The accuracy of the reproduction of the lumbar spine elements following CT and MRI projections

• Autorzy: Kroczak P. , Skalski K. , Nowakowski A. , Mróz A.

Identyfikatory

DOI

10.2478/meceng-2014-0030

Warianty tytułu

PL

Dokładność odwzorowania elementów segmentu kręgosłupa lędźwiowego po projekcjach tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of factors influencing the accuracy of reproduction of geometry of the vertebrae and the intervertebral disc of the lumbar motion segment for the purpose of designing of an intervertebral disc endoprosthesis. In order to increase the functionality of the new type of endoprostheses by a better adjustment of their structure to the patient’s anatomical features, specialist software was used allowing the processing of the projections of the diagnosed structures. Recommended minimum values of projection features were determined in order to ensure an effective processing of the scanned structures as well as other factors affecting the quality of the reproduction of 3D model geometries. Also, there were generated 3D models of the L4-L5 section. For the final development of geometric models for disc and vertebrae L4 and L5 there has been used smoothing procedure by cubic free curves with the NURBS technique. This allows accurate reproduction of the geometry for the purposes of identification of a spatial shape of the surface of the vertebrae and the vertebral disc and use of the model for designing of a new endoprosthesis, as well as conducting strength tests with the use of finite elements method.

PL

W artykule przedstawiono analizę czynników, które wpływają na dokładność odwzorowania geometrii kręgów i krążka międzykręgowego segmentu ruchowego kręgosłupa lędźwiowego, na potrzeby projektowania endoprotezy krążka międzykręgowego. W celu zwiększenia funkcjonalności nowego typu endoprotez poprzez lepsze dopasowanie ich konstrukcji do cech anatomicznych pacjenta, wykorzystywano specjalistyczne oprogramowanie, które umożliwiło przetwarzanie projekcji zdiagnozowanych struktur. Zgromadzone dane medyczne, pochodzace z projekcji tomografii komputerowej oraz rezonansu magnetycznego zostały opracowane i zestawione w utworzonej bazie danych. Poszczególne zbiory różniły się między sobą właściwościami (rozdzielczością, wielkością pojedynczego piksela, liczbą rastrów, odstępem pomiędzy rastrami oraz grubością rastrów). Na ich podstawie wygenerowano trójwymiarowe modele. Określono zalecane wartości minimalne cech projekcji, które zapewniają efektywne przetwarzanie skanowanych struktur oraz inne czynniki wpływające na jakość odwzorowania geometrii modeli 3D. Do końcowego opracowania modeli geometrycznych krążka oraz kręgów L4 i L5 wykorzystano procedurę wygładzania poprzez kubiczne krzywe swobodne techniką NURBS. Dzięki temu możliwe jest dokładne odwzorowanie geometrii w celu identyfikacji przestrzennego kształtu powierzchni kręgów i krążka międzykręgowego oraz wykorzystania modelu do zaprojektowania nowej endoprotezy, a także do przeprowadzenia badań wytrzymałościowych metodą elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

total disc replacement; human spine; computed tomography; magnetic resonance imaging; 3D geometric modelling

PL

całkowita wymiana dysku; ludzki kręgosłup; tomografia komputerowa; rezonans magnetyczny; modelowanie geometryczne 3D

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. LXI, nr 4
• Strony: 523--538
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Kroczak P.

• Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-131 Poznań, Poland

autor

Skalski K.

• Politechnika Warszawska, Zakład Konstrukcji Maszyn i Inżynierii Biomedycznej, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Poland

autor

Nowakowski A.

• Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, ul. Fredry 10, 61-701 Poznań, Poland

autor

Mróz A.

• Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-131 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Farin G.E.: Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design, Academic Press, 1995.
• [2] Piegl L., Tiller W.: The NURBS Book, Springer, Berlin, 1995.
• [3] Siczek M.: Tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny dla studentów kierunku informatyka, Wydawnictwo Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Lublin 2011.
• [4] Skalski K., Grygoruk R., Werner A.: Grafika Komputerowa- Modelowanie geometryczne laboratorium, Wpływ metod opisu krzywych i powierzchni na dokładność modelowania geometrycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2006, pp. 70-91.
• [5] Bagley L.J.: Imaging of Spinal Trauma, Radiol Clin N Am 44 (2006), pp. 1-12.
• [6] Lu Y.M., Hutton W.C., Gharpuray V.M.: Can variations in intervertebral disc height affect the mechanical function of the disc? Spine, vol. 21, No. 19, 1996, pp. 2208-2217.
• [7] Olszewska M., Gąska A.: Porównanie różnych urządzeń metrologicznych wykorzystywanych w zastosowaniach biomedycznych, Postępy Nauki i Techniki, Nr 6, 2011, pp. 155-163.
• [8] Radziszewski K.R.: Analiza porównawcza aktywności zawodowej pacjentów z dyskopatią lędźwiową leczonych wyłącznie zachowawczo bądź operowanych, Wiadomości Lekarskie, 2007, LX, Nr 1-2, pp. 15-21.
• [9] Rho J., Hobatho M., Ashman B.: Relation of mechanical properties to density and CT number on human bone, Med. Eng. Phys. Vol. 17, No. 5, 1995, pp. 347-355.
• [10] Ryniewicz A.: Accuracy assessment of shape mapping using computer tomography, Metrology and Measurement Systems, Vol XVII (2010), Nr 3, pp. 481-492.
• [11] Skoworodko J., Skalski K., Kędzior K., Zagrajek T., Borkowski P.: Implant krążka międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego, Przegląd Lekarski, 2004/61, pp.147-150.
• [12] Skalski A.: Segmentacja 3D danych medycznych pochodzących z tomografii komputerowej oraz endoskopowych zapisów wideo, Rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków 2009.
• [13] Brzeski P., Ćwiek D., Kędzior K., Skalski K., Smolik W., Szabatin R., Świeszkowski W.: Application of X – ray Computer Tomography to an Anthropometric Study of Elbow Joint bones, Proceed. 8th IMEKO BMI’98, Dubrownik, Croatia, September 1998, pp. 10-10/10-13.
• [14] Świeszkowski W., Skalski K., Kędzior K., Werner A.: Przetwarzanie obrazów tomograficznych oraz modelowanie geometryczne kości stawów w systemie CAD, Mater. X. Konf. Naukowa Biocybernetyki i Inżynieria Biomedyczna, grudzień 1997, Warszawa, pp. 622-625.
• [15] Werner A., Skalski K., Kędzior K., Świeszkowski W.: Modelowanie geometryczne elementów układu kostnego człowieka z wykorzystaniem tomografii komputerowej i systemów CAD, Mater. I Sympozjum Inż. Ortopedyczna i Protetyczna, Białystok, czerwiec 1997, pp. 217-226.