Procedures for finite element mesh generation from medical imaging: application to the intervertebral disc

Abstract

The paramount goal of this ‘half-year’ work is the development of a set of methodologies and procedures for the geometric modelling by a finite element (FE) mesh of the bio-structure of a motion segment (or functional spinal unit), i.e., two vertebrae and an intervertebral disc, from segmented medical images (processed from medical imaging). At an initial stage, a three-dimensional voxel-based geometric model of a goat motion segment was created from magnetic resonance imaging (MRI) data. An imaging processing software (ScanIP/Simplewire) was used for imaging segmentation (identification of different structures and tissues), both in images with lower (normal MRI) and higher (micro-MRI) resolutions. It shall be noticed that some soft-tissues, such as annulus fibrosus or nucleus pulposus, are very hard to isolate and identify given that the interface between them is not clearly defined. At the end of this stage, images with different resolutions allowed to generate different 3D voxel-based geometric models. Thereafter, a procedure for the FE mesh generation from the aforementioned voxelized data should be studied and applied. However, as the original geometry was only approximately known from real medical imaging, it was difficult to objectively quantify the quality of the FE meshing procedure and the accuracy between source geometry and target FE mesh. In order to overcome such difficulties, and due to the lack of quality of the available medical imaging, a “virtualization” procedure was developed to create a set of segmented 2D medical images from a well-defined geometry of a motion segment. The main idea was to create the conditions to quantify the quality and the accuracy of the developed FE meshing procedure, as well to study the effect of imaging resolution. Starting from the virtually generated 2D segmented images, a 3D voxel-based structure was achieved. Given that initial domains are now clearly defined, there is no need for further image processing. Then, a two-step FE mesh generation procedure (generation followed by simplification) allows to create an optimized tetrahedral FE mesh directly from 3D voxelized data. Finally, because the virtualization procedure allowed to know the initial geometry, one is able to objectively quantify the quality and the accuracy of the final simplified tetrahedral FE mesh, and thus to understand and quantify: a) the role of the medical image resolution on the FE geometrical reconstruction, b) the procedure and parameters of the FE mesh generation step, and c) the procedure and parameters of the FE mesh simplification step, and thus to give a clear contribution in the definition of the procedure for the FE mesh generation from medical imaging in case of an intervertebral disc.

O objetivo fundamental deste trabalho de seis meses é o desenvolvimento de um conjunto de metodologias e procedimentos para a modelação geométrica, através de uma malha de elementos finitos (EF) de uma bio-estrutura de um motion segment (ou unidade funcional da coluna), ou seja, duas vértebras e um disco intervertebral, a partir de imagens médicas segmentadas (processadas a partir de imagiologia médica). Numa fase inicial, um modelo geométrico tridimensional baseado em voxels de um motion segment de uma cabra foi criado a partir de informação de imagens médicas de ressonância magnética (RM). Um software de processamento de imagem (ScanIp/Simplewire) foi usado para segmentação de imagens (identificação de diferentes estruturas e tecidos), em imagens de menor (RM normal) e maior (micro-RM) resolução. Deve ser referido que alguns tecidos moles, como o anel fibroso e o núcleo pulposo são muito difíceis de isolar e identificar, dado que as fronteiras destes não estão claramente definidas. No final desta etapa, as imagens com diferentes resoluções permitiram gerar diferentes modelos geométricos 3D baseados em voxels. Posteriormente, um procedimento para geração de malha de EF, a partir da informação voxelizada acima mencionada, deveria ser estudado e aplicado. No entanto, como a geometria original era aproximadamente conhecida a partir de imagens médicas reais, foi difícil quantificar objetivamente a qualidade do procedimento de geração de malha de EF e a precisão entre a geometria de origem e a malha de EF de destino. A fim de superar tais dificuldades, e devido à falta de qualidade de imagens médicas disponíveis, um procedimento de “virtualização” foi desenvolvido para criar um conjunto de imagens médicas 2D segmentadas a partir de uma geometria de um motion segment bem conhecida. A principal ideia foi criar as condições para quantificar a qualidade e a precisão do procedimento de geração de malha de EF desenvolvido, bem como estudar o efeito da resolução da imagem médica. A partir das imagens 2D segmentadas, geradas virtualmente, uma estrutura de voxels 3D pode ser conseguida. Dado que os domínios iniciais estão agora claramente definidos, não há necessidade de processamento de imagem adicional. Por conseguinte, um procedimento de geração de malha de EF de duas etapas (geração seguida por simplificação) permite criar uma malha de EF tetraédrica otimizada diretamente a partir de informação 3D voxelizada. Por fim, como o procedimento de virtualização permitiu conhecer a geometria inicial, é possível quantificar objetivamente a qualidade e exatidão da malha de EF tetraédrica final simplificada, e assim, compreender e quantificar: a) o papel da resolução da imagem médica na reconstrução geométrica de EF; b) o procedimento e os parâmetros da etapa de geração de malha de EF; c) o procedimento e os parâmetros da etapa de simplificação de malhas de EF, e assim, dar uma contribuição clara na definição do procedimento para a geração de malha de EF a partir de imagem médica, no caso de um disco intervertebral.