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

Transkript

1 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. L. Kovacs Klinik und Poliklinik für Plastische Chirurgie und Handchirurgie Technische Universität München *CADFEM GmbH, Grafing b. München **HAW Hamburg

2 Notwendigkeit der objektiven Quantifizierung Brustvergrößerung Brustverkleinerung e s.me.tum.de Rekonstruktion Brustkrebs angeborene Malformation

3 Versuche der Erfassung der Brustgeometrie e s.me.tum.de Abdruckverfahren Wasserverdrängung edä g Anthropometrische Messungen

4 3-D Quantifizierung + Dokumentation e s.me.tum.de

5 Computerunterstützte Operationsplanung - Poland Syndrom - 2-D Photographie Nur qualitative Information KEINE QUANTIFIZIRUNG MÖGLICH 3-D Scan

6 Computerunterstützte Operationsplanung Intra-OP - Poland Syndrom - Rapid Prototyping 8M Monate Post-OP

7 Computerunterstützte Operationsplanung - Trichterbrust - e s.me.tum.de

8 Computerunterstützte Operationsplanung - Trichterbrust - e s.me.tum.de

9 Computerunterstützte Operationsplanung - Trichterbrust - e s.me.tum.de

10 Computerunterstützte Operationsplanung - Trichterbrust - e s.me.tum.de

11 Herkömmliche OP Planung - Brustvergrößerung - Hedén Hedén, P. - Lippincott, Willkins &Wiliams, Philadelphia, 2006 Gewebeelastizität!!! Tebbet, JB PRS 2005

12 Visualisierung der geplanten Veränderungen - 3-D Morphing - e s.me.tum.de

13 Erste klinische Applikationen - Simulation der Weichteildeformierung - e s.me.tum.de Prae-OP Post-OP Brustvergrößerung

14 Aktueller Stand 3-D Erfassung der Körperoberfläche präzises und praxisreifes Instrument zögerliche Verbreitung in der Praxis unzureichende Hard-und Softwareprodukte nicht invasiv 3-D Morphing nur Körperoberfläche nützliche Visualisierungsmöglichkeit spiegelt nur die subjektiven j Vorstellungen des Chirurgen wieder nicht zu verwechseln mit OP-Simulation Simulation der Weichteildeformierung sehr vielversprechend, aber anspruchsvoll benötigt gründliche Validierung setzt eine breite interdisziplinäre Zusammenarbeit voraus benötigt geschlossene 3-D Modelle

15 Finite Element Simulation -3-D Modell Generierung - MRTS Segmentierung

16 Finite Element Simulation - Workflow - Modell Erstellung Finite Element Model Ergebnis Simulation ICEM CFD 30deg Va lidierung 90deg Gravity free BM Mimics Ansys Workbench:2

17 Mechanical Approach - Key Studies - Ruiter Registration of X ray to MR images Yu-Neifert Linear, elastic, homogeneous fat Tanner Non rigid registration technique Kita Mathematical model of breast deformation Linear elastic skin Krouskop Elastography technique Schnabel Validation of registration technique

18 Mechanical Approach - Key Studies - Wellman Uniaxial compression test Azar Uniaxial compression test Where Measure findings Where Samani

19 Mechanical Approach - Pitfalls - Currently available material models for breast tissues are Mostly linear in nature & varying with great magnitude Linear material models are insufficient to describe breast tissue deformation Nonlinear material models are based on uniaxial test (tension/comp.) on ex. Vivo Finite Element Simulation Lack of complete breastanatomy Effect of pectoralis muscles and rib cage curvature is not considered Absence of gravity free initial breast geometry Different patient positionsare not simulated Effect of implant shape and position are not considered Lack of proper validationof obtainedresults

20 Finite Element Simulation - Initial Results - Polynomial 2nd order by Samani (2007) Gravity free breast model

21 Finite Element Simulation - Initial Results - Boundary Conditions Prone Position 30deg 45deg 90deg(StandingPosition) 180deg (Supine Position) 90deg on arm 180 deg on arm Element Type: Solid 285 Total Elements: Contacts: MPC

22 Finite Element Simulation - Initial Results - Prone Position 30 deg 45 deg 90 deg (Standing Position) 180 deg (Supine Position)

23 Finite Element Simulation - Initial Results - Prone Position 30 deg 45 deg 90 deg (Standing Position) 180 deg (Supine Position)

24 Finite Element Simulation - Initial Results - e s.me.tum.de

25 Finite Element Simulation - Initial Results - Validation: 45deg Validation: 90 deg Validation: 180 deg Consideration of influence of blood by increasing density by 10% Without blood influence

26 Finite Element Simulation - Flap Shrinkage in Breast Reconstruction - e s.me.tum.de

27 Finite Element Simulation - Flap Shrinkage in Breast Reconstruction - Finite Element Model Total Deformation Equivalent Strain Original Flap Simplified Flap Model Flap Stretch over cylindrical Geometry Flap Stretch over Original Abdominal Curvature

28 Future Work Step I: Getting gravity free breast geometry Reference geometry Nonlinear optimization Backward approach Inverse finite elasticity

29 Future Work Step I: Inverse finite elasticity formulation and implementation Three field formulation Weak formulation Finite element formulation Where Where Where Tangent operator

30 Future Work Work layout Initial study Mechanical tests Material modelling Implementation Literature research Key studies evaluation FE analysis with existing material models Validation of results Conclusion Histologigal tests Uniaxial tests Biaxial tests Pure shear tests Indentor test Isotropic Anisotropic Viscoelasticl Programming language: FORTRAN 90 FE software: ANSYS

31 Future Work A)SoftwareFramework (PolydimensionsGmbH) I)Im/Export Im/Export of scandata B) Scanning unit (Steinbichler Steinbichler) II)Processing ofscandata C) Free modelling (Polydimensions Polydimensions) IV)Target geomery III)Exportof of scan data D) Geometry generation (INFO) V)Exportofgeometry of OR final mesh G) HAW, INFO, PLCH, CADFEM Templates Implantgeometry Implantposition Force field for final implant configuration F)Comparisonoftarget/actual of (Polydimensions) E)FEMSimulation ) CADFEM CADFEM Pocket-size to place the implant VI)At Actual l geometry t

32 THANK YOU