Bilgisayar Destekli Organ Mühendisliği Temel Yaklaşımları. Basic Approaches To Computer Aided Organ Engineering

Transkript

1 BiyoTeknoloji Elektronik Dergisi Cilt: 1, No: 1, 2010 (27-34) Electronic Journal of BioTechnology Vol: 1, No: 1, 2010 (27-34) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale (Short Communication) Özgür VERĐM 1, Süleyman TAŞGETĐREN 1, Mustafa ÖKSÜZ 2 1 Afyon Kocatepe Üniversitesi Makine Eğitim Bölümü Afyonkarahisar 2 Celal Bayar Üniversitesi Plastik ve Rekonstrüktif Cerrahi Anabilim Dalı Manisa ozgurverim@hotmail.com 1, drmustafaoksuz@hotmail.com 2 Özet Bu çalışmada bilgisayar destekli organ mühendisliğine örnek olarak Tibia kemik dokusunun bir takım programlar aracılıyla 3D modelinin oluşturulması ve farklı vücut kitle indeksine (VKĐ) sahip erkek insanların ayakta duruş pozisyonundaki Tibia kemiğinin dayanımı ölçülmüştür. Tibia kemiğine ait veriler Bilgisayarlı Tomografi cihazından alınmıştır. Bu veriler Biyomekanik programları aracılığı ile nokta bulutu haline aktarılmış ve ardından CAD programları ile 3D model formuna getirilmiştir. Sonrasında 3D model yardımıyla ANSYS programında dayanım analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu yapılan işlemler canlı dokusunun 3D modelinin çıkarılmasında bir yaklaşım yöntemi olarak görülmektedir. Anahtar Kelimeler: Organ Mühendisliği, Biyomodel, Biyomekanik Basic Approaches To Computer Aided Organ Engineering Abstract In this study a 3D model of tibia bone tissue is created using a set of computer programs and Tibia bone strength of male human with different body mass index (BMI) in erect position is measured. The data regard with Tibia bone is obtained from computerized tomography device and converted to point cloud by Biomechanical software. Then with the aid of CAD programs it is changed into 3D model which is used to perform strength analyses in ANSYS program. All these processes are the methods of approach for creating a 3D model of living tissue. Keywords: Organ Engineering, Biomodel, Biomechanics 1- GĐRĐŞ Bilgisayar teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte Bilgisayar Destekli Çizim (CAD), Bilgisayar Destekli Üretim (CAM), Bilgisayar Destekli Mühendislik (CAE), Tersine Mühendislik (RE) gibi modelleme ve üretim yöntemlerinin kullanımı yaygınlaşmaktadır [1-10]. Bu alanlardan biri de tıbbi görüntüleme sistemlerinden alınan verilerin analiz programlarına aktarım amacıyla kullanılmasıdır [11-13]. Bu modeller, kemik bölgesinin morfolojisini ve incelenen organın kemik dokusunun mekanik özelliklerinin dağılımını dikkate almaktadır. Son çeyrek yüzyılda sonlu elemanlar metoduyla (FEM) mühendislik mekaniğindeki yapıların analizlerinde köklü bir değişim meydana getirmelerinden sonra, iskelet parçalarının mekanik davranışlarının analizleri için kullanılan bu yeni metot ortopedi literatürün de yer almaya başlamıştır [14]. Bu alanda istenilen hedeflere birden fazla metot cevap vermektedir. Bu makaleye atıf yapmak için Verim Ö. 1, Taşgetiren S. 1, Öksüz M., BiyoTeknoloji Elektronik Dergisi 2010 (1) How to cite this article Verim Ö. 1, Taşgetiren S. 1, Öksüz M., Basic Approaches to Computer Aided Organ Engineering Electronic Journal of BioTechnology, 2010 (1) 27-34

