BIOINFORMATICA MIEMBROS INFERIORES(PPTshare)

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO UNIDAD MIXTA CENTRO DE ENSEÑANZA Y ADIESTRAMIENTO QUIRURGICO PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) REALIZADOR DEL PROYECTO ING. LUIS ERICK HÍJAR VÁZQUEZ

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) INTRODUCCIÓN   La Realidad Virtual es una tecnología que puede ser aplicada en cualquier campo, como la educación, gestión, telecomunicaciones, juegos, entrenamiento militar, procesos industriales, trabajo a distancia, consulta de información, marketing, turismo, medicina, etc. Una de las principales aplicaciones actuales es en la Medicina. La representación de modelos tridimensionales constituye un recurso de gran utilidad en el análisis y comprensión de estructuras complejas en el campo de la anatomía humana favoreciéndola aún mas con el avance tecnológico que hay en cuanto al procesamiento de adquisición de imágenes como es la TAC y el desarrollo de nuevas herramientas de visualización de datos que nos permiten realizar reconstrucciones cada vez más complejas y de mayor peso, dando modelos en 3D con mayor precisión anatómica.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Uno de los problemas que se presentan en la búsqueda de información relacionada a la biomecánica articular humana es la escasa información y no adecuada comprensión, existe material que muestra burdamente los movimientos que se presentan en el sistema locomotor humano indicando los grados de libertad de cada articulación, los movimientos naturales y esenciales que realizan los mismos: simples, comunes y cotidianos, las imágenes disponibles se encuentran en dos dimensiones.   El proceso bioinformático que hemos desarrollado para visualizar dicha biomecánica esta estructurado en realizar un modelo tridimensional.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) METODOLOGÍA  La representación bidimensional de una imagen se denomina matriz; esta se define como; un conjunto ordenado en una estructura de filas y columnas. Los elementos de este conjunto pueden ser objetos matemáticos de muy variados tipos, aunque de forma particular, A una matriz con m filas y n columnas se le denomina matriz m-por-n (escrito m×n), y a m y n dimensiones de la matriz. Las dimensiones de una matriz siempre se dan con el número de filas primero y el número de columnas después. Comúnmente se dice que una matriz m-por-n tiene un orden de m × n ("orden" tiene el significado de tamaño).    Para definir una matriz A m × n con cada entrada en la matriz A[i,j] llamada aij para todo 1 ≤ i ≤ m y 1 ≤ j ≤ n.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Se empleo un modelo anatómico real de miembros inferiores, los cuales se procesaron a través de (TAC), con las características especificadas para realizar el barrido de imágenes con un corte predeterminado de 0.6mm en un tomógrafo de 16 censores, estas especificaciones permiten tener una pila de datos mostrando rebanadas del modelo establecido conteniendo los detalles de cada hueso que conforma a los miembros inferiores El tomógrafo computarizado recopila la información de un sistema o de un cuerpo determinado en este caso el de los huesos de los miembros inferiores. La imagen se forma gracias a que cada valor de atenuación tiene un tono de gris diferente en cada escala preestablecida.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Realizando el procesamiento digital de las imágenes médicas se aplicaron análisis numéricos para eliminar los elementos que no se requerían para la visualización y la reconstrucción que permite la obtención del modelo a través de mascaras diseñadas para limitar el objeto a reconstruir. Teniendo como resultante la imagen que deseamos reconstruir, se realizan las visualizaciones correspondientes a través del software visualizador que aplica las técnicas de visualización científica.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Usando algoritmos de visualización, y separando cada uno de lo huesos se procedió a ensamblar el modelo que ejemplificaría la biomecánica humana, para ello se empleo software Maya 8.5, desarrollado por Autodesk, utilizado para modelación en 3D el cual permitió estructurar a través de un modelo jerárquico la relación que tendría cada uno de los huesos y como es que se deberían de ir moviendo con respecto a las normas biológicas permitiendo desarrollar un esqueleto que se conoce como esqueleto de animación, o animación por huesos, esto da pie a establecer la técnica de animación adecuada.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) La animación directa se fundamenta en el esqueleto de animación que se crea a cierto sistema, el cual realizara una actividad a visualizarse, este mismo plantea que se ensamble un esqueleto en el interior del sistema mediante un JOINT que conjunta a cada hueso permitiendo movilidad a través de un sistema jerárquico mediante el método de emparentar geometrías.  Este método sistematiza adecuadamente al modelo a visualizar permitiendo la animación libre.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Se requiere de programación estructural ya que hay que determinar los límites de movilidad de cada uno de los JOINT los cuales dependen de variables que permiten la visualización específica del movimiento, estas variables se estudiaron previamente en la bibliografía que ilustra los limites y las variables involucradas en dichos movimientos, la que permitió una comprensión adecuada de la biomecánica que se desarrolla en el sistema de los miembros inferiores. Para realizar la visualización en tercera dimensión de inmersión se uso el software visualizador Amira 4.0 desarrollado por Visage Imaging empleado para visualizaciones científicas, este sistema lo usan en la sala de Realidad Virtual Inmersiva Ixtli. Este opera de la siguiente forma.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) PROCESAMINETO La supercomputadora gráfica Onyx 350 de SGI, donde se procesa la Información gráfica desplegada en la pantalla, está ubicada en la sala de supercómputo a unos 15 metros de distancia, en óptimas condiciones. INMERSIÓN La inmersión visual se obtiene mediante la combinación de los proyectores, la pantalla, los lentes estereoscópicos y la ambientación oscura.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Tres proyectores Christie Digital ubicados en el techo, envían las imágenes a la pantalla para integrar una sola con una resolución de 3840 x 1024 pixeles. La pantalla es curva y mide 2.55 m de altura por 8.90 m de arco, cubriendo un ángulo de 140 grados. La curvatura aumenta mucho la inmersión en la imagen al hacerla envolvente, criterio fundamental para las áreas que se retroalimentan por el aspecto sensorial. El acabado de la pantalla tiene propiedades especiales para reflejar la luz de manera uniforme, sin puntos de brillo. Se escogió un sistema de estereoscopía activa, con lentes sincronizados a la computadora mediante tres emisores ubicados en la parte inferior media de la pantalla y en los laterales superiores.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) La estereoscopía activa presenta una calidad de profundidad mucho mayor que la estereoscopía pasiva. La inmersión auditiva es lograda por un sistema de sonido envolvente 5.1, es decir, cinco bocinas y un subwofer ubicados alrededor de la sala. Este sistema de sonido permite combinar espacio visual con espacio auditivo. Es totalmente independiente del sistema de sonido empleado para reforzar la voz de los conferencistas. Este software empleado en la sala de realidad virtual también es compatible en cualquier PC que cuente con la plataforma siguiente Windows 2000/XP/Vista, 32-bit y 64-bit editions (AMD64 e Intel EMT64).

