기하학적 파라메트릭 환자별 유한 요소 모델을 사용한 척추 융합 수술 후 인접 세그먼트의 생체역학적 분석

요약

여기에서는 척추 유합 수술 후 인접 분절의 기계적 변화를 분석하기 위해 환자별 유한 요소 모델을 사용했습니다. 그 결과, 유합 수술은 요추의 전반적인 움직임을 감소시켰지만, 인접 분절, 특히 근위부에 가해지는 하중과 스트레스는 증가시켰다.

초록

본 연구는 인접 분절 퇴행(ASD)의 기전을 규명하기 위해 기하학적으로 파라메트릭 환자 특이적 유한 요소 모델을 사용하여 척추 융합 수술 후 인접 분절에 대한 기계적 분석을 수행하여 조기 질병 예방을 위한 이론적 증거를 제공하는 것을 목표로 했습니다. 환자의 수술 전 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔에서 환자별 척추 기하학을 기반으로 한 14개의 매개변수를 추출하고 이미지 일치 방법을 사용하여 각 척추 분절의 상대적 위치를 결정했습니다. 위의 방법을 통해 수술 전 환자별 척추 모델을 수립했습니다. L4-L5 후요추 체간 유합술(PLIF) 수술 후 모델은 얇은 판과 추간판을 제거하고 케이지, 척추경 나사 4개, 커넥팅 로드 2개를 삽입한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 구성했습니다. 운동 범위(ROM) 및 응력 변화는 수술 전과 수술 후 모델 간의 각 해부학적 구조 값을 비교하여 결정되었습니다. 유합 후 요추의 전체 ROM은 감소한 반면, ROM, 후관절의 스트레스, 인접한 분절의 추간판의 스트레스는 모두 증가했습니다. 고리 섬유(annulus fibrosus), 수핵(nucleus pulposus) 및 후관절(facet joints)의 응력 분포를 분석한 결과, 이러한 조직의 최대 응력이 증가했을 뿐만 아니라 중등도에서 높은 응력 영역도 확장되었음을 보여주었습니다. 비틀림 동안, 근위 인접 분절(L3-L4)의 후관절 및 고리 섬유의 응력은 원위 인접 분절(L5-S1)의 응력보다 더 크게 증가했습니다. 유합 수술은 요추의 전반적인 움직임을 제한하는 반면, 융합된 분절을 보상하기 위해 인접한 분절이 더 많은 하중을 공유하여 ASD의 위험을 증가시킵니다. 근위부 인접 분절은 스트레스의 현저한 증가로 인해 척추 유합 후 원위 인접 분절보다 퇴행하기 쉽습니다.

서문

추간 척추 유합 수술은 요추의 퇴행성 질환 치료를 위해 가장 일반적으로 사용되는 수술^{절차입니다 1}. 수술 후 단기간에 90% 이상의 환자에서 우수한 결과를 얻을 수 있다². 그러나 장기간의 추적 연구 결과에 따르면 일부 환자는 융합된 분절³에 인접한 분절의 퇴행이 발생했다. 요추 체간 유합술은 인접 분절 퇴행(ASD)으로 알려진 인접 분절의 퇴행성 변화를 가속화합니다. 문헌에 따르면, 의료 영상 검사에서 진단된 ASD 발병률은 융합 수술⁵년 후 36%에서 84%에 이르며, 4 이는 방사통이나 간헐적 파행과 같은 증상을 유발할 수 있으며, 심지어 재수술이 필요할 수도 있습니다. ASD의 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았지만, 대부분의 연구자들은 생체역학적 요인이 중요한 역할을 한다고 생각합니다. 일부는 ASD가 수술 후 인접 분절의 운동 범위(ROM) 증가에 기인한다고 주장하고, ^5,6 다른 사람들은 인접 분절 ^7,8,9의 추간판 내 압력 증가에 기인하며, 다른 일부는 인접 분절¹⁰의 후관절의 응력 증가에 기인합니다.

