A revisão da aplicabilidade das malhas 3D nas áreas de Cirurgia Plástica e clínica foi feita com informações técnicas e conceituais da tecnologia. O projeto foi apresentado no Congresso Brasileiro de Cirurgia Plástica ( 520 Congresso Brasileiro
de Cirurgia Plástica – 2015) com o intuito de abrir discussão sobre o tema e estabelecer a linha de pesquisa (34). O projeto de estudos em cadáver foi executado revelando a acurácia da medição do volume facial com o uso da tecnologia 3D (35).
A medição volumétrica dos cubos virtuais evidenciou uma variação do valor descritivo entre mínimo e máximo para cada etapa de medição de cada hemiface, uma vez que o posicionamento do cubo virtual, em cada grupo de malhas alinhadas, foi feito de forma a envolver a área de descolamento e conter a base do expansor tecidual, não importando a medida inicial do cubo virtual seccionado, pois correspondeu a 00 mL de expansão para todos os indivíduos. Portanto, o valor absoluto de cada cubo virtual após ser interseccionado não foi levado em conta, mas sim a diferença de volume entre os cubos virtuais seccionados pela malha em análise em comparação com o volume do cubo virtual seccionado pela malha inicial.
As medidas volumétricas apresentadas (Tabela 2) demonstram que houve um decréscimo na média das medidas dos cubos a partir do 00 mL até 10 mL de aumento do expansor tecidual e o desvio padrão de medidas mínimas e máximas se manteve com valores aproximados.
Tabela 2: Valores descritivos das medidas. Lado Medida do
expansor n Média dp Mínimo Máximo Direito 00 mL 9 162,814 26,825 118,034 201,111 03 mL 9 158,921 26,719 113,173 197,482 06 mL 9 154,380 26,579 108,024 191,877 10 mL 9 147,111 26,106 102,097 183,980 Esquerdo 00 mL 9 151,268 31,339 104,965 192,198 03 mL 9 146,726 31,434 101,022 188,528 06 mL 9 142,090 31,713 95,731 184,371 10 mL 9 135,803 32,322 86,622 178,976
Fonte: Autor. Valores descritivos das medidas de 00 mL, 03 mL, 06 mL e 10 mL, do expansor, segundo o lado avaliado. Os valores de média, desvio-padrão (dp), mínimo e máximo referentes ao cubo virtual, estão em cm3.
32 esquerdo da face, são demonstrados, evidenciando-se que o coeficiente de relação entre todas as medições foi próximo a r=1, caracterizando uma base forte de predição (Tabela 3).
Tabela 3: Valores dos coeficientes de correlação. Hemiface 00 x 03 mL 00 x 06 mL 00 x 10 mL
Direita r 1,000 0,998 0,997
p <0,001 <0,001 <0,001
Esquerda r 1,000 0,999 0,998
p <0,001 <0,001 <0,001
Fonte: Autor. Valores dos coeficientes de correlação de Pearson entre a medida 00 ml e as medidas: 03 mL, 06 mL e 10 mL do expansor tecidual, segundo o lado avaliado.
Os resultados da correlação linear entre as medidas reais e as virtuais caracterizaram-se por um declive positivo quando plotadas no gráfico. Houve um comportamento linear uniformemente positivo nas medidas de insuflação do expansor (03 mL, 06 mL e 10 mL) em relação ao 00 mL no n=18 de hemifaces estudadas. As correlações lineares do lado direito e do lado esquerdo do mesmo indivíduo com presença de expansor são ilustradas, respectivamente, nos gráficos 1 (abaixo) e 2 (p. 33).
Gráfico 1: Gráfico da correlação linear no lado direito da face.
