Desenvolvimento de um novo tipo de fantoma baseado em ...

Desenvolvimento de um novo tipo de fantoma
baseado em modelagem 3D
Clayton Eduardo dos Santos 1 , Annie France Frère 2
1 Departamento de Engenharia Elétrica – Escola de Engenharia de São Carlos (USP)
Av. Trabalhador Sancarlense, 400 – São Carlos – SP – Brazil
2 Núcleo de Pesquisas Tecnológicas – Universidade de Mogi das Cruzes (UMC)
Av. Dr. Cândido Xavier de Almeida e Souza, 200 - Centro Cívico
Mogi das Cruzes, SP – Brazil
clayton@sel.eesc.usp.br, annie@umc.br
Abstract. Phantoms utilization in researches involving dosimetry and quality
control is a common practice with remarkable importance. However, calibration
phantoms processing cost and the complexity of dealing with construction,
manipulation and utilization of voxel-phantoms have been becoming an obstacle
for large-scale utilization of this resource in different areas. In this work, we
present a new kind of fantoma, based on 3D modeling, composed by a complete
skeleton and an external representation of a human body. The methodology applied
here allows the representations of the morphometric differences between
individuals, through different models.
Resumo. A utilização de fantomas em pesquisas envolvendo dosimetria e controle
de qualidade é uma prática comum e de fundamental importância. No entanto,
o custo dos fantomas de calibração e a complexidade envolvida nos processos
de construção, manipulação e utilização de fantomas virtuais baseados
em voxels tem se tornado um obstáculo para a utilização desse tipo de recurso
em grande escala e em diferentes áreas de atuação. Nesse trabalho, apresentamos
um novo tipo de fantoma, baseado em modelagem 3D, composto por um
esqueleto completo e pela representação externa do corpo humano. A metodologia
utilizada nos permite também representar as diferenças morfométricas
existentes entre os indivíduos, através da criação de diferentes modelos.
1. Introdução
VII Workshop de Informática Médica - WIM 2007
Os fantomas desempenham um papel fundamental em pesquisas envolvendo dosimetria e
controle de qualidade. No entanto, em função do custo dos fantomas de calibração tradicionais,
a utilização desse tipo de recurso torna-se inviável em alguns casos. Com o advento
da informática, surgiram os fantomas computacionais baseados em voxels, também chamados
de voxel-phantoms [1]. Esse tipo de fantoma pode ser utilizado em simulações
computacionais sem a preocupação do fator custo, no entanto, para que possam ser construídos,
são necessárias diversas imagens tomográficas da região do corpo que se deseja
representar [2]. A construção de um modelo completo implica na utilização de uma quantidade
ainda maior de imagens tomográficas de referência, o que, em grande parte dos
casos, exige a utilização de imagens de vários pacientes diferentes para a construção de
um único fantoma [3]. Em função da dependência de imagens tomográficas de referência,
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a construção de múltiplos fantomas torna-se inviável. A criação de um novo tipo de fantoma
computacional baseado em modelagem 3D permite a representação fiel do corpo
humano e a alteração das características anatômicas dos modelos a partir da ferramenta
de modelagem. Os modelos podem ser utilizados em simulações computacionais de exames
reais, como por exemplo, o radiológico, através do uso de imagens bidimensionais
das estruturas de interesse armazenadas em um banco de dados gerado a partir do fatiamento
dos modelos tridimensionais originais. Dessa forma, o modelo original é fatiado
em diversas camadas, de modo que cada camada é representada por uma imagem distinta.
Esse conjunto de imagens, quando lido sequencialmente, permite a obtenção do modelo
completo, que combinado com os parâmetros de exposição fornecidos pelo usuário via
interface gráfica e com o algoritmo utilizado na implementação da simulação computacional,
possibilita a geração da imagem radiológica simulada.
2. Metodologia
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Para que o processo de modelagem possa ser iniciado, são necessárias imagens de referência
dos objetos que serão modelados. Em nosso trabalho foram utilizadas imagens
de um esqueleto com medidas certificadas fornecido pela Universidade de Mogi das Cruzes.
