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Gramado – RS
De 30 de setembro a 2 de outubro de 2014
DESIGN DE PRODUTOS BASEADOS EM BIÔNICA: USO DE TOMOGRAFIA 3D NA INVESTIGAÇÃO DE BIO-DETERIORAÇÃO
POR TEREDO NAVALIS EM MADEIRA NAVAL
Luciano Santos da Silva
LdSM/UFRGS
Yuri Walter
DETEC/CEUNES/UFES
Fabio Pinto da Silva
LdSM/UFRGS
Wilson Kindlein Junior
LdSM/UFRGS
Resumo: Este trabalho estuda a aplicação de tecnologia de tomografia computadorizada tridimensional como processo para digitalização de galerias de canais decorrentes do ataque por molusco Teredo Navalis em madeira oriunda de embarcação artesanal. Apresenta-se o método e sequência de trabalho para a captura e conversão de informações obtidas via tomografia computadorizada 3D e software de visualização tridimensional para futuras aplicações. Propõe-se, através da Biônica, uma investigação da forma e da variação dimensional dos canais decorrentes desta degradação, visando à seleção de materiais, inspeção e o design naval. Palavras-chave: Tomografia Computadorizada 3D; Biônica; Teredinidae.
1 INTRODUÇÃO Moluscos Bivalves da Família Teredinidae são encontrados na costa brasileira
em mais de 26 diferentes espécies. Conhecidos popularmente gusano, busano, turu ou cupim-do-mar, utilizam substratos de madeira como moradia e alimento (De-Carli & Manzi-Decarli, 2012). Tais moluscos perfuradores constituem um problema para a manutenção de embarcações e infraestrutura naval construídas em madeira, como pontes e cais, por exemplo. Diversos estudos tem sido realizados para a proposição de
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técnicas e materiais que impeçam ou reduzam o efeito em tais estruturas, das quais pode-se citar Moschem (2014).
O Teredo possui, grosso modo, a forma de uma “minhoca” (Figura 1). Daí seu nome comum em inglês: shipworm, ou “minhoca de navio”. O processo de bio-deterioração se dá pela perfuração da madeira através de conchas rígidas na cabeça do animal, criando um furo geralmente no sentido longitudinal da peça. Possuem o corpo vermiforme (mole) com valvas reduzidas a região anterior do corpo. Suas valvas possuem as funções de escavação e a proteção do corpo é promovida por um tubo calcário que reveste sua galeria (MÜLLER, LANA, 2004). A estratégia de produzir um tubo rígido em volta do próprio corpo logo após a escavação, conferindo proteção ao animal contra a contração da madeira, serviu de inspiração para Marc Brunel, engenheiro francês erradicado na Inglaterra, na concepção do “Escudo Perfurador de Túneis” em 1825. Utilizado na escavação e construção do túnel sob o Rio Tâmisa, este sistema é precursor das máquinas tuneladoras (popularmente conhecidas como tatuzão) utilizadas atualmente (Wood, Jenkis & Brunel, 1995).
Figura 1: Aspecto geral de um Teredo Navalis. Fonte:
http://www.stccmop.org/ A Biônica é “uma ferramenta importante para o designer, pois é uma ciência
multidisciplinar que pesquisa nos sistemas naturais princípios e/ ou propriedades (estruturas, processos, funções, organizações e relações) e seus mecanismos com objetivo de aplicá-los na criação de novos produtos ou solucionar problemas técnicos existentes na projeção” (KINDLEIN, 2002). O presente trabalho propõe a utilização de tecnologia de Tomografia Computadorizada 3D (TC3D) para a investigação da galeria de dutos decorrente do ataque por Teredo Navalis. A aplicação deste conhecimento pode proporcionar o desenvolvimento e inovação no projeto de novos produtos e/ou conceitos de técnicas de seleção de materiais, e a inspeção naval. 2 A Tomografia Computadorizada Aplicada
A palavra tomografia vem do grego tomos (seção) + grafia. Tomografia, portanto, refere-se a qualquer técnica que permita a visualização da seção transversal de um objeto. Assim, a tomografia é um tipo de ensaio não destrutivo, possibilitando visualizar o interior de um corpo sem a necessidade de abri-lo, QUOIRIN (2004).
