XVII. econ Konferencia és ANSYS Felhasználói Találkozó Hazay Máté, Bakos Bernadett, Bojtár Imre hazay.mate@epito.bme.hu PhD hallgató Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Tartószerkezetek Mechanikája Tanszék 1/22
1 Bevezetés Problémafelvetés, motiváció. 2 3 4 Modell bemutatása Geometria, virtuális topológia, kontaktok, anyagmodellek, hálózás, terhek és peremfeltételek. Modell validálása Műtét rekonstruálása, eredmények összehasonlítása a klinikai mérésekkel. Virtuális kísérletek Numerikus szimulációk különböző koponyamegnyitások esetén. 5 Eredmények Eredmények bemutatása és értékelése, összefoglalás. 2/22
3/22
Problémafelvetés, motiváció [1] Traumás agysérülések epidemiológiája A klinikai kezelés elsődleges célja a nyomás csökkentése mely az alábbi módokon érhető el: Eltávolítják a koponya egy részét hogy az agyszövet expandálhasson. Az agyszövet kitüremkedik, ami extrém nyúlásokat okozhat. Gyógyszeres kezeléssel Sebészeti beavatkozással A műtét általános értékelése: Elfogadottan hatékony módja a nyomás csökkentésének. Megkérdőjelezhető hatékonyság: nagyobb túlélési arány, de a komoly károsodások kockázata is nagyobb a műtéttel kezelt betegeknél. Hatékony alkalmazás korlátja: a műtét optimális végrehajtási módja a megnyitás helyét és méretét illetően nem ismert. 4/21
5/22
Modell bemutatása I.: Geometria Páciens CT-i Transzformáció CT sorozat Szegmentálás Nyers STL Simítás és rekonstruálás Sima STL Térfogatok készítése Önkéntesek CT-i (egészséges állapot) háló háló CAD geometria Szegmentálás Külső agyvíztér Agyszövet Agykamrák 3D Slicer-ben Felület simítása Meshlab-ban [2] SpaceClaim-ben CAD geometria Nyitott koponya Agykamrák Agyszövet Falx (Nagyagysarló) 6/21
Modell bemutatása II.: Virtuális topológia és kontaktbeállítások [2] Kontaktbeállítások: Virtuális topológia készítése manuálisan: Koponya - Agyszövet: Koponya Agyszövet Falx - Agyszövet: 7/21
Modell bemutatása III.: Anyagmodellek és hálógenerálás Anyagmodellek: Koponya: [2] Brain tissue Hyperelastic (2nd order Ogden) Falx: Patch independent hálógenerálás: Agyszövet: Lokális sűrítés a perem mentén 8/21
Modell bemutatása IV.: Terhek és peremfeltételek Kiindulási (terheletlen) állapot Kezdeti nyomások Egészséges állapot: normális nyomás Szövet duzzadása Pre-Op állapot: megnövekedett nyomás Műtét végrehajtása Post-Op állapot: lecsökkent nyomás Támaszok: Falx és Sagittal sinus kapcsolata: Agyszövet és agyvíz kapcsolata: [2] Fiktív hőteher: Duzzadás Előírt elmozdulás: Koponya megnyitása Felületi nyomások: Agyvíz eltávozásából származó nyomáscsökkenés 9/21
10/21
Műtét rekonstruálása Kiindulási (terheletlen) állapot Kezdeti nyomások Egészséges állapot: normális nyomás Szövet duzzadása Pre-Op állapot: Műtét végrehajtása Post-Op állapot: megnövekedett nyomás lecsökkent nyomás [3] [Hgmm] Elmozdulások Nyomás 11/21
Modell validálása Kiindulási (terheletlen) állapot Páciens CT felvétele Kezdeti nyomások Egészséges állapot: normális nyomás Elmozdulások Szövet duzzadása Pre-Op állapot: Műtét végrehajtása Post-Op állapot: megnövekedett nyomás lecsökkent nyomás Nyomások Megfigyelés: [3] Pre-op állapot: [Hgmm] Szimuláció: Post-op állapot: [Hgmm] 12/21
Agyszövet extrém deformációi és feszültségcsúcsok [3] Von Mises feszültségek [MPa] Maximális nyírási szögtorzulások [-] [-] 13/21
Agyszövet nyomásviszonyai és főnyúlásai [3] Intrakraniális nyomás [Hgmm] Maximális főnyúlások [-] 14/21
15/21
Virtuális kísérletek elvégzése Elmozdulások Nyomás Max. főnyúlások Max. szögtorzulások [4] [Hgmm] [-] [-] [Hgmm] [-] [-] [Hgmm] [-] [-] [Hgmm] [-] [-] 16/21
17/21
Károsodott relatív térfogat [%] Nyomás [Hgmm] Károsodott relatív térfogat [%] Virtuális kísérletek eredményei és a többcélfüggvényes optimalizáció [5] Koponyamegnyitás felülete [cm^2] Koponyamegnyitás felülete [cm^2] Pareto-front (a lehetséges optimális megoldások halmaza) Kritérium tér Pareto-féle kiegyensúlyozott optimum Megnyitás optimális felülete: 100 cm^2 Ideális pont (a függvényértékek minimuma alapján) Nyomás [Hgmm] 18/21
19/21
Összefoglalás, eredmények értékelése [5] 1) A végeselemes analízis egy használható eszköz az agyszövet biomechanikai viselkedésének modellezésére. Ennek köszönhetően lehetőségünk adódik a műtét optimalizálására, hogy a szükséges nyomáscsökkenést minél kisebb alakváltozások árán érhessük el. 2) A vizsgált feladat bonyolultsága ellenére (szabálytalan geometria, nagyfokú nemlinearitások, összetett anyagi viselkedés, stb.) a modellezés elvégezhető az ANSYS speciális technikáinak köszönhetően. 3) Az elkészített és kalibrált modelleket a klinikán mért eredmények alapján validáltuk. A validálás sikeressége alapján elmondható, hogy az alkalmazott modellezési koncepció alkalmazható a műtét optimalizálására. 4) Numerikus szimulációkkal megvizsgáltuk, hogy hogyan módosul az agyszövet viselkedése különböző koponyamegnyitások esetén. 5) Az eredményeink alapján elmondható, hogy a koponyamegnyitás felülete és a nyomáscsökkenés között egy közel lineáris kapcsolat létezik. 6) A károsodott relatív agytérfogat nemlineáris trend szerint növekszik a koponyamegnyitási felület függvényében. 7) A Pareto-féle optimálással gyakorlati szempontból csak egy erősen korlátozott eredményt érhetünk el abból adódóan, hogy a Pareto-front rendkívül sok lehetséges megoldást tartalmaz. Gyakorlati szempontból ennél hasznosabb eljárás az, amelynél a nyomáscsökkenés célértékének definiálásával határozzuk meg az optimális koponyamegnyitási felületet. 20/21
Köszönetnyilvánítás: Ezt a kutatást a Magyar Kormány az ÚNKP-17-3 Kutatói Ösztöndíjjal támogatta. Ezúton köszönöm a Pécsi Idegsebészeti Klinika és az econ Engineering Kft. munkatársainak a kutatásomban nyújtott segítségüket! e-mail: mhazay@epito.bme.hu ibojtar@mail.bme.hu 21/21