Concepção de um aparelho de medição 3D da coluna vertebral: Desenvolvimento de um software de detecção de apófises espinhosas e cálculo da distância ântero-posterior

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Estudo Focado no Utilizador de Software Gratuito para Modelação e Visualização 3D Realista

Computação gráfica um campo que tem vindo a crescer bastante nos últimos anos, desde áreas como cinematográficas, dos videojogos, da animação, o avanço tem sido tão grande que a semelhança com a realidade é cada vez maior. Praticamente hoje em dia todos os filmes têm efeitos gerados através de computação gráfica, até simples anúncios de televisão para não falar do realismo dos videojogos de hoje. Este estudo tem como objectivo mostrar duas alternativas no mundo da computação gráfica, como tal, vão ser usados dois programas, Blender e Unreal Engine. O cenário em questão será todo modelado de raiz e será o mesmo nos dois programas. Serão feitos vários renders ao cenário, em ambos os programas usando diferentes materiais, diferentes tipos de iluminação, em tempo real e não de forma a mostrar as várias alternativas possíveis.

Design, development and testing of a CAD integrated design for environment software tool.

The research described in this thesis was developed as part o f the Information Management for Green Design (IMA GREE) Project. The 1MAGREE Project was founded by Enterprise Ireland under a Strategic Research Grant Scheme as a partnership project between Galway Mayo Institute o f Technology and C1MRU University College Galway. The project aimed to develop a CAD integrated software tool to support environmental information management for design, particularly for the electronics-manufacturing sector in Ireland.

3D visualization software to analyze topological outcomes of topoisomerase reactions.

The action of various DNA topoisomerases frequently results in characteristic changes in DNA topology. Important information for understanding mechanistic details of action of these topoisomerases can be provided by investigating the knot types resulting from topoisomerase action on circular DNA forming a particular knot type. Depending on the topological bias of a given topoisomerase reaction, one observes different subsets of knotted products. To establish the character of topological bias, one needs to be aware of all possible topological outcomes of intersegmental passages occurring within a given knot type. However, it is not trivial to systematically enumerate topological outcomes of strand passage from a given knot type. We present here a 3D visualization software (TopoICE-X in KnotPlot) that incorporates topological analysis methods in order to visualize, for example, knots that can be obtained from a given knot by one intersegmental passage. The software has several other options for the topological analysis of mechanisms of action of various topoisomerases.

Coltop3D: A new software for structural analysis with high resolution 3D point clouds and DEM

Coltop3D is a software that performs structural analysis by using digital elevation model (DEM) and 3D point clouds acquired with terrestrial laser scanners. A color representation merging slope aspect and slope angle is used in order to obtain a unique code of color for each orientation of a local slope. Thus a continuous planar structure appears in a unique color. Several tools are included to create stereonets, to draw traces of discontinuities, or to compute automatically density stereonet. Examples are shown to demonstrate the efficiency of the method.

JULIDE: a software tool for 3D reconstruction and statistical analysis of autoradiographic mouse brain sections.

In this article we introduce JULIDE, a software toolkit developed to perform the 3D reconstruction, intensity normalization, volume standardization by 3D image registration and voxel-wise statistical analysis of autoradiographs of mouse brain sections. This software tool has been developed in the open-source ITK software framework and is freely available under a GPL license. The article presents the complete image processing chain from raw data acquisition to 3D statistical group analysis. Results of the group comparison in the context of a study on spatial learning are shown as an illustration of the data that can be obtained with this tool.

Software for interpolation of vegetative growth of yerba mate plants in 3D

The objective of this work was to build mock-ups of complete yerba mate plants in several stages of development, using the InterpolMate software, and to compute photosynthesis on the interpolated structure. The mock-ups of yerba-mate were first built in the VPlants software for three growth stages. Male and female plants grown in two contrasting environments (monoculture and forest understory) were considered. To model the dynamic 3D architecture of yerba-mate plants during the biennial growth interval between two subsequent prunings, data sets of branch development collected in 38 dates were used. The estimated values obtained from the mock-ups, including leaf photosynthesis and sexual dimorphism, are very close to those observed in the field. However, this similarity was limited to reconstructions that included growth units from original data sets. The modeling of growth dynamics enables the estimation of photosynthesis for the entire yerba mate plant, which is not easily measurable in the field. The InterpolMate software is efficient for building yerba mate mock-ups.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