Conforme apresentado por WELLS (1993) o sistema de tomografia computadorizada (CT) é uma técnica bem estabelecida na medicina para a aquisição de imagens não-destrutivas dos seres humanos e tem sido utilizado rotineiramente dessa forma por cerca de 20 anos desde o trabalho pioneiro de Hounsfield. Ao longo dos últimos anos tem havido uma crescente utilização de raios-x e raios gama, para a aquisição dos detalhes internos dos materiais e componentes industriais.
Existem diversos tipos de equipamentos para tomografia. Segundo QUOIRIN (2004), para cada tipo de equipamento baseia-se um princípio físico de funcionamento, diferenciando-se em tomografia de raio X e de emissão. “A tomografia de raios X, por exemplo, tem como fundamento a atenuação sofrida por um feixe de raios X ao atravessar um objeto” (Quoirin, 2004). Para a tomografia de emissão são
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utilizadas as “informações sobre o decaimento de isótopos radioativos para gerar uma imagem de sua distribuição espacial”.
A tomografia computadorizada indica a radiodensidade dos tecidos, isto é, a média de absorção de raios-X pelos tecidos. A radiodensidade é traduzida para a imagem em níveis de cinza em uma escala chamada Hounsfield, nome dado em homenagem a Godfrey Newbold Hounsfield, um dos criadores da primeira máquina de tomografia computadorizada. Nos aparelhos mais modernos, com um emissor de radiação e um banco de sensores (também chamados de canais, variando de 2 até 256), que circundam o paciente enquanto a maca é movimentada, formando uma espiral, é possível gerar uma grande quantidade de imagens, simultaneamente, com pouca emissão de raios-X, CTI (2014). 2.1 Aquisição das Imagens
A tomografia tem como objetivo apresentar uma imagem da estrutura interna de um corpo ou objeto. Segundo QUOIRIN (2004) na “tomografia de raios X, a imagem interna obtida ao final de uma reconstrução representa a distribuição bidimensional dos coeficientes de atenuação do objeto”. Apresentada pelo Teorema da Projeção ou Teorema da Fatia Central, que relaciona as projeções do objeto pela sua transformada de Fourier bidimensional. Este teorema é a principal ferramenta para constituir o método de reconstrução por retroprojeção filtrada.
A seção reta da imagem projetada tem origem na distribuição dos pontos que pode ser de duas maneiras: (a) uma interpolação de forma a obter pontos distribuídos em coordenadas cartesianas e (b) a transformada bidimensional de Fourier inversa, fornecendo os valores da imagem no domínio do espaço. Este método é conhecido como reconstrução direta de Fourier. Entretanto, a técnica mais utilizada de reconstrução de imagens é a retroprojeção filtrada. Este método, que tem como fundamento o Teorema da Projeção, faz proveito de uma mudança de coordenadas dos argumentos da transformada bidimensional inversa de Fourier (Quoirin, 2004).
As imagens da Tomografia Computadorizada são convertidas e gravadas no formato DICOM, que é o padrão relativo à transmissão, ao armazenamento e ao tratamento de imagens médicas. O padrão prevê diversas modalidades de imagens médicas, como imagens provindas de equipamentos de tomografia computadorizada, ressonância magnética, ultrassom, eletrocardiograma, entre outras. Uma imagem DICOM é composta por 2 itens principais: uma matriz contendo os pixels da imagem e um conjunto de meta informações. Essas informações contêm, por exemplo, o nome do paciente, a modalidade da imagem e a posição da imagem em relação ao espaço (no caso de tomografia e da ressonância), CTI (2014).
Na figura 2 estão representadas as imagens das seções retas originais a partir da interpolação e distribuição dos pontos pela tomografia computadorizada.
Figura 2 – Imagens DICOM visualizada com o software InVesalius.
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2.2 Software Inversalius O InVesalius, segundo Amorim (2011) é um software livre cuja licença é a
General Public License (GNU), utilizado para reconstrução tridimensional das estruturas anatômicas Foi desenvolvido pelo Centro de Tecnologia da Informação Renato Arches e está hospedado no Portal do Software Público. Conta com uma lista de usuários ativos e tem ajudado muitas pessoas, desde a minimização do tempo de cirurgias até no auxilio de construção de próteses específicas. A linguagem utilizada para programação é a Python, com plataforma para Linux, Windows e Mac.