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Las imágenes digitales en formato DICOM permitieron su procesamiento aritmético en forma matricial, para obtener lo necesario de cada imagen, estas mismas se apilaron en paquetes que fueron traducidas por el software Amira el cual permitió visualizar si la operación aritmética cumplió con su objetivo que fue obtener los miembros inferiores. Exportados subsecuentemente al software modelador Maya, se pudo construir el modelo esqueletal interno, es fue realizado con puntos donde se unían los huesos en el cual se presentaba el movimiento deseado y armado el sistema esqueletal se procedió a programar cada uno de estos puntos llamados JOINT, realizando su animación para exportarlo al software visualizador en el cual se realizaron diferentes pruebas para determinar si cumplía con el modelo real Biomecánica Articular en Miembros Inferiores Para este trabajo se empleo la bibliografía existente en la cual se indica.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) La biomecánica del sistema músculo esquelético requiere un buen entendimiento dela mecánica básica terminología y los conceptos básicos de la mecánica y la física se utilizan para describir las fuerzas internas del cuerpo humano. El objetivo de estudiar estas es comprender la condición de carga de tejidos blandos y sus respuestas mecánicas BIOMECÁNICA DE LAS ARTICULACIONES La cinemática define el rango de movimiento y describe el movimiento de superficie de una articulación en tres planos frontal (coronal o longitudinal), sagital y transversal (horizontal) las mediciones clínicas del rango de movimiento articular definen la posición anatómica como una posición cero para la medición

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) RESULTADOS  Se obtuvo el modelo tridimensional el cual esta a disposición de quien lo solicite, que visualiza la biomecánica articular de los miembros inferiores de manera clara y precisa.  Mediante las técnicas empleadas en el procesamiento bionformatico se pude observar que este procedimiento permitió la visualización de los miembros inferiores a través de las técnicas de procesamiento de imágenes digitales y de algoritmos matemáticos, como los establecidos para la eliminación de los elementos no deseados en las imágenes procesadas.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Puede ser aplicado a cualquier sistema medico que se requiera para visualizar una patología determinada en cualquier órgano, esto da pie al crecimiento de tecnología que permitirá diagnosticar y determinar padecimientos más específicos. Recordando que se deben de cumplir con dada uno de los requisitos mínimos que se establecieron en la metodología como el valor de corte en cada imagen el número de censores del tomógrafo el software visualizador y de modelado en 3D así como el formato en que serán procesadas las imágenes digitales.

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) Con la información obtenida de la biomecánica articular se puede indicar que los antecedentes mecánicos permitieron entender como es que se presentan los vectores fuerza y momento estos vectores se analizaron mediante los diagramas de cuerpo libre que ilustraban el movimiento articular y los vectores que se presentan para realizar este movimiento apegándose a los modelos reales existentes determinando los grados de libertad, estos se obtuvieron con las herramientas de computo empleadas en la metodología y descritas en la misma

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) CONCLUSIÓN Se establece que la tecnología aplicada en el procesamiento de imágenes medicas es aplicable en cualquier sistema medico el cual permite comprender, forma tamaño de sistemas médicos, permitiendo desarrollar herramientas de mayor utilidad para la medicina, se planteo esta metodología para un sistema en especifico pero se observa que los de mas sistemas también se acoplan a dichas especificaciones, esto permite desarrollo tecnológico el cual introducirá los fundamentos en el crecimiento de técnicas quirúrgicas, de enseñanza y diagnostico Como simuladores quirúrgicos, los cuales funcionaran como modelos virtuales en los cuales se simularan situaciones reales y no se practica en cadáveres en los cuales no se sabe si se aplico bien el tratamiento, o en otro ser vivo que no se comporte similar a un ser humano real

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PROCESO BIOINFORMÁTICO DESARROLLADO A LA BIOMECÁNICA ARTICULAR HUMANA (MIEMBROS INFERIORES) DIAGNÓSTICOS MÁS EFICIENTES Crear una unidad de imagenología que permita exhibir hasta los más mínimos detalles patológicos que afecten al ser humano, sin tener que realizar procedimientos de mayor invasión dañando sistemas sanos y reduciendo procesos innecesarios. Determinado un diseño estructurado para un sistema de salud que permitirá un crecimiento en la calidad de vida. Conjuntando estos elementos se puede establecer que los modelos virtuales de inmersión permiten el desarrollo de sectores donde no se creían explorables en áreas como la medicina y esto permitirá a futuras generaciones proseguir o mejora los métodos establecidos para desarrollo de nuevas tecnologías.