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Reconstrução tridimensional de uma vértebra humana a partir de imagens tomográficas: engenharia reversa na

obtenção de biomodelosTridimensional reconstruction of a human vertebra from computerized

tomography images: reverse engineering to obtain biomodelsReconstrucción 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

RESUMENIntroduction: computational engi-neering 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

ARTIgo DE oRIgINAL / oRIgINAL ARTICLE

Trabalho realizado no Grupo de Estudos em Biomecânica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS – Porto Alegre (RS), Brasil.

1Professor Adjunto da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS - Porto Alegre (RS), Brasil.2Membro 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.3Mestre, Coordenador de Pesquisa e Desenvolvimento da Bioteck Indústria, Comércio, Importação e Exportação de Implantes - Porto Alegre (RS), Brasil4Mestre em Engenharia Elétrica, Engenheiro responsável pelo Laboratório de Manufatura Integrada por Computador da PUCRS - Porto Alegre (RS), Brasil5Mestre, Coordenador da Divisão de Engenharia Biomédica e Clínica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS – Porto Alegre (RS), Brasil.

Recebido: 27/07/08 Aprovado: 30/10/2008

RESUMoIntrodução: ferramentas computacio-nais de engenharia conhecidas como Computer Aided Design (CAD), de-senvolvidas para aplicações nas indús-trias tradicionais como automobilística e aeroespacial, têm sido amplamente utilizados na indústria biomédica, em aplicações que vão desde a medicina clínica geral, medicina especializa-da, implante e concepção de tecidos de engenharia. Objetivo: o objetivo deste trabalho é demonstrar por meio da utilização de ferramentas computa-cionais de engenharia, a reconstrução em ambiente computacional de uma vértebra humana para fins de auxílio a projetos de implantes ortopédicos. Métodos: neste trabalho será abor-dado o método de reconstrução tridi-

ABSTRACTIntroducción: herramientas de inge-niería 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 ge-neral, medicina especializada, y im-plante 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 compu-tacional de una vértebra humana para las ayudas a proyectos de los implantes ortopédicos. Métodos: en este traba-jo, la reconstrucción de una vértebra

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mensional de uma vértebra humana, a partir de imagens de tomografia com-putadorizada (TC), utilizando tecno-logias CAD e método de engenharia reversa. Conclusão: a metodologia adotada para reconstrução do biomo-delo em ambiente CAD permitiu uma excelente aproximação geométrica da vértebra real.

DESCRITORES: Biomodelos tridimensionais; Engenharia reversa/métodos; Engenharia biomédica/métodos; Tomografia computadorizada por raios-X

technologies and a reverse engineering method. Conclusion: the methodology for CAD biomodels reconstruction allowed an excellent approximation of the real geometric vertebra.

KEYWORDS: Tridimensional biomodels; Reverse engineering/methods; Biomedical engineering/

methods; Tomography, X-ray computed

humana de una imagen Tomográfica Computerizada (TC), se dirige, utili-zando las tecnologías CAD y un méto-do de ingeniería inversa. Conclusión: la metodología para la reconstruc-ción de biomodelo entorno en el CAD, tiene una excelente aproximación geométrica de la vértebra real.

DESCRIPTORES: Biomodelos tridimensionales; Ingeniería enversa/métodos; Ingeniería biomédica/métodos; Tomografía computarizada por rayos X

INTRoDUÇÃoA interdisciplinaridade de conhecimentos aplicada a novas pesquisas torna a utilização de ferramentas com-putacionais cada vez mais comum nos mais diversos campos e aplicações do conhecimento humano.

No meio científico contemporâneo, existe a cor-rente utilização da biomecânica computacional, prin-cipalmente como auxílio às áreas das ciências médicas que estudam aspectos relacionados à estrutura óssea humana.

Certamente, a busca pela solução de diversos pro-blemas clínicos e de diagnóstico, incluindo a busca de tratamentos mais eficientes, está relacionada com o uso racional das informações que este tipo de ferra-menta pode disponibilizar.

Dentro desta perspectiva, o objetivo deste trabalho é demonstrar, por meio da utilização de ferramentas computacionais de engenharia, a reconstrução em am-biente computacional de uma vértebra de coluna lom-bossacra humana para fins de auxílio a projetos de im-plantes ortopédicos.

