BR112013003955B1

BR112013003955B1 - método de criação de um modelo 3d de um objeto

Info

Publication number: BR112013003955B1
Application number: BR112013003955-8A
Authority: BR
Inventors: Alexander Cherkashin; Konstantin Evgenevich Mikheev; Alexander Alexandrovich Morenko; Mikhail Samchukov; Dmitry Alexandrovich Sivachev; Petr Stanislavovich Vvedenskii
Original assignee: Texas Scottish Rite Hospital For Children; Orthofix S.R.L.
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2021-01-05
Also published as: CA2809002C; WO2012023876A8; US9443302B2; US20130215114A1; EP2606467B1; WO2012023876A1; EP2606467A1; CA2809002A1; BR112013003955A2

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA MODELAGEM À BASE DE RADIOGRAFIA. A modelagem de um objeto no espaço 3D pode ser realizada por várias modalidades reveladas na presente invenção. Um método de criação de um modelo 3D exemplificativo inclui receber radiografias de um objeto e pelo menos um marcador de referência. Em algumas modalidades, as radiografias podem incluir uma imagem de pelo menos um marcador de objeto. O método exemplificativo pode incluir adicionalmente incluir determinar posições 3D da fonte de raio x com o uso das imagens do pelo menos um marcador de referência. A localização das posições 3D da fonte de raio X pode permitir que um modelo 3D do objeto imageado seja criado.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

A presente revelação refere-se em geral ao campo general da radiografia e, mais especificamente, a criar modelos tridimensionais (3-D) de objetos no espaço com base em radiografias bidimensionais (2-D).

ANTECEDENTES

A modelagem de um objeto no espaço 3D tem várias aplicações úteis. Um modelo 3D de objetos pode permitir que se visualize e analise facilmente as orientações dos objetos em relação um ao outro. Esse aspecto da modelagem é particularmente útil em na ortopedia ou, mais especificamente, na análise de deformidade de ossos. A tomografia computada (CT) é uma técnica convencional que tem sido usada no campo da ortopedia para gerar uma representação 3-D de tecidos humanos. Outra técnica convencional envolve visualizar e analisar as deformidades do osso com o auxilio de radiografias 2-D. Primeiro, as imagem radiográficas dos segmentos de osso deformados são obtidas em vistas ortogonais. Subsequentemente, as deformidades podem ser analisadas criando-se representações lineares 2D dos segmentos de osso imageados e projetando tais representações lineares no plano da deformidade. Alternativamente, os esboços dos segmentos de osso deformados nas radiografias 2D podem ser determinados manualmente e extrapolados para construir um modelo 3D dos segmentos de osso deformados.

SUMÁRIO

A presente revelação fornece um método para criar um modelo 3D de um objeto. Em uma modalidade, o método compreende: 1) receber uma primeira radiografia de um objeto disposto entre uma fonte de raio x e um imageador de raio x em uma primeira orientação, em que a primeira orientação compreende uma primeira posição angular do objeto em relação a um eixo geométrico de imageamento, em que a primeira radiografia inclui uma primeira imagem do objeto e do pelo menos um marcador de referência que tem pelo menos dois padrões de referência, em que os padrões de referência são separados por uma distância fixa; 2) receber uma segunda radiografia do objeto disposto entre a fonte de raio x e o imageador de raio x em uma segunda orientação, em que a segunda orientação compreende uma segunda posição angular do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento e em que a segunda radiografia inclui uma segunda imagem do objeto e do pelo menos um marcador de referência; 3) receber um deslocamento angular correspondente à diferença entre as primeira e segunda posições angulares do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento; 4) determinar uma primeira posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira imagem do pelo menos um marcador de referência; 5) determinar uma segunda posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda imagem do pelo menos um marcador de referência; 6) identificar um primeiro esboço de objeto do objeto imageado na primeira radiografia; 7) identificar um segundo esboço de objeto do objeto imageado na segunda radiografia; 8) preparar uma primeira projeção de objeto 3D a partir do primeiro esboço do objeto imageado para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 9) preparar uma segunda projeção de objeto 3D a partir do segundo esboço do objeto imageado para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 10) alinhar as primeira e segunda projeções 3D do objeto imageado em um quadro de referência 3D com o uso do deslocamento angular; e 11) criar um modelo 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D com base na primeira e na segunda projeções de objeto 3D. Em qualquer uma das modalidades reveladas no presente documento, o método para criar um modelo 3D de um objeto pode incluir adicionalmente: 1) identificar um eixo geométrico de inclinação no quadro de referência 3D, em que o eixo geométrico de inclinação passa entre uma primeira posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à primeira posição da fonte de raio x na primeira orientação e uma segunda posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à segunda posição da fonte de raio x na segunda orientação; 2) identificar um ou mais planos de interseção que atravessam o eixo geométrico de inclinação e através das primeira e segunda projeções 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D; 3) para cada um dos um ou mais planos de interseção, executar as seguintes etapas: a) identificar um ou mais pontos de interseção entre as primeira e segunda projeções de objeto 3D e o dito plano de interseção no quadro de referência 3D; b) preparar um ou mais polígonos que conectam os pontos de interseção no dito plano de interseção; c) preparar uma ou mais curvas fechadas dentro de cada um dos um ou mais polígonos, em que as uma ou mais curvas fechadas correspondem a uma vista em seção transversal do objeto imageado no dito plano de interseção; e 4) preparar uma superfície no quadro de referência 3D que conecta cada uma das curvas fechadas para formar um modelo 3D do objeto imageado. Ademais, em qualquer uma das modalidades aplicáveis reveladas no presente documento, o pelo menos um marcador de referência pode compreender pelo menos três padrões de referência no total e o método pode compreender adicionalmente receber um primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência na primeira radiografia e receber um segundo esboço dos pelo menos três padrões de referência na segunda radiografia; em que a determinação da primeira posição 3D da fonte de raio x compreende identificar uma primeira pluralidade de trajetórias da fonte de raio x para o primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da primeira pluralidade de trajetórias de luz; e em que a determinação da segunda posição 3D da fonte de raio x compreende identificar uma segunda pluralidade de trajetórias da fonte de raio x para o primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da segunda pluralidade de trajetórias de luz. Em algumas modalidades, a determinação da interseção aproximada da primeira pluralidade de trajetórias e da interseção aproximada da segunda pluralidade de trajetórias pode compreender usar um modelo de aproximação em concordância com a presente revelação.

Outro método para criar um modelo 3D de um objeto pode compreender: receber uma primeira radiografia de um objeto disposto entre uma fonte de raio x e um imageador de raio x em uma primeira orientação, em que a primeira orientação compreende uma primeira posição angular do objeto em relação a um eixo geométrico de imageamento, em que o eixo geométrico de imageamento é paralelo ao imageador na primeira orientação, em que a primeira radiografia inclui uma primeira imagem do objeto e do pelo menos um marcador de referência que tem pelo menos dois padrões de referência, em que os padrões de referência são separados por uma distância fixa; 2) receber uma segunda radiografia do objeto disposto entre a fonte de raio x e o imageador de raio x em uma segunda orientação, em que a segunda orientação compreende uma segunda posição angular do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento, em que o eixo geométrico de imageamento é paralelo ao imageador na segunda orientação e a segunda posição angular do objeto é substancialmente ortogonal à primeira posição angular do objeto e em que adicionalmente a segunda radiografia inclui uma segunda imagem do objeto e do pelo menos um marcador de referência; 3) determinar uma primeira posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira imagem do pelo menos um marcador de referência; 4) determinar uma segunda posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda imagem do pelo menos um marcador de referência; 5) identificar um primeiro esboço de objeto do objeto imageado na primeira radiografia; 6) identificar um segundo esboço de objeto do objeto imageado na segunda radiografia; 7) preparar uma primeira projeção de objeto 3D do primeiro esboço do objeto imageado para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 8) preparar uma segunda projeção de objeto 3D do segundo esboço do objeto imageado para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 9) alinhar as primeira e segunda projeções 3D do objeto imageado em um quadro de referência 3D de acordo com as primeiro e segunda posições angulares substancialmente ortogonais do objeto; e 10) criar um modelo 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D com base nas primeira e segunda projeções de objeto 3D.

Outra modalidade de um método para criar um modelo 3D de um objeto pode incluir: 1) receber uma primeira radiografia de um objeto disposto entre uma fonte de raio x e um imageador de raio x em uma primeira orientação, em que a primeira orientação compreende uma primeira posição angular do objeto em relação a um eixo geométrico de imageamento, em que a primeira radiografia inclui uma primeira imagem do objeto, do pelo menos um marcador de referência que tem pelo menos dois padrões de referência, em que os padrões de referência são separados por uma distância fixa e do pelo menos um marcador de objeto fixado ao objeto, em que o marcador de objeto inclui pelo menos um padrão de referência de dimensões fixas; 2) receber uma segunda radiografia do objeto disposto entre a fonte de raio x e o imageador de raio x em uma segunda orientação, em que a segunda orientação compreende uma segunda posição angular do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento e em que a segunda radiografia inclui uma segunda imagem do objeto, do pelo menos um marcador de referência e do pelo menos um marcador de objeto; 3) determinar uma primeira posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira imagem do pelo menos um marcador de referência; 4) determinar uma segunda posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda imagem do pelo menos um marcador de referência; 5) identificar um primeiro esboço de objeto do objeto imageado na primeira radiografia; 6) identificar um segundo esboço de objeto do objeto imageado na segunda radiografia; 7) preparar uma primeira projeção de objeto 3D do primeiro esboço de objeto para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 8) preparar uma primeira projeção de marcador de objeto 3D do marcador de objeto na primeira radiografia para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 9) preparar uma segunda projeção de objeto 3D do segundo esboço de objeto para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 10) preparar uma segunda projeção de marcador de objeto 3D do marcador de objeto na segunda radiografia para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 11) alinhar as primeira e segunda projeções de marcador de objeto 3D em um quadro de referência 3D com o uso das primeira e segunda projeções de marcador de objeto; 12) alinhar as primeira e segunda projeções 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D com o uso do alinhamento das primeira e segunda projeções de marcador de objeto 3D no quadro de referência 3D; e 13) criar um modelo 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D com base nas primeira e segunda projeções de objeto 3D.

Outra modalidade exemplificativa de um método para criar um modelo 3D de um objeto pode incluir: 1) receber uma primeira radiografia de um objeto disposto entre uma fonte de raio x e um imageador de raio x em uma primeira orientação, em que a primeira orientação compreende uma primeira posição angular do objeto em relação a um eixo geométrico de imageamento, em que a primeira radiografia inclui uma primeira imagem: do objeto, do pelo menos um marcador de referência que tem pelo menos dois padrões de referência, em que os padrões de referência são separados por uma distância fixa e pelo menos um anel que tem um diâmetro fixo, em que o anel é fixado ao objeto; 2) receber uma segunda radiografia do objeto disposto entre a fonte de raio x e o imageador de raio x em uma segunda orientação, em que a segunda orientação compreende uma segunda posição angular do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento, em que a segunda radiografia inclui uma segunda imagem do objeto, do pelo menos um marcador de referência e do anel; 3) determinar uma primeira posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira imagem do pelo menos um marcador de referência; 4) determinar uma segunda posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda imagem do pelo menos um marcador de referência; 5)receber um primeiro esboço de anel do anel imageado na primeira radiografia; 6) preparar uma primeira projeção de anel 3D do primeiro esboço de anel na primeira radiografia para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 7) determinar uma primeira posição de anel do imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira projeção de anel 3D e do diâmetro fixo do anel; 8) receber um segundo esboço de anel do anel imageado na segunda radiografia; 9) preparar uma segunda projeção de anel 3D do segundo esboço de anel na segunda radiografia para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 10) determinar uma segunda posição de anel do imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda projeção de anel 3D e do diâmetro fixo do anel; 11) determinar a posição 3D do anel em relação ao imageador de raio x nas primeira e segunda orientações com o uso dos primeiro e segundo esboços de anel e das primeira e segunda posições de anel; 12) identificar um primeiro esboço de objeto do objeto imageado na primeira radiografia; 13) preparar uma primeira projeção de objeto 3D do primeiro esboço do objeto imageado para a primeira posição 3D da fonte de raio x; 14) identificar um segundo esboço de objeto do objeto imageado na segunda radiografia; 15) preparar uma segunda projeção de objeto 3D do segundo esboço do objeto imageado para a segunda posição 3D da fonte de raio x; 16) alinhar as primeira e segundas projeções de objeto 3D em um quadro de referência 3D com o uso das posições do anel em relação ao imageador de raio x nas primeira e segunda orientações; e 17) criar um modelo 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D com base nas primeira e segunda projeções de objeto 3D.

