مدل‌سازی بافت‌های بیولوژیك با Mimics در مهندسی پزشكی

کتاب مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با mimics در مهندسی پزشکی

کتاب مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با mimics 

در كتابی كه پيش روی شـماسـت سـعی شـد با توجه به وجود نسـخه‌های مختلف بسـته نرم افزاری يادشده؛ به عمده بخش‌های پركاربرد و اساسی هسته اصلی بسته نرم افزار( Mimics ) با رويكرد فرايند شبيه‌سازی در مهندسی زيست پزشكی پرداخته شود. محتوای آموزشی كتاب با معرفی كلی مجموعه نرم افزاری Suite Innovation Mimics در فصـل اول شـروع و با بررسـی كليات مبحث پردازش تصوير و ورود ديتا به نرم افزار در فصل دوم ادامه می‌يابد.

فصـول سوم و چهار به صورت اختصاصی به معرفی ابزارهای پركاربرد هسته اصـلی نرم افزار با هدف ايجاد مدل هندسـی از بافت‌ها اختصـاص دارند. فصل پنجم به مبحث خروجی‌های قابل استحصال از نرم افزار اختصاص داده شد. با توجه به اهميت موضوع طراحی و تحليل به كمك كامپيوتر؛ فصـل شـشم را به معرفی امكانات و ابزارهای اين نرم افزار در اين حوزه اختصــاص داديم.

دو فصــل پايانی کتاب مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با mimics نيز به انجام دو پروژه كاربردی با اســتفاده از ابزارهای موجود اختصـــاص دارند و با توجه به اهميت آشـــنايی خواننده با انواع روش‌های تصـويربرداری پزشـكی و كاربردهای آنها توضيحاتی اجمالی در اين خصوص، در غالب يك فصل (ضميمه) در انتهای كتاب آورده شده است. در خلال هر فصـل نكات كليدی و كاربردی مرتبط با هر موضـوع در بخش‌هايی با همين عنوان طرح شده‌اند.

در خلال هر فصل نکات کلیدی و کاربردی مرتبط با هر موضوع در بخش‌هایی با همین عنوان طرح شده‌اند. محتوای موجود در این بخش‌های اغلب نشئت گرفته از تجربیات نویسندگان کتاب در کاربرد این نرم افزار در مباحث مهندسی پزشکی است.

مقدمه کتاب مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با میمیکس

در فرآیند مدل سازی هندسی ابزار مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند اما با توجه به رویکرد مدل‌سازی از طریق کامپیوتر، یکی از مهمترین ابزارهایی که می‌تواند  مورد استفاده قرار گیرد نرم افزارهای مرتبط با این حوزه است. یکی از پرکاربردترین نرم افزارهای مدل سازی هندسی بافت‌های بیولوژیک، پکیج نرم افزاری MIMICS INNOVATION SUITE می‌باشد که توسط شرکت متریالایز عرضه گردیده است، این پکیج نرم افزاری شامل ابزاری‌های مختلف از جمله  نرم افزار MIMCS,3MATIC,MAGIC می‌باشد.

نرم افزار MIMICS هسته اصلی این پکیج را تشکیل می‌دهد که قابلیت ایجاد مدل هندسی سه بعدی با استفاده از تصاویر دوبعدی استاندارد پزشکی را داراست. باید توجه داشت که فرایند کامل مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با استفاده از این نرم افزار امکان پذیر نیست و این نرم افزار تنها قادر به ایجاد مدل هندسی اولیه از بافت‌های بیولوژیکی است.

مدلسازی هندسی

مدلسازی هندسی عبارت است از تعریف یک جسم سه بعدی از طریق ایجاد پایگاه داده معرف آن که یه منظور طراحی، تحلیل مهندسی، ترسیم نقشه، ساخت بکار می‌رود.

کارکردهای متعدد این پایگاه داده شامل موارد زیر می‌باشد:

نمایش کامپیوتری شی

ایجاد ترسیمات گوناگون

تحلیل و تولید

مدلسازی هندسی بخش مهمی از فرایند طراحی و تولید را شامل می‌شود. فرایند طراحی و تولید شامل سه مرحله مهم زیر است :

طراحی به کمک کامپیوتر

مهندسی به کمک کامپیوتر

تولید به کمک کامپیوتر

بسیاری از طراحان ابتدا ایده‌های خود را به صورت یک مدل هندسی مناسب طراحی کرده سپس با استفاده ازفرایند مهندسی به کمک کامپیوتر مورد تحلیل و آزمایش قرار می‌دهند و در نهایت وارد مرحله ساخت واقعی می‌شوند.

