WO2010060170A1

WO2010060170A1 - Método para construção de modelos tridimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipagem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografia, ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada

Info

Publication number: WO2010060170A1
Application number: PCT/BR2009/000389
Authority: WO
Inventors: Jorge Roberto Lopes Dos Santos; Heron Wermer, Jr.; Rlcardo Da Cunha Fontes; Guilherme Lorenzoni
Original assignee: Instituto Nacional De Tecnologia - Int; Clínica De Diagnóstico Por Imagem - Cdpi
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-03

Abstract

A presente invenção trata de um método para a construção de modelos tridimensionais físicos de fetos no útero, utilizando imagens geradas a partir de ultra-sonografϊa, ressonância magnética e tomografia computadorizada, que apόs manipulação em softwares, são enviados para equipamentos de prototipagem rápida, objetivando reproduzir com fidelidade dimensional fetos, seus όrgãos internos e elementos relacionados dentro do útero da mãe. A presente invenção possibilita a interação tridimensional virtual e física a partir de imagens bidimensionais de exames médicos, além de prever a inserção de "elementos adicionais", modelados em software especificos, para conectar partes ainda não formadas nas imagens capturadas durante a tomografia computadorizada.

Description

"MÉTODO PARA CONSTRUÇÃO DE MODELOS TRIDIMENSIONAIS FÍSICOS DE FETOS NO ÚTERO, UTILIZANDO TECNOLOGIAS DE PROTOTBPAGEM RÁPIDA A PARTIR DE ARQUIVOS GERADOS EM EQUIPAMENTOS DE ULTRA-SONOGRAFIA, RESSONÂNCIA MAGNÉTICA E/OU TOMOGRAFIA

COMPUTADORIZADA''

A presente invenção compreende um método para construção de modelos tridimensionais físicos de fetos a partir da manipulação dos arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada com a inclusão de elementos adicionais que possibilitem, através de sistemas de prototipagem rápida, a reprodução com fidelidade dimensional dos fetos ainda dentro do útero da mãe.

O avanço da tecnologia nos últimos anos, principalmente na área biomédica, vem proporcionando o desenvolvimento de novas técnicas que auxiliam o planejamento cirúrgico em diversas áreas. Uma dessas novas técnicas desenvolvidas está relacionada com a manipulação, em softwares específicos, dos arquivos de imagem gerados em aparelhos de ressonância magnética (RM) e/ou tomografia computadorizada (TC) de tal forma a propiciar imagens tridimensionais da estrutura anatómica objeto da cirurgia, que em seguida, através de técnicas de prototipagem rápida é transformada num modelo físico fiel da estrutura a ser estudada.

Uma das formas de captação das imagens é através da ressonância magnética (RM), que é um método propedêutico não invasivo, capaz de oferecer imagens bem definidas do corpo humano. O primeiro trabalho sobre o emprego da RM na gestação foi realizado por Smith em 1983. Seu interesse foi despertado nesta última década, especialmente para o estudo das anomalias intracranianas fetais, devido ao seu grande poder de contraste entre os tecidos.

O princípio da RM é a representação digital da composição química dos vários tipos de tecidos expostos a um campo magnético potente. O hidrogénio é o átomo mais utilizado para imagem por apresentar alta sensibilidade ao fenómeno de ressonância e também por estar largamente distribuído na matéria biológica. O procedimento usado na RM consiste em submeter uma região a ser examinada a um campo magnético, perturbando o equilíbrio do núcleo por uma determinada frequência (frequência de ressonância). A força do campo magnético é medida em duas unidades: Gauss e Tesla. Um Tesla corresponde a 10.000 Gauss. Para se ter uma idéia da força do campo utilizada, o campo magnético da terra tem uma força entre 0,5 e 1,0 Gauss. Os aparelhos de RM trabalham com campos magnéticos de 0,25 a 3,0 Tesla. Assim, as pacientes são submetidas a campos magnéticos de 2.500 a 30.000 vezes superior ao campo magnético da terra.

A característica mais importante da RM é a resolução de contraste tecidual, daí sua oportunidade de utilização em obstetrícia. A RM fornece informações relevantes da anatomia fetal e acerca das modificações dos órgãos e tecidos maternos durante a gestação. As principais indicações para a realização da RM são: ohgoidramnia (diminuição do líquido amniótico) com suspeita de anomalia fetal, que deve ser confirmada pela detecção pela Ultra-sonografia (USG), estudo do crescimento fetal, placenta prévia, avaliação de massas anexais e gestação ectópica.

