Die Deformation von Weichgewebe der Brust

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1 Die Deformation von Weichgewebe der Brust Vergleich der FEM Simulation und Versuch an 21 Probandinnen StefanRaith Forschungsgruppe CAPS (Computer AidedPlasticSurgery) Klinik für Plastische Chirurgie - Klinikum rechts der Isar München Dr. med. Laszlo Kovacs, Klinikum rechts derisar dertechnischen Universität München Heramb Pathak, CADFEM GmbH, Grafing Dr. Max Eder, Klinikum rechts derisar dertechnischen Universität München Prof. Dr. Cornelia Kober, Hochschule fürangewandtewissenschaften Hamburg 1

2 Inhalt Studiendesign Probandengruppe(n (n=21) Verwendete bildgebende Verfahren Modellerstellung Automatisierung der Abläufe Berechnungeiner einer spannungsfreien Konfiguration Ergebnisse Simulationsergebnisse und deren Validierung Schlussfolgerungen undausblick 2

3 Studiendesign 21 gesunde Probandinnen MRT Aufnahmen für Volumenbildgebung 3D Oberflächenscans Heterogene Probandengruppe Variabel in Größe, Gewicht, Alter 3

4 Heterogene Probandengruppe(n (n=21) Vergleich von 3D Oberflächenscans von gesunden Probandinnen Variabel in Größe, Statur und insbesondere Brustform 4

5 Heterogenitätder Probandengruppe Alter MW: ± MW: 166.6± (VC 10.9 %) Größe (VC 4.1 %) Gewicht MW: 59.4 ± 7.08 (VC 11.9 %) BMI MW: ± 1.71 (VC 8.0 %) 5

6 Methode Brustvermessungmit mit 3D-Scanner Prob b14 Kovacs L. Optimization of 3-dimensional imaging of thebreastregion with 3-dimensional laser scanners. Ann Plast Surg 56 (2006) Laserscans mit Konica Minolta Vividid 910i: 6

7 Segmentatierung gderverschiedenen anatomischenbereiche Prob b04 Segmentierung ist für die spätere Modellerstellung ausschlaggebend Verwendete Software: Mimics 7

8 Segmentierungderweiblichen Brust Prob b05 Detaillierte Segmentierung von Brust und anatomischen Bereichen. ih Für die Simulation wird das Modell jedoch vereinfacht. 8

9 Angefertigte g Aufnahmen: Oberflächenscans und Kernspinaufnahmen Prob b04 MRT Bauchlage Oberflächenscan45 Oberflächenscan90 Oberflächenscan135 MRT Rückenlage Innere Anatomie nur in Bauch-oder Rückenlage segmentierbar Oberflächenscans zur Validierung von Simulation 9

10 ErstellungvonSimulationsmodellen Prob b14 Vernetzung in ICEM Automatisiert in Skriptsprache tcl/tk Komponenten sind in APDL übertragbar 10

11 Materialmodellierung Lineare Modellierung reicht nicht aus Dehnungenbis ca. 200 % Geometrisch nichtlinear Materielle Nichtlinearität Materialmodelle ll Neo-Hookean Material C1 = 0.13 : 0.35 kpa(tanner et al.* ) Mooney-Rivlin Ogden * Tanner et al., Factors influencing the accuracy of biomechanical breast models, Am. Assoc. Phys. Med. 33 (2006)

12 Simulationsergebnisse mit unterschiedlichen Materialparametern 2*Max Max Min 05*Min 0.5*Min Prob b09 Variation der Materialsteifigkeiten nach Tanner et al. und darüber hinaus. Materialmodell: Neo Hookean(E-Modul variiert, PR=0.49) 12

13 Oberflächenregistrierung: g Oberflächenscan zu Simulationsergebnis Prob b10 Koordinatensysteme von Simulation und Scan müssen übereinstimmen. 13

14 3D Oberflächenvergleich: Simulationsergebnis vs. Oberflächenscan Prob b10 Objektive Bewertungsgrundlage für das Simulationsergebnis Kann als Minimierungsziel einer Optimierung verwendet werden 14

15 3D Oberflächenvergleich oder Vergleich von Landmarkpositionen Prob b10 Macr11 Vergleich über 3D Oberflächenvergleich (Hausdorff-Distanz) oder über Definition von sog. Landmarks 15

16 Materialeigenschaften des Brustgewebes: ein Optimierungsproblem 18,0 Prob b09 17,8 17,6 Durchschn nittl. Abwichun gin cm 17,4 17,2 17,0 16,8 16,6 16,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Faktor Materialeigenschaften aus Tanner et al. Oberflächenvergleich Simulation vs. 3D-Scan Simulation mit verschiedenen Materialparametern 16

17 Optimierung Mehrparameteroptimierung für andere Materialmodelle Gradientenmethode, GA, ES, Adaptives Antwortflächenverfahren 17

18 Optimierungsschleife 18

19 Zusammenfassung Erstellung von Simulationsmodellen von 21 Probandinnen unterschiedliche Konstruktionstypen standardisierte Vernetzung Automatisierung der Teilschritte für Optimierung Simulationen mit unterschiedlichen Materialmodellierungen und Detaillierungsgraden 19

20 Ausblick Materialmodellierung höherer Ordnung Mooney-Rivlin Odgen(versch. Ordnungen) Yeoh Detaillierungsgrad dder Modellierung erhöhen Mehr Komponenten: Muskeln, Drüsengewebe, Haut, etc. Systemgrenzen erweitern 20

21 Danke für die Aufmerksamkeit 21

M. EDER, *H. PATHAK, *C. MÜLLER, M. PECHER, M. SETTELS, L. KOVACS,**C. Kober, **H. Lebsack

M. EDER, *H. PATHAK, *C. MÜLLER, M. PECHER, M. SETTELS, L. KOVACS,**C. Kober, **H. Lebsack FEM Simulationinderin Brustchirugie M. EDER, *H. PATHAK, *C. MÜLLER, M. PECHER, M. SETTELS, L. KOVACS,**C. Kober, **H. Lebsack Forschungsgruppe CAPS - Computer Aided Plastic Surgery Leitung: PD Dr. med.

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