2 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Martin Groesel ve arkadaşları Bilgisayarlı Tomografi (BT) çıktılarını 3D biomodellere dönüştürmek için alternatif bir metot sunmuşlardır. Bir at omurgasına ait tomografiden elde ettikleri çıktıları, 2D CAD programlarıyla uyumlu olarak çalışılabilmesi için öncelikle.tif formatına çevirmişler, ardından kemikli yapıyı spline aracı kullanılarak manüel olarak işaretlemiş ve sonraki işlem olan, her bir kemiğin sanal biomodelinin 3D CAD programlarıyla yapılması amacıyla.igs formatına çevirerek kaydetmişlerdir. Böylece BT çıktılarının farklı tabakaları doğru uzaklıkta konumlandırmış ve sonrasında tüm spline eğrilerini kapsayacak kapalı bir yüzey oluşturmuşlardır. Son olarak yüzeyi materyal ile kaplayarak katı bölüm oluşmasını sağlanmışlardır[15]. Alexander Bohne [16], BT cihazından alınan Pelvis kemiğine ait kesitsel görüntüleri Vworks programı aracılığıyla 3D modele VRML(.wrl) formatında aktarmıştır. Sonrasında 3D modeli, Amapi 3D.6 (ATGS Company) programı yardımıyla STL (Standard Triangulation Software) ve IGES (Initial Graphic Exchange Standard) formatlarına çevirmiştir. Ardından Catia ve Geomagic Studio 8 programlarıyla model üzerindeki bozuk yüzeyleri ve noktaları düzelterek analize hazır hale getirmiştir. Bu çalışmada, BT cihazlarından alınan insan Tibia kemiğine ait farklı kesit ve adımlardaki verilerle elde edilen modellerin farkı incelenmiş ve bu işlem sonucunda 3D veriler ANSYS ortamına aktarılarak farklı vücut kitle indeksine sahip insanların Tibia kemiklerinin mekanik dayanımı gözlenmiştir. 2- MALZEME VE METOD Mimics yazılımı aracılığıyla biomodellerin oluşturulmasında, kemik model oluşumu için CT verilerinden, yumuşak dokuların oluşturulması için ise MRI verilerinden faydalanılır. Programda model oluşturulması için belirli adımların izlenmesi gerekir. Bu adımlar şekil 1 de gösterilmektedir. Tıpta 3D model oluşturma ve analiz işlemleri çalışmaları, bilgisayar yazılımları ve tıptaki yeni gelişmelere bağlı olarak artış göstermektedir. Bu çalışmada ilgilenilen alan Tibia kemiğinin bütünüdür. Şekil 1. CT verilerinden 3D model verilerine kadar geçen aşamalar CT cihazından alınan DICOM formatındaki kemik verilerinin 3D modelinin oluşturulması için, önce program içerisindeki Bone (CT) ve HU (Hounsfield) değerinden faydalanmak suretiyle bacak içindeki kemiğin sınır çizgileri belirlenir. HU değeri program içerisinde tanımlı bir değer olup, en düşük 226, en büyük ise 3071 dir [15]. Programın bu değerinin yerine kendi belirlediğimiz farklı değerler de atayabiliriz. HU değeri aslında CT cihazındaki her bir 3D hücredeki x ışını zayıflatma (attenuasyon) değeri olarak tanımlanır [17]. Programdaki HU değerleri şekil 2 de verilmektedir. HU değeri ile sınır çizgileri belirlenen görüntüye program kendi tanımlı mask ını atar. Farklı malzemeleri tanımlamak istersek kendi belirlediğimiz renkte masklar atayabiliriz. Mask işlemi dâhilinde görüntülerden 28

3 Verim Ö., Taşgetiren S., Öksüz M. Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) kaynaklanan sınır çizgileri hataları düzenlenerek maskeleme işlemine son verilir. Bu işlemden sonra belirlenen maskların 3D modelleri oluşturulmaktadır. 3D model görüntüleri direk farklı formatlara dönüştürülebildikleri gibi Remeshing işleminden sonrada istenilen formatlarda da kaydedilebilir. Şekil 2. Mimics programındaki HU değerleri[18] Şekil 2 de görüldüğü gibi süngerimsi kemik (Trabecular bone) ve sert kemik (Cortical bone) yapılarının HU değerleri +200 ile arasındadır. Renk dağılımlarına bakıldığında, havanın siyah olduğu ve sert kemiğe gidildikçe önce gri, sonrasında ise beyaza dönüştüğü görülmektedir. Buradan, havanın, yağın ve suyun HU değerleri düşük olduğu için siyah rengi aldığını görebiliriz. Süngerimsi ve sert kemik yapılarının HU değerleri büyük olduğu için beyaza yakın renkler almaktadırlar. Bu makaledeki çalışma için kullanılacak malzeme olarak kendime ait Tibia kemiğinin, belirli adımlarla görüntüleri alınıp hassas 3D modeli oluşturulmaya çalışılmıştır. CT cihazından alınan verilerin sayısı ve adım değerleri tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1. CT cihazından alınan verilerin değerleri Adım (Pitch) Dicom veri sayısı Model A 1 mm 403 Model B 2 mm 203 Model C 3 mm 136 Tablo 1 de gösterilen veriler, SIEMENS-Sensation 40 marka üretimi, 120KV ve 65mAs değerlerine sahip Afyonkarahisar Devlet Hastanesine ait CT cihazından alınmıştır. Resim çözünürlük değeri 512*512 pixel, pixel boyutu ise 0.488mm dir. Bu çalışmada, Mimics programında düzenlenerek elde edilen 3D modeller, Remeshing modülünde üçgen kaliteleri artırılıp Solidworks 2009 programına aktarılacaktır. Buradan elde edilen model ANSYS programına aktarılarak istenilen analizler uygulanacaktır. 3- BĐOMEKANĐK MODELĐN OLUŞTURULMASI CT cihazından alınan veriler ile Tibia kemiğinin Trabeküler ve Kortikal kısımları Mimics programında ayrı ayrı modellenmiş, Remesh modülünde üçgenleri kaliteli hale getirildikten sonra Solidworks 2009 programı ile NURBS (Non-Uniform Rational Basis Splines) yüzeyler oluşturulmuştur. Şekil 3 te gösterilen CT cihazından alınan veriler Mimics programı ile 3D modele, ardından Solidworks programı ile Nurbs yüzeylere ve ANSYS programı ile analiz işlemlerine hazır hale getirilmiştir. 29