O exame é realizado com a paciente posicionada em decúbito dorsal ou lateral esquerdo, com a cabeça ou os pés entrando em primeiro lugar no magneto. Não há necessidade de um preparo prévio ao exame. Em alguns casos, como na presença de polidrarniúa acentuada (aumento do líquido amniótico), pode ser necessária uma sedação materna prévia utilizando benzodiazepínicos (5 a 10 mg) pela via oral, cerca de 15 minutos antes da realização do exame, com objetivo de reduzir a ansiedade materna ou possíveis movimentos fetais, que são responsáveis pela degradação da imagem. Uma vez posicionada a paciente no magneto, a localização fetal é inicialmente realizada a partir de sequências multiplanares nos planos axial, coronal e sagital.

A sequência mais utilizada é a T2 "single shot echo-train spin echo (half- fourier snapshot turbo spin echo - HASTE ou single shot fast spin echo - SSFSE". Trata-se de uma sequência rápida, de cerca de 17 segundos, com a necessidade de um pequeno período de apnéia, facilmente tolerada pela paciente. Nestes últimos anos, a RM vem ocupando um lugar expressivo na exploração do feto. Ela não veio substituir a USG, mas sim complementá-la, oferecendo imagens adicionais da estrutura fetal. Trata-se de um exame essencialmente morfológico- e até o momento, não se tem conhecimento de nenhum efeito biológico da RM sobre o feto. Na Inglaterra, as orientações do "The National Radiological Protection Board (NRPB)" recomendam evitar o exame no primeiro trimestre da gestação.

Por não apresentar radiação, pode ser usada sem contra-indicações na gravidez. O seu uso deve ser restrito aos casos em que o resultado ultra-sonográfíco seja duvidoso. A grande dificuldade em se utilizar a RM como forma de captação de imagem para uma posterior geração do modelo tridimensional físico de um feto, reside na dificuldade em se obter uma imagem com qualidade de contorno devido à mobilidade fetal. Sua acuidade diagnostica melhora com o aumento da idade gestacional, não sendo perturbada pela oligoidramnia acentuada, obesidade materna ou estática fetal, que são responsáveis pela baixa qualidade de imagem na ultra- sonografía.

A Tomografia Computadorizada (TC) é um método de análise que realiza cortes milimétricos do corpo humano nos três planos do espaço, diferentemente dos outros exames convencionais ela não projeta em um só plano todas as estruturas atravessadas pelo raio-X demonstrando diversas estruturas em volume e profundidade.

Na TC, o modelo virtual é concebido a partir de uma seleção de densidade por contraste de imagem, e tem um uso mais restrito na gestação por apresentar radiação. Todavia para os casos específicos de malformações complexas do esqueleto fetal, esta modalidade de exame pode ser empregada. A quantidade de radiação empregada não traz efeitos deletérios ao feto, principalmente quando utilizada no terceiro trimestre da gestação. O tempo de aquisição das imagens está em torno de 10 segundos.

Devido à restrição ao uso da TC durante a gestação, utiliza-se, durante o exame, uma menor quantidade de radiação gerando uma imagem com menor resolução e contraste, o que dificulta a visão do contorno de feto. Além disso, os arquivos de imagens 3D gerados não podem ser enviados diretamente para equipamentos de prototipagem, uma vez que as imagens dos ossos ou órgãos não se manteriam no espaço físico na mesma posição que nos arquivos virtuais.

Com a evolução tecnológica dos softwares de modelagem tridimensional virtual, o pós-processamento de arquivos médicos, propicia novas aplicações quanto à representação tridimensional. Todas as tecnologias descritas acima, são apresentadas sob o formato bidimensional (imagens em computador, fotos e vídeos); desta forma, a invenção proposta está relacionada a transformar estes meios bidimensionais em modelos tridimensionais físicos, a partir de imagens geradas de objetos não estático.

A técnica de prototipagem rápida (PR) surgiu ao final dos anos 80, possibilitando que um desenho tridimensional virtual concebido em computador pudesse ser construído em meio físico com rapidez. Trata-se de uma tecnologia para construir modelos e protótipos tridimensionais utilizando arquivos gerados em softwares de modelagem tridimensional (GAD - computer-aided design e CAM - computer-aided manufacluring), ou obtidos através de scanners tridimensionais a laser e digital izad ores de contato, ou a partir de arquivos obtidos em equipamentos tais como a RM e TC.

O processo é realizado a partir da transferência do arquivo tridimensional virtual gerado em superfícies e sólidos, para o equipamento de Prototipagem Rápida (PR), onde o sistema passará a construir os modelos através da superposição de camadas milimétricas de matérias primas variadas, conforme a tecnologia selecionada.

Atualmente existem mais de 20 diferentes sistemas de PR no mercado, que apesar de usarem diferentes tecnologias de adição de material, se baseiam no mesmo principio de manufatura por camadas planas.

