Dissertação de mestrado integrado em Engenharia BiomédicaThe paramount goal of this ‘half-year’ work is the development of a set of methodologies
and procedures for the geometric modelling by a finite element (FE) mesh of the bio-structure of a
motion segment (or functional spinal unit), i.e., two vertebrae and an intervertebral disc, from
segmented medical images (processed from medical imaging).
At an initial stage, a three-dimensional voxel-based geometric model of a goat motion
segment was created from magnetic resonance imaging (MRI) data. An imaging processing
software (ScanIP/Simplewire) was used for imaging segmentation (identification of different
structures and tissues), both in images with lower (normal MRI) and higher (micro-MRI) resolutions.
It shall be noticed that some soft-tissues, such as annulus fibrosus or nucleus pulposus, are very
hard to isolate and identify given that the interface between them is not clearly defined. At the end
of this stage, images with different resolutions allowed to generate different 3D voxel-based
geometric models.
Thereafter, a procedure for the FE mesh generation from the aforementioned voxelized
data should be studied and applied. However, as the original geometry was only approximately
known from real medical imaging, it was difficult to objectively quantify the quality of the FE
meshing procedure and the accuracy between source geometry and target FE mesh. In order to
overcome such difficulties, and due to the lack of quality of the available medical imaging, a
“virtualization” procedure was developed to create a set of segmented 2D medical images from a
well-defined geometry of a motion segment. The main idea was to create the conditions to quantify
the quality and the accuracy of the developed FE meshing procedure, as well to study the effect of
imaging resolution.
Starting from the virtually generated 2D segmented images, a 3D voxel-based structure
was achieved. Given that initial domains are now clearly defined, there is no need for further image
processing. Then, a two-step FE mesh generation procedure (generation followed by simplification)
allows to create an optimized tetrahedral FE mesh directly from 3D voxelized data. Finally, because
the virtualization procedure allowed to know the initial geometry, one is able to objectively quantify the quality and the accuracy of the final simplified tetrahedral FE mesh, and thus to understand
and quantify: a) the role of the medical image resolution on the FE geometrical reconstruction, b)
the procedure and parameters of the FE mesh generation step, and c) the procedure and
parameters of the FE mesh simplification step, and thus to give a clear contribution in the
definition of the procedure for the FE mesh generation from medical imaging in case of an
intervertebral disc.O objetivo fundamental deste trabalho de seis meses é o desenvolvimento de um conjunto
de metodologias e procedimentos para a modelação geométrica, através de uma malha de
elementos finitos (EF) de uma bio-estrutura de um motion segment (ou unidade funcional da
coluna), ou seja, duas vértebras e um disco intervertebral, a partir de imagens médicas
segmentadas (processadas a partir de imagiologia médica).
Numa fase inicial, um modelo geométrico tridimensional baseado em voxels de um motion
segment de uma cabra foi criado a partir de informação de imagens médicas de ressonância
magnética (RM). Um software de processamento de imagem (ScanIp/Simplewire) foi usado para
segmentação de imagens (identificação de diferentes estruturas e tecidos), em imagens de menor
(RM normal) e maior (micro-RM) resolução. Deve ser referido que alguns tecidos moles, como o
anel fibroso e o núcleo pulposo são muito difíceis de isolar e identificar, dado que as fronteiras
destes não estão claramente definidas. No final desta etapa, as imagens com diferentes
resoluções permitiram gerar diferentes modelos geométricos 3D baseados em voxels.
Posteriormente, um procedimento para geração de malha de EF, a partir da informação
voxelizada acima mencionada, deveria ser estudado e aplicado. No entanto, como a geometria
original era aproximadamente conhecida a partir de imagens médicas reais, foi difícil quantificar
objetivamente a qualidade do procedimento de geração de malha de EF e a precisão entre a
geometria de origem e a malha de EF de destino. A fim de superar tais dificuldades, e devido à
falta de qualidade de imagens médicas disponíveis, um procedimento de “virtualização” foi
desenvolvido para criar um conjunto de imagens médicas 2D segmentadas a partir de uma
geometria de um motion segment bem conhecida. A principal ideia foi criar as condições para
quantificar a qualidade e a precisão do procedimento de geração de malha de EF desenvolvido,
bem como estudar o efeito da resolução da imagem médica.
A partir das imagens 2D segmentadas, geradas virtualmente, uma estrutura de voxels 3D
pode ser conseguida. Dado que os domínios iniciais estão agora claramente definidos, não há
necessidade de processamento de imagem adicional. Por conseguinte, um procedimento de geração de malha de EF de duas etapas (geração seguida por simplificação) permite criar uma
malha de EF tetraédrica otimizada diretamente a partir de informação 3D voxelizada.
Por fim, como o procedimento de virtualização permitiu conhecer a geometria inicial, é
possível quantificar objetivamente a qualidade e exatidão da malha de EF tetraédrica final
simplificada, e assim, compreender e quantificar: a) o papel da resolução da imagem médica na
reconstrução geométrica de EF; b) o procedimento e os parâmetros da etapa de geração de malha
de EF; c) o procedimento e os parâmetros da etapa de simplificação de malhas de EF, e assim,
dar uma contribuição clara na definição do procedimento para a geração de malha de EF a partir
de imagem médica, no caso de um disco intervertebral.European Project : NP Mimetic - Biomimetic
Nano-Fiber Based Nucleus Pulposus Regeneration for the Treatment of Degenerative Disc Disease,
funded by the European Commission under FP7 (grant NMP3-SL-2010-246351
