PL239300B1 - Sposób wytwarzania modeli anatomicznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania modeli anatomicznych, który obejmuje przeprowadzanie tomografii komputerowej, a następnie sporządzanie obrazu 2D w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, po czym przeprowadzenie obróbki cyfrowej poprzez cyfrową filtrację oraz dalej segmentację struktury, a następnie w wyniku procesu renderingu powierzchniowego uzyskiwanie obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej, który przesyłany jest następnie do drukarki 3D, po czym przeprowadzany jest dobór materiału i parametrów procesu i dalej wytwarzany jest model trójwymiarowy struktury anatomicznej, prowadzi się tak, że podczas cyfrowej filtracji obrazu 2D usuwa się szumy. Następnie zwiększa się rozdzielczość przestrzenną obrazu prowadząc interpolację. Uzyskuje się obraz interpolowany, który poddaje się go cyfrowej filtracji wyostrzającej granicę pomiędzy strukturą kostną a tkanką miękką uzyskując obraz przetworzony, na którym prowadzi się lokalne progowanie. Następnie poddaje się obszarowej segmentacji wyodrębniając struktury kostne, które łączy się cyfrowo, a następnie obrazuje się trójwymiarowy model struktury anatomicznej, który poddaje się edycji powierzchni fasetkowej i generuje się obraz trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej o podwyższonej dokładności. Po przesłaniu tego obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej do drukarki 3D usuwa się z niego wtrącenia powstałe podczas segmentacji.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania modeli anatomicznych, w szczególności do planowania operacji zabiegów ortopedycznych, zwłaszcza w obrębie stawu biodrowego.

Kontuzje stawów, u człowieka, zdarzają się często. Dochodzi do nich zarówno podczas uprawiania sportu, jak i w pracy oraz podczas codziennych czynności. Aloplastyka stawu biodrowego to obecnie jedna z najczęściej wykonywanych operacji ortopedycznych, przy czym ich liczba, w ujęciu globalnym, wzrasta z roku na rok. Z założenia są to zabiegi planowe, mające na celu zwiększenie komfortu i jakości życia pacjentów. W większości przypadków uzyskuje się zredukowanie albo usunięcie dolegliwości bólowych, przywrócenie funkcjonalności stawu biodrowego oraz poprawę jakości życia chorych. Niestety, jak każda procedura inwazyjna, zabiegi aloplastyki są obarczone ryzykiem wystąpienia powikłań, które mogą zmniejszyć dobry wynik operacji i zamiast poprawić komfort życia chorego, prowadzą do jego obniżenia. Najczęstszymi rodzajami powikłań są powikłania ortopedyczne i powikłania ogólnoustrojowe. Powikłania ortopedyczne są ściśle związane z implantami i miejscem operowanym. Są to zwłaszcza infekcje głębokie oraz powierzchowne rany, obluzowania septyczne lub aseptyczne, złamania okołoprotezowe, niewłaściwe ustawienia komponentów protezy, ich przemieszczenie lub wystąpienie krwiaka okolicy operowanej. Kolejnym z powikłań ortopedycznych może być różnica w długości końc zyn dolnych, utrzymująca się po operacji oraz uszkodzenia naczyń lub nerwów. Każda z wymienionych komplikacji powoduje obniżenie komfortu życia pacjenta i implikuje problemy dla chorego oraz całego systemu opieki zdrowotnej, poprzez wydłużenie okresu hospitalizacji i zwiększenie jej kosztów. Obecnie wykonywane, trójwymiarowe modele struktur kostnych, pozwalają ortopedom lepiej przygotować się do zabiegu, zwiększyć precyzję wykonywanej operacji, dobrać potrzebne oprzyrządowanie oraz płytki rekonstrukcyjne, dokładniej skonsultować przypadek z innymi lekarzami przed rozpoczęciem zabiegu, lepiej przedstawić pacjentowi zakres zabiegu i omówić jego przebieg, skrócić czas zabiegu, a tym samym skrócić czas przebywania pacjenta w znieczuleniu ogólnym, zmniejszyć utratę krwi podczas zabiegu oraz zminimalizować komplikację śródoperacyjną.

