Razvoj softverskog alata za trodimenzionalnu rekonstrukciju i biomehaničku analizu zida aorte

Abstract

REZIME: Aneurizma trbušne (abdominalne) aorte (AAA) predstavlja javljanje lokalizovanog proširenja najvećeg arterijskog krvnog suda u trbuhu. Proširenje se javlja kao posledica smanjivanja čvrstine i elastičnosti zida aorte što direktno utiče na njeno istezanje. Najopasnija komplikacija AAA je njeno pucanje koje predstavlja ozbiljan klinički problem, sa smrtnošću od 90%, čime je i svrstan među najčešće uzroke smrti. Trenutne kliničke metode za procenu rizika pucanja AAA su nedovoljno pouzdane i koje, u ne malom broju slučajeva, daju loše rezultate. Strukturna analiza biomehanike AAA pacijenata pruža značajnije i pouzdanije dijagnostičke parametre koji mogu poslužiti u predviđanju toka i ishoda ove bolesti. Prisutna mnogobrojna rešenja za biomehaničku analizu AAA, koje je neophodno kombinovati, i dalje pružaju neodgovarajuće biomehaničke modele AAA zbog nekompatibilnosti, nepouzdanosti i potrebe stručnosti za njihovo korišćenje. Predmet teze je primena inženjerskog pristupa u razvoju mehanizama neophodnih za prikupljanje informacija koji daju bolji uvid u trenutno stanje AAA kod pacijenta i rizik od pucanja iste, ali pre svega, razvoj softverskog alata koji objedinjuje sve te mehanizme u jedan konačan i upotrebljiv proizvod. To podrazumeva razvoj algoritama za vizuelizaciju medicinskih slika, za poluatomatsku i automatsku segmentaciju regiona lumena i intraluminalnog tromba AAA, generisanje trodimenzionalne heksaedarske mreže konačnih elemenata aorte, određivanje njenih materijalnih karakteristika na nivou pacijenta, vizuelizaciju ali interakciju za adekvatno korisničko iskustvo . Jedna od glavnih prednosti ovog alata je što će biti osposobljen za izvođene numeričkih simulacija, korišćenjem metode konačnih elemenata, i time dati bolji uvid u stanje pacijenta, sa biomehaničkog aspekta, koji je nemoguće ostvariti konvencionalnim metodama.

ABSTRACT: Abdominal aortic aneurysm represents local dilatation of largest aorta located in the abdomen. Dilatation occurs as result of wall stiffness and elasticity degradation which directly influence process expanding. Most serious complication is AAA rupture which is major clinical issue with mortality above 90% which position this disease as most common cause of death at elderly population. Current diagnostic methods for AAA rupture risk assessment are not reliable which very often provides bad outcomes. Results produced by AAA structural biomechanical analysis are more secure and of greater importance as diagnostic parameters providing one more detailed approach in estimating the nature of this disease. Variety technical solutions offers biomechanical models of inappropriate accuracy mostly because of present incompatibility, unreliability and requirement of technical experience. Focus of work presented in this thesis is appliance of engineering approach in developing technical solutions required for estimation of biomechanical quantities which provides better overview of the current state of patient specific AAA and risk of rupture combined as software solution which offer the symbiosis of required mechanism in form of the software end product. That includes developing algorithms for medical images visualization, semiautomatic and automatic segmentation, generation of three-dimensional aorta models in form of the appropriate hexahedral meshes, estimation of tissue material characteristics on patient specific basis, visualization and interaction in order to provide user acceptable and friendly experience. One of the main advantages of developed software system is its capability to perform finite element method numerical simulations giving better insight in patient’s condition from biomechanical point of view which is impossible to provide by convectional approach.