"FEM Simulation in der Brustchirugie" CADFEM Users Meeting

"FEM Simulation in der Brustchirugie" CADFEM Users Meeting

FEM Simulation in der Brustchirugie
M. EDER, *H. PATHAK,
*C. MÜLLER, M. PECHER, M. SETTELS, L. KOVACS,**C. Kober, **H. Lebsack
Forschungsgruppe CAPS - Computer Aided Plastic Surgery
g PD Dr. med. L. Kovacs
Leitung:
Klinik und Poliklinik für Plastische Chirurgie und Handchirurgie
Klinikum rechts der Isar
Technische Universität München
*CADFEM GmbH, Grafing b. München
**HAW Hamburg
Klinikum rechts der Isar
Notwendigkeit der objektiven Quantifizierung
Klinikum rechts der
Isar
Brustverkleinerung
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Brustvergrößerung
Rekonstruktion
Brustkrebs
angeborene Malformation
Versuche der Erfassung der Brustgeometrie
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Klinikum rechts der
Isar
Abdruckverfahren
Wasserverdrängung
asse e d ä gu g
Anthropometrische
Messungen
3-D Quantifizierung + Dokumentation
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Klinikum rechts der
Isar
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Computerunterstützte Operationsplanung
- Poland Syndrom -
Klinikum rechts der
Isar
2-D Photographie
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Nur qualitative Information
KEINE QUANTIFIZIRUNG
MÖGLICH
3-D Scan
Computerunterstützte Operationsplanung
- Poland Syndrom -
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Intra-OP
“Rapid Prototyping”
8M
Monate
t P
Post-OP
t OP
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Computerunterstützte Operationsplanung
- Trichterbrust -
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Computerunterstützte Operationsplanung
- Trichterbrust -
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Computerunterstützte Operationsplanung
- Trichterbrust -
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Isar
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Computerunterstützte Operationsplanung
- Trichterbrust -
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Isar
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Herkömmliche OP Planung
- Brustvergrößerung -
© Hedén,
Hedén P.
P - Lippincott,
Lippincott Willkins & Wiliams,
Wiliams Philadelphia,
Philadelphia 2006
Gewebeelastizität!!!
© Tebbet, JB PRS 2005
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Isar
Visualisierung der geplanten Veränderungen
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- 3-D
3 D Morphing
M hi -
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Erste klinische Applikationen
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- Simulation der Weichteildeformierung -
Prae-OP
Post-OP
Brustvergrößerung
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Isar
Aktueller Stand
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3-D Erfassung der Körperoberfläche
präzises und praxisreifes Instrument
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zögerliche Verbreitung in der Praxis
unzureichende Hard- und Softwareprodukte
nicht invasiv
„nur“ Körperoberfläche
3 D Morphing
3-D
nützliche Visualisierungsmöglichkeit
spiegelt
p g nur die subjektiven
j
Vorstellungen
g des Chirurgen
g wieder
nicht zu verwechseln mit „OP-Simulation“
Simulation der Weichteildeformierung
sehr vielversprechend, aber anspruchsvoll
benötigt gründliche Validierung
setzt eine breite interdisziplinäre Zusammenarbeit voraus
benötigt geschlossene 3-D Modelle
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Finite Element Simulation
- 3-D Modell Generierung Klinikum rechts der
Isar
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MRT Segmentierung
S
ti
Finite Element Simulation
- Workflow Finite Element Model
Ergebnis Simulation
ICEM CFD
30deg
90deg
Gravity free BM
Mimics
Ansys Workbench:2
Validierung
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Modell Erstellung
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Mechanical Approach
- Key Studies -
Ruiter
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Registration of X ray to MR images
Tanner
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Isar
Yu--Neifert
Yu
Linear, elastic, homogeneous fat
Linear elastic skin
Non rigid registration technique
Krouskop
Kita
Mathematical model of breast
deformation
Schnabel
Validation of registration technique
Elastography technique
Mechanical Approach
- Key Studies Wellman
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Uniaxial compression test
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Isar
Azar
Uniaxial compression test
Where