Sistemas para criar um modelo 3D de um objeto são também revelados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para um entendimento mais completo dos recursos e vantagens da presente invenção, a referência é agora feita à descrição detalhada juntamente com as figuras anexas, em que: A Figura IA é uma vista em perspectiva de uma primeira modalidade de um marcador de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura IB é uma vista em perspectiva de uma segunda modalidade de um marcador de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 1C é uma vista em perspectiva de uma terceira modalidade de um marcador de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 1D é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um nivel esférico, em concordância com a presente invenção; A Figura 2A é uma vista em perspectiva de um sistema de imageamento e um objeto em uma primeira orientação relativa, em concordância com a presente invenção; A Figura 2B é uma vista em perspectiva do sistema de imageamento e do objeto mostrados na Figura 2A em uma segunda orientação relativa, em concordância com a presente invenção; A Figura 2C é outra vista em perspectiva do sistema de imageamento e do objeto mostrados na Figura 2A em uma segunda orientação relativa, em concordância com a presente invenção; A Figura 2D é uma vista esquemática de uma fonte de luz em um primeiro sistema de coordenada, em concordância com a presente invenção; A Figura 2E é uma vista em perspectiva de uma fonte de luz e do marcador de referência mostrados na Figura 1 A um primeiro sistema de coordenada, em concordância com a presente invenção; A Figura 3A é um diagrama esquemático que ilustra as primeira e segunda radiografias de um objeto, em concordância com a presente invenção; A Figura 3B é um diagrama esquemático que ilustra as orientações de uma fonte de luz e as radiografias correspondentes na Figura 3 A, em concordância com a presente invenção; A Figura 3C é um diagrama esquemático que ilustra uma pluralidade de planos de interseção sendo que cada um passa através de um eixo geométrico de inclinação e das primeira e segunda radiografias mostradas na Figura 3A, em concordância com a presente invenção; A Figura 3D é um diagrama esquemático que ilustra uma pluralidade de pontos de interseção entre as projeções de objeto 3D das primeira e segunda radiografias mostradas na Figura 3A, em concordância com a presente invenção; A Figura 3E é um diagrama esquemático que ilustra uma pluralidade de poligonos que conectam os pontos de interseção no plano de interseção mostrado na Figura 3D, em concordância com a presente invenção; A Figura 3F é um diagrama esquemático que ilustra uma pluralidade de um ou mais curvas fechadas dentro de cada um dos um ou mais poligonos mostrados na Figura 3E, em concordância com a presente invenção; A Figura 3G é um diagrama esquemático que ilustra uma superfície que conecta cada uma das curvas fechadas mostradas na Figura 3F, em concordância com a presente invenção; A Figura 4A é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um marcador de objeto, em concordância com a presente invenção; A Figura 4B é uma vista em perspectiva de outra modalidade de um marcador de objeto, em concordância com a presente invenção; A Figura 4C é um diagrama esquemático que ilustra uma pluralidade de marcador de objetos que são fixados a um objeto, em concordância com a presente invenção; A Figura 4D é um diagrama esquemático que ilustra projeções de uma pluralidade de padrões de referência das primeira e segunda radiografias para diferentes localizações de fonte de luz, em concordância com a presente invenção; A Figura 4E é um diagrama esquemático que ilustra um modelo dos padrões de referência mostrados na Figura 4D em espaço 3D, em concordância com a presente invenção; A Figura 4F é outro diagrama esquemático que ilustra o modelo dos padrões de referência em espaço 3D mostrado na Figura 4E, em concordância com a presente invenção; A Figura 4G é um diagrama esquemático que ilustra outro modelo dos padrões de referência em espaço 3D, em concordância com a presente invenção; A Figura 5A é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um primeiro dispositivo ortopédico que compreende uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 5B é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um segundo dispositivo ortopédico que compreende uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 5C é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um terceiro dispositivo ortopédico que compreende uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 5D é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um quarto dispositivo ortopédico que compreende uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 5E é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um quinto dispositivo ortopédico que compreende uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 6A é um diagrama esquemático que ilustra um dispositivo ortopédico sendo imageado, em concordância com a presente invenção; A Figura 6B é uma vista focada parcial do dispositivo ortopédico mostrado na Figura 6A, em concordância com a presente invenção; A Figura 7 é um diagrama esquemático que ilustra uma radiografia que inclui imagens de uma pluralidade de padrões de referência, em concordância com a presente invenção; A Figura 8 é um diagrama esquemático que ilustra um modelo matemático dos padrões de referência mostrados na Figura 7, em concordância com a presente invenção; A Figura 9 é um diagrama de fluxo que ilustra um algoritmo exemplificativo, em concordância com a presente invenção; A Figura 10 é um diagrama esquemático que ilustra um objeto imageado em uma armação 3D, em concordância com a presente invenção; A Figura 11 é um diagrama esquemático que ilustra um modelo 3D exemplificativo de um objeto; e A Figura 12 é um diagrama de bloco esquemático que ilustra um sistema exemplificativo para criar o modelo 3D de um objeto.

DESCRIÇÃO DETALHADA

As técnicas convencionais para gerar modelos 3D têm muitas desvantagens. Uma varredura CT gera um conjunto de imagens em seção transversal que podem ser combinadas para produzir uma representação 3D de tecidos humanos. 0 uso de varreduras CT em aplicações ortopédicas, entretanto, pode não ser prático devido às diversas limitações. Durante uma varredura CT, o paciente é submetido a uma quantidade relativamente grande de radiação e o uso repetido da varredura CT pode expor o paciente à radiação excessiva e risco à saúde presente. Ademais, uma varredura CT é relativamente custosa e não é adequada para imagear metais, que podem causar distorções indesejáveis. Além disso, exige-se o paciente permaneça imóvel durante a varredura CT e a anestesia pode ser exigida se o paciente for uma criança jovem. O uso da anestesia, entretanto, aumenta o custo do tratamento e pode apresentar risco à saúde adicional.

Conforme discutido acima, outra técnica convencional envolve determinar manualmente os esboços dos segmentos de osso deformados em radiografias 2D e extrapolar os esboços 2D para construir um modelo 3D dos segmentos de osso deformados. Uma variedade de fatores, entretanto, pode afetar adversamente a precisão dos modelos criados com o uso de tal técnica. Primeiro, projetar representações lineares dos segmentos de osso deformados não contam para a medida dos segmentos de osso no em espaço 3D e pode fazer com que um médico prescreva tratamento que não corrigem suficientemente as deformidades do osso. Além disso, os modelos criados por técnicas convencionais têm base no pressuposto de que as radiografias fora tiradas em posições ortogonais e a precisão do modelo é afetada adversamente quanto não for o caso. Embora um médico possa ser treinado para estimar posições ortogonais para tirar as radiografias, pequenos erros humanos são inevitáveis e assim tornam os modelos gerados por técnicas convencionais imprecisos. Ademais, devido ao efeito de ampliação de raios x que percorrem de uma fonte de raio x para um imageador, o objeto nas radiografias aparece maior que seu tamanho real. Para considerar o efeito de ampliação, um marcador(es) de referência de dimensões conhecidas tem que ser disposto precisamente no objeto próximo à região de interesse e as dimensões conhecidas do marcador de referência são usadas para determinar e considerar o efeito de ampliação. Novamente, a inexatidão humana inevitável na colocação do marcador de referência pode levar à imprecisão.

Devido aos erros descritos acima nas técnicas convencionais, os parâmetros lineares e angulares obtidos são projeções ao invés de parâmetros verdadeiros. As projeções não correspondem ao tamanho ou formato verdadeiro dos objetos; as mesmas são distorcidas em relação ao formato verdadeiro do objeto. Tais técnicas não são adequadas para determinar precisamente as coordenadas dos pontos em um objeto escolhido no espaço 3D e em aplicações ortopédicas, tais métodos não são adequados para calcular precisamente a distração, compressão, deslocamento ou outro movimento desejado dos segmentos de tecido.

A presente invenção fornece técnicas para criar um modelo 3D de um objeto com o uso de radiografias. A partir da presente invenção, um elemento versado na técnica apreciará que as técnicas da presente invenção podem obviar a necessidade de usar um marcador colocado precisamente para considerar o efeito de ampliação dos raios x. As técnicas da presente invenção podem também não exigir radiografias tiradas em posições ortogonais e podem ser adequadas para radiografias tiradas em várias orientações relativas.

Uma modalidade das técnicas reveladas no presente documento compreende receber as primeira e segunda radiografias de um objeto disposto entre uma fonte de raio x e um imageador. As primeira e segunda radiografias retratam o objeto nas primeira e segunda orientações em relação à fonte de raio x e ao imageador, respectivamente. A primeira radiografia inclui uma primeira imagem do objeto e uma primeira imagem do pelo menos um marcador de referência. Em algumas modalidades, a primeira radiografia também inclui uma primeira imagem de pelo menos um marcador de objeto disposto em uma orientação fixa em relação ao objeto. Em algumas modalidades, entretanto, não é usado nenhum marcador de objeto e a primeira radiografia não incluiria uma imagem de um marcador de objeto. A segunda radiografia inclui similarmente uma segunda imagem do objeto e uma segunda imagem do pelo menos um marcador de referência. Em algumas modalidades, a segunda radiografia inclui uma segunda imagem do pelo menos um marcador de objeto. Novamente, em algumas modalidades, não é usado nenhum marcador de objeto e a segunda radiografia não incluiria uma imagem de um marcador de objeto.

São mostradas nas Figuras IA a C diversas modalidades exemplificativas dos marcadores de referência que são adequados para serem imageados em uma radiografia. 0 marcador de referência 10 nas Figuras 1 A a C compreende um corpo 12 e uma pluralidade de padrões de referência 14 disposto no mesmo. O corpo 12 é feito de um material que é substancialmente translúcido à radiação de comprimento de onda curto, tal como raios x e pode ter uma variedade de formatos e dimensões para acomodar as orientações desejadas dos padrões de referência 14. Os padrões de referência 14 são feitos de um material radiograficamente opaco de tal modo que os padrões de referência 14 sejam prontamente identificáveis em uma radiografia. Em uma modalidade alternativa, o corpo 12 pode ser feito de um material rádio-opaco e a pluralidade de padrões de referência 14 pode ser uma pluralidade de porções translúcidas no corpo 12. Por exemplo, o corpo 12 pode incluir uma pluralidade de orifícios definidos através do mesmo. Devido ao contraste na rádio-opacidade, a pluralidade de orifícios pode ser prontamente identificável em uma imagem de raio x do marcador de referência 10. Deve ser apreciado que essa configuração pode ser incorporada em qualquer uma das modalidades discutidas na presente invenção.

Em algumas modalidades, também é desejável identificar exclusivamente cada padrão de referência 14. Consequentemente, os padrões de referência 14 podem ter, cada um, um formato diferente, opacidade radiográfica diferente ou um tamanho diferente. Cada marcador 10 pode também compreende uma quantidade diferente de padrões de referência para propósito de identificação. Por exemplo, um primeiro marcador 10 pode compreender padrões de referência individuais em pares e um segundo marcador 10 pode compreender padrões de referência individuais em tripletos.

A quantidade e as posições dos padrões de referência 14 em cada marcador 10 pode variar dependendo dos parâmetros de projeto discutidos na presente invenção. Na modalidade mostrada na Figura IA, o marcador 10 compreende três padrões de referência 14 alinhados ao longo de um eixo geométrico longitudinal 16. Na modalidade mostrada na Figura IB, o marcador 10 compreende somente dois padrões de referência 14 alinhados ao longo d eixo geométrico longitudinal 16. Na modalidade mostrada na Figura 1C, o marcador 10 compreende três padrões de referência 14 alinhados ao longo dos eixos ortogonais 16 e 18. Em cada uma dessas modalidades, as distâncias entre os padrões de referência 14 foram predeterminadas.

Em uma modalidade, o marcador 10 é montado em um imageador 104, que é descrito em maiores detalhes em relação às Figuras 2A a B. Quando o marcador 10 é montado no imageador 104, um primeiro padrão de referência 14 é próximo à superfície de um imageador 104 e o eixo geométrico longitudinal 16 é ortogonal à superfície do imageador 104. Como tal, a distância entre um segundo padrão de referência 14 e a superfície do imageador 104 pode ser determinada com o uso das distâncias predeterminadas entre os primeiro e segundo padrões de referência 14. Se o marcador 10 mostrado na Figura 1C for usado, o eixo geométrico 18 é preferencialmente paralelo em relação à superfície do imageador 104 por razoes a serem discutidas abaixo.

Uma variedade de marcadores 10 pode ser escolhida para ser montada no imageador 104, dependendo da quantidade e das posições dos padrões de referência 14 de cada marcador 10 usado ou quaisquer outros parâmetros de projeto discutidos na presente invenção. A escolha e uso do marcador 10 é discutida com referência às Figuras 2A a C. A Figura 2 A é um diagrama esquemático de um sistema de imageamento 100 operável para obter as primeira e segunda radiografias. O sistema de imageamento 100 compreende uma fonte de raio x 102, um imageador 104 e pelo menos um marcador de referência 106. O imageador 104 compreende uma superfície de imageamento 108 em que o marcador de referência 106 pode ser acoplado à superfície de imageamento 108. 0 marcador de referência 106 pode ser configurado de acordo com os princípios discutidos com referência às Figuras 1 A a C.

Para obter as primeira e segunda radiografias, um objeto 101 é colocado entre a fonte de raio x 102 e o imageador 104. Para gerar a primeira radiografia, o objeto 101, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 estão em uma primeira orientação 120 em relação uns aos outros. A segunda radiografia pode ser gerada ou girando o objeto 101 para uma nova orientação em relação à fonte de raio x 102 e ao imageador 104 ou girando a fonte de raio x 102 e o imageador 104 para uma nova orientação sobre o objeto 101. De acordo com o método anterior, o objeto 101 é girado em relação à fonte de raio x 102 e ao imageador 104, conforme mostrado na Figura 2B, de tal modo que o objeto 101, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 estejam em uma segunda orientação relativa 150 em relação uns aos outros.

Em uma modalidade, o objeto 101 é girado ortogonalmente sobre um primeiro eixo geométrico de imageamento I, em qual caso, as primeira e segunda orientações relativas 120 e 150 são ortogonais uma em relação à outra. A rotação ortogonal do objeto 101 pode ser efetuada com o auxilio de um dispositivo operável para monitorar e/ou medir o movimento rotacional do objeto 101. Em uma modalidade, um sensor é direta ou indiretamente acoplado ao objeto 101 para medir a rotação angular do objeto 101. O sensor pode incluir qualquer dispositivo adequado operável para monitorar e/ou medir a orientação angular, tal como um nivel. Em uma modalidade, o sensor pode incluir um acelerômetro configurado para fornecer um sinal (por exemplo, um alerta audivel) quando o objeto 101 chegar a uma orientação desejada em relação à orientação inicial. Em uma modalidade em que uma rotação ortogonal é desejada, o acelerômetro pode fornecer um sinal quando a rotação ortogonal é efetuada. O acelerômetro pode ser adicionalmente operável para fornecer um sinal quando o objeto 101 é girado de modo não intencional sobre os eixos diferentes do eixo geométrico de imageamento, através disso permitindo que um médico evite a rotação não intencional do objeto 101.

