Medical Informatics

EnglishTürkçe

CHAPTER


DOI :10.26650/B/ET07.2021.003.24   IUP :10.26650/B/ET07.2021.003.24    Full Text (PDF)

Computer-Aided Anatomical Modeling

Ferhat Taş, Nilgün Bozbuğa

Mathematical modeling is widely applied to support surgical and clinical studies in medicine. Anatomical modeling is defined as the creation of a three-dimensional representation of the anatomical features of the assets in appropriate environments with morphometric studies. Anatomical modeling can be performed with a threedimensional reconstruction using structural data obtained by computed tomography and magnetic resonance imaging techniques. Modeling process by using computed tomography, segmentation of the desired tissue, and surface extraction creates a volumetric network and performs a biomechanical analysis by finite element analysis. The images obtained from the magnetic resonance method are processed and the image of the patient’s tissue or organ is obtained. Voxel models are characterized by a specific arrangement of cubic volume elements, thereby representing the type, position, and size of the internal organs. Biomechanical models range from simple line diagrams to complex three-dimensional dynamic models. The most frequently used anatomical models in medicine are personalized surgical practice and customized implant production. Personalized surgical applications are mostly performed by tumor modeling, bone tissue–joint modeling, and cardiovascular modeling. Customized implants and prostheses, which are fully compatible with the patient’s anatomopathology and are completely tailored to the needs of the patient, can be prepared in the correction operations of structural disorders caused by congenital anomalies, malignant diseases, accidents, and firearm injuries. Implants and prostheses can be produced with three-dimensional production methods, which are designed individually with anatomical modeling. These products can chemically biocompatible, non-cytotoxic, do not cause an immunological reaction, and are not allergic or carcinogenic. Additionally, anatomical modeling is used in medical education and surgical education simulations. This section introduces the materials and methods required for modeling by emphasizing on the areas used in anatomical modeling in medicine and certain methods. Additionally, the geometric modeling process sequence required for aortic valve prosthesis design has been created specifically in the cardiovascular modeling field. For this purpose, this section provides general and subject-oriented information about Bézier curves and surfaces, which is one of the most important topics of computer-aided geometric design. Additionally, it provides a detailed mathematical definition of the modeling along with a three-dimensional output of the aortic prosthetic valve model. Computerized tomography data of the heart were used to model the anatomical relationship of the aortic valve complex, and the aortic root geometric model was designed for the production of custom-made aortic valve. The geometric model design aims to produce the anatomically most suitable valve size by performing three-dimensional printing of the aortic valve prosthesis stent (annulus ring) in the most suitable structure for the patient. The borders of the aortic valve tissue to be modeled are determined by the Bézier curves, thereby revealing the roof of where the surface will be formed. Then, a rational Bézier interpolation was performed on this roof to create a desired aortic valve pattern. As a result, a rational Bézier surface patch was obtained and the three-dimensional output of the model was generated from the soft filament. The results of the geometric modeling have shown that the production of the aortic valve for aortic valve replacement in aortic surgery and the surgical correction of various aortic root pathologies depends exactly on the anatomy and geometric design of the aortic root.


Keywords: Anatomical modeling, geometric modeling, personalized medicine, personalized implant, personalized prosthesis, aortic valve prosthesis
DOI :10.26650/B/ET07.2021.003.24   IUP :10.26650/B/ET07.2021.003.24    Full Text (PDF)

