Komputerowe wspomaganie procesu diagnozowania osteoporozy i oceny jej skutków w kości miednicznej człowieka



Podobne dokumenty
IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA

ANALIZA ROZMYTA ELEMENTÓW UKŁADÓW BIOMECHANICZNYCH

WSTĘPNA ANALIZA STAWU BIODROWEGO CZŁOWIEKA FIZJOLOGICZNIE PRAWIDŁOWEGO ORAZ PO ZABIEGU KAPOPLASTYKI

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Analiza stateczności zbocza

MODELOWANIE I ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA STAWU BIODROWEGO CZŁOWIEKA PRZED OPERACJĄ KAPOPLASTYKI I PO NIEJ

Wybrane problemy numerycznej symulacji trójpunktowego zginania próbek z kości korowej

MODELOWANIE ZMIAN OSTEOPOROTYCZNYCH Z WYKORZYSTANIEM OBRAZÓW Z TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ

ANALIZA NUMERYCZNA PŁYTKOWEGO STABILIZATORA KRĘGOSŁUPA Z WYKORZYSTANIEM MES

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Obszary sprężyste (bez możliwości uplastycznienia)

PLATFORMA DO PRZETWARZANIA ZDJĘĆ TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ MÓZGU ORAZ ZDJĘĆ MAMMOGRAFICZNYCH WSPOMAGAJĄCA DIAGNOZOWANIE CHORÓB

Modelowanie jako sposób opisu rzeczywistości. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Przykłady opóźnień w rozpoznaniu chorób nowotworowych u dzieci i młodzieży Analiza przyczyn i konsekwencji

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

OKREŚLENIE PARAMETRÓW MATERIAŁOWYCH KOŚCI BELECZKOWEJ NA PODSTAWIE SYMULACJI NA POZIOMIE MIKROSKOPOWYM

Nasyp przyrost osiadania w czasie (konsolidacja)

Pierwsze komputery, np. ENIAC w 1946r. Obliczenia dotyczyły obiektów: o bardzo prostych geometriach (najczęściej modelowanych jako jednowymiarowe)

WPŁYW STABILIZACJI PRZEDNIEJ NA BIOMECHANIKĘ ODCINKA SZYJNEGO KRĘGOSŁUPA CZŁOWIEKA

Politechnika Poznańska

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODAMI SYMULACYJNYMI

Co to jest termografia?

ZASTOSOWANIE METOD OPTYMALIZACJI W DOBORZE CECH GEOMETRYCZNYCH KARBU ODCIĄŻAJĄCEGO

Modelowanie biomechaniczne. Dr inż. Sylwia Sobieszczyk Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny KMiWM 2005/2006

Metoda elementów skończonych w badaniach zestawu stabilizującego segment kręgosłupa

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

BIOMECHANIKA NARZĄDU RUCHU CZŁOWIEKA

KARTA PRZEDMIOTU. zaliczenie na ocenę WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI

NIELINIOWA ANALIZA ODDZIAŁYWAŃ W ZESPOLENIU PŁYTKOWYM POLFIX

SYMULACJA ODDZIAŁYWAŃ DYNAMICZNYCH W STAWIE BIODROWYM ZE SZTUCZNĄ PANEWKĄ

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Modele materiałów

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Podczas wykonywania analizy w programie COMSOL, wykorzystywane jest poniższe równanie: 1.2. Dane wejściowe.

Diagnostyka i monitorowanie cukrzycy i chorób nerek

KOMPUTEROWE MODELOWANIE I OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZBIORNIKÓW NA GAZ PŁYNNY LPG

Wyłączenie redukcji parametrów wytrzymałościowych ma zastosowanie w następujących sytuacjach:

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Aparaty słuchowe Hi-Fi z Multiphysics Modeling

Metoda cyfrowej korelacji obrazu w badaniach geosyntetyków i innych materiałów drogowych

Spodziewany efekt kliniczny wpływu wit. K na kość

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

Osteoporoza. Opracowanie: dr n. med. Bogdan Bakalarek Strona: 1 /5

Problemy kostne u chorych ze szpiczakiem mnogim doświadczenia własne

Wytyczne postępowania dla lekarzy POZ i lekarzy medycyny pracy w zakresie raka nerki, pęcherza moczowego i prostaty 2011

