An advanced prototyping process for highly accurate models in biomedical applications Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau der Universität Duisburg-Essen zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR-INGENIEUR genehmigte Dissertation von Timon Mallepree aus Velbert Referent: Prof. Dr.-Ing. Diethard Bergers Korreferent: Associate Prof. Dr. Ian Gibson Tag der mündlichen Prüfung: 23.02.2011 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter, an der Professur für Produktionstechnologie und Produktentwicklung - Fakultät für Ingenieurwissenschaften - der Universität Duisburg-Essen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Diethard Bergers für die Betreuung und die wissenschaftliche Unterstützung meiner Arbeit. Ihm möchte ich sehr herzlich für sein Vertrauen und seine wohlwollende Förderung danken, die maßgeblich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen hat. Herr Associate Prof. Dr. Ian Gibson ist tätig an der National University of Singapore und ist Mitbegründer der Global Alliance of Rapid Prototyping Associations (GARPA). Für die Übernahme des Korreferats und das Interesse an meiner Arbeit möchte ich mich herzlich bedanken. Teile des Inhalts der Arbeit wurden im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts „Klinische und experimentelle Untersuchungen zur Morphologie und Dynamik des Nasen-Lumens und deren Einfluss auf Atemströmung und Klimatisierung der Atemluft“ in interdisziplinärer Kooperation erstellt. Allen Projektpartnern möchte ich ausdrücklich für die gute Zusammenarbeit und die freundliche Unterstützung danken. Herrn Reinhard Giese und Herrn Klaus Werner möchte ich für die uneingeschränkte Unterstützung bei den Laborarbeiten danken. Den studentischen Mitarbeitern Herrn Adrian Czaykowski und Herrn Felix Sbrzesny danke ich für ihren engagierten Einsatz der wesentlich zum Erfolg der Arbeit beigetragen hat. Ferner bedanke ich mich bei den Herren Dr.-Ing. Jörg Lubnau , Dr.-Ing. Jens Standke und Dipl.-Ing. Oliver Kower für deren Unterstützung und stete Diskussionsbereitschaft. Besonderer Dank gebührt meiner Familie für die liebevolle Unterstützung und das immerwährende Verständnis für meine zeitliche Inanspruchnahme. Duisburg, Februar 2011 Timon Mallepree Contents I Contents Glossary ...............................................................................................................................III 1. Introduction ..................................................................................................................... 1 2. Prototyping in biomedical engineering ........................................................................ 5 2.1 Biomodeling ............................................................................................................... 7 2.1.1 Anatomical terminology ....................................................................................... 8 2.1.2 Medical imaging .................................................................................................. 9 2.1.2.1 CT Scanning ................................................................................................ 9 2.1.2.2 3D Acquisition parameters ..........................................................................11 2.1.3 Segmentation of medical images .......................................................................16 2.1.4 3D Reconstruction of medical images ................................................................20 2.1.4.1 Surface meshing .........................................................................................22 2.1.4.2 3D Reconstruction failures ..........................................................................25 2.1.5 File format ..........................................................................................................28 2.1.6 Software processing ..........................................................................................29 2.2 Rapid prototyping ......................................................................................................32 2.2.1 Classification of models and prototypes .............................................................33 2.2.2 CNC Milling as a quasi-additive RP procedure ...................................................34 2.2.3 File formats ........................................................................................................42 2.2.4 Data processing .................................................................................................45 2.2.5 Transparency .....................................................................................................48 2.3 Virtual prototyping .....................................................................................................49 2.3.1 Medical applications in virtual reality ..................................................................50 2.3.2 VRML.................................................................................................................51 3. Conclusion and demand for a medical prototyping process ......................................53 4. Prototyping process concept .......................................................................................59 4.1 The medical prototyping process ..............................................................................61 4.1.1 Process sequence .............................................................................................62 5. Process analysis ..........................................................................................................67 5.1 Segmentation filter analysis ......................................................................................67 5.2 Model accuracy ........................................................................................................71 5.2.1 Single-slice scanner study .................................................................................74 5.2.2 Multi-slice scanner study ....................................................................................75 5.2.3 Conclusion .........................................................................................................78 5.3 Surface mesh analysis ..............................................................................................81 5.3.1 Primitive model measurement ............................................................................85 5.3.2 Medical model measurement .............................................................................89 II Contents 5.3.3 Conclusion .........................................................................................................91 5.4 Surface quality of physical model ..............................................................................92 5.4.1 Test series 1 ......................................................................................................93 5.4.2 Test series 2 ......................................................................................................95 5.4.3 Test series 3 ......................................................................................................97 5.4.4 Conclusion .........................................................................................................98 5.5 Slice joining accuracy ............................................................................................. 100 5.5.1 Measurement of evenness ............................................................................... 101 5.5.2 Measurement of drilling deviation ..................................................................... 101 5.5.3 Measurement of contour deviation ................................................................... 102 6. Example of use: The human nose ............................................................................... 103 6.1 Medical background ................................................................................................ 103 6.2 Modeling the human nose ....................................................................................... 105 6.2.1 Data acquisition ............................................................................................... 106 6.2.2 Segmentation and 3D reconstruction ............................................................... 108 6.2.3 Mesh editing .................................................................................................... 112 6.3 Medical VR application ........................................................................................... 112 6.4 Medical RP application ........................................................................................... 116 6.5 Time analysis .......................................................................................................... 118 7. Example of use: The human hip .................................................................................. 121 7.1 Medical background ................................................................................................ 121 7.2 Modeling the human hip.......................................................................................... 123 7.2.1 Data acquisition ............................................................................................... 124 7.2.2 Segmentation and 3D reconstruction ............................................................... 124 7.2.3 Mesh editing ...................................................................................................