An advanced prototyping process for highly accurate models in biomedical applications [Elektronische Ressource] / von Timon Mallepree

Hw0117

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
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Extrait

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 ...............................................................................