MÉToDoSOs dados para este trabalho foram obtidos com imagens médicas de tomografia computadorizada (TC), que trou-xeram informações geométricas e dimensionais, do ponto de vista de engenharia, de uma coluna lombossacra de um indivíduo do sexo feminino com 59 anos. Esta metodolo-gia 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 pos-sível em metodologias que se baseiam na aplicação de mo-delamento 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 infor-mações das imagens tomográficas, obtendo-se, então, uma nu-vem de pontos da coluna lombossacra. A Figura 1 dá um exem-plo reduzido da seqüência de 256 imagens de TC utilizadas como dados de entrada para a aquisição da nuvem de pontos.

Figura 1Exemplo de imagens tomográficas utilizadas no trabalho

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Esses pontos são referenciados a partir de um sistema de coordenadas conhecido, e gera pontos em três dimen-sões (x, y, z). Com o software, a partir dos dados de en-trada, gera-se um arquivo de saída em formato texto (ex-tensão 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 for-ma, 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 to-mográficas da coluna lombossacra tem 1.018.485 pontos. A vértebra escolhida para a modelagem (L4) está destacada.

Figura 2Exemplo de um arquivo txt contendo os pontos gerados pelo software, a partir das imagens da tomografia computadorizada (TC)

Figura 3Nuvem de pontos da coluna lombossacra. Da esquerda para direita, vista lateral e vista principal, respectivamente. A vértebra escolhida para modelagem esta destacada pelas elipses

Figura 4 Vista de topo da nuvem de pontos isolada

Como se está interessado em uma vértebra espe-cifica da coluna lombossacra (L4), precisa-se elimi-nar os pontos desnecessários. Usando-se ferramen-tas 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 nu-vem de pontos para apenas 35.201 pontos, sem com-prometer as características anatômicas da vértebra. A próxima etapa foi a criação dos facetados, que nada mais são do que a união dos pontos por enti-dades geométricas de formato triangular, conforme mostrado na Figura 6.

Figura 5Vista lateral da nuvem de pontos isolada

Figura 6Vistas de topo e lateral da vértebra, antes das aplicações de filtros, relaxamentos e remoção de facetados indesejados

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Figura 7Vista lateral da vértebra com facetados após o tratamento. Em destaque, os facetados uniformes

RESULTADoSO modelo geométrico já com superfícies contínuas e fe-chado em todo o seu contorno, porém, ainda um mode-lo apenas de “casca” (sem o volume interno preenchido), foi finalmente estabelecido como um sólido geométrico. A Figura 8 mostra como resultado final, o modelo virtu-al da vértebra lombar L4 já reconstruída como um sólido, apresentando todos os seus elementos típicos, como corpo vertebral, processo espinhoso, processos transversos etc.

Figura 8Vistas diversas do modelo sólido da vértebra com a apresentação das características típicas anatômicas de uma vértebra lombar humana

DISCUSSÃoA partir do modelo reconstruído virtualmente de L4, com-plementações devem ser feitas para que este possa ser utilizado plenamente para auxílio a projetos de implantes ortopédicos. Primeiramente, deve-se considerar a introdu-ção, via software, das propriedades mecânicas das diversas porções de uma vértebra humana, bem como a reconstru-ção de outras estruturas adjacentes às vértebras, como liga-mentos 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 au-xiliar 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 com-putacional, podendo-se avaliar a qualidade de um implante em relação à sua interação com os tecidos humanos, situa-ção 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.

CoNCLUSÃoA metodologia adotada para reconstrução do biomodelo em ambiente CAD permitiu uma excelente aproximação geo-métrica da vértebra real. Assim, com a etapa de reconstru-ção 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 vérte-bra, 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 recons-trução de modelos tridimensionais, os quais podem ser vir-tualmente 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 de-senvolvimento de ferramentas e equipamentos biomédicos.

REFERÊNCIAS1. 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.

3. Taguchi M, Kohsuke C. Computer Reconstruction of the Three-Dimensional 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: isaac@pucrs.br

A Figura 7 apresenta o resultado da eliminação de fac-etados indesejados e suavização da malha gerada.