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Finite-Elemente-Modellierung eines knöchernen Beckens ausgehend von einem CT-Datensatz
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Published: | September 28, 2006 |
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Fragestellung: Ziel der Arbeit ist die Überführung eines konventionellen CT-Datensatzes des knöchernen Beckens in ein für die Finite-Elemente-Modellierung nutzbares Datenformat. Dabei soll neben der Erzeugung einer verwertbaren Datenstruktur die Möglichkeit zur Steuerung des Verhältnisses von Datenmenge und -genauigkeit je nach biomechanischer Fragestellung durch den Anwender bestehen.
Methodik: Von einem frischen Leichenbecken wurde ein Spiral-CT (MX 8000 / Fa. Philips) mit einer Schichtdicke von 0,8 mm erstellt. Der DICOM-Datensatz (Digital Imaging and Communication in Medicine) wurde im ersten Konvertierungsschritt unter Nutzung der Software Vworks v4.0 (CyberMed Inc.) in eine VRML-Datei (Virtual Reality Modelling Language) umgewandelt. Im zweiten Schritt wurde daraus mit der Software Amapi3D v2.0 (ATSG Company) eine STL-Datei (Standard Triangulation Software) erzeugt, um die Daten im dritten Schritt im CAD-Programm Catia v5 (Dassault Systemes) weiterbearbeiten zu können. Im vierten Konvertierungsschritt wurde der STL-Datensatz mit einer Programmierung in der Scriptsprache von Mathematica 4 (Wolfram Research) in eine FEM-Eingabedatei umgeschrieben. Die Einzelschritte werden in einem Flussdiagramm dargestellt.
Ergebnisse: Unter Verwendung der genannten Software konnte eine lückenlose Konvertierungskette gefunden werden, um die geometrische Topologie eines knöchernen Beckens aus einem CT-Datensatz für die Finite-Elemente-Modellierung zu nutzen. Im ersten Konvertierungsschritt mussten ca. 800 CT-Einzelbilder manuell bereinigt werden. Die Nachbearbeitung der Daten ist mit einem Zeitaufwand von ca. 12 Stunden verbunden. Das Verhältnis zwischen Datenmenge und -genauigkeit kann durch den Anwender im dritten Konvertierungsschritt stufenlos reguliert werden. Die Rechenzeit auf einem adäquaten Standard-PC für den vierten Konvertierungsschritt (STL-Datei mit 33.000 Punkten) beträgt etwa 20 Minuten.
Schlussfolgerung: Die Konvertierung der geometrischen Information zwischen verschiedenen Software-Umgebungen ist mit einem gewissen Genauigkeitsverlust verbunden. Zur Effizienzsteigerung ist es wünschenswert die gesamte Konvertierung in eine Anwendung zu integrieren. Das erstellte FE-Modell eines knöchernen Beckens soll in einer weiterführenden Arbeit mit bereits modellierten Implantatkomponenten versehen und zur Untersuchung der Verankerungsstabilität bei Luxationen genutzt werden.