Finite element analysis in the modeling of the heart and aorta structures

Rationale: 3D modeling of various anatomical structures has recently become a separate area of topographical, anatomical, and biomechanical studies. Current in vivo visualization methods and quantitative analysis in silico allow to perform the precise modeling of these processes aimed at investigation into the pathophysiology of cardiovascular disorders, risk prediction, planning of surgical interventions and virtual refinement of their separate stages.Aim: To develop tools for elaboration, analysis and validation of personalized models of various structures of the heart and aortal arch taking into account their morphological characteristics.Materials and methods: We used the results of 14 computed tomography studies from randomized patients without any disease or anomaly of the heart, aortic valve and aortal bulb. The analysis and subsequent transformation of the images were done with Vidar DICOM Viewer, SolidWorks 2016, VMTKLab software. For the FSI modeling of the aortic arch based on the results of functional multiaxial computed (MAC) coronarography (a female patient of 55 years) we developed a personalized model of the ascending aorta and aortic arch at the beginning of the systole. Using HyperMesh software (Altair Engineering Inc., USA) we have built a network of finite element of the luminal area, adventitia, and aortic media. To model mechanical properties of the aortic structures we used an anisotropic hyperelastic material model by Holzapfel – Gasser – Ogden. Material modeling, choice of the limiting antecedents, and analysis of fluid-structure interaction were performed with Abaqus CAE 6.14 software (Simulia, Johnston, USA). Adaptive image meshing by Young was used to elaborate the finite element template of the left ventricle. The algorithm was realized within the IDE PyCharm software media in Python 3.7. The algorithm was realized based on the open-source libraries OpenCV, NumPy, Matplotlib, and SciPy.Results: The first stage of the development of the aortic valve model included the design of its virtual 3D template. Thereafter, a cohesive geometric model was elaborated. Subsequent stage of the work included the transformation of the aortic valve geometric model into the parametric one. This was done through the use of the “Equations” tool within the SolidWorks. No problems with geometry of the model during its deformation were identified. Aortic segment modeling was based on the data obtained by functional MAC coronarography. Based on this and on Inobitec Dicom Viewer software, we generated a multiplane reconstruction of the zone of interest including anatomical structure of the heart and aortic valve. With the resulting set of contours, we created a 3D model, which then was converted into a polygonal stereolithographic model. We developed an algorithm for adaptive meshing to elaborate a polygonal template capable of deformation that can be used for registration both with the net methods (B-Spline) and based on the image characteristics (homologous pixels). Conclusion: The resulting parametric 3D model of the aortic valve anatomical structures is capable of adequate transformation of its geometry under external factors. It can be used in simulators of endovascular cardiosurgical procedures.