4 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Şekil 3. Tibia kemiğini analize hazırlama aşamaları CT de oluşturulmuş resim kayıtları taranmış insan bölgelerinin 2D kesitlerini göstermektedir. Üst üste bindirilerek oluşturulan kesit resimler uygun yazılımlar vasıtasıyla 3D model haline getirilirler. Şekil 4 te gösterilen resimde bu işlem Mimics programında kısaca özetlenmiştir. Şekil 4. Sol üst: Coronal plane, sol alt: Sagittal plane, sağ üst: Transverse plane, sağ alt: 3D Sanal model Elde edilen 2D resimler üzerinde kemik dokusunun ayrımını sağlamak için Thresholding işlemi uygulanmıştır. Bu işlemde resimlerdeki kemiklerin HU değerleri seçilerek diğer dokulardan ayrışması sağlanır. Şekil 5 te gösterilen farklı HU değerlerinin modellemedeki değişimleri verilmiştir. Bu değişimler sonucunda kemik için en uygun HU değerinin 226 olduğu anlaşılmıştır. HU değerlerinin artımları sonucunda kemik dokusunun değişimi kırmızı okla gösterilmektedir. HU değerlerinin yükseltilmesi ile kemik dokusunun ortaya çıktığı ve daha fazla yükseltme işlemi ile model üzerinde yumuşak dokulara doğru gidildiği belirlenmiştir. Belirlenen HU değerleri ile analiz öncesinde oluşturulan kemik modele Mimics programının Remesh modülü ile birtakım işlemler yapılır. Bu işlemleri 3 ana başlıkta toplanır[18]. 1- Modelin üçgen değerlerinin azaltılması 2- Modelin üçgen kalitesinin geliştirilmesi 3- Ekstra kabukların kaldırılması 30

5 Verim Ö., Taşgetiren S., Öksüz M. Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Şekil 5. Farklı Thresholding (HU) değerleri sonucundaki model değişimi Bu adımlar yardımıyla şekil 6 da kalite histogramı ile belirtilen renklendirilmiş kaliteli üçgenlerin sayısı artırılır. Şekildeki yeşil çizgiler düzgün üçgen sayılarını, sarı çizgiler, kırmızı ve yeşil arasındaki üçgen sayılarını, kırmızı çizgiler ise düzeltilmesi gereken üçgen sayılarını göstermektedir. Şekil 6. Remesh modülündeki modelin kalite histogramı Kalite iyileştirmesi yapılan üçgen modeller istenilen CAD veya FEA yazılımlarının desteklediği formatlara dönüştürülür. CAD programlarında üçgen yüzeyler yüzeylere dönüştürülerek analiz öncesi kaliteli modeller oluşturulur. 4- ÖRNEK UYGULAMA Remesh modüdülünde kalitesi artırılmış üçgenlerden oluşan Tibia kemiği Mimics programından nokta bulutu (point cloud,.txt) olarak SolidWorks programına aktarılır. Şekil 7 de nokta bulutu olarak alınan verilerin SolidWorks programında işlendikten sonraki durumu ve ANSYS programındaki durumu gösterilmektedir. CT cihazından alınan Model A, B, C verileri Mimics, Remesh ve SolidWorks programlarından sonra ANSYS programına alınarak analiz öncesinde sonlu elemanlar açısından ağ yapısı oluşturma işlemine tabi tutulur. Sırasıyla elde edilen modellemelere ait üçgen ve nokta sayıları tablo 2 de verilmiştir. 31

