Virtual and material models of human thoracic-lumbar spine with compressive fracture based on patients' CT data and the rapid prototyping technique

• Autorzy: Dąbrowska-Tkaczyk A. , Floriańczyk A. , Grygoruk R. , Skalski K. , Borkowski P.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie wirtualne i materialne złamań kompresyjnych odcinka piersiowo-lędźwiowego kręgosłupa pacjenta z wykorzystaniem danych CT oraz technologii szybkiego wytwarzania prototypów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the development procedures for both virtual 3D-CAD and material models of fractured segments of human spine formulated with the use of computer tomography (CT) and rapid prototyping (RP) technique. The research is a part of the project within the framework of which a database is developed, comprising both 3D-CAD and material models of segments of thoracic-lumbar spine in which one vertebrae is subjected to compressive fracture for a selected type of clinical cases. The project is devoted to relocation and stabilisation procedures of fractured vertebrae made with the use of ligamentotaxis method. The paper presents models developed for five patients and, for comparison purposes, one for a normal spine. The RP material models have been built basing on the corresponding 3D-CAD ones with the use of fused deposition modelling (FDM) technology. 3D imaging of spine segments in terms of 3D-CAD and material models allows for the analysis of bone structures, classification of clinical cases and provides the surgeons with the data helpful in choosing the proper way of treatment. The application of the developed models to numerical and experimental simulations of relocation procedure of fractured vertebra is planned.

PL

W pracy zostały przedstawione procedury opracowania modeli wirtualnych i materialnych uszkodzonych, w efekcie urazów lub długotrwałej patologii, odcinków kręgosłupa pacjentów oraz przykłady wykonanych modeli. Przedstawione w pracy modele wirtualne opracowano na podstawie danych CT pięciu pacjentów oraz jednego przypadku odcinka kręgosłupa prawidłowego. Tworzona jest tym samym baza danych modeli segmentów kręgosłupa piersiowo-lędźwiowego z jednym trzonem złamanym kompresyjnie dla wybranej klasy przypadków klinicznych. Modele te posłużyły następnie do wykonania ich odpowiedników materialnych w technice szybkiego wytwarzania prototypów (rapid rototyping - RP). Zastosowana została technologia FDM (fused deposition modeling). Wizualizacja segmentów lub odcinków kręgosłupa poprzez tworzenie modeli wirtualnych i materialnych daje możliwość analizy struktur kostnych, klasyfikacji i oceny przypadków oraz rozważenie możliwych wariantów leczenia urazu. Przewiduje się wykorzystanie opracowanych modeli do przeprowadzenia numerycznej oraz doświadczalnej symulacji nastawiania odłamów złamanego trzonu. Praca jest częścią realizacji projektu dotyczącego procedur leczenia, nastawiania i stabilizacji złamanego trzonu kręgu metodą ligamentotaksji.

Słowa kluczowe

EN

thoracic-lumbar spine segment; vertebra compressive fracture; computer tomography; CT; virtual 3D-CAD model; rapid prototyping; RP; material model

PL

odcinek piersiowo-lędźwiowy kręgosłupa; trzon kręgu złamany kompresyjnie; tomografia komputerowa; CT; model wirtualny 3D-CAD; szybkie prototypowanie; RP; model materialny

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. LVIII, nr 4
• Strony: 425--440
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Dąbrowska-Tkaczyk A.

autor

Floriańczyk A.

autor

Grygoruk R.

autor

Skalski K.

autor

Borkowski P.

• Institute of Mechanics and Printing, Warsaw University of Technology, 85 Narbutta, Warsaw 02-524, Poland,

