Development of procedures for the design, optimization and manufacturing of customized orthopaedic and trauma implants: Geometrical/anatomical modelling from 3D medical imaging

Abstract

The introduction of imaging techniques in 1970 is one of the most relevant historical milestones in modern medicine. Medical imaging techniques have dramatically changed our understanding of the Human anatomy and physiology. The ability to non-invasively extract visual information allowed, not only the three-dimensional representation of the internal organs and musculo-skeletal system, but also the simulation of surgical procedures, the execution of computer aided surgeries, the development of more accurate biomechanical models, the development of custom-made implants, among others. The combination of the most advanced medical imaging systems with the most advanced CAD and CAM techniques, may allow the development of custom-made implants that meet patient-speci c traits. The geometrical and functional optimization of these devices may increase implant life-expectancy, especially in patients with marked deviations from the anatomical standards. In the implant customization protocol from medical image data, there are several steps that need to be followed in a sequential way, namely: Medical Image Processing and Recovering; Accurate Image Segmentation and 3D Surface Model Generation; Geometrical Customization based on CAD and CAE techniques; FEA Optimization of the Implant Geometry; and Manufacturing using CAD-CAM Technologies. This work aims to develop the necessary procedures for custom implant development from medical image data. This includes the extraction of highly accurate three-dimensional representation of the musculo-skeletal system from the Computed Tomography imaging, and the development of customized implants, given the speci c requirements of the target anatomy, and the applicable best practices found in the literature. A two-step segmentation protocol is proposed. In the rst step the region of interest is pre-segmented in order to obtain a good approximation to the desired geometry. Next, a fully automatic segmentation re nement is applied to obtain a more accurate representation of the target domain. The re nement step is composed by several sub-steps, more precisely, the recovery of the original image, considering the limiting resolution of the imaging system; image cropping; image interpolation; and segmentation re nement over the up-sampled domain. Highly accurate segmentations of the target domain were obtained with the proposed pipeline. The limiting factor to the accurate description of the domain accuracy is the image acquisition process, rather the following image processing, segmentation and surface meshing steps. The new segmentation pipeline was used in the development of three tailor-made implants, namely, a tibial nailing system, a mandibular implant, and a Total Hip Replacement system. Implants optimization is carried with Finite Element Analysis, considering the critical loading conditions that may be applied to each implant in working conditions. The new tibial nailing system is able of sustaining critical loads without implant failure; the new mandibular endoprosthesis that allows the recovery of the natural stress and strain elds observed in intact mandibles; and the Total Hip Replacement system that showed comparable strain shielding levels as commercially available stems. In summary, in the present thesis the necessary procedures for custom implant design are investigated, and new algorithms proposed. The guidelines for the characterization of the image acquisition, image processing, image segmentation and 3D reconstruction are presented and discussed. This new image processing pipeline is applied and validated in the development of the three abovementioned customized implants, for di erent medical applications and that satisfy speci c anatomical needs.

Um dos principais marcos da história moderna da medicina e a introdução da imagem médica, em meados da década de 1970. As tecnologias de imagem permitiram aumentar e potenciar o nosso conhecimento acerca da anatomia e fisiologia do corpo Humano. A capacidade de obter informação imagiológica de forma não invasiva permitiu, não são a representação tridimensional de órgãos e do sistema músculo-esquelético, mas também a simulação de procedimentos cirúrgicos, a realização de cirurgias assistidas por computador, a criação de modelos biomecânicos mais realistas, a criação de implantes personalizados, entre outros. A conjugação dos sistemas mais avançados de imagem medica com as técnicas mais avançadas de modelação e maquinagem, pode permitir o desenvolvimento de implantes personalizados mais otimizados, que vão de encontro as especificidades de cada paciente. Por sua vez, a otimização geométrica e biomecânica destes dispositivos pode permitir, quer o aumento da sua longevidade, quer o tratamento de pessoas com estruturas anatómicas que se afastam dos padrões normais. O processo de modelação de implantes a partir da imagem medica passa por um conjunto de procedimentos a adotar, sequencialmente, ate ao produto final, a saber: Processamento e Recuperação de Imagem; Segmentação de Imagem e Reconstrução tridimensional da Região de Interesse; Modelação Geométrica do Implante; Simulação Numérica para a Otimização da Geometria; a Maquinagem do Implante. Este trabalho visa o desenvolvimento dos procedimentos necessários para a criação de implantes personalizados a partir da imagem medica, englobando a extração de modelos ósseos geométricos rigorosos a partir de imagens de Tomografia Computorizada e, a partir desses modelos, desenvolver implantes personalizados baseados nas melhores praticas existentes na literatura e que satisfaçam as especificidades da anatomia do paciente. Assim, apresenta-se e discute-se um novo procedimento de segmentação em dois passos. No primeiro e feita uma pre-segmentação que visa obter uma aproximação iniciala região de interesse. De seguida, um procedimento de refinamento da segmentação totalmente automático e aplicada a segmentação inicial para obter uma descrição mais precisa do domínio de interesse. O processo de refinamento da segmentação e constituído por vários procedimentos, designadamente: recuperação da imagem original, tendo em consideração a resolução limitante do sistema de imagem; o recorte da imagem na vizinhança da região pre-segmentada; a interpolação da região de interesse; e o refinamento da segmentação aplicando a técnica de segmentação Level-Sets sobre o domínio interpolado. O procedimento de segmentação permitiu extrair modelos extremamente precisos a partir da informação imagiológica. Os resultados revelam que o fator limitante a descrição do domínio e o processo de aquisição de imagem, em detrimento dos diversos passos de processamento subsequentes. O novo protocolo de segmentação foi utilizado no desenvolvimento de três implantes personalizados, a saber: um sistema de fixação interna para a tíbia; um implante mandibular; e um sistema para a Reconstrução Total da articulação da Anca. A otimização do comportamento mecânico dos implantes foi feita utilizado o Método dos Elementos Finitos, tendo em conta os carregamentos críticos a que estes podem estar sujeitos durante a sua vida útil. O sistema de fixação interna para a tíbia e capaz de suportar os carregamentos críticos, sem que a sua integridade mecânica seja comprometida; o implante mandibular permite recuperar os campos de tensão e deformação observados em mandíbulas intactas; e a Prótese Total da Anca apresenta níveis de strain shielding ao longo do fémur proximal comparáveis com os níveis observados em dispositivos comercialmente disponíveis. Em suma, nesta tese de Doutoramento são investigados e propostos novos procedimentos para o projeto de implantes feitos por medida. São apresentadas e discutidas as linhas orientadoras para a caracterização precisa do sistema de aquisição de imagem, para o processamento de imagem, para a segmentação, e para a reconstrução 3D das estruturas anatómicas a partir da imagem medica. Este conjunto de linhas orientadoras é aplicado e validado no desenvolvimento de três implantes personalizados, citados anteriormente, para aplicações médicas distintas e que satisfazem as necessidades anatómicas específicas de cada paciente.