Reconstrução Anatômica Baseada em Imagens, Mapeamento de Densidades e Análise por Elementos Finitos de um Fêmur com Fratura Atípica
Este artigo apresenta uma análise estrutural por elementos finitos de um fêmur fraturado reconstruído numericamente com mapeamento de propriedades materiais isotrópicas não homogêneas acessadas de imagens de tomografia computadorizada. O modelo sólido foi obtido a partir das imagens de tomografia de um fêmur proximal apresentando uma fratura atípica na região sub trocantérica com deslocamento total e não continuidade entre os fragmentos. A reconstrução envolveu procedimentos tais como: reconstrução volumétrica de imagens, segmentação por thresholding, rotulagem de componentes conectados e também alinhamento de nuvem de pontos utilizando o algoritmo Iterative Closest Point. O sólido tridimensional gerado a partir da nuvem de pontos foi analisado pelo método de elementos finitos. Os valores dos tons de cinza acessados das imagens de tomografia foram convertidos em módulos de elasticidade locais e exportados para o modelo, gerando uma distribuição não homogênea da propriedade material. Outro modelo de elementos finitos com distribuição homogênea de módulo elástico nas regiões cortical e trabecular foi simulado para comparar os resultados. Os valores de tensões e deformações principais obtidos ficaram bastante próximos para a tração. No caso da compressão observaram-se diferenças significativas entre os dois modelos, indicando que o modelo não homogêneo captura melhor o comportamento mecânico na compressão. Os resultados obtidos estão de acordo com o comportamento biomecânico esperado do osso. A exportação de propriedades materiais não homogêneas para o modelo de elementos finitos torna a análise estrutural biomecânica mais realística e adequada ao contexto de modelos específicos para o paciente em estudo. Além disto, o procedimento implementado para a reconstrução de osso fraturado usando imagens de tomografia oferece novas possibilidades para analisar a fratura óssea visto que permite o resgate parcial do estado de tensões e deformações no sólido no momento anterior a falha.
Reconstrução Anatômica Baseada em Imagens, Mapeamento de Densidades e Análise por Elementos Finitos de um Fêmur com Fratura Atípica
-
DOI: 10.22533/at.ed.9932113085
-
Palavras-chave: modelo de elementos finitos específico do paciente; tomografia computadorizada; processamento de imagens; biomecânica óssea; módulo de Young; fêmur
-
Keywords: subject-specific FE model; computed tomography; image processing; bone biomechanics; Young modulus; femur
-
Abstract:
This article presents a finite element structural analysis of a numerically reconstructed fractured femur with mapping of non-homogeneous isotropic material properties accessed from computed tomography images. The solid model was obtained from tomography images of a proximal femur showing an atypical fracture in the subtrochanteric region with total displacement and no continuity between the fragments. The reconstruction involved procedures such as: volumetric image reconstruction, segmentation by thresholding, labeling of connected components and also point cloud alignment using the Iterative Closest Point algorithm. The three-dimensional solid generated from the point cloud was analyzed using the finite element method. The grayscale values accessed from the tomography images were converted into local modulus of elasticity and exported to the model, generating a non-homogeneous distribution of the material property. Another finite element model with homogeneous distribution of elastic modulus in the cortical and trabecular regions was simulated to compare the results. The values of principal stresses and strains obtained were very close for traction. In the case of compression, significant differences were observed between the two models, indicating that the non-homogeneous model better captures the mechanical behavior in compression. The results obtained are in agreement with the expected biomechanical behavior of the bone. Exporting non-homogeneous material properties to the finite element model makes the biomechanical structural analysis more realistic and suitable for the context of specific models for the patient under study. Furthermore, the procedure implemented for the reconstruction of fractured bone using tomography images offers new possibilities to analyze the bone fracture as it allows the partial rescue of the state of stresses and deformations in the solid at the moment before the failure.
-
Número de páginas: 7
- Emílio Graciliano Ferreira Mercuri
- Mildred Ballin Hecke
- MIGUEL TOBIAS BAHIA