De acordo com outra modalidade, um sensor fixado ao objeto pode incluir um nivel "T" ou nivel esférico de modo a monitorar a orientação do objeto 101 e fazer quaisquer ajustes necessários. Um exemplo representativo de um nivel esférico 19 é retratado na Figura 1D, em que a esfera é marcada com três linhas separadas (20, 22, 24) que passam em volta do diâmetro da esfera. Cada uma das linhas corta ao meio a esfera em hemisférios que são ortogonais em relação um ao outro. Cada uma das linhas é marcada com padrões de referência que indicam o ângulo entre o padrão de referência e uma interseção correspondente (por exemplo, 10 graus, 20 graus, etc.). Preferencialmente, a esfera é translúcida, de modo que uma bolha 26 ou outro marcador flutuando dentro da esfera pode ser usado para medir a orientação relativa da esfera. A esfera pode ser montada de modo removivel a um suporte (não mostrado), que por sua vez pode ser fixado a um objeto ou a um quadro montado a um objeto. Quando o objeto é colocado na primeira orientação, o nivel 19 pode ser inicializado a essa localização movendo-se a esfera até a bolha 26 ou marcador ser alinhado com uma interseção das linhas no nivel 19. Uma vez que a bolha 26 ou marcador é alinhado com a interseção, a esfera pode ser travada em relação ao suporte. Após isso, a orientação relativa do objeto 101 pode ser precisamente medida em três dimensões. Assim, o objeto 101 pode ser prontamente movido a uma nova orientação desejada, tal como uma que é ortogonal a sua orientação original.

Em uma modalidade exemplificativa, o objeto 101 é girado sobre um eixo geométrico de imageamento I de tal modo que as primeira e segunda orientações relativas 120 e 150 sejam oblíquas uma em relação à outra. A rotação angular do objeto 101 pode ser medida com o auxilio de um sensor operável para monitorar e medir o movimento rotacional do objeto 101. 0 sensor pode ser operável adicionalmente para fornecer um sinal quando a fonte de raio x 102 e/ou o imageador 104 são girados de modo não intencional sobre eixos diferentes do eixo geométrico de imageamento I, através disso alarmando o médico para corrigir o movimento rotacional não intencional. Em uma modalidade, um sensor é direta ou indiretamente acoplado ao objeto 101 para medir a rotação angular do objeto 101. Em uma modalidade, o sensor pode incluir um acelerômetro, um nível calibrado ou qualquer outro dispositivo adequado ou descrito na presente invenção ou conhecido na técnica para medir rotações angulares.

Em outra modalidade, ao invés de girar o objeto 101, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 podem ser girados sobre o objeto 101 para alcançar a segunda orientação relativa 150 conforme mostrado na Figura 2C. De acordo com uma modalidade exemplificativa, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 são girados ortogonalmente sobre o objeto 101 e um eixo geométrico de imageamento I que passa através do objeto 101, em qual caso, as primeiro e segunda orientação relativas 120 e 150 são ortogonais. Nessa modalidade, um sensor tal como um acelerômetro pode ser fixado à fonte de raio x 102 e/ou ao imageador 104. O sensor pode ser usado para determinar quando a fonte de raio x 102 e o imageador 104 combinados foram movidos para uma orientação que é ortogonal à orientação original. De acordo com essa modalidade, o sensor emite um sinal quando a fonte de raio x 102 e/ou o imageador 104 chegam a uma orientação que é ortogonal à orientação original. O sensor pode ser operável adicionalmente para fornecer um sinal quando a fonte de raio x 102 e/ou o imageador 104 são girados de modo não intencional sobre eixos diferentes do eixo geométrico de imageamento I, através disso alarmando o médico para corrigir o movimento rotacional não intencional.

De acordo com outra modalidade exemplificativa, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 são girados sobre o objeto 101 e um eixo geométrico de imageamento I que passa através do objeto 101 de tal modo que as primeiro e segunda orientação relativas 120 e 150 são obliquas uma em relação à outra. Nessa modalidade, um sensor tal como um acelerômetro pode ser fixado à fonte de raio x 102 e/ou ao imageador 104. O sensor pode ser usado para determinar a rotação angular da fonte de raio x 102 e do imageador 104 em relação ao objeto 101. O sensor pode ser operável adicionalmente para fornecer um sinal quando a fonte de raio x 102 e/ou o imageador 104 são girados de modo não intencional sobre eixos diferentes do eixo geométrico de imageamento I, através disso alarmando o médico para corrigir o movimento rotacional não intencional. Deve ser apreciado que o sensor pode incluir um acelerômetro, um nível calibrado ou qualquer outro dispositivo adequado ou descrito na presente invenção ou conhecido na técnica para medir rotações angulares.

Referindo-se novamente à Figura 2A, a fonte de raio x 102 na primeira orientação relativa 120 é operável para fornecer raios x ao longo de uma primeira trajetória (não mostrado). Um elemento versado na técnica apreciará que o termo "primeira trajetória" refere-se à faixa de vários trajetos dos raios x que emanam da fonte de raio x 102 na primeira orientação 120. Por exemplo, na modalidade ilustrada na Figura 2 A, a primeira trajetória inclui trajetos de raio x representados pelas linhas 116 e 118 e as muitas linhas que residem entre os mesmos. Na primeira orientação, o imageador 104 é disposto na primeira trajetória e orientado de tal modo que a superfície de imageamento 108 e o marcador de referência 106 estejam ambos voltados em direção à fonte de raio x 102. Tal orientação da superfície de imageamento 108 e do marcador de referência 106 corresponde a uma primeira orientação de imageamento 120. A primeira radiografia do marcador de referência 106 na primeira orientação de imageamento 120 pode ser obtida direcionando-se os raios x ao longo da primeira trajetória através do objeto 101 em direção ao imageador 104 na primeira trajetória. Como tal, a primeira radiografia inclui projeções do marcadores de referência 106 e 107 e do objeto 101 em um primeiro plano 126 definido pela superfície de imageamento 108.

Referindo-se às Figuras 2B e 2C, a fonte de raio x 102 na segunda orientação relativa 150 é operável para fornecer raios x ao longo de uma segunda trajetória (não mostrada). Um elemento versado na técnica apreciará que o termo "segunda trajetória" refere-se à faixa de vários trajetos dos raios x que emanam da fonte de raio x 102 na segunda orientação relativa 150. Por exemplo, nas modalidades ilustradas nas Figuras 2B e 2C, a segunda trajetória inclui trajetos de raio x representados pelas linhas 116 e 118 e as muitas linhas que residem entre os mesmos. Na segunda orientação relativa 150, o imageador 104 é disposto na segunda trajetória e orientado de tal modo que a superfície de imageamento 108 e o marcador de referência 106 estejam ambos voltados em direção à fonte de raio x 102. Tal orientação da superfície de imageamento 108 e do marcador de referência 106 corresponde a uma segunda orientação de imageamento 120. A segunda radiografia do marcador de referência 106 na segunda orientação de imageamento 120 pode ser obtida direcionando-se os raios x ao longo da segunda trajetória através do objeto 101 em direção ao imageador 104 na segunda trajetória. Como tal, a segunda radiografia inclui projeções dos marcadores de referência 106 e 107 e do objeto 101 no primeiro plano 126 definido pela superfície de imageamento 108.

A localização da fonte de raio x 102 em relação ao imageador 104 pode ser determinada analisando-se as sombras projetadas pelos marcadores de referência nas primeira e segunda radiografias. A análise é descrita com referência à Figura 2D, que é uma ilustração esquemática simplificada da modalidade mostrada na Figura 2A. Na modalidade ilustrada, cada um dos marcadores de referência retratados (106, 107) corresponde ao marcador mostrado na Figura 1C e compreende três padrões de referência 14 que definem três pontos em um sistema de coordenada 128: um ponto superior (122, 138) um ponto inferior (124, 140) e um ponto de escala (132, 142). Os pontos superiores (122, 138) e os pontos inferiores (124, 140) são alinhados ao longo de um eixo geométrico longitudinal (não mostrado) que é ortogonal à superfície do imageador 104. A distância entre os pontos superiores (122, 138) e os pontos inferiores (124, 140) em cada um dos respectivos marcadores (106, 107) é de uma distância conhecida 110 (por exemplo, 3, 5, 10 ou 20 cm) . Os pontos inferiores (124, 140) e os pontos de escala (132, 142) dos marcadores (106, 107) são alinhados ao longo de um eixo geométrico paralelo à superficie do imageador 104. A distância entre os pontos inferiores (124, 140) e os pontos de escala (132, 142) em cada um dos respectivos marcadores (106, 107) é uma distância conhecida 112 (por exemplo, 1, 2, 5 ou 10 cm) . Embora o segundo marcador 107 seja retratado como correspondendo ao marcador retratado na Figura 1C, o marcador retratado na Figura IB, que compreende dois padrões de referência, pode também ser utilizado. Em algumas modalidades, um segundo marcador 107 pode não ser usado se o primeiro marcador 106 for um marcador similar ao marcador retratado na Figura IA, que inclui três padrões de referência alinhados em um eixo geométrico longitudinal.

Examinando-se a relação entre as posições dos padrões de referência em cada um dos marcadores 106 e 107 e as sombras que os mesmos projetam nas primeira e segunda radiografias, a localização 3D da fonte de raio x 102 no sistema de coordenada 128 pode ser determinada. Com referência ao marcador 106 na Figura 2A, a posição do ponto superior 122 acima do imageador 104 no sistema de coordenada 128 pode ser calculado identificando-se um ponto que é a distância 110 acima do ponto inferior 124. Depois, um vetor 116 pode ser construído com base em dois pontos no espaço: o ponto superior 122 e a sombra 136, que é a projeção do ponto superior 122 no imageador 104. Esse vetor 116 pode ser matematicamente determinado com o uso de técnicas de trigonometria e triangulação conhecidas e identifica um trajeto a partir da fonte de raio x 102 que criou a sombra 136 no imageador 104. Como tal, a fonte de raio x 102 é posicionada em algum lugar ao longo do vetor 116, mas a localização especifica da fonte de raio x 102 ao longo do vetor 116 permanece desconhecida Para determinar a localização da fonte de raio x 102, um segundo vetor 118 é construído com base na localização do ponto superior 138 (conforme determinado a partir da localização do ponto inferior 140 e da distância 110) e sombra 134 projetada pelo ponto superior 138. Esse segundo vetor 118 também pode ser matematicamente determinado com o uso de técnicas de trigonometria e triangulação conhecidas. A interseção dos dois vetores 116 e 118, por sua vez, identifica ou aproxima de modo razoável a localização 3D da fonte de raio x 102 no sistema de coordenada 128.

Deve ser apreciado que em alguns casos, a resolução das primeira e segunda radiografias pode não ser suficiente para permitir que se identifique precisamente as posições das sombras 134 e 136 criadas pelos pontos superiores 138 e 122, respectivamente. Como um resultado, pequenos erros podem existir e fazer com que os vetores/trajetos 116 e 118 se desalinhem e não se cruzem. Em tais casos, a posição da fonte de raio x 102 pode ser determinada com o uso de um modelo de aproximação. De acordo com um modelo de aproximação exemplificativo, a orientação e posição de um segmento entre os vetores/trajetos 116 e 118 podem ser determinadas e um ponto no segmento pode ser escolhido para representar a posição da fonte de raio x 102. Em uma modalidade, o segmento escolhido pode ser um perpendicular comum dos vetores/trajetos 116 e 118 e o ponto medido do perpendicular comum pode ser escolhido para representar a posição da fonte de raio x 102. Deve ser apreciado que enquanto um perpendicular comum de ambos os vetores/trajetos 116 e 118 pode ser o segmento mais curto entre os vetores/tra j etos 116 e 118 e pode permitir uma aproximação precisa da fonte de raio x 102, outros segmentos podem ser escolhidos dependendo da precisão desejada do modelo de aproximação.

Em uma modalidade exemplificativa, o perpendicular comum dos vetores/trajetos 116 e 118 pode ser determinado usando-se o modelo matemático discutido abaixo, em que se assume que (x1!, y1!, z1].) são as coordenadas da sombra de ponto superior 1 (136), (x12, yS, zx2) são as coordenadas do ponto superior 1 (122), (x2i, y2i, z2i) são as coordenadas da sombra de ponto superior 2 (134), (x22, y22, Z22) são as coordenadas do ponto superior 2 (138). A equação para a primeira linha 116 pode, assim, ser expressa como:

e a equação para a segunda linha 118 pode ser expressa como:

Os vetores resultantes da primeira linha 116 e da segunda linha 118 podem ser representados respectivamente como:

Multiplicar os vetores a e b de acordo com a equação abaixo forneceria um vetor c que é perpendicular a ambas as linhas 116 e 118:

em que j e k são vetores unitários direcionados ao longo dos eixos de coordenada x, y e z.

Em uma modalidade, aproximar a localização da fonte de raio x 102 pode envolver definir um segmento S que está situado no vetor c e conecta as linhas 116 e 118. Como tal, o segmento S é um perpendicular comum às linhas 116 e 118. Um modo de fazer isso é construir um plano D que inclui a sombra de ponto superior 1 (136), a primeira linha 116 e o vetor c. Um vetor perpendicular a tal plano D é o produto da multiplicação de vetor e pode ser expressa como:

Esse vetor pode ser normalizado em relação a uma unidade de comprimento e expresso como:

Um plano D que atravessa a sombra de ponto superior 1 (136) que tem as coordenadas (x1]., y2i, z2i) e que tem um vetor perpendicular n = (nl,n2,»3)- pode ser, assim, representado pelas seguintes equações:

Um dos pontos finais do segmento S pode ser o ponto de cruzamento em que o plano D intercepta com a linha 118. Para determinar a localização desse ponto de cruzamento, um triângulo retângulo pode ser desenhado de modo que sua hipotenusa G se estenda ao longo da linha 118 e conecte a sombra de ponto superior 2 134 e o ponto de cruzamento em que a linha 118 intercepta o plano D. Ademais, uma primeira perna R do triângulo retângulo pode ser definida por um vetor r perpendicular ao plano D e que se estende da sombra de ponto superior 2 134 para o plano D. A segunda perna do triângulo retângulo pode ser definida pela projeção da hipotenusa G no plano D.