Os biomodelos de PR são protótipos biomédicos obtidos a partir de imagens de TC, e USG, podendo ser utilizados com objetivos didáticos, na fabricação de implantes protéticos personalizados, no diagnóstico precoce e, tratamento de deformidades facilitando, também, a comunicação entre profissional e paciente (JAMES, W. J. et al., Correction of congenital malar hypoplasia using stereolithography for presurgical plamring. J. oral & Maxillof. Surg., Philadelphia, PA., v. 56, n. 4, p. 512-7, apr., 1998).

Dentro da técnica de confecção de modelos tridimensionais físicos, temos as seguintes técnicas encontradas na arte, como por exemplo:

O documento US6464639 que descreve um método para modelar um objeto do interior do corpo humano, incluindo as etapas de obtenção dos dados tridimensionais do dito objeto utilizando equipamentos de ressonância e/ou tomografia.

O documento US5741215 que descreve um método para a fabricação de uma prótese que se assemelha a parte de um osso danificado ou deformado utilizando uma imagem tridimensional obtida através da TC. De acordo com este método, uma imagem tridimensional pode ser obtida sintetizando uma pluralidade de tomografias, a prótese da parte de um osso danificado ou deformado é fabricada utílizando-se uma resina sintética biocompatível.

Neste sentido, os documentos citados como estado da técnica não descrevem nem sugestionam a inclusão de elementos adicionais que possibilitem a configuração real do objeto físico, nem tão pouco descrevem técnicas capazes de garantir a perfeita confecção de um biomodelo de um feto que está em constante movimento.

Figura 1 - TC para o reconhecimento das partes ósseas de um feto;

Figura 2 - RM para órgãos e tecidos moles do corpo;

Figura 3 - Modelo virtual 3D;

Figura 4 - Modelo físico de um feto;

Figura 5 - Modelo físico de um feto;

Figura 6 - Modelo virtual 3D incorreto;

Figura 7 - Definição dos contornos individuais das camadas sobrepostas em registro;

Figura 8 - Modelo tridimensional completo com as diversas camadas sobrepostas em registro;

Figura 9 - Animações em ultra-sonografia 4D;

Figura 10 - Elementos da coluna vertebral. A presente invenção descreve um. método para construção de modelos tridimensionais físicos de fetos, que compreende as seguintes etapas:

1- Aquisição de imagens do feto no interior do útero utilizando-se USG, M e/ou TC;

2- conversão das imagens 2D geradas pela USG, RM e/ou TC em arquivos

3D utilizando softwares;

3- Processamento das imagens 3D geradas através de TC, caso seja necessário (inserção de elementos de ligação 3D);

4- Envio das imagens 3D geradas para equipamentos de prototípagem rápida para confecção dos modelos tridimensionais.

Normalmente, em fetos, os procedimentos indicam o uso de TC para o reconhecimento das partes ósseas (figura 1) e a RM para órgãos e tecidos moles do corpo (figura 2). A maior dificuldade quanto à utilização desses métodos, para obtenção de um modelo virtual 3D (figura 3) e consequentemente a geração do modelo físico (figura 4) e (figura 5), reside no fato de que em fetos a mo imentação pode gerar alterações de registros de concordância de camadas das imagens.

No caso da RM, a movimentação do feto, quando capturada, gera um modelo virtual 3D incorreto (figura 6), que por sua vez, gera um modelo tridimensional físico com erro de registro. De modo a encontrar uma forma de "imobilizar o movimento" fetal durante a RM, a presente invenção propõe obter a imagem nos últimos períodos de gestação - o período considerado ideal para a realização do exame encontra-se entre a 24- e 40^a semana - pois a criança tem pouco espaço para se mover, e principalmente, a presente invenção propõe trabalhar com a relação velocidade de aquisição da imagem e a resolução, o que determina o número de imagens necessárias para se fazer a varredura e montar a imagem 3D, assim, quanto maior o número de imagens, consideradas de boa resolução forem obtidas no menor tempo possível (cerca de 17 segundos, com a necessidade de um pequeno período de apnéia, facilmente tolerada pela paciente), melhor será o nível de detalhamento 3D possibilitando a obtenção de sequência estática de registro. 09 000389

No caso da TC, a quantidade de radiação é o obstáculo, quanto menor a radiação menor será o contraste e a resolução, ficando a visão do contorno dificultada. Contudo, em alguns casos, se faz necessário a realização do exame para a avaliação da estrutura óssea, a exposição à Tomografia, nestes casos é feita com muito cuidado, já que se trata de emissão de raio x.