Where
Samani
Measure findings
Mechanical Approach
- Pitfalls -
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Isar
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Currently available material models for breast tissues are
Mostly linear in nature & varying with great magnitude
Linear material models are insufficient to describe breast tissue deformation
Nonlinear material models are based on uniaxial test (tension/comp.) on ex. Vivo
Finite Element Simulation
Lack of complete breast anatomy
Effect of pectoralis muscles and rib cage curvature is not considered
Absence of gravity free initial breast geometry
Different patient positions are not simulated
Effect of implant shape and position are not considered
Lack of proper validation of obtained results
Finite Element Simulation
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- Initial Results -
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Isar
Polynomial
y
2nd order byy
Samani (2007)
Gravity free breast model
Finite Element Simulation
- Initial Results -
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Isar
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Boundary Conditions
Prone Position
30deg
45deg
90deg (Standing Position)
180deg (Supine Position)
90deg on arm
180 deg on arm
Element Type: Solid 285
Total Elements: 57000
Contacts: MPC
Finite Element Simulation
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- Initial Results -
Prone Position
90 deg (Standing Position)
30 deg
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45 deg
180 deg (Supine Position)
Finite Element Simulation
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- Initial Results -
Prone Position
90 deg (Standing Position)
30 deg
Klinikum rechts der
Isar
45 deg
180 deg (Supine Position)
Finite Element Simulation
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- Initial Results -
Klinikum rechts der
Isar
Finite Element Simulation
- Initial Results Validation: 45deg
g
Validation: 90 deg
g
Klinikum rechts der
Isar
Validation: 180 deg
g
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Consideration of influence of blood by increasing density by 10%
Without blood influence
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Finite Element Simulation
- Flap Shrinkage in Breast Reconstruction -
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Finite Element Simulation
- Flap Shrinkage in Breast Reconstruction -
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Finite Element Model
Original Flap
Simplified Flap Model
Flap Stretch over
cylindrical Geometry
Flap Stretch over Original
Abdominal Curvature
Total Deformation
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Equivalent Strain
Future Work
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Isar
Step I: Getting gravity free breast geometry
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Reference geometry
Nonlinear optimization
Backward approach
Inverse finite elasticity
Future Work
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Isar
Step I: Inverse finite elasticity formulation and implementation
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Three field formulation
Weak formulation
Finite element formulation
Where
Where
Where
Tangent operator
Future Work
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Work layout
Initial study
Mechanical tests
Literature research
Histologigal tests
Key studies evaluation
Uniaxial tests
FE analysis
y
with existing
g
material models
Biaxial tests
Validation of results
Conclusion
Pure shear tests
Indentor test
Material modelling
Isotropic
Anisotropic
Viscoelastic
Vi
l ti
..
..
..
Implementation
Programming
language: FORTRAN 90
FE software: ANSYS
Future Work
Klinikum rechts der
Isar
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A) Software Framework
(Polydimensions GmbH)
I) Im/Export of
scandata
II) Processing of scan data
III) Export of scan data
G) HAW
HAW, INFO
INFO,
PLCH, CADFEM
B) Scanning unit
(Steinbichler
Steinbichler))
C) Free modelling
(Polydimensions
Polydimensions))
D) Geometry generation
(INFO)
Templates
Implantgeometry
Implantposition
IV) Target geomery
V) Export of geometry OR final
mesh
F) Comparison of target/actual
(Polydimensions)
) FEMSimulation
Simulation
E)E)FEM
CADFEM
CADFEM
VI) Actual
A t l geometry
Actual
tt
VI)
A
geometry
Force field for
final implant
configuration
„Pocket-size“ to
„Pocketplace the implant
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Klinikum rechts der
Isar
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