Męska profilaktyka: o czym należy pamiętać

ANALIZA INTERWAŁOWA I ROZMYTA KOŚCI BIODROWEJ CZŁOWIEKA

ALTER-G BIEŻNIE ANTYGRAWITACYJNE

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI WYSIĘGNIKA ŻURAWIA TD50H

Recommendations for rehabilitation of patients with osteoporosis

AKADEMIA SKUTECZNEJ SAMOKONTROLI W CUKRZYCY

MODELOWANIE ROZKŁADU TEMPERATUR W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH WYKONANYCH Z UŻYCIEM LEKKICH KONSTRUKCJI SZKIELETOWYCH

ANLIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA MES STABILIZACJI KOŚĆI PISZCZELI METODĄ ZESPOL Z UWZGLĘDNIENIEM WŁASNOŚCI ORTOTROPOWYCH KOŚCI

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

Osteoporoza. (skrypt z najważniejszymi informacjami dla studentów nieobecnych na wykładzie)

Przykład analizy nawierzchni jezdni asfaltowej w zakresie sprężystym. Marek Klimczak

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

PLAN SZKOLEŃ Femap. Nasza oferta: Solid Edge najefektywniejszy dostępny obecnie na rynku system CAD klasy mid-range,

Praktyka z diagnostycznych metod nieradiacyjnych

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

DRUGA OPINIA MEDYCZNA INTER PARTNER ASSISTANCE

ANALIZA SPRĘŻYSTO - PLASTYCZNA UKŁADÓW BIOMECHANICZNYCH

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

OPTYMALIZACJA ZBIORNIKA NA GAZ PŁYNNY LPG

OSTEOPOROZA. bez tajemnic. Ulotka informacyjna.

PLAN SZKOLEŃ FEMAP. Nasza oferta: Solid Edge najefektywniejszy dostępny obecnie na rynku system CAD klasy mid-range,

WPŁYW FAZ CHODU NA STAN NAPRĘŻENIA W MODELU STOPY PROTEZOWEJ

Wytrzymałość Materiałów

ĆWICZENIE Nr 1. Laboratorium CAD/MES. Przedmiot: Modelowanie właściwości materiałów. Opracował: dr inż. Hubert Dębski

Politechnika Poznańska

Kręgozmyk, choroba Bechterowa, reumatyzm stawów, osteoporoza

Poprawa zdrowia układu mięśniowo-szkieletowego w Europie

Wyboczenie ściskanego pręta

SYSTEMY MES W MECHANICE

Rehabilitacja/fizjoterapia pacjentów ze schorzeniami przewlekłymi. Mgr Zbigniew Kur

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA

ZASTOSOWANIE ANALOGII BIOLOGICZNEJ DO

ANALIZA NUMERYCZNA ZMIANY GRUBOŚCI BLACHY WYTŁOCZKI PODCZAS PROCESU TŁOCZENIA

Zmienne zależne i niezależne

Tom 6 Opis oprogramowania Część 8 Narzędzie do kontroli danych elementarnych, danych wynikowych oraz kontroli obmiaru do celów fakturowania

Analiza osiadania terenu

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania. Projekt: Metoda Elementów Skończonych Program: COMSOL Multiphysics 3.4

Porównanie generatorów liczb losowych wykorzystywanych w arkuszach kalkulacyjnych

ŚWIATOWY DZIEŃ ZDROWIA

Choroba Parkinsona. najczęstsze pytania i najtrudniejsze zagadnienia. Anna Potulska-Chromik, Izabela Stefaniak. egzemplarz bezpłatny

Recenzja. rozprawy doktorskiej mgr inż. Yanfei Lu pt. Biomechaniczne i strukturalne aspekty modelowania zrostu i regeneracji kości.

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki PROBLEMY ZWIĄZANE Z OCENĄ STANU TECHNICZNEGO PRZEWODÓW STALOWYCH WYSOKICH KOMINÓW ŻELBETOWYCH

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

OPTYMALIZACJA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ZĘBÓW REKONSTRUOWANYCH METODĄ POŚREDNICH WYPEŁNIEŃ KOMPOZYTOWYCH TYPU INLAY/ ONLAY

OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI WZMOCNIEŃ ELEMENTÓW NOŚNYCH MASZYN I URZĄDZEŃ

Transkrypt:

W latach 2007-2010 w Katedrze Wytrzymałości Materiałów i Metod Komputerowych Mechaniki (aktualnie w Instytucie Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej) realizowany był projekt badawczy N518 047 32/3670 pt. Komputerowe wspomaganie diagnozowania osteoporozy i oceny jej skutków w obrębie stawu biodrowego człowieka. Kierownikiem projektu był dr hab. inż. Antoni John, prof. w Pol. Śl. Przedmiotem prac było badanie zmian osteoporotycznych zachodzących w tkankach kostnych w okolicach stawu biodrowego człowieka: zbadanie relacji pomiędzy występowaniem osteoporozy, stopniem jej zaawansowania a zmianami zachodzącymi we własnościach fizycznych struktur kostnych. Te działania miały na celu opracowanie procedury ułatwiającej rozpoznanie osteoporozy, procedury wspomagającej pracę lekarzy, którzy w oparciu o zdjęcia radiologiczne muszą wychwycić zmiany spowodowane przez osteoporozę oraz ustalić stopień zaawansowania tej choroby. Etapem pośrednim było opracowanie koncepcji stworzenia bazy danych pomocnej w interpretacji i porównaniu otrzymanych wyników. Jeżeli będą wykonane badania tomograficznych pacjentów z różnym stopniem zaawansowaniem osteoporozy (w każdym uzyska się zestaw zdjęć przedstawiających badaną kość) to będzie można stworzyć swoistą bazę danych, której elementami będą zestawy zdjęć tomograficznych a także pliki zawierające dane po przetworzeniu zdjęć z CT (macierze ze skalą szarości, gęstością pozorną, modułami Younga), pliki wejściowe do programu obliczeniowego oraz pliki wynikowe. W oparciu o porównanie wielkości charakterystycznych dla danej kości z odpowiednimi wielkościami dla kości zdrowej można oszacować występowanie osteoporozy oraz stan jej zaawansowania. Może się to odbywać poprzez porównanie: gęstości kości (ubytek masy kostnej świadczy wprost o fazie osteoporozy), wartości modułów Younga, wielkości uzyskanych z obliczeń wytrzymałościowych charakteryzujących stan wytężenia kości (wartości naprężeń i odkształceń). Praca zakończyła się sukcesem. Projekt został przyjęty, uznany za wykonany i rozliczony prawidłowo. Komputerowe wspomaganie procesu diagnozowania osteoporozy i oceny jej skutków w kości miednicznej człowieka Dokonujący się bezustannie postęp i rozwój wielu dziedzin życia stworzył nowe możliwości i umożliwił rozwiązanie wielu trudnych i zawiłych problemów, które dotychczas uznawano za nierozwiązalne. Korzystanie z osiągnięć współczesnej cywilizacji umożliwia dogłębniejsze spojrzenie na pewne zagadnienia. Najnowsze zdobycze nauki i techniki umożliwiają poznanie świata, praw nim rządzących, obserwowanie zjawisk w nim zachodzących dzięki czemu wiele problemów można rozwiązać w sposób pełny i całościowy. Wszystko to sprawia, że życie współczesnych ludzi jest pod wieloma względami znacznie prostsze niż ludzi żyjących w przeszłości. Jednak dużą naiwnością byłoby sądzenie, że postęp przynosi jedynie pozytywne skutki. Osiągnięcia techniki sprawiły, że ludzie zmienili sposób życia, zmienili swoje przyzwyczajenia, co nie zawsze wyszło na dobre. Doskonale widać to na przykładzie ludzkiego zdrowia. Z jednej strony najnowsze leki, specjalistyczny sprzęt diagnostyczny i rehabilitacyjny pomagają w leczeniu wielu chorób i urazów, zwiększając tym szansę na wyleczenie szansę na wyleczenie, poprawę kondycji chorych, co umożliwia szybki powrót do pełnej sprawności. Z drugiej strony pojawiły się nowe choroby tzw. choroby cywilizacyjne, które stały się poważnym problemem współczesnych społeczeństw. Ponadto zwiększyła się liczba chorych cierpiących na dolegliwości, które w przeszłości miały jedynie marginalny charakter. W ostatnim czasie często obserwowanym zjawiskiem jest łączenie wiedzy z wielu dziedzin zaangażowania specjalistów z różnych obszarów umożliwia spojrzenie na

