Fakultet inenjerskih nauka KragujevacUniverzitet u
Kragujevcu
Seminarski rad
Predmet: Bioinenjering i bioinformatikaTema: Disekcija aorte
Studenti: Prof.dr: Nenad FilipoviSaa orevi 312/2013ore Vuleti
394/2013
Kragujevac 2014.SadrajUvod1Uzroci i faktori
rizika2Simptomi3Proces 3D rekonstrukcije krvnog suda3Softver za
obradu slika - Mimics3Rad u program Geomagic6Postupak rada
Geomagic-u7Rezultati testiranja modela u FEMAPU11
UvodDisekcija aorte za razliku od aneurizme je urgentno stanje u
hirurgiji. Neregulisan krvni pritisak i slabost zida aorte su
glavni faktori rizika. Moe nastati na bazi aneurizmatski proirene
aorte ali i potpuno nezavisno. Nastaje kada dodje do prskanja
unutranjeg sloja aorte, kada krv prodire u zid aorte i raslojava
ga. Nakon ovoga mogunost potpunog pucanja zida aorte dramatino
raste tako da akutno nastalu disekciju treba pod hitno
operisati.Aneurizma aorte je bolest koju karakterie proirenje
aorte. Posledica je slabosti zida aorte razliitog porekla. Kada se
prenik aorte poveava, raste i sila pritiska krvi na zid aorte to
moe dovesti do prskanja aorte ili njenog raslojavanja ( disekcije
aorte ). Uzlazna (ascedentna ) aorta je najosetljiviji deo aorte, i
kada njen prenik predje 5 - 5,5 cm treba je operisati. Iako sama
aneurizma aorte nije urgentno stanje, ve stanje koje treba na vreme
leiti, vea proirenja aorte ipak treba leiti u to skorijem roku.
Pojedine urodjene bolesti vezivnog tkiva kao naprimer Marfanov
sindrom pogoduju nastanku aneurizme aorte.
Slika 1- Mogue lokalizacije disekcije grudne aorte
Uzroci i faktori rizikaU nastanku disekcije aorte sledei faktori
igraju kljunu ulogu: Hipertenzija (povien krvni pritisak) je jedan
od faktora rizika za nastanak disekcije aorte, jer dolazi do
oteenja njenog zida (posebno endotela). Ateroskleroza takoe izaziva
oteenje endotela (unutranjeg sloja zida), tako da se mogu javiti
pukotine u endotelu iz kojih se razvija disekcija. Marfanov sindrom
je uroen poremeaj u sintezi elastinih vlakana krvnih sudova
(aorte), koji dovodi do slabosti njihovog zida (aorta je bogata
elastinim vlaknima). Takoe moe se javiti i oboljenje cistina
nekroza medije (srednjeg sloja aortnog zida), usled koga nastaju
pukotine u njemu iz kojih moe nastati disekcija. Jatrogeni faktori
npr. mehanika povrada aortnog zida u toku kateteritacije sranih
arterija, plasiranja intraaortalne balon pumpe.. Mehanike povrede
usled npr. saobraajnih nesrea, padova sa velike visine...Najee
disekcija aote poinje stvaranjem pukotine u unutranjem delu njenog
zida u endotelu i intimi.
Slika 2- Nastanak disekcije usled Slika 3- Nastanak disekcije
usled pukotine pukotine intime medije
Krv koja protie kroz aortu ima visok pritisak (preko 120 mm Hg u
toku sistole), tako da se male pukotine mogu vrlo brzo proiriti i
zahvatiti dublje slojeve aortnog zida. Usled prodora krvi u srednji
sloj i njenog kretanja dolazi do uzdunog cepanja ovog sloja, tako
da nastaje jo jedan, lani lumen. Ova dva lumena odvojena su slojem
intime i endotela. Dalji tok moe biti dvojak. Usled irenja pukotine
moe doi do njenog ponovog spajanja sa pravim lumenom aorte, odnosno
kroz novu pukotinu intime (unutranjeg sloja) krv se vraa u pravi
lumen. Ukoliko doe do irenja pukotine prema spolja u spoljanjem
sloju zida, moe doi do njegovog pucanja i tekog krvarenja (smrtnost
je gotovo 100%).
