A cena
Um conceito central: a cena
Como aplicação de visualização, 3D Slicer proporciona representações gráficas de dados específicos do paciente dentro de uma interface gráfica. Estes dados específicos do paciente são proporcionados por uma série de modalidades de imagem médica, através de diferentes escalas espaciais e temporárias. 3D Slicer centra-se nas modalidades com possibilidades volumétricas, como CT, MRI e PET, devido a sua relevância clínica, mas é possível também integrar sinais 1D e 2D, além de 3D, bem como as variações destas imagens ao longo do tempo (tanto em tempo real como ao longo de espaços de tempo).
Como o 3D Slicer é amplamente baseado no Visualization Toolkit (VTK) (kit de ferramentas para visualização), recomenda-se ler o manual [Visualization Toolkit: An Object-Oriented Approach to 3D Graphics], 4ª edição, também conhecida como VTK Textbook . Este é o guia oficial de referência para o VTK.
Os sistemas de coordenadas
Em visualização e gráficos, a cena consiste num mundo virtual no que objectos (chamados às vezes actores), luzes e câmaras proporcionam representações para serem apresentadas ao utente.
Coordenadas do modelo
Cada um dos diferentes modelos que farão parte da cena tem seu próprio sistema de coordenadas. Estes sistemas de coordenadas modelo são dependentes de cada objecto e têm seu próprio eixo de coordenadas: a origem destes eixos e também a sua orientação podem diferir, já que dependem de como se capturam os dados de dito objecto. Os sistemas de coordenadas modelo podem ser 3D ou 2D.
Como se vê na Figure 1 há 4 tipos diferentes de objectos:
- OBJECT #1: uma esfera, com a origem das coordenadas colocadas no centro mesmo da esfera
- OBJECT #2: um cubo, com a origem ou as coordenadas colocadas num dos cantos
- OBJECT #3: um cubo também, com a origem das coordenadas colocadas num canto diferente e também uma orientação de eixo diferente
- OBJECT #4: um objecto 2D, com uma coordenada X e E
Agora todos estes 4 elementos/objectos devem ter os seus sistemas de coordenadas unificados para serem visualizados coerentemente juntos, o que nos leva ao seguinte passo.
Tipos de objectos
Uma classificação aproximada dos diferentes tipos de objecto que se encontram na cena é a seguinte:
- Actores: os elementos a mostrar. Em nosso caso particular (imagem médica), estes actores procedem de diferentes fontes de dados como podem ser um scaner CT, RM, ultrasom, raios X, etc...
- Luzes: as fontes de luz que interactuam com os actores e permitem as ver
- Câmaras: os dispositivos virtuais que definem o que mostrar-se-á em ecrã
Há que ter em conta que pode ter tantos objectos como seja necessário, mas ao menos tem que ter um de cada tipo para construir uma cena.
Coordenadas de mundo (World coordinates)
O mundo estabelece um sistema de referência com base no qual os actores, luzes e câmaras estão posicionados.
Em Figure 2 estão os mesmos 4 objectos do passo anterior, definidos no mesmo sistema de coordenadas (eixos representados em negro), o do mundo. Note-se que agora a origem do sistema de coordenadas, o ponto (0,0,0) e a orientação do eixo não coincidem com nenhum dos sistemas de coordenadas que tinham os objectos, já que este sistema de coordenadas do mundo é comum a todos eles. Neste exemplo, o objecto #4, visualizado em púrpura, era um objecto 2D que agora se coloca num sistema de coordenadas 3D.
A configuração da cena completa-se com a adição de uma fonte de luz e uma câmara, todas elas referidas no sistema de coordenadas do mundo, como se pode ver em Figure 3
Transformações afines (relacionadas) relacionam câmeras, objetos e componentes de objetos ao sistema de referência do mundo. Eles consistem em sequências de translações, rotações e mudanças de escala, que podem ser representadas usando coordenadas homogêneas por meio de matrizes 4x4. As perspectivas e projeções ortográficas do espaço 3D no plano de imagem das câmeras de visão também podem ser representadas por matrizes 4x4 (ou 4x3). Na verdade, são todos casos de transformações projetivas, que podem ser representados por essas matrizes 4x4. De fato, todos os elementos do mundo virtual são representados em relação ao sistema de referência do mundo por seqüências de transformações matriciais 4x4, possivelmente ordenadas em uma hierarquia (por exemplo: representam componentes internos de objetos). Para mais informações sobre transformações de coordenadas, veja-se[pdf aquí].
Sistema *RAS
Em nosso caso específico não vamos trabalhar com elementos abstractos tais como esferas, cubos ou quadrados; trabalharemos com dados volumétricos recolhidos com diferentes scaners e dispositivos médicos.
Os sistemas de coordenadas utilizados, quando se aplicam a corpos humanos, são os chamados "RAS". Este termo é um acrónimo formado pelo nome do eixo de três coordenadas, com os vectores unitários apontando nas seguintes direcções:
- Right-Left (Direita-Esquerda): corresponde ao plano sagital, perpendicular ao solo e que separa o R direita do L esquerda (mostrada em azul em Figure 4)
Anterior-Posterior: Figure 4corresponde ao plano coronal, perpendicular ao solo e que separa o em frente A do dorso P (mostrado em vermelho em Figure 4)
- Superior-inferior: Figure 4corresponde ao plano axial, paralelo ao solo e separa a cabeça S dos pés I (mostrado em verde em Figure 4)
Este sistema é comum, independente do scaner e centrado no paciente; permite a integração e visualização coerente de múltiplas imagens e tipos de dados em visores 2D e 3D. A base de referência mundial em 3D Slicer corresponde ao RAS específico do paciente e qualquer dado deve ser traduzido a este sistema.
Sistema IJK
Os dados volumétricos da imagem adquirem-se e proporcionam-se no sistema de referência do scan rasterizado " IJK, também chamado coluna, fila e secção (i e j são as coordenadas da coluna e fila, e k é o número de secção). Para sua integração em 3D Slicer como objectos ou actores na cena, é necessário proporcionar a matriz de transformação IJKtoRAS para cada conjunto de dados. Veja-se Figure 5.
Sistema XYZ
Este é o sistema de coordenadas do scaner. Nos aparelhos de MRI e CT o sistema de coordenadas vai fixado com respeito à superfície em que se coloca o paciente, a mesa. VerFigure 6.
Coordenadas de vista (*View *coordinates)
O sistema de coordenadas de vista representa o que é visível para a câmara. Consiste num par de valores x e e, que vão entre (-1,1) e uma coordenada de profundidade z; ver Figure 7. Os valores x, Y especificam a localização no plano da imagem, enquanto a coordenada z representa a distância ou a faixa desde a câmara.
Coordenadas de representação (Display coordinates)
O sistema de coordenadas de representação utiliza a mesma base que o sistema de coordenadas de vista, mas em lugar de utilizar um a um negativo como faixa, as coordenadas são localizações x, e pixels reais no plano da imagem. Factores como o tamanho da janela no ecrã determinam como se mapeia a faixa de coordenadas da vista (-1,1) em localizações de pixels. Aqui é também onde entra em vigor a vista de vista, de maneira que se podem integrar diferentes vistas na mesma janela (ver Capítulo 3 e Fig. 3-14 do livro de texto VTK).