rozpatrywany problem z różnych stron, dzięki czemu zwiększają się szanse na jego rozwiązanie. Obszarami, które uległy bardzo intensywnemu rozwojowi są dyscypliny związane z ochroną zdrowia. Postęp dokonany w takich dziedzinach jak: biologia, medycyna czy biomechanika zdecydowanie zmniejszył wpływ wielu chorób na życie człowieka niektóre schorzenia, które w przeszłości mocno nękały ludzi obecnie nie stanowią poważnego problemu. Wśród dolegliwości dotykających ludzi liczną grupę stanowią choroby kości i układu kostnego. Cierpi na nie znaczna część społeczeństwa. Następstwem tych chorób są często urazy kości, m. in. złamania i pęknięcia. Gdy prześledzi się przyczyny urazów to najczęściej są to wypadki. Bardziej wnikliwa analiza tego zagadnienia prowadzi do spostrzeżenia, że kości różnie zachowują się pod wpływem dużych przeciążeń, (co ma miejsce np. podczas wypadków). W uproszczeniu można powiedzieć, że złamania kości występują w dwóch przypadkach: - gdy występują zbyt duże obciążenia, które kość (mając nawet bardzo dobre własności wytrzymałościowe) nie jest w stanie przenieść, - własności kości zmieniają się do tego stopnia, że zagrożone jest wykonywanie codziennych czynności obciążenie wynikające jedynie z fizjologii organizmu może doprowadzić do złamania. Na własności kości ma wpływ wiele czynników, m. in. indywidualne cechy osobnicze, tryb życia czy wiek. Jednak żaden z tych czynników nie spowoduje zmian we własnościach materiałowych do tego stopnia, że kość stanie się na tyle osłabiona, by wystąpiło przypadkowe złamanie. Takie zmiany mogą być spowodowane jedynie przez czynniki chorobowe. Częstą spotykaną chorobą kości jest ich łamliwość. Osoby cierpiące na to schorzenie mają kości bardziej kruche, przez co częściej ulegają złamaniom. Aby unikać złamań chorzy powinni postępować ostrożnie: nie podnosić ciężkich przedmiotów i uważać na incydentalne wypadki (np. unikać chodzenia po bardzo śliskich powierzchniach). Inną powszechnie spotykaną dolegliwością jest wyślizgiwanie się kości ze stawów. Dotyczy to zwykle głowy kości udowej, która nie może utrzymać się w panewce stawu biodrowego. Do chorób kości należy również zaliczyć osteoporozę. Jest to choroba systemowa układu kostnego powodująca zmiany w strukturze kości i obniżenia masy kostnej, a co za tym idzie zmniejszenia gęstości kości. Prowadzi to do osłabienia kości i zwiększenia jej podatności na złamania. Jeszcze do niedawna sądzono, że dotyka ona głównie osoby starsze, jednak obecnie cierpi na nią coraz więcej ludzi młodych. U osób cierpiących na tą chorobę częściej dochodzi do urazów m.in. złamań w okolicach stawu biodrowego (szyjki kości udowej), kręgosłupa oraz nadgarstka. Według danych National Osteoporosis Foundation (NOF) różnymi dolegliwościami związanymi z utratą masy kostnej w krajach rozwiniętych zagrożone jest około 25% społeczeństwa w wieku powyżej 50 lat. Mimo, że ryzyko zachorowania na osteoporozę zwiększa się wraz z wiekiem to jednak na tą chorobę cierpią też ludzie młodzi zwłaszcza na osteoporozę wtórną. Wszystko to sprawia, że osteoporoza jest poważnym problemem społecznym i należy dołożyć wszelkich starań, aby zmniejszyć negatywny wpływ tej choroby. Leczenie osteoporozy zależy od jej odmiany oraz stopnia zaawansowania jednak najczęściej jest długotrwałe, uciążliwe. Polega ono najczęściej na podawaniu preparatów wapnia łącznie z witaminą D 3. Ma to na celu odbudowanie i wzmocnienie komórek kostnych. Zmiany, które spowodowała osteoporoza są na tyle poważne, że ten proces jest długotrwały, a poprawa osiągana jest jedynie w niewielkim stopniu. To co można zrobić w tej dziedzinie to przede wszystkim poprawić diagnostykę choroby, aby umożliwić jej rozpoznanie we wcześniejszym stadium. Nie jest to łatwe, ponieważ jej przebieg jest bezobjawowy. Pierwszymi oznakami są trudności podczas wykonywania ruchów i pojawiające się bóle w okolicach kręgosłupa oraz stawu biodrowego. Najczęściej dopiero wtedy choroba zostaje

