Direct creation of patient-specific Finite Element models from medical images and preoperative prosthetic implant simulation using h-adaptive Cartesian grids.

Abstract

Se cree que la medicina in silico supondra uno de los cambios mas disruptivos en el futuro proximo. A lo largo de la ultima decada se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos computacionales predictivos para mejorar el poder de diagnostico de los medicos y la efectividad de las terapias. Un punto clave de esta revolucion, sera la personalizacion, que conlleva en la mayoria de los casos, la creacion de modelos computacionales especificos de paciente, tambien llamados gemelos digitales. Esta practica esta actualmente extendida en la investigacion y existen en el mercado varias herramientas de software que permiten obtener modelos a partir de imagenes. A pesar de eso, para poderse usar en la practica clinica, estos metodos se necesita reducir drasticamente el tiempo y el trabajo humano necesarios para la creacion de los modelos numericos. Esta tesis se centra en la propuesta de la version basada en imagenes del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una tecnica para obtener de forma automatica modelos a partir de imagenes y llevar a cabo analisis estructurales lineales de huesos, implantes o materiales heterogeneos. En la tecnica propuesta, tras relacionar la escala de los datos de la imagen con valores de propiedades mecanicas, se usa toda la informacion contenida en los pixeles para evaluar las matrices de rigidez de los elementos que homogenizan el comportamiento elastico de los grupos de pixeles contenidos en cada elemento. Se h-adapta una malla cartesiana inicialmente uniforme a las caracteristicas de la imagen usando un procedimiento eficiente que tiene en cuenta las propiedades elasticas locales asociadas a los valores de los pixeles. Con eso, se evita un suavizado excesivo de las propiedades elasticas debido a la integracion de los elementos en areas altamente heterogeneas, pero, no obstante, se obtienen modelos finales con un numero razonable de grados de libertad. El resultado de este proceso es una malla no conforme en la que se impone la continudad C0 de la solucion mediante restricciones multi-punto en los hanging nodes. Contrariamente a los procedimientos estandar para la creacion de modelos de Elementos Finitos a partir de imagenes, que normalmente requieren la definicion completa y watertight de la geometra y tratan el resultado como un CAD estandar, con cgFEM no es necesario definir ninguna entidad geometrica dado que el procedimiento propuesto conduce a una definicion implicita de los contornos. Sin embargo, es inmediato incluirlas en el modelo en el caso de que sea necesario, como por ejemplo superficies suaves para imponer condiciones de contorno de forma mas precisa o volumenes CAD de dispositivos para la simulacion de implantes. Como consecuencia de eso, la cantidad de trabajo humano para la creacion de modelos se reduce drasticamente. En esta tesis, se analiza en detalles el comportamiento del nuevo metodo en problemas 2D y 3D a partir de CT-scan y radiografias sinteticas y reales, centrandose en tres clases de problemas. Estos incluyen la simulacion de huesos, la…