척추 생체 역학을 연구하는 데 사용되는 다양한 방법 중 유한 요소(FE) 모델링은 비침습적이고 저렴하며 재현성이 있기 때문에 널리 사용됩니다. 일부 연구자들11,12,13은 수술 전 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔에서 추출한 데이터를 사용하여 전체 요추(L1-L5)의 3D FE 모델을 구축했으며, 이를 통해 다양한 하중 조건^14,15에 대한 척추의 반응에서 다양한 병리학¹⁶의 영향 및 관련 치료 방식 및 기술의 ^{효과에 이르기까지 척추 생체 역학의 다양한 측면을 탐구할 수 있었습니다17}. 위의 모델링 방법은 복잡한 인터페이스와 생체 내 실험에서 얻을 수 없는 풍부한 정보를 통해 척추의 환자 특정 기하학에 대한 출력을 제공할 수 있지만, 시간이 많이 소요되는 프로세스의 특성으로 인해 임상적 사용이 제한되어 있어 하나 또는 몇 개의 피험자를 기반으로 하는 모델에만 사용할 수 있습니다¹⁴. 이 문제를 해결하기 위해 Nikkhoo 등^[18]은 환자의 수술 전 이미지 데이터에서 추출한 매개변수에 의해 척추의 기하학을 제어하는 단순화된 L1-S1 요추 모델을 구축하여 입력 매개변수에 따라 환자별 모델을 자동으로 생성하거나 업데이트할 수 있도록 했습니다. 이 모델링 방법을 기반으로 하는 FE 모델은 타당성이 좋은 것으로 입증되었습니다. 그러나 이전의 CT 기반 재구성 모델과 비교하여 디스크내 압력, 후관절의 평균 응력 및 고리 섬유의 평균 응력에 상당한 차이가 있었습니다. 또 다른 단순화된 척추 모델이 Ghezelbash et ^al.19의 연구에 적용되었지만, 이 모델은 척추뼈의 원통형 모양과 후방 요소에 대한 구조 부족으로 인해 요추의 실제 기하학과 크게 달랐습니다.

따라서 본 연구에서는 보다 효율적인 모델링 및 분석 프로세스와 우수한 타당성을 달성하기 위해 기하학적으로 파라메트릭 환자별 FE 모델을 개발했습니다. 그런 다음 유합 수술 후 인접 분절에 대한 기계적 분석을 수행하여 메커니즘을 규명하고 ASD의 조기 예방을 위한 이론적 증거를 제공했습니다.

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프로토콜

이 의정서는 헬싱키 선언에 따라 진행되었으며, 이 의정서는 중국-일본 우호 병원의 기관 검토 위원회의 승인을 받았다.

