Bioinzenjering i bioinformatika Disekcija.docx

  • Published on
    06-Nov-2015

  • View
    220

  • Download
    4

Embed Size (px)

Transcript

Fakultet inenjerskih nauka KragujevacUniverzitet u Kragujevcu

Seminarski rad

Predmet: Bioinenjering i bioinformatikaTema: Disekcija aorte

Studenti: Prof.dr: Nenad FilipoviSaa orevi 312/2013ore Vuleti 394/2013

Kragujevac 2014.SadrajUvod1Uzroci i faktori rizika2Simptomi3Proces 3D rekonstrukcije krvnog suda3Softver za obradu slika - Mimics3Rad u program Geomagic6Postupak rada Geomagic-u7Rezultati testiranja modela u FEMAPU11

UvodDisekcija aorte za razliku od aneurizme je urgentno stanje u hirurgiji. Neregulisan krvni pritisak i slabost zida aorte su glavni faktori rizika. Moe nastati na bazi aneurizmatski proirene aorte ali i potpuno nezavisno. Nastaje kada dodje do prskanja unutranjeg sloja aorte, kada krv prodire u zid aorte i raslojava ga. Nakon ovoga mogunost potpunog pucanja zida aorte dramatino raste tako da akutno nastalu disekciju treba pod hitno operisati.Aneurizma aorte je bolest koju karakterie proirenje aorte. Posledica je slabosti zida aorte razliitog porekla. Kada se prenik aorte poveava, raste i sila pritiska krvi na zid aorte to moe dovesti do prskanja aorte ili njenog raslojavanja ( disekcije aorte ). Uzlazna (ascedentna ) aorta je najosetljiviji deo aorte, i kada njen prenik predje 5 - 5,5 cm treba je operisati. Iako sama aneurizma aorte nije urgentno stanje, ve stanje koje treba na vreme leiti, vea proirenja aorte ipak treba leiti u to skorijem roku. Pojedine urodjene bolesti vezivnog tkiva kao naprimer Marfanov sindrom pogoduju nastanku aneurizme aorte.

Slika 1- Mogue lokalizacije disekcije grudne aorte

Uzroci i faktori rizikaU nastanku disekcije aorte sledei faktori igraju kljunu ulogu: Hipertenzija (povien krvni pritisak) je jedan od faktora rizika za nastanak disekcije aorte, jer dolazi do oteenja njenog zida (posebno endotela). Ateroskleroza takoe izaziva oteenje endotela (unutranjeg sloja zida), tako da se mogu javiti pukotine u endotelu iz kojih se razvija disekcija. Marfanov sindrom je uroen poremeaj u sintezi elastinih vlakana krvnih sudova (aorte), koji dovodi do slabosti njihovog zida (aorta je bogata elastinim vlaknima). Takoe moe se javiti i oboljenje cistina nekroza medije (srednjeg sloja aortnog zida), usled koga nastaju pukotine u njemu iz kojih moe nastati disekcija. Jatrogeni faktori npr. mehanika povrada aortnog zida u toku kateteritacije sranih arterija, plasiranja intraaortalne balon pumpe.. Mehanike povrede usled npr. saobraajnih nesrea, padova sa velike visine...Najee disekcija aote poinje stvaranjem pukotine u unutranjem delu njenog zida u endotelu i intimi.

Slika 2- Nastanak disekcije usled Slika 3- Nastanak disekcije usled pukotine pukotine intime medije

Krv koja protie kroz aortu ima visok pritisak (preko 120 mm Hg u toku sistole), tako da se male pukotine mogu vrlo brzo proiriti i zahvatiti dublje slojeve aortnog zida. Usled prodora krvi u srednji sloj i njenog kretanja dolazi do uzdunog cepanja ovog sloja, tako da nastaje jo jedan, lani lumen. Ova dva lumena odvojena su slojem intime i endotela. Dalji tok moe biti dvojak. Usled irenja pukotine moe doi do njenog ponovog spajanja sa pravim lumenom aorte, odnosno kroz novu pukotinu intime (unutranjeg sloja) krv se vraa u pravi lumen. Ukoliko doe do irenja pukotine prema spolja u spoljanjem sloju zida, moe doi do njegovog pucanja i tekog krvarenja (smrtnost je gotovo 100%).