Z opisów zgłoszeniowych wynalazków: WO 2001033511 A2 oraz US 20180032641 A1, jak również z opisów patentowych US 7702380 B1, US 8781557 B2 oraz US 9330206 B2 znane są sposoby projektowania oraz wytwarzania struktur anatomicznych. Istotną rolę w sposobach wytwarzania modeli struktur anatomicznych oraz implantów odgrywają techniki przyrostowe, co zostało ujawnione w opisie patentowym EP 0722588 B1. Z opisów zgłoszeniowych wynalazków WO 2016044352 A1, CN

105741354 A oraz CN 107411799 A znane jest stosowanie techniki druku 3D jako narzędzie wspomagającego lekarzy podczas przeprowadzania zabiegów ortopedycznych, także w obszarze stawu biodrowego. Nie jest jednak znany sposób umożliwiający podwyższenie dokładności rekonstrukcji geometrii w obrębie stawu biodrowego na etapie tworzenia modelu cyfrowego oraz wykonania gotowego modelu fizycznego.

Każdy etap wykonania struktury anatomicznej kości, wpływa na dokładność rekonstrukcji geometrii. Największe znaczenie ma etap akwizycji i przetwarzania danych, gdyż wpływa on na efekt końcowy rekonstrukcji geometrii cyfrowego modelu struktury anatomicznej. Najczęściej diagnostykę w obrębie stawu biodrowego, przeprowadza się w oparciu o dane pochodzące z systemów tomograficznych wielorzędowych. Zapisywane są one w formacie DICOM - Digital Imaging and Communications in Medicine, który zawiera informacje o wielkości pikseli, wymiarach obrazu oraz grubości przekroju znajdującego się na pojedynczym obrazie. Każdy element utworzonego obrazu jest reprezentowany przez średni współczynnik osłabienia promieniowania w elemencie objętości tkanki obrazowanej warstwy. Taką wartość liczbową w powszechnie używanej tomografii komputerowej definiuje się w skali Hounsfielda. Na jakość uzyskanych danych DICOM w dużej mierze wpływa rozdzielczość przestrzenna i kontrastowa, które są uzależnione od wielu czynników. Rozdzielczością przestrzenną układu obrazującego nazywa się jego zdolność do rozróżnienia dwu położonych blisko obiektów punktowych, czyli możliwość rozróżniania szczegółów na obrazie. Rozdzielczość w tomografii komputerowej jest ograniczona parametrami konstrukcyjnymi, zwłaszcza wielkością ogniska lampy, rozmiarami i liczbą detektorów oraz doborem parametrów badania, zwłaszcza liczbą projekcji, algorytmem rekonstrukcji. Dodatkowym ograniczeniem jest, jak w każdej cyfrowej obróbce obrazowania, wielkość elementu obrazu wynikającego z rozmiaru macierzy rekonstrukcji i wielkości obrazowanego obszaru. Pogorszenie rozdzielczości może być powodowane przez błędy w działaniu aparatu lub zużycie ogniska lampy i zawsze prowadzi do obniżenia wartości diagnostycznej obrazu, zwłaszcza poprzez wzrost szumu na obrazie. Dane DICOM w przypadku niskiej jakości rozdzielczości przestrzennej charakteryzują się najczęściej anizotropową