1. 요추 형상의 파라메트릭 모델링

1. 척추의 외상, 기형 또는 종양 병력이 없는 건강한 성인 남성(신장 180cm, 체중 68kg)의 CT 스캔 데이터 세트에서 모델링을 위한 초기 데이터(픽셀 크기 0.33mm, 레이어 간격 1mm의 DICOM 3.0 형식)를 추출합니다.
2. 척추 윤곽 생성을 달성하기 위해 14개의 특징적인 매개변수를 선택하고, 임상 실습에서 가장 우려되는 요추의 형태학적 특징과 최신 문헌^18,20을 고려한다.
   1. 그림 1A와 같이 3D 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 CT 이미지에서 이러한 14개의 파라미터를 모두 직접 측정합니다.
   2. Axial View 창에서 Ellipse Tool을 사용하여 척추 종판의 매개변수를 정확하게 측정합니다.
   3. 각 척추 분절과 척추에 대해 처음에는 축 방향으로 위에서 아래로 CT 이미지를 면밀히 조사합니다. 후속 데이터 측정을 위해 척추 경계의 가장 완전하고 가장 큰 영역을 보여주는 이미지를 식별합니다.
   4. 측정 모듈 내의 Ellipse Tool 을 사용하여 그림 1A와 같이 척추의 아래쪽 종판을 맞춥니다.
   5. 여러 번 측정한 후 타원 영역과 척추 영역 간의 차이가 10% 이내로 유지되도록 평균값을 계산합니다.
   6. 피팅된 타원의 긴 축과 짧은 축의 길이를 측정하여 파라미터 A1 및 A2로 표시합니다.
   7. 또한 중간 부분과 상단 종판의 가장 좁은 부분에서 단면을 측정하여 매개변수 B1, B2, C1 및 C2로 지정합니다.
   8. Coronal View 창에서 Distance Measurement Tool을 사용하여 매개변수 H로 표시되는 척추 높이를 결정합니다.
3. Angle Measurement Tool을 사용하여 시상면(sagittal view)에서 상부 및 하부 패싯의 후방 기울기 각도를 정량화하며, 이는 α 및 β 매개변수로 식별됩니다.
   1. CT Axial View 창에서 Distance Measurement Tool 을 사용하여 척추 중간 부분에서 얇은 판까지의 수직 거리를 척추 경 길이 제어 매개변수 L1로 측정합니다.
   2. 유사한 방식으로 각도 측정 도구와 거리 측정 도구를 사용하여 CT 축 보기 창에서 각각 매개변수 L2, γ, L3 및 θ를 횡돌기 및 가시 과정에 대한 제어 매개변수로 측정합니다.
   3. 관찰자 간 및 관찰자 내 변동성을 통제하기 위해 척추 수술 분야에서 5년 이상의 교육을 받은 두 명의 의사가 각 매개변수를 3번 측정하여 데이터의 신뢰성을 확인하도록 합니다.
4. 모델링 소프트웨어를 적용하여 그림 1A의 단순화된 모델 설계 체계에 따라 천골을 제외한 모든 척추 분절에 대해 Solid Release 기능을 사용하여 모델을 구축합니다.
   1. 세 개의 참조 평면을 설정하고 척추 높이와 일치하도록 맨 위 평면 및 맨 아래 평면 사이의 거리를 조정합니다. 각 평면에서 세 개의 동심 타원을 스케치하여 해당 치수를 CT 데이터 측정값에 정렬합니다.
   2. 이러한 스케치된 타원을 솔리드 릴리즈 기능에 대한 구속조건 윤곽으로 활용하여 단순화된 척추 모델을 작성할 수 있습니다.
5. 면 접합에서 호 표면 접촉을 재현하려면 원통형 표면(Cylindrical Surfaces )을 사용하여 면 표면을 모방합니다.
   1. 위쪽 패싯은 오목한 1/4 원통형 호 표면의 형태를 취하고 아래쪽 패싯은 볼록한 1/4 원통형 호 표면의 형태를 취해야 합니다. 깎인면 정렬 중 응력 집중을 완화하려면 위쪽 및 아래쪽 깎인면의 가장자리를 적절하게 둥글게 만듭니다.
6. 척추경을 에뮬레이트하기 위해 패싯과 척추뼈 사이에 돌출된 개체를 생성합니다. 횡돌기 또는 가시돌기의 모양은 후속 인대 요소 추가에 최소한의 영향을 미치기 때문에 이러한 과정의 기하학적 윤곽을 복제하기 위해 일반 평행 육면체를 사용합니다.
   1. 세련된 표현을 위해 일부 모서리를 둥글게 만듭니다. 모델링 소프트웨어에서 14개의 피처 파라미터 값을 수정하여 환자별 척추 형상을 생성합니다.
7. FE 모델 계산이 주로 패싯과 상부 종판의 응력에 초점을 맞춘다는 점을 고려하여 CT 단면 창에서 천골 상부 종판의 매개 변수 C1 및 C2와 시상 창에서 α 상부 패싯 경사각 매개 변수만 측정합니다.
   1. 위쪽이 넓고 아래쪽이 좁은 원뿔 구조를 천골의 단순화된 모델로 생성하고, 양쪽에서 확장되는 기둥 모양의 구조를 사용하여 천골 날개를 모방하고 모델링 소프트웨어에서 인대 부착 지점을 제공합니다. 위의 세 가지 매개변수를 사용하여 S1 형상을 제어합니다. 단순화된 천골 모델에 대해서는 그림 1B 를 참조하십시오.
8. 이미지 일치 방법을 적용하여 각 척추 분절의 상대적 위치를 확인합니다.
   1. 모든 척추 및 천골 모델을 모델링 소프트웨어의 어셈블리 인터페이스로 가져오면 CT 이미지의 중간 시상면이 참조 배경으로 로드됩니다.
   2. 각 척추 세그먼트를 회전, 이동 및 확장하여 참조 이미지의 해당 부분과 일치시킵니다(그림 1B).
9. 단단한 방출을 위해 인접한 척추 종판의 윤곽을 추출합니다.
   1. 인접한 척추 끝판을 선택하고 스케치에 삽입하여 추간 디스크를 얻습니다.
   2. 엔티티 참조 변환 명령을 사용하여 스케치에서 척추 종판 윤곽선을 타원형 선으로 추출하고 스케치 릴리즈를 수행하여 단순화된 디스크 매트릭스 모델을 생성할 수 있습니다.
   3. 디스크 매트릭스와 유사한 방식으로 핵 pulposus를 만들며, 타원 스케치를 원래 영역의 40%로 줄이고 스케치에서 약간 뒤로 이동합니다.
   4. 또한 메싱 시 종단 플레이트 분할을 용이하게 하기 위해 nucleus pulposus 모델을 10% 확대합니다. 최종 단순화된 디스크 모델은 그림 1B 를 참조하십시오.