O comprimento da primeira perna R, que é uma distância entre a sombra de ponto superior 2 134 e o plano D, pode ser determinado por uma multiplicação escalar do vetor n perpendicular normalizado do plano D e do vetor r.

Nesse caso, o produto dessa multiplicação escalar pode ser expresso nos termos das coordenada da "sombra de ponto superior 2 134" conforme ilustrado na equação (9) abaixo:

Ademais, o cosseno do ângulo <p entre o vetor r e o vetor b pode ser expresso como:

Consequentemente, o comprimento da hipotenusa G pode ser determinado dividindo-se o comprimento da primeira perna R pelo cosseno do ângulo entre a primeira perna R e a hipotenusa G:

A fim de encontrar as coordenadas do ponto de cruzamento em que a linha 118 intercepta o plano D, um vetor L que se estende ao longo da linha 118 pode ser definido a partir da sombra de ponto superior 2 134 e um comprimento de G:

Essas coordenadas definem um dos pontos finais do segmento S. a fim de encontrar as coordenadas do segundo ponto final do segmento S, cálculos similares podem ser realizados. Em uma modalidade, um plano pode ser definido ao longo da linha 118 e encontrando o ponto de cruzamento desse plano da linha 116. Em uma modalidade, após definir os pontos finais do segmento S, o posicionamento da fonte de raio x 102 pode ser aproximado para ser localizado no meio do segmento S e calculado como a média dessas coordenadas:

Deve ser apreciado que em outras modalidades, a localização aproximada da fonte de raio x 102 pode ser qualquer lugar entre os pontos finais do segmento S. Deve ser apreciado adicionalmente que, embora o modelo matemático exemplificativo discutido acima forneça um método eficaz e preciso de aproximar a localização da fonte de raio x 102, outros modelos adequados de acordo com os princípios da presente invenção podem também ser usados para aproximar a localização da fonte de raio x 102.

Deve ser apreciado que a radiografia revelada na presente invenção pode ser uma radiografia digital e as coordenadas podem ser inicialmente escaladas por pixels da radiografia digital. A radiografia digital pode ser recebida originalmente no formato digital ou pode ser digitalizada a partir de uma imagem de raio x em um filme fisico. Nas modalidades em que a radiografia foi recebida originalmente no formato digital, um fator de escala para converter a quantidade de pixels em uma distância mensurável pode ser predeterminado. Nas modalidades em que a radiografia foi digitalizada a partir de uma imagem de raio x em um filme fisico, as coordenadas do sistema de coordenada 128, entretanto, podem ser convertidas em uma escala de comprimento mensurável identificando-se um fator de escala entre a quantidade de pixels e o comprimento que cada pixel representa. Em uma modalidade exemplificativa, o fator de escala pode ser encontrado medindo-se a distância 112 entre o ponto inferior 124 e um ponto de escala 132 e a quantidade de pixels entre esses dois pontos.

Ademais, em algumas modalidades, uma distância apreciável pode existir entre os padrões de referência inferiores (124, 132, 140, 142) e a superfície real do imageador 108. Isso pode ser o caso se o marcador de referência 106 não for diretamente montado no imageador 104 ou se os padrões de referência 14 não forem dispostos próximos à superfície inferior do marcador 106. Essa situação pode também surgir quando um cassete de raio x é posicionado a uma distância mensurável abaixo da superfície superior do imageador 104. Nessa situação, os marcadores de referência que têm mais de um padrão de referência na superfície inferior podem ser utilizados (por exemplo, o marcador retratado na Figura 1C) . A radiografia desses marcadores de referência pode ser usada para determinar a ampliação (se houver alguma) da radiografia correspondente. Após determinar o fator de escala conforme discutido acima, técnicas de trigonometria e triangulação conhecidas podem ser usadas juntamente com o fator de escala predeterminado ou calculado pode ser usado para calcular a distância entre a superfície inferior dos marcadores e o plano real do imageador 108 e a razão de ampliação.

A técnica descrita acima pode ser implantada com o uso de diferentes tipos e quantidade de marcadores 106. Por exemplo, em uma modalidade em que o fator de calibração é determinado sem usar um marcador, os marcadores 106 podem compreender um par dos marcadores 10 retratado na Figura IB, em que cada um dos marcadores 10 compreende somente dois padrões de referência 14. Ademais, ao invés de usar um par de marcadores (106, 107), um marcador 106 configurado conforme ilustrado na Figura 1 A pode ser usado. 0 marcador 10 na Figura IA inclui um primeiro padrão de referência 14 próximo à superfície de um imageador 104 quando o marcador 10 é disposto no imageador 104 . Tal primeiro padrão de referência 14 definiria um ponto inferior 124 ou 140 conforme discutido acima. Já que cada um dos três padrões de referência 14 em tal marcador é colocado em distâncias conhecidas um do outro, os outros dois padrões de referência 14 definiriam dois pontos superiores (122, 138) em relação ao ponto inferior 124 ou 140 e esses dois pontos superiores (122, 138) podem ser usados para determinar a posição da fonte de raio x 102. Consequentemente, pela triangulação das sombras (134, 136) projetadas por esses padrões de referência 14, dois vetores correspondentes 116 e 118 que são apontados na direção da fonte de raio x 102 podem ser determinados conforme mostrado na Figura 2E. Identificando-se a interseção desses dois vetores, a posição 3D da fonte de raio x 102 pode ser calculada conforme discutido acima.

Em uma modalidade exemplificativa, as primeira e segunda radiografias são radiografias digitais ou geradas diretamente com o uso de um computador (não mostrado) ou convertidas a partir de radiografias convencionais com o uso de técnicas conhecida na técnica, tal como varredura das radiografias no computador ou com o uso de uma caneta digital para rastrear as projeções nas radiografias. Em algumas modalidades, o computador compreende uma unidade de memória para receber e armazenar as radiografias e um controlador operável para criar um modelo de três dimensões do objeto retratado nas radiografias em um espaço 3D conforme discutido abaixo. Os exemplos adicionais de sistemas adequados para fornecer as primeira e segunda radiografias digitais são descritos abaixo em relação à Figura 12.

Uma vez que a localização 3D da fonte de raio x 102 nas primeira e segunda orientações de imageamento (120, 150) foi identificada, uma variedade de técnicas diferentes pode ser usada para criar um modelo 3D do objeto imageado. De acordo com uma modalidade, a quantidade de deslocamento angular sobre o eixo geométrico de imageamento I entre a primeira orientação de imageamento 120 e a segunda orientação de imageamento 150 é conhecida. As ilustrações que correspondem a essa modalidade são retratadas nas Figuras 3A a 3G. A Figura 3A retrata objetos 101 que estão sendo imageados em duas orientações (120, 150). As imagens nas duas orientação relativas (120, 150) podem ser preparadas ou girando o objeto imageado 101 sobre um eixo geométrico de imageamento I pelo deslocamento angular a ou girando a fonte de raio x e o imageador sobre o eixo geométrico de imageamento I por um deslocamento angular a. Preferencialmente, mas não exigido, o eixo geométrico de imageamento I é paralelo ao plano do imageador de raio x (não mostrado) na primeira orientação 120 e ao plano do imageador de raio x na segunda orientação 150. Criar essas imagens em duas orientações resultará em duas radiografias (302, 304) que correspondem às orientações 120, 150, respectivamente. São também mostradas na Figura 3A as posições relativas das fontes de raio x 102 em relação às radiografias (302, 304). As posições 3D dessas fontes de raio x 102 podem ser determinadas com base nas sombras criadas pelos marcadores de referência nas radiografias (302, 304), conforme descrito acima ou por quaisquer outras tecnologias conhecidas na técnica, tal como medir fisicamente a posição da fonte de raio x 102 em relação ao imageador 104.

Outra etapa na criação de um modelo 3D dos objetos 101 é determinar o esboço dos objetos imageados 101 nas radiografias. Esse conceito é retratado na Figura 3B, em que os esboços do objeto imageado na primeira radiografia 302 foram identifiçados como esboços 303. Similarmente, os esboços do objeto imageado na segunda radiografia 304 foram identificados como esboços 305. Em que as radiografias são imagens digitais armazenadas em um sistema de computador, esse processo pode ser realizado automaticamente usando-se o software de processamento de imagem. De acordo com outra modalidade, esse processo pode ser realizado manualmente rastreando-se o esboço do objeto imageado nas radiografias com um mouse, uma caneta ou qualquer outro dispositivo de rastreamento. Após determinar o esboço do objeto imageado e a posição 3D da fonte de raio x 102, uma projeção do esboço do objeto imageado pode ser criada. A projeção do objeto esboço 303 na primeira orientação 120 é retratado na Figura 3B pelas linhas de projeção 308, que passam do esboço 303 na primeira radiografia 302 para a posição 3D da fonte de raio x 102 na primeira orientação 120. Similarmente, a projeção do objeto esboço 305 na segunda orientação 150 é retratado na Figura 3B pelas linhas de projeção 306, que passam do esboço 305 na segunda radiografia 304 para a posição 3D da fonte de raio x 102 na segunda orientação 150.

Uma vez que as projeções dos objetos imageados foram criadas para as primeira e segunda orientações (120, 150), a posição relativa das orientações (120, 150) uma em relação à outra pode ser usada para determinar como essas posições se interceptam. Isso pode ser feito em uma variedade de modos. De acordo com uma modalidade, as projeções 3D podem ser combinadas em um único quadro de referência 3D que corresponde ao quadro de referência x, y, z 350 retratado nas Figuras 3A a 3E. A origem para o quadro de referência x, y, z 350 pode ser localizada ao longo do eixo geométrico de imageamento I no ponto 301 em que os raios x da fonte de raio x 102 na primeira orientação 120 interceptam o eixo geométrico de imageamento ortogonalmente e os raios x da fonte de raio x 102 na segunda orientação 150 interceptam o eixo geométrico de imageamento ortogonalmente. Conforme discutido acima, nesse quadro de referência 350, o ângulo a corresponde ao deslocamento angular entre as duas orientações (120, 150) sobre o eixo geométrico x ou o eixo geométrico de imageamento I. esse ângulo pode ser determinado em uma variedade de modos. Na modalidade em que a fonte de raio x 102 e o imageador 104 são estacionários e o objeto é girado, o ângulo a corresponde à quantidade de rotação do objeto sobre o eixo geométrico x ou o eixo geométrico de imageamento I, conforme mostrado nas Figuras 2A, 2B e 3A. Em uma modalidade alternativa em que o objeto permanece estacionário, mas a fonte de raio x 102 e o imageador 104 são girados sobre o objeto, o ângulo a corresponde à quantidade de rotação da fonte de raio x 102 e o imageador 104 sobre o eixo geométrico de imageamento I mostrado nas Figuras 2A, 2B e 3 A. Ao girar a fonte de raio x 102 e o imageador 104 sobre os objetos imageados 101, pode ser preferencial, mas não exigido, que a posição da fonte de raio x 102 seja fixa em relação à posição do imageador 104. Ademais, pode ser preferencial, mas não exigido, que as radiografias (302, 304) sejam tiradas em orientações (120, 150) que sejam substancialmente ortogonais uma em relação à outra. Com o uso do deslocamento angular a e das projeções dos esboços descritos acima, as posições relativas das radiografias (302, 304) e suas projeções correspondentes podem ser alinhadas uma à outra.

Os ângulos β e y correspondem ao deslocamento angular da primeira radiografia 302 em relação às segundas radiografias 304 sobre os eixos z e y, respectivamente. Conforme discutido acima, em algumas modalidades, as primeira e segunda orientações relativas 120 e 150 são substancialmente ortogonais uma em relação à outra e nessas modalidades, ângulos β e y pode ser substancialmente zero. Nas modalidades em que as primeira e segunda orientações relativas 120 e 150 não são substancialmente ortogonais, as primeira e segunda radiografias (302, 304) podem ser alinhadas adicionalmente nos ângulos β e y com o uso de uma variedade de abordagens, incluindo as abordagens iterativas s serem descritas na presente invenção. Deve ser apreciado que embora seja opcional alinhar as radiografias (302, 304) aos ângulos β e y, fazer isso pode permitir um modelo 3D mais preciso do objeto 101.

A Figura 3C ilustra que as radiografias (302, 304) dos objetos imageados 101, assim como as projeções de objeto 3D dos objetos imageados 101, podem ser interceptadas por uma pluralidade de planos, incluindo os planos 310, 312 e 314. Cada um desses planos passa através de uma primeira posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à localização da fonte de raio x 102 na primeira orientação 120 e uma segunda posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à localização da fonte de raio x 102 na segunda orientação 150. A Figura 3C também retrata um eixo geométrico de inclinação 316 que passa entre as primeira e segunda posições 3D no quadro de referência 3D. Cada um dos planos 310, 312, e 314 tem uma inclinação diferente sobre o eixo geométrico de inclinação 316, de tal modo que interceptem os esboços do objeto imageado 101 nas primeira e segunda radiografias (302, 304). A localização das interseções entre o plano 310 e os esboços de imagem nas primeira e segunda radiografias (302, 304) é marcada com os pontos 318. A localização das interseções entre o plano 312 e os esboços de imagem nas primeira e segunda radiografias (302, 304) é marcada com os pontos 320. A localização das interseções entre o plano 314 e os esboços de imagem nas primeira e segunda radiografias (302, 304) é marcada com os pontos 322.

