BREVE MANUAL DE SIMPLEWARE

Transcripción

1 Anexo II BREVE MANUAL DE SIMPLEWARE El objetivo de este anexo es proporcionar la experiencia personal obtenida del uso del paquete de programas: SIMPLEWARE. Sirviendo como guía práctica a futuros usuarios del mismo. En primer lugar, destacar la importancia que tiene tomar un primer contacto con el programa, a través de los ejemplos que proporciona el tutorial. El mencionado tutorial lo podemos encontrar tras la instalación del programa en la ruta, que por defecto es: C:\Archivos de programa\simpleware\documentation. La lectura de la misma nos introducirá algunas de las herramientas y la realización de los ejemplos prácticos que propone nos dará una experiencia, muy útil, sobre las operaciones básicas que posee el programa. En cuanto a este anexo, sólo describe operaciones que mi trabajo han requerido. Sin abordar muchas otras capacidades que el programa permite y no son descritas aquí, pero que con la lectura del tutorial del programa puede 85

2 complementarse. Como ejemplo, decir que este anexo no posee nada sobre el módulo ScanCAD, cuyo empleo sí es descrito en la documentación aportada por el programa. Los módulos que he debido usar para el trabajo, y que por tanto describo, han sido ScanIP y ScanFE. El primero contiene las herramientas para el procesado de imágenes (TACs, resonancias, etc). El segundo ScanFE se trata de un mallador de volúmenes, proporciona el modelo de elementos finitos. ScanIP Este programa tiene diversas herramientas para el tratamiento de imágenes, permitiendo girarlas, cortarlas, interpolarlas (Resample), así como útiles para realizar un segmentado, suavizado o aplicación de diversos filtros. Pero para poder utilizar la instrumentación que posee, es necesario proporcionarle una imagen. Ésta puede ser importada a través del módulo ScanCAD o de un archivo Dicom de TAC o resonancia magnética. En nuestro caso, siempre se trabajó con archivos Dicom resultado de un TAC. Para cargarla hacemos: File Import Dicom images y se nos abrirá una ventana como la siguiente: 86

3 Tras hacer clic en Browse se nos abre una nueva ventana como la central, para buscar la ruta donde tengamos las imágenes Dicom. Tras seleccionar una Dicom, se rellenará la ventana mostrada informándonos del número de imágenes que componen la TAC, nombre, etc. Debemos hacer clic en OK para pasar a la siguiente pantalla de importación. En esta nueva ventana se pueden previsualizar los cortes a lo largo de un eje vertical en la parte inferior. Arriba a la derecha se muestra el espectro de niveles de grises que se tiene. Permitiéndonos escoger todo o una selección manual, por defecto, o automática. Recomendando seleccionar Full Data Range para escoger todos los niveles de grises, ya que estos pueden ser afinados posteriormente. En la zona superior izquierda también aparecen herramientas para cortar o interpolar los archivos, lo que reduciría el espacio en memoria estimado. Aconsejo no realizar la operación de interpolado ahora mismo, ya que puede realizarse posteriormente según nos convenga. En cuanto al corte, aunque también se puede realizar con posterioridad, 87

4 es mejor hacerlo ahora para disminuir el archivo de trabajo en la medida de lo posible, prestando particular atención a no cortar zonas que sean de interés. Una vez finalizado los procesos deseados en este paso, hacemos clic en OK para finalizar la importación de la imagen a ScanIP. La interfaz que tendremos será como la siguiente: Como la mayoría de los programas, en la parte superior encontramos el título del archivo, que por defecto es New Dicom.sip. Una vez realicemos un guardado del archivo, podremos cambiarle el nombre, pero siempre con la extensión.sip que es la propia del programa. Justo debajo se encuentra la barra de menús desde podemos acceder a todas las operaciones que permite el programa, así como la configuración y ayuda del mismo. Debajo de esta, tenemos la barra de herramientas, para acceder a las opciones más usuales rápidamente. 88

5 De las cuatro grandes ventanas que aparecen, tres de ellas llamadas ventanas de trabajo, nos muestran los cortes según planos perpendiculares a los tres ejes del modelo. Aunque podemos modificar lo queramos que nos represente, por defecto, la superior derecha muestra cortes coronales, la superior derecha cortes mediales y la inferior izquierda cortes sagitales. Este orden no tiene porque ser así, y dependerá de la maquinaría del TAC, así como de la realización del mismo. De hecho, la orientación del TAC no tiene porque coincidir con los planos anatómicos, en cuyo caso convendría realizar giros hasta conseguir orientar las imágenes del TAC con dichos planos. En cuanto a la venta inferior derecha, su función es previsualizar el proceso de segmentado que llevemos realizado, proporcionando una visualización tridimensional más evidente de lo que estamos haciendo que sobre planos. En la parte superior de las ventanas existe una barra para movernos a lo largo de los diferentes cortes según un eje. Al hacer esto, aparece una línea del mismo color que el cuadrado de la parte izquierda en las otras ventanas, esta línea indica el plano perpendicular sobre el que se situaría el corte en la que nos situemos. Por ejemplo, en la ventana superior derecha tenemos el corte medial número 176, dicho corte se observaría como una línea al proyectarse sobre planos perpendiculares, en este caso vemos las líneas azules en las ventanas de cortes sagitales y coronales. La pestaña Active sólo puede estar activa en una de las tres ventanas al mismo tiempo. El empleo de algunas herramientas como la de pintar sólo puede ser 89