2. 환자 맞춤형 기하학을 이용한 PLIF(posterior lumbar interbody fusion) 모델 구축

1. 모델링 소프트웨어에서 단순화된 모델을 다시 로드합니다. 융합을 위한 L4-L5 추간판 세그먼트를 선택합니다.
2. 요추의 개별화된 파라메트릭 모델을 기반으로 L4 척추의 층판과 가시돌기를 수동으로 제거합니다. L4-L5 추간판을 제거합니다.
3. 뼈 융합을 위해 추간 공간에 케이지를 배치하고 융합 케이지 주변의 나머지 추간 공간을 뼈 구조로 채웁니다.
4. 척추경 나사를 척추경에 양측으로 삽입하여 PLIF(posterior lumbar intervertebral fusion) 방법을 적용합니다.
   1. 문헌²¹에 따르면 직경 5.5mm, 길이 45mm의 나사, 직경 6mm, 길이 60mm의 고정 막대, 길이 22mm, 너비 8mm의 이식 케이지를 사용하십시오.
   2. 진입점이 척추경의 대략 중심에 오도록 척추경 나사의 위치를 조정합니다.
   3. 모델링 소프트웨어에서 Boolean 연산 방법을 사용하여 기능 옵션 내의 조합 명령을 사용합니다.
   4. L4 및 L5 척추 뼈를 기본 엔티티로 사용하고 척추경 나사를 빼기 엔티티로 활용하여 작업 유형을 빼기로 설정하여 L4 및 L5 척추 경추 나사 궤적의 모델링을 수행합니다.
   5. 동일한 절차를 사용하여 작업 유형을 추가로 설정하여 나사 및 고정 막대 모델을 하나의 통일된 전체로 통합합니다. 구성된 환자별 PLIF 모델에 대해서는 그림 1B 를 참조하십시오.