Jedan deo disekcija aorte nastaje usled stvaranja pukotina i cista u njenom srednjem delu (medija), koje slabe zid aorte i mogu dovesti do disekcije i aneurizme. Ovakve promene javljaju se kod Marfanovog sindroma i cistine nekroze medije.

SimptomiU poetku gotovo da i nema simptoma, ponekad se mogu osetiti pulsacije. Jedan od simptoma moe biti i razlika u krvnom pritisku izmeu leve i desne ruke. Nagla pojava simptoma u vidu jakih, otrih bolova (koji se etaju), oka, gubitka svesti su ve poodmakli znaci cepanja arterijskog zida. Disekcija ushodnog dela aorte moe dovesti do sranih poremeaja kao to su: insuficijencija aortnog zida, infarkt, perikardna tamponada.Proces 3D rekonstrukcije krvnog sudaU procesu 3D rekonstrukcije krvnog suda, radimo na odreivanju granica u 2D modelu a zatim povezivanje tih granica u 3D objekte. Proces 3D rekonstrukcije krvnog suda poinje od primene jednog ovakvog algoritma na seriji IVUS snimaka kojim se dobijaju granice krvnog suda. Na osnovu toga formira se model krvnog suda u obliku mree konanih elemenata i takav model je spreman za primenu u razliitim simulacijama u biomedicini. U cilju dobijanja to vernijeg modela (modela koji najvie odgovara relanom stanju) krvnog suda, dalji razvoj ovog algoritma ii e u pravcu poboljanja tako da se dobije najvei mogui stepen glatkosti konture. Ovime bi se izbegli pikovi na konturi to u 3D reprezentaciji moe rezultirati izrisanim zidovima krvnog suda.Softver za obradu slika - MimicsMimics je softver za obradu slika, za 3D dizajn i modeliranje, razvijen od strane Materialise NV, belgijska kompanija specijalizovana u proizvodnji aditiva softvera i tehnologije. Mimics se koristi za kreiranje 3D modela iz gomile 2D slika. Ovi 3D modeli se zatim mogu koristiti za razliite inenjerske aplikacije.Na rad u Mimics-u zasnivao se na dobijanju 3D model iz slika koje su nastale pomou CT skenera (pacijent Bovanovi Ilonka). Zadatak je bio da se izdvoji aorta od ostalih organa, kako bi se dobio 3D, model na kome je mogue vriti testiranja.

Postupak rada u Mimics-uNa poetku rada u Mimics-u potrebno je slike sa CT skenera uitati u program (File/Import Image/Bovanovic Ilonka/Open), Nakon cega biramo orijentaciju CT snimka i postavljamo ga u uspravni poloaj Slika 4. Po pdesavanju orjentacije dobija se radno okruenje kao na Slici 5.

Slika 4. Orijentacija CT snimka

Slika 5. Mimics radon okruenjeKako bi se to bolje izdvojila aorta od ostaloh organa, potrebno je prepoznati je na slikama i pozicionirati se na njen poetak (u naem sluaju na 200-tu sliku). Od pomenute slike potrebno je uraditi selektovanje (Slika 6)selektuju se svi slajsevi preko kojih se prostire aorta i dodaje (Threshold), od pocetka karotide preko abdomenalne aorte do kraja torzionog dela (u naem sluaju do 0-te slike).

Zatim sledi dugotrajan proces deselektovanja konture karotide, koji se obavlja pomou operacije Remove-Deselect. Na sledeoj slici (Slika 7) prikazan je izgled jedne pravilno deselektovane slike konture karotide. Ovaj proces deselektovanja potrebno je ponoviti za sve slike na kojima se prepoznaje karotida i njena kontura.

Slika 6. Selektovanje i dodavanje Threshold-a Slika 7. Deselektovane konture karotideU toku i po zavretku procesa deselektovanja slika, moemo izvriti pregled uraenog dela aorte klikon na Calculate (prikazano na slici ispod).

