Rekonstrukcja koêci twarzowo-czaszkowych w systemie Catia v5

Transkrypt

1 Rekonstrukcja koêci twarzowo-czaszkowych w systemie Catia v5 KRZYSZTOF ZARZYCKI KRZYSZTOF KARBOWSKI ROBERT CHRZAN ANDRZEJ URBANIK Systemy komputerowego wspomagania prac in- ynierskich znajdujà coraz szersze zastosowanie w medycynie, gdzie wykorzystywane sà najcz Êciej do modelowania koêci oraz planowania zabiegów operacyjnych [1 5]. W niniejszej pracy opisano zastosowanie systemu Catia do rekonstrukcji koêci twarzoczaszki i planowania zabiegu chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej. Catia v5 firmy Dassault Systemes [6] jest nowoczesnym, zintegrowanym systemem CAD/CAM/CAE, który oferuje bogaty zestaw narz dzi programowych. Zaliczana jest do oprogramowaƒ klasy high-end. Mgr in. Krzysztof Zarzycki jest absolwentem Politechniki Krakowskiej, dr in. Krzysztof Karbowski jest pracownikiem Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechniki Krakowskiej, a dr Robert Chrzan i dr hab. med. Andrzej Urbanik sà pracownikami Collegium Medicum Uniwersytetu Jagielloƒskiego. O pozycji tego programu wêród innych oprogramowaƒ CAD/CAM dost pnych na rynku decyduje przede wszystkim jego kompleksowoêç. Catia stanowi rozwiàzanie wspomagajàce prac in yniera na wszystkich etapach poczàwszy od projektu, poprzez analizy i obliczenia zaprojektowanych cz Êci i zespo- ów, wytwarzanie, a po zarzàdzanie projektem i dokumentacjà. Dodatkowo charakterystycznà cechà systemu Catia jest jego modu owoêç. Bogate wyposa enie narz dziowe poszczególnych modu ów czyni z Catii funkcjonalne i uniwersalne narz dzie, znajdujàce zastosowanie w procesach projektowych w ró nych dziedzinach nauki. Bazujàc na modu ach projektowania modelowego (kszta towego, formujàcego) Shape, w obr bie którego mo na wyró niç nast pujàce podmodu y: Generative Shape Design, Digitized Shape Editor, Shape Sculpture, Free Style, oraz na module projektowania bry owego Part Design systemu Catia v5,

2 Rys. 1. Schemat procesu rekonstrukcji dokonano in ynierskiej rekonstrukcji koêci twarzowo-czaszkowych. W trakcie realizacji projektu analizowany by przypadek rzeczywistego ubytku kostnego cz Êci twarzowej czaszki. Dla zidentyfikowania patologicznego obszaru czaszki wykorzystane zosta y obrazy z tomografu komputerowego, udost pnione przez Zak ad Diagnostyki Obrazowej Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie. Ubytek twarzowo-czaszkowy obejmowa fragment koêci nosowej, fragment szcz ki, oczodó, koêç jarzmowà oraz fragment uku jarzmowego. Na rys. 1 przedstawiono schemat procesu rekonstrukcji, opisanego w dalszej cz Êci artyku u. Akwizycja zdigitalizowanych danych System Catia v5 oferuje modu, który umo liwia projektowanie 3D przy u yciu danych zdigitalizowanych. Digitized Shape Editor, dost pny w module projektowania kszta towego Shape, jest bardzo przydatnym narz dziem s u àcym do przetwarzania danych w postaci chmury punktów lub poligonalnej sieci (zbudowanej z trójkàtów). Podstawà do przygotowania modelu ubytku jest analiza danych obrazowych uzyskanych metodà tomografii komputerowej, wykonywana przez specjalnie do tego celu skonstruowane oprogramowanie [7], które identyfikuje po o enie kraw dzi koêci czaszki. Wynikiem pracy programu jest przestrzenna chmura punktów. Tak przygotowany zbiór danych nale y zaimportowaç, u ywajàc