Publicado:

2011-12-31

Número:

Vol. 3 (2011)

Sección:

Artículos

Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas

Autores/as

  • Antonio Hernández Rojas Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  • juan sebastian diaz Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  • MARIA PAULINA QUIROGA Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Palabras clave:

cadera, fotogrametría, modelo, radiografía, resección fotogramétrica, teoría epipolar (es).

Referencias

Felicísimo A. M. (1994). Modelos digitales de terreno: introducción y aplicaciones a las ciencias ambientales. Oviedo: Pentalfa. 122 p.

Karara H. M. (1989). Non-Topographic Photogrammetry

(Science and Engineering Series). American Society for Photogrammetry & Remote Sensing; 2nd Revised edition. 445 p.

Cherni-Niedra, A.N. (1971). Roentgno topografía.

Hoxter, E. A. (1972). Técnica radiográfica. Berlín.

Turner, J. C. (1970). Matemática moderna aplicada.

Probabilidades, estadística e investigación operativa. Madrid: Alianza Editorial. 550 p.

Atlas Sig Hiparión S.L. (2004). Diccionario de terminología cartográfica. Argentina: Universidad Nacional de San Juan.

Atkinson, K. B. (1980). Developments in close range photogrammetry: Departament of photogrammetry and surveying. London.

Lobanov, N. & AN Niedra (1983). Fototopografía 223 pags.

Bobir, N. Y., A. N. Lovanov, G.D. Fiodorok & M. Niedra. (1974). Fotogrametría. Moscú.

Cómo citar

APA

Hernández Rojas, A., diaz, juan sebastian, & QUIROGA, M. P. (2011). Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas. Revista de Topografía AZIMUT, 3, 56–64. Recuperado a partir de https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060

ACM

[1]
Hernández Rojas, A., diaz, juan sebastian y QUIROGA, M.P. 2011. Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas. Revista de Topografía AZIMUT. 3, (dic. 2011), 56–64.

ACS

(1)
Hernández Rojas, A.; diaz, juan sebastian; QUIROGA, M. P. Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas. Azimut 2011, 3, 56-64.

ABNT

HERNÁNDEZ ROJAS, A.; DIAZ, juan sebastian; QUIROGA, M. P. Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas. Revista de Topografía AZIMUT, [S. l.], v. 3, p. 56–64, 2011. Disponível em: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060. Acesso em: 26 oct. 2021.

Chicago

Hernández Rojas, Antonio, juan sebastian diaz, y MARIA PAULINA QUIROGA. 2011. «Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas». Revista de Topografía AZIMUT 3 (diciembre):56-64. https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060.

Harvard

Hernández Rojas, A., diaz, juan sebastian y QUIROGA, M. P. (2011) «Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas», Revista de Topografía AZIMUT, 3, pp. 56–64. Disponible en: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060 (Accedido: 26octubre2021).

IEEE

[1]
A. Hernández Rojas, juan sebastian diaz, y M. P. QUIROGA, «Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas», Azimut, vol. 3, pp. 56–64, dic. 2011.

MLA

Hernández Rojas, A., juan sebastian diaz, y M. P. QUIROGA. «Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas». Revista de Topografía AZIMUT, vol. 3, diciembre de 2011, pp. 56-64, https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060.

Turabian

Hernández Rojas, Antonio, juan sebastian diaz, y MARIA PAULINA QUIROGA. «Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas». Revista de Topografía AZIMUT 3 (diciembre 31, 2011): 56–64. Accedido octubre 26, 2021. https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060.

Vancouver

1.
Hernández Rojas A, diaz juan sebastian, QUIROGA MP. Aplicación de la fotogrametría de objeto cercano en el modelamiento tridimensional de caderas. Azimut [Internet]. 31 de diciembre de 2011 [citado 26 de octubre de 2021];3:56-64. Disponible en: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/azimut/article/view/4060

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APLICACIÓN DE LA FOTOGRAMETRÍA DE OBJETO CERCANO EN EL MODELAMIENTO TRIDIMENSIONAL DE CADERAS

Photogrammetric application of close object in the three-dimensional modeling to hips

A. Hernández, J. Díaz & M. Quiroga


RESUMEN

La necesidad de la ciencia médica ortopédica en la actualidad por establecer diagnósticos precisos, eficientes y de bajos costos, a nivel óseo, partiendo de métodos poco invasivos al paciente, establece el planteamiento de nuevos procedimientos a partir de herramientas ya existentes.