روش‌های پایه‌ای جهت مدلسازی هندسی عبارت اند از :

۱-ترسیمات دو بعدی

۲-مدلسازی سیمی

۳-مدلسازی سطحی

۴-مدلسازی حجمی

مدلسازی دوبعد

این روش قدیمی ترین روش مدلسازی هندسی است، در این روش از ترسیم سه نما متعامد برای معرفی جسم استفاده می‌شود. از نقشه‌های دو یعدی برای شروع فرآیند ساخت نیز استفاده می‌شود.

محدودیت‌های روش مدل‌سازی دو بعدی عبارت اند از :

مهارت بالایی جهت ترسیم‌های دوبعدی نیاز است و احتمال بروز خطا در این روش بالا است.

قابل استفاده در تحلیل‌های پیشرفته مهندسی (ازجمله روش اجزا محدود) و یا تولید در ماشین‌های CNC  و پرینترهای سه بعدی نیست.

مدلسازی سیمی

روش مدلسازی سیمی در دهه ۱۹۶۰ میلادی ابداع شد؛ جسم هندسی در این روش توسط لبه‌های مرئی آن نمایش داده می‌شود (تصور کنید با استفاده از یک سیم و خم کردن آن میخواهیم یک جسم سه بعدی ایجاد کنیم). دراین روش برای ساخت مدل، از نقاط، خطوط، کمان ها، دایره ها و منحنی‌ها اسفاده می‌شود. مدل سیمی سه بعدی، فاقد سطح تعریف شده و یا حجم است، بنابراین بسیاری از تحلیل‌های پیشرفته مهندسی بر روی این مدل‌ها قابل اجرا نیست.

محدودیت‌های روش مدلسازی سیمی

ناکافی بودن اطلاعات ذخیره شد بر روی جسم از جمله سطح، حجم و جرم

مبهم بودن مدل

مدلسازی سطحی

مدل سازی سطحی مرحله‌ای پیشرفته‌تر از مدلسازی سیمی است و از مجموعه‌ای از نماها تشکیل شده است که سطح بیرونی جسم را تعریف می‌کنند. تحلیل‌های مهندسی بیشتری نسبت به مدل‌های سیمی روی مدل‌های سطحی صورت می‌گیرد. بدنه خودروها، هواپیما، کشتی‌ها بسیاری از اجسام با این روش مدلسازی می‌شوند.

مدلسازی حجمی

مدلسازی حجمی کامل‌ترین مدلسازی است که تمام انواع تحلیل‌های مهندسی را می‌توان برروی آن روی انجام داد.

فهرست کتاب مدل‌سازی بافت‌های بیولوژیک با میمیکس

فصل ۱ .مقدمه

هندسی مدلسازي

۱-۱-۱-مدلسازی دوبعدی

۲-۱-۱-مدلسازی سیمی

۳-۱-۱-مدلسازی سطحی

۴-۱-۱-مدلسازی حجمی

۲-۱-تاریخچه پیدایش میمیکس

۳-۱-پکییج نرم افزار Mimics Innovation Suite

۱-۳-۱-نرم افزار میمیکس

۲-۳-۱-نرم افزار SurgiCase CMF

۳-۳-۱-نرم افزار SimPlant

۴-۳-۱-نرم افزار Magics RP

۵-۳-۱-نرم افزار ۳Mac

۴-۱-کاربردهای میمکس

۱-۴-۱نمونه سازی سریع

۲-۴-۱-شبیه سازی جراحی

۳-۴-۱-فرایند طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)

۴-۴-۱-فرایند مهندسی به کامپیوتر (CAE)