6 usada sobre la ventana activa, es decir, que no se puede pintar sobre una ventana que no tenga marcada la pestaña Active. En la parte izquierda pueden observarse una serie de ventanas: La primera es un selector de herramientas para filtros y segmentación. Con las respectivas propiedades del filtro deseado, así como los útiles de segmentación. La siguiente muestra información sobre la segmentación que llevemos realizada. Donde es de particular interés los datos sobre las diferentes capas ( mask ) que se hayan creado, en concreto la estimación que hace sobre el número de elementos, según sean tetraedros o hexaedros, que resultaría en el modelo de elementos finitos. 90

7 Este recuadro informa sobre las distintas capas, resultado de la segmentación. Mostrando superposiciones entre capas, al activar la pestaña de Show visible mask overlapping. También permite ocultar o mostrar las capas deseadas en el menú que aparece al hacer clic con el botón derecho. Por último, la última ventana muestra la numeración de cortes del TAC a lo largo de un eje, de la ventana de trabajo que se tenga activada. Nos permite acceder a cualquier corte, de manera rápida, haciendo clic sobre el número deseado. También se pueden seleccionar varios cortes, para realizar operaciones sólo sobre esta selección. El proceso de trabajo seguido, una vez importado un TAC, puede ser diferente en función de si se hace el resample (interpolado) al comienzo del trabajo, antes de comenzar a segmentar, o lo realizamos posteriormente, una vez se tenga un primer segmentado. Lo que debe estar claro, es si va a ser necesario realizar un aumento del tamaño de voxel. Para ello, se debe ver la estimación que nos da el programa del número de elementos, en la ventana descrita anteriormente de Histogram selector. Generalmente, bajo mi experiencia, la primera estimación de elementos es muy grande, irresoluble o inviable para los recursos de cálculo actuales. Estamos hablando de tener más dos millones de elementos tetraédricos. 91

8 Por lo que, lo más probable es tener que realizar un resample. Si se hace antes de comenzar el segmentado, se perderá calidad en la imagen y el segmentado podrá ser un poco más dificultoso y de menos calidad, aunque mucho más rápido. Si se segmenta antes del resample se tienen más cortes y el segmentado es más lento, aunque de mejor calidad. Además, una vez segmentado si hacemos una operación de resample se modifica el resultado que se tenía, volviendo a tener que segmentar corrigiendo las imperfecciones que hayan surgido. Esto también ocurre con la operación de giro, así que si vamos ha realizar un giro cualquiera del TAC, es conveniente hacerlo antes de comenzar a segmentar. Para acceder a las operaciones de giro o interpolación, puede hacerse a través de la barra de menú superior, haciendo clic en Data, la opción align permite ejecutar un giro y Resample para hacer una interpolación. En cuanto al proceso de segmentación, en mi caso el objetivo era tener distintas capas para hueso y piel. Una primera segmentación la hacía con la herramienta de segmentar por umbrales ( threshold ), que consiste en delimitar unos niveles de grises inferior y superior, creando una capa con los niveles de grises que se encuentran entre ambos límites. Así, ajustaba primeramente la capa del hueso, con el nivel superior máximo y un nivel de gris inferior que iba cambiando hasta que me proporcionaba la selección de hueso deseada. Posteriormente hacía lo mismo con el fondo negro, creando una capa con lo que se denomina background, que resulta fácil de seleccionar. En la selección de capas, al hacer clic en el derecho sobre una de ellas, se despliega un menú que permite hacer operaciones booleanas. Invirtiendo, con una operación booleana, la capa del fondo, y extrayéndole a la resultante, con otra operación booleana, la capa del hueso, nos queda la capa de piel (tejidos blandos). Realizadas estas operaciones, tendríamos unas primeras capas de piel y hueso, aunque no definitivas, porque tienen imperfecciones que se pueden corregir manualmente con la herramienta de segmentación para pintar y borrar. En nuestro caso sólo nos interesaban las estructuras óseas exteriores, así como los tejidos blandos exteriores al hueso. Por lo que, se borró manualmente, corte a corte, aquellas zonas de las capas que no eran de nuestro interés. Una vez finalizado el proceso de segmentado, se procede con la exportación, haciendo clic en File Export Volume ScanFE, y se nos abrirá la ventana: 92