3. 파라메트릭, 환자별, 수술 전 및 수술 후 FE 모델 구축

1. 메시 생성
   1. 메쉬 소프트웨어²² 를 사용하여 기하학적 처리 후 수술 전 및 수술 후 모델을 메쉬합니다. stp 모델을 가져오고 2D 메싱 자동 메쉬 모듈을 활용하여 표면 메쉬 크기 및 요소 유형을 설정합니다. 모델의 표면 메쉬를 생성합니다.
   2. 3D 메싱 솔리드 맵(3D Meshing Solid Map) 모듈을 사용하여 개체 메시 요소 유형을 설정하고 솔리드 메시를 자동으로 생성할 수 있습니다. 척추경 나사와 고정 막대의 표면 메싱을 위해 1mm 크기의 사변형 요소를 사용하고 C3D4 및 C3D8R 요소가 혼합된 솔리드 메쉬를 자동으로 생성합니다.
   3. 추간 융합 장치의 경우 표면 메싱을 위해 1mm 크기의 삼각형 요소를 사용하고 솔리드 메쉬를 위해 C3D4 사면체 요소를 사용합니다.
   4. L4-L5 세그먼트에 대한 잔류 추간판 모델의 불규칙한 모양으로 인해 끝면의 표면 메싱을 위해 1.5mm 크기의 삼각형 요소를 사용합니다. C3D8R 및 C3D4 요소를 혼합하여 압출을 통해 솔리드 메시를 생성합니다.
   5. 수술 전 모델과 동일한 방법으로 PLIF 모델의 나머지 부분을 메쉬하여 PLIF 후 모델에서 617,231개의 셀과 151,078개의 노드를 생성합니다.
2. 재질 속성 및 상호 작용 설정
   1. 전처리를 위해 메쉬된 수술 전 및 사후 모델을 FE 소프트웨어로 가져옵니다.
      1. 재질 관리자 패널에서 척추경 나사, 고정 막대 및 추간 융합 장치의 재질 동작을 등방성 선형 탄성 재질로 설정합니다.
      2. 데이터 탭에서 재료의 Young Modulus 및 Poisson Ratio를 지정합니다.
      3. 나사와 막대에는 티타늄 합금을 사용하고 융합 장치에는 폴리에테르에테르케톤을 사용합니다. 이 두 재료의 특정 재료 속성 매개 변수는 표 2 를 참조하십시오.
      4. L4-L5에서 잔류 추간판의 메쉬는 육면체가 아니며 초탄성 재료로 정의할 수 없으므로 관련 문헌²³ 을 참조하고 재료 관리자에서 등방성 선형 탄성 재료로 설정합니다. 영 계수 를 4MPa로 지정하고 푸아송 비 를 0.45로 지정합니다.
   2. 인터랙션(Interaction) 모듈로 이동하여 컨스트레인트 매니저(Constraint Manager) 를 열고 생성(Create) 버튼을 클릭하여 컨스트레인트 생성(Create Constraint) 창을 엽니다.
      1. 유형을 바인딩으로 설정합니다. 모델 디스플레이 창에서 위쪽 및 아래쪽 척추 끝 면과 융합 장치의 묶인 노드를 선택합니다.
      2. 확인한 후 Edit Constraint 창을 열고 Discretization Method 를 해석 기본값으로 설정한 다음 쉘 요소 두께를 제외하지 않도록 지정합니다.
      3. 이상적인 추간 융합 후 생체 역학적 조건에 따라 상호 작용 설정을 지정합니다. 뼈와 나사 또는 케이지 사이의 미끄러짐 가능성은 무시하십시오.
      4. 나사와 해면골 사이, 케이지와 상부 및 하부 척추체의 끝 표면 사이의 접촉 관계를 바인딩으로 설정합니다.
      5. 접합 접촉면 사이의 접촉 상호 작용 속성을 접선 방향의 마찰 계수가 0.01이고 접촉 후 분리가 허용되는 수직 방향의 하드 접촉으로 Penalty 기능에 의해 제어되는 슬라이딩 마찰로 설정합니다.
   3. 인간의 요추 운동 규칙에 따라 경계 조건을 설정하면 모든 척추 분절이 움직일 수 있고 천골은 주로 지지와 고정을 제공합니다.
      1. FE 소프트웨어의 하중 모듈에 액세스하고, 경계 조건 관리자를 열고, 생성 버튼을 클릭하여 경계 조건 생성 창을 엽니다.
      2. 카테고리( Category )를 기계(Mechanical )로 설정하고 선택한 분석 단계에 적용할 수 있는 유형을 대칭(Symmetry)/반대칭(Anti-symmetry)/완전 고정성(Full fixity)으로 선택합니다.
      3. 계속(Continue)을 클릭하고 모형 디스플레이 인터페이스에서 천골의 표면 절점을 선택합니다.
      4. 완료되면 나타나는 경계 조건 편집 창에서 완전히 고정(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0) 옵션을 선택합니다.
   4. 모든 재료 속성 설정에 대해서는 표 1 및 표 2 24,25,26을 참조하십시오. 수술 전후 모델에서 다른 조직과 구조에 대해 동일한 재료 속성, 상호 작용 관계 및 경계 조건 설정을 사용합니다.
3. 개별화된 FE 모델의 검증
   1. 하중을 가하기 전에 L3 척추의 상부 종판 중심 바로 뒤에 하중 지점을 설정합니다. 구속조건 관계를 통해 L3 상단 엔드플레이트의 모든 절점을 이 하중 점과 결합합니다.
   2. 모델의 하중 지점에서 3.5N∙m의 순수 굽힘 모멘트의 다른 방향을 적용하여 굴곡, 신전 및 측면 굽힘 중 요추 움직임을 시뮬레이션합니다. 각 세그먼트에 대한 ROM을 측정하고 Guan et ^al.27에서 보고한 실험 데이터와 비교합니다.
   3. 하중 지점에서 150N의 수직 하중을 가하고 2.5N∙m, 5N∙m 및 7.5N∙m의 다양한 방향 하중을 가하여 다양한 방향으로 요추의 움직임을 시뮬레이션합니다. 각 세그먼트에 대한 ROM을 측정하고 Panjabi et ^al.28에 의해 보고된 실험 데이터와 비교합니다.
   4. 순간 회전축(Instantaneous Axis of Rotation) 방법을 사용하여 각 요추 분절에 대한 ROM을 측정하고 계산합니다.
      1. FE 소프트웨어의 후처리 모듈에서 뷰를 수정하고, 동일한 뷰에서 모델의 변위 전후 이미지를 캡처하고, 이를 이미지 처리 소프트웨어로 가져옵니다.
      2. 문헌에 설명된 방법에 따라 각 세그먼트의 순간 중심과 척추 움직임을 결정합니다.
      3. 각 세그먼트에 대해 세 번 측정하고 평균을 사용하여 서로 다른 측정 평면의 오류를 최소화합니다.
   5. 하중 지점에서 500N의 수직 하중과 7.5N∙m 모멘트를 적용하여 굴곡, 신전 및 측면 굽힘 동작을 시뮬레이션합니다.
   6. 후처리에서 각 세그먼트의 추간판에 있는 펄포수핵에서 최대 내부 응력을 추출하고 데이터를 Dreischarf 및 Wike^14,29에 의해 보고된 결과와 비교합니다.

