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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Dreidimensionale geometrische Charakterisierung der kortikalen Knochenschale des humanen Os coxae

Meeting Abstract

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  • presenting/speaker Ulli Zeller - Universität Leipzig, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Labor für Biomechanik, Leipzig, Germany
  • Christian Voigt - Universität Leipzig, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Labor für Biomechanik, Leipzig, Germany
  • Carsten Klöhn - Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig, Fakultät Maschinen- und Energietechnik, Leipzig, Germany
  • Roger Scholz - Universität Leipzig, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Labor für Biomechanik, Leipzig, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocPO17-782

DOI: 10.3205/12dkou616, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou6169

Published: October 2, 2012

© 2012 Zeller et al.
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Fragestellung: Aus der Literatur ist bekannt, dass bei knöchernen Strukturen der Hauptanteil der Belastung über die kortikale Knochenschale übertragen wird. Die Modellierung von knöchernen Strukturen für die Computersimulation auf Basis von CT-Datensätzen stellt hinsichtlich Segmentierungs- und Filterstrategien eine große Herausforderung dar. Ziel der aktuellen Studie war es, aus vorliegenden µCT-Scans FE-vernetzungsfähige Geometrie-Modelle menschlicher Beckenknochen über weitestgehend automatisierte Arbeitsschritte zu erstellen, wobei ein besonderes Augenmerk auf die realistische Repräsentation der kortikalen Knochenschale gerichtet wurde. Die erstellten Modelle sollten auf ihre Realitätsnähe überprüft werden. Dazu wurden charakteristische geometrische Größen identifiziert und ausgewertet.

Methodik: Ein Segmentierungsalgorithmus auf Basis eines globalen Schwellwertverfahrens aus einer Vorarbeit wurde mit angepassten Parametern für die modellierte kortikale Mindestdicke, Lochschließung (Gefäßeingänge) und Konturenglättung angewendet, um die äußere Begrenzung (Periost) und die innere Begrenzung (Endost) der Kortikalis (Substantia compacta) zu ermitteln. Dabei wurde gleichzeitig das innen liegende Volumen der Spongiosa (Substantia spongiosa) separiert. In der Bildbearbeitungssoftware ImageJ (Open Source) wurde ein Macro mit mehreren Filterfunktionen programmiert, um die segmentierten Konturen zu bereinigen und zu glätten. Anschließend wurden die einzelnen Konturen scriptgesteuert zu einer 3D-Punktwolke (Koordinatenliste) zusammengefügt. In CATIA (Dassault Systèmes, Frankreich) erfolgte die STL-Vernetzung und weitere Schritte zur Netzoptimierung. Zur Auswertung charakteristischer geometrischer Größen wurden verfügbare Funktionen in CATIA zur orthogonalen Flächenabstandsmessung, deren Verteilungsstatistik und der Volumenberechnung genutzt. Zur Modellvalidierung wurden zufällig ausgewählte Schnittbilder an einem CAD-Modell mit den jeweils zugrundeliegenden µCT-Schnittbildern verglichen. Dazu wurden jeweils der Verlauf der kortikalen Dicke über den Umfang der Schnittflächen ermittelt und die Korrelationen der zugeordneten Kurvenverläufe überprüft. Zusätzlich wurden die Übereinstimmungen der Flächenintegrale und Mittelwerte der kortikalen Dicken ausgewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Im Rahmen der Arbeit konnten anhand der exakten und validierten geometrischen Erfassung der kortikalen Knochenschale die charakteristischen Größen der Struktur ausgewertet werden. Für drei humane Os coxae wurden jeweils die kortikale Dicke über die gesamte Oberfläche des 3D-Modells, der Volumenanteil der Substantia compacta am Gesamtvolumen (18–21%) und die statistische Verteilung der kortikalen Dicke dargestellt. Die Modellvalidierung ergab Korrelationswerte von 0,88 bis 0,99 mit einem Mittelwert von 0,95. Weiterhin werden die Flächenintegrale und Mittelwerte der kortikalen Dicken angegeben. Diese Werte belegen die Realitätsnähe der durch die oben beschriebene Methodik erstellten CAD-Modelle menschlicher Beckenknochen.