Fonte: Autor. Gráfico onde o eixo X corresponde ao volume em cm3 do cubo virtual seccionado com o
expansor com 00 mL e o eixo Y ao volume em cm3 relativo aos cubos virtuais seccionados com
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 CU BO : S EÇÃO E XT ER N A cm 3
CUBO: SEÇÃO EXTERNA cm3(00 mL EXPANSOR TECIDUAL)
Hemiface Direita
3 6 10
expansor preenchido com 03 mL azul; 06 mL vermelho e 10 mL verde, demonstrando a correlação linear com declive positivo existente com o expansor sendo colocado no lado direito da face.
Gráfico 2: Gráfico da correlação linear no lado esquerdo da face.
Fonte: Autor. Gráfico onde o eixo X corresponde ao volume em cm3 do cubo virtual seccionado com o
expansor com 00 mL e o eixo Y ao volume em cm3 relativo aos cubos virtuais seccionados com
expansor preenchido com 03 mL azul; 06 mL vermelho e 10 mL verde, demonstrando a correlação linear com declive positivo existente com o expansor sendo colocado no lado esquerdo da face.
As medidas de controle foram obtidas sempre na hemiface que não havia expansor no mesmo cadáver. Por meio do teste não-paramétrico de Wilcoxon observou-se que houve diferença significativa entre os grupos expansor e controle em relação aos deltas de variação entre a medida 00 mL e as demais medidas, sendo que o controle apresentou um delta de variação significativamente menor que o expansor (teste não-paramétrico de Wilcoxon, p=0,008). As diferenças foram significativas para ambos os lados (Tabela 4, p. 34).
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 CU BO : S EÇÃO E XT ER N A cm 3
CUBO: SEÇÃO EXTERNA cm3(00 mL EXPANSOR TECIDUAL)
Hemiface Esquerda
3 6 10
34
Tabela 4: Valores descritivos dos deltas de variação das medidas dos cubos virtuais seccionados. Hemiface Delta Medida n Média dp Mínimo Máximo P25 Mediana P75 Direito 00-03 Expansor 9 3893,22 789,60 2272,00 4861,00 3502,50 3875,00 4535,00 Controle 9 -59,44 421,24 -667,00 499,00 -412,00 -59,00 381,50 00-06 Expansor 9 8434,44 1545,64 5198,00 10130,00 7575,00 8814,00 9679,00 Controle 9 -181,00 657,40 -1318,00 755,00 -515,00 -395,00 509,00 00-10 Expansor 9 15703,33 2147,71 11014,00 17541,00 14596,50 15937,00 17306,50 Controle 9 -256,44 756,36 -1564,00 1062,00 -584,50 -462,00 363,50 Esquerdo 00-03 Expansor 9 4541,33 815,27 3356,00 5978,00 3806,50 4451,00 5071,50 Controle 9 -237,00 241,09 -672,00 38,00 -392,00 -271,00 3,00 00-06 Expansor 9 9177,67 1230,98 7093,00 11287,00 8269,00 9376,00 9840,00 Controle 9 -478,11 440,88 -1261,00 60,00 -847,00 -430,00 -72,50 00-10 Expansor 9 15464,56 2212,32 11951,00 18440,00 13624,00 15786,00 17426,50 Controle 9 -686,67 473,22 -1488,00 -137,00 -1110,50 -521,00 -271,00 Fonte: Autor. Valores descritivos dos deltas de variação das medidas dos cubos virtuais seccionados relativos ao preenchimento do expansor tecidual com 00 mL, 03 mL, 06 mL e 10 mL, segundo os lados, os grupos de expansor e controle. Os valores de média, desvio-padrão (dp), mínimo e máximo referentes ao cubo virtual estão em mm3.
Obs: Os valores foram mantidos em mm3 para evidenciar a acurácia.
Em todos os casos o IVA se manteve em -1 no lado com controle e +1 no lado com expansor, não tendo sido observado 0 em nenhum caso.
A aplicabilidade do método virtual teve como seguimento a elaboração de duas ferramentas para uso no software Blender®, a OrtogOnBlender® 5 e a
RhinOnBlender®6, ambas com utilização gratuita pela comunidade médica.