3D-tuoteyhdistelmämallien ja mittakuvien tuottaminen PDM-järjestelmästä

Tämä diplomityö on selvitystyö mittakuvien ja kolmiulotteisten CAD-mallien tuottamisesta. Mittakuvat ja 3D-CAD-mallit halutaan Neles-tuotemerkin omaaville tuotteille. Olennaisena osana työssä on tuotetiedonhallintajärjestelmä AtonPDM, koska mittakuvia ja malleja toivottaisiin hallittavan AtonPDM-järjestelmällä. Työ tehdään Metso Automationin (MA) Flow Control (FC) –liiketoimintalinjalle. Nykyiset mittakuvat aiheuttavat ongelmia sekä MA:ssa että asiakkaille. MA:ssa mittakuvien tekeminen kestää kauemmin kuin asiakas toivoisi. Nykyisen mittakuvaohjelmiston riittämättömät ominaisuudet aiheuttavat lisätyötä mittakuvien valmistuksessa. Asiakkaille mittakuvien viivästyminen on suunnittelua hidastava tekijä. Mittakuvissa olevat virheet ja puutteet vaikeuttavat asiakkaan suunnittelutyötä ja saattavat päästä läpi tarkatuksien myös loppusuunnitelmiin, jolloin seurauksena voi olla rahallisia menetyksiä. Tämän päivän putkistosuunnittelu hoidetaan suurimmaksi osaksi 3D-CADohjelmistoilla. Suunnittelua helpotetaan ja nopeutetaan valmiilla komponenttien 3Dmalleilla, joihin on liitetty tuotetietoa. Työssä on haastateltu MA:n henkilökuntaa, CAD-järjestelmien toimittajia ja asiakkaita. Haastattelut ovat työn tärkein tiedonlähde. Teoriatietoa on selvitetty kirjoista, lehdistä ja internetistä. Teoriaosiossa käydään läpi tuotetiedonhallinta (Product Data Management, PDM), tietokanta ja parametrinen mallintaminen. Työn lopputuloksena on pyritty saamaan kuvaus siitä miten tuotetaan 3D-CAD-mallit ja mittakuvat Neles-tuotteista käyttäen tiedonlähteenä AtonPDM:ää ja millaisia 3Dmallien ja mittakuvien tulee olla. Malleja ja mittakuvia tuottavaan järjestelmään on etsitty ratkaisuja CAD-ohjelmistoista. Ratkaisuja on verrattu keskenään ominaisuuksien, joustavuuden ja AtonPDM yhteensopivuuden perusteella.

3D Mesh Simplification. A survey of algorithms and CAD model simplification tests

Simplification of highly detailed CAD models is an important step when CAD models are visualized or by other means utilized in augmented reality applications. Without simplification, CAD models may cause severe processing and storage is- sues especially in mobile devices. In addition, simplified models may have other advantages like better visual clarity or improved reliability when used for visual pose tracking. The geometry of CAD models is invariably presented in form of a 3D mesh. In this paper, we survey mesh simplification algorithms in general and focus especially to algorithms that can be used to simplify CAD models. We test some commonly known algorithms with real world CAD data and characterize some new CAD related simplification algorithms that have not been surveyed in previous mesh simplification reviews.

Pituusleikkureiden 3D-suunnittelun kehittäminen

Tämä diplomityö tehtiin Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteelle. Työn tavoitteena oli tutkia miten pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan tehostaa hyödyntämällä uuden 3D-CAD -järjestelmän ominaisuuksia optimaalisesti. Työ koostuu teoriaosuudesta, haastattelututkimuksesta sekä käytännön osuudesta. Teoriaosuudessa perehdytään pituusleikkurin toimintaan ja rakenteeseen, 3D-suunnittelun teoriaan sekä CATIA-järjestelmään. Teoriaosuudessa etsitään myös uusia näkökulmia 3D-suunnitteluun. Haastattelututkimuksessa kartoitetaan nykyinen suunnitteluprosessi, suunnittelun kehitettäviä kohteita, sekä käytössä olevia suunnittelumenetelmiä, jotka ovat todettu toimiviksi. Haastattelututkimuksessa haastatellaan Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteessä työskenteleviä pituusleikkureiden pääsuunnittelijoita sekä heidän esimiehiään. Lisäksi erillisten haastattelujen avulla kerätään kokemuksia CATIA V6 -ohjelmiston käytöstä sekä suunnitteluohjelmiston vaihtumisesta. Käytännön osuuden tavoitteena on arvioida pituusleikkurin parametroitujen mallirakenteiden siirtämiseen sekä korjauksiin kuluvia aikamääriä kyseisiin toimenpiteisiin tarvittavien resurssien määrittämiseksi. Käytännön osuudessa siirretään kaksi Valmet OptiWin Drum Compact -pituusleikkurin parametroitua osakokonaisuutta uuteen CAD-järjestelmään ja niille suoritetaan tarvittavat korjaustoimenpiteet Tutkimuksen tulosten perusteella yhteisen mallinnusmetodologian puuttuminen on merkittävin kehityskohde suunnittelun kehittämisessä. Lopuksi luotiin kehitysehdotukset sekä implementointisuunnitelma, joiden avulla pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan kehittää ja CATIA V6 -ohjelmisto voidaan ottaa käyttöön tehokkaasti.