6 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Şekil 7. Tersine mühendislik kullanarak 3D modelin oluşturulması Parça Model A Model B Model C Tablo 2. Programlardaki modele ait nokta ve üçgen değerleri Mimics Remesh SolidWorks Üçgen Nokta Üçgen Nokta Üçgen Nokta Tablodan da görüldüğü gibi Mimics programında elde edilen değerler ANSYS programına gidildikçe düşüş göstermektedir. ANSYS programında isteğimize bağlı üçgen boyutları verdiğimiz için ANSYS bölümündeki değerler değiştirilebilir. Ayrıca CT cihazından elde edilen resim oranlarına göre modeldeki nokta ve üçgen sayıları artmaktadır. Örneğin Model A daki resim sayısı 136, Model B deki resim sayısı ise 203 dür. Buna bağlı olarak modellerdeki nokta ve üçgen sayıları da artmıştır. Sonuç olarak CT cihazında adım sayısı ne kadar düşerse o kadar kaliteli model elde edilir. CAD programına alınan Tibia kemiği üç kısımdan (Trabeküler, Kortikal ve Đlik) oluşmaktadır. Bu kısımların içyapılarına bağlı olarak mekanik özellikleri farklılık göstermektedir. Tablo 3 te Tibia kemiğin ait E, ν ve G değerleri doğrultulara bağlı olarak verilmiştir[19-22]. Tablo 3. Tibia kemiğinin ve mekanik özellikleri (MPa) Trabeküler kemik Kortikal kemik Kortikal ve Trabeküler kemik katmanlarının kalınlıkları boyunca değişimleri az olduğu için homojen olarak kabul edilmiştir. Kemik iliği, yağ ve sıvı içerdiği için mekanik özellikleri yok sayılmaktadır. Yukarıdaki Tibia kemiğine ait mekanik özellikler ile oluşturulan ANSYS modelinin analizi insanın beş farklı vücut kitle indeksi altında yapılmıştır. Şekil 8 de analiz değerlerinin sonuçlarına ait bilgiler yer almaktadır. Vücut kitle indeksi, insanın kilosunun boyunun karesine bölümü ile elde edilir. Analizde kullanılacak 1.74 m boyuna sahip insana ait vücut kitle indeksi değerleri 18(zayıf), 21(normal kilolu), 27(fazla kilolu), 35(obez) ve 41(ileri derecede obez) alınmıştır. 32

7 Verim Ö., Taşgetiren S., Öksüz M. Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Şekil 8. a- VKĐ 18 e (zayıf) ait Von-Mises (Eşdeğer) gerilme değerleri (Pa), b- Maksimum gerilmenin oluştuğu bölge, c- Gerilmelerin oluştuğu bölge Cismin sınır şartları insanın ayakta dik konumdaki pozisyonu dikkate alınarak uygulanmıştır. Tibia kemiğinin üst kısmına uygulanan kuvvet homojen olarak dağılmamıştır. Uygulanan kuvvetin %60 ı üst eklem yüzeyindeki medial kısma, %40 ı ise lateral kısma gelmektedir[22]. Analiz sonucunda maksimum gerilmenin alt eklem yerinde oluştuğu görülmektedir. Maksimum eşdeğer gerilmeler vücut kitle indeksinin artmasıyla paralel olarak artmaktadır. VKĐ=18 için maksimum gerilme 34,4 MPa, 21 için 41 MPa, 27 için 53 MPa, 35 için 69 MPa, 41 için 81 MPa olarak elde edilmektedir. Maksimum gerilmenin alt eklem bölgesinde oluşması, kilonun artmasıyla bu bölgede daha fazla sorunların ortaya çıkacağının göstergesi olacaktır. 5- SONUÇ Bu çalışmada, tıbbi amaçlar için CT ve MRI gibi medikal görüntüleme cihazlarından alınan verilerin kullanılmasıyla hastaların kemik veya dokuları modellenmiş ve üzerinde belirli sınır şartları altında statik analiz işlemleri uygulanmıştır. Bununla birlikte önceden kırılmış veya zarar görmüş kemik veya dokunun, muayene süresince hangi konumda olduğu belirlenebilir ve ona göre tedavi uygulanabilir. Bu yöntemin sağlıklı kullanılması için eksikliklerinin giderilmesi ve belirli bir sistematiğe oturtulması gerekir. 6- KAYNAKLAR 1. Zheng Wang, Haiyun Li, A novel 3D finite element modeling based on medical image for intervertebral disc biomechanical analysis, Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference Shanghai, China, September 1-4, S. Scheuermann, Biomechanische Auswirkungen verschiedener orthodontischer Miniimplantate auf den periimplantären Knochen- eine FEM Analyse, Mit Genehmigung der Medizinischen Fakultät der Universität München, Th. Hier, G. Wollny, F.P. Schulze, E. Scholz, J.G. Schmidt, G. Berti, J. Hendricks1 and A. Hemprich, CAD- CAM Implants in Esthetic and Reconstructive Craniofacial Surgery, Journal of Computing and Information Technology - CIT 14, 2006, 1, Wei-Chun Chang, M J Linden, S Robbins, C Mayott and P Engler, Computer Aided Stress Analysis Of The Femur With Prosthetic Hip Stem Utilizing Computed Tomography 33