5 Add-on: conjunto de comandos sequenciais que foram programados e organizados para facilitar o
planejamento de cirurgia ortognática, desenvolvido com software e licença livres, mas também apto a trabalhar em conjunto com ferramentas fechadas e proprietárias, como softwares de fotogrametria e
scanners intraorais.
4 DISCUSSÃO
O trabalho utilizou o modelo experimental em cadáveres por ser um tecido biológico, possibilitando o teste com malhas tridimensionais complexas, com resposta à tração, ao estiramento e à elasticidade de forma mais difusa, como acontece no tecido humano. Em experimentos virtuais há estudos que levam em conta esse comportamento em predições, o que, com certeza, deverá ser considerado em caso de um planejamento cirúrgico (40).
Estudos anteriores utilizaram manequins de matéria plástica, os quais não levam em conta essas variações, pois possuem uma arquitetura tridimensional estática ao sofrerem alterações estruturais nas regiões próximas e têm uma composição poligonal da malha 3D mais simples (38,41,42). As deformações das malhas 3D necessitam estar previstas não apenas no local a ser expandido ou diminuído, mas também à distância, pela influência exercida nos tecidos contíguos. Esse assunto tem sido estudado e é um próximo passo para a utilização em modelos preditivos, como, por exemplo, na resposta de volume em simulação virtual de cirurgia ortognática (40,43).
Dentre as medidas antropométricas utilizadas, o volume é fundamental, tanto para avaliação como para o planejamento e o acompanhamento em pacientes de Cirurgia Plástica. Na cirurgia da face, as assimetrias existentes, bem como as alterações ocorridas nas cirurgias estéticas, ortognáticas ou reparadoras, relacionam- se diretamente com as alterações volumétricas, das quais decorrem a importância da obtenção de dados objetivos. Na tentativa de alcance desses, alguns softwares oferecem um mapa 3D de distanciamento entre uma malha 3D e outra, após alinhá- las, denominado histograma, demonstrando uma variação da distância linear entre cada superfície, porém sem quantificar o volume desta variação, ou fazendo-o sem ser em área limitada (18,44–48)(Figura 1, p. 36).
Alguns autores investigaram, inclusive, qual a melhor forma de cálculo para se obter essas diferenças, no entanto, a forma de demonstração de variação entre uma malha de superfície e outra, adotada nestes estudos, não quantifica o volume da área em análise, revelando somente o local onde a alteração aconteceu e fazendo um comparativo em valores lineares entre uma malha inicial e outra (49)(Figura 2, p. 36).
36 Por outro lado, no presente trabalho, foi utilizado o programa Blender® para testar uma
proposta de medição volumétrica em malhas 3D em regiões específicas da face, escolhidas pelo observador, de maneira a obter valores acurados.
Figura 1 – Histograma de comparação de desvios entre malha 3D de superfície.
Fonte: Autor. Histograma de comparação de desvios entre malha 3D de superfície na visão oblíqua direita do cadáver a partir do escaneamento sem texturização da pele. Comparação feita a partir da malha com 0mL e 10 mL de insuflação. A diferença de alinhamento na superfície na região de implantação do expansor de pele é evidenciada por uma escala de diferença de cores, na qual a cor verde evidencia uma diferença linear próxima a 00 mm, a progressão para vermelho indica uma diferença linear positiva (> 01 mm) e a progressão para azul refere-se a uma diferença linear negativa (< 01 mm).
Figura 2 – Histograma com distância entre as malhas.
cadáver a partir do escaneamento sem texturização da pele. Comparação feita a partir da malha com 0 mL e 10 mL de insuflação. A diferença de alinhamento na superfície na região de implantação do expansor de pele é evidenciada por uma escala de diferença de cores, na qual a cor verde evidencia uma diferença linear próxima a 00 mm, a progressão para vermelho revela uma diferença linear positiva (> 01 mm) e a progressão para azul indica uma diferença linear negativa (< 01 mm). Por transparência é evidenciado o contorno da malha 3D com expansor dilatado e a seta vermelha mostra o valor da distância entre a malha com 0 mL e a com 10 mL.