Bibliografia

• [1] Antonacci M., Eismont F.: Neurologic complications after lumbar spine surgery, J Am. Academy Ortop. Surg., 2001, vol. 9, no. 2, 137-145.
• [2] Bibb R., Thompson D., Winder J.: Computed tomography characterization of additive manufacturing materials, Medical Engineering & Physics, 2011, vol. 33, 590-596.
• [3] Bochenek Α., Reicher Μ.: Anatomia człowieka, Tom I, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2007.
• [4] Borkowski P.: Badanie i ocena funkcjonalności nowej konstrukcji endoprotezy wydłużalnej dla pacjentów dorastających, Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, 2009.
• [5] Chapman J.R., Dettori J.R., Norvell D.C.: Spine Classifications and Severity Measures, AOSpine International, Thieme, 2009.
• [6] Chlebus E.: Innowacyjne technologie rapid prototyping - rapid tooling w rozwoju produktu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003.
• [7] Chua C. K., Leong K.F., Lim C.S.: Rapid Prototyping: Principles and Applications, 3rd edition, World Scientific Publishing Company, 2010.
• [8] Cierniak R.: Tomografia komputerowa. Budowa urządzeń CT. Algorytmy rekonstrukcyjne Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2005.
• [9] Dąbrowska Tkaczyk Α., Floriańczyk Α., Skalski K., Kwiatkowski K., Cejmer W.: A surgery simulation of fractured vertebral body relocation on segment of animal spine, Acta of Вioengineering and Biomechanics, 2011 (in redaction).
• [10] Dąbrowska-Tkaczyk Α.: Evaluation Method for orthotropic properties of the bone tissue "in situ", Proc. of 36th Solid Mechanics Conference, Gdańsk, 2008, 2p.
• [11] Dabrowska-Tkaczyk Α., Pawlikowski Μ.: Influence of remodeling stimulating factor selection on bone density distribution in pelvic bone model, Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2006, vol. 8, no. 2,119-126.
• [12] Dabrowska-Tkaczyk Α., Domański J., Lindemann Z., Pawlikowski Μ., Skalski K.: Stress and strain distributions in the bones of hip joint assuming non-homogenous bone material properties, Proc. of II Int. Conf. on Computational Bioengineering 2005, vol. 2, 263-275.
• [13] De Castro I.J.C., Shimano A.C., Bellucci A.D., Defino H.L.A.: Experimental study of ligamentotaxis maneuvers sequencing in vertebral canal decompression, Acta Orthopédica Brasileira, 2008, vol. 16, no. 5, 291-295.
• [14] Denis F.: The three column spine and its significance in the classification of acute thoracolumbar spine injuries, Spine 8, 1983, 817.
• [15] Esses SI., Sachs BL., Dreyzin V.: Complications associated with the technique of pedicle screw fixation. A selected survey of ABS members 1993, Spine, 2231-2238.
• [16] Gebhardt Α.: Generative Fertigungsverfahren. Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing, Hanser Fachbuch, 2007.
• [17] Gibson I., Stucker В., Rosen D.: Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, Springer, 2009.
• [18] Holdsworth F. Fractures: Dislocations, and fractures-dislocations of the Spine, J Bone Join Surg, vol. 52-A, no. 8, 1970, 1534-1551.
• [19] Jun-Hong Min, Jee-Soo Jang, Seok-Kang Kim, Dae Hyeon Maeng, Sang-Ho Lee: The ligamentotactic effect on a herniated disc at the level adjacent to the anterior lumbar interbody fusion: report of two cases, J Korean Neurosurg Soc, 2009, vol. 46, 65-67.
• [20] Lonstein J., Denis F., Perra J., Pinto M., Smith M., Wine R.: Complications associated with pedicle screws, J Bone Joint Surg (Am), 1999, vol. 81 A, no. 11, 1519-1528.
• [21] Magerl F., Aebi Μ., Gertzbein S.D., Harms J., Nazarian S.: Comprehensive Classification of Thoracic and Lumbar Injuries, Eur Spine Journal, 1994, J3:184-201.
• [22] McAfee P., Yuan HA, Fredrickson BE, Lubicky JP.: The value of computed tomography in thoracolumbar fractures, J Bone Jonit Surg. vol. 65-A. no. 4, 1983, 461-473.
• [23] McMinn: Fotograficzny atlas anatomii człowieka, Wydawnictwo Medyczne Urban&Partner, Wrocław, 2006.
• [24] Mueller L.A., Mueller L.P., Schmidt R., Forst R., Ruding L.: The phenomenom and efficiency of ligamentotaxis after dorsal stabilization of thoracolumbar burst fractures, 2006.
• [25] Rhin A.F., Yang N., Fisher Ch., Saravanja D., Smith H., Morrison W.B., Harrop J., Vaccaro A.R.: Using magnetic resonance imaging to accurately assess injury to the posterior ligamentous complex of the spine: a prospective comparison of the surgeon and radiologist, J. Neurosurg. Spine, 2010, vol. 12, 391-396.
• [26] Rohlmann Α., Gabel U., Graichen F., Bender Α., Bergmann G.: An instrumented implant for vertebral body replacement that measures loads in the anterior spinal column, Med. Eng. Phys., 2007, vol. 29, no. 5.
• [27] Schwartz T.D., Reisdorff E.J.: Radiologia wypadkowa, Wydawnictwo CZELEJ Sp. z o.o., Lublin, 2002.
• [28] Skalski K., Bossak M., Granowski R., Werner Α.: Zastosowanie wirtualnego i szybkiego prototypowania w procesie projektowania endoprotez dopasowanych, Materiały IV Francusko-Polskiego Seminarium Naukowego "Modelowanie i Symulacja Układów Fizycznych i Struktur Technicznych", Warszawa, 1999, Politechnika Warszawska - Universite des Science et Technologies de Lille, 21-33.
• [29] Skalski K., Haraburda M., Bossak M., Kędzior K., Smolik W.: Ocena alloplastyki stawu biodrowego poprzez szybkie prototypy stereolitograficzne kości i endoprotez, I Krakowskie Warsztaty Inżynierii Medycznej, 18-19.05.2000 r., Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Kraków 2000, 147-153.
• [30] Skoworodko J.: Metodyka projektowania implantu międzykręgowego kręgosłupa lędźwiowego. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, 2008.
• [31] Steffe A.D., Brantigan J.W: The variable screw placement spinal fixation system. Report of a prospective study 250 patients enrolled in Food and Drug Administration clinical trials. 1993, Spine 18 1160-1172.
• [32] USS Fracture System Original Instruments and implants of the Association for the Study of Internal Fixation - AO/ASIF.
• [33] Yamauchi Т., Yamazaki M., Okawa Α., Furuya Т., Hayashi K., Sakuma Т., Takahashi H., Yanagawa N., Koda Μ.: Efficacy and reliability of highly functional open source DICOM software (OsiriX) in spine surgery, Journal of Clinical Neuroscience, 2010, vol. 17, 756-759.
• [34] Zięba Ł., Dąbrowska-Tkaczyk Α.: Wirtualna stabilizacja kręgosłupa człowieka po złamaniu kompresyjnym na odcinku piersiowo-lędźwiowym. Aktualne Problemy Biomechaniki, Politechnika Śląska, Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, z. 5, Gliwice 2011, 189-194.
• [35] CatalystEX® Pomoc programu.
• [36] www.materialise.com (2011).
• [37] www.stratasys.com (2011).