Também foram utilizadas imagens retiradas de um atlas anatômico [4] para melhor
detalhamento de regiões de difícil visualização. A Figura 1(a) apresenta a interface de
trabalho do blender [5], o software de modelagem escolhido para a implementação de
nosso trabalho, com uma das imagens de referência ao fundo. O processo de modelagem
consiste na deformação de uma primitiva básica, um cubo, obtida através da aplicação
de sucessivas transformações geométricas conforme mostra a Figura 1(b). São aplicadas
também operações de suavização de superfície afim de proporcionar o acabamento
arredondado nas quinas dos modelos.
(a) Interface de trabalho do blender. (b) Deformação da primitiva inicial após
múltiplas operações de extrusão.
Figura 1. Processo de modelagem utilizando a técnica “box modeling”.
Essas operações são repetidas várias vezes no decorrer do processo de modelagem
até que a primitiva inicial possua um contorno semelhante a imagem de referência, conforme
mostra a Figura 2(a). Por fim, uma textura é aplicada sobre o material que reveste o
modelo. A textura utilizada pode ser extraída a partir de fragmentos de imagens ou ainda,
de cores geradas a partir de combinações RGB, conforme mostra a Figura 2(b).
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(a) Diferentes etapas do processo de modelagem. (b) Modelo concluído com aplicação de textura.
3. Resultados
Figura 2. Conclusão da modelagem.
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A Figura 3(a) mostra uma visualização a partir da perspectiva frontal e lateral do modelo
que representa o esqueleto humano. Na Figura 3(b) apresentamos o segundo modelo
desenvolvido, que representa graficamente a anatomia de um homem “normal”, ou seja,
com peso e estatura proporcionais. Na Figura 3(c) , apresentamos o terceiro modelo
desenvolvido, que representa graficamente a anatomia de um homem “atlético” com peso
e estatura desproporcionais em função da quantidade de massa muscular. Por fim, na Na
Figura 3(d), apresentamos o quarto modelo desenvolvido, que representa graficamente
a anatomia de um homem “obeso” com peso e estatura desproporcionais em função da
quantidade de tecido adiposo.
(a) Modelagem do sistema ósseo humano. (b) Modelo “proporcional”.
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(c) Modelo “atlético”. (d) Modelo “obeso”.
4. Conclusões e Trabalhos Futuros
Figura 3. Resultados parciais
A metodologia empregada no desenvolvimento do trabalho possibilita a alteração das
características do fantoma, ainda que dentro da ferramenta de modelagem, através da
aplicação de transformações geométricas sobre um modelo inicial. Essa característica,
inexistente em outros tipos de fantomas computacionais, possibilita a investigação da
influência que as diferenças morfométricas existentes entre os indivíduos provocam em
exames cujo diagnóstico é baseado em imagens. A complexidade envolvida na utilização
de modelos 3D em aplicações futuras pode ser facilmente contornada com a criação de
um banco de imagens 2D baseado no seccionamento dos modelos tridimensionais desenvolvidos
no presente trabalho. É importante ressaltar que o seccionamento pode ser
realizado a partir de qualquer perspectiva e em qualquer região, uma vez que os modelos
são tridimensionais.
5. Referências
[1] Caon, M., Voxel-based computational models of real human anatomy: a review, Radiation
and Environmental Biophysics, 42(4), pp. 229-235, 2004.
[2] Xu, X. G., Chao, T. C., Calculations of specific absorbed fractions of the gastrointestinal
tract using a realistic whole body tomographic model, Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals,
Volume 18, Number 3, 2003.
[3] Kramer, R., Khoury, H. J., Vieira, J. W. , Loureiro, E. C. M., Lima, V. J. M., Lima,
F. R. A. and Hoff, G. All about FAX: a Female Adult voXel phantom for Monte Carlo
calculation in radiation protection dosimetry, Physics in Medicine and Biology, 49, 5203-
5216, 2004.
[4] Sobotta, J., Atlas de anatomia humana, 21a edição, Rio de Janeiro, G. Koogan, 2000.
[5] Blender, http://www.blender3d.org
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