 ۵-۱- مراحل مدلسازی در نرم افزار میمکس

۶-۱       خلاصه فصل

فصل دوم : ورود اطلاعات و تنظیمات کلی

۱-۲  استادارد تصاویر پزشکی

۱-۱-۲  اجزای تشکیل دهنده پرونده با استاندارد DICOM

۲-۲     مفاهیم پایه پردازش تصاویر پزشکی

۲-۲-۱  مقطع نگاری کامپیوتری

۲-۲-۲  پیکسل

۳-۲-۲  وکسل

۴-۲-۲ اندازه پیکسل

۵-۲-۲ اندازه ماتریکس

۶-۲-۲ وضوح تصویر

۷-۲-۲- ضخامت مقطع

۸-۲-۲ ضخامت مقطع

۹-۲-۲ بازسازی کامپیوتر

۳-۲ فراخوانی تصاویر و فایل ها در نرم افزار میمکس

۱-۳-۲ قالب فایل های قابل فراخوانی

۲-۳-۲- نحوه فراخوانی فایل ها درنرم افزار

۳-۳-۲- تنظیمات پنجره جهت یابی

۴-۳-۲- معرفی صفحه کاری نرم افزار

۵-۳-۲- نحوه فراخوانی یک پروژه

۶-۳-۲- نحوه ذخیره یک پروژه

۷-۳-۲- فراخوانی اطلاعات با قالب STL

۴-۲  خلاصه فسل

فصل ۳. معرفی ابزارها

۱-۳- منو FILE

۱-۱-۳  ابزار Open / Close Project

۳-۱-۲-بزار Save Project

۳-۱-۳ ابزار .Import STL

۳-۱-۴- ابزار STL Library

۳-۱-۵ ابزار . Import Images

۳-۱-۶ ابزار .Change Orientation

۳-۱-۷ ابزار Online Reslice

۳-۱-۸ ابزار Crop Project

۳-۱-۹ ابزار .Make Project Anonymous

۳-۱-۱۰ ابزار Project Information

۳-۱-۱۱ ابزار Save/print screenshot

۳-۲ منو EDIT

۱-۲-۳  ابزار Undo

۳-۲-۲ ابزار Redo

۳-۲-۳ ابزار SHOW UNDO LIST

۳-۳- منو VIEW

۱-۳-۳ ابزار Toolbars

۳-۳-۲ ابزار . Status bar

۳-۳-۳ ابزار Project Management

۳-۳-۴ ابزار Project Management Tabs

۳-۳-۵ ابزار Show/Hide

۳-۳-۶ ابزار Pan View

۳-۳-۷ ابزار Rotate View

۳-۳-۸ ابزار . Zoom

۳-۳-۹ ابزار Unzoom

۳-۳-۱۰ ابزار Zoom To Full Screen

۳-۳-۱۱ ابزار ۳D Background Color

۳-۳-۱۲ ابزار Pseudo Colors

۳-۳-۱۳ ابزار Masks Shades

۳-۳-۱۴ ابزار Layouts

۳-۴ منو Segmentation

۳-۴-۱ ابزار Thresholding

۳-۴-۲ ابزار Edit Masks

۳-۴-۳ ابزار Multiple Slice Edit

۳-۴-۴ ابزار Crop Mask

۳-۴-۵ ابزار .Edit Mask In ۳D

۳-۴-۶ ابزار Region Growing

۳-۴-۷ ابزار Dynamic Region Growing

۳-۴-۸- ابزار Boolean Operations

۳-۴-۹ ابزار . Cavity Fill

۵-۳ منو Tools

۳-۵-۱ ابزار Measure Distance

۳-۵-۲ ابزار Measure Angle

۳-۵-۳ ابزار Measure ۳D Distance

۳-۵-۴ ابزار Measure ۳D Angle

۳-۵-۵ ابزار .Measure Density In Rectangle

۳-۵-۶ ابزار Measure Density In Ellipse

۳-۵-۷ ابزار . Add Text Annotation

۳-۶- خلاصه فصل

فصل ۴ : مدلسازی سه بعدی

۱-۴- معرفی ابزارهای منو Segmentation

۴-۱-۱ ابزار Calculate ۳D

۴-۱-۲ ابزار .Calculate Polylines

۴-۱-۳ ابزار Update Polylines

۴-۱-۴ ابزار Cavity Fill from Polylines

۴-۱-۵ ابزار Calculate Polylines From ۳D

۴-۱-۶ ابزار Calculate Mask From ۳D

۴-۱-۷ ابزار . Labels

۴-۲- پنجره های جانبی

۴-۲-۱ پجره ماسک

۴-۲-۲ پنجره فرایند CAD

۳-۴ خلاصه فصل

فصل ۵ : خروجی های نرم افزار

• • منو .Export

۱-۱-۵ گزینه .Dicom

 ۲-۱-۵-گزینه ..BMP/JPEG

 ۳-۱-۵-ابزار STL

۴-۱-۵  ابزار . Point Cloud

۵-۱-۵ ابزار IGES

۵-۱-۶ ابزار Gray Values

۵-۱-۷ فرمت نرم افزارهای تحلیلی از منو Export

۵-۲ تبدیل مدل سطحی به مدل حجمی

۵-۲-۱ آغاز کار با نرم افزار Works S solid

۲-۲-۵  فرمت های مورد استقاده در نر افزار سالیدورک

۳-۲-۵ ایجاد سطح از مش های سطحی

۴-۲-۵ ایجاد سطوح به هم

۵-۲-۵ حجم دهی به مدل

۶-۲-۵ فراخوانی با فرمت STL

۷-۲-۵ تبدیل سطح به حجم

۳-۵ خلاصه فصل

فصل ششم: عملیات مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE)