Використання денситометричного аналізу в практиці торакального хірурга

Бажання зазирнути у Всесвіт і в глибини Людини протягом віків надихає вчених. Практичні хірурги здавна вивчають структуру та співвідношення внутрішніх органів й утворень. Важливість отриманих даних важко переоцінити. Яскравим прикладом є праці видатного вченого, хірурга зі світовим ім’ям, засновника топографічної анатомії Миколи Івановича Пирогова. Вільгельм Конрад Рентген у 1895 р. відкрив короткохвильове електромагнітне випромінювання, відоме як рентгенівські промені. Також існують праці Івана Павловича Пулюя, австро-угорського фізика з Галичини, який вивчав електричні розряди у вакуумних трубках за 10 років до відкриття Рентгена, але подальшим розвитком і патентуванням не займався. Вивчення «рентгенівських тіней» і розвиток обчислювальних технологій зумовили виникнення методу пошарового вивчення внутрішньої будови, запропонованого в 1972 р. Годфрі Хаунсфільдом. Системою реєструються ослаблення опромінення на детекторі та формуються зображення. Візуальна та кількісна оцінка проводиться за шкалою ослаблення рентгенівського опромінення (шкалою Хаунсфільда). Умовно вона розподілена на середину – щільність води, або 0 одиниць Хаунсфільда (HU), та крайні точки: повітря -1000 HU та кісткова тканина +1000 HU. Із розвитком томографічного обладнання до «покрокових» апаратів додали детектори, «кроки» перейшли в «спіраль», значно збільшилися кількість детекторів і час обчислення результатів. На сьогодні КТ-реконструкції дають змогу доопераційно виконати віртуальну фібробронхоскопію, вивчити розгалуження артеріальних стовбурів та особливості венозних судин у зоні оперативного втручання. Доопераційне визначення анатомічних особливостей та індивідуальної структури паренхіми допомагає значно оптимізувати оперативне лікування, що особливо важливо при мініінвазивних торакоскопічних втручаннях. Вивчення особливостей денситометричних змін на тлі лікування дало можливість обґрунтовано встановлювати оптимальні терміни оперативного втручання та прогнозувати наслідки. Передопераційне визначення структури легеневої паренхіми дало змогу підібрати оптимальні заходи запобігання легенево-плевральним ускладненням як інтраопераційно, так і в післяопераційному періоді. Роботи з визначення структури легеневої паренхіми на основі денситометричних змін допомагають автоматизувати скринінг і первинну діагностику легеневих хвороб. Розроблені за договором співпраці з Національним авіаційним університетом автоматизовані системи дають змогу визначати активність специфічного процесу та відсоток ураження легені. Створено програму виявлення COVID-ураження легеневої паренхіми. Завдяки структурно-параметричному синтезу загорткової нейронної мережі можна проаналізувати гістограми легень, отримуючи значно більше інформації від проведеного КТ-дослідження. У практичній діяльності широко розповсюдженим є аналіз КТ-зображень за допомогою DICOM-VIEWER, як безкоштовних програм, так і професійних. Принциповим за сенситометричного аналізу легеневої паренхіми є прецизійне виділення на КТ-зрізах ділянок ураження, без залучення просвіту бронха чи каверни. Потрапляння в зону вимірювання повітроносної структури радикально викривляє результати вимірів, роблячи їх нерепрезентативними. Збільшення кількості замірів денситометричних показників у разі збільшення площі досліджуваної ділянки ураженої легеневої паренхіми на якість отриманого результату не вплинуло. На сьогодні досвід роботи відділу з хворими на COVID-пневмонію продемонстрував можливість контролю перебігу захворювання з огляду на денситометричні зміни. Денситометричний аналіз томограм у разі синдрому плеврального випоту дає змогу доопераційно достовірно визначити транссудат, ексудативні процеси, ускладнення травм органів грудної клітки та згорнутий гемоторакс. Складно переоцінити вплив денситометричного аналізу КТ органів грудної клітки на тактику лікування фтизіатричних пацієнтів. Встановлено значення щільності для різних фаз специфічного запального процесу, що дає можливість об’єктивно визначати показання до оперативного лікування.

ОЦІНКА МІНЕРАЛЬНОЇ ЩІЛЬНОСТІ КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ ЗА ДАНИМИ РЕНТГЕНІВСЬКОЇ КОМП'ЮТЕРНОЇ ТОМОГРАФІЇ ТА ВИЗНАЧЕННЯ РИЗИКІВ ОСТЕОПОРОТИЧНИХ ПЕРЕЛОМІВ У ХВОРИХ НА ДИФУЗНУ В-ВЕЛИКОКЛІТИННУ ЛІМФОМУ