Na Figura 3D, cada um dos pontos de interseção 318, 320 e 322 é conectado à localização da fonte de raio x 102 no quadro de referência 3D 350 nas orientações correspondentes (120, 150). Consequentemente, os pontos de interseção 318, 320 e 322 na radiografia 302 são conectados por linhas 324 à primeira localização 3D no quadro de referência 3D 350, que corresponde à localização da fonte de raio x 102 na primeira orientação 120. Similarmente, os pontos de interseção 318, 320 e 322 na radiografia 304 são conectados pelas linhas 326 à segunda localização 3D no quadro de referência 3D 350, que corresponde à localização da fonte de raio x 102 na segunda orientação 150. As quatro linhas que interceptam o conjunto de pontos 318 nas primeira e segunda radiografias (302, 304) também se interceptam para formar um poligono 328 no quadro de referência 3D 350. Similarmente, as quatro linhas que interceptam o conjunto de pontos 320 nas primeira e segunda radiografias (302, 304) também se interceptam para formar um poligono 328 no quadro de referência 3D 350. Ademais, as quatro linhas que interceptam o conjunto de pontos 322 nas primeira e segunda radiografias (302, 304) também se interceptam para formar um poligono 328 no quadro de referência 3D 350.

Na Figura 3E, o processo de definir os poligonos 328 pode se repetir por um ou mais planos alinhados com o eixo geométrico de inclinação 316 até uma resolução suficiente ser alcançada ou nenhuma mais interseção com os objetos imageados 101 ser identificada. Cada um desses poligonos 328 corresponde à interseção entre as projeções de objeto 3D nas primeira e segunda orientações (302, 304) no quadro de referência 3D 350.

Após criar uma série de poligonos 328 que corresponde às interseções das projeções 3D, os poligonos 328 podem ser convertidos em curvas fechadas (por exemplo, elipses) 330 que correspondem ao formato de seção transversal dos objetos imageados 101 retratados na Figura 3F. É preferencial, mas não exigido que o formato geral e a orientação dos objetos imageados 101 sejam conhecidos antes de converter a série de polígonos 328 em curvas fechadas 330. Por exemplo, se o objeto imageado, tal osso, tem um formato de seção transversal geralmente elíptico, então o polígono 328 pode ser substituído pelas curvas fechadas 330, tal como elipses, que são localizadas dentro de cada polígono. Por outro lado, se o objeto imageado tem um formato não simétrico, então outras informações sobre o objeto imageado (por exemplo, seu formato, seção transversal, orientação, etc.) podem ser usadas para criar um modelo 3D preciso do objeto. Uma vez que os polígonos 328 foram substituídos por formatos correspondentes (por exemplo, curvas fechadas ou elipses) 330, uma superfície que conecta esses formatos pode ser preparada. Essa superfície pode representar um modelo 3D preciso 332 do objeto imageado, conforme mostrado na Figura 3G. Em algumas modalidades, a precisão do modelo 3D 332 pode ser melhorada modificando-se o modelo 332 de acordo com os formatos conhecidos armazenados em uma biblioteca de imagens.

Conforme discutido acima, se as primeira e segunda orientações relativas 120 e 150 não forem substancialmente ortogonais, os ângulos β e y podem ser determinados com o uso da abordagem iterativa em concordância com os princípios da presente invenção. Em uma modalidade exemplificativa, as radiografias (302, 304) podem ser orientadas nos ângulos β e y primeiro alinhando- se as radiografias (302, 304) a um α conhecido e, então, criando vários modelos de teste 3D dos objetos imageados 101 alinhando-se as radiografias (302, 304) a vários ângulos β e y e finalmente identificando um modelo 3D que produziria projeções 2D que correspondem substancialmente aos esboços do objeto imageado 101 nas primeira e segunda radiografias 302 e 304. Os modelos de teste dos objetos 101 podem ser criados de acordo com a abordagem descrita acima em relação às Figuras 3C a 3G para fornecer melhor precisão. Deve ser apreciado, entretanto, que vários modelos de teste podem ser gerados de acordo com qualquer tecnologias de modelagem adequada conhecida na técnica.

De acordo com outra modalidade, um modelo 3D de um objeto pode ser criado em um quadro de referência fixo mesmo quando o deslocamento angular α entre duas orientações de imageamento (120, 150) não é conhecido. As ilustrações que correspondem a essa modalidade são retratadas nas Figuras 3A a 3G. Muito parecido com o processo descrito anteriormente em que o deslocamento angular α é conhecido, duas radiografias são preparadas para o objeto em diferentes orientações. Cada uma dessas radiografias inclui uma imagem do objeto 101 e uma imagem de pelo menos um marcador de referência (por exemplo, 106, 107) que tem pelo menos dois padrões de referência (por exemplo, 122, 124, 132, 138, 140, 142). Adicionalmente, as radiografias também incluem uma imagem de pelo menos um marcador de objeto 402 fixado ao objeto 101. 0 pelo menos um marcador de objeto 402 pode ser fixado ao objeto 101 direta ou indiretamente e a quantidade do marcador de objeto 402 pode variar dependendo da quantidade de padrões de referência que cada um contém. Em uma modalidade exemplificativa, um total de pelo menos três padrões de referência são incluidos no pelo menos um marcador de objeto 402. Os pelo menos três padrões de referência podem ser incluidos em um marcador de objeto 402 ou distribuídos entre uma pluralidade de marcadores de objeto 402, tal como dois ou três marcadores de objeto 402. Em outra modalidade exemplificativa, um total de quatro ou mais padrões de referência é incluido no pelo menos um marcador de objeto 402 e os quatro ou mais padrões de referência podem ser incluidos em um marcador 402 ou distribuídos entre uma pluralidade de marcadores de objeto 402, tal como dois, três, quatro ou mais dependendo da quantidade especifica de padrões de referência.

Uma variedade de diferentes marcadores de objeto 402 pode ser usada consistente com as modalidades reveladas. Um exemplo representativo de um marcador de objeto 402 é retratado na Figura 4A. Na Figura 4A, o marcador de objeto 402 compreende um padrão de referência 404, que pode estar no formato de uma esfera e o padrão de referência 404 pode ser montado em uma coluna 406 que pode ser fixada ao objeto 101 em uma variedade de modos. Em um exemplo, a coluna 406 pode ser configurada para incluir uma ponta roscada 408 que permite o acoplamento fácil com um osso (não mostrado) . Conforme ilustrado na Figura 4 A, em algumas modalidades, a coluna 406 pode incluir padrões de referência adicionais 404 que podem ter o mesmo tamanho ou tamanhos diferentes. Os padrões de referência 404 de um formato esférico pode ser preferencial, mas não exigido. Deve ser apreciado que o padrão de referência 404 pode ser feito de um material rádio-opaco que permitiria que esse fosse prontamente identificável em uma imagem de raio x. Em uma modalidade alternativa, o marcador 402 pode ser feito de um material rádio-opaco e o padrão de referência 404 pode ser uma porção translúcida no marcador 402. Por exemplo, o marcador 402 pode incluir um orificio definido através do mesmo que corresponde a um padrão de referência 404. Devido ao contraste na rádio-opacidade, o orificio definido pode ser prontamente identificável em uma imagem de raio x do marcador 402. Deve ser apreciado que essa configuração pode ser incorporada em qualquer uma das modalidades discutidas na presente invenção.

Uma modalidade alternativa de um marcador de objeto 402 é retratada na Figura 4B. Na Figura 4B, o marcador de objeto 402 compreende três padrões de referência 410, 412 e 414, que podem ter preferencialmente o formato de uma esfera. Os três padrões de referência 410, 412 e 414 podem ser preferencialmente montados em uma placa radiotranslúcida 416 a uma distância fixa x (por exemplo, 6,0 cm) um do outro. De acordo com ainda outra modalidade, os tamanhos dos padrões de referência 410, 412 e 414 têm uma razão fixa um em relação ao outro. Por exemplo, na Figura 4B, o padrão de referência 410 tem um diâmetro de tamanho y (por exemplo, 0,5 cm), enquanto o padrão de referência 412 tem um diâmetro de tamanho 2y (por exemplo, 1,0 cm) e o padrão de referência 414 tem um diâmetro de tamanho 3y (por exemplo, 1,5 cm). Alternativamente, cada um dos padrões de referência pode ter formatos ou graus variáveis de rádio-opacidade, de tal modo que cada um dos padrões de referência pode ser individualmente identificado. De acordo com outra modalidade, o marcador de objeto pode ser incluído em qualquer um dentre uma variedade de dispositivos ortopédicos adequados. Os exemplos de dispositivos ortopédicos adequados incluem fixadores circulares ou monolaterais externos, pregos intramedulares, parafusos e placas. Cada um desses dispositivos ortopédicos pode incluir porções rádio-opacas que têm dimensões fixas e separadas a distâncias conhecidas, que podem ser eficazes como marcadores de objeto. Em alguma modalidade, o próprio dispositivo ortopédico pode ser usado como um marcador de objeto 402.

Uma ilustração dos objetos 101 com marcadores de objeto representativos 402 fixados aos mesmo é retratada na Figura 4C. Na Figura 4C, cada um dos objetos imageados 101 inclui quatro marcadores de objeto 402 fixados ao mesmo e cada um desses marcadores de objeto 402 inclui um padrão de referência 404. De acordo com uma primeira abordagem de usar o marcador de objeto 402 para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro de referência fixo, a quantidade e tipo do marcador de objeto 402 pode variar contanto que haja pelo menos três padrões de referência 404 direta ou indiretamente ligados a pelo menos um dos objetos imageados 101. Por exemplo, em uma modalidade, um marcador de objeto 402 pode compreender três padrões de referência 404. Em outra modalidade exemplificativa, dois marcadores de objeto 402 podem ser usados, sendo que cada um compreende dois padrões de referência 404. Em ainda modalidade exemplificativa, três marcadores de objeto 402 podem ser usados, sendo que cada um compreende um padrão de referência 404. Embora três padrões de referência 404 possam ser usados em algumas modalidades, deve ser apreciado que as modalidades que usam quatro ou mais padrões de referência 404 podem ser mais desejáveis por razões a serem discutidas abaixo. Deve ser apreciado adicionalmente que de acordo com a primeira abordagem de usar o marcador de objeto 402 para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro de referência fixo, as posições dos padrões de referência 404 uma em relação à outra são determinadas. Em uma modalidade exemplificativa, medições podem ser tomadas para determinar o comprimento e orientação dos segmentos entre os padrões de referência 404. Em outra modalidade, os marcadores de objeto 402 podem ser colocados em orientações predeterminadas de tal modo que as posições dos padrões de referência 404 uma em relação à outra possam ser predeterminadas. Como tal, os segmentos entre os padrões de referência 404 podem ser determinados matematicamente.

Na modalidade retratada na Figura 4C, as imagens dos marcadores de objeto 402 são retratadas nas radiografias correspondentes 302 e 304. Após receber as radiografias, a posição 3D da fonte de raio x 102 em relação ao imageador de raio x 104 pode ser determinada para cada orientação de imageamento (120, 150) em concordância com os princípios revelados na presente invenção. Particularmente, essas determinações podem ser baseadas no uso dos marcadores de referência e padrões de referência do mesmo modo que é descrito em relação às modalidades anteriores. Similarmente, os esboços dos objetos imageados 101 e pontos de sombra 406 dos padrões de referência 404 nas primeira e segunda radiografias (302, 304) podem ser identificados com o uso das mesmas técnicas na modalidade anterior. Nesse ponto, diferentes etapas podem ser utilizadas para preparar um modelo 3D dos objetos imageados 101 com o uso dos marcadores de objeto 402 e dos padrões de referência 404.

Geralmente, a primeira abordagem de usar o marcador de objeto 402 para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro de referência fixo inclui construir linhas de projeção 410 que conectam os pontos de sombra 406 nas radiografias (302, 304) e a localização da fonte de raio x 102 em suas respectivas orientações de imageamento (120, 150), conforme retratado na Figura 4D. As posições 3D dos padrões de referência 404 em relação a cada radiografia (302, 304) podem ser determinadas matematicamente com base nas orientações das linhas de projeção 410 e nos segmentos predeterminados entre os padrões de referência 404. Por sua vez, o deslocamento angular α entre as duas orientações de imageamento 120 e 150 pode ser determinado alinhando-se as posições 3D dos padrões de referência 404 em um quadro de referência fixo. Uma vez que o ângulo de deslocamento α tiver sido identificado, o processo de criar um modelo 3D do objeto imageado pode prosseguir da mesma maneira que foi descrita em relação às Figuras 3C a 3G.

Deve ser apreciado que a determinação das posições 3D dos padrões de referência 404 em relação a cada radiografia (302, 304) pode ser realizada de acordo com uma variedade de abordagens matemáticas. Uma abordagem matemática exemplificativa é explorada com referência à Figura 4E. Conforme discutido acima, o(s) marcador(es) (não mostrado(s)) pode(m) ser fixo(s) a um objeto (não mostrado) de tal maneira que as posições dos três padrões de referência 404 um em relação ao outro possam ser determinadas. Na modalidade ilustrada na Figura 4E, os pontos de sombra 406 dos padrões de referência 404 na radiografia 304 podem ser usados para construir as linhas de projeção 410, que podem cooperar geometricamente para formar uma pirâmide de três lados. Adicionalmente, já que as posições dos padrões de referência correspondentes 404uma em relação à outra foram predeterminadas, as dimensões de um triângulo 408 formado conectando-se as posições 3D dos padrões de referência 404 podem também ser matematicamente determinadas. Como tal, os seguintes elementos geométricos podem ser estabelecidos conforme mostrados na Figura 4E: coordenadas (L) da fonte de luz 102, coordenadas (K, M, N) dos pontos de sombra 406 e os comprimentos das pernas (a, b, c) do triângulo 408 . Para determinar a posição 3D e orientação do triângulo 408, a abordagem exemplificativa da Figura 4E pode incluir girar e "mover" o triângulo 408 dentro da pirâmide até alcançar uma posição em que as dimensões do triângulo 408 e o contorno externo da pirâmide coincidam. Com base nas técnicas de trigonometria e triangulação conhecidas, a posição do triângulo 408 pode corresponder à solução para o seguinte sistema de equação:

em que, os ângulos KLM, MLN, KLN correspondem a α, β e Y, respectivamente e x, y, z correspondem à distância entre a fonte de luz e os padrões de referência 404. Matematicamente, esse sistema de equações tem 8 soluções diferentes, mas algumas das mesmas podem incluir números complexos e negativos e, assim, podem ser eliminadas. Como tal, pode haver duas soluções restantes que podem refletir corretamente a posição dos padrões de referência 404. É, entretanto, dificil determinar matematicamente qual das duas soluções estantes é correta. Em uma modalidade, os modelos 3D do objeto de imagem com base em ambas as soluções podem ser apresentados a uma pessoa que pode, então, determinar visualmente e selecionar o modelo que coincide com a orientação do objeto imageado. Em aplicação ortopédica, a pessoa que seleciona o modelo correspondente pode ser um médico.

