Stima della superficie corporea in condizioni statiche e dinamiche: Stato dell'arte e soluzioni innovative low-cost

In questo progetto di tesi ci si addentrerà nel campo della scansione corporea, e più in generale di qualunque oggetto. In questo ambito le soluzioni proposte sono numerose e questo settore ha vissuto negli ultimi anni un’incredibile crescita, favorita anche dalla nascita delle stampanti 3D. Si può ragionevolmente supporre che tale crescita non sia destinata ad esaurirsi nei prossimi anni; ci sono i presupposti per cui questo settore occupi fette sempre più importanti del mercato. In questa tesi ci si è occupati prevalentemente di tecniche di scansione del corpo umano, in quanto una descrizione geometricamente accurata della superficie corporea riveste una notevole importanza sia nelle applicazioni industriali che nello studio della biomeccanica del movimento. Per quanto riguarda le applicazioni industriali si pensi ad esempio all’utilizzo di scanner 3D in accoppiata alle moderne stampanti 3D per la realizzazione di protesi custom o al comparto sartoriale per il confezionamento di abiti su misura. Nell’ambito della biomeccanica essa può risultare utile sia per quanto riguarda gli aspetti cinematici e dinamici nei campi riabilitativo, ergonomico e sportivo, sia per quanto riguarda la stima delle grandezze antropometriche. Attualmente esistono sistemi di scansione corporea low-cost che si stanno sempre più diffondendo e si può pensare ad un futuro neanche tanto lontano nel quale essi siano presenti in maniera diffusa nelle abitazioni. In tale contesto gli obiettivi di questa tesi sono: 1) Documentare quanto prodotto finora a livello scientifico, brevettuale ed industriale, evidenziando meriti e limiti di ciascuna soluzione. 2) Individuare e valutare la realizzabilità di soluzioni innovative low-cost.

Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Scanner 3D con proiettore e videocamera

In questa dissertazione viene descritto un sistema sviluppato per ottenere una rappresentazione a tre dimensioni in real time di una superficie. Il sistema si avvale di alcune tecniche di ottimizza- zione e di trattamento dell’immagine e sfrutta dispositivi comuni e di facile reperibilita`: una videocamera e un proiettore.

Un metodo multilivello per la semplificazione di mesh poligonali da scanner 3D

L'algoritmo di semplificazione proposto in questa tesi agisce in modo iterativo su due livelli, in una prima fase alla mesh viene applicato un operatore di smoothing e alla mesh così elaborata viene poi applicata la decimazione. L'alternanza di questi due operatori permette di avere mesh semplificate che mantengono però una qualità maggiore rispetto al risultato che si avrebbe invece applicando solo la decimazione. A partire da una mesh ad alta risoluzione, ad ogni iterazione viene quindi creata una mesh con una risoluzione inferiore fino all'ultima iterazione che produce la mesh coarse (a bassa risoluzione) desiderata. Si viene quindi a creare una struttura di semplificazione multilivello, utile in molte applicazioni di computer graphics.

Avaliação Comparativa dos Scanners 3D Artec MHT e Cyberware WBX para aplicações em Antropometria e Ergonomia

A partir das dimensões dos indivíduos pode-se definir dimensionamentos adequados para os produtos e postos de trabalho, proporcionando segurança e conforto aos usuários. Com o avanço da tecnologia de digitalização de imagens (escaneamento) 3D, é possível tirar algumas medidas de maneira mais rápida e com a redução da presença do entrevistado durante o processo. No entanto, faltam estudos que avaliem estas tecnologias no Brasil, sendo necessária a realização de uma comparação das tecnologias e das respectivas precisões para que seu uso em pesquisas. Com o objetivo de oferecer métodos comparativos para escolha dos marcadores e equipamentos a serem utilizados em uma pesquisa antropométrica tridimensional da população brasileira, no presente estudo estão comparadas duas tecnologias de escaneamento: o sistema a laser WBX da empresa norte americana Cyberware e o sistema MHT da empresa russa Artec Group. O método para avaliação da precisão dimensional dos dados advindos desses equipamentos de digitalização de imagens 3D teve cinco etapas: Estudo dos processos de escaneamento; Escaneamento dos marcadores de pontos anatômicos; Escaneamento utilizando um corpo de prova cilíndrico; Escaneamento de um manequim; Escaneamento de um voluntário que teve seus pontos anatômicos marcados para a retirada de medidas. Foi feita uma comparação entre as medidas retiradas manualmente, por meio de antropômetro e virtualmente, com o auxílio do software de modelagem tridimensional Rhinoceros. Em relação aos resultados obtidos na avaliação do manequim e do voluntário, concluiu-se que a magnitude do erro absoluto é semelhante para ambos os scanners, e permanece constante independentemente das dimensões sob análise. As principais diferenças são em relação às funcionalidades dos equipamentos.

