Reconstrução tridimensional de uma vértebra humana a partir de

Artigo de ORIGINAL / ORIGINAL ARTICLE
Reconstrução tridimensional de uma vértebra humana a
partir de imagens tomográficas: engenharia reversa na
obtenção de biomodelos
Tridimensional reconstruction of a human vertebra from computerized
tomography images: reverse engineering to obtain biomodels
Reconstrucción tridimensional de una vértebra humana a partir de
imágenes tomográficas: ingeniería inversa para obtener biomodelos
Isaac Newton Lima da Silva1
Liangrid Lutiani da Silva2
João Carlos Pinheiro Beck1
Tiago Nunes Campello3
Tiago Leonardo Broilo4
Denis Xavier Barbieri5
RESUMO
Introdução: ferramentas computacionais de engenharia conhecidas como
Computer Aided Design (CAD), desenvolvidas para aplicações nas indústrias tradicionais como automobilística
e aeroespacial, têm sido amplamente
utilizados na indústria biomédica, em
aplicações que vão desde a medicina
clínica geral, medicina especializada, implante e concepção de tecidos
de engenharia. Objetivo: o objetivo
deste trabalho é demonstrar por meio
da utilização de ferramentas computacionais de engenharia, a reconstrução
em ambiente computacional de uma
vértebra humana para fins de auxílio
a projetos de implantes ortopédicos.
Métodos: neste trabalho será abordado o método de reconstrução tridi-
RESUMEN
Introduction: computational engineering tools known as Computer
Aided Design (CAD), first developed
for industrial applications such as
in automobilistic and aerospacial
fields, are now being widely utilized
in the biomedical industry, in
applications that range from the
general practice medicine, specialized
medicine, implantology and tissue
engineering. Objective: this paper
aims to demonstrate, through the use
of computational engineering tolls, a
computational reconstruction of an
human vertebra to aid orthopaedic
implants projects. Methods: in this work,
the reconstruction of an human vertebra
from a computadorized tomographic
(CT) image is addressed, utilizing CAD
ABSTRACT
Introducción: herramientas de ingeniería computacional conocido como
Computer Aided Design (CAD),
aplicaciones desarrolladas para las
industrias tradicionales, como la
automoción y aeroespacial, están
siendo ampliamente utilizados en la
industria biomédica, en aplicaciones
que van desde la medicina clínica general, medicina especializada, y implante diseño de ingeniería de tejidos.
Objetivo: el objetivo de este trabajo es
demostrar, a través de la utilización de
herramientas computacionales para la
ingeniería, una reconstrucción computacional de una vértebra humana para
las ayudas a proyectos de los implantes
ortopédicos. Métodos: en este trabajo, la reconstrucción de una vértebra
Trabalho realizado no Grupo de Estudos em Biomecânica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS – Porto Alegre (RS), Brasil.
Professor Adjunto da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS - Porto Alegre (RS), Brasil.
Membro Grupo de Pesquisa em Tecnologias CAD/CAE/CAM/CIM (GP-4C) da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS – Porto Alegre (RS), Brasil.
3
Mestre, Coordenador de Pesquisa e Desenvolvimento da Bioteck Indústria, Comércio, Importação e Exportação de Implantes - Porto Alegre (RS), Brasil
4
Mestre em Engenharia Elétrica, Engenheiro responsável pelo Laboratório de Manufatura Integrada por Computador da PUCRS - Porto Alegre (RS), Brasil
5
Mestre, Coordenador da Divisão de Engenharia Biomédica e Clínica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS – Porto Alegre (RS), Brasil.
1
2
Recebido: 27/07/08
Aprovado: 30/10/2008
COLUNA/COLUMNA. 2008;7(4)367-370
Silva INL, Silva LL, Beck JCP, Campello TN, Broilo TL, Barbieri DX
368
mensional de uma vértebra humana, a
partir de imagens de tomografia computadorizada (TC), utilizando tecnologias CAD e método de engenharia
reversa. Conclusão: a metodologia
adotada para reconstrução do biomodelo em ambiente CAD permitiu uma
excelente aproximação geométrica da
vértebra real.
technologies and a reverse engineering
method. Conclusion: the methodology
for CAD biomodels reconstruction
allowed an excellent approximation of
the real geometric vertebra.
humana de una imagen Tomográfica
Computerizada (TC), se dirige, utilizando las tecnologías CAD y un método de ingeniería inversa. Conclusión:
la metodología para la reconstrucción de biomodelo entorno en el CAD,
tiene una excelente aproximación
geométrica de la vértebra real.
