Přejít k obsahu


Time-convenient deformation of musculoskeletal system

Citace: [] KELLNHOFER, P., KOHOUT, J. Time-convenient deformation of musculoskeletal system. In Algoritmy 2012, 19th Conference on Scientific Computing. Bratislava: STU Bratislava, 2012. s. 239-249. ISBN: 978-80-227-3742-5
Druh: STAŤ VE SBORNÍKU
Jazyk publikace: eng
Anglický název: Time-convenient deformation of musculoskeletal system
Rok vydání: 2012
Místo konání: Bratislava
Název zdroje: STU Bratislava
Autoři: Bc. Petr Kellnhofer , Doc. Ing. Josef Kohout Ph.D.
Abstrakt CZ: Kosterně-svalové modelování a simulace patří mezi klíčové prvky v procesu hledání optimální strategie pro poskytnutí lepší zdravotní péče pacientům trpícím různými kosterně-svalovými onemocněními, jako je např. osteoporóza. V naší přechozí práci jsme navrhli deformační metodu vhodnou pro klinickou praxi, která deformuje každý sval, reprezentovaný povrchovou sítí, v závislosti na změně skeletonu svalu, přičemž zachovává jeho objem. Metoda je založena na řešení soustavy lineárních a nelineárních rovnic, přičemž pro popis povrchu slouží lineární rovnice, zatímco pro zachování objemu nelineární rovnice. Soustava je vyřešena iterativním Gauss-Newton řešičem. Pro zvýšení výkonu a stability přístup využívá vnější hrubou obálku svalu. Metoda dosahuje excelentního poměru zachování objemu v časech ve stovkách ms pro typické sítě, ale díky tomu, že sítě jsou zpracovávány nezávisle na sobě, může docházet ke vzájemnému protínání sítí. V tomto článku je popsána modifikace původní metody, která rozšiřuje soustavu rovnic a rovněž postup jejího řešení tak, aby vzájemnému protínání bylo zamezeno. Nová metoda detekuje protínání a podle toho upravuje deformační pohyb vrcholů v každém kroku řešení. Přitom se však snaží minimalizovat ztrátu objemu zapříčeného touto úpravou. Metoda byla naimplementována v C++ za použití VTK knihovny a integrována do našeho systému. Výsledky aplikace metody na medicínská data, která používáme, ukazují, že i přes některé otevřené problémy, navržená technika si zasluhuje pozornost.
Abstrakt EN: The musculoskeletal modelling and simulation is an essential step in the process of looking for an optimal strategy to provide patients su?ering from various musculoskeletal disorders, such as osteoporosis, with better health care. In our previous work, we proposed a deformation method suitable for clinical practise that deforms each muscle represented by a surface mesh according to assigned skeleton action lines and preserves its inner volume at the same time. It is built on combination of linear constraints for surface description together with relation of surface to control skeleton and non-linear constraint of volume preservation. It uses Gauss-Newton based iterative solver to ?nd energy minimum ful?lling these conditions. It gains extra performance from exploiting the coarse outer hull for potentially slow and numerically unstable calculations. It achieves excellent ratios of volume preservation and maintains reasonable times in hundreds of milliseconds for our typical meshes, but since each mesh is deformed independently to others, it is unable to provide deformation of multiple interacting meshes without danger of their mutual intersections. This is why a new modi?cation of the method is introduced in this paper that alters both constraint formulation and the iterative solver algorithm to ?x and prevent major intersections between mesh surfaces. It detects and prevents initial intersection in the starting pose of meshes and then prevents new intersections during the solution by constraining the modi?cation step of meshes. It however still considers importance of volume preservation and tries to minimise e?ect of changes on its maintenance. The method was implemented using C++ language and VTK framework and integrated to our human body framework. The results of application to medical data we use show that despite a few open issues, the proposed technique has its merit.
Klíčová slova

Zpět

Patička