Hastaya özgü omurga dijital ikizinin geliştirilmesi, 3B yazıcı kullanılarak üretilmesi ve omurga hareketlerinin analiz edilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında karmaşık bir yapıya sahip omurganın hastaya özgü dijital ikiz modeli geliştirilmiştir. Modellerin üç boyutlu yazıcı teknolojisi ile fiziksel prototipleri üretilmiştir. Dijital ikiz modeli üzerinde omurganın fleksiyon ve ekstansiyon hareketlerinin analiz edilmesi amaçlanmıştır.

Bu kapsamda 50 yaşındaki hastaya ait açık kaynaklı bilgisayarlı tomografi görüntüsünde elde edilen tüm vertebralar 3DSlicer yazılımı kullanılarak ayrı ayrı modellenmiştir. Oluşturulan vertebra modellerine SpaceClaim yazılımı kullanılarak iyileştirme işlemleri yapılmıştır. Her bir vertebra, bilgisayar destekli tasarım ortamında bir araya getirilerek montajlanmıştır. Vertebralar arasındaki eklem ilişkileri, literatürde yer alan rotasyonun anlık ekseni esas alınarak sınır açısı ilişkisi ile tanımlanmış ve bu sayede fleksiyon ve ekstansiyon hareketlerini simüle edebilen bir dijital ikiz geliştirilmiştir.

Geliştirilen hastaya özgü omurga dijital ikiz modelinin doğruluğu üst üste çakıştırma yöntemiyle değerlendirilmiş ve modele tanımlanan hareket eksenlerinin doğru olduğu gözlemlenmiştir. Geliştirilen bu modelin, lomber lordoz ve torakal kifoz açılarının fleksiyon/ekstansiyon sırasındaki değişimleri ile nöral foramen yüksekliği ve sagittal dikey eksen gibi klinik açıdan önemli parametrelerin simülasyonuna ve analizine olanak tanıdığı gösterilmiştir. Elde edilen bulgular, dijital ikiz modelinin statik radyolojik görüntülere kıyasla klinik değerlendirmelerde ve hareket analizinde önemli avantajlar sunduğunu göstermektedir.

Sonuç olarak bu tez çalışması ile servikal bölgeden sakruma kadar uzanan, hareket analizi yeteneğine sahip ve üç boyutlu yazıcı ile fiziksel üretimi destekleyen bir dijital ikiz modeli geliştirilmiş ve modelin klinikte kullanılabilme potansiyeli başarıyla değerlendirilmiştir.

In this study, a patient-specific digital twin model of the complex spinal structure was developed, which will help to improve the understanding of the spine structure and how it functions. Physical prototypes of the vertebrae models were produced using 3D printing technology, which is a process that involves the use of computer-controlled machines to create three-dimensional objects from digital designs. The study aimed to analyse the flexion and extension movements of the spine upon the digital twin model.

In this context, all vertebrae obtained from open-source computed tomography images of a 50-year-old patient were modelled individually using 3D Slicer software. STL Refinement procedures were applied to the generated vertebra models using SpaceClaim software. Each vertebra was then assembled in a computer-aided design environment. The articular relationships between the vertebrae were defined by angular limit constraints based on the instantaneous axis of rotation reported in the literature, thereby establishing a digital twin capable of simulating flexion and extension kinematics.

The model of the spine was made using a digital twin technique, and its accuracy was checked by superimposing it on to a real patient. This confirmed that the axes of movement defined in the model were correct. The model was developed to enable the simulation and analysis of a number of clinically significant parameters. These include variations in lumbar lordosis and thoracic kyphosis angles during flexion and extension, as well as neural foraminal height and the sagittal vertical axis. The findings indicate that the digital twin model provides substantial advantages in clinical evaluations and motion analysis when compared to static radiological images.

In conclusion, a digital twin model was developed. This model extends from the cervical region to the sacrum. It possesses kinematic analysis capabilities. It also supports physical manufacturing via 3D printing. The model's potential for clinical application was successfully evaluated.