Bilgisayar Destekli Anatomik Modelleme

Ferhat Taş, Nilgün Bozbuğa

Matematiksel modelleme, tıpta cerrahi ve klinik çalışmaları desteklemek için yaygın olarak uygulanmaktadır. Anatomik modelleme, morfometrik çalışmalarla varlıkların anatomik özelliklerinin uygun ortamlarda üç boyutlu temsilinin oluşturulmasıdır. Anatomik modelleme, bilgisayarlı tomografi ve manyetik rezonans görüntüleme teknikleriyle elde edilen yapısal verilerin kullanılmasıyla üç boyutlu rekonstrüksiyon yöntemiyle yapılabilir. Bilgisayarlı tomografiden yararlanarak modelleme işlemi, istenen dokunun segmentasyonu ve yüzey ekstraksiyonunun, hacimsel ağının oluşturulması ve sonlu elemanlar analizi ile biyomekanik bir analiz gerçekleştirilmesidir. Manyetik rezonans yönteminden elde edilen görüntüler işlenerek hastaya ait dokunun veya organın görüntüsü elde edilmektedir. Voksel modelleri, iç organların türünü, pozisyonunu ve boyutunu temsil eden ve kübik hacim elemanlarının spesifik bir düzenlemesi ile karakterize edilir. Biyomekanik modeller ise basit çizgi diyagramlarından karmaşık üç boyutlu dinamik modellere kadar çeşitlilik gösterir. Tıpta anatomik modellemenin en sık kullanıldığı alanlar kişiselleştirilmiş cerrahi uygulaması ve kişiye özel implant üretimidir. Kişiselleştirilmiş cerrahi uygulamaları en çok tümör modelleme, kemik doku-eklem modellemesi ve kalp-damar modellemesi ile gerçekleştirilmektedir. Doğumsal anomaliler, malign hastalıklar, kazalar, ateşli silah yaralanmalarını neden olduğu yapısal bozuklukların düzeltim ameliyatlarında, standart ölçülerde üretilenler yerine, hastanın anatomopatolojisi ile birebir uyumlu ve tümüyle hastanın ihtiyaçlarına yönelik, kişiye özel implant ve protezler hazırlanabilmektedir. Anatomik modellemeyle kişiye özel tasarlanan, kimyasal olarak biyouyumlu, sitotoksik olmayan, immünolojik reaksiyona yol açmayan, alerjik özellik taşımayan, karsinojenik olmayan materyalden üç boyutlu üretim yöntemleriyle implant ve protezler üretilebilmektedir. Ayrıca tıp öğretimi ve cerrahi eğitim simülasyonlarında anatomik modelleme kullanılmaktadır. Bu bölümde, tıpta anatomik modellemede kullanılan alanlar ve belirli yöntemler üzerinde durularak modelleme için gerekli malzeme ve yöntemlerin tanıtımı yapılmıştır. Ayrıca, özel olarak kardiyovasküler modelleme alanında aort kapak protez tasarımı yapmak için gerekli olan geometrik modelleme işlem dizisi oluşturulmuştur. Bu amaçla bilgisayar destekli geometrik tasarım konusunun en önemli başlıklarından biri olan Bézier eğrileri ve yüzeyleri hakkında genel ve konuya odaklı bilgiler verilmiş, modellemenin ayrıntılı matematiksel tanımlaması yapılarak, aort protez kapak modellemesinin üç boyutlu çıktısı oluşturulmuştur. Aort kapak kompleksinin anatomik ilişkisinin modellemesini elde etmek için kalbin bilgisayarlı tomografi verileri kullanılmış, kişiye özel aort kapak üretim amacıyla aort kökü geometrik modeli tasarlanmıştır. Geometrik model tasarımı, hastaya en uygun yapıda aort kapak protez stentinin (annulus halkası) üç boyutlu baskısının yapılması ile anatomik olarak en uygun kapak boyutunun üretilebilmesini hedeflemektedir. Modellenecek aort kapak dokusu sınırları Bézier eğrileri ile belirlenerek, böylece yüzeyin nerede oluşturulacağına ilişkin çatısı ortaya çıkartılmıştır. Daha sonra, istenen bir aort kapak modeli oluşturmak için bu çatı üzerinde rasyonel bir Bézier interpolasyonu gerçekleştirilmiş, rasyonel bir Bézier yüzey yaması elde edilmiş; modelin yumuşak filamentten üç boyutlu çıktısı alınmıştır. Geometrik modellemenin sonuçları, aort cerrahisinde aort kapak protezi replasmanı için aort kapağının üretilmesinin ve çeşitli aort kökü patolojilerinin cerrahi düzeltilmesinin, aort kökünün tam olarak anatomik ve geometrik tasarımına benzemesine bağlı olduğunu göstermiştir.


Keywords: Anatomik modelleme, geometrik modelleme, kişiselleştirilmiş tıp, kişiye özel implant, kişiye özel protez, aort kapak protezi

