Die-Heart

O projeto Die-Heart tem como objetivo principal, visualizar em ambiente de Realidade Aumentada um modelo deformável do ventrículo esquerdo de um coração humano. Essa visualização permitiria ao médico interagir com o modelo deformável de maneira mais natural, utilizando para tanto um sistema de baixo custo [19].

A motivação para o projeto reside no fato de a Realidade Aumentada ser uma área de pesquisa relativamente recente, cujas aplicações ainda estão sendo definidas, sendo que a Medicina é um dos campos mais promissores. Além disso, pesquisas anteriores desenvolvidas pelo grupo puderam ser aproveitadas nas bases do projeto.

Os dispositivos utilizados pelo sistema do Die-Heart são basicamente um computador comum, com monitor e utilizando um mouse 3D [56], dispositivo que permite maior liberdade de interação em ambientes tridimensionais. A parte do software responsável pela Realidade Aumentada foi desenvolvida com base no software MxToolKit [57]. A Figura 3.8 mostra a Arquitetura do sistema.

Figura 3.8 – Arquitetura do sistema Die-Heart [19].

O sistema funciona capturando em tempo real uma cena através de uma câmera. Os quadros de vídeo são passados para o software mxToolKit que reconhece marcas monocromáticas em alto contraste e exibe objetos tridimensionais apropriadamente

sobre essas marcas, de acordo com o tamanho, orientação e posição reais, fazendo parecer que os objetos estão realmente no cenário. A manipulação dos objetos virtuais no sistema é feita de duas formas, através das próprias marcas físicas e através do mouse 3D, que permite ao usuário 6 graus de liberdade na utilização.

No caso do sistema Die-Heart, o objeto virtual de interesse é somente o ventrículo esquerdo de um coração humano. Uma das exigências propostas é que o modelo fosse deformável e tridimensional. Para reconstrução com bastante fidelidade do ventrículo, foram realizadas algumas tarefas.

Inicialmente, são capturadas imagens de ecocardiograma, de onde se podem extrair informações visuais referentes à geometria do coração. Após isso essas imagens passam por um processo de segmentação. Como o coração tem diversas particularidades, a técnica de segmentação escolhida é crucial para uma boa separação das partes desejadas do resto da imagem. O primeiro passo é a escolha da área de interesse, no caso, o ventrículo esquerdo do coração, através da delimitação de uma janela de seleção. Isto evita erros induzidos pela segmentação de uma área maior na imagem. Após isso, a área de interesse é passada por um filtro de suavização, o que reduz bastante os ruídos presentes na imagem. A imagem resultante é passada então por um filtro de magnitude de gradiente, que ressalta o contorno da parede interna do ventrículo. Um outro filtro é aplicado depois para intensificar ainda mais os contornos na imagem. Com base nisso a imagem é binarizada e os contornos podem ser redesenhados por algoritmos especializados. O resultado final é um conjunto de linhas descritas geometricamente, independentes da imagem original. A Figura 3.9 ilustra um ecocardiograma que serviu de base para os cálculos e algumas imagens intermediárias geradas no processo de segmentação.

apropriada é necessário unificar os contornos em uma única linha. Isso é feito no Die- Heart através de algoritmos de média aplicados sobre os contornos de forma inteligente, de forma a não induzir muito erro no resultado. A Figura 3.10 mostra os contornos antes e depois do aperfeiçoamento na fase de sístole e diástole cardíaca.

Figura 3.10 – Aperfeiçoamento dos Contornos [19].

Para que os contornos sejam transformados em geometria tridimensional, o Die- Heart utiliza diversas imagens de ecocardiograma capturadas a partir de diferentes ângulos do coração, girando de forma concêntrica a ele. A captura e segmentação dessas imagens rotacionadas gera perfis correspondendo à geometria do coração, que podem posteriormente ser ligados e criada a geometria em si. No sistema atual, pelo menos 6 ângulos diferentes são capturados para recriar a geometria do coração. Um detalhe importante a se ressaltar é que os contornos têm suas quantidades de pontos normalizadas para um número fixo de pontos, com distâncias equivalentes. Isso é algo interessante para a fase de criação da geometria, pois cada ponto num contorno pode ser mais facilmente associado a um ponto do outro contorno. A Figura 3.11 ilustra os contornos gerados a partir dos 6 ângulos capturados e também a conexão de todos os ângulos formando a base da geometria tridimensional a ser reconstruída.

Depois da captura e pré-processamento dos dados que servirão para compor a geometria tridimensional do objeto, a próxima fase concentra esforços em reconstruir a geometria tridimensional do objeto propriamente dita. São reconstruídos modelos das diversas fases do ciclo cardíaco presentes entre a sístole e a diástole. Esses modelos servem como pontos-chave para a animação de um ciclo cardíaco. Ao ser dado um valor de batidas por minuto, a animação do ciclo cardíaco começa no primeiro modelo da fase sistólica. De acordo com o tempo de duração de um ciclo cardíaco, o coração virtual vai sendo animado pela interpolação de pontos entre os diversos modelos, da sístole para a diástole e depois é feita uma animação em sentido contrário, de forma a voltar para a sístole o coração virtual, fechando assim o ciclo. Dessa forma, o modelo do ventrículo esquerdo do coração é animado de forma dinâmica, sendo deformado a cada instante para demonstrar o ciclo cardíaco completo. A Figura 3.12 mostra os diversos modelos- chave utilizados na animação do ciclo cardíaco.

Figura 3.12 – Diversos modelos-chave do ciclo cardíaco [19].

A animação pronta do ventrículo do coração humano pode ser visualizada inicialmente em ambiente de Realidade Virtual, porém o objetivo do Die-Heart é

sobreposição dos objetos virtuais sobre o ambiente real, de maneira bastante similar ao ARToolKit, detalhado no capítulo 2. A Figura 3.13 mostra algumas visualizações proporcionadas pelo Die-Heart.

Figura 3.13 – Visualizações do Die-Heart em Realidade Aumentada [19].

O sistema Die-Heart cumpre bem a tarefa a qual foi proposto, mostrando a animação deformável de um ventrículo cardíaco. No entanto a fase de que precede a simulação é extensa, envolvendo um processo bastante complexo de captação dos momentos exatos do ciclo cardíaco desejado, bem como a conversão de todas as imagens captadas para modelos tridimensionais. Imagens com baixa qualidade na captura e processamento, podem distorcer os resultados, deformando o modelo final do ventrículo e causando equívocos na interpretação dos resultados.