Capaware: plataforma de desarrollo de software libre para aplicacines geográficas 3D multicapa

En este trabajo se presenta Capaware, una plataforma de software libre para el desarrollo de aplicaciones geográficas 3D multicapa, que surge a partir de la iniciativa del Instituto Tecnológico de Canarias en colaboración con la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Este entorno simplifica la creación de aplicaciones 3D sobre territorios geográficos extensos, disponiendo de una herramienta muy visual que aporta un nuevo punto de vista muy importante para una toma de decisiones eficaz. Capaware proporciona una interfaz fácil de usar y muy flexible que simplifica el desarrollo de nuevas aplicaciones, permitiéndonos crear rápidamente entornos virtuales con múltiples capas de información sobre el terreno. Con las capacidades clásicas de un Sistema de Información Geográfica (SIG), Capaware permite actualmente la carga de capas WMS sobre entornos 3D, añadir objetos 3D sobre el terreno, y visualizar elementos dinámicos, ofreciendo una nueva perspectiva de la información analizada. Así mismo, podemos administrar las capas de recursos y elementos que se pueden representar sobre la zona geográfica en cuestión. (...)

From CAD to virtual reality: modelling approaches, data exchange and interactive 3D building design tools

Virtual reality has the potential to improve visualisation of building design and construction, but its implementation in the industry has yet to reach maturity. Present day translation of building data to virtual reality is often unidirectional and unsatisfactory. Three different approaches to the creation of models are identified and described in this paper. Consideration is given to the potential of both advances in computer-aided design and the emerging standards for data exchange to facilitate an integrated use of virtual reality. Commonalities and differences between computer-aided design and virtual reality packages are reviewed, and trials of current system, are described. The trials have been conducted to explore the technical issues related to the integrated use of CAD and virtual environments within the house building sector of the construction industry and to investigate the practical use of the new technology.

CAD e engenharia reversa como ferramentas de auxílio na fabricação de cartuchos para próteses ortopédicas

The manufacturing of above and below-knee prosthesis starts by taking surfac measurements of the patient s residual limb. This demands the making of a cartridg with appropriate fitting and customized to the profile of each patient. The traditiona process in public hospitals in Brazil begins with the completion of a record file (according to law nº388, of July 28, 1999 by the ministry of the health) for obtaining o the prosthesis, where it is identified the amputation level, equipment type, fitting type material, measures etc. Nowadays, that work is covered by the Brazilian Nationa Health Service (SUS) and is accomplished in a manual way being used commo measuring tapes characterizing a quite rudimentary, handmade work and without an accuracy.In this dissertation it is presented the development of a computer integrate tool that it include CAD theory, for visualization of both above and below-knee prosthesis in 3D (i.e. OrtoCAD), as well as, the design and the construction a low cos electro-mechanic 3D scanner (EMS). This apparatus is capable to automatically obtain geometric information of the stump or of the healthy leg while ensuring smalle uncertainty degree for all measurements. The methodology is based on reverse engineering concepts so that the EMS output is fed into the above mentioned academi CAD software in charge of the 3D computer graphics reconstruction of the residualimb s negative plaster cast or even the healthy leg s mirror image. The obtained results demonstrate that the proposed model is valid, because it allows the structura analysis to be performed based on the requested loads, boundary conditions, material chosen and wall thickness. Furthermore it allows the manufacturing of a prosthesis cartridge meeting high accuracy engineering patterns with consequent improvement in the quality of the overall production process

Adaptação eletrônica de um leitor mecânico de coto, investigação e desenvolvimento de interface CAD

Due to advances in the manufacturing process of orthopedic prostheses, the need for better quality shape reading techniques (i.e. with less uncertainty) of the residual limb of amputees became a challenge. To overcome these problems means to be able in obtaining accurate geometry information of the limb and, consequently, better manufacturing processes of both transfemural and transtibial prosthetic sockets. The key point for this task is to customize these readings trying to be as faithful as possible to the real profile of each patient. Within this context, firstly two prototype versions (α and β) of a 3D mechanical scanner for reading residual limbs shape based on reverse engineering techniques were designed. Prototype β is an improved version of prototype α, despite remaining working in analogical mode. Both prototypes are capable of producing a CAD representation of the limb via appropriated graphical sheets and were conceived to work purely by mechanical means. The first results were encouraging as they were able to achieve a great decrease concerning the degree of uncertainty of measurements when compared to traditional methods that are very inaccurate and outdated. For instance, it's not unusual to see these archaic methods in action by making use of ordinary home kind measure-tapes for exploring the limb's shape. Although prototype β improved the readings, it still required someone to input the plotted points (i.e. those marked in disk shape graphical sheets) to an academic CAD software called OrtoCAD. This task is performed by manual typing which is time consuming and carries very limited reliability. Furthermore, the number of coordinates obtained from the purely mechanical system is limited to sub-divisions of the graphical sheet (it records a point every 10 degrees with a resolution of one millimeter). These drawbacks were overcome by designing the second release of prototype β in which it was developed an electronic variation of the reading table components now capable of performing an automatic reading (i.e. no human intervention in digital mode). An interface software (i.e. drive) was built to facilitate data transfer. Much better results were obtained meaning less degree of uncertainty (it records a point every 2 degrees with a resolution of 1/10 mm). Additionally, it was proposed an algorithm to convert the CAD geometry, used by OrtoCAD, to an appropriate format and enabling the use of rapid prototyping equipment aiming future automation of the manufacturing process of prosthetic sockets.