• • مفاهیم اولیه

۱-۱-۶ مهندسی به کمک کامپیوتر

۲-۱-۶-  تجزیه تحلیل به روش المان محدود FEM

۳-۱-۶ فرایند مش بندی

۴-۱-۶ فرمت های استاندارد برای انجام فرایند CAE

۲-۶  ارتباط میمکس با سایر نرم افزارهای مهندسی

۱-۲-۶ ارتباط میمکس با نرم افزار SOLID WORK

۲-۲-۶  ارتباط میمکس با ABAQUS

۳-۲-۶ ارتباط میمکس با MAGICS

۳-۶  انجام فرایند CAE با استفاده از میمیکس

۱-۳-۶- ایجاد مدل هندسی به صورت سطح

۲-۳-۶ فرایند بازسازی و اصلاح و بهینه سازی سطح

۳-۳-۶ فرایند بازسازی و اصلاح مش بندی سطحی

۴-۳-۶ فرایند تبدیل سطح به حجم

۵-۳-۶ فرایند مش بندی حجمی

۶-۳-۶ اختصاص خواص مواد به صورت پیشرفته

۷-۳-۶ تکمیل فرایند تحلیل

۴-۶ خلاصه فصل

فصل ۷ : پروژه جامع

• • عنوان پروژه

۲-۷    کاربرد پروژه

۳-۷  مراحل انجام پروژه

۱-۳-۷ ورود تصاویر و جهت یابی

۲-۳-۷ ایجاد ماسک و مدل سه بعدی اولیه

۳-۳-۷ اندازه گیری قطر تومور

۴-۳-۷ استخراج مدل هندسی تومور

۴-۷ خلاصه فصل

فصل هشت : پروژه جامع دوم

• • مقدمه

۲-۸  عنوان پروژه

۳-۸ کاربرد پروژه

۴-۸- مراحل انجام پروژه

۱-۴-۸ تصویر سازی

۲-۴-۸  فراخوانی تصاویر درمیمکس و تعیین جهت گیری

۳-۴-۸ ایجاد ماسک و مدل سه بعدی اولیه

۴-۴-۸ استخراج مل و تبدیل مدل سطحی به حجمی

۵-۴-۸- مش بندی درنرم افزار ABAQUS

۶-۴-۸  تکمیل فرآیند تحلیل

۵-۸ خلاصه فصل

فصل ۹ ضمیمه

• • تصویربرداری به روش تشدید مغناطیسی (MRI)

۱-۱-۹  انواع دستگاه MRI

۲-۱-۹  موقعیت اناتومیکی

۳-۱-۹ انواع تصویر برداری به روش MRI

۴-۱-۹  مقطع تصویر برداری

۵-۱-۹ نوع تصویر سازی

۶-۱-۹ رزولوشن تصاویر

۷-۱-۹ ضخامت مقطع

۸-۱-۹ ردیف تصویر برداری

۹-۱-۹- پروتکل پیشنهادی برای تصویر برداری به روش MRI

۱۰-۱-۹  مزایای روش MRI

۲-۹  تصویر برداری به روش مقطع نگاری کامپیوتر CT

۱-۲-۹  اساس کار  CT SCAN

۲-۲-۹  واحد هانسفیلد

۳-۲-۹ اگوریتم بازسازی تصاویر در CT SCAN

۴-۲-۹   الگوریتم آناتومیکی

۵-۲-۹ انواع تصویر برداری به روش CT SCAN

۶-۲-۹  مقطع تصویر برداری

۷-۲-۹ پروتکل پیشنهادی برای CT SCSN

۸-۲-۹ مزایای روش CT SCAN

۳-۹  کلیدهای میانبر درنرم افزار میمکس

منابع و مآخذ کتاب مدلسازی بافت‌های بیولوژیک با mimics