References

  • Arık, Z., (1987). Anatomi Tarihi ve Leonardo Da Vinci, Bilim Uzmanlığı Tezi. google scholar
  • Asghar, W., El Assal, R., Shafiee, H., Pitteri, S., et al. (2015). Engineering cancer microenvironments for in vitro 3-D tumor models. Materials Today 18(10): 539-553. google scholar
  • Bezier, P. (1970). Numerical control: mathematics and applications. google scholar
  • Bozbuğa, N. (2004). Sol Ventrikül Anatomisinin Matematiksel Modellemesi, Doktora Tezi, İstanbul. google scholar
  • Bozbuğa, N. Erentuğ, V., Erdoğan, H.B., Kırali, K, Ardal, H., Taş, S., Akıncı, E., Yakut, C. (2004). Surgical treatment of aortic abscess and fistula: Reconstruction of the aortic annulus with pericardium in complex aortic root infection. Texas Heart Institute Journal 31(4): 382-386. google scholar
  • Bozbuğa, N. Erentuğ, V., Kırali, K., Akıncı, E., Işık, Ö., Yakut, C. (2004). Mid-term results of aortic valve repair with the pericardial cusp extension technique in rheumatic valve disease. Annals of Thoracic Surgery 77(4): 1272-1276. google scholar
  • Bozbuğa, N., Güler, M., Kırali, K., Akıncı, E., Işık, Ö., Yakut, C. (2003). The durability of valve reconstruction in rheumatic mitral and aortic valves: controvertial in the best treatment for double valve disease. Journal of Cardiovascular Forum on Line 1(2): 0037-0046. google scholar
  • Bozbuğa, N., Yakut, C. (1996). The cardiac anatomy and Leonardo da Vinci. Koşuyolu Heart Journal 2(3): 95-98. Bubb, H., & Fritzsche, F. (2009). A scientific perspective of digital human models: past, present, and future. google scholar
  • Handbook of Digital Human Modeling: Research for Applied Ergonomics and Human Factors Engineering, 3. google scholar
  • Campoccia, D., Montanaro, L., Carla Renata Arciola, C.R. (2013). A review of the biomaterials technologies for infection-resistant surfaces. Biomaterials 34: 8533-8554. doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.07.089 google scholar
  • Cartiaux, O., Paul, L., Francq, B.G. et al. (2014). Improved accuracy with 3D planning and patient-specific inst-ruments during simulated pelvic bone tumor surgery. Ann Biomed Eng 42: 205-213. https://doi.org/10.1007/ s10439-013-0890-7 google scholar
  • Cobelli, C., & Carson, E. (2019). Introduction to modeling in physiology and medicine. Academic Press. google scholar
  • Coyan GN, D’Amore A, Matsumura Y, Pedersen DD, Samul K. Luketich SK, Shanov V, Katz WE, David TE, Wagner WR, Badhwar V. (2018). In vivo functional assessment of a novel degradable metal and elasto-meric scaffold-based tissue engineered heart valve. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery 157(5):1809-1816. google scholar
  • Da Vinci L. (1513). The anatomy of man. Drawings from the collection of Her Majesty the Queen of Windsor Castle. google scholar
  • De Casteljau, P. D. F. (1986). Shape mathematics and CAD (Vol. 2). Kogan Page. google scholar
  • Driessen, N. J., Boerboom, R. A., Huyghe, J. M., Bouten, C. V., & Baaijens, F. (2003). Computational analyses of mechanically induced collagen fiber remodeling in the aortic heart valve. Journal of Biomechanical Engineering, 125(4), 549-557. google scholar
  • Farin, G. (2002). Curves and surfaces for CAGD: a practical guide. Morgan Kaufmann. google scholar
  • Farin, G., Hoschek, J., & Kim, M. S. (Eds.). (2002). Handbook of computer aided geometric design. Elsevier. google scholar
  • Flamini V, DeAnda A, Griffith BE. (2016). Immersed boundary-finite element model of fluid-structure interac-tion in the aortic root. Theor Comput Fluid Dyn. Apr;30(1):139-164. Epub 2015 Dec 19. google scholar
  • Franz, S., Rammelt, S., Scharnweber, D., Simon, J.C. (2011). Immune responses to implants - A review of the implications for the design of immunomodulatory biomaterials. Biomaterials 32: 6692-6709. doi.or-g/10.1016/j.biomaterials.2011.05.078 google scholar
  • Geetha, M., Singh, A.K., Asokamani, R., Gogia, A.K. (2009). Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants - A review. Progress in Materials Science 54(3): 397-425. doi.org/10.1016/j.pmats-ci.2008.06.004 google scholar
  • Halfter K, Mayer, B. (2017). Bringing 3D tumor models to the clinic - predictive value for personalized medi-cine. Biotechnology Journal 12(2): 1-7. https://doi.org/10.1002/biot.201600295 google scholar