komendy Import, do modu u Digitized Shape Editor jako chmur punktów. W cz Êci Preview okna dialogowego, po naciêni ciu klawisza Update, nast puje wizualizacja importowanej chmury punktów. Za pomocà klawisza Apply u ytkownik zatwierdza zaimportowane i zwizualizowane punkty (rys. 2). Tworzenie sieci poligonalnej Dla celów dalszych operacji zwiàzanych z uzupe nieniem ubytku kostnego wygodnie jest stworzyç poligonalnà sieç z o onà z trójkàtów rozpi tych na punktach zaimportowanej chmury. Dzi ki temu atwiej jest dostrzec projektantowi interesujàcy go obszar ubytku czaszkowego. W module Digitized Shape Editor istnieje mo liwoêç stworzenia takiej sieci za poêrednictwem narz dzia Mesh Creation. Po zaznaczeniu w oknie dialogowym typu sieci 3D Mesher i naciêni ciu klawisza Apply zostaje obliczona i utworzona pierwsza sieç, którà mo na ulepszaç, zwi kszajàc wartoêç parametru Neighbourhood. Dodatkowo, wybierajàc w cz Êci Display okna dialogowego przyk adowo opcje: Shading, Triangles oraz Smooth, mo na wp ynàç na struktur elementów tworzàcych sieç, na jej cieniowanie, a tak e regularnoêç. Informacja Rys. 2. Importowana chmura punktów Rys. 3. Sieç poligonalna utworzona na chmurze punktów o utworzeniu takiej sieci widoczna jest w drzewie specyfikacji wraz z nazwà operacji i jej ikonà (rys. 3). Wst pna obróbka poligonalnej sieci w module Digitized Shape Editor Stworzenie poligonalnej sieci pozwala projektantowi przede wszystkim na dokonanie wst pnych ogl dzin dotyczàcych: 51

3 rozmiaru ubytku i jego umiejscowienia, oceny, który obszar sieci b dzie przydatny do dalszych czynnoêci rekonstrukcyjnych, a który mo e zostaç zredukowany, oceny jakoêci zabiegu detekcji kraw dzi przeprowadzonego na obrazach z tomografii komputerowej. Na podstawie stworzonej sieci oceniono rozmiar ubytku, stwierdzajàc, e obejmuje on fragment koêci nosowej, fragment szcz ki, oczodó, koêç jarzmowà oraz fragment uku jarzmowego. Dzi ki utworzonej sieci zdecydowano, e rekonstrukcja w tym przypadku opieraç si b dzie na symetrycznym odbiciu patologicznej po owy czaszki na cz Êç zdrowà. Oczywiste jest, e ten algorytm post powania nie znajdzie zastosowania dla wszystkich analizowanych przypadków. Wystarczy dla przyk adu podaç skomplikowanà postaç progenii, kiedy oprócz wysuni tej do przodu uchwy lub te cofni tej do ty u szcz ki, uchwa jest dodatkowo skrzywiona w lewo lub w prawo. Po wst pnej analizie, kiedy okreêlony jest ju teoretyczny sposób dalszego post powania rekonstrukcyjnego, mo na zredukowaç sieç tylko do cz Êci istotnej dla projektanta. Takie dzia anie pozwala na pewnego rodzaju uporzàdkowanie i konkretyzacj obszaru roboczego, a przede wszystkim usprawnia prac systemu, poniewa podczas redukcji sieci zmniejsza si automatycznie liczba punktów przetwarzanych przez program. W zwiàzku z tym zastosowaç mo na dwa narz dzia: Remove lub Activate. Na pozór nie ró nià si one niczym od siebie, bo okna dialogowe wyglàdajà tak samo, ale istnieje zasadnicza ró nica. Uwidocznia si ona w sposobie dzia ania obu tych narz dzi. W przypadku zastosowania Remove dochodzi do trwa ego usuni cia odpowiednio wyznaczonych punktów rozwa anej chmury, natomiast u ycie Activate daje rezultat w postaci wygaszenia odpowiednich punktów chmury z jednoczesnà mo liwoêcià ich powrotnej aktywacji. Wspólnà cechà obu tych narz dzi