В рамках проекта BIO-CT-EXPLOIT международная команда математиков, физиков и инженеров разработала новые способы извлечения ценной информации из данных, полученных при компьютерной томографии. Исследовательский проект привел к созданию новых компьютерных кодов для медицинских приложений. В будущем они будут использоваться для костных имплантатов, хирургии и тканевой инженерии.

"Если мы хотим максимально использовать наши рентгеновские данные, нам необходимо иметь четкое представление о микроструктуре, на которую мы смотрим", - говорит координатор проекта профессор Кристиан Хельмих из Венского технологического университета. "Мы создали подробные компьютерные модели биологических тканей, специфичные для вокселей. Таким образом, мы можем получить информацию из КТ, которая до сих пор была недоступна ". Исследовательская группа впервые разработала концепцию извлечения химической информации из компьютерной томографии. Используя микромеханическое компьютерное моделирование, эта информация может быть преобразована в 3D-карту конкретных свойств материала. "Это беспрецедентный, высоконадежный инструмент моделирования для целей проектирования конструкций", - говорит Кристиан Хеллмих. Использовать недавно разработанные компьютерные коды для реальных приложений не должно быть сложно: "Наши прототипы полностью совместимы и адаптированы для коммерческих пакетов моделирования и программного обеспечения, поставляемого с коммерческими КТ-устройствами", - говорит Хеллмих.

Сотрудничество промышленности и академических исследований
В проекте BIO-CT-EXPLOIT академические исследования и частные компании очень тесно сотрудничали. Четыре частных предприятия (Simpleware Ltd, InMatrixs, CADFEM GmbH, Skyscan NV.) и четыре академических партнера (Венский технологический университет, Политехнический университет Марке, Варшавская политехника, Высшая школа английского языка Виссеншафтен, Гамбург) объединили усилия для создания компьютерных кодов, которые в будущем должны привести к созданию коммерчески доступных программных средств. Консорциум координировался Институтом материалов и конструкций Венского технологического университета. Проект стартовал 1 декабря 2009 года и финансируется Европейским союзом в рамках 7-й рамочной программы в рамках программы "Исследования в интересах малых и средних предприятий (МСП)". Теперь период финансирования завершен, и программа завершена. "Всего за два года мы достигли наших целей - сотрудничество было очень успешным", - говорит координатор Кристиан Хельмих.

Программный инструмент для стоматологов
CADFEM, один из частных партнеров по исследованиям, предлагает полный набор ведущих программных средств для численного моделирования (в частности, анализ методом конечных элементов, автоматизированное проектирование и их интерфейсы). В рамках совместного исследовательского проекта CADFEM разработала программное обеспечение, которое позволяет стоматологу выполнять моделирование зубного имплантата для конкретного пациента. С помощью этого инструмента стоматолог может рассчитать структуру напряжений вокруг имплантата в нижней челюсти, чтобы получить информацию о потенциальной механической перегрузке кости. Результаты моделирования методом конечных элементов в значительной степени зависят от реалистичной характеристики механических свойств костной ткани. Ранее CADFEM упрощенно моделировал механические свойства костной ткани и не учитывал все эффекты (например, анизотропию, микроструктуру, корреляцию между значениями серого и жесткостью) реальной кости.

Теперь CADFEM может выполнять гораздо более реалистичное моделирование моделей, специфичных для конкретного пациента. Технология, предоставленная CADFEM партнерами по научным исследованиям, может быть непосредственно внедрена в их существующий программный инструмент. Новая технология, разработанная в рамках проекта BIO-CT-EXPLOIT, окажет огромное влияние на дальнейшие разработки CADFEM в области биомеханики и поможет им лучше улавливать поведение костных тканей и тканевых инженерных каркасов

3D-моделирование и оценка изображений
SIMPLEWARE предлагает ведущее в мире программное обеспечение и услуги для преобразования данных 3D-изображений в высококачественные CAD, Rapid Prototype, CFD и конечно-элементные модели. Заказчиками SIMPLEWARE являются международные корпорации "голубых фишек", исследовательские институты и университеты по всему миру. Определение реалистичных свойств эластичности с помощью микромеханики на основе данных компьютерной томографии, беспрецедентным образом предоставленное в рамках проекта BIO-CT-EXPLOIT, значительно расширит портфель инструментов реалистичного моделирования SIMPLEWARE для решения сложных проблем, связанных с биоструктурами, и не только.

Микротомография SkyScan доступна в виде ряда простых в использовании настольных приборов, которые генерируют 3D-изображения морфологии и внутренней микроструктуры образцов конечного пользователя с разрешением до субмикрометрового уровня. Программное обеспечение для визуализации и анализа в 3D входит в состав всех систем SkyScan. BIO-CT-ЭКСПЛОЙТ проложил путь к расширению портфеля программного обеспечения за счет уникальных, новых функций, таких как улучшение изображения за счет удаления артефактов, карты химического состава кости и механических свойств.

Инженерия скелетных тканей
INMATRIXS Ltd была основана как академическая дочерняя компания Институтом физической химии керамики Российской академии наук (РАН). InMatrixs - компания по производству биомедицинских устройств и скелетных тканей для производства медицинских изделий на основе фосфата кальция. Цель компании - предоставлять комплексные и экономически эффективные решения в области здравоохранения, основанные на передовых концепциях тканевой инженерии для регенерации поврежденных тканей скелета, с особым акцентом на кости. Технология BIO-CT-EXPLOIT помогла раскрыть взаимосвязь структуры и свойств керамики INMATRIXS и предоставила численные инструменты для демонстрации полезных свойств этих биоматериалов. Поскольку ожидается, что такая компьютерная оценка качества в будущем станет практически бесполезной, BIO-CT-EXPLOIT вывел INMATRIXS в привилегированное положение на рынке.

МСП и RTD планируют будущее сотрудничество, как в отношении коммерциализации производимых инструментов, так и для выявления новых интересных направлений исследований.