Virtual and Material Models of Human Thoracic-Lumbar Spine with Compressive Fracture Based on Patients' CT Data and the Rapid Prototyping Technique

The paper presents the development procedures for both virtual 3D-CAD and material models of fractured segments of human spine formulated with the use of computer tomography (CT) and rapid prototyping (RP) technique. The research is a part of the project within the framework of which a database is developed, comprising both 3D-CAD and material models of segments of thoracic-lumbar spine in which one vertebrae is subjected to compressive fracture for a selected type of clinical cases. The project is devoted to relocation and stabilisation procedures of fractured vertebrae made with the use of ligamentotaxis method. The paper presents models developed for five patients and, for comparison purposes, one for a normal spine. The RP material models have been built basing on the corresponding 3D-CAD ones with the use of fused deposition modelling (FDM) technology. 3D imaging of spine segments in terms of 3D-CAD and material models allows for the analysis of bone structures, classification of clinical cases and provides the surgeons with the data helpful in choosing the proper way of treatment. The application of the developed models to numerical and experimental simulations of relocation procedure of fractured vertebra is planned. W pracy zostały przedstawione procedury opracowania modeli wirtualnych i materialnych uszkodzonych, w efekcie urazów lub długotrwałej patologii, odcinków kręgosłupa pacjentów oraz przykłady wykonanych modeli. Przedstawione w pracy modele wirtualne opracowano na podstawie danych CT pięciu pacjentów oraz jednego przypadku odcinka kręgosłupa prawidłowego. Tworzona jest tym samym baza danych modeli segmentów kręgosłupa piersiowo-lędźwiowego z jednym trzonem złamanym kompresyjnie dla wybranej klasy przypadków klinicznych. Modele te posłużyły następnie do wykonania ich odpowiedników materialnych w technice szybkiego wytwarzania prototypów (rapid rototyping - RP). Zastosowana została technologia FDM (fused deposition modeling). Wizualizacja segmentów lub odcinków kręgosłupa poprzez tworzenie modeli wirtualnych i materialnych daje możliwość analizy struktur kostnych, klasyfikacji i oceny przypadków oraz rozważenie możliwych wariantów leczenia urazu. Przewiduje się wykorzystanie opracowanych modeli do przeprowadzenia numerycznej oraz doświadczalnej symulacji nastawiania odłamów złamanego trzonu. Praca jest częścią realizacji projektu dotyczącego procedur leczenia, nastawiania i stabilizacji złamanego trzonu kręgu metodą ligamentotaksji.