Modelagem Computacional de Estruturas Anatˆomicas em 3D e Simulac¸ ˜ao de suas Imagens ...

106 Pages·2008·7.66 MB·Portuguese

Clayton Eduardo dos Santos
Modelagem Computacional de
Estruturas Anatoˆmicas em 3D e
Simulac¸a˜o de suas Imagens
Radiogra´ficas
Tese apresentada a` Escola de Engenharia de Sa˜o
Carlos da Universidade de Sa˜o Paulo, como parte
dos requisitos para obtenc¸a˜o do t´ıtulo de Doutor
em Engenharia Ele´trica.
Orientadora: Profa Dra Annie France Fre`re Slaets
Sa˜o Carlos
2008
Dedico este trabalho aos meus pais,
AntoˆnioeMariaAparecida,aomeuirma˜o
Cledson e a todos que de alguma forma
contribu´ıram para a sua realizac¸a˜o, em
especiala` Profa. Annie.
AGRADECIMENTOS
A` Profa. Annie France Fre`re Slaets, pela oportunidade, dedicac¸a˜o, colaborac¸a˜o e com-
peteˆnciacomoorientadora,fatoresindispensa´veisparaarealizac¸a˜odessetrabalho.
Ao professor e amigo Ma´rcio Alexandre Marques, principal responsa´vel pelo in´ıcio da
minhavidaacadeˆmicanacidadedeSa˜oCarlos.
A` Coordenac¸a˜o de Aperfeic¸oamento de Pessoal de N´ıvel Superior - CAPES, pelo apoio
financeiro.
Aos meus pais, Antoˆnio e Maria Aparecida, agradec¸o por tudo, a comec¸ar por minha
existeˆncia e a de meu irma˜o. Por uma vida dedicada ao trabalho e a fam´ılia, pelas inu´meras
oportunidades proporcionadas, pelos exemplos de conduta, amor e dedicac¸a˜o demonstrados
durante todos os anos da minha vida, valores essenciais e determinantes na formac¸a˜o do meu
cara´terepersonalidade.
Ao meu querido irma˜o Cledson, pessoa de fundamental importaˆncia em minha vida, pela
amizadeelealdade,sempreprontoedispostoameouviraqualquermomento,horaoulugar.
Aos meus grandes amigos Adriano Horas, Celso, Cirano, Fabiana, Fabr´ıcio, Fernando,
Fla´vio, Guilherme, Jackeline, Joa˜o, Marcelo, Renan, Robson, Rodolfo e Sabrina por estarem
sempre ta˜o presentes em minha vida ao longo de tantos anos e por tornarem a distaˆncia um
detalheinsignificanteeimpercept´ıvel.
Aos inu´meros e sinceros amigos que fiz durante as viagens entre Sa˜o Carlos e Sa˜o Jose´ do
RioPreto,emespecial: Cle´ber,Everthon,Karina,Luciano(Ruivo),PriscilaeSamira.
Aos atuais e antigos membros do Laborato´rio de Imagens Me´dicas da USP de Sa˜o Carlos,
do Centro Hospitalar de Processamento de Imagens da USP de Ribeira˜o Preto e do Nu´cleo de
Pesquisas Tecnolo´gicas da Universidade de Mogi das Cruzes pela amizade, receptividade e em
especial,pelosbonsmomentoscompartilhados.
Aos amigos, professores e funciona´rios do CEFET Braganc¸a Paulista e do Departamento
deEngenhariaEle´tricadaUSPdeSa˜oCarlospelaamizadeedisponibilidade.
Por fim, mas em primeiro lugar, agradec¸o a Deus, por tornar tudo isso poss´ıvel e pela
presenc¸aconstanteemminhavida.
RESUMO
SANTOS,C.E.(2008). ModelagemComputacionaldeEstruturasAnatoˆmicasem3DeSimula-
c¸a˜o de suas Imagens Radiogra´ficas. Tese de Doutorado. E.E.S.C., Universidade de Sa˜o Paulo,
Sa˜oCarlos(2008).
Os me´todos de controle de qualidade tradicionais aplicados ao radiodiagno´stico, sa˜o a melhor
maneira de garantir a boa qualidade das imagens produzidas. No entanto, a investigac¸a˜o de
particularidadesoriundasdoprocessodeformac¸a˜odeimagensradiolo´gicasrequerferramentas
computacionais complementares, em func¸a˜o do nu´mero de varia´veis envolvidas. Entretanto,
os fantomas computacionais baseados em voxels na˜o conseguem representar as variac¸o˜es mor-
fome´tricas necessa´rias para a simulac¸a˜o de exames cujo diagno´stico e´ baseado em imagem.