8 Teknolojik Araştırmalar: BTED 2010 (1) Fulvia Taddei, Saulo Martelli, Barbara Reggiani, Luca Cristofolini, and Marco Viceconti, Finite-Element Modeling of Bones From CT Data: Sensitivity to Geometry and Material Uncertainties, ĐEEE Transactıons on Biomedical Engineering, Vol. 53, No. 11, November A. Sauer, F. Beneke, D. Bergers, G. Witt, Modelle und Prototypen für die Medizin, RTejournal Ausgabe 2, 2(2005) 7. P. J. Antunes, G. R. Dias, A.T. Coelho, F. Rebelo and T. Pereira, Non-Linear Finite Element Modelling of Anatomically Detailed 3D Foot Model 8. A. Özkurt, K. Özmehmet, Üç Boyutlu Medikal Veriden Sabit Değerli Eş Yüzey Üretim, 9. Zhang Quan, Yao Yuan, Hu Qingxi, Developing and optimizing a finite element model of human skeleton based on Mimics, Mimics Paper W. Sun, B.Starly, J.Nam, A.Darling, Bio-CAD modeling and its applications in computer-aided tissue engineering Computer-Aided Design 37 (2005) J. Lang, B. Erdmann, C. Kober, P. Deuflhard, H. F. Zeilhofer, R. Sader, Effiziente und zuverlassige Finite- Elemente-Methoden zur Simulation des menschlichen Unterkiefers, Berichte des IZWR, Band 1, 2003: FSU Jena. 12. A. K. Heine, Individuelle dreidimensionale Simulation von Weichteilveränderungen im Gesichtsbereich eine Finite-Elemente-Studie, Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades der Zahnheilkunde an der Medizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität zu München P., S. Götzburg, K. Entacher, A. Petutschnigg, M. Eichriedler, R. Forstner und H. Resch, Entwicklung von 3D-FE Modellen zur Simulation und Optimierung von Implantaten, Biomaterialien, 7(4), R. Huiskes, E., Y., S. Chao, A Survey of Finite Element Analysis in Orthopedic Biomechanics: The First Decade. J. Biomechanics 16(6), (1983) 15. M. Groesel, M. Gfoehler, C. Peham, Alternative solution of virtual biomodeling based on CT-scans, Journal of Biomechanics (2009) 16. A. Bohne, R. Scholz, Überführung eines CT-Datensatzen eines menschlichen Beckenknochens in ein Finite Elemente Modell, Universitataklinikum Leipzig. 17. B. Adapınar, R. Özkan, T. Kaya, Temel Radyoloji Tekniği, Nobel Tıp Kitapları. 18. Mimics User manual, Materialise; J., N. Mankovich, D., R. Robertson, A., M. Cheeseman, Three-Dimensional Image Display in Medicine, Journal of Digital Imaging, Vol 3, No 2 (May), I. Ionescu, T. Conway, A. Schinning, M. Almutairi, D., W. Nicholson, Solid Modeling and static Finite Element Analysis of Human Tibia, Summer Bioengineering Conference, Sonesta Beach Resort in Key Biscayne, Florida, C. Radu, 3D Modelling and Static Finite Element Analysis of Human Tibia, Advanced Engineering, 2(2008)1, ISSN G., N. Dudaa, F. Mandruzzatoa, M. Heller, J. Goldhahn, R. Moserd, M. Hehlic, L. Claesb, N., P. Haasa, Mechanical boundary conditions of fracture healing: borderline indications in the treatment of unreamed tibial nailing, Journal of Biomechanics 34 (2001)