wykryta i rozpoczynane jest leczenie. Zdjęcia rentgenowskie pozwalają rozpoznać osteoporozę, gdy dochodzi do dużego zaniku kostnego (około 30 %), dlatego rutynowe masowe prześwietlenia jedynie w nieznacznym stopniu przyczyniają się do wykrycia choroby. Niestety jest to na tyle poważna faza osteoporozy, że normalne obciążenie fizjologiczne organizmu może spowodować złamanie kości. Oczywiście sprawdza się tu powiedzenie, że łatwiej jest zapobiegać niż leczyć, dlatego należy dołożyć wszelkich starań, aby poprawić diagnozowanie choroby. Sporym problemem jest leczenie skutków osteoporozy zwłaszcza złamań kości i kręgów. Rola lekarzy jest wtedy ograniczona. Zwiększenie obszaru leczenia chirurgicznego to duże wyzwanie, nie tylko dla lekarzy chirurgów, ale również dla fizykoterapeutów, biomechaników i biotechnologów, aby zapewnić rozwój endoprotez (odpowiednia geometria i prawidłowy dobór materiału do konkretnego przypadku choroby). Wszystko to ma na celu skrócić czas leczenia chorego, aby przeciwdziałać dalszemu rozwojowi choroby tkanka kostna jest strukturą żywą cały czas się rozwija, a w warunkach unieruchomienia komórki kostne zanikają, a to z kolei sprzyja rozwojowi chorób kostnych m. in. osteoporozy. W ten sposób może dojść do sytuacji, w której podczas leczenia skutków osteoporozy dochodzi do dalszego rozwoju tej choroby. Osteoporoza prowadzi do zmian strukturalnych w kościach, które powodują przerzedzenie komórek kostnych. Prowadzi to do zmniejszenia gęstości kości (zmniejsza się zawartość masy kostnej) - wskutek tego zmieniają się własności fizyczne tkanki kostnej. Zmiany osteoporotyczne prowadzą do zmian własności materiałowych tkanki kostnej. Złamania następują jako konsekwencja zmniejszenia wytrzymałości kości. Gdy następuje utrata 30-40% macierzy kostnej zmniejsza się gęstość kości, a co za tym idzie spadają parametry wytrzymałościowe kości. Jeżeli zostanie poznany mechanizm zmian osteoporotycznych umożliwi to poznanie krytycznych parametrów wytrzymałościowych kości, co może przyczynić się do precyzyjniejszego określenia stanu zaawansowania osteoporozy na podstawie obrazów radiologicznych. Koncepcja opracowania bazy danych. Jak już wspomniano wcześniej punktem wejściowym są obrazy z TK. Jeżeli będzie wykonane odpowiednio dużo badań tomograficznych od pacjentów z różnym zaawansowaniem osteoporozy (w każdym uzyska się zestaw zdjęć przedstawiających badaną kość) to będzie można stworzyć swoistą bazę danych. Strukturę tej bazy przedstawiono na Rys. 1. Elementami tej bazy będą zestawy zdjęć tomograficznych (od kolejnych pacjentów) a także pliki zawierające dane po przetworzeniu zdjęć z CT (macierze ze skalą szarości, gęstością pozorną, modułami Younga), plik wejściowy do programu obliczeniowego oraz plik wynikowy. Poszczególne wielkości pogrupowane są w katalogach taka struktura bazy umożliwia jej prostą rozbudowę (dodawanie kolejnych folderów z ww. danymi). W oparciu o porównanie wielkości charakterystycznych dla danej kości z odpowiednimi wielkościami dla kości zdrowej można oszacować występowanie osteoporozy oraz stan jej zaawansowania. Może się to odbywać poprzez porównanie: - gęstości kości (gęstości pozornej) ubytek masy kostnej świadczy wprost o fazie osteoporozy, - wartości modułów Younga, - wielkości uzyskanych z obliczeń wytrzymałościowych charakteryzujących stan wytężenia kości (wartości naprężeń i odkształceń)