Jedan deo disekcija aorte nastaje usled stvaranja pukotina i
cista u njenom srednjem delu (medija), koje slabe zid aorte i mogu
dovesti do disekcije i aneurizme. Ovakve promene javljaju se kod
Marfanovog sindroma i cistine nekroze medije.
SimptomiU poetku gotovo da i nema simptoma, ponekad se mogu
osetiti pulsacije. Jedan od simptoma moe biti i razlika u krvnom
pritisku izmeu leve i desne ruke. Nagla pojava simptoma u vidu
jakih, otrih bolova (koji se etaju), oka, gubitka svesti su ve
poodmakli znaci cepanja arterijskog zida. Disekcija ushodnog dela
aorte moe dovesti do sranih poremeaja kao to su: insuficijencija
aortnog zida, infarkt, perikardna tamponada.Proces 3D
rekonstrukcije krvnog sudaU procesu 3D rekonstrukcije krvnog suda,
radimo na odreivanju granica u 2D modelu a zatim povezivanje tih
granica u 3D objekte. Proces 3D rekonstrukcije krvnog suda poinje
od primene jednog ovakvog algoritma na seriji IVUS snimaka kojim se
dobijaju granice krvnog suda. Na osnovu toga formira se model
krvnog suda u obliku mree konanih elemenata i takav model je
spreman za primenu u razliitim simulacijama u biomedicini. U cilju
dobijanja to vernijeg modela (modela koji najvie odgovara relanom
stanju) krvnog suda, dalji razvoj ovog algoritma ii e u pravcu
poboljanja tako da se dobije najvei mogui stepen glatkosti konture.
Ovime bi se izbegli pikovi na konturi to u 3D reprezentaciji moe
rezultirati izrisanim zidovima krvnog suda.Softver za obradu slika
- MimicsMimics je softver za obradu slika, za 3D dizajn i
modeliranje, razvijen od strane Materialise NV, belgijska kompanija
specijalizovana u proizvodnji aditiva softvera i tehnologije.
Mimics se koristi za kreiranje 3D modela iz gomile 2D slika. Ovi 3D
modeli se zatim mogu koristiti za razliite inenjerske aplikacije.Na
rad u Mimics-u zasnivao se na dobijanju 3D model iz slika koje su
nastale pomou CT skenera (pacijent Bovanovi Ilonka). Zadatak je bio
da se izdvoji aorta od ostalih organa, kako bi se dobio 3D, model
na kome je mogue vriti testiranja.
Postupak rada u Mimics-uNa poetku rada u Mimics-u potrebno je
slike sa CT skenera uitati u program (File/Import Image/Bovanovic
Ilonka/Open), Nakon cega biramo orijentaciju CT snimka i
postavljamo ga u uspravni poloaj Slika 4. Po pdesavanju orjentacije
dobija se radno okruenje kao na Slici 5.
Slika 4. Orijentacija CT snimka
Slika 5. Mimics radon okruenjeKako bi se to bolje izdvojila
aorta od ostaloh organa, potrebno je prepoznati je na slikama i
pozicionirati se na njen poetak (u naem sluaju na 200-tu sliku). Od
pomenute slike potrebno je uraditi selektovanje (Slika 6)selektuju
se svi slajsevi preko kojih se prostire aorta i dodaje (Threshold),
od pocetka karotide preko abdomenalne aorte do kraja torzionog dela
(u naem sluaju do 0-te slike).
Zatim sledi dugotrajan proces deselektovanja konture karotide,
koji se obavlja pomou operacije Remove-Deselect. Na sledeoj slici
(Slika 7) prikazan je izgled jedne pravilno deselektovane slike
konture karotide. Ovaj proces deselektovanja potrebno je ponoviti
za sve slike na kojima se prepoznaje karotida i njena kontura.
Slika 6. Selektovanje i dodavanje Threshold-a Slika 7.
Deselektovane konture karotideU toku i po zavretku procesa
deselektovanja slika, moemo izvriti pregled uraenog dela aorte
klikon na Calculate (prikazano na slici ispod).
Klikon na Calculate vri se proraun i za rezulta imamo izgled
aorte u 3D obliku
Sada je potrebno izvriti razdvajanje aorte po vidljivoj
pukotini, na dva dela, kako bi prilagodili aortu za rad u narednom
programu (Geomagic Studio). Razdvajanje vrimo tako to prvo briemo
jednu polovinu aorte, a zatim drugu. Izgled razdvojenih delova
aorte prikazan je na slikama 8.