Neste trabalho foi desenvolvido um novo tipo de fantoma computacional, baseado em modela-
gem3D,quepossuiasvantagensapresentadaspelosfantomascomputacionaistradicionaissem
os problemas encontados nestes. A ferramenta de modelagem utilizada, o Blender, e´ dispo-
nibilizado gratuitamente na internet. A te´cnica utilizada foi a “box modeling”, que consiste na
deformac¸a˜odeumaprimitivaba´sica,nessecasoumcubo,ate´ queapresenteaformadaestrutura
que se deseja modelar. Para tanto, foram utilizadas como refereˆncia, imagens obtidas de atlas
de anatomia e fotografias de um esqueleto fornecido pela Universidade de Mogi das Cruzes.
Foram modelados o sistema o´sseo, os o´rga˜os internos e a anatomia externa do corpo humano.
A metodologia empregada permitiu a alterac¸a˜o de paraˆmetros do modelo dentro da ferramenta
da modelagem. Essa possibilidade foi mostrada atrave´s da variac¸a˜o dos formatos do intestino
e do aumento da quantidade de tecido adiposo da malha referente a` pele. A simulac¸a˜o das
imagens radiolo´gicas foi realizada a partir de coeficientes de atenuac¸a˜o de massa de materiais,
ossos e tecidos e de modelos com diversas caracter´ısticas f´ısicas. Essa versatilidade, permite
preverainflueˆnciaqueasdiferenc¸asmorfome´tricasentreosindiv´ıduosprovocamnasimagens,
propriciandodessaforma,umaferramentarelevantecomplementaraosme´todosdecontrolede
qualidadetradicionais.
Palavras chave: Modelagem computacional; Simulac¸a˜o Radiogra´fica; Estruturas Anatoˆmicas;
FantomaComputacional.
ABSTRACT
SANTOS, C. E. (2008). Computational 3D Modelling of Anatomic Structures and Simulation
ofitsRadiographyImages. PhDThesis. E.E.S.C.-UniversityofSa˜oPaulo,Sa˜oCarlos(2008).
Theconventionalmethodsofqualitycontrolappliedtoradiodiagnosisarethebestwaytohave
assuredgoodqualityoftheproducedimages. Duetheamountofvariablestoconsider,thestudy
of particular issues of the process of formation of radiological images requires complementary
computational tools. However, the computational voxel based phantoms are not suitable to
represent the morphometrical variations, intended for test simulations with image based diag-
nosis. This work developed a new type of computational phantom, based on 3D modelling. It
has the same advantages of the conventional ones, without some of their restrictions. The mo-
delling tool employed, Blender, is available on internet for free download. The project uses the
techniquecalled”boxmodeling”,whichconsistsinthedeformationofaprimitiveform(acube,
in this case) until it presents a similar form to that it is wanted to model. In order to achieve it,
some images, obtained from anatomy atlas and a skeleton pictures obtained from University of
Mogi das Cruzes, were used as reference. Were built models from skeletal system, internal or-
gans and external human body anatomy. The applied methodology allowed model´s parameter
settingsonthemodellingtool. Thisoptionwaspresentedbymeansofintestineformatvariation
and increase of adipose tissue on the mesh that represents skin. The simulation of radiological
imageswasdonebymeansofX-RayMassAttenuationCoefficients,bonesandtissuesandmo-
dels with diferent physical characteristics. This flexibility allows the analysis and forecasting
ofthe influencesthat morphometricaldifferencesof individualimplies onimages, revealingan
importanttoolthatcomplementstheconventionalqualitycontroltools.
Keywords: Computational Modelling; Radiography Simulation; Anatomic Structures; Compu-
tationalPhantom.