La cadera es una de las articulaciones del cuerpo que soporta un mayor peso y ocupa el segundo lugar en el número de articulaciones que se reemplazan en el continente americano. Es por esto, que surge la inquietud, por parte de la ingeniería topográfica, de diseñar, modelar y establecer la solución adecuada para este problema, basando la investigación en los procedimientos bioestadísticos que permitan un alto grado de confiabilidad.

Estos modelos han sido verificados utilizando el método ANOVA (análisis de varianza), analizando mediciones sobre el modelo con respecto a las mediciones sobre las radiografías. La confiabilidad obtenida es de 95%. Es posible utilizar la metodología descrita en este documento para estudiar el desgaste total de cadera, caracterización de fracturas acetabulares y el modelamiento tridimensional de cualquier hueso en general.

Palabras clave: cadera, fotogrametría, modelo, radiografía, resección fotogramétrica, teoría epipolar.


ABSTRACT

Currently, the Orthopedic medical science necessary for establish an accurate diagnosis, efficient and low cost, to osseaous level, less invasive methods for the patient, establishing the approach of new procedures from existing tools.

The hip is one of the articulation from the body that support more weight and occupies the second place in the number of the articulations that replace in the american continent. This is why concern arises, by the topographical engineering, to design, to model and to establish the proper solution for this problem, basing research in biostatistical procedures which allow a high degree of reliability.
These models have been verified utilizing the ANOVA method (Analysis of Variance), analysing measurerments of the model with respect the measurements on the radiographs. The reliability obtained is the 95%. Is possible utilize the methodology written in this document to study the total debilitation of the hip, characterizing of acetabular fractures and the modeling tridimensional of any bone in general

Keywords: hip, photogrammetry, model, radiography, photogrammetric resection, epipolar theory.


INTRODUCCION

La generación de modelos 3D de huesos genera retos adicionales a los encontrados en fotogrametría convencional o de objeto cercano ya que no es posible obtener información de coordenadas sobre el objeto a modelar. En el presente estudio se muestra la metodología para superar la condición de la falta de control sobre la superficie objetivo (la estructura ósea de la cadera).

Es necesario evaluar siempre el uso médico práctico de las metodologías propuestas. Pensando en esto se diseñó una caja especial radio-lucida con marcas fiduciales radio opacas y con coordenadas conocidas; este dispositivo ha sido ajustado para dar una orientación especial a la cadera conservando los estándares utilizados en la radiología para obtener las proyecciones necesarias en el estudio de la cadera (antero-posterior, oblicua ilíaca y oblicua-obturatriz). Como objetivo principal de esta investigación se propone generar el modelo tridimensional del acetábulo, a partir de radiografías, siguiendo los procedimientos fotogramétricos convencionales en fotogrametría de objeto cercano.


METODOLOGÍA

Se propone el establecimiento de una metodología adecuada que garantice una alta precisión en el modelo, considerando el obstáculo de materializar puntos de control sobre la superficie de estudio, para poder realizar su control tridimensional.

Esta metodología planteada se orienta a obtener un modelo tridimensional de la cadera utilizando tres radiografías tomadas con dispositivo estático de rayos X como información primaria; la calidad de los modelos es proporcional al número de imágenes y se modeló: cresta iliaca, agujero obturador, cabeza femoral, línea articular coxo-femoral, una parte del trocánter menor, todo el trocánter mayor, pubis, sínfisis púbica, cresta iliopúbica y tuberosidad isquiática.

Se determinaron las siguientes fases en el proceso metodológico: a) Selección del material para la caja de calibración, b) Referenciación con puntos de control, c) Toma de radiografías y d) Modelamiento fotogramétrico.

Selección del material de la caja de calibración

Para construir la caja se analizaron varios materiales (comportamiento químico y físico) expuestos a los rayos X (radiación mínima y máxima) para determinar cuál de estos sería el apropiado para ser radio lúcido en la placa pero estructuralmente fuerte para soportar el peso de un paciente. Estos fueron: acrílico, poliestireno expandido y no expandido, poliuretano, silicona, metal, madera y balso.


a                       b                        c                               d
Figura 1.  Toma de radiografías de los materiales evaluados. a. Materiales en evaluación; b. Rayo X sobre el blanco; c. Ajuste del dispositivo y d. Configuración y especificación técnica del tubo Roentgen.