Miednica 1 Miednica 2... Miednica n Zdjęcia QCT Zdjęcia QCT Zdjęcia QCT Tablica 3D (połączenie wszystkich zdjęć w jeden plik tekstowy) skala szarości Tablica 3D (połączenie wszystkich zdjęć w jeden plik tekstowy) skala szarości Tablica 3D (połączenie wszystkich zdjęć w jeden plik tekstowy) skala szarości gęstość HU gęstość HU gęstość HU gęstość pozorna gęstość pozorna gęstość pozorna moduł Younga moduł Younga moduł Younga Model miednicy plik wejściowy do programu MES Model miednicy plik wejściowy do programu MES Model miednicy plik wejściowy do programu MES Obliczenia MES plik wyjściowy Obliczenia MES plik wyjściowy Obliczenia MES plik wyjściowy Informacja o zaawansowaniu osteoporozy Informacja o zaawansowaniu osteoporozy Informacja o zaawansowaniu osteoporozy Rys. 1. Schemat ukazujący zawartość bazy danych Model numeryczny analiza stanu wytężenia Podstawą analizy układów biomechanicznych jest model oddający cechy fizyczne oraz geometrię układu. W procesie tworzenia modelu możemy wyróżnić dwie fazy: tworzenie

modelu geometrycznego oraz tworzenie modelu numerycznego. Do budowy modelu geometrycznego stosuje się obecnie przetworzone dane tomograficzne lub pochodzące z rezonansu magnetycznego. Rezultatem jest model 3D. Podejście takie charakteryzuje się tym, że tworzona geometria odwzorowuje cechy układu dla pojedynczego człowieka, a więc przeprowadzone obliczenia i ich analiza oraz interpretacja jest dedykowana tylko dla jednego pacjenta. Implikuje to jednakże automatycznie cechę dotyczącą zasięgu obliczeń do jednej osoby. Oczywiście zakładając powtarzalność cech geometrycznych i materiałowych w obrębie pewnej grupy populacji jesteśmy w stanie uogólnić otrzymane wyniki do większej liczby osób. Przyjmując jako metodę rozwiązania interesującego nas problemu metodę elementów skończonych bardzo istotnym jest fakt, że korzystając ze źródła danych tomografii komputerowej możliwa jest estymacja parametrów materiałowych interesujących nas struktur w postaci modułu Younga E oraz współczynnika Poissona. Ostatecznie jako model wejściowy do obliczeń numerycznych niejednokrotnie otrzymujemy model złożonej struktury anatomicznej z niejednorodnym rozkładem parametrów materiałowych. Początkowe etapy tworzenia modelu ukazuja rysunki 2 i 3. Rys. 2 Obrazy tomograficzne kości miednicznej w programie Mimics a) b) c) Rys. 3 Zarys krawędzi a) zewnętrznej i b) wewnętrznej kości udowej w zależności od proponowanej wartości c) współczynnika Hounsfielda

Schemat przypisania stałych materiałowych przedstawia Rys. 4. Rys. 4 Przypisywanie danych uzyskanych z QCT do modelu numerycznego Zastosowanie stworzonego oprogramowania pozwoliło na zbadanie wpływu osteoporozy na rozkłady naprężeń, odkształceń i przemieszczeń w modelu kości miednicy bez konieczności przeprowadzania badań doświadczalnych. Symulacja rozkładu parametrów materiałowych odzwierciedlających zmiany osteoporotyczne na podstawie ubytku masy kostnej pozwoliła na wyciągnięcie następujących wniosków: Największy wpływ na rozkłady przemieszczeń i naprężeń ma ubytek masy w górnej części kości i w okolicach warunków brzegowych. Zależność między ubytkiem masy kostnej a maksymalnym przemieszczeniem nie jest liniowa prędkość wzrostu przemieszczenia maksymalnego jest tym większa im większy jest ubytek masy. Wraz ze wzrostem ubytku masy rośnie prędkość wzrostu odkształcenia. Sytuacja, w której ubytek masy występuje w obszarze spiętrzenia naprężeń jest szczególnie niebezpieczna, gdyż wraz ze wzrostem ubytku masy wzrasta wytężenie i kość jest bardziej narażona na uszkodzenia. Niewielki wzrost ubytku masy kostnej powoduje spadek naprężeń maksymalnych jednak powyżej pewnej granicy ubytku masy naprężenia maksymalne wzrastają. Maksymalne przemieszczenia występowały zawsze w tym samym punkcie tzn. na szczycie kości korowej zaś maksymalne naprężenia i odkształcenia w miejscu połączenia kości korowej z kością krzyżową w części talerzowej. Przykładowe rozkłady naprężeń redukowanych i odkształceń dla danych pozyskanych ze zdjęć tomograficznych przedstawiają rysunki 5 8.