Lista de Figuras
2.1 Fantomaanal´ıticoestilizadodeumadulto[Gualdrini,2005]. . . . . . . . . . . 12
2.2 Visualizac¸a˜otridimensional dadisposic¸a˜ointerna doso´rga˜ose doesqueletodo
fantomaanal´ıtico[Gualdrini,2005]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Representac¸a˜odoestoˆmagoedosistemagastro-intestinal[Gualdrini,2005]. . . 12
2.4 Osfantomasanal´ıticosAdameEva[Gualdrini,2005]. . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Resultadosobtidoscomautilizac¸a˜odeumfantomaanal´ıtico-(a)eumfantoma
baseadoem“voxels”-(b),[Xu,2005c]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Se´rie de imagens tomogra´ficas pertencentes ao projeto “The Visible Human”
[Spitzer,2008]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 Fantomaanal´ıtico(a),umarepresentac¸a˜o2D(b)eumarepresentac¸a˜o3D(c)do
fantomabaseadoemvoxels“Vip-Man”[Gualdrini,2005]. . . . . . . . . . . . . 16
2.8 Visualizac¸o˜esfrontalelateraledisposic¸a˜ointernadoso´rga˜osedoesqueletodo
fantomafeminoFAX [Krameretal.,2004]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9 Projec¸o˜es3DdofantomafeminoFAXapartirdediferentesperspectivas[Krameretal.,2004]. 17
2.10 Visualizac¸o˜esbaseadasemreconstruc¸o˜es3Ddovoxel-phantomGOLEM[ZanklandWittmann,2001]. 19
2.11 Visualizac¸o˜es baseadas em reconstruc¸o˜es 3D dos voxel-phantoms femininos
Helga,DonnaeIrene[Gualdrini,2005]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.12 Visualizac¸o˜esbidimensionaisdeumvoxel-phantomdojoelho[Gualdrini,2005]. 20
3.1 Telaprincipaldosoftwaredemodelagemblender. . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Quatromodosdevisualizac¸a˜osimultaˆneos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 (a)Uma primitiva ba´sica, o cubo; (b)A mesma primitiva apo´s a realizac¸a˜o de
operac¸o˜esdeextrusa˜o;(c)Omodelofinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Selecionandoumaimagemderefereˆncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Imagemderefereˆnciaselecionada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6 Modoobjeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Mododeedic¸a˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8 Trabalhandocommu´ltiplascamadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.9 Demonstrac¸a˜odoprocessodeescala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.10 Demonstrac¸a˜odoprocessodetranslac¸a˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.11 Demonstrac¸a˜odoprocessodeextrusa˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.12 Demonstrac¸a˜odoprocessodeextrusa˜o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.13 A primitiva inicial, um cubo, ainda na˜o posicionada de maneira correta sobre a
imagemderefereˆncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.14 Cuboposicionadosobreaimagemderefereˆncia. . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.15 Extrusa˜oapartirdaprimitivainicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.16 Visa˜otridimensionaldomodelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.17 Aplicac¸a˜odesubdivisa˜odesuperf´ıcie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.18 Malhadomodeloemwireframe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.19 Malhadomodeloemwireframesobreaimagemderefereˆncia. . . . . . . . . . 40
3.20 Aplicac¸a˜odetexturaaomodelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.21 Localizac¸a˜o dos pontos (a) e (b) em relac¸a˜o ao modelo proporcional para pos-
teriorrealizac¸a˜odaoperac¸a˜odeseccionamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.22 Seccionamento do modelo proporcional em vinte e treˆs fatias, utilizando uma
espessuradecortecincovezesmaiordoqueaespessurausadanasimulac¸a˜o. . 48
3.23 Fluxogramadoalgoritmodesimulac¸a˜odeimagensradiolo´gicas. . . . . . . . . 51
4.1 Visualizac¸a˜o anterior, posterior e lateral do modelo tridimensional da caixa
tora´cica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Visualizac¸a˜o anterior e posterior do modelo tridimensional dos membros supe-
riores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Visualizac¸a˜oanterior,posteriorelateraldomodelotridimensionaldosmembros
inferiores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Visualizac¸a˜o anterior, posterior e lateral do modelo tridimensional da espinha
dorsal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Visualizac¸a˜oanterior,posteriorelateraldomodelotridimensionalcompletodo
esqueleto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Visualizac¸a˜o anterior, posterior e lateral do modelo tridimensional da pele de