Bin picking de objetos polimórficos convexos usando perceção 3D

O bin picking é um processo de grande interesse na indústria, uma vez que permite maior automatização, aumento da capacidade de produção e redução dos custos. Este tem vindo a evoluir bastante ao longo dos anos e essa evolução fez com que sistemas de perceção 3D começassem a ser implementados. Este trabalho tem como principal objetivo desenvolver um sistema de bin picking usando apenas perceção 3D. O sistema deve ser capaz de determinar a posição e orientação de objetos com diferentes formas e tamanhos, posicionados aleatoriamente numa superfície de trabalho. Os objetos utilizados para fazer os testes experimentais, são esferas, cilindros e prismas, uma vez que abrangem as formas geométricas existentes em muitos produtos submetidos a bin picking. Após a identi cação e seleção do objeto a apanhar, o manipulador deve autonomamente posicionar-se para fazer a aproximação e recolha do mesmo. A aquisição de dados é feita através de uma câmara Kinect. Dos dados recebidos apenas são trabalhados os referentes à profundidade, centrando-se assim este trabalho na análise e tratamento de nuvem de pontos. O sistema desenvolvido cumpre com os objetivos estabelecidos. Consegue localizar e apanhar objetos em várias posições e orientações. Além disso apresenta uma velocidade de processamento compatível com a aplicação em causa.

Interface virtual com sensor 3D para interação de pessoas acamadas

A interação homem-máquina tem evoluído significativamente nos últimos anos, a ponto de permitir desenvolver soluções adequadas para apoio a pessoas que possuem um certo tipo de limitação física ou cognitiva. O desenvolvimento de técnicas naturais e intuitivas de interação, as chamadas Natural User Interface (NUI), permitem, hoje, que pessoas que estejam acamadas e/ou com incapacidade motora possam executar um conjunto de ações por intermédio de gestos, aumentando assim a sua qualidade de vida. A solução implementada neste projecto é baseada em processamento de imagem e visão por computador através do sensor 3D Kinect e consiste numa interface natural para o desenvolvimento de uma aplicação que reconheça gestos efetuados por uma mão humana. Os gestos identificados pela aplicação acionam um conjunto de ações adequados a uma pessoa acamada, como, por exemplo, acionar a emergência, ligar ou desligar a TV ou controlar a inclinação da cama. O processo de desenvolvimento deste projeto implicou várias etapas. Inicialmente houve um trabalho intenso de investigação sobre as técnicas e tecnologias consideradas importantes para a realização do trabalho - a etapa de investigação, a qual acompanhou praticamente todo o processo. A segunda etapa consistiu na configuração do sistema ao nível do hardware e do software. Após a configuração do sistema, obtiveram-se os primeiros dados do sensor 3D Kinect, os quais foram convertidos num formato mais apropriado ao seu posterior tratamento. A segmentação da mão permitiu posteriormente o reconhecimento de gestos através da técnica de matching para os seis gestos implementados. Os resultados obtidos são satisfatórios, tendo-se contabilizado cerca de 96% de resultados válidos. A área da saúde e bem-estar tem necessidade de aplicações que melhorem a qualidade de vida de pessoas acamadas, nesse sentido, o protótipo desenvolvido faz todo o sentido na sociedade actual, onde se verifica o envelhecimento da população.

Medição do volume por comparação entre o método gravimétrico e geométrico

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Dinodontosaurus (Synapsida, Dicynodontia) reconstituições morfológicas e aspectos biomecânicos