PL 239 300 B1 strukturą voxela, w której grubość warstwy jest nieporównywalnie większa niż wymiary piksela. Grubość warstwy odgrywa istotną rolę w procesie uśredniania objętościowego, a tym samym wpływa na rozdzielczość przestrzenną obrazu. W wyniku zmiany grubości warstwy, powstaje błąd częściowej objętości, który wywołuje rozmycie granic obiektu oraz jego elementów o wymiarach zbliżonych do wymiarów pojedynczego detektora. Błąd częściowej objętości powstaje w przypadku, gdy krawędź obiektu nie pokrywa się z krawędzią detektora. Na skutek aproksymacji rejestrowanego sygnału obrazu, fragment obiektu jest uśredniany do całej powierzchni detektora, powodując jego rozmycie. Błąd ten jest źródłem nieciągłości konturu obiektu wydobywanego w procesie segmentacji. Jest on wszechobecny w obrazowaniu danych medycznych i musi być brany pod uwagę w procesie segmentacji, klasyfikacji i ilościowej analizy obrazu. Ten artefakt może bezpośrednio wpływać na objętość oraz dokładność wymiarową i geometryczną trójwymiarowych modeli cyfrowych i fizycznych. Rezultatem końcowym rekonstruowania jest blokowa struktura powierzchni, która generuje błędy geometrii, które wpływają na dokładność końcową wytwarzanych modeli struktur anatomicznych. Rozdzielczość kontrastowa umożliwiająca rozróżnienie w obrazie struktur słabo skontrastowanych jest ograniczona głównie przez szum. Kontrola widoczności struktur słabo skontrastowanych z otaczających je tłem jest, ze względu na swoje podobieństwo do sytuacji klinicznej, jednym z najważniejszych testów. Jednocześnie jednak jest to jedyny test, którego wynik, w dużym stopniu, jest zależny od obserwatora. Podczas prowadzenia kontroli wykorzystuje się najczęściej fantomy wykonane z tworzywa sztucznego z umieszczonymi wewnątrz słabo skontrastowanymi strukturami o prostych geometrycznych kształtach i zróżnicowanych wymiarach. Do przedstawienia narządów o dużym kontraście struktur wewnętrznych, takich jak płuca - kości używa się algorytmu „twardego”, charakteryzującego się wysoką rozdzielczością, który umożliwia uwydatnienie krawędzi. Do oceny narządów o mniejszym kontraście struktur wewnętrznych stosowany jest algorytm „miękki”, ponieważ algorytm „twardy” zwiększyłby poziom szumów i utrudnił rozróżnienie struktur o mniejszym kontraście. Tak jak w przypadku rozdzielczości przestrzennej na kontrastową wpływają parametry konstrukcyjne systemu tomograficznego, zwłaszcza budowa detektorów oraz parametry diagnostyczne, zwłaszcza metoda rekonstrukcji.

Pozyskanie danych pomiarowych z tomografów wielorzędowych charakteryzujących się niskim poziomem rozdzielczości przestrzennej i kontrastowej, znacznie utrudnia proces segmentacji struktur anatomicznych w obrębie stawu biodrowego.

W celu poprawy jakości obrazu i wydobycia z niego niezbędnych informacji diagnostycznych opracowano nowy sposób wytwarzania modeli anatomicznych.

Sposób wytwarzania modeli anatomicznych, który obejmuje przeprowadzanie tomografii komputerowej, a następnie sporządzanie obrazu 2D w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, po czym przeprowadzenie obróbki cyfrowej poprzez cyfrową filtrację oraz dalej segmentację struktury, a następnie w wyniku procesu renderingu powierzchniowego uzyskiwanie obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej, który przesyłany jest następnie do drukarki 3D, po czym przeprowadzany jest dobór materiału i parametrów procesu i dalej wytwarzany jest model trójwymiarowy struktury anatomicznej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że podczas cyfrowej filtracji obrazu 2D usuwa się szumy, a następni e zwiększa się rozdzielczość przestrzenną obrazu prowadząc interpolację i uzyskuje się obraz interpolowany, po czym poddaje się go cyfrowej filtracji wyostrzającej granicę pomiędzy strukturą kostną a tkanką miękką uzyskując obraz przetworzony, na którym dalej prowadzi się lokalne progowanie, a następnie poddaje się obszarowej segmentacji wyodrębniając struktury kostne, po czym wyodrębnione struktury łączy się cyfrowo, a następnie obrazuje się trójwymiarowy model struktury anatomicznej, który poddaje się edycji powierzchni fasetkowej i generuje się obraz trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej o podwyższonej dokładności, zaś po przesłaniu tego obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej do drukarki 3D usuwa się z niego wtrącenia powstałe podczas segmentacji.