umindiv´ıduocomalturaepesoproporcionais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Visualizac¸a˜o anterior, posterior e lateral do modelo tridimensional da pele de
um indiv´ıduo com altura e peso desproporcionais em func¸a˜o da quantidade de
tecidoadiposo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.8 Visualizac¸a˜oanterior,posteriorelateraldomodelotridimensionaldopulma˜o. . 62
4.9 Visualizac¸a˜o anterior, posterior e lateral do modelo tridimensional do sistema
gastro-intestinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.10 Visualizac¸a˜oanterior,posteriorelateraldosmodelostridimensionaisdoso´rga˜os
presentesnocorpohumano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.11 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelodointestinoemformato“normal”. . . . . . . . 64
4.12 Visualizac¸a˜o frontal, lateral e posterior do modelo tridimensional completo do
corpohumanocompesoealturaproporcionais. . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.13 Visualizac¸a˜o frontal, lateral e posterior do modelo tridimensional completo do
corpo humano com peso e altura desproporcionais em func¸a˜o da quantidade de
tecidoadiposo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.14 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelotridimensionalcompletodocorpohumanocom
pesoealturaproporcionaiseintestinoemformatodeserpente. . . . . . . . . . 67
4.15 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelotridimensionalcompletodocorpohumanocom
pesoealturaproporcionaiseintestinoemformatode“U”. . . . . . . . . . . . 68
4.16 Visualizac¸a˜o frontal/s do modelo tridimensional completo do corpo humano
compesoealturaproporcionaiseintestinoemformatode“V”. . . . . . . . . . 69
4.17 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelotridimensionalcompletodocorpohumanocom
peso e altura desproporcionais em func¸a˜o da quantidade de tecido adiposo e
intestinoemformatodeserpente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.18 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelotridimensionalcompletodocorpohumanocom
peso e altura desproporcionais em func¸a˜o da quantidade de tecido adiposo e
intestinoemformatode“U”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.19 Visualizac¸a˜ofrontaldomodelotridimensionalcompletodocorpohumanocom
peso e altura desproporcionais em func¸a˜o da quantidade de tecido adiposo e
intestinoemformatode“V”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.20 (a) Imagem frontal da caixa tora´cica obtida em um atlas anatoˆmico sobreposta
a` malha que a representa em nosso modelo. (b) Operac¸a˜o de subtrac¸a˜o entre a
imagemobtidaemumatlasanatoˆmicoeaimagemdamalhadenossomodelo. . 73
4.21 (a)Imagemposteriordacaixatora´cicaobtidaemumatlasanatoˆmicosobreposta
a` malha que a representa em nosso modelo. (b) Operac¸a˜o de subtrac¸a˜o entre a
imagemobtidaemumatlasanatoˆmicoeaimagemdamalhadenossomodelo. . 73
4.22 (a) Imagem frontal dos membros superiores obtida em um atlas anatoˆmico so-
brepostaa` malhaquearepresentaemnossomodelo. (b)Operac¸a˜odesubtrac¸a˜o
entre a imagem obtida em um atlas anatoˆmico e a imagem da malha de nosso
modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.23 (a) Imagem frontal dos membros inferiores obtida em um atlas anatoˆmico so-
brepostaa` malhaquearepresentaemnossomodelo. (b)Operac¸a˜odesubtrac¸a˜o
entre a imagem obtida em um atlas anatoˆmico e a imagem da malha de nosso
modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.24 Imagemfrontaleposteriordotorsoobtidaemumatlasanatoˆmico[Sobotta,2000]. 76
4.25 Imagem frontal e posterior da malha que representa o torso obtida em nosso
modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.26 Imagemlateraldotorsoobtidaemumatlasanatoˆmico[Sobotta,2000]. . . . . 77
4.27 Imagemlateraldamalhaquerepresentaotorsoobtidaemnossomodelo. . . . 77
4.28 Imagemfrontaleposteriordotorsoobtidaemumatlasanatoˆmico[Sobotta,2000]. 78
4.29 Imagem frontal e posterior da malha que representa o torso obtida em nosso
modeloobeso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.30 Imagemlateraldotorsoobtidaemumatlasanatoˆmico[Sobotta,2000]. . . . . 79
4.31 Imagemlateraldamalhaquerepresentaotorsoobtidaemnossomodeloobeso. 79
4.32 Imagemradiogra´ficasimuladadeumindiv´ıduocompesoealturaproporcionais
eimagemradiogra´ficarealdeumindiv´ıduocomcaracter´ısticassemelhantes. . 80
4.33 Imagemradiogra´ficasimuladadeumindiv´ıduocompesoealturadesproporcio-
naiseimagemradiogra´ficarealdeumindiv´ıduocomcaracter´ısticassemelhantes. 81