Dicinodontes possuem um mosaico de características, que incluem, por exemplo, extrema redução dentária, movimento propalinal da mandíbula, e o desenvolvimento de uma postura diferenciada em alguns gêneros. Nesses, enquanto os membros anteriores permanecem abduzidos, em uma postura primitiva, os posteriores se tornam totalmente aduzidos. Para discutir aspectos paleobiológicos, foram efetuadas análises morfofuncionais e biomecânicas em espécimes do gênero Dinodontosaurus Romer, 1943, um dicinodonte de porte médio do Mesotriássico do estado do Rio Grande do Sul, Brasil. É endossada a sinonímia da maioria das espécies do gênero com Dinodontosaurus turpior, excetuando-se Dinodontosaurus platygnathus, cujos materiais apresentam características conflitantes, e é tratado aqui como nomen dubium. É apresentada uma sucinta descrição osteológica para as formas juvenis do gênero, nos quais se observa a presença de seis vértebras sacrais, além de um mínimo de 17 caudais, adicionando informações que permitem novas reconstruções esqueletais. Enfoque é dado na miologia facial e dos membros, com base na comparação de modelos para diferentes taxa, seguindo a abordagem de suporte filogenético de animais viventes. Apenas músculos de presença inequívoca são reconstituídos, a menos quando há argumentos morfológicos convincentes. A partir de observações morfofuncionais, é eliminada a possibilidade de Dinodontosaurus utilizar suas presas com a mandíbula aberta, seja para alimentação ou defesa, e é reforçado seu caráter como ornamentação Na falta de análogos posturais modernos, comparações com preguiças terrícolas extintas levaram alguns autores a propostas de uma postura bípede para os dicinodontes, ao menos facultativa, para se erguerem nas patas traseiras e alcançarem níveis mais elevados de vegetação. Para testar essa hipótese, foram abordados vários aspectos biomecânicos envolvidos na postura bípede, em Dinodontosaurus. Seu centro de massa foi localizado a partir da suspensão de modelos em argila, estando posicionado em um ponto, no plano sagital, aproximadamente na metade da distância entre os estilopódios anteriores e posteriores, um pouco mais próximo dos primeiros; para os indivíduos juvenis, um modelo digital obtido através de scanner 3D a laser também corroborou esse posicionamento, o que sugere que a postura bípede não poderia ser facilmente mantida sem apoio, e um caminhar bípede seria totalmente impraticável. Foram estimados os momentos de resistência da coluna vertebral, a partir de medidas da largura e altura dos centros vertebrais em sua borda posterior, sendo que os resultados foram compatíveis com um animal de postura quadrúpede. Foram também calculados os índices de capacidade atlética para os ossos longos dos membros anteriores e posteriores; para isso, foram estimadas as massas, com os indivíduos juvenis atingindo entre 23 e 32kg, enquanto o adulto não ultrapassaria 300kg. As massas foram obtidas baseando-se em estimativas de volume a partir de silhuetas e de modelos tridimensionais em computação Os valores obtidos para os índices de capacidade atlética são muito superiores aos de outros animais descritos na literatura, embora sejam compatíveis com outros terápsidos não-mamalianos julgados quadrúpedes, e estão na mesma ordem de grandeza entre os ossos dos membros anteriores e posteriores, o que também alude à postura quadrúpede. Através de observações morfológicas gerais, localização do centro de massa, estimativa de momentos de resistência da coluna vertebral e cálculo de índices de capacidade atlética para os membros, conclui-se que, ao menos no que concerne a Dinodontosaurus, não há evidências que suportem as analogias morfofuncionais com as preguiças terrícolas, animais que apresentam diversas adaptações para o bipedalismo. Os resultados para os índices de capacidade atlética também lançam dúvidas sobre sua aplicabilidade generalizada em comparações paleobiológicas.

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.

Exatidão, precisão e reprodutibilidade de medidas dentárias em modelos de gessso e imagem tridimensional

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência da carga oclusal parafuncional em próteses implantossuportadas, variando-se a proporção coroa/implante e o sistema de conexão protética: estudo pelo método dos elementos finitos tridimensionais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação da influência da inclinação das cúspides e da direção das cargas oclusais na distribuição das tensões em próteses implanto-suportadas: estudo através do método dos elementos finitos tridimensionais

Pós-graduação em Odontologia - FOA

INFLUÊNCIA DO LASER DE BAIXA INTENSIDADE NA VELOCIDADE DA MOVIMENTAÇÃO ORTODÔNTICA

Este estudo investigou os efeitos do laser de baixa intensidade na velocidade da movimentação ortodôntica de caninos submetidos à retração inicial. A amostra constou de 26 caninos superiores e inferiores, submetidos à retração inicial realizada com mola Niti, com força de 150g. Um dos caninos foi irradiado com laser de diodo, seguindo o protocolo de aplicação: 780nm/20mW/5Jcm2/0,2J por ponto/Et=2J, nos dias 0, 3 e 7 pós-ativação, sendo que o contralateral foi considerado placebo. A retração durou em média 4 meses, num total de 9 aplicações de laser. Os modelos de cada mês foram escaneados com scanner 3D (3Shape) e as imagens tridimensionais foram analisadas por meio do Software Geomagic Studio 5, para a mensuração da quantidade de movimentação dos caninos retraídos. Foi empregada a Análise de Variância a três critérios, seguida pelo teste de Tukey (p<0,05). Para verificação da integridade tecidual, foram efetuadas radiografias periapicais iniciais e finais dos caninos retraídos e dos molares, nas quais foram avaliados uma possível reabsorção na crista alveolar, por meio da distância da crista óssea alveolar até a junção cemento-esmalte e os níveis de reabsorção radicular, por meio do índice de Levander e Malmgreen, sendo este último avaliado somente nos caninos retraídos. Para isto, foi empregado o teste não paramétrico de Wilcoxon (p<0,05). Os resultados indicaram que houve um aumento estatisticamente significante na velocidade da movimentação dos caninos irradiados comparados ao seu contralateral, em todos os tempos avaliados, como também a preservação da integridade tecidual. Com isso, concluiu-se que o laser de diodo pode acelerar a movimentação ortodôntica, podendo contribuir para a diminuição do tempo de tratamento.(AU)