9 En el recuadro superior izquierdo aparecen las capas que no serán exportadas y en el derecho las capas que sí se exportarán. Los valores de presuavizado se dejaron los que el programa establece por defecto, y la superposición se debe marcar la pestaña de detectar y avisar si existe, para proceder a corregir las interferencias entre capas, si existiesen, antes de exportar. Una vez rellenado todo, al hacer clic en Export, se nos pide la ruta donde guardar el archivo.sfh que luego cargaremos en ScanFE. ScanFE La función principal del módulo ScanFE es realizar el mallado del volumen que hemos generado, anteriormente, en ScanIP. Para importarlo, se hace clic en la barra de menús superior, en la pestaña File Import from ScanIP para que se abra la ventana donde buscamos la ubicación del archivo.sfh y se procede con la importación. 93

10 Puede observarse que la interfaz de este programa es muy simple, las opciones de la barra de menús se limitan a las básicas para cargar y guardar, información del proyecto y ayuda. Una vez cargado un proyecto en ScanIP este podrá visualizarse en la pantalla negra grande del programa. Tras cargar el proyecto, en la parte izquierda nos aparece un recuadro como: 94

11 La pestaña de mallado ( mesh ) permite configurar las opciones del mismo. Por defecto, el archivo recién cargado de ScanIP tiene mallado sólo con hexaedros, introduciendo un elemento hexaédrico en cada voxel. Esta opción se corresponde a tener marcada únicamente la pestaña voxel. Si además marcamos Tetrahedral, el mallado que hace es únicamente con tetraedros. Aumentando el número de elementos, ya que en cada hexaedro o voxel pueden entrar varios elementos tetraédricos. El suavizado se recomienda hacer siempre sobre ScanFE. Se hace al marcar la pestaña Smoothed, dejando las opciones que determine el programa por configuración. Si hacemos un suavizado sin marcar la opción Tetrahedral, el mallado que crea es mixto, con elementos tetraedros y hexaedros. Como esto no conviene, e interesa tener únicamente elementos de un solo tipo, se debe seleccionar que todos los elementos sean tetraedros, de otra manera no podríamos llevar a cabo el suavizado. Para calcular la malla, una vez configuradas las opciones del mallado, se hace clic en Apply. De esta manera el programa se pondrá a calcular la malla para nuestro volumen. Una vez terminado, si el proceso ha sido satisfactorio, nos aparecerá una ventana indicándonos que esta todo correcto. Para ver la información resultante, se puede hacer clic en la barra de menús sobre: View Project information. Visualizando resultados como el número de elementos y tipo para cada capa, número de nodos, etc. Una vez se considere que el mallado es el correcto, según nuestro criterio, se finaliza con la exportación a alguno de los programas de elementos finitos, de entre los que se destacan: ABAQUS y Ansys. En nuestro caso, la exportación se realiza para ABAQUS. Para iniciarla, se hace: File Export Finite element model ABAQUS, apareciendo: 95

12 Una de las opciones que se deben seleccionar, son las unidades del modelo, permitiendo escribir las coordenadas de los nodos en metros o en milímetros. Si se van a aplicar cargas gravitatorias, es necesario escribir las unidades en metros, para no tener problemas convergencia. No obstante, recomiendo siempre trabajar en unidades del Sistema Internacional. En el recuadro de Part Elements & Materials aparecen las distintas capas que van a ser escritas. Pudiendo exportarlas todas de una sola vez, o por separado, y para ello se pueden modificar los índices donde se comienza la creación de elementos y nodos. El tipo de elemento también puede seleccionarse si es lineal o de un orden superior. También es posible definir los parámetros del material, aunque recomiendo escribirlo manualmente sobre el.inp de carga. Por último, es posible definir un contacto en el recuadro de Part Contacts. El contacto puede definirse de diferentes tipos, como una superficie (elementos tipo S3 o S4), con elementos shell o como una superficie de nodos. La orientación de la normal de los elementos dependerá de si se tiene marcada la pestaña From o To. El contacto sólo puede ser definido entre las diferentes parejas que aparecen en el recuadro. 96

13 Realizando clic en Export se abrirá la ventana para seleccionar la ruta de guardado, una vez introducida, comenzará la escritura del modelo de elementos finitos, que en el caso de ABAQUS tendría extensión.inp. Al finalizar, aparecerá el mensaje de confirmación si se ha sido exitoso y tendremos nuestro modelo de EF. 97