Slika 8. Razdvojeni delovi aorte Levi i Desni lumenDalji tok
rada odvija se u program Geomagic Studio 2013, i bie objanjen u
narednim koracima. Oba ova dela potrebno je snimiti u STL format
kako bi mogli biti uitani u Geomagic. Potrebno je uitati svaki
lumen zasebno.Rad u program GeomagicGeomagic softverski proizvodi
su fokusirani na proces 3D zarobljavanja u korisne 3D podatke tako
da modeli mogu da se koriste u inenjerstvu, dizajnu proizvoda,
umetnosti, arheologiji, medicinskim procedurama i arhivske svrhe.
Ova tehnologija se iroko koristi u obrazovnim institucijama i
istraivakim i razvojnim objektima u medicinske, stomatoloke i
bio-mehanike svrhe. Podrka formata datoteka za 3D modele ukljuuje
sve standardne formate 3D neutralne, kao i plug-in podrku direktno
u glavnoj CAD platformi.
Postupak rada Geomagic-uPri pokretanju programa, potrebno je
izvriti uitavanje pojedinanih delova aorte (jedne, pa druge
polovine) iz razloga jednostavnijeg sreivanja mree koja se formira
na 3D modelu.Potrebno je poravnati neravnine na delovima aorte
korienjem odredjene palete alata.
Detektuje i popunjavanje svih otvorenih trouglia na mrei.
Popunjavanje samo prethodno oznacenih delova
Dodatna podeavanja koja omogucavanju kontrolisanje dodatnih
komandi za popunjavanje upljina
Slika 9. Prikaz uredjenog lumena sa konvertovanom mreom
Formiranu mreu na 3D modelu, potrebno je urediti tako da broj
trouglia iz kojih je mrea formirana bude manji od 50000, tako da
geometrija ostane ne naruena. Sreivanje mree se obavlja pomou
sledeih alata:Detektuje i poravnava otre trouglie na mrei.
Ublaava poligon mree, smanjenjem uglova izmeu pojedinih
poligona.
Alat za runo ublaavanje poligona mree
Pri sreivanju mree treba obratiti panju na otre delove
(trouglie), koji se najee javljaju na mestima gde je dolazilo do
seenja modela. Svi otri delovi (trouglii) moraju biti uklonjeni
kako ne bi dolo do naruavanja geometrije, kako bi se mogla izvriti
simulacija i dobiti ispravni rezultati. Potrebno je voditi racuna o
ulazima i izlazima na samoj aorti kako bi se mogla sto preciznije
izvrsiti simulacija.Kada je na oba dela aorte mrea zadovoljavajua,
potrebno je oba dela uvesti u Geomagic i izvriti njihovo spajanje
kako bi se stvorila jedna celina.
Slika 10. Priprema levog i desnog lumena za spajanje u jednu
celinuSada je potrebno povezati ova dva dela, opciom za izgradnju
mosta preko rupe, kako bi model dobio svoj konaan izgled i bio
spreman za testiranje.Pre spajanja potrebno je na oba dela
napraviti upljine, kako bi fluid mogao da dopre do svake od
polovina i na kraju zatvoriti celu geometriju .(Slika 11).
Slika 11. Spajanje levog i desnog lumena u jednu celinuNakon
zavrenog spajanja i uredjivanja mree na 48,793 trouglica model je
spreman za poslednji korak izgled modela je prikazan na slici
12.
Slika 12-Konaan izgled modelaZadnji korak je uvanje modela u STL
fajlu kako bi smo mogli isti ucitati u Femapu, po ucitavanju modela
aktiviramo opciju (Quality) koja nam pomae u pronalaenju malih
nepravilnih trouglica tako sto ih boji u crvenu boju. Potrebno je
prebrisati sve crvene trouglice i ponovo ih konvertovati.
Rezultati testiranja modela u FEMAPUSheare strees (Smicajni
napon)
NAPOMENA: Rezultati prikatani na skali su izraeni u Paskalima
(Pa).Pressure (Pritisak)NAPOMENA: Rezultati prikatani na skali su
izraeni u Paskalima (Pa).12