O cálculo amostral supôs que as correlações encontradas apresentariam valores acima de 0,80. Para testes com poder de 80% e nível de significância de 5% seriam necessários, então,9 faces no estudo. A obtenção de 144 malhas (9 faces, 18 hemifaces, cada uma utilizada 2 vezes, uma com expansor e outra sem, totalizando 36 hemifaces estudadas com 4 malhas 3D para cada), comprovaram com o resultado do coeficiente de relação de Pearson que, com esta casuística, evidenciou um grau excelente de correlação entre o volume expandido e o volume aferido virtualmente.
Para o controle exato da relação do volume injetado com as modificações da região a ser estudada, foram feitos estudos pilotos, nos quais foram estabelecidos o tamanho do expansor tecidual, o protocolo de inclusão e o passo de insuflação. Pode- se, portanto, determinar a variação do volume insuflado para comparação com o cálculo virtual de volume.
A malha 3D, seja ela captada por escâner ou por fotogrametria, é um conjunto de pontos, definidos por coordenadas em três eixos (Fig. 3). A fim de se obter uma malha complexa, uniforme, sem interferência da luz ambiente e reprodutível, optou- se pela utilização de um escâner de luz estruturada portátil, que dispensa calibragem, com utilização prévia em outros estudos médicos, que oferece rapidez na captura de imagens e não necessita de ambiente controlado para utilização. Contudo, por tratar- se de uma representação gráfica de cálculos matemáticos, a utilização de malhas de superfície captadas por qualquer fonte, apresentam-se aptas a serem comparadas (40).
Figura 3 – Representação gráfica dos pontos de coordenadas.
38 As malhas 3D captadas pelos escâneres abrangeram cerca de 180o da face
devido à posição do decúbito dorsal horizontal, tendo sido captadas de orelha a orelha, envolvendo toda a face. Desse modo, as malhas 3D obtidas apresentaram a característica de serem abertas posteriormente (Figura 4). É precisamente a característica de ser aberta, presente em várias formas de captação de malhas 3D, que torna a medição volumétrica um desafio, pois, não há um poliedro a ser medido. Consequentemente, a solução encontrada foi incluir, na cena virtual das malhas, um cubo com volume conhecido, capaz de ser seccionado na porção que tangenciasse a malha. Estando as malhas alinhadas, a variação de volume entre os segmentos externos dos cubos virtuais seccionados na transecção de cada malha 3D da face demonstraria a diferença, o delta, de volume da região determinada pelo cubo em relação à malha 3D de referência (operação booleana entre dois sólidos).
Figura 4 – Captura da tela do Blender® com a abertura posterior da malha 3D.
Fonte: Autor. Captura da tela do Blender® mostrando uma malha 3D da face do cadáver, em uma visão lateral direita, na qual fica evidenciada a abertura posterior da malha 3D.
Os resultados dos valores virtuais de volume encontrados durante a expansão dos tecidos traduziram uma variação do valor absoluto infiltrado no expansor sempre para mais, entretanto, mantendo a relação linear conforme o acréscimo. Dessa forma, percebeu-se que é possível que o volume absoluto faltante em uma assimetria talvez não deva ser assumido como a quantidade a ser reposta em uma lipoenxertia, por exemplo, mas sim como quantificador aproximado (sem que se leve em conta uma
taxa de absorção). Notou-se, ainda, que quanto maior o volume infiltrado maior foi a diferença para a leitura virtual, sendo este fato provavelmente devido ao recrutamento de uma maior quantidade de tecidos de partes moles que são deslocados no perímetro da área aumentada e também à capacidade de expansão tecidual.