В Україні відмічається тенденція до підвищення захворюваності на неходжкінські лімфоми (НХЛ), тому дослідження змін мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ), пов’язаних із лімфопроліферативними захворюваннями та віддаленими наслідками протипухлинної терапії, є актуальними та необхідними для профілактики остеопоротичних переломів. Мета – визначити ризик виникнення вторинних остеопоротичних переломів, ризик ураження кісткового мозку і оцінити динаміку змін стану МЩКТ поперекового відділу хребта у хворих з дифузною В-великоклітинною лімфомою (ДВВКЛ) на діагностичному етапі (ДЕ) та після завершення хіміотерапії (ПЗХ). Матеріал і методи. Проведено визначення мінеральної щільності трабекулярної кісткової тканини поперекових хребців (L1–L5) за допомогою функції ROI у програмі Radiant Dicom Viewer в кістковому вікні у 56 пацієнтів: 26 жінок та 30 чоловіків (середній вік (55,96±2,11) р.). Статистичний аналіз проведено за робастним критерієм Левена – Брауна – Форсайта. Результати. При гендерному порівнянні на ДЕ згідно опитувальників FRAX та QFracture визначався більший ризик остеопоротичного перелому в жінок за всіма показниками: FRAX – основний остеопоротичний ризик 43,21 % і ризик перелому стегнової кістки 59,35 %; QFracture – ризик перелому стегна, зап’ястя, плеча або хребта 59,86 % та ризик перелому стегна 60,12 %. Зниження стану МЩКТ спостерігалося як на ДЕ, так і ПЗХ, у чоловіків та жінок. У чоловіків найбільше достовірне зниження МЩКТ на 19,59 % спостерігалося у L4, у жінок – у L3 на 13,11 %, p<0,05. Висновки. В усіх обстежених хворих на ДВВКЛ за результатами опитувальників FRAX та QFracture визначався підвищений ризик остеопоротичних переломів на ДЕ. Стан МЩКТ поперекових хребців на серіях КТ у хворих з ДВВКЛ на ДЕ у жінок був достовірно нижчий, ніж у чоловіків. ПЗХ спостерігалося зниження МЩКТ як у чоловіків, так і в жінок, достовірної різниці між групами хворих не встановлено.

DICOM 3D viewers, virtual reality or 3D printing – a pilot usability study for assessing the preference of orthopedic surgeons

As standard practice in orthopedic surgery, the information gathered by analyzing Computer Tomography (CT) 2D images is used for patient diagnosis and planning surgery. Lately, these virtual slices are the input for generating 3D virtual models using DICOM viewers, facilitating spatial orientation, and diagnosis. Virtual Reality (VR) and 3D printing (3DP) technologies are also reported for use in anatomy visualization, medical training, and diagnosis. However, it has not been yet investigated whether the surgeons consider that the advantages offered by 3DP and VR outweigh their development efforts. Moreover, no comparative evaluation for understanding surgeon’s preference in using these investigation tools has been performed so far. Therefore, in this paper, a pilot usability test was conducted for collecting surgeons’ opinions. 3D models of knee, hip and foot were displayed using DICOM 3D viewer, two VR environments and as 3D-printed replicas. These tools adequacy for diagnosis was comparatively assessed in three cases scenarios, the time for completing the diagnosis tasks was recorded and questionnaires filled in. The time for preparing the models for VR and 3DP, the resources needed and the associated costs were presented in order to provide surgeons with the whole context. Results showed a preference in using desktop DICOM viewer with 3D capabilities along with the information provided by Unity-based VR solution for visualizing the virtual model from various angles challenging to analyze on the computer screen. 3D-printed replicas were considered more useful for physically simulating the surgery than for diagnosis. For the VR and 3DP models, the lack of information on bone quality was considered an important drawback. The following order of using the tools was preferred: DICOM viewer, followed by Unity VR and 3DP.

Computed tomography assessment of maxillary bone density for orthodontic mini-implant placement with respect to vertical growth patterns

Objective: To quantitatively measure and report bone density of maxilla in the interradicular (alveolar and basal bone) and infrazygomatic crest (IZC) region in various growth patterns among Dravidian individuals. Design: This was a retrospective spiral computed tomography (CT) study. Setting: The study was conducted at the Department of Orthodontics, Saveetha Dental College and Hospital, Tamil Nadu, India. Methods: Sixty CT scans (24 men, 36 women; mean age = 25.3 years and 23.8 years, respectively) divided equally into three groups based on vertical facial proportions were included. Bone density measurements in Hounsfield units (HU) were performed using Philips and RadiAnt DICOM viewers. Buccal cortical, palatal cortical and cancellous bone regions were analysed in a Philips DICOM viewer and IZC region was analysed in a RadiAnt DICOM viewer. Statistical analysis with one-way ANOVA and post-hoc Tukey HSD test was done. Results: The hypodivergent group had a significantly higher bone density at the buccal cortex in posterior region ( P < 0.05) when compared to the normodivergent and hyperdivergent groups. Buccal basal bone was denser than buccal alveolar bone ( P < 0.05) in all three groups. In the IZC region, hypodivergent groups had significantly higher density values when compared to the normodivergent and hyperdivergent groups ( P < 0.05). Conclusion: The present study concluded that cancellous bone density in the interradicular regions was greatest in the anterior sites and was not influenced by growth pattern. Hypodivergent groups tend to have higher density in the posterior regions (buccal and palatal cortical bone) and at the IZC region compared to normodivergent and hyperdivergent groups.

