modelowanie układu mięśniowo-szkieletowego człowieka w oparciu

XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
Ilona MAŃKA, Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska
MODELOWANIE UKŁADU MIĘŚNIOWO-SZKIELETOWEGO
CZŁOWIEKA W OPARCIU O ZDJĘCIA
POZYSKANE Z TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ
W artykule przedstawiono uniwersalną metodę modelowania wybranych fragmentów
układu mięśniowo-szkieletowego człowieka bazującą na zdjęciach otrzymanych z tomografii
komputerowej lub zdjęciach RTG poszczególnych przekrojów.
Podczas analizy rozkładu naprężeń i przemieszczeń układu mięśniowo-szkieletowego
człowieka poddanego różnego rodzaju wewnętrznym i zewnętrznym obciążeniom, bardzo
istotną rolę odgrywa jakość i dokładność geometrii modelu oraz miejsc, w których założono
siły. Problem ten jest szczególnie istotny podczas modelowania układu mięśniowoszkieletowego kręgosłupa człowieka z uwzględnieniem implantu, w którym konieczne jest
wyznaczenie nie tylko naprężeń w samym implancie, ale również precyzyjne określenie
rozkładu naprężeń szczególnie w kręgach, w których umieszczono śruby mocujące. Ważne jest
również otrzymanie zgodności odkształceń całego modelowanego odcinka kręgosłupa z
danymi uzyskanymi przykładowo ze zdjęć RTG po operacji.
Praca ta zawiera kolejne etapy modelowania umożliwiające utworzenie geometrii o bardzo
dobrej jakości odwzorowania wybranego fragmentu układu mięśniowo - szkieletowego
człowieka. Opisane etapy to:
• import wybranych zdjęć RTG do autorskiego programu komputerowego, a następnie
utworzenie konturów wszystkich modelowanych elementów w postaci osobno
identyfikowalnych grup;
• eksport tych danych w formacie plików makro do programu ANSYS;
• uruchomienie wczytanych plików makro w programie ANSYS i generowanie chmury
punktów lub zbioru splajnów (w szczególnych przypadkach automatyczne utworzenie
brył);
• tworzenie krzywych prowadzących a następnie powierzchni i brył;
• dyskretyzacja utworzonych brył siatką.
Podano również wady i zalety przedstawionej metody modelowania w biomechanice, na
przykładzie modelu kręgosłupa lędźwiowego z wprowadzonym implantem.
XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”
Ilona MAŃKA, Department of Applied Mechanics, Silesian University of Technology
MODELING OF HUMAN MUSCULAR-SKELETON SYSTEM
ON THE BASIS OF THE TOMOGRAPHY SCANS
The paper presents an universal method of preparing FEM models of selected parts of
human muscular-skeleton system on the basis of tomography scans or the set of X-ray pictures
of body cross-sections.
The accuracy of model geometry and precise location of acting forces is very important in
the analysis of stress distribution and deformation in muscular-skeleton system, loaded by
different internal and external loads. This problem is essential in modeling human spine with
implant, when necessary is not only precise determination of stresses in implant, but also in the
vertebrae with fastening screws. The conformity of deformation of whole modeled spine with
X-ray pictures made after operation plays also the great role.
The paper shows some steps, enabling creation of very precise geometric model of chosen
part of human skeleton system. The method includes :
• loading the set of X-ray pictures into author’s computer program, and manually
marking contours of all modeled elements, as separately identified groups;
• export of prepared pictures to ANSYS program, as APDL macro files;
• generation of a cloud of keypoints, or the set of splines, or even, in special cases,
creation of solid bodies, by running APDL macros in ANSYS program,
• generation of leading curves, and then surfaces and solid bodies;
• meshing created volumes.
The prepared model of lumbar spine with implant is presented as an example, showing
effectiveness of elaborated method. Advantages and disadvantages of this method of modeling
in biomechanics are described.