Ανάλυση στοιχείων τομογραφίας και μοντελοποίηση ανθρώπινου σώματος

Abstract

Biomechanics field has three crucial characteristics which separate it from the “conventional” knowledge fields. First the subjects of study are usually living systems with time-varying properties. Second is that access to such systems is allowed only through non-destructive methods and in short period of time to ensure that the properties will not alter significantly. But experience has shown that the use of non-destructive methods for measurements and diagnosis is time-consuming and unfriendly to the researcher-engineer. The third is related to the uniqueness of each living system. Despite the fact that living systems may share common geometric characteristics, it was never observed in nature the existence of two geometrically identical living systems. This means that if we want to conduct simulations for two living systems, for example femoral bones, even though their geometrical differences might be insignificant, the modelling process should be repeated. The investigation of the reduction of the required time for a simulation in the field of biomechanics, through the personalization of the process and its simplification with the aid of automations, is the subject of the current doctoral thesis.In more detail the current doctoral thesis investigates all aspects of modelling in the field of biomechanics, starting from the early stage of the CT Scanning until the ready to run solver file, in order to identify the steps that are time consuming. Then, to address these problems, it is proposed a new modelling process. The main idea of the proposed modelling process is the exploitation of the repeated geometric patterns of living systems and for the first time it is made a proposal of all the characteristics of the system within which the new process can be materialized. This is achieved initially with the recognition of the geometrical features and then the classification of the living systems in a database based on them. For the first time specific feature lines are proposed and code names are assigned to them. Consequently those feature lines are used for the automated finding of a geometrically compatible template finite element model, with the subject of study, through a fast and simple three stage process (1.Code name, 2.Length of feature line, 3.Area between the main feature line of the template model and the corresponding of the subject of study). Finally these curves are used by the proposed morphing algorithms that affect the finite element mesh with ultimate goal the matching of the geometry of the preexisting template model to the geometry of the subject of study. In this way the reusability and personalization of template models of living systems is achieved, while simultaneously the most time consuming steps of the modelling process are avoided such as the creation of the three dimensional geometry out of the CT scan.

Το πεδίο της εμβιομηχανικής έχει τρία χαρακτηριστικά καθοριστικής σημασίας που την κάνουν να ξεχωρίζει από τα «συμβατικά» γνωστικά πεδία. Το πρώτο είναι ότι τα υπό μελέτη συστήματα είναι κυρίως έμβια με χρονικά μεταβαλλόμενες ιδιότητες. Το δεύτερο χαρακτηριστικό αφορά στο γεγονός ότι η πρόσβαση σε αυτά τα συστήματα επιτρέπεται μόνο με μη καταστρεπτικές μεθόδους και μάλιστα σε σύντομο χρονικό διάστημα ώστε οι ιδιότητες του συστήματος να μη μεταβληθούν σημαντικά. Η εμπειρία όμως έχει δείξει ότι η χρήση μη καταστρεπτικών μεθόδων μέτρησης και διάγνωσης είναι χρονοβόρα και μη φιλική για τον ερευνητή-μηχανικό. Το τρίτο χαρακτηριστικό σχετίζεται με τη μοναδικότητα κάθε έμβιου συστήματος. Παρά τα κοινά γεωμετρικά χαρακτηριστικά που μπορεί να μοιράζονται τα έμβια συστήματα, ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί στη φύση ύπαρξη απόλυτα γεωμετρικά όμοιων έμβιων συστημάτων. Αυτό σημαίνει πως αν θέλουμε να διεξάγουμε προσομοιώσεις για έμβια συστήματα, για παράδειγμα μηριαία οστά, ακόμη και αν οι γεωμετρικές διαφορές μεταξύ τους είναι ασήμαντες, θα πρέπει να επαναληφθεί η διαδικασία μοντελοποίησης. Η διερεύνηση του τρόπου μείωσης του απαιτούμενου χρόνου για τη διεξαγωγή μίας προσομοίωσης στο χώρο της εμβιομηχανικής μέσω της εξατομίκευσής της απαιτούμενης διαδικασίας, αλλά και της απλούστευσής της μέσω αυτοματισμών, αποτελούν το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής.Αναλυτικότερα, στη διατριβή αυτή διερευνούνται όλες οι πτυχές της μοντελοποίησης στον πεδίο της εμβιομηχανικής, ξεκινώντας από το αρχικό στάδιο της σάρωσης στον αξονικό τομογράφο, μέχρι το τελικό αρχείο προς επίλυση, προκειμένου να εντοπιστούν βήματα της διαδικασίας μοντελοποίησης που οδηγούν σε σπατάλη χρόνου. Εν συνεχεία, για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών, προτείνεται μία νέα διαδικασία μοντελοποίησης. Η προτεινόμενη διαδικασία μοντελοποίησης έχει ως κεντρική ιδέα την αξιοποίηση των επαναλαμβανόμενων γεωμετρικών μοτίβων των έμβιων συστημάτων και για πρώτη φορά προτείνονται όλα τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα σύστημα μέσα στο οποίο θα υλοποιείται. Αυτό επιτυγχάνεται αρχικά με την αναγνώριση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και την ταξινόμηση των έμβιων συστημάτων σε βάση δεδομένων, βάσει των χαρακτηριστικών αυτών. Για πρώτη φορά προτείνονται συγκεκριμένες χαρακτηριστικές καμπύλες και γίνεται θέσπιση της κωδικής ονομασίας. Στη συνέχεια αυτές οι καμπύλες αξιοποιούνται για την αυτοματοποιημένη εύρεση συμβατού γεωμετρικά, γενικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με το υπό μελέτη, μέσω μίας γρήγορης και απλής μεθόδου τριών φάσεων (1.Κωδική ονομασία, 2.Μήκος κύριας χαρακτηριστικής καμπύλης, 3.Εμβαδό μεταξύ κύριας καμπύλης γενικού με την αντίστοιχη του υπό μελέτη έμβιου συστήματος). Τέλος αυτές οι καμπύλες αξιοποιούνται από τους αλγόριθμους μορφοποίησης που προτείνονται και επηρεάζουν το πλέγμα πεπερασμένων στοιχείων, με απώτερο στόχο την ταύτιση της γεωμετρίας του προϋπάρχοντος γενικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με αυτή του υπό μελέτη. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η επαναχρησιμοποίηση και εξατομίκευση γενικών μοντέλων έμβιων συστημάτων, με ταυτόχρονη αποφυγή επανάληψης των πιο χρονοβόρων βημάτων της διαδικασίας μοντελοποίησης, όπως για παράδειγμα η δημιουργία της τρισδιάστατης γεωμετρίας από τα δεδομένα του αξονικού τομογράφου.