Rys. 5 Rozkład naprężeń redukowanych w [MPa] Rys. 6 Rozkład odkształceń redukowanych a) c) d) b) e) Rys. 7 Rozkład naprężeń redukowanych [MPa]: c) w całym modelu; a) i d) w miejscach spiętrzenia naprężeń; b) i e) przekroje poprzeczne przez miejsca spiętrzenia naprężeń a ) c ) d ) b ) e ) Rys. 8 Rozkład odkształceń redukowanych [MPa]: c) w całym modelu; a) i d) w miejscach występowania maksymalnych odkształceń; b) i e) przekroje poprzeczne przez miejsca spiętrzenia odkształceń

Opracowanie programu wspomagającego diagnozowanie osteoporozy. Dysponując bazą danych można opracować program komputerowy wspomagający diagnozowanie osteoporozy. Schemat blokowy programu zamieszczono poniżej (rys. 9). Wczytanie zdjęcia Szukanie najbardziej podobnego zdjęcia z bazy Przypisanie całego modelu numerycznego Przeglądanie wyników Informacja o osteoporozie Powrót do przeszukiwania Diagnoza Rys. 9. Schemat pokazujący działanie programu Gdy zostanie wczytane zdjęcie z TK to następuje przeszukiwanie bazy danych w celu znalezienia najbardziej podobnego zdjęcia. Gdy to nastąpi danemu zdjęciu zostaną przyporządkowane wszystkie dane z katalogu, w którym znalazło się najbliższe zdjęcie. Będzie można przeglądać wyniki symulacji numerycznych oraz uzyskać informację o występowaniu osteoporozy w danej kości (rys. 10). Dostarczenie tych wiadomości lekarzowi powinno ułatwić postawienie diagnozy. Jeśli tak się nie stanie to istnieje możliwość powrotu do etapu przeszukiwania i analizowanie większej ilości danych. Jeszcze parę słów o etapie przeszukiwania. Odbywa to się na zasadzie podobieństwa histogramu. Gdy zdjęcie zostanie wczytane to należy je podzielić na podobszary i wyznaczyć wektory histogramów każdego z nich. Jednocześnie taki sam podział następuje dla zdjęć z bazy, wśród których ma nastąpić przeszukiwanie. Obraz najbardziej podobny to ten, który ma najmniejszy błąd średniokwadratowy z wektorów histogramów.

Rys. 10. Schemat ukazujący procedurę wspomagania diagnozowania osteoporozy Podsumowanie Celem wykonanego projektu było szeroko rozumiane wspomaganie diagnozowania osteoporozy w obrębie stawu biodrowego człowieka. Autorzy opracowania uważają, że w świetle przedstawionego opracowania powyższy cel został osiągnięty. Przedstawiona procedura wspomaga interpretowanie zdjęć tomograficznych, co może przyczynić się do wcześniejszego wykrycia zmian osteoporotycznych, a w konsekwencji zwiększyć szanse na wyleczenie. System pomaga przyporządkować zdjęcia tomograficzne do określonych stanów osteoporozy, co ma szczególne znaczenie w przypadkach, gdy na podstawie standardowych oględzin trudno jest postawić jednoznaczną diagnozę. Zastosowanie QCT umożliwia uchwycenie stanów niebezpiecznych dla układu kostnego (gdy normalne, fizjologiczne obciążenie może spowodować złamanie kości). Informacje uzyskane po przetworzeniu danych tomograficznych mogą być pomocne podczas badania stopnia zaawansowania osteoporozy w konkretnych przypadkach klinicznych. Budowanie modelu numerycznego na podstawie danych radiologicznych zwiększa wiarygodność rezultatów uzyskanych z symulacji numerycznych. Przedstawione podejście umożliwia wychwycenie zmian w strukturze kości w sposób bardziej precyzyjny niż standardowe badanie.