Para agilizar mais o processo de modelagem, o envolvimento de uma pessoa para selecionar um modelo correto conforme discutido acima pode ser reduzido ou eliminado de acordo com as abordagens reveladas em relação às Figuras 4F e 4G. Geralmente, o modelo matemático discutido acima pode ser modificado para incluir a consideração de padrões de referência adicionais. De acordo com a abordagem ilustrada, um padrão de referência extra 404 é usado de tal modo que haja quatro padrões de referência 404 usados ao invés de três e, como um resultado, quatro pirâmides de três lados diferentes podem ser construídas com base em quatro conjuntos diferentes de pontos de sombra tripletos 406. Para cada pirâmide de três lados, diversas podem ser disponíveis. Em uma modalidade, as diferentes soluções podem ser comparadas umas às outras e uma solução final pode ser escolhida de acordo com uma medição matemática conhecida na técnica. Por exemplo, a solução que tem o menor desvio de outras soluções pode ser escolhida para determinar as posições 3D dos padrões de referência 404 em relação à radiografia 304. Em outro exemplo, uma média de todas as soluções pode ser escolhida para determinar as posições 3D dos padrões de referência 404 .

As abordagens discutidas acima podem ser repetidas para determinar as posições 3D dos padrões de referência 404 em relação à outra radiografia 302. Fazendo- se isso, as posições 3D dos padrões de referência 404 podem ser determinadas em relação a dois diferentes sistemas de coordenada de acordo com a abordagem acima. Além disso, alinhando-se os padrões de referência nos dois sistemas de coordenada, a orientação de translação e rotacional (x, y, z, α, β, y) das primeira e segunda radiografias pode ser determinada em um único quadro de referência fixo conforme ilustrado na Figura 4D. Em algumas modalidades, determinando-se as posições 3D dos padrões de referência 404 em um quadro de referência fixo e dada a orientação relativa predeterminada dos padrões de referência 404 para o objeto em espaço 3D, a posição 3D do objeto pode agora ser determinada no quadro de referência fixo.

Deve ser apreciado que embora as abordagens exemplificativas acima possam ser implantadas com o uso de três ou quatro padrões de referência 404 para fornecer um método eficaz e preciso de considerar a orientação de translação e rotacional (x, y, z, a, β, y) da primeira radiografia 302 em relação à segunda radiografia 304, outras quantidades do padrões de referência 404 podem ser usadas em outras abordagens em concordância com o princípio da presente invenção. Para permitir uma melhor precisão e/ou exatidão, cinco ou mais padrões de referência podem ser usados. Por exemplo, oito padrões de referência podem ser usados em uma modalidade conforme mostrado na Figura 4C. Em tal caso, pode haver 56 combinações de tripletos de padrão de referência. Com pelo menos duas soluções possiveis para cada combinação, pode haver pelo menos 112 soluções possiveis diferentes para as posições dos padrões de referência 404. Uma solução final pode ser escolhida de acordo com o seguinte algoritmo exemplificative, que tem base em uma análise matemática de todas as posições possíveis dos padrões de referência 404: 1) Determinar todas as posições 3D potenciais de cada padrão de referência 404 com base em todas as soluções possíveis obtidas conforme discutido acima 2) Determinar as posições 3D médias de cada padrão de referência 404 3) Determinar os desvios de todas as posições 3D potenciais de cada padrão de referência 404 da respectiva posição 3D média determinada na etapa 2 4) Identificar uma posição 3D menos provável que corresponde à posição 3D que desvia mais da respectiva posição 3D média determinada na etapa 5) Eliminar a solução que resultou a posição 3D menos provável 6) Repetir as etapas 1 a 5 até o desvio de cada posição 3D potencial restante dos padrões de referência 404 tem um desvio da respectiva posição 3D média ser menos que um critério (por exemplo, 2 mm, 5 mm, 10 mm, etc.) 7) Aproximar a posição 3D de cada padrão de referência 404 para ser a média de cada posição 3D potencial restante dos padrões de referência 404

Deve ser apreciado que o algoritmo acima permite uma aproximação precisa para as posições dos padrões de referência 404 e pode ser modificado em concordância com os principios discutidos no presente documento e qualquer tecnologia matemática conhecida na técnica. Por exemplo, em uma modalidade exemplificativa, o algoritmo pode ser modificado para incluir adicionalmente determinar a variação entre as posições possiveis de cada padrão de referência 404 e eliminar as soluções potenciais com base nos desvios tanto da média quanto da variação.

É discutida acima uma abordagem exemplificativa de usar o pelo menos um marcador de objeto 402 e os padrões de referência 404 para criar um modelo de objetos 101 em um quadro de referência fixo mesmo quando o deslocamento angular α entre as duas orientações de imageamento (120, 150) não é medido ou predeterminado. Em algumas modalidades, o objeto 101 e o pelo menos um marcador de objeto podem ser acoplados a um dispositivo ortopédico e o dispositivo pode ser imageado juntamente com o objeto 101 para modelar a orientação do dispositivo no espaço 3D. O dispositivo pode ser qualquer tipo de aparelhos, preferencialmente, aqueles operáveis para fornecer suporte estrutural para o objeto 101 e as Figuras 5A a E ilustram diversas modalidades exemplificativas do dispositivo. É mostrada na Figura 5 A uma placa de osso 600 que compreende um corpo 602 e pelo menos um parafuso 604 para fixação ao objeto 101. O corpo 602 pode compreender adicionalmente marcadores de objeto 650 dispostos em uma porção final e/ou porção superior do corpo 602. Os marcadores de objeto 650 podem também ser dispostos na cabeça de um ou mais parafusos 604 conforme mostrado na Figura 5A. Os marcadores de objeto 650 podem ser qualquer marcador de objeto descrito na presente invenção ou conhecido na técnica e podem incluir uma quantidade adequada de padrões de referência (não mostrados) para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção. Em uma modalidade alternativa, a placa de osso 600 pode servir como um marcador de objeto e um médico pode determinar manualmente o esboço da placa de osso 600 em uma radiografia. É mostrado na Figura 5B um fixador externo monolateral 610 que compreende um corpo telescópio ou rigido 612, cujo comprimento pode ser ajustável e garras de fixação de pino 614. O corpo 612 pode ser fixado ao objeto 101 com o uso de uma pluralidade de pinos 616. O corpo 612 pode incluir adicionalmente marcadores 650 para indicar as dimensões do corpo 612 e/ou para definir a orientação do corpo 612 conforme discutido com referência à Figura 5 A. Em uma modalidade exemplificativa, os marcadores 650 incluem uma quantidade adequada de padrões de referência (não mostrados) para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção. Em uma modalidade, os marcadores 650 incluem quatro padrões de referência no total. Em uma modalidade alternativa, o fixador externo monolateral 610 pode servir como um marcador de objeto e um médico pode determinar manualmente o esboço do fixador externo monolateral 610 em uma radiografia. A Figura 5C ilustra um aparelho 620 similar a um prego intramedular usado em aplicações ortopédicas. O dispositivo 620 compreende um corpo 622 operável para ser disposto substancialmente dentro do objeto 101. O corpo 622 pode ser acoplado ao objeto 101 com o uso de parafusos 624. O corpo 622 pode incluir marcadores 650 que incluem uma quantidade adequada de padrões de referência (não mostrados) para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção. Em uma modalidade, os marcadores 650 incluem quatro padrões de referência no total. Em uma modalidade alternativa, o aparelho 620 pode servir como um marcador de objeto e um médico pode determinar manualmente o esboço do aparelho 620 em uma radiografia. A Figura 5D ilustra um fixador circular 630 similar ao dispositivo TRUE/LOK descrito na Patente n- U.S. 5.681.309 que é incorporada no a titulo de referência presente documento. O dispositivo 630 compreende pelo menos dois anéis. Os anéis 632 são conectados por duas hastes roscadas 636 e um braço ajustável 634. O objeto 101 pode ser acoplado aos anéis 632, que podem aplicar uma variedade de forças no objeto 101. As hastes roscadas 636, cada uma, compreendem uma articulação 638 operável para fornecer ajustes angulares enquanto o braço ajustável 634 é operável para fornecer os ajustes translacionais. Os anéis 632 podem compreender marcadores 650 para definir a orientação do aparelho 630 conforme discutido com referência à Figura 5A. Em uma modalidade, quatro marcadores 650 são dispostos diametralmente em um dos anéis 632. Como tal, os quatro marcadores 650 podem ser usados para definir o esboço circular do anel 632 em uma radiografia e o centro do anel 632. A posição do centro do outro anel 632 pode ser determinada com base na configuração conhecida do braço ajustável 634 e as hastes roscadas 636. Em uma modalidade exemplificativa, os marcadores 650 incluem uma quantidade adequada de padrões de referência (não mostrados) para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção. Em uma modalidade alternativa, o fixador circular 630 pode servir como um marcador de objeto e um médico pode determinar manualmente o esboço do fixador 630 em uma radiografia. A Figura 5E ilustra um aparelho do tipo hexápode 640, que compreende os primeiro e segundo anéis 642 e 644 das primeira e segunda dimensões e uma pluralidade de escoras 646. Na modalidade mostrada na Figura 5E, os primeiro e segundo anéis 642 e 644 são anéis de fixador idênticos. Em algumas modalidades, dependendo das aplicações especificas, anéis de outros formatos e tamanho podem também ser usados em concordância com os princípios revelados no presente documento. Em algumas modalidades, os primeiro e/ou segundo anéis (642, 644) podem compreender marcadores 650 para definir a orientação dos primeiro e segundo anéis (642, 644) conforme discutido com referência à Figura 5D. Em uma modalidade exemplificativa, os marcadores 650 incluem uma quantidade adequada de padrões de referência (não mostrados) para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção. Em uma modalidade alternativa, o utensílio 640 pode servir como um marcador de objeto e um médico pode determinar manualmente o esboço do utensílio 640 em uma radiografia.

Deve ser apreciado que as modalidades ilustradas nas Figuras 5A a E são apenas exemplificativas e podem ser modificadas de acordo com vários fatores de projeto revelados no presente documento ou conhecidos na técnica.

Deve ser apreciado adicionalmente que em algumas modalidades um marcador de objeto pode não incluir um padrão de referência. Em uma modalidade exemplificative, um dispositivo ortopédico acoplado ao objeto 101 pode ser usado como um marcador de objeto. Após o dispositivo ortopédico ser imageado nas radiografias juntamente com o objeto 101, o esboço do dispositivo ortopédico pode ser determinado ou manualmente ou com o uso de um software gráfico adequado. Por exemplo, um médico pode esboçar manualmente o dispositivo ortopédico e inserir tais informações em um computador. Em outra modalidade, o esboço do dispositivo ortopédico pode ser gerado automaticamente pelo software de reconhecimento de padrão. O esboço do dispositivo ortopédico pode, por sua vez, ser usado para determinar um modelo 3D do objeto 101 em concordância com a presente invenção conforme discutido em relação às Figuras 5A a E.

Conforme ilustrado em relação às Figuras 4 e 5, a abordagem descrita acima é direcionada para usar as posições predeterminadas dos padrões de referência 404 um em relação ao outro para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro fixo. Deve ser apreciado, entretanto, que outras abordagens podem ser usadas para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro fixo sem predeterminar ou usar as posições dos padrões de referência 404 uma em relação à outra. De acordo com outra abordagem exemplificativa de usar os marcadores de objeto 402 e padrões de referência 404 para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro fixo, duas radiografias (302, 304) são preparadas dos objetos 101 em diferentes orientações relativas (120, 150). Cada uma dessas radiografias (302, 304) inclui uma imagem dos objetos 101 e uma imagem do pelo menos um marcador de referência (por exemplo, 106, 107) que tem pelo menos dois padrões de referência (por exemplo, 122, 124, 132, 138, 140, 142). Adicionalmente, as radiografias (302, 304) também incluem uma imagem de pelo menos um marcador de objeto 402 fixado aos objetos 101.