jest to, e ich zastosowanie nie zostaje zarejestrowane w drzewie specyfikacji. W celu usprawnienia pracy systemu Catia v5 R12 zmniejszona zosta a tak e o 10% liczba trójkàtów budujàcych poligonalnà sieç. Odby o si to przy wykorzystaniu narz dzia Decimation. Jego zastosowanie pozwala na zmniejszenie obj toêç pami ci wymaganej przez model. Rekonstrukcja koêci twarzowo-szcz kowych wspomagana narz dziami modu ów Digitized Shape Editor i Shape Sculpture W analizowanym przypadku ubytku kostnego w cz Êci twarzowej i szcz kowej czaszki proces in- ynierskiej rekonstrukcji, wspomaganej systemem Catia v5, rozpoczà si od symetrycznego odbicia wzgl dem referencyjnej p aszczyzny patologicznej po owy czaszki na cz Êç zdrowà. Wspomnianà p aszczyzn referencyjnà utworzono jako równoleg à do p aszczyzny yz i przechodzàcà przez punkt Êrodkowy chmury punktów. Symetryczne odwzorowanie patologicznej po owy czaszki na cz Êç zdrowà wzgl dem p aszczyzny referencyjnej wymaga o wyraênego rozró nienia obu tych obszarów. W zwiàzku z tym, te punkty chmury, które odpowiada y zdrowej po owie czaszki, zosta y wygaszone za pomocà narz dzia Activate. Nast pnie wykonano symetryczne odbicie pozosta ej cz Êci poligonalnej sieci, korzystajàc z narz dzia Symmetry. Kiedy patologiczna po owa czaszki znalaz a si w obszarze zdrowej cz Êci, powrotnie wyêwietlono uproszczony model czaszki, tzn. z etapu po redukcji zb dnych punktów chmury. W ten sposób mo liwe sta o si zdiagnozowanie, jaki obszar poligonalnej sieci, reprezentujàcy zdrowà po ow czaszki, b dzie móg zostaç wykorzystany jako uzupe nienie ubytku w cz Êci patologicznej. W kolejnym kroku pracy, znowu za pomocà narz dzia Activate, dokonano redukcji punktów chmury skonkretyzowanego modelu czaszki. Zaw ono go do obszaru, który odpowiada ubytkowi w cz Êci patologicznej czaszki. W ten sposób dopasowano ogólnie (zgrubnie) istniejàcà po zdrowej stronie czaszki sieç w obszar ubytku twarzowo-szcz kowego. Pozostawiono natomiast wolnà przestrzeƒ w miejscach, gdzie poligonalna sieç winna stykaç si z elementami koêçca patologicznej po owy czaszki. Zachowanie wolnych stref pos u y o m.in. skorygowaniu ró nic wynikajàcych z anatomicznego braku symetrii obu po ówek czaszki. Poprawa po o enia wycinka poligonalnej sieci w przestrzeni ubytku kostnego odby a si za poêrednictwem narz dzia Align using the compass. Daje ono mo liwoêç manualnego dopasowania chmury punktów za pomocà kompasu przestrzeni roboczej. Po okreêleniu ostatecznego obszaru poligonalnej sieci, którà wykorzystano jako komponent uzupe niajàcy ubytek, nastàpi o ulepszanie struktury tej sieci. W tym celu u yto takich narz dzi modu u Digitized Shape Editor, jak Fill Holes oraz Mesh Smoothing. Korzystajàc z takich opcji rozwiàzaƒ modu u Shape Sculpture, jak: Copy triangles, Delete triangles, Generate Mesh, przeprowadzono na wycinku poligonalnej sieci zaadaptowanym jako komponent uzupe niajàcy zabiegi dobudowy i korekcji jej kszta tu. Pos ugiwanie si którymkolwiek z wymienionych narz dzi wymaga wczeêniejszego zaznaczenia okreêlonego obszaru poligonalnej sieci. Jest to mo liwe za poêrednictwem narz dzi z grupy Selecting Components modu u Shape Sculpture. W przypadku tej pracy wykorzystano bardzo u yteczne narz dzie z tej e grupy, a mianowicie Brush Select. Rekonstrukcja koêci jarzmowej i fragmentu uku