Najważniejsze publikacje związane z projektem 1. John A., Wysota P.: Applying of clinical data and numerical simulations in aided of diagnosis risky states in human bone system. Proceedings of 19 th International Conference on Computer Method in Mechanics, pp. 231 232, Warszawa 2011. 2. John A., Wysota P.: Symulacja zmian osteoporotycznych w kości miednicznej człowieka na podstawie danych z ilościowej tomografii komputerowej. Materiały Konferencyjne II Kongresu Mechaniki Polskiej (12 stron, na prawach rękopisu), streszczenie str.16, Poznań 2011. 3. John A., Wysota P.: Computer aided diagnostic of risky state in human pelvic bone. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, pp. 313 322, vol. 49, issue 2, Gliwice 2011. 4. John A., Wysota P.: The numerical modeling of osteoporotical changes at the aid of diagnosing osteoporosis. Evolutionary and Deterministic Methods for Design, Optimization and Control. Applications to Industrial and Societal Problems., Eds. T. Burczyński, J. Periaux, pp. 322 325, CIMNE, Barcelona, 2011. 5. John A., Wysota P.: Procedure to Aid of Diagnosing Osteoporosis in Human Pelvic Bone. Proc of the 7th IASTED International Conference on Biomedical Engineering BioMed 2010 Innsbruck, Austria. 6. John A., Wysota P.: Computer aided of fracture risk of selected element of human bone system. Proc. 17 th Congress of the European Society of Biomechanics, Edinburgh 2010. 7. John A., Wysota P.: Development of computer system to aid of diagnosis osteoporosis in human hip joint region. Biomechanika 2010, Warszawa 2010, str. 97-98 8. John A., Wysota P.: Procedure to aid of diagnostic of osteoporotical changes in human pelvic bone. Proc. of 15th Int. Conference. Mechanika, Kaunas, 2010, str. 199-203. 9. John A., Wysota P.: Wspomaganie diagnozowania stanów niebezpiecznych w kości miednicznej człowieka z wykorzystaniem metod komputerowych mechaniki. Aktualne problemy biomechaniki 4/2010, str. 91 96. 10. A. John, P. Wysota, QCT as a base of computer aided diagnosis of osteoporotical changes rozdział w Computed Tomography - Clinical Applications, ISBN 978-953- 307-378-1, edited by Luca Saba, IN-TECH, 2012, str. 151-170 11. A. John, P. Wysota: Numerical simulations of osteoporotic changes in human pelvic bone. Journal of Biomechanics, v. 45(S1), Proc. of the 18th Congress of the European Society of Biomechanics, Lisbon, Portugal, 1 4 July 2012, S535 12. A. John, P. Wysota: Numerical modeling of osteoporotical changes in human bones, CD-ROM Proceedings of the 6th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2012), September 10-14, 2012, Vienna, Austria, Eds.: Eberhardsteiner, J.; Böhm, H.J.; Rammerstorfer, F.G., Publisher: Vienna University of Technology, Austria, ISBN: 978-3-9502481-9-7 (pełny tekst 8 stron) 13. A.John, P.Wysota: Selected problems of numerical modeling of risky state in human bone system., Proc. of Int. Conf. of the PSB, Biomechanics2012, Book of Abstracts, 123-124 14. John. A., Wysota P.: Computer procedure to facilitate detection of osteoporotical changes in human pelvic bone., Proc. of Int. Conf. Mechanika 2012, 94-98 15. P. Wysota: Modelowanie komputerowe wielkości mechanicznych kości miednicznej człowieka z uwzględnieniem zmian osteoporotycznych. Rozprawa doktorska, Gliwice 2011 16. John A., Wysota P., System komputerowy wspomagający diagnozowania osteoporozy na podstawie danych z Ilościowej Tomografii Komputerowej, Aktualne problemy biomechaniki, 3/2009, 81-86

17. John A., Wysota P. QCT as a base of numerical modeling of the osteoporotical changes, CMM2009, Zielona Góra, Short Papers, 219-220 18. John A., Wysota P. The numerical modeling of osteoporotic changes as the aid of diagnosing osteoporosis, Proceedings of 8 th International Conference EUROGEN 2009, Kraków, 167-168 19. John A., Wysota P. Computer system to aid diagnosis of osteoporotical changes on the base of QCT data, Proc. of Int. Conf. of Computational Modeling and Advanced Simulations CMAS2009, Bratysława, na CD Abstract 20. John A., Wysota P. Procedure to aid of detection of osteoporotical changes in human pelvic bone, Proc. Of the Symposium on Methods of Artificial Intelligence AIMETH2009, Gliwice, 35-36 21. John A., Wysota P. Data base to aid of diagnosis of osteoporotical changes in human pelvic bone, Journal of Vibroengineering, Vol. 11, Issue 3, 2009, 517-523