Voltando-se agora para a Figura 6A em uma modalidade exemplificativa, o objeto 101 é acoplado a um fixador externo 700, que pode ser similar ao dispositivo 630 da Figura 5D e inclui adicionalmente a primeira e segunda pluralidade de marcadores de objeto 708 e 710 acoplados aos primeiro e segundo anéis 702 e 704, respectivamente. Cada marcador da primeira e segunda pluralidade de marcadores de objeto 708 e 710 pode ter a mesma altura. Na modalidade ilustrada, o fixador 700 tem um par de anéis 702 e 704 cada um tendo um raio conhecido e a primeira pluralidade de marcadores de objeto 708 compreende quatro marcadores 708 dispostos diametralmente em uma superfície para fora do anel 702. Em algumas modalidades, os marcadores de objeto 7 08 podem ser montados em uma superfície superior, inferior, exterior ou interior do anel 702. Em algumas outras modalidades, os marcadores de objeto 708 podem ser porções do dispositivo 700 que são definidas em posições diametrais. De acordo com uma modalidade, o anel 702 pode ser feito de um material que é substancialmente translúcido para a radiação de comprimento de onda curto e os marcadores de objeto 708 podem ser parcialmente dispostos ou completamente incorporados dentro do anel 702. De acordo com outra modalidade, o anel 702 pode ser feito de um material rádio-opaco e incluir orifícios definidos através do mesmo que correspondem aos marcadores de objeto 708. Deve ser apreciado que as várias modalidades do anel 702 e marcadores 708 podem ser implantadas em relação ao anel 704 e marcadores 710 em concordância com os princípios da presente invenção. A Figura 6B é uma vista explodida dos marcadores de objeto 708, juntamente com duas linhas imaginárias desenhadas através das pontas dos marcadores de objeto diametralmente opostos 708, através disso definindo um primeiro ponto de referência 720 próximo ao primeiro anel 702 no ponto em que as duas linhas imaginárias se cruzam. O primeiro ponto de referência 720 tem uma relação espacial predefinida com o primeiro anel 702 e, assim, uma relação fixa com o objeto imageado. No caso da modalidade ilustrada, o primeiro ponto de referência 720 é separado do centro do anel 702 por uma distância igual à altura do marcador de objeto 708.

Voltando-se novamente para a Figura 6A, a segunda pluralidade de marcadores de objeto 710 compreende similarmente quatro marcadores 710 dispostos diametralmente em uma superfície para fora do anel 704. Duas linhas imaginárias (não mostradas) podem ser desenhadas através das pontas dos marcadores de objeto diametralmente opostos 710, através disso definindo um segundo ponto de referência 722 (não mostrado) próximo ao segundo anel 704 no ponto em que as duas linhas imaginárias se cruzam. 0 segundo ponto de referência tem uma relação espacial predefinida com o segundo anel e no caso da modalidade ilustrada, o segundo ponto de referência é separado do centro do anel 704 por uma distância igual à altura do marcador de objeto 710.

Para modelar a orientação do dispositivo 700 no espaço 3D, duas radiografias do dispositivo 700 são tiradas com o uso do sistema de imageamento 100. Primeiro, conforme ilustrado na Figura 6A, o fixador ajustável 700 é disposto na primeira trajetória entre a fonte de raio x 102 e o imageador 104 e o fixador ajustável 700, a fonte de raio x 102 e o imageador 104 estão em uma primeira orientação 120 um em relação ao outro. A primeira trajetória inclui trajetos de raio x representados pelas linhas 712 e 714, que passam através das pontas dos marcadores de objeto 708 e 710, respectivamente. Uma primeira radiografia do dispositivo ajustável 700 é gerada quando os raios x são direcionados a partir da fonte de raio x 102 ao longo da primeira trajetória em direção ao dispositivo 700 na primeira trajetória. Como tal, a primeira radiografia inclui uma projeção da primeira e segunda pluralidade de marcadores no primeiro plano 126, incluindo os pontos de projeção 716 e 718 que correspondem às pontas dos marcadores de objeto 708 e 710, respectivamente.

São mostrados na Figura 7 os pontos de projeção 716 conforme projetados no primeiro plano 126 conforme discutido acima. As duas linhas 802 e 804 são desenhadas através dos pontos de projeção 716 dos marcadores de objeto diametralmente opostos 708. As linhas 802 e 804 interceptam um ponto de cruzamento 806, que corresponde à projeção do primeiro ponto de referência 720 no primeiro plano 126. Dadas as coordenadas dos pontos de projeção 716, as três coordenadas dimensionais do ponto de cruzamento 806 podem ser determinadas matematicamente com o uso de técnicas trigonométricas e algébricas conhecidas. A Figura 8 é uma ilustração adequada do ponto de cruzamento 806 e pontos de projeção 716 de um par de marcadores de objeto diametralmente opostos 708 no primeiro sistema de coordenada 3D 128 definido conforme discutido acima. As coordenadas da fonte de raio x 102 na primeira orientação 114 foram determinadas através do uso de marcadores 106 conforme discutido acima. Como tal, as trajetórias 3D 712 e 728 dos raios x da fonte de raio x 102 podem ser reagidos conectando-se a fonte de raio x 102 e os pontos de projeção 716 e 806. O primeiro ponto de referência 720 é localizado em algum lugar ao longo do trajeto 728, que conecta a fonte de raio x 102 e os pontos cruzados 806. Para determinar a localização do primeiro ponto de referência 720 no primeiro sistema de coordenada 3D 128, um processo iterativo pode ser usado para determinar uma linha 726 que intercepta os trajetos 728 e 712 nos pontos 732 e no primeiro ponto de referência 720 de tal modo que a distância entre cada ponto 732 e o primeiro ponto de referência 720 é igual ao raio do anel 702. Dado o raio conhecido do anel 702 e a orientação da linha 726 juntamente com as coordenadas da fonte de raio x 102, os pontos de projeção 716 e o ponto de cruzamento 806, a coordenada do primeiro ponto de referência 720 pode ser determinada matematicamente com o uso de técnicas de trigonometria e triangulação conhecidas.

Como tal, a orientação do primeiro anel 702 pode ser determinada com base na relação espacial definida entre primeiro ponto de referência 720 e o primeiro anel 702.

Particularmente, a posição do centro do primeiro anel 702 pode ser determinada a partir da localização do primeiro ponto de referência 720. Embora a Figura 8 somente retrate o uso de dois pontos de projeção 716, juntamente com um único ponto de cruzamento 806, esses cálculos podem ser feitos com quatro, seis ou mais pontos de projeção, através disso melhorando a precisão do modelo 3D dos anéis.

Para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro fixo com o uso do aparelho 700, uma modalidade pode envolver determinar adicionalmente as coordenadas do segundo ponto de referência 722 e usar as coordenadas do segundo ponto de referência 722 para determinar a posição do centro do segundo anel 704. As coordenadas do segundo ponto de referência 722 podem ser determinadas a partir das coordenadas do primeiro ponto de referência 720 e os comprimentos predeterminados das escoras 706. Deve ser apreciado que em algumas modalidades tal como uma em que o aparelho 700 compreende um hexápode, as coordenadas do segundo ponto de referência do segundo anel 704 e a orientação do segundo anel 704 podem ser determinados a partir da orientação do primeiro anel 702 e o comprimento de cada uma das escoras 706. Alternativamente, as discussões acima em relação às Figuras 6 a 9 fornecem uma abordagem de determinar as coordenadas do primeiro ponto de referência e o mesmo método pode ser aplicado para determinar as coordenadas do segundo ponto de referência 722 do segundo anel 704.

Conforme discutido acima, duas radiografias do aparelho 700 são preparadas. O método discutido acima descrito em relação às Figuras 6 a 8 pode ser repetido para coordenadas determinadas dos primeiro e segundo pontos de referência 720 e 722 e centros dos primeiro e segundo anéis 702 e 704 em relação a uma segunda radiografia. Os centros dos anéis 702 e 704 definem uma linha arbitrária em cada radiografia e alinhando a linha arbitrária em um quadro fixo, as radiografias podem, então, ser alinhadas em ângulos ot para criar um modelo dos objetos 101 em um quadro de referência fixo conforme discutido acima. Além disso, as radiografias podem ser orientadas nos ângulos β e y criando vários modelos de teste 3D dos objetos imageados 101 alinhando-se as radiografias (302, 304) a vários ângulos β e Y e finalmente identificando um modelo 3D que produziria projeções 2D que correspondem substancialmente aos esboços do objeto imageado 101 nas primeira e segunda radiografias 302 e 304. Os modelos de teste dos objetos 101 podem ser criados de acordo com a abordagem descrita acima em relação às Figuras 3C a 3G para fornecer melhor precisão. Deve ser apreciado, entretanto, que vários modelos de teste podem ser gerados de acordo com qualquer tecnologias de modelagem adequada conhecida na técnica.

Deve ser apreciado que em algumas modalidades, uma sombra visivel pode atravessar mais de um pixel em uma digital radiografia. Consequentemente, a localização precisa da sombra visivel pode ser aproximada com o uso de um modelo de aproximação. A Figura 9 é um fluxograma que ilustra a abordagem de um modelo de aproximação exemplificativo 900. O modelo de aproximação 900 inclui uma etapa 902 para definir uma pluralidade de regiões de pixel controladas sendo que cada uma compreende uma pluralidade de pixels. A pluralidade de pixels de cada região de pixel controlada pode corresponder às localizações em que cada sombra visível é mais provável de ser localizada. Por exemplo, uma região de pixel controlada definida pode incluir uma grade 3x3 de nove pixels em volta de uma sombra visível. Em outro exemplo, uma região de pixel controlada definida pode incluir uma grade 4x4 de 16 pixels em volta de uma sombra visível. O modelo exemplificative 900 pode incluir uma etapa 904 para designar arbitrariamente múltiplas combinações de localizações de sombra possíveis com base em diferentes conjuntos de pixels, sendo que cada conjunto de pixels compreende um pixel de cada região de pixel controlada definida. O modelo exemplificativo 900 pode incluir uma etapa 906 para determinar uma localização para um ponto de referência desejado para cada combinação designada das localizações de sombra. Por exemplo, o ponto de referência desejado pode ser o centro do anel 702 ou o primeiro ponto de referência 720 discutido em relação às Figuras 6 a 8. Em uma modalidade, todas as combinações das localizações de sombra são designadas e usadas para determinar uma localização para o ponto de referência desejado. Em outra modalidade, somente as combinações selecionadas de localizações de sombra são designadas e usadas para determinar uma localização para o ponto de referência desejado. 0 modelo exemplificative 900 pode incluir adicionalmente uma etapa 908 para processar as primeira e segunda localizações do ponto de referência desejado com o uso de um critério objetivo para determinar uma localização aproximada para o centro do anel. Em uma modalidade exemplificative, o critério objetivo da etapa 908 pode incluir uma ou mais medições matemáticas conhecidas na técnica, tal média, mediana, variação, desvio padrão ou qualquer combinação dos mesmo. Em uma modalidade exemplificativa, as localizações com diferenças de mais de 0,01 mm podem ser todas filtradas. Em casos quando nenhuma das combinações das regiões escolhidas fornece essa precisão, a combinação com a menor diferença no posicionamento de centro de anel pode ser usada. A Figura 10 é um diagrama esquemático que mostra um modelo do aparelho 700 em um sistema de coordenada 3D combinado 350. Conforme discutido acima em relação às Figuras 2A a C, os primeiro e segundo sistemas de coordenada 3D são criados individualmente com base nas duas radiografias e compreende os primeiro e segundo planos 126 e 154, respectivamente. Os primeiro e segundo sistemas de coordenada 3D 128 e 158 são combinados para criar o sistema de coordenada 3D combinado 350. Os primeiro e segunda planos 126 e 154 são alinhados em um ângulo OÍ de tal modo que as coordenadas dos primeiro e segundo pontos de referência nos primeiro e segundo sistemas de coordenada 3D coincidam. A Figura 11 é um modelo de um primeiro segmento de objeto 500 acoplado ao primeiro anel 702 do aparelho 700 e um segunda segmento de objeto 502 acoplado ao segundo anel 704 do aparelho 700. O modelo tem base no sistema de coordenada 3D combinado 350 gerado com o uso do método discutido acima. Em algumas modalidades, o modelo da Figura 10 permite a determinação da orientação do primeiro segmento de osso 500 em relação à orientação do segundo segmento 502. Particularmente, o modelo permite determinar matematicamente a orientação relativa dos primeiro e segundo segmentos de osso 500 e 502 com base nas várias orientações do primeiro anel 702 em relação ao segundo anel 704 .

Esta revelação foi descrita com o uso de duas orientações de imageamento que são substancialmente ortogonais uma em relação à outra ou orientações não ortogonais. A escolha entre essas duas modalidades pode depender de uma variedade de fatores, incluindo limitações de equipamento e interesse ou falta de interesse no imageamento de certas orientações. Ademais, mais de duas orientações de imageamento podem ser utilizadas consistentes com o escopo da presente invenção. Usando-se mais de duas orientações de imageamento, a precisão do modelo 3D do quadro e do tecido pode ser melhorada.

Uma vez que um modelo 3D do quadro e dos segmentos de tecido foi criado, um médico ou cirurgião pode entender mais prontamente a natureza da fratura e o grau de fixação, compressão ou distração (ou outra força) que deva ser aplicada aos segmentos de tecido a fim de alcançar o resultado desejado. É contemplado que o modelo 3D de um fixador de anel do tipo hexápode pode ser acoplado a um controlador de quando automatizado de tal modo que os comandos de fixação, compressão ou distração desejados possam ser implantados automaticamente.