jarzmowego w module Part Design Odbudowa koêci jarzmowej oraz fragmentu uku jarzmowego zosta a przeprowadzona dzi ki narz dziom modu u Part Design. W pierwszej kolejnoêci odtworzono cz Êç koêci jarzmowej, znajdujàcej si w bezpoêrednim sàsiedztwie oczodo u (rys. 4). W tym celu zdefiniowano dwie p aszczyzny. Jedna z nich przechodzi a przez trzy punkty utworzone na powierzchni poligonalnej sieci patologicznej po owy czaszki, druga zaê na powierzchni sieci komponentu uzupe niajàcego. Na utworzonych p aszczyznach za pomocà linii typu Spline szkicownika ( Sketcher ) zamodelowano przekroje odpowiednio poczàtku i koƒca tworzonej bry y (imitujàcej fragment koêci 52

4 Rys. 4. Przedstawienie efektu zastosowania narz dzia Loft modu u Part Design dla odtworzenia koêci jarzmowej i fragmentu uku jarzmowego jarzmowej). Kszta t przekrojów determinowany by przez wyglàd miejsc styku (kontaktu): tworzonej bry y z patologicznà cz Êcià czaszki, oraz tworzonej bry y z komponentem uzupe niajàcym. Po zamodelowaniu zarysów przekrojów tworzonej bry y u yto nast pnie narz dzia Loft modu u Part Design. Procedura odtwarzania pozosta ego fragmentu koêci jarzmowej i fragmentu uku jarzmowego w àcznie z: tworzeniem p aszczyzn styku, modelowaniem zarysów przekrojów, zastosowaniem narz dzia Loft mia a taki sam przebieg, jak ta opisana wczeêniej. Zaokràglenie pomi dzy obiema bry ami, utworzonymi narz dziem Loft, wykonano przy u yciu opcji Edge Fillet. Rekonstrukcja fragmentu koêci nosowej i szcz ki wspomagana narz dziami modu ów Free Style i Generative Shape Design Na tym etapie projektowania zamodelowano tzw. strefy kontaktu mi dzy poligonalnà siecià komponentu uzupe niajàcego a siecià obszaru oko oubytkowego. Narz dziami modu u projektowania kszta towego Shape, które zastosowano na tym etapie projektowania, by y: a) w obr bie Free Style : 3D Curve umo liwia tworzenie krzywej zarówno w przestrzeni, jak i na istniejàcym ju elemencie geometrycznym, punkty sk adowe krzywej mogà byç dodawane lub usuwane podczas jej tworzenia, a tak e edycji. Narz dzie 3D Curve w procesie rekonstrukcyjnym wykorzystywano wielokrotnie do definiowania profili i krzywych prowadzàcych; Project Curve umo liwia rzutowanie zdefiniowanej krzywej na wskazanà powierzchni w kierunku prostopad ym do niej, a tak e rzutowanie w kierunku okreêlonym za poêrednictwem kompasu; Net Surface pozwala tworzyç powierzchnie na podstawie istniejàcych krzywych, spoêród których mo na wyró niç: profiles ( krzywe profilu ) i guides ( krzywe prowadzàce ); Styling Sweep umo liwia tworzenie tzw. powierzchni w drujàcych na podstawie profili tzw. przebiegu oraz krzywych prowadzàcych; Break Surface or Curve jest wykorzystywane do przecinania krzywej w àdanym miejscu wyznaczonym przez punkt, umo liwia tak e ci cie powierzchni wzd u zdefiniowanej krzywej; 4-Point Patch jest przeznaczone g ównie do tworzenia p aszczyzny zaêlepiajàcej stref pomi dzy dwoma powierzchniami. b) w obr bie Generative Shape Design : Sweep komenda, która daje mo liwoêç tworzenia powierzchni w drujàcych oraz wype niania przestrzeni pomi dzy dwiema stronami (kraw dziami) elementu, a tak e pozwala na tworzenie symetrycznych profili po obu stronach danej cz Êci; Fill umo liwia tworzenie powierzchni pomi dzy wskazanymi kraw dziami (tworzàcymi krzywà o profilu zamkni tym) istniejàcych