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Segmentación 3D de Incisivo Central con Calcificación Pulpar

Cone-Beam de Incisivo con Pulpolito

La generación de modelos tridimensionales desde conjuntos de datos de tomografías computarizadas Cone-Beam (CBCT) nos permite entender de mejor manera la anatomía humana.

En este artículo mostraré paso a paso cómo generar un modelo 3D de la anatomía interna de un incisivo central superior con una calcificación pulpar, esto nos permitirá conocer cómo se comporta la pulpa frente a la existencia de un pulpolito.

Conjunto de Datos de la CBCT

Esta es un subconjunto recortado de los cortes tomograficos de una CBCT. Hasta este instante los datos siguen siendo bidimensionales y necesito interpretarlos como un volumen.

Generación del Modelo 3D

Primero debo determinar la región de interés (ROI) en las 3 dimensiones del espacio, la cual utilizaré para la generación del modelo tridimensional.

Después de delimitar la ROI se establece la Speed Image, que es una segmentación preliminar en base a umbrales de densidad ósea, las zonas azules son las regiones que no se van a segmentar.

Ahora se sitúan círculos (esferas volumétricamente) dentro de las zonas que deseamos segmentar, esferas las cuales posteriormente se deformarán automáticamente adoptando la forma de la zona a segmentar (Active Contour Segmentation).

Como ven, la visualización 3D son una serie de esferas situadas donde nosotros quisimos.

Echamos a andar el programa y las esferas comienzan a deformarse para adoptar la forma de diente.

El programa terminó de realizar la Active Contour Segmentation y el diente ya se segmentó.

Realizamos los mismos pasos anteriores para segmentar la pulpa del diente (en rojo) y también se puede observar el diente ya segmentado (Blanco).

Aquí se observan las 3 estructuras de interés, los tejidos duros del diente, la pulpa y el pulpolito. Es curioso observar cómo la pulpa rodea la calcificación pulpar del canal radicular.

Aspecto final de nuestro diente ya con todas las estructuras segmentadas.

Importamos nuestro modelo tridimensional en un software de edición de modelos tridimensionales y realizamos un suavizado de superficie.

Hemos terminado y en la imagen anterior se puede apreciar el aspecto final de nuestro Biomodelo Tridimensional.

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Manufactura de Modelo Anatómico a Través de Fabricación con Filamento Fundido

Impresión 3D de Mandíbula Humana

Hemos llegado a la parte final para la generación de un modelo tridimensional tangible con el cual podemos trabajar físicamente, pasamos desde un conjunto de datos radiográficos DICOM, pasando por un modelo tridimensional virtual y ahora vamos a fabricarlo con una impresora 3D.

Posterior a la generación de un modelo tridimensional virtual, sumado al proceso de eliminación de artefactos y suavizado de superficie, el archivo STL debe ser materializado para la obtención de un modelo físico.

En el mercado existen múltiples tecnologías de prototipado rápido o impresión tridimensional, el presente trabajo se enfoca en la tecnología de Fabricación con Filamento Fundido o Fused Filament Fabrication (FFF).

La forma en que la tecnología de manufactura FFF trabaja consiste en la extrusión de plástico fundido desde filamentos sólidos, en donde se van depositando capas de material para así generar un modelo tridimensional (1).

El material empleado por la máquina utilizada (Makerbot Replicator 2) es el Ácido Poliláctico o Polylactic Acid (PLA), este material es un biopolímero termoplástico biodegradable de alta resistencia mecánica y baja toxicidad (2,3)

La tecnología de manufactura FFF junto con PLA ha demostrado tener resultados comparables con soluciones de manufactura más costosas (4).

Cabe mencionar que el archivo en formado STL debe ser interpretado por un programa computacional compatible con la máquina a utilizar, por lo que varía en función de la tecnología y la marca comercial utilizada. En general el pool de programas computacionales presentes en el mercado actual genera a partir de un archivo STL la ruta específica que debe seguir la máquina para lograr materializar el modelo tridimensional virtual.

A continuación se describe el programa computacional que utiliza la marca MakerBot:

Makerbot Desktop

Este programa computacional (www.makerbot.com) especialmente diseñado para funcionar con la marca MakerBot tiene la capacidad de importar archivos en formato STL e interpretarlos para el posterior envío a la impresora.

MakerBot Desktop genera las rutas que debe seguir la impresora además de un sistema de soportes de impresión (Figura 1). Los soportes de impresión tienen la función de impedir que el filamento fundido que se está extruyendo no caiga sobre la base cuando los diseños de la pieza a manufacturar son muy irregulares, el soporte generado por el programa computacional se ajusta precisamente a las características del modelo de máquina específico.

Referencias

  1. Gonzalez SR, Bennett DB. 3D Printing: A Practical Guide for Librarians [Internet].

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Edición del Modelo Tridimensional Virtual Obtenido Desde una Tomografía Computarizada Cone-Beam

Visualización del modelo tridimensional virtual inmediatamente después de su generación
Figura 1: Visualización del modelo tridimensional virtual inmediatamente después de su generación

Esta entrada es la continuación de la serie de artículos sobre fabricación digital aplicada a la odontología, en este apartado abordaremos el post proceso que debe recibir el modelo tridimensional virtual una vez generado desde el set de datos DICOM.

