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Erstellen eines 3D FEM Modells basierend auf MR Bildern

Author(s):

Gian Andri Rauch
Conference/Journal:

Semester/Bachelor Thesis, SS 05
Abstract:

Bei der Elektrostimulation geht es im Wesentlichen um die Erregung von Muskeln durch künstlich angelegte Ströme. Am Automatic Control Laboratory der ETH Zürich wird zur Zeit ein transientes FE Modell für die Elektrostimulation entwickelt, welches bisher aber ausschliesslich auf geometrischen Modellen basierte.
In dieser Arbeit ging es nun darum, ein realistisches Modell für die Stimulation zu entwickeln, um einen Vergleich zwischen realistischem und geometrischen Modell anzustreben. Das Hauptziel bestand darin, die wesentlichen Unterschiede der Resultate der Simulation der beiden Modelle zu analysieren. Das Resultat sollte zeigen, welche Faktoren, wie zum Beispiel die Form der Arme, die Dicke der Gewebsschichten oder die Lage der Knochen den grössten Einfluss auf die Aktivierung der Muskeln haben. Schliesslich sollte man anhand dieser Simulationen sagen können, ob es sich lohnt für andere Teile des Körpers ähnliche detaillgetreue Modelle zu konstruieren oder ob eine Annäherung durch geometrische Figuren durchaus genügt.
Um die Modelle zu generieren standen MR-Sequenzen von drei verschiedenen Unterarmen zur Verfügung. Anhand dieser wurden in einem ersten Schritt Segmentationen der Unterarme erzeugt, das heisst die unterschiedlichen Gewebe wurden voneinander getrennt. Diese Aufgabe wurde auf zwei Programmen (Mimics und Amira) durchgeführt, da zusätzlich ein Vergleich zwischen diesen beabsichtigt war. Sie unterschieden sich im Wesentlichen durch die Methode mit der das dreidimensionale Modell generiert wurde. Mimics zeichnete sich dadurch aus, dass sämtliche Schritte von der Segmentation bis zum meshen (generieren eines ”FE-Meshs”) durchgeführt werden konnten. Da jedoch immer nur ein Gewebe allein gemesht werden konnte und dadurch die gemeinsamen Oberflächen unterschiedliche Strukturen aufwiesen, war es nicht möglich diese Teile zu einem ganzen Modell zu vereinen. Die andere Methode hingegen führte zum Ziel. In Amira wurden zuerst die Gewebe voneinander getrennt, um dann in anderen Programmen die dreidimensionalen Volumen der einzelnen Gewebe zu erzeugen, die dann im Simulationsprogramm zusammen gemesht wurden.
Als Parameter für den Vergleich der Simulationsresultate entschied man sich für die sogenannte ”activation function”. Diese wurde in [8] eingeführt und ist die zweite Ableitung der externen Spannung eines Knotens im Modell gegenüber ”ground”. Diese Werte wurden entlang einer Interpolationslinie ausgelesen, die vollständig um Muskel lag. Diese Interpolationslinie ¨ubernimmt die Funktion eines Nerven im Modell.
Durch zahlreiche Simulationen und anschliessende Vergleiche der Resultate wurde ersichtlich, dass Form der Unterarme, unterschiedliche Fettdicken und Lage der Knochen einen nur sehr geringen Einfluss auf die Aktivierung haben. Hingegen konnte festgestellt werden, dass je nach Lage der Interpolationslinie die Aktivierung sehr stark variierte. So kann man annehmen, dass die Position der motorischen Endplatten einen sehr grossen Einfluss auf die Aktivierung der Muskeln hat. Anhand dieser Erkenntnisse kann gesagt werden, dass im Falle des Unterarmes ein Modell durchaus durch geometrische Formen angenähert werden kann. Allerdings muss erwähnt werden, dass in diesem Modell keine Sehnen und Blutgefässe berücksichtigt wurden.

Supervisors: A. Kuhn, Dr. T. Keller, Prof. M. Morari

Year:

2005
Type of Publication:

(13)Semester/Bachelor Thesis
Supervisor:

M. Morari

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@PhdThesis { Xxx:2005:IFA_2791
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