Korzystnie szumy usuwa się mnożąc transformatę obrazu 2D i filtru, a interpolację danych prowadzi się sposobem Lanczosa, zaś podczas obrazowania trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej stosuje się metodę issosurface, a ponadto podczas edycji powierzchni fasetkowej usuwa się błędy siatki trójkątów oraz wtrącenia powstałe podczas segmentacji i podwyższa się dokładność obrazu trójwymiarowego struktury anatomicznej.

Sposób wytwarzania modeli anatomicznych według wynalazku pozwala na uzyskanie dokładnie odtworzonych modeli anatomicznych, zwłaszcza stawu biodrowego, wykorzystywanych jako szablon lub gotowa proteza, a tym samym możliwe jest częstsze uniknięcie powikłań ortopedycznych oraz ogólnoustrojowych w obrębie, zwłaszcza stawu biodrowego.

PL 239 300 B1

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie realizacji.

Sposób wytwarzania modeli anatomicznych, według wynalazku, w przykładzie realizacji prowadzi się tak, że przeprowadza się tomografię komputerową stawu biodrowego, a następnie, w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, sporządza się obraz 2D. W celu poprawy jakości obrazu 2D i wydobycia z niego istotnych informacji poddaje się go cyfrowej obróbce, która polega w pierwszym etapie na usunięciu szumów i uzyskaniu obrazu przetworzonego cyfrowo. Filtrację obrazu 2D prowadzi się z zastosowaniem operacji splotu, polegającej na mnożeniu dwóch transformat w dziedzinie częstotliwości, takich jak transformata obrazu i transformata filtru, co jest równoważne splotowi obrazu z filtrem w dziedzinie przestrzennej. Przeprowadzenie operacji splotu prowadzi do uzyskania nowej wartości piksela obrazu na podstawie wartości pikseli sąsiadujących. W dalszej kolejności zwiększa się rozdzielność przestrzenną obrazu 2D poprzez zastosowanie interpolacji danych sposobem Lanczosa, który polega na wyznaczeniu dodatkowych pikseli wraz z ich wartością na podstawie intensywności sąsiednich pikseli, W wyniku interpolacji danych uzyskuje się obraz interpolowany, który jest rozmyty. Obraz interpolowany poddaje się następnie cyfrowej filtracji wyostrzającej granicę pomiędzy strukturą kostną a tkanką miękką uzyskując obraz przetworzony, na którym przeprowadza się proces segmentacji. Prowadzenie cyfrowej filtracji pozwala na znaczne przyśpieszenie wydobywania struktury kostnej przy jednoczesnym zwiększeniu dokładności odtworzenia geometrii. Następnie przeprowadza się obszarową segmentację, przy czym w celu zdefiniowania warunków brzegowych względem których będzie wydobywana struktura kostna prowadzi się lokalne progowanie, przez co podwyższa się dokładność segmentacji w obrębie wydobywanej struktury kostnej poprzez dobranie w wybranym obszarze indywidualnego progu. Następnie, po wykonaniu segmentacji, wyodrębnione struktury, takie jak panewka, głowa, trzon kości udowej, łączy się cyfrowo we wspólną całość i dalej obrazuje się trójwymiarowy model struktury anatomicznej, stosując metodą issosurface. Metoda ta należy do pośrednich metod powierzchniowych i bazuje na algorytmie maszerujących sześcianów. Sposób działania tego algorytmu polega na podzieleniu przestrzeni na serię sześcianów, które swym zasięgiem mogą obejmować jeden lub kilka voxeli. Następnie sprawdza się węzły poszczególnych wyznaczonych sześcianów pod względem zdefiniowania izo-wartości. W zależności od tego czy wartość węzła była większa czy mniejsza, w miejsce sześcianu wstawiane są wielokąty odpowiadające izo-powierzchni przechodzącej pomiędzy tymi punktami. Istnieje 256 orientacji sześcianu względem powierzchni, przy czym można wyróżnić 15 unikalnych kanonicznych orientacji. Pozostałe, dla uproszczenia algorytmu, można otrzymać poprzez ich rotacje, odbicie lustrzane oraz odwrócenie normalnych. Uzyskiwany, w wyniku zastosowania algorytmu, obraz trójwymiarowy modelu posiada wady, którymi są odwrócone wektory normalne, powstanie szczelin pomiędzy trójkątami, zniekształcona powierzchnia, brak całych powierzchni albo wybranych jej fragmentów, nakładające się oraz wzajemnie przecinające się trójkąty, brak wspólnej krawędzi oraz dodanie trójkątów swobodnych z niczym nie związanych. W celu usunięcia błędów prowadzi się edycję powierzchni fasetkowej, czyli siatki trójkątów i generuje się obraz trójwymiarowy modelu struktury anatomicznej o podwyższonej dokładności, który przesyła się do drukarki 3D. Następnie, w celu zwiększenia dokładnośc i odwzorowania wykonywanego modelu trójwymiarowego, usuwa się niewidoczne podczas eksportu danych wtrącenia powstałe podczas segmentacji. W dalszej kolejności dobiera się materiał, z którego będzie wykonany model trójwymiarowy, a którego specyfika zależy od układu anatomicznego, który ma być odwzorowany w metodzie przyrostowej, jak również od możliwości wykorzystania modelu na sali operacyjnej, po uprzednim jego odkażeniu. Dobrany materiał daje również możliwość wykonywania na nim operacji takich jak cięcie oraz wiercenie narzędziami chirurgicznymi tak, żeby w pełni odwzorować warunki panujące na sali operacyjnej. Następnie dobiera się parametry przetwórcze procesu, co jest bardzo istotne, z uwagi na jak najdokładniejsze odwzorowanie modelu oraz niezawodność procesu wytwórczego, po czym, wykorzystując drukarkę 3D, wytwarza się model trójwymiarowy struktury anatomicznej.