Conforme discutido acima, um modelo 3D de um objeto pode ser gerado a partir das radiografias do objeto. A Figura 12 é um diagrama esquemático de um sistema 1000 operável para gerar digitalmente um modelo 3D de um objeto imageado (não mostrado) em concordância com os princípios da presente invenção. 0 sistema 1000 pode incluir uma estação de trabalho de computador 1002 operável para receber as radiografias do objeto imageado e a estação de trabalho de computador 1002 pode incluir um ou mais microprocessadores/controladores em comunicação com uma variedade de dispositivos auxiliares. Em uma modalidade, o sistema 1000 pode incluir um imageador de raio x 1004 em comunicação com a estação de trabalho de computador 1002 e imageador de raio x 1004 é operável para receber luz de raio x a partir de uma fonte de raio x 1006 que passa através do objeto imageado. O imageador de raio x 1004 pode ser operável para gerar uma radiografia diretamente ou pode ser operável para transmitir dados de imagem para estação de trabalho de computador 1002 que pode, então, gerar uma imagem de raio x. Em outra modalidade, o sistema 1000 pode incluir um digitalizador 1008 em comunicação com a estação de trabalho de 1002 e o digitalizador 1008 pode ser operável para varrer um filme de raio x em radiografia digitalizada. Em algumas modalidades, o sistema 1000 pode incluir adicionalmente um visor 1010 em comunicação com a estação de trabalho 1002 e o visor 1010 pode ser um visor de LCD, um visor CRT ou qualquer outro dispositivo de exibição conhecido na técnica. A estação de trabalho 1002 pode ser configurada para exibir a radiografia digitalizada a um usuário no visor 1010 e o usuário pode inserir uma variedade de dados que pertencem à radiografia exibida como na presente invenção, tal como a localização dos padrões de referência, a posição predeterminada dos padrões de referência um em relação ao outro. Em uma modalidade exemplificativa, o sistema 1000 inclui um ou mais dispositivos de entrada 1012, tal como um mouse, caneta óptica e/ou teclado, em comunicação com a estação de trabalho 1002 e o usuário pode inserir os dados usando o dispositivo de entrada 1012. Com base nos dados de entrada de usuário e dados de imagem, o microprocessador ou controlador da estação de trabalho 1002 pode gerar um modelo 3D do objeto imageado em concordância com a presente invenção. Em algumas modalidades, o sistema 1000 pode incluir adicionalmente um dispositivo de saida 1014, tal como uma impressora, operável para fornecer vários dados de modelo, resultados de cálculo, imagens ou gráficos ao usuário. O sistema 1000 pode incluir adicionalmente um módulo de armazenamento 1016 para armazenar vários dados de modelo, resultados de cálculo, imagens ou gráficos para uso posterior.

Será entendido que modalidades particulares descritas no presente documento são mostradas por meio de ilustração e não como limitações da invenção. Os principais recursos desta invenção podem ser empregados em várias modalidades sem se afastar do escopo da invenção. Aqueles versados na técnica reconhecerão ou serão capazes de certificar não usar mais que experimentação de rotina, inúmeros equivalentes para os procedimentos específicos descritos no presente documento. Tais equivalentes são considerados como estando dentro do escopo desta invenção e são cobertos pelas reivindicações.

Todas as publicações e pedidos de patente mencionados no relatório descritivo são indicativos do nivel de habilidade daqueles na versados na técnica aos quais esta invenção pertence. Todas as publicações e pedidos de patente são incorporadas no presente documento a titulo de referência na medida em que cada publicação individual ou pedido de patente foi especifica e individualmente indicado a ser incorporado a titulo de referência. 5 Embora os métodos e sistemas desta invenção tenham sido descritos nos termos das modalidades preferenciais, será aparente para aqueles versados na técnica que variações podem ser aplicadas aos métodos e sistemas e nas etapas ou na sequência de etapas do método 10 descrito no presente documento sem se afastar do conceito, espirito e escopo da invenção. Todos tais substitutos similares e modificações aparentes àqueles versados na técnica são considerados como estando dentro do espirito, escopo e conceito da invenção conforme definido pelas 15 reivindicações anexas.

Claims

1. Método de criação de um modelo 3D de um objeto (101) caracterizado por compreender: receber uma primeira radiografia (302) de um objeto disposto entre uma fonte de raio x (102) e um imageador de raio x (104) em uma primeira orientação (120), em que a primeira orientação compreende uma primeira posição angular do objeto em relação a um eixo geométrico de imageamento (I), em que a primeira radiografia inclui uma primeira imagem: do objeto, do pelo menos um marcador de referência (10) montado no imageador de raios x e tendo pelo menos dois padrões de referência (14), em que os padrões de referência são separados por uma distância fixa (X), e do pelo menos um marcador de objeto (402, 708, 710) fixado ao objeto, em que o marcador de objeto inclui pelo menos um padrão de referência (404) de dimensões fixas; receber uma segunda radiografia (304) do objeto disposto entre a fonte de raio x e o imageador de raio x em uma segunda orientação (150), em que a segunda orientação compreende uma segunda posição angular do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento, e em que a segunda radiografia inclui uma segunda imagem: do objeto e do pelo menos um marcador de referência; e do pelo menos um marcador de objeto (402, 708, 710); determinar uma primeira posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na primeira orientação com o uso da primeira imagem do pelo menos um marcador de referência; determinar uma segunda posição 3D da fonte de raio x em relação ao imageador de raio x na segunda orientação com o uso da segunda imagem do pelo menos um marcador de referência; identificar um ponto de sombra (406, 716, 718) do pelo menos um padrão de referência na primeira radiografia; preparar uma primeira projeção 3D do pelo menos um padrão de referência a partir do ponto de sombra na primeira radiografia à primeira posição 3D da fonte de raio x; determinar uma primeira posição do pelo menos um padrão de referência a partir do imageador de raios-x na primeira orientação usando a primeira projeção 3D; identificar um ponto de sombra do pelo menos um padrão de referência na segunda radiografia; preparar uma segunda projeção de objeto 3D do pelo menos um padrão de referência a partir do ponto de sombra na segunda radiografia para a segunda posição 3D da fonte de raio x; determinar uma segunda posição do pelo menos um padrão de referência do imageador de raios-x na segunda orientação usando a primeira projeção 3D; determinar um deslocamento angular (α), correspondente à diferença entre as primeira e segunda posições angulares do objeto em relação ao eixo geométrico de imageamento, alinhar as primeira e segunda posições do pelo menos um padrão de referência no quadro de referência 3D (350) usando as primeira e segunda projeções dos marcadores de objeto; identificar um primeiro esboço (303) do objeto imageado na primeira radiografia; identificar um segundo esboço (305) do objeto imageado na segunda radiografia; preparar uma primeira projeção de objeto 3D a partir do primeiro esboço de objeto para a primeira posição 3D da fonte de raio x; preparar uma segunda projeção de objeto 3D a partir do segundo esboço de objeto para a segunda posição 3D da fonte de raio x; alinhar as primeira e segunda projeções 3D do objeto em um quadro de referência 3D usando o deslocamento angular (α); e criar um modelo 3D (332) do objeto imageado no quadro de referência 3D com base na primeira e na segunda projeções de objeto 3D.

2. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente: identificar um eixo geométrico de inclinação (316) no quadro de referência 3D, em que o eixo geométrico de inclinação passa entre uma primeira posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à primeira posição da fonte de raio x na primeira orientação e uma segunda posição 3D no quadro de referência 3D que corresponde à segunda posição da fonte de raio x na segunda orientação; identificar um ou mais planos de interseção (312) que atravessam o eixo geométrico de inclinação e através das primeira e segunda projeções 3D do objeto imageado no quadro de referência 3D; para cada um dos um ou mais planos de interseção, executar as seguintes etapas a) a c): a) identificar um ou mais pontos de interseção (318, 320, 322) entre as primeira e segunda projeções de objeto 3D, e o dito plano de interseção no quadro de referência 3D; b) preparar um ou mais polígonos (328) que conectam os pontos de interseção no dito plano de interseção; c) preparar uma ou mais curvas fechadas (330) dentro de cada um dos um ou mais polígonos, em que as uma ou mais curvas fechadas correspondem a uma vista em seção transversal do objeto imageado no dito plano de interseção; e preparar uma superfície no quadro de referência 3D que conecta cada uma das curvas fechadas para formar um modelo 3D do objeto imageado.

3. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de referência compreender pelo menos três padrões de referência, em que o método compreende adicionalmente: receber um primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência na primeira radiografia; e receber um segundo esboço dos pelo menos três padrões de referência na segunda radiografia; em que a determinação da primeira posição 3D da fonte de raio x compreende adicionalmente identificar uma primeira pluralidade de trajetórias a partir da fonte de raio x para o primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da primeira pluralidade de trajetórias de luz; e em que a determinação da segunda posição 3D da fonte de raio x compreende adicionalmente identificar uma segunda pluralidade de trajetórias a partir da fonte de raio x para o segundo esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da segunda pluralidade de trajetórias de luz; ou o método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o pelo menos um marcador de referência compreender pelo menos três padrões de referência, em que o método compreende adicionalmente: receber um primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência na primeira radiografia; e receber um segundo esboço dos pelo menos três padrões de referência na segunda radiografia; em que a determinação da primeira posição 3D da fonte de raio x compreende adicionalmente identificar uma primeira pluralidade de trajetórias a partir da fonte de raio x para o primeiro esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da primeira pluralidade de trajetórias de luz; e em que a determinação da segunda posição 3D da fonte de raio x compreende adicionalmente identificar uma segunda pluralidade de trajetórias a partir da fonte de raio x para o segundo esboço dos pelo menos três padrões de referência e determinar uma interseção aproximada da segunda pluralidade de trajetórias de luz.

4. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por determinar a interseção aproximada da primeira pluralidade de trajetórias e a interseção aproximada da segunda pluralidade de trajetórias compreender adicionalmente usar um modelo de aproximação (900).

5. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o uso de um modelo de aproximação (900) compreender adicionalmente determinar a posição de um primeiro segmento (S) entre a primeira pluralidade de trajetórias e designar um ponto no primeiro segmento para ser a primeira posição 3D da fonte de raio x (102).

6. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o primeiro segmento (S) ser uma perpendicular comum da primeira pluralidade de trajetórias.

7. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o uso de um modelo de aproximação (900) compreender adicionalmente determinar a posição de um segundo segmento entre a segunda pluralidade de trajetórias e designar um ponto no segundo segmento para ser a segunda posição 3D da fonte de raio x, em que o segundo segmento é opcionalmente uma perpendicular comum da segunda pluralidade de trajetórias.

8. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de referência compreender pelo menos três padrões de referência (14) dispostos ao longo de um eixo geométrico longitudinal (16) do pelo menos um marcador de referência.

9. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira radiografia incluir uma primeira imagem do primeiro e do segundo marcadores de referência (106; 107) e a segunda radiografia incluir uma segunda imagem do primeiro e do segundo marcadores de referência.

10. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o primeiro marcador de referência compreender dois padrões de referência (14) disposto ao longo de um eixo geométrico longitudinal (16) do primeiro marcador de referência, e o segundo marcador de referência compreende dois padrões de referência dispostos ao longo de um eixo geométrico longitudinal do segundo marcador de referência; ou em que o primeiro marcador de referência compreende dois fiduciais dispostos ao longo de um eixo longitudinal do primeiro marcador de referência, e o segundo marcador de referência compreende primeiro, segundo e terceiro padrões de referência, em que o primeiro e o segundo padrão de referência do segundo marcador de referência definem substancialmente um primeiro eixo geométrico longitudinal paralelo ao imageador de raios x, e os segundo e terceiro padrões de referência do segundo marcador de referência definem um segundo eixo geométrico longitudinal substancialmente ortogonal ao primeiro eixo geométrico longitudinal.

11. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de referência ser feito de um material radiotransparente (416) e os padrões de referência (404) do pelo menos um marcador de referência serem feitos de um material radio-opaco.

12. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de objeto incluir pelo menos três padrões de referência, em que os padrões de referência são separados por distâncias fixas, e em que adicionalmente: preparar a primeira projeção 3D compreende adicionalmente preparar uma primeira projeção 3D dos pelo menos três padrões de referência; preparar a segunda projeção 3D compreende adicionalmente preparar uma segunda projeção 3D dos pelo menos três padrões de referência; e alinhar as primeira e segunda projeções 3D no quadro de referência 3D compreende adicionalmente determinar localizações 3D dos pelo menos três padrões de referência no quadro de referência 3D; e em que determinar as localizações 3D dos pelo menos três padrões de referência opcionalmente compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de soluções matemáticas que podem representar as localizações 3D dos pelo menos três padrões de referência; receber uma instrução que seleciona uma da pluralidade de soluções matemáticas para ser as localizações 3D dos pelo menos três padrões de referência.

13. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de objeto incluir pelo menos quatro padrões de referência (404), em que os pelo menos quatro padrões de referência são separados por distâncias fixas, e em que adicionalmente: preparar a primeira projeção 3D compreende preparar uma primeira projeção 3D dos pelo menos quatro padrões de referência; preparar a segunda projeção 3D compreende preparar uma segunda projeção 3D dos pelo menos quatro padrões de referência; e alinhar as primeira e segunda projeções 3D no quadro de referência 3D compreende adicionalmente determinar localizações 3D dos pelo menos quatro padrões de referência no quadro de referência 3D, e em que determinar as localizações 3D dos pelo menos quatro padrões de referência opcionalmente compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de soluções matemáticas que podem representar as localizações 3D dos pelo menos quatro padrões de referência; e determinar as localizações 3D dos pelo menos quatro padrões de referência de acordo com uma correlação matemática entre a pluralidade de soluções matemáticas.

14. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de objeto ser diretamente fixado ao objeto; ou ser indiretamente fixado ao objeto.

15. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o pelo menos um marcador de objeto ser feito de um material radiotransparente (416) e o padrão de referência do pelo menos um marcador de objeto ser feito de um material radiopaco.

16. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o objeto ser acoplado a pelo menos um anel (632; 702) de um fixador ortopédico, em que o pelo menos um anel tem um diâmetro predeterminado; o anel (632; 702) compreende uma pluralidade de marcadores de objeto que são fixados a isso, em que a pluralidade de marcadores de objeto (650; 708) inclui pelo menos um padrão de referência, e em que: determinar a primeira posição compreende determinar um primeira localização de centro de anel a partir do imageador de raio x na primeira orientação usando a primeira projeção 3D e do diâmetro fixo do anel; determinar a segunda posição compreende determinar uma segunda localização de centro de anel a partir do imageador de raio x na segunda orientação usando a segunda projeção 3D e do diâmetro fixo do anel; em que determinar um deslocamento angular (α) compreende alinhar a primeira e a segunda localização de centro do anel.

17. Método de criação de um modelo 3D de um objeto, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por a pluralidade de marcadores de objeto (708) ser opcionalmente disposta diametricamente no anel.