4. FE 모델 로딩

1. PLIF 수술 후 기계적 변화 분석을 용이하게 하기 위해 수술 전 및 PLIF 모델에 동일한 프로세스와 하중 값을 적용합니다.
2. L3 척추 위의 하중 지점에서 400N의 수직 하향 하중을 가하고 하중 지점에서 각 방향으로 7.5N∙m 모멘트 하중을 가하여 인간의 전방 굴곡, 후방 확장, 측면 굽힘 및 비틀림 동작을 시뮬레이션합니다.
   참고: 측면 굽힘 및 비틀림 중 일방적 방향으로의 동작만 시뮬레이션해야 하는데, 이는 파라메트릭 요추 모델이 시상면에 대해 대칭이기 때문입니다.
3. 최종 환자별 PLIF FE 후 모델은 그림 1B 를 참조하십시오.

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결과

이전 문헌 결과와 비교한 환자별 모델의 시뮬레이션 결과
추간판의 ROM
Guan et ^al.27의 실험적 하중 조건에 따라 모델의 하중 지점에 서로 다른 방향으로 3.5N∙m의 순수 굽힘 모멘트 하중을 적용하여 굴곡, 신전 및 측면 굽힘에서 요추 운동을 시뮬레이션하고 각 세그먼트의 ROM을 측정하여 Guan의 연구 결과와 비교했습니다. 비교...

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토론

본 연구에서는 PLIF 수술 후 요추의 생체역학적 특성을 분석하기 위해 기하학적 파라메트릭 환자별 FE 모델을 확립하였다. 그 결과, PLIF 수술 후 융합 분절의 후관절 및 추간판의 응력이 현저히 감소한 것으로 나타났으며, 이는 PLIF가 감압된 분절의 안정성을 효과적으로 강화하고 병변의 추가 악화를 지연시킬 수 있음을 나타냅니다. PLIF 수술 후 요추의 전반적인 움직임은 ?...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Abaqus	Dassault	https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus	Finite element analysis
AutoCAD	Autodesk	https://www.autodesk.com/products/autocad/	An Engineering Computer Aided Design software used to measure the ROM of different vertebral segment
CT scan dataset	China Japan Friendship Hospital		Dataset of an adult healthy male with no history of trauma, deformity or tumor of the spine (height 180 cm, weight 68 kg).The raw data were stored in Dicom 3.0 format with a pixel size of 0.33 mm and a layer spacing of 1 mm.
Hypermesh 2019	Altair	https://altair.com/hypermesh/	Mesh generation
Mimics Research 21.0	Materialise	https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite/mimics	Model construction