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3D-Oberflächenrekonstruktion eines Femurs aus CT-Daten: Ringversuch in 7 Biomechanik-Instituten und Benchmark gegen einen 3D Laserscan
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Authors
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Matthias Woiczinski
- Klinik u. Poliklinik für Orthopädie Physikalische Medizin, Klinikum der Universität München, München, Germany
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Ehsan Soodmand
- Biomechanics and Implant Technology Research Laboratory, Department of Orthopaedics, 7 University Medicine Rostock, Rostock, Germany
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Dieter Pahr
- Institute of Lightweight Design and Structural Biomechanics, TU Vienna, Wien, Austria
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Robert Cichon
- Chair of Mechanics and Robotics, University of Duisburg-Essen, Duisburg, Germany
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Michael Schwarze
- Laboratory for Biomechanics, Hannover Medical School, Hannover, Germany
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Patrick Varady
- Institute of Biomechanics, Trauma Center Murnau, Murnau, Germany
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Dominic Gehweiler
- Department of Trauma, Hand and Reconstructive Surgery, University Hospital Münster, Münster, Germany
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Daniel Kluess
- Biomechanics and Implant Technology Research Laboratory, Department of Orthopaedics, 7 University Medicine Rostock, Rostock, Germany
| Published: | October 23, 2017 |
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Fragestellung: Bildgebende Verfahren haben sich in den letzten Jahren über die Diagnostik hinaus für die Untersuchung der Biomechanik verschiedener Gelenke, patientenspezifischer Implantatherstellung, computerunterstützter Operationen und präoperativer Planung etabliert. Für die Analyse von menschlichen Gelenken, Knochen und Gewebe sind patientenspezifische Finite-Elemente-Modelle heutzutage gebräuchlich. Dabei ist neben der Zuordnung der richtigen Materialparameter und dem Erstellen der richtigen Randbedingungen die Erzeugung der 3D-Knochengeometrien einer der wichtigsten Parameter für eine realitätsnahe Simulation.
Methodik: Sieben Forschungsgruppen rekonstruierten neun 3D Modelle von einem Femur basierend auf dem gleichen CT-Datensatz mit ihren jeweils eigenen Segmentierungsmethoden und Softwarepaketen. Als Referenzmodell wurde, unter Verwendung eines Laserscan-Systems, ein 3D Modell des Femurs erzeugt. Für den Vergleich wurde das Femur in vier unterschiedliche Bereiche aufgeteilt: Hals - Trochanter Major, proximale Metaphyse, Diaphyse und distale Metaphyse. Die Abweichungsanalyse zum Referenzmodell wurde mit der Software Geomagic Studio V. 2013 erstellt und mittels der Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (RMSE) ausgewertet.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Ergebnisse (Abbildung 1 [Abb. 1]) zeigten die größten Abweichung zum Referenzmodell innerhalb des Hals-Trochanter-Major-Bereichs und im Bereich der proximalen Metaphyse (RMSE 0,82 mm und 0,81 mm). Die kleinste Abweichung lag in der Diaphyse mit einem RMSE von 0,69 mm.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die mittlere Abstandsabweichung des rekonstruierten 3D-Modells zum nativ gescannten Knochen kleiner als 0,79 mm (Abstand) war. Dies ist als vernachlässigbar klein zu betrachten, da bei der Verwendung von 3D-Modellen in der Finite-Elemente-Simulation anderen Faktoren (z. B. Randbedingungen und Materialeigenschaften) wesentlich höhere Auswirkungen auf die Ergebnisse haben.