Las pruebas de rayos X fueron hechas en el HUS (Hospital Universitario La Samaritana), utilizando el tubo Roentgen Siemens. Se observaron diferentes aspectos tales como el comportamiento de los materiales con diferentes pegamentos y recubrimientos, el principal objetivo de estas pruebas fue establecer la conducta de estos sobre la película de rayos X, ya que para este estudio se necesitaba radiolucidez de los materiales en la imagen. Se evaluó el pegamento adecuado para la construcción de la caja entre: Atex, silicona en frío, silicona en calor y UHU; el mejor fue Atex. La caja se recubrió con yeso para garantizar la estabilidad de la caja, finalmente el material de mejor comportamiento de radio lucidez fue el icopor, absolutamente invisible en las placas.


Figura 2. Izq. Radiografía obtenida con los diferentes materiales, Der. Pegamentos y recubrimientos evaluados.

Referenciación de la caja de calibración

Para la caracterización de caderas se utilizan tres radiografías. Dos a 30° desde el cenit (proyecciones oblicuas) y una paralela al sensor (proyección anteroposterior). Por ética radiológica no es permitido irradiar al paciente repetidas ocasiones por sesión, para obtener los parámetros de orientación (ω, φ, κ, x, y, z, s) = (tres ángulos de rotación, tres ángulos de traslación y un factor de escala) se posicionaron puntos de plomo milimétricos sobre la caja de calibración, referenciados con una estación Trimble GDM3600 modo laser sin prisma y método de azimut directo.


Figura 3. Referenciación de los puntos de plomo sobre la caja de calibración.

Estos puntos se formaron con diferentes figuras geométricas para su posterior identificación sobre las radiografías. Para brindar seguridad al paciente se añadieron correas radio lúcida que además garantizan que el paciente este estático con respecto a los puntos de control, simulando el movimiento del sensor con respecto al objeto (principio de fotogrametría de objeto cercano), garantizando la calidad de los modelos a generar.

Toma de radiografías

Se irradiaron 6 caderas (4 de hombre y 2 de mujer) usando la caja de calibración fabricada. Fueron tomadas a la altura máxima del tubo Roengten usado (1.15 m), a 62 kV, 64 mAs, 125 ms. Todos los parámetros estándar fueron conservados para la toma de las radiografías.


Figura 4. Izq. Movimientos para la toma. Der. Ubicación del paciente dentro de la caja de calibración

Modelamiento fotogramétrico

Las características típicas de los rayos X no permiten distinguir entre uno y otros elementos en el mismo lugar, ya que estos aparecen en el mismo plano como una imagen confusa; para evitar malas interpretaciones, se utilizó un modelo físico para clarificar los elementos a modelar y para realizar  un procesamiento similar al que se llevaría a cabo una vez se tuviesen las imágenes radiográficas.

Figura 5. Modelo físico desarrollado para la correcta captura de información. Izq. Proyección Antero-posterior; Cen. Proyección Oblicua-Iliaca izquierda; Der. Proyección Oblicua-Obturatríz izquierda.

La figura 6 muestra las imágenes radiográficas obtenidas con la caja de calibración, y cada punto de control con diferentes formas, interpretables en las imágenes, fueron logrados también para los modelos dos y tres.

Figura 6. Proyecciones para el primer modelo. Izq. Proyección Antero-posterior 15 puntos de control; Cen. Proyección Oblicua-Iliaca izquierda 15 puntos de control; Der. Proyección Oblicua-Obturatríz izquierda 20 puntos de control.

Photomodeler, fue el paquete utilizado para la obtención de la información, aplicando la teoría epipolar en imágenes adyacentes. Un buen modelo es el producto de la captura de suficientes puntos; para cada modelo fueron capturados aproximadamente 3000 puntos. Fue complicado distinguir entre la zona acetabular y su zona adyacente, puesto que ambas están localizadas en el área acetabular y toda la información del hueso está representada en la misma información radiométrica. La anterior es la causa por la cual la cabeza femoral no es distinguible en las imágenes radiográficas; para mayor seguridad es mejor capturar primero dos imágenes, y luego utilizando la teoría epipolar, se orientaría automáticamente la tercera imagen, asegurando mayor calidad en la obtención de la información.


RESULTADOS Y DISCUSION

Para la cadera sintética, en la generación de datos se emplearon tres (3) imágenes obtenidas utilizando la cámara digital Hewlett Packard R737 de 6.2 Mega píxeles. Estas se orientaron con 2 iteraciones de dos pasos cada una, arrojando un error de 0.047.

Tabla 1. Ángulos de rotación en el proceso de calibración para el modelo de la cadera sintética.