O primeiro contato com o software InVesalius é a importação de arquivos provenientes da Tomografia Computadorizada, através das informações em arquivos
DICOM. Após importação dos arquivos o software organiza a visualização em múltiplos planos de interação. É possível interação com o software que apresenta uma série de opções de seleção de tecidos. Selecionada a opção necessária e confirmação da seleção o resultado poderá ser exportado na extensão “.stl” suportada para leitura em alguns software de CAD e CAM (AMORIM, 2011).
Conforme apresentado em CTI (2014), para a função do processamento 3D o software oferece uma função com processo de reconstrução. É a fase de empilhamento e interpolação das imagens. Ao importar as imagens DICOM, o InVesalius mostra, automaticamente, a sua reconstrução multiplanar nas orientações Axial, Sagital e Coronal, bem como uma janela para manipulação 3D. Além de criar a reconstrução multiplanar, o InVesalius segmenta a imagem, destacando, por exemplo, os ossos dos tecidos moles. O destaque é representado por meio da aplicação de cores sobre a estrutura segmentada, isto é, as cores formam uma máscara sobre a imagem destacando a estrutura.
Na figura 3 está representada no software InVesalius a reconstrução multiplanar, com destaque para a separação dos tecidos por cores.
Figura 3 – Representação Tridimensional do Pé, visualizado no software InVesalius.
3 DESENVOLVIMENTO
Para a análise das formas dos dutos derivados de degradação da madeira pelo molusco, recolheu-se uma amostra de parte do casco de uma embarcação artesanal da frota dedicada à pesca de camarão em Conceição da Barra/ES. Obteve-se a madeira da espécie Apoleia leiocarpa, conhecida como garapa ou garapeira, após a realização de manutenção anual de embarcações num estaleiro da referida cidade, já completamente seca e sem a presença dos moluscos (Figura 4).
Figura 4: Amostra de madeira atacada por Teredo Navalis. Fonte: própria.
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A amostra foi tomografada com o equipamento Tomografo GE Healfthcare – PET/CT Discovery 600. O resultado da Tomografia foi de uma sequencia de imagens projetadas e organizadas em arquivos no formato DICOM. Estes arquivos foram visualizados em múltiplos planos de interação no software InVesalius, que possibilitou a seleção de uma estrutura de níveis de tons de cinza. O resultado desta interação entre DICOM e software resultou em uma forma geométrica que exportada na extensão “.stl” foi manipulada pela tecnologia 3D. A partir do uso deste procedimento foi possível realizar uma avaliação dimensional dos dutos. Este procedimento resulta em uma alternativa eficaz para o estudo das formas tridimensionais dos canais. Através deste estudo de caso foi possível avaliar o método de medição por tomografia por raio X como viável para desenvolver uma ferramenta de estudo de degradação da madeira naval.
No software InVesalius, conforme apresentado por CTI (2014), o recurso de segmentação é utilizado para selecionar um determinado tipo de tecido da imagem. A partir das imagens de tomografia computadorizada são geradas representações planas em níveis de cinza, os quais são depois traduzidos na escala de Hounsfield (HU). Os tons mais claros representam tecidos mais densos, e os mais escuros, tecidos menos densos, como a pele e o cérebro. Na sequência é realizada a função “limiar”, que consiste na técnica de segmentação de imagens permitindo selecionar da imagem somente os pixels cuja intensidade está dentro de um limiar definido pelo usuário. O limiar é definido por dois números, limiares inicial e final, também conhecidos como thresholds mínimo e máximo. Antes de iniciar a segmentação, é necessário configurar uma máscara. A máscara é uma imagem com a região selecionada colorida e sobreposta à imagem original. O uso da interação com o software possibilita a alteração do limiar inicial e do limiar final. É possível, ainda, digitar diretamente os valores desejados nas respectivas caixas de texto nas extremidades da barra. Com a alteração dos valores, automaticamente a máscara será atualizada, pintando somente os pixels com intensidade dentro da faixa determinada. No caso da aplicação da tomografia em madeira naval foi utilizado um limiar padrão, entre -766 a -202 HU.
CTI (2014) recomenda que com uma máscara de segmentação configurada, é possível gerar a superfície 3D correspondente às imagens em estudo. A superfície será composta por uma malha de triângulos, o resultado pode ser salvo em arquivo na extensão “.stl” de fácil interação com os software CAD 3D.