Com o propósito de utilizar ao máximo o software Blender® para
processamento das imagens, optou-se por realizar todo o processo de alinhamento e cálculo nele. A criação do script (Anexo A), contudo, não foi obrigatória, pois no caso piloto todo o processo foi feito manualmente. O script possibilitou que, com apenas um comando, todas as malhas de um determinado indivíduo fossem importadas para camadas (layers) distintas e um cubo virtual pré-posicionado para cada lado da face fosse introduzido em uma camada separada. Posteriormente, somente um ajuste manual de posicionamento do cubo virtual em relação às faces alinhadas foi necessário no 3D view, que é a área de trabalho do software Blender® (Figura 5).
Figura 5 – 3D view e o script de importação das malhas 3D.
Fonte: Autor. Captura de tela do software Blender®, com visão de uma malha da face de coloração amarela na
janela de 3D view e o script de importação das malhas em coloração vinho no canto superior esquerdo da tela.
O alinhamento das malhas 3D foi todo realizado tendo como posição inicial a malha de momento zero de expansão, logo após a inclusão do expansor tecidual junto
40 à parede anterior da maxila. No estudo, alfinetes com esfera na ponta foram colocados para servirem de pontos de referência no alinhamento, porém, no estudo piloto, notou- se que os pontos craniométricos naturais também são eficazes nesta função.
A interface do programa Blender® pode parecer um pouco complexa de início,
mas para as operações realizadas, o conhecimento de algumas ferramentas é necessário: importação de arquivos; manipulação das layers; comandos do posicionamento da imagem com o mouse, tais como orbitar, rotacionar, zoom e movimentos cartesianos; selecionar objetos na cena; modificadores (onde está o cálculo boolean utilizado para calcular o volume dos cubos virtuais) etc. O processo de aprendizado não foi demorado, tendo sido auxiliado pelo designer gráfico para compreensão dos fundamentos do programa e estabelecimento do protocolo para cálculo.
A escolha das dimensões do objeto colocado na cena, no caso o cubo, foi devida à dimensão da área da face alterada pelo expansor. Não haveria diferença se fosse outro polígono sólido, pois o cálculo foi feito a partir do delta entre os objetos após subtração da porção que trespassa a malha. Isso possibilitou que a avaliação fosse focada em uma região restrita da face (Figura 6, p. 41). O posicionamento do cubo foi feito após o alinhamento de todas as quatro malhas de cada hemiface, o que proporcionou um posicionamento espacial exatamente igual em cada uma das hemifaces avaliadas. A possibilidade de cálculo em relação a um corte de duas malhas alinhadas já havia sido abordada por Nkenke et al. (2008), contudo sem ter usado um processo totalmente virtual e também sem a utilização de programa gratuito para o cálculo (38). A forma apresentada neste estudo oferece um tempo mais curto para os cálculos e diminui o erro devido à digitalização total do processo.
Figura 6 – Região de avaliação da face.
Fonte: Autor. Captura de tela do computador mostrando: A o posicionamento manual do cubo na hemiface que vai ser medida; B demonstrando o trespasse do cubo em relação à malha da face; C o cubo já subtraído da porção de trespasse e D a seção externa do cubo, isolada, já cortada, pronta para o cálculo de volume.
A variação volumétrica mostrou relação direta com o volume de soro fisiológico injetado no expansor, porém não em números absolutos. Isto provavelmente ocorreu pelo comportamento do tecido biológico de adaptar-se a trações, sendo que esta particularidade não está presente em estudos com objetos inanimados. A referida influência esteve presente, inclusive, no lado controle, pois a variação não foi constante, embora, estatisticamente, não mantivesse relação com o volume expandido, o que foi atribuído à capacidade elástica adaptativa dos tecidos. Em experimentos virtuais, há estudos que levam em conta esse comportamento em predições, o que, certamente, deverá ser considerado tanto no planejamento cirúrgico como na interpretação dos dados do resultado (41).
