Bildbasiertes Meshing

Bildbasiertes Meshing bezeichnet den automatisierten Prozess, vereinfachte Oberflächenbeschreibungen aus dreidimensionalen Bilddateien zu erstellen, ohne eine vorherige Rekonstruktion der Oberfläche durchzuführen. Bilddateien, die beispielsweise durch Magnetresonanztomographie (MRI), Computertomographie (CT) oder Mikrotomographie erstellt worden sind, können durch dieses Verfahren in ein Computermodell überführt werden, das beispielsweise in der numerischen Strömungsmechanik oder Finite-Elemente-Analyse weiterverarbeitet werden kann.

Mesh-Erstellung aus einer 3D-Bilddatei

Das Erstellen von Polygonnetzen aus einer dreidimensionalen Bilddatei birgt eine Vielzahl an Herausforderungen, aber auch einzigartige Möglichkeiten, um realistischere und genauere geometrische Beschreibungen von den Definitionsbereichen zu machen. Es gibt generell zwei Methoden, um ein Meshing aus einer 3D-Bilddatei zu erstellen:

Oberflächenbasierte Methode

Die Mehrheit der bislang verwendeten Methoden arbeiten traditionellerweise mit CAD-Anwendungen, indem ein Zwischenschritt eingebaut wird, bei dem eine Oberflächenrekonstruktion durchgeführt wird, die von traditionellen CAD-basierten Meshing-Algorithmen gefolgt ist[1]. CAD-basierte Methoden verwenden die Scandaten, um die Oberfläche des Arbeitsbereiches zu definieren, und erstellen Elemente innerhalb dieser selbst definierten Grenzen. Obwohl hierfür robuste Algorithmen verfügbar sind, sind diese Techniken oftmals sehr zeitaufwendig und manchmal ist es auch nicht möglich, die komplexen Strukturen von Bilddaten darzustellen. Manchmal ist es auch nicht möglich, ein Polygonnetz von mehr als einem Definitionsbereich zu erstellen, da multiple Oberflächen Spalten und Überlappungen an Grenzflächen erzeugen können, wenn mehrere Strukturen aufeinandertreffen[2].

Bildbasierte Methode

Dies ist eine direktere Methode zur Mesh-Erstellung, da geometrische Detektion und Mesh-Erstellungsphasen in einem Ablauf kombiniert werden, was zu robusteren und genaueren Resultaten als Meshing von Oberflächendaten führt. Das am häufigsten verwendete Meshing-Verfahren ist die Voxel-Konversion-Technik, die Meshes mit Ziegelelementen generiert[3] und der Marching-Cubes-Algorithmus, der Meshes mit vierflächigen Elementen generiert[4]. Eine neue verbesserte volumetrische Marching Cubes-Methode generiert vier- oder sechsflächige 3D-Elemente durch das Volumen des Definitionsbereichs und erstellt dadurch direkt den Mesh mit mehrteiligen Oberflächen. Falls komplexe Strukturen mit möglicherweise hunderten unverbundenen Definitionsbereichen modelliert werden sollen, ist diese Vorgangsweise viel einfacher, effektiver, robuster und genauer[2].

Erstellung eines Modells

Um ein 3D-Bild-basiertes Modell zu erstellen, sind folgende Schritte notwendig:

Scan und Bildverarbeitung

Eine Vielzahl an Bildverarbeitungs-Programmen können verwendet werden, um sehr genaue 3D-Bild-basierte Modelle zu erhalten, z. B. MRI, CT, MicroCT, (XMT) und Ultrasound. Von besonderem Interesse kann dabei sein:

Segmentierung (z. B. Schwellenwertverfahren, Level-Set-Methoden …)
Filter und Glättung (z. B. volumen- und strukturerhaltendes Glätten)

Volumen- und Oberflächen-Mesh-Erstellung

Bildbasiertes Meshing ermöglicht eine direkte Erstellung von Meshes aus segmentierten 3D-Daten. Von besonderem Interesse kann dabei sein:

Multi-Part-Meshing (Mesh von jeglichen Strukturen gleichzeitig)
Abbildungen um Materialeigenschaften basierend auf Signalstärke abzubilden (z. B. Elastizitätsmodul oder Hounsfield-Skala)
Glätten von Meshes (z. B. Erhaltung der Struktur von Daten, um die Konnektivität zu erhalten, und volumenneutrales Glätten, um das Schrumpfen von konvexen Ummantelungen zu vermeiden)
Export von FEA- und CFD-Codes für Analysen (z. B. Knotenpunkte, Elemente, Materialeigenschaften, Kontaktoberflächen)

Anwendungsbereiche

Biomechanik und das Design von medizinischen und zahnmedizinischen Implantaten
Ernährungswissenschaft
Forensik
Materialwissenschaft (Verbund- und Schaumstoffe)
Werkstoffprüfung
Paläontologie und Morphologie
Reverse Engineering
Bodenkunde und Petrologie

Einzelnachweise

Viceconti et al., 1998. TRI2SOLID: an application of reverse engineering methods to the creation of CAD models of bone segments. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 56, 211–220.
Young et al., 2008. An efficient approach to converting 3D image data into highly accurate computational models. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 366, 3155–3173.
Fyhrie et al., 1993. The probability distribution of trabecular level strains for vertebral cancellous bone. Transactions of the 39th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, San Francisco.
Frey et al., 1994. Fully automatic mesh generation for 3-D domains based upon voxel sets. International Journal of Methods in Engineering, 37, 2735–2753.

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[1] Viceconti et al., 1998. TRI2SOLID: an application of reverse engineering methods to the creation of CAD models of bone segments. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 56, 211–220.

[Young_2008-2] Young et al., 2008. An efficient approach to converting 3D image data into highly accurate computational models. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 366, 3155–3173.

[3] Fyhrie et al., 1993. The probability distribution of trabecular level strains for vertebral cancellous bone. Transactions of the 39th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, San Francisco.

[4] Frey et al., 1994. Fully automatic mesh generation for 3-D domains based upon voxel sets. International Journal of Methods in Engineering, 37, 2735–2753.