  • Jacobs, S., Grunert, R., Mohr F.W., Falk, V. (2008) 3D-Imaging of cardiac structures using 3D heart models for planning in heart surgery: a preliminary study. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery 7(1): 6-9. doi.org/10.1510/icvts.2007.156588 google scholar
  • Keele, K.D. (1979). Leonardo da Vinci’s Anatomia Naturale. Yale Journal of Biological Medicine; 52: 369. google scholar
  • Kesik, M., (2019). Rönesans Dönemi Sanatçılarından Leonardo Da Vinci’nin Kullandığı Teknik ve Yöntemler, Yüksek Lisans Tezi. google scholar
  • Knoedler, M., Febius, A.H., Lange, A., Maddox, M.M., Ledet E., et al. (2015). Individualized physical 3-dimen-sional kidney tumor models constructed from 3-dimensional printers result in improved trainee anatomic understanding. Urology 85(6): 1257-1262. google scholar
  • Kurtz, S.M., Devine, J.N. (2007). PEEK biomaterials in trauma, orthopedic, and spinal implants. Biomaterials 28: 4845-4869. doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.07.013 google scholar
  • Lau, I., Sun, Z. (2018). Three-dimensional printing in congenital heart disease: A systematic review. Journal of Medical Radiation Sciences 65(3): 226-236. https://doi.org/10.1002/jmrs.268 google scholar
  • Luximon, A., & Goonetilleke, R. S. (2009). Foot modeling and footwear development. CRC Press. google scholar
  • Okucu, E. (2016). Manyetik rezonans ve bilgisayarlı tomografi verileri kullanılarak insana ait anatomik yapıların hızlı prototiplenmesi (Master’s thesis, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü). google scholar
  • Ovcharenko EA, Klyshnikov KU, Vlad AR, Sizova IN, Kokov AN, Nushtaev DV, Yuzhalin AE, Zhuravleva IU. (2014). Computer-aided design of the human aortic root. Comput Biol Med 54:109-15. doi: 10.1016/j. compbiomed.2014.08.023. Epub 2014 Sep 1. google scholar
  • Öztürk, H., Mm, A., Aktekin, M., Çelik, H.H., & Tacal, T. (2012). Ventriculi Cerebri’nin Bilgisayar Destekli Üç Boyutlu Rekonstrüksiyonu. google scholar
  • Palmer, A.L. (2019). Leonardo da Vinci: a reference guide to his life and works, Lanham : Rowman & Littlefield, ISBN 9781538119785. google scholar
  • Qiao A, Pan Y, Dong N. (2014). Modeling study of aortic root for Ross procedure: a structural finite element analysis. J Heart Valve Dis Nov;23(6):683-7. google scholar
  • Sachse, F. B. (2004). Computational cardiology: modeling of anatomy, electrophysiology, and mechanics (Vol. 2966). Springer Science & Business Media. google scholar
  • Saxena, A., & Sahay, B. (2007). Computer aided engineering design. Springer Science & Business Media. google scholar
  • Sodian, R., Weber, S., Markert, M., Rassoulian, D., et al. (2007). Stereolithographic Models for Surgical Plan-ning in Congenital Heart Surgery. The Annals of Thoracic Surgery 83(5): 1854-1857. doi.org/10.1016/j. athoracsur.2006.12.004 google scholar
  • Teo, A.J.T., Mishra, A., Park, I., Kim, Y., Park, W., Yoon, Y. (2016). Polymeric Biomaterials for Medical Implants and Devices. ACS Biomater Sci Eng 2(4): 454-472. doi.org/10.1021/acsbiomaterials.5b00429 google scholar
  • Thiriet, M. (2013). Tissue functioning and remodeling in the circulatory and ventilatory systems. Springer Science & Business Media. google scholar
  • Uğurlucan, M., Beyaz, M.O., Öztaş, M.D., Özturk, A., Şahinoğlu, K., Alpagut, U., Bozbuğa, N. (2019).The geometrical modeling of aortic root complex. Heart Views (1): 6-10. google scholar
  • Wake, N., Rude, T., Kang, S.K. et al. (2017). 3D printed renal cancer models derived from MRI data: application in pre-surgical planning. Abdom Radiol 42: 1501-1509. https://doi.org/10.1007/s00261-016-1022-2 google scholar
  • Weber M, Heta E, Moreira R, Gesche VN, Schermer T, Frese J, Jockenhoevel S, Mela P (2014). Tissue-engine-ered fibrin-based heart valve with a tubular leaflet design. Tissue Eng Part C Methods. Apr;20(4):265-75. doi: 10.1089/ten.TEC.2013.0258. Epub 2013 Oct 19. google scholar


SHARE




Istanbul University Press aims to contribute to the dissemination of ever growing scientific knowledge through publication of high quality scientific journals and books in accordance with the international publishing standards and ethics. Istanbul University Press follows an open access, non-commercial, scholarly publishing.