Foi criado um índice e denominado de Índice Volumétrico Acurado (IVA), definido pela diferença de volume virtual entre cada volume externo do cubo virtual medido menos o volume externo do cubo virtual correspondente a partir da malha de referência. Sendo estabelecido que o IVA seria igual a “-1” (negativo), quando o volume da secção externa do cubo virtual fosse maior que o da secção externa do cubo virtual medido na malha de referência, o IVA seria igual a 0 quando o volume da
42 secção externa do cubo virtual fosse igual ao da secção externa do cubo virtual medido na malha de referência, ou seja, sem diferença e o IVA seria igual a “+1” (positivo), quando o volume da secção externa do cubo virtual fosse menor que o da secção externa do cubo virtual medido na malha de referência. Esse índice foi estipulado com o intuito de estabelecer uma variação positiva, negativa ou neutra na comparação entre duas malhas 3D.
No presente estudo, o IVA teve comportamento constante de negativo na hemiface expandida, pois o volume da secção externa do cubo virtual foi maior que o da secção externa do cubo virtual medido na malha 3D de referência e apresentou-se positivo em áreas circunvizinhas às do expansor tecidual. Não foi observado o IVA igual a 0, provavelmente devido à óbvia mudança exercida pelo expansor nos tecidos, independentemente do volume insuflado. Dessa forma, o IVA calculado pode ter valor determinante na programação do tratamento de uma assimetria, pois quantifica objetivamente a correção e ainda pode sugerir o padrão de absorção individualizado com uma análise sequencial, servindo como parâmetro de correção para os procedimentos seguintes.
4.1 Análise Crítica 4.1.1 Motivação
A possibilidade de fazer medições de forma virtual, é, sem dúvida, uma realidade em várias áreas das ciências, tais como engenharia, arquitetura, e, também, na medicina. Especialmente na área médica, apesar de não ser uma ciência exata, precisamos quantificar os achados para que tenhamos parâmetros, tanto para fins de avaliação quanto para tratamento e acompanhamento dos casos. Essa viabilidade na cirurgia Crânio-Maxilo-Facial já tinha sido aventada, inclusive em trabalhos, prevendo que a utilização da tomada de medidas poderia ser realizada de forma virtual (50,51). Muitas são as alternativas para tal. Laboratorialmente, podemos obter dados objetivos de amostras de sangue, urina, líquor; avaliar as características de um tecido com estudo histopatológico e seu comportamento com avaliações imuno-histoquímicas; temos ainda, os exames de imagem que permitem avaliar a integridade e as modificações de órgãos de todos os aparelhos do corpo humano.
Especificamente nos exames médicos de imagem, as avaliações inicialmente realizadas por meio de Raio-X, desde o seu descobrimento, em 1895, por Wilhelm Konrad Röetgen, dependiam eminentemente da interpretação visual, sendo que a experiência do médico que as interpretava era fundamental para um “bom laudo”. Mais tarde, o surgimento da radiologia intervencionista veio contribuir para avaliações funcionais, como na angiografia inicialmente descrita por Egaz Muniz, em 1927, onde, por meio de um contraste injetado na corrente sanguínea, o Raio-X demonstrava seu trajeto e, com isto, a anatomia e a função presente em uma determinada região do corpo.
Com a evolução do método e o advento da Tomografia Computadorizada, em 1968 por Godfrey Hounsfield, os exames ficaram mais acurados e precisos, transformando uma imagem que continha vários “ruídos”, ou seja, artefatos na imagem que interferiam na nitidez desta, em um exame mais confiável na demonstração de achados anatômicos.
Por outro lado, o surgimento de outra tecnologia, baseada em campos magnéticos, por meio da avaliação do posicionamento dos prótons de hidrogênio existentes no corpo humano, denominada de Ressonância Nuclear Magnética, trouxe