Figura 5 – Representação Tridimensional da Madeira, visualizado no software
InVesalius. A figura 5 apresenta o corpo de prova da madeira naval, após ser aplicada uma
máscara de segmentação configurada. Após o procedimento da máscara de segmentação e configuração, apresenta-se
a possibilidade de geração da superfície 3D, que corresponde à triangulação das fatias das imagens tomografadas disponibilizadas em superfícies compostas por uma malha de triângulos. O item Método de criação de superfície tem as seguintes opções:
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"Binário", "Context aware smoothing" e "Padrão”. Para o método binário, temos como partida a máscara que foi segmentada, sendo a região selecionada como 1 e o restante 0. Como existem somente 2 valores, as curvas na superfície que o algoritmo gera são abruptas (popularmente conhecida como "degraus"). No método Context aware
smoothing, inicialmente a superfície é gerada a partir do método binário, mas em seguida é executado o um algoritmo para suavizar a superfície resultante e evitar os "degraus"na mesma.
A orientação apresentada em CTI (214) quando utilizado o método Context
aware smoothing, é de definir o ângulo. Nesse caso, que será formado entre 2 normais de triângulos adjacentes, que caso esteja acima do valor definido no campo ângulo, o triângulo é eleito para ser o ponto de partida da suavização. A faixa de valores é de 0 até 1, sendo 0° e 90° respectivamente. A distância máxima é o raio a partir dos triângulos eleitos no passo anterior, que será utilizado como limite de suavização. O peso mínimo é o quanto de suavização será aplicado nas áreas que estão fora do raio determinado anteriormente. O método padrão estará sempre ativo quando não existir edição manual na máscara. Os pixeis da imagem original que estão sob a máscara são utilizados para a geração da superfície. Como, normalmente, imagens de tomografia ou ressonância possuem vários níveis de cinza, é gerada uma superfície com curvas mais suaves.
Com o InVesalius é possível exportar os dados para outros softwares de tecnologia 3D, em formatos de arquivo de triangulação como as extensões .obj e .stl, entre outras.
2.3 Avaliação Tridimensional em software de CAD
A figura 6 apresenta a imagem da madeira naval gerada no software CAD 3D (Geomagic), nesta figura é possível visualizar o resultado da tomografia 3D, após ter sido manipulada pelo software InVersalius. Podemos observar, nas ampliações, os detalhes internos dos canais decorrentes da bio-deterioração pelo Teredo Navalis.
Figura 6 – Representação tridimensional da madeira com a avaliação dimensional do
duto. Os dados adquiridos pela análise dimensional no software de CAD 3D
demonstram baixa variação dimensional do duto. O resultado observado no intervalo de comprimento de 5,71 mm, com secções transversais apresentam os diâmetros (ф) de ф 3,87; ф 3,83; ф 3,68; ф 3,72 e ф 3,68 respectivamente, estes valores encontrados indicando uma pequena variação dimensional, este resultado pode ser considerado um determinante para obtenção do valor da grandeza dimensional do duto. O método desenvolvido poderá ser considerado uma alternativa eficaz para o estudo da forma tridimensional do canal.
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3333 CONCLUSÃO Conclue-se que o método de tomografia proposto permite obter informações
sobre as características geométricas e dimensionais dos dutos, sendo uma ferramenta consistente para uso nestas condições. Com a visualização 3D tomográfica é possível inferir que essa ferramenta é capaz de realizar inspeção em cascos e acompanhamento “in loco” da situação interna dos cascos em embarcações de madeira. E a sua consequente manutenção sem necessidade de remoção de materiais desnecessários. Bem como realizar a seleção de materiais e forma adequada a fim de minimizar este problema em Design Naval.
Os dados adquiridos demonstraram a baixa variação dimensional dos dutos, o que indica a possibilidade de desenvolvimento de ferramentas perfuratrizes inspiradas no molusco. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES a ao CNPq pelo apoio as pesquisas do LdSM.
REFERÊNCIAS
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Médicas. XXXI Congresso da Sociedade Brasileira de Computação, XI WIM Workshop
de Informática Médica, 2011, Natal – RN. CSBC 2011 – XXXI Congresso da Sociedade
Brasileira de Computação, 2011. p. 1735-1740.
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