Na USG as imagens são capturadas de softwares que fazem leitura de arquivos de ultra-som. Já os arquivos gerados nos exames de RM (figura 2) e TC (figura 1) são obtidos no protocolo DICOM (Digital Imaging Comm nication in Medicine) - que é um padrão da indústria de equipamentos médicos para maior interoperabilidade entre diferentes sistemas - a partir de cortes sequenciais ao eixo de imagem (planos axial, coronal e sagital). Existem também programas específicos que fazem a conversão dos cortes sequenciais gerados pela TC ou pela RM ou pela USG, gerando arquivos virtuais 3D, podendo ser exportados na extensão STL, a qual permite a leitura pela maioria dos sistemas de prototipagem rápida para geração do modelo tridimensional físico.

No caso da RM e da USG, o processo é iniciado com a definição do arquivo convertido em imagem das camadas (figura 2), as quais devem permitir a visualização dos contornos, pois, para se obter o modelo tridimensional completo com as diversas camadas sobrepostas em registro (figura 8), cada camada deve ser definida por meio de contornos (figura 7) feitos mdividualmente. Esta seleção de área é realizada por meio visual e interpretativo junto ao radiologista, podendo ser órgãos internos (figura 2) ou superfícies externas do corpo do feto. O contorno individual das áreas de interesse, que representaram as seções do modelo virtual, é fundamental, pois, embora as variedades dos níveis de cinza da imagem da RM proporcionem uma visão de contorno dos órgãos, tal variação prejudica a seleção por tonalidade conforme é feita na Tomografia (figura Ϊ).

O número de camadas influencia na precisão da imagem e é limitado, pelo movimento aleatório do feto (figura 6). Definiu-se que a varredura deve ser feita, preferencialmente no sentido sagital do corpo do feto, pois é o caminho mais curto para se obter a maior região num menor espaço de tempo possível juntamente com um maior número de camadas de imagens do feto, acima de 20 quadros, no menor tempo de exposição possível, mantendo a resolução máxima possível evitando assim a captura do movimento natural do feto e garantindo a obtenção da sequência estática do registro do feto.

Obtidos os arquivos, inicia-se a construção do modelo virtual (figura 3) com a exportação do arquivo 3D para um software que faz o alisamento da superfície, gerando um arquivo 3D que pode ser comparado com os arquivos gerados pela USG e RM, e editado.

Deve-se observar, que no caso da TC, não basta após ser gerado o arquivo 3D, com extensão STL, no espaço virtual, enviar o arquivo para as máquinas de prototipagem, pois alguns elementos, tais como os ossos não se manteriam no espaço físico na mesma disposição espacial que no espaço virtual. É necessária a inclusão de elementos virtuais que façam o preenchimento destes espaços vazios no espaço virtual. O arquivo de tomografia 3D em STL, gerado por software, é complementado com a inserção de "elementos adicionais" (como no exemplo de elementos da coluna vertebral - de acordo com a figura 10), que se destaquem dos ossos, modelados no próprio programa, posicionados e combinados à estrutura óssea, de tal maneira que formem um conjunto único a ser exportado para as máquinas de prototipagem.

O modelo tridimensional virtual resultante da sobreposição das camadas, após aprovação pela equipe médica, é transformado em uma extensão (STL e outras) para ser enviado a um equipamento de Prototipagem Rápida (Stereolitografia, FDM, Zcorp, Objet e outras marcas associadas com esta tecnologia), onde será feita a construção do modelo físico (figura 4) e (figura 5), através da deposição sucessiva de materiais (resinas foto sensíveis, termoplásticos, gesso com aglutinantes e outros) em camadas sequenciais, resultando na fiel materialização física do modelo tridimensional virtual, de acordo com os arquivos dos exames realizados.

Esta invenção não se limita aos aspectos aqui comentados ou ilustrados, devendo ser compreendida em seu amplo escopo e modificações, outras formas são entendidas como inclusivas dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

12· REIVINDICAÇÕES

1. Método para construção de modelos tridimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipágem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada caracterizado pelo fato das imagens serem captadas por meio de uma varredura durante da gravidez, de modo a proporcionar o maior número de imagens, acima de 20 quadros, no menor tempo de exposição, com máximo de resolução de imagem.

2. Método para construção de modelos tridimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipágem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de antes da imagem ser enviada para os equipamentos de prototipágem rápida, os arquivos de. imagem passam por uma etapa de processamento da imagem.

3. Método para construção dé modelos tridimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipágem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato que a etapa de processamento constitui na inclusão de elementos virtuais modelados em software.

4. Método para construção de modelos tódimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipágem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da varredura no caso da ressonância magnética ser feita no sentido sagital.

5. Método para construção de modelos tódimensionais físicos de fetos no útero, utilizando tecnologias de prototipágem rápida a partir de arquivos gerados em equipamentos de ultra-sonografía e/ou ressonância magnética e/ou tomografia computadorizada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de no 2/2

caso da ressonância magnética, o tempo de exposição ser cerca de 17 segundos, um pequeno período de apnéia.