Claims (5)

1. Sposób wytwarzania modeli anatomicznych, który obejmuje przeprowadzanie tomografii komputerowej, a następnie sporządzanie obrazu 2D w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, po czym przeprowadzenie obróbki cyfrowej poprzez cyfrową filtrację oraz dalej segmentację struktury, a następnie w wyniku procesu renderingu powierzchniowego uzyskiwanie obrazu trójwymiarowego modela struktury anatomicznej, który przesyłany jest następnie do drukarki 3D, po

PL 239 300 B1 czym przeprowadzany jest dobór materiału i parametrów procesu i dalej wytwarzany jest model trójwymiarowy struktury anatomicznej, znamienny tym, że podczas cyfrowej filtracji obrazu 2D usuwa się szumy, a następnie zwiększa się rozdzielczość przestrzenną obrazu prowadząc interpolację i uzyskuje się obraz interpolowany, po czym poddaje się go cyfrowej filtracji wyostrzającej granicę pomiędzy strukturą kostną a tkanką miękką uzyskując obraz przetworzony, na którym dalej prowadzi się lokalne progowanie, a następnie poddaje się obszarowej segmentacji wyodrębniając struktury kostne, po czym wyodrębnione struktury łączy się cyfrowo, a następnie obrazuje się trójwymiarowy model struktury anatomicznej, który poddaje się edycji powierzchni fasetkowej i generuje się obraz trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej o podwyższonej dokładności, zaś po przesłaniu tego obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej do drukarki 3D usuwa się z niego wtrącenia powstałe podczas segmentacji.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szumy usuwa się mnożąc transformatę obrazu 2D i filtru.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że interpolację danych prowadzi się sposobem Lanczosa.

4. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że podczas obrazowania trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej stosuje się metodę issosurface.

5. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że podczas edycji powierzchni fasetkowej usuwa się błędy siatki trójkątów oraz wtrącenia powstałe podczas segmentacji i podwyższa się dokładność obrazu trójwymiarowego struktury anatomicznej.