DESCRITORES: Biomodelos
KEYWORDS: Tridimensional
DESCRIPTORES: Biomodelos
tridimensionais; Engenharia
reversa/métodos; Engenharia
biomédica/métodos;
Tomografia computadorizada
por raios-X
biomodels; Reverse
engineering/methods;
Biomedical engineering/
methods; Tomography, X-ray
computed
INTRODUÇÃO
A interdisciplinaridade de conhecimentos aplicada a
novas pesquisas torna a utilização de ferramentas computacionais cada vez mais comum nos mais diversos
campos e aplicações do conhecimento humano.
No meio científico contemporâneo, existe a corrente utilização da biomecânica computacional, principalmente como auxílio às áreas das ciências médicas
que estudam aspectos relacionados à estrutura óssea
humana.
Certamente, a busca pela solução de diversos problemas clínicos e de diagnóstico, incluindo a busca de
tratamentos mais eficientes, está relacionada com o
uso racional das informações que este tipo de ferramenta pode disponibilizar.
Dentro desta perspectiva, o objetivo deste trabalho
é demonstrar, por meio da utilização de ferramentas
computacionais de engenharia, a reconstrução em ambiente computacional de uma vértebra de coluna lombossacra humana para fins de auxílio a projetos de implantes ortopédicos.
Figura 1
Exemplo de imagens tomográficas utilizadas no trabalho
COLUNA/COLUMNA. 2008;7(4)367-370
MÉTODOS
tridimensionales; Ingeniería
enversa/métodos; Ingeniería
biomédica/métodos;
Tomografía computarizada
por rayos X
Os dados para este trabalho foram obtidos com imagens
médicas de tomografia computadorizada (TC), que trouxeram informações geométricas e dimensionais, do ponto
de vista de engenharia, de uma coluna lombossacra de um
indivíduo do sexo feminino com 59 anos. Esta metodologia tem como grande benefício para a pesquisa médica o
fato que, desta forma, pode-se reconstruir partes do corpo
humano, considerando-se dados anatômicos fundamentais
para o entendimento de biomecânica, algo que não é possível em metodologias que se baseiam na aplicação de modelamento matemático puro1.
A reconstrução virtual de partes do corpo humano por meio
da metodologia descrita neste artigo, serve, atualmente, como
auxílio em projetos de dispositivos médicos, como implantes
ortopédicos2, dentários, próteses mio-elétricas, entre outros.
A geração dos pontos geométricos foi feita a partir das informações das imagens tomográficas, obtendo-se, então, uma nuvem de pontos da coluna lombossacra. A Figura 1 dá um exemplo reduzido da seqüência de 256 imagens de TC utilizadas como
dados de entrada para a aquisição da nuvem de pontos.
Reconstrução tridimensional de uma vértebra humana a partir de imagens tomográficas: engenharia reversa na obtenção de biomodelos
Esses pontos são referenciados a partir de um sistema
de coordenadas conhecido, e gera pontos em três dimensões (x, y, z). Com o software, a partir dos dados de entrada, gera-se um arquivo de saída em formato texto (extensão txt). Este, então, pode ser aberto em um editor e
textos qualquer. A Figura 2 mostra alguns pontos gerados
em formato texto.
Esse arquivo de pontos pode, a partir deste instante, ser
interpretado por um software de engenharia, no caso o Pro/
Engineer®. Essa nuvem de pontos é o ponto de partida no
Pro/Engineer® para a criação do modelo virtual. Desta forma, trocou-se a extensão txt para pts. Isto faz com que o
Pro/Engineer® reconheça a extensão e possa “importar” a
informação da geometria. A Figura 3 mostra a “importação”
feita. O conjunto de pontos gerados a partir das imagens tomográficas da coluna lombossacra tem 1.018.485 pontos. A
vértebra escolhida para a modelagem (L4) está destacada.
369
Como se está interessado em uma vértebra especifica da coluna lombossacra (L4), precisa-se eliminar os pontos desnecessários. Usando-se ferramentas de filtragem de pontos, reduziu-se e isolou-se a
nuvem de pontos de uma única vértebra. Após isolar
a vértebra, alguns pontos indesejados podem ainda
ser filtrados, a fim de eliminar ruído. O resultado da
limpeza é mostrado nas Figuras 4 e 5.
Com esse processo finalizado, reduziu-se a nuvem de pontos para apenas 35.201 pontos, sem comprometer as características anatômicas da vértebra.
A próxima etapa foi a criação dos facetados, que
nada mais são do que a união dos pontos por entidades geométricas de formato triangular, conforme
mostrado na Figura 6.
Figura 4
Vista de topo da nuvem de
pontos isolada
Figura 5
Vista lateral da nuvem de pontos isolada
Figura 2
Exemplo de um arquivo txt contendo os pontos gerados
pelo software, a partir das imagens da tomografia
computadorizada (TC)
Figura 6
Vistas de topo e lateral da vértebra, antes das aplicações de
filtros, relaxamentos e remoção de facetados indesejados
Figura 3
Nuvem de pontos da coluna lombossacra. Da
esquerda para direita, vista lateral e vista principal,
respectivamente. A vértebra escolhida para
modelagem esta destacada pelas elipses
COLUNA/COLUMNA. 2008;7(4)367-370
Silva INL, Silva LL, Beck JCP, Campello TN, Broilo TL, Barbieri DX
370
A Figura 7 apresenta o resultado da eliminação de facetados indesejados e suavização da malha gerada.