Para los modelos con las imágenes radiográficas, se obtuvieron los siguientes residuales:

Tabla 2. Ángulos de rotación en el proceso de calibración para el Modelo Final 1.

Tabla 3. Ángulos de rotación en el proceso de calibración para el Modelo Final 2.

Tabla 4. Ángulos de rotación en el proceso de calibración para el Modelo Final 3.

Los valores residuales de los puntos de control, para el ajuste de cada modelo aceptado como “buena calidad” en fotogrametría de objeto cercano, fueron:

Tabla 5. Valores residuales para el ajuste de los puntos de control, por modelo.

Dada la dificultad para el Modelamiento con el programa Photomodeler, fue necesario para la obtención de los modelos digitales de elevación, el uso del programa Surfer 8.0, con los datos de la información obtenida:

Figura 7. Modelos digitales de elevación: arriba, 1 derecho. View 0º; centro, 1 izquierdo. View 260º; abajo 1 derecho. View 290º.

Para la validación estadística, se llevaron a cabo tres lecturas calibradas de cada distancia específica en cada radiografía, para la longitud de la sínfisis púbica, la longitud acetabular y la longitud de la sínfisis púbica al plano isquiopúbico para cada modelo, las cuales fueron realizadas por dos observadores diferentes (tabla 6).

Tabla 6. Conjunto de mediciones para los dos observadores.

El mismo proceso se realizó en los modelos digitales, luego de las mediciones, estos fueron comparados con las distancias sobre las radiografías, y analizados con el método estadístico ANOVA, el cual estableció que las diferencias en las observaciones realizadas no son diferentes en más de 12 unidades y, en la hipótesis inicial se había aceptado 20 como error.


CONCLUSIONES

Con el análisis ANOVA el 95% de las mediciones realizadas, están dentro del parámetro establecido.

Si se quisiera modelar la totalidad de la pelvis, con un mejor grado de resolución de la imagen sería necesario hacer mas de tres proyecciones, a una configuración de toma de 80 kV, 60 mAs, 160 ms para contextura delgada y mayor para otras contexturas.

En la implementación de la metodología planteada en el ámbito clínico es necesario el conocimiento y entendimiento de la teoría epipolar y de manera conceptual, de la resección fotogramétrica, para la buena consecución de los resultados esperados.

Si un profesional ajeno a las aplicaciones médicas decidiera hacer uso de esta metodología para captura de información ósea, se hace necesario el conocimiento e interpretación adecuada de la imagen, para establecer la veracidad de la información allí plasmada, como de los datos abstraídos de ésta, para evitar errores al momento de la toma de decisiones.

Los niveles digitales de la imagen radiográfica, en cuanto a la resolución espacial, no permiten la visualización de cambios topográficos sobre la superficie ósea, por ende estos no pueden ser modelados.

A pesar de las bondades ofrecidas por Photomodeler, no fue posible generar los modelos en esa misma herramienta por lo que fue necesario acudir a Surfer, generador de modelos tridimensionales, y otras aplicaciones.

Aunque se trataron de establecer parámetros de mínimo movimiento en la camilla, plataforma de la caja de calibración, existieron distorsiones debidas a este fenómeno, que afectaron la calidad de la información interpretada.

Las fuentes principales de error en esta metodología son: la inclinación del paciente en la camilla, tamaño de los puntos de control, proceso de escaneado convencional de la imagen, y la presencia de artificios metálicos en las radiografías.

Se recomienda que el material de la camilla sea de poliuretano expandido encauchetado, material ergonómico para el paciente, que generaría comodidad en el momento de aplicar el procedimiento.


BIBLIOGRAFÍA

Felicísimo A. M. 1994. Modelos digitales de terreno: introducción y aplicaciones a las ciencias ambientales. Pentalfa. Oviedo. 122 p.

Karara H. M. 1989. Non-Topographic Photogrammetry (Science and Engineering Series). American Society for Photogrammetry & Remote Sensing; 2nd Revised edition edition. 445 p.

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Hoxter, E. A. 1972. Técnica Radiográfica. Berlin

Turner, J. C. 1970. Matemática moderna aplicada. Probabilidades, estadística e investigación operativa. Alianza Editorial. Madrid. 550 p.

Atlas Sig Hiparión S.L. 2004. Diccionario de terminología cartográfica. Universidad Nacional de San Juan. Argentina.

Atkinson, K. B. 1980. Developments in close range photogrammetry: Departament of photogrammetry and surveying. London.
 
Lobanov, N. & AN Niedra (1983): Fototopografía 223 pags.

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