elementów (cz Êci); Blend pozwala na tworzenie zaêlepiajàcej powierzchni, która jest powierzchnià pomi dzy dwoma drutowymi (istniejà tylko kraw dzie) modelami elementów z uwzgl dnieniem liczby ograniczeƒ, napr eƒ itp., a tak e umo liwia tworzenie powierzchni zaêlepiajàcej pomi dzy krzywymi, wewnàtrz konturu czy pomi dzy parà powierzchni zaêlepiajàcych. Ró ne kombinacje zastosowania zaprezentowanych narz dzi modu u projektowania Shape przyczyni y si do odtworzenia fragmentów koêçca w obszarze wspomnianej ju tzw. wolnej przestrzeni strefy kontaktu. Równie tymi komendami pos u ono si, aby dokonaç korekt b dów, które mia y swe poczàtki w êle dobranym progu binaryzacji na etapie akwizycji danych zdigitalizowanych. Poprawki te zosta y wprowadzane g ównie od wewn trznej strony cz Êci szcz kowej czaszki. Na samym koƒcu procesu in ynierskiej rekonstrukcji, wspomaganej systemem Catia v5, dokonano symetrycznego odbicia ( Symmetry ) ca ego odtworzonego koêçca twarzowo-szcz kowego wzgl dem p aszczyzny referencyjnej. Przy czym chodzi tu o t samà p aszczyzn referencyjnà, wzgl dem której na poczàtku projektowania symetrycznie odwzorowano patologicznà po ow czaszki na cz Êç zdrowà (rys. 5). Rys. 5. Obraz przedstawia model czaszki wraz ze zrekonstruowanymi w miejscu ubytku koêçmi twarzowo-szcz kowymi 53

5 Wnioski Zastosowanie systemu komputerowego wspomagania prac in ynierskich Catia pozwala na zbudowanie wirtualnego modelu czaszki, który daje chirurgowi przestrzenne zobrazowanie struktur, które na obrazie tomograficznym sà widoczne jedynie w postaci przekrojów. Model wirtualny mo e zostaç wykorzystany do zaplanowania zabiegu operacyjnego oraz, w razie koniecznoêci, mo e zostaç wykonany jednà z metod szybkiego prototypowania. Opisana w niniejszym artykule technika projektowania ubytków koêci czaszki wykorzystywana jest równie do planowania zabiegów chirurgii koêci czaszki, polegajàcych na wype nianiu protezà ubytków koêci czaszki. Na podstawie obrazów uzyskanych metodami tomografii komputerowej patologiczna czaszka jest rekonstruowana w systemie Catia, gdzie tworzony jest projekt protezy, który s u y do wykonania matrycy do jej kszta towania. Proteza jest wszczepiana pacjentowi podczas zabiegu kranioplastyki [7]. LITERATURA 1. Chen J.J., Liu W., Li M-Z., Wang C.T.: Digital manufacture of titanium prothesis for cranioplasty. Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2006)27, ss Eufinger H. i inni: Reconstruction of craniofacial bone defects with individual alloplastic implants based on CAD/ CAM-manipulated CT-data, J. of Cranio Maxillo-facial Surgery, (1995)23, ss Liu Q, Leu M.C., Schmitt S.M.: Rapid prototyping in dentistry: technology and application. Int.J.Adv. Manuf. Technol. (2006)29, ss Ryu J.H., Kim H.S., Lee K.H.: Contour-based algorithms for generating 3D CAD models from medical images. Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2004)24, ss Winder J., Bibb R.: Medical rapid prototyping technologies: state of the art and current limitations for application in oral and maxillofacial surgery. J. of Maxillofac. Surg. 63, 2005, ss Catia R12 Documentation. 7. Chrzan R., Urbanik A., Karbowski K., Moska a M., Polak J., Pyrich M.: Wytwarzanie modeli medycznych dla potrzeb zabiegu kranioplastyki. Przyj te do druku w czasopiêmie Przeglàd Lekarski. 54