Server-Aided 3D DICOM Viewer for Mobile Platforms

Fast track article for IS&T International Symposium on Electronic Imaging 2021: Engineering Reality of Virtual Reality proceedings.

ОСОБЕННОСТИ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ШЕЙНЫХ ПОЗВОНКОВ У ДЕТЕЙ 4 – 8 ЛЕТ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КРАНИОТИПА

Анатомии шейного отдела позвоночного столба в компьютерно-томографическом изображении изучена недостаточно. Целью исследования было определение анатомических особенностей первого и второго шейных позвонков у детей первого периода детства по данным компьютерной томографии. Проанализировано 58 компьютерных томограмм головы и шейного отдела позвоночного столба детей в возрасте 4 -7 лет лет без патологии опорно-двигательного аппарата. Морфометрия проводилась с использованием программы Radian DICOM viewer во фронтальной, сагиттальной и горизонтальной плоскостях. Кранио тип определяли как отношение поперечного размера черепа к его продольному размеру. На основании морфометрии вычисляли коэффициенты: k1 –отношение продольного и поперечного диамеров отверстия атланта; k2 - отношение продольного и поперечного размеров нижних суставных поверхностей атланта справа; k3 - отношение продольного и поперечного размеров нижних суставных поверхностей атланта слева; k4 - отношение продольного и поперечного диаметров отверстия поперечного отростка CII справа; k5 - отношение продольного и поперечного диаметров отверстия поперечного отростка CII слева. Исследование показало, что среди обследованных 52,6% детей имели брахикранную форму головы, 39,1% - мезокранную и 8,3% - долихокранную форму. Выяснено, что первый и второй шейные позвонки у детей практически симметричны. Правая суставная поверхность атланта имеет более вытянутую форму и вариабельность формы, чем левая.

Sexo e idade e sua influência sobre a anatomia da aorta abdominal e seus ramos

Resumo Contexto Não se sabe ao certo como a idade e o sexo do paciente influenciam na anatomia da aorta abdominal e de seus ramos. Objetivos Determinar os padrões anatômicos (diâmetro e angulações) mais frequentes da aorta abdominal e de seus ramos e a influência do sexo e da idade dos pacientes sobre esses padrões. Métodos Foram avaliadas tomografias computadorizadas de abdome com contraste endovenoso de 157 pacientes. Foram aferidos calibre e angulação de artérias abdominais em indivíduos de ambos os sexos, agrupados em cinco faixas etárias: 20 a 30 anos, 31 a 40 anos, 41 a 50 anos, 51 a 60 anos e 61 a 70 anos. Foram analisadas 18 variáveis: seis ângulos de emergências arteriais, nove diâmetros arteriais, taxas de dilatação, sexo e faixa etária. Para a obtenção das medidas, utilizou-se o programa de computador RadiAnt 4.2.1 DICOM viewer (Medixant, Poznan, Polônia). Resultados Entre as 157 tomografias, 69 eram de homens e 88, de mulheres. Apresentaram diferença estatística (p < 0,05): ângulo de origem e diâmetro da artéria mesentérica superior; ângulo e diâmetro das artérias renais; diâmetro das artérias ilíacas comuns; diâmetro e taxa de dilatação em diversos segmentos da aorta, exceto na porção proximal ao tronco celíaco. Conclusões Os diâmetros da aorta (em diversos segmentos) e de seus ramos (exceto da artéria renal esquerda) aumentam progressivamente com o passar da idade em ambos os sexos e são maiores e possuem taxa de dilatação mais elevada em homens do que em mulheres da mesma faixa etária. Entre os sexos, o ângulo de emergência da artéria mesentérica superior foi maior em homens, exceto entre 20 e 30 anos; o ângulo de origem da artéria renal esquerda foi maior em mulheres entre 51 e 60 anos.