El archivo en formato STL generado desde los DICOM suele presentar artefactos que deben ser eliminados, además, normalmente la superficie del modelo presenta irregularidades que deben ser suavizadas previo al proceso de manufactura. Para este proceso se describe, a continuación, un programa computacional.

Autodesk® MeshMixer®

Autodesk® MeshMixer® (www.meshmixer.com) es un programa computacional gratuito que tiene la capacidad de editar modelos tridimensionales virtuales en formato STL, dentro de sus características se encuentran herramientas con las que podemos seleccionar los artefactos para ser eliminados como también seleccionar la superficie para ser suavizada (Figura 1 y Figura 2).

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Modelo Tridimensional Desde una Tomografía Computarizada Cone-Beam

Visualización de un modelo tridimensional virtual de una mandíbula en formato STL
Figura 1: Visualización de un modelo tridimensional virtual de una mandíbula en formato STL

Este artículo pertenece una serie de entradas sobre Fabricación Digital Aplicada a la Odontología. En el artículo anterior describí acabadamente lo que es un Conjunto de Datos DICOM.

El conjunto de datos DICOM es una serie de cortes bidimensionales que deben ser unidos entre sí para generar un modelo tridimensional, este proceso es llevado a cabo mediante programas computacionales que interpretan y segmentan los datos bidimensionales de los cortes transformándolos en volúmenes tridimensionales.

El formato de archivo de modelos tridimensionales más utilizado es el STL (STereo Lithography), este formato es una representación geométrica en 3D de una superficie (Figura 1). La superficie que representa el archivo STL está constituida por múltiples triángulos unidos entre sí (Figura 2) (1,2).

El programa computacional debe interpretar datos bidimensionales DICOM y generar modelos tridimensionales virtuales en formato STL, a continuación se describirán dos programas que cumplen este objetivo:

3D Slicer

3D Slicer (www.slicer.org) es un programa computacional de libre acceso para el análisis y visualización de imágenes médicas. Dentro de las prestaciones del programa se encuentra la función de segmentación de áreas específicas para la posterior generación de un modelo tridimensional virtual en formato STL (3).

Para la generación de modelos tridimensionales virtuales, el usuario debe determinar los umbrales de densidad en la estructura a segmentar, estos umbrales se miden en Unidades Hounsfield (HU), por ejemplo la densidad de los huesos maxilofaciales ronda entre los 400 y 900 HU (4). El software determina los voxeles (unidad mínima de una imagen digital tridimensional, homólogo al pixel en imágenes bidimensionales) que van a formar parte del modelo tridimensional virtual. Cabe destacar que la generación de modelos tridimensionales virtuales automáticamente a través de la determinación de umbrales presenta artefactos debido a que los umbrales establecidos incluyen voxeles anexos indeseados de la estructura a segmentar. Estos artefactos deben ser eliminados posteriormente con programas computacionales de edición de modelos tridimensionales virtuales.

Otra alternativa en la generación de modelos tridimensionales virtuales es la segmentación manual, ésta se obtiene al pintar en cada corte de la tomografía computarizada la estructura que se desea segmentar (Figura 3) Este proceso es bastante tedioso debido a que una tomografía computarizada de cabeza y cuello contiene alrededor de 400 cortes tomográficos.

itk-SNAP

itk-SNAP (www.itksnap.org) es un programa computacional de acceso libre para la generación de modelos tridimensionales virtuales en formato STL a partir de datos DICOM.

Este programa computacional es más ventajoso para la generación de modelos tridimensionales que 3D Slicer, debido a que cuenta con un método de segmentación automática avanzado llamado Active Contour Segmentation, el cual gesta un modelo tridimensional virtual más limpio, libre de artefactos y fidedigno (5) (Figura 4).

Itk-SNAP no cuenta con más herramientas de análisis de imágenes biomédicas, como sí cuenta 3D Slicer.

Referencias

  1. Grimm T. User’s guide to rapid prototyping [Internet]. Society of Manufacturing Engineeers;

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Archivos DICOM: Así se Almacena Digitalmente una Tomografía Computarizada Cone-Beam

DICOM

El protocolo estándar de intercambio de datos de tomografías computarizadas es el Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), este estándar es un formato de imagen digital y una estructura de datos para el almacenamiento e intercambio de imágenes biomédicas (1).

En general, el conjunto de datos DICOM consiste es una serie de archivos, por regla general, bajo la extensión .dcm, cada archivo del conjunto es un corte del examen imagenológico, este conjunto de datos normalmente es almacenado en CD-ROMs junto con programas computacionales para su visualización.

También podría estar en otros formatos de imagen (2), lo primordial para la generación de los modelos tridimensionales es tener cada corte del examen en archivos separados.
Para obtener un modelo tridimensional de calidad suficiente el grosor de cada corte tomográfico debe ser menor a 1,5 mm (3)

Esta es la primera entrega de una serie de artículos sobre Fabricación Digital Aplicada a la Odontología, que consiste en generar modelos tridimensionales virtuales o físicos desde Tomografías Computarizadas.

Referencias

  1. Bidgood WD, Horii SC, Prior FW, Van Syckle DE. Understanding and using DICOM, the data interchange standard for biomedical imaging.

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