Klikon na Calculate vri se proraun i za rezulta imamo izgled aorte u 3D obliku

Sada je potrebno izvriti razdvajanje aorte po vidljivoj pukotini, na dva dela, kako bi prilagodili aortu za rad u narednom programu (Geomagic Studio). Razdvajanje vrimo tako to prvo briemo jednu polovinu aorte, a zatim drugu. Izgled razdvojenih delova aorte prikazan je na slikama 8.

Slika 8. Razdvojeni delovi aorte Levi i Desni lumenDalji tok rada odvija se u program Geomagic Studio 2013, i bie objanjen u narednim koracima. Oba ova dela potrebno je snimiti u STL format kako bi mogli biti uitani u Geomagic. Potrebno je uitati svaki lumen zasebno.Rad u program GeomagicGeomagic softverski proizvodi su fokusirani na proces 3D zarobljavanja u korisne 3D podatke tako da modeli mogu da se koriste u inenjerstvu, dizajnu proizvoda, umetnosti, arheologiji, medicinskim procedurama i arhivske svrhe. Ova tehnologija se iroko koristi u obrazovnim institucijama i istraivakim i razvojnim objektima u medicinske, stomatoloke i bio-mehanike svrhe. Podrka formata datoteka za 3D modele ukljuuje sve standardne formate 3D neutralne, kao i plug-in podrku direktno u glavnoj CAD platformi.

Postupak rada Geomagic-uPri pokretanju programa, potrebno je izvriti uitavanje pojedinanih delova aorte (jedne, pa druge polovine) iz razloga jednostavnijeg sreivanja mree koja se formira na 3D modelu.Potrebno je poravnati neravnine na delovima aorte korienjem odredjene palete alata.

Detektuje i popunjavanje svih otvorenih trouglia na mrei.

Popunjavanje samo prethodno oznacenih delova

Dodatna podeavanja koja omogucavanju kontrolisanje dodatnih komandi za popunjavanje upljina

Slika 9. Prikaz uredjenog lumena sa konvertovanom mreom

Formiranu mreu na 3D modelu, potrebno je urediti tako da broj trouglia iz kojih je mrea formirana bude manji od 50000, tako da geometrija ostane ne naruena. Sreivanje mree se obavlja pomou sledeih alata:Detektuje i poravnava otre trouglie na mrei.

Ublaava poligon mree, smanjenjem uglova izmeu pojedinih poligona.

Alat za runo ublaavanje poligona mree

Pri sreivanju mree treba obratiti panju na otre delove (trouglie), koji se najee javljaju na mestima gde je dolazilo do seenja modela. Svi otri delovi (trouglii) moraju biti uklonjeni kako ne bi dolo do naruavanja geometrije, kako bi se mogla izvriti simulacija i dobiti ispravni rezultati. Potrebno je voditi racuna o ulazima i izlazima na samoj aorti kako bi se mogla sto preciznije izvrsiti simulacija.Kada je na oba dela aorte mrea zadovoljavajua, potrebno je oba dela uvesti u Geomagic i izvriti njihovo spajanje kako bi se stvorila jedna celina.

Slika 10. Priprema levog i desnog lumena za spajanje u jednu celinuSada je potrebno povezati ova dva dela, opciom za izgradnju mosta preko rupe, kako bi model dobio svoj konaan izgled i bio spreman za testiranje.Pre spajanja potrebno je na oba dela napraviti upljine, kako bi fluid mogao da dopre do svake od polovina i na kraju zatvoriti celu geometriju .(Slika 11).

Slika 11. Spajanje levog i desnog lumena u jednu celinuNakon zavrenog spajanja i uredjivanja mree na 48,793 trouglica model je spreman za poslednji korak izgled modela je prikazan na slici 12.

Slika 12-Konaan izgled modelaZadnji korak je uvanje modela u STL fajlu kako bi smo mogli isti ucitati u Femapu, po ucitavanju modela aktiviramo opciju (Quality) koja nam pomae u pronalaenju malih nepravilnih trouglica tako sto ih boji u crvenu boju. Potrebno je prebrisati sve crvene trouglice i ponovo ih konvertovati.

Rezultati testiranja modela u FEMAPUSheare strees (Smicajni napon)

NAPOMENA: Rezultati prikatani na skali su izraeni u Paskalima (Pa).Pressure (Pritisak)NAPOMENA: Rezultati prikatani na skali su izraeni u Paskalima (Pa).12