedic Virtual Reality Surgical Simulator (PDF), ICAT Zoltán Zörgő, András Hajdu, Sándor Manó, Zoltán Csernátony and Szabolcs Molnár: Analyzis of a new femur lengthening surgery, IEEE IASTED International Conference on Biomechanics (BioMech 2003) (2003), Rhodes, Greece, Biomechanics/ Ansys Online Manual 18. CADKey Online Manual 19. MSC Patran/Nastran Online Manual