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Netzgenerierung und volumetrische Finite-Elemente-Analyse der muskulären Kraftentwicklung als Basis virtuell optimierter rekonstruktiver Chirurgie der der Lippen-, Kiefer- und Gaumenregion

Abstract: 

Die Anforderungen an die moderne Chirurgie erfordern die Entwicklung und den Einsatz von computer-gestützten Methoden der virtuellen Operationsplanung, die es den Chirurgen ermöglichen, im Vorfeld eines operativen Eingriffs eine Vielzahl von chirurgischen Optionen zu beurteilen und optimale postoperative Behandlungsstrategien zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil hierbei ist die informationstechnische Rekonstruktion von anatomischen Objekten wie z.B. von biologischem Weichgewebe, Knorpelgewebe, Knochen oder Blutgefäßen auf der Basis hochaufgelöster medizinischer Datensätze.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, Methoden zur 3D-Vernetzung von biologischem Weich- und Muskelgewebe und darauf basierende hocheffiziente adaptive Finite-Elemente-Methoden zu entwickeln. Die Herausforderung beim Einsatz von Finite-Elemente-Methode im medizinischen Kontext besteht darin, eine Vernetzung der anatomischen Objekte zu generieren, die sowohl den Genauigkeitsanforderungen der medizinischen Fragestellung als auch den numerischen Stabilitätsanforderungen der Finite-Elemente-Methode genügt.

Beschreibung: 

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Methoden zur 3D-Vernetzung von biologischem Weich- und Muskelgewebe und darauf basierende hocheffiziente adaptive Finite-Elemente-Methoden zu entwickeln. Zur Generierung einer 3D-Ausgangsvernetzung sollen hochgenaue histologische Datensätzen mit lichtmikroskopischer Auflösung eingesetzt werden. Die anschließende Netzverfeinerung soll stabile, gegenüber Störquellen unempfindliche Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen und bezüglich einer für die medizinische Analyse spezifizierten Zielgröße adaptiert sein.

Als ein Anwendungsfeld soll die Analyse von Spannungsverläufen im Weich- und Muskelgewebe der Lippen-, Kiefer- und Gaumenregion (LKG) des Menschen untersucht werden. Die geplanten Untersuchungen gelten ungenügend genau beschriebenen, chirurgisch relevanten Muskelverläufen und Strukturvolumina der Lippen-Kiefer-Gaumen-Anatomie und LKG-Spaltanatomie. Mittels Finite-Element-(FE) Analyse sollen die dreidimensionale Kraftentwicklung lokaler Muskelkontraktion und sich hierdurch verändernde Strukturvolumina berechnet werden.
Gegenwärtig steht vor allem die Visualisierung von medizinischen Datensätzen mit Hilfe moderner informationstechnischer Konzepte im Vordergrund. Jedoch werden vermehrt auch Möglichkeiten für den Einsatz von numerischen Simulationsverfahren für die virtuelle Operationsplanung erforscht. Beim Einsatz der Finite-Elemente-Methode besteht das Hauptproblem darin, eine Vernetzung der anatomischen Objekte zu generieren, die sowohl den Genauigkeitsanforderungen der medizinischen Fragestellung als auch den numerischen Stabilitätsanforderungen der Finite-Elemente-Methode genügt.

Bearbeiter: 
Status: 
Aktiv
Kooperation: 
  • Andreas Schroeder (Institut für Mathematik, Computational Mathematics, Humboldt Universität zu Berlin)
  • Constantin Landes (Universitätsklinikum Frankfurt, Fachbereich Humanmedizin, Kiefer- und plastische Gesichtschirurgie)
  • Mathias Wagner (Allgemeine und Spezielle Pathologie, Universität des Saarlandes)
Publikationen: 
  • F. Weichert, A. Schröder, C. Landes, A. Shamaa, S. Awad, L. Walczak, H. Müller, M. Wagner: Computation of a Finite Element-Conformal Tetrahedral Mesh Approximation for Simulated Soft Tissue Deformation using a Deformable Surface Model, Journal of Medical & Biological Engineering & Computing, Springer, 2010, accepted for publication
  • F. Weichert, A. Schröder, C. Landes, L. Walczak, H. Müller, M. Wagner: Finite Element Simulation of Skeletal Muscular Structures Obtained from Images of Histological Serial Sections, Journal of Biomechanics, Elsevier, 43 (8), 1483–1487, 2010
  • L. Walczak, F. Weichert, A. Schröder, C. Landes, H. Müller, M. Wagner: Evaluating the Impact of Shape on Finite Element Simulations in a Medical Context, 3DPH 2009, LNCS, Springer-Verlag, 95–109, 2009
  • C. Landes, F. Weichert, P. Geis, H. Fritsch, M. Wagner, Evaluation of Two 3D Virtual Computer Reconstructions for Comparison of Cleft Lip and Palate to Normal Fetal Microanatomy, Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol., Mar, 288(3), pp. 248-262, 2006
  • Constantin A. Landes, Frank Weichert, Phillip Geis, Katrin Wernstedt, Anja Wilde, Helga Fritsch, Mathias Wagner, Tissue-plastinated vs. celloidin-embedded large serial sections in video, analog and digital photographic on-screen reproduction: a preliminary step to exact virtual 3D modelling, exemplified in the normal midface and cleft-lip and palate
    Journal of Anatomy, 207, pp. 175-191, 2005
  • Marc Dohrmann, Frank Weichert, Andreas Uebing, Phillip Geis, Constantin Landes, Karl Meller, Mathias Wagner, Registration and 3D Reconstruction for Surgical Planning of a Bilateral Cleft Lip and Palate based on Histological Slides (in German), Bildverarbeitung für die Medizin 2004, Springer-Verlag, 424--428, March 2004
Interne Veröffentlichungen: 

Diplomarbeiten

  • Adaptive Volumennetzgenerierung für Finite Elemente Simulationen auf Basis impliziter Oberflächen, Lars Walczak, 2008
  • Detektion und Rearrangement von Intersections bei polygonalen histologischen Strukturen, Sebastian Meier, 2008
  • Registrierung und Adaptierung von 3D-Meshes anhand zugehöriger medizinischer Volumendaten, Christian Asche, 2008
  • Approximation dreidimensionaler medizinischer Strukturen durch aktive Polygonnetze, Christoph Ewerlin, 2007
  • Erstellung eines FE-konformen Tetraedernetzes zur Simulation von Weichteildeformationen der Lippen-Kiefer-Gaumen Anatomie, Nadine Bramsiepe, 2005
  • Registrierung und 3D-Rekonstruktion histologischer Schnitte Marc Dohrmann, 2004