Figura 7
Vista lateral da vértebra com facetados após o tratamento.
Em destaque, os facetados uniformes
RESULTADOS
O modelo geométrico já com superfícies contínuas e fechado em todo o seu contorno, porém, ainda um modelo apenas de “casca” (sem o volume interno preenchido),
foi finalmente estabelecido como um sólido geométrico.
A Figura 8 mostra como resultado final, o modelo virtual da vértebra lombar L4 já reconstruída como um sólido,
apresentando todos os seus elementos típicos, como corpo
vertebral, processo espinhoso, processos transversos etc.
DISCUSSÃO
A partir do modelo reconstruído virtualmente de L4, complementações devem ser feitas para que este possa ser
utilizado plenamente para auxílio a projetos de implantes
ortopédicos. Primeiramente, deve-se considerar a introdução, via software, das propriedades mecânicas das diversas
porções de uma vértebra humana, bem como a reconstrução de outras estruturas adjacentes às vértebras, como ligamentos e músculos, entre outras3.
O software Pro/Engineer® é uma ferramenta de CAD,
com a qual se desenvolvem projetos de engenharia do ponto
de vista geométrico e dimensional. Sendo assim, o modelo
da vértebra desenvolvido, em seu estágio atual, já pode auxiliar no projeto do desenho de um implante ortopédico, por
exemplo. Porém, este também pode ser inserido facilmente
em softwares de Computer Aided Engineering (CAE), sendo
desta forma, utilizado dentro de uma análise mecânica computacional, podendo-se avaliar a qualidade de um implante
em relação à sua interação com os tecidos humanos, situação que por muitas vezes determina a falha de um implante4.
Vale ressaltar que, para que o modelo de vértebra possa ser
utilizado em ferramentas de CAE, devem ser considerados
dados das propriedades mecânicas do tecido ósseo.
CONCLUSÃO
Figura 8
Vistas diversas do modelo sólido da vértebra com a
apresentação das características típicas anatômicas de uma
vértebra lombar humana
REFERÊNCIAS
1. Sun W, Darling A, Starly B, Nam J.
Computer-aided tissue engineering,
Part I - Overview, scope and
challenges. J Biotechnol Appl
Biochem. 2004; 39(1): 29-47.
2. Sun W, Starly B, Darling A, Gomez C.
Computer-sided Tissue Engineering,
Part II - Application to biomimetic
modeling and design of tissue
scaffolds. J Biotechnol Appl Biochem.
2004; 39(1): 49-58.
COLUNA/COLUMNA. 2008;7(4)367-370
A metodologia adotada para reconstrução do biomodelo em
ambiente CAD permitiu uma excelente aproximação geométrica da vértebra real. Assim, com a etapa de reconstrução realizada, pode-se adotar métodos de simulações CAE
propostas por Sun et al., em 2004, e Taguchi et al., em 2003,
para simular o comportamento estrutural ósseo da vértebra, com técnicas de Computer Aided Tissue Engineering
(CATE), que são métodos de modelagem propostos pelos
mesmos autores e que serão tema para futuros trabalhos.
A técnica de engenharia reversa por sua vez parte da
introdução de pontos de referência geométricos, advindos
de técnicas de aquisição de imagens médicas, para reconstrução de modelos tridimensionais, os quais podem ser virtualmente avaliados estruturalmente a partir da entrada de
propriedades mecânicas e físicas, permitindo simular seu
comportamento biomecânico. Tal conjunto de técnicas tem
grande aplicação na construção de próteses e auxílio no desenvolvimento de ferramentas e equipamentos biomédicos.
3. Taguchi M, Kohsuke C. Computer
Reconstruction of the ThreeDimensional Structure of Mouse
Cerebral Ventricles. Brain Res
Protocols. 2003; 12(1): 10–5.
4. Wang, F, Shor L, Starly B, Darling
A, Güçeri S, Sun W. Fabrication
of Cellular Poly-Є-Caprolactone
(PCL) Scaffolds by Precision
Extruding Deposition Process. In:
29th Northeastern Bioengineering
Conference, 3/23 24, 2003.
Proceedings. Newark, NJ, USA; 2003.
Correspondência
Isaac Newton Lima da Silva
Av. Ipiranga, 6681 - Prédio: 30
Bl: E - sala 115
Porto Alegre (RS), Brasil
CEP: 90619-900
E-mail: [email protected]