La escena
Un concepto central: la escena
Como aplicación de visualización, 3D Slicer proporciona representaciones gráficas de datos específicos del paciente dentro de una interfaz gráfica. Dichos datos específicos del paciente son proporcionados por una serie de modalidades de imagen médica, a través de diferentes escalas espaciales y temporales. 3D Slicer se centra en las modalidades con posibilidades volumétricas, como CT, MRI y PET, debido a su relevancia clínica, pero es posible también integrar señales 1D y 2D, además de 3D, así como las variaciones de estas imágenes a lo largo del tiempo (tanto en tiempo real como a lo largo de espacios de tiempo).
Dado que 3D Slicer está basado en gran parte en el Visualization Toolkit (VTK) (paquete de herramientas para la visualización), se recomienda leer el manual [Visualization Toolkit: An Object-Oriented Approach to 3D Graphics], 4a edición, también conocido como el VTK Textbook. Esta es la guía oficial de referencia para el VTK.
Los sistemas de coordenadas
En visualización y gráficos, la escena consiste en un mundo virtual en el que objetos (llamados a veces actores), luces y cámaras proporcionan representaciones para ser presentadas al usuario.
Coordenadas del modelo
Cada uno de los diferentes modelos que formarán parte de la escena tiene su propio sistema de coordenadas. Estos sistemas de coordenadas modelo son dependientes de cada objeto y tienen su propio eje de coordenadas: el origen de estos ejes y también su orientación pueden diferir, ya que dependen de cómo se capturan los datos de dicho objeto. Los sistemas de coordenadas modelo pueden ser 3D o 2D.
Como se ve en la Figure 1 hay 4 tipos diferentes de objetos:
- OBJECT #1: una esfera, con el origen de las coordenadas colocadas en el centro mismo de la esfera
- OBJECT #2: un cubo, con el origen o las coordenadas colocadas en una de las esquinas
- OBJECT #3: un cubo también, con el origen de las coordenadas colocadas en una esquina diferente y también una orientación de eje diferente
- OBJECT #4: un objeto 2D, con una coordenada X e Y
Ahora todos estos 4 elementos/objetos deben tener sus sistemas de coordenadas unificados para ser visualizados coherentemente juntos, lo que nos lleva al siguiente paso.
Tipos de objetos
Una clasificación aproximada de los diferentes tipos de objeto que se encuentran en la escena es la siguiente:
- Actores: los elementos a mostrar. En nuestro caso particular (imagen médica), estos actores proceden de diferentes fuentes de datos como pueden ser un escáner CT, RM, ultrasonido, rayos X, etc...
- Luces: las fuentes de luz que interactúan con los actores y permiten verlas
- Cámaras: los dispositivos virtuales que definen lo que se mostrará en pantalla
Hay que tener en cuenta que puede haber tantos objetos como sea necesario, pero al menos tiene que haber uno de cada tipo para construir una escena.
Coordenadas de mundo (World coordinates)
El mundo establece un sistema de referencia en base al cual los actores, luces y cámaras están posicionados.
En Figure 2 están los mismos 4 objetos del paso anterior, definidos en el mismo sistema de coordenadas (ejes representados en negro), el del mundo. Nótese que ahora el origen del sistema de coordenadas, el punto (0,0,0) y la orientación del eje no coinciden con ninguno de los sistemas de coordenadas que tenían los objetos, ya que este sistema de coordenadas del mundo es común a todos ellos. En este ejemplo, el objeto #4, visualizado en púrpura, era un objeto 2D que ahora se coloca en un sistema de coordenadas 3D.
La configuración de la escena se completa con la adición de una fuente de luz y una cámara, todas ellas referenciadas en el sistema de coordenadas del mundo, como se puede ver en Figure 3
Transformaciones afines relacionan cámaras, objetos y componentes de objetos con el sistema de referencia del mundo. Consisten en secuencias de traslaciones, rotaciones y cambios de escala, que pueden representarse utilizando coordenadas homogéneas mediante matrices de 4x4. Las proyecciones de perspectivas y ortográficas desde el espacio 3D sobre el plano de la imagen de las cámaras de visión también se pueden representar con matrices 4x4 (o 4x3). De hecho, todos ellos son casos de transformaciones proyectivas, que pueden ser representadas por estas matrices 4x4. De hecho, todos los elementos del mundo virtual se representan con respecto al sistema de referencia del mundo mediante secuencias de transformaciones matriciales 4x4, posiblemente ordenadas en una jerarquía (por ejemplo: representar componentes internos de objetos). Para obtener más información sobre las transformaciones de coordenadas, véase [pdf aquí].
Sistema RAS
En nuestro caso específico no vamos a trabajar con elementos abstractos tales como esferas, cubos o cuadrados; trabajaremos con datos volumétricos recogidos con diferentes escáneres y dispositivos médicos.
Los sistemas de coordenadas utilizados, cuando se aplican a cuerpos humanos, son los llamados "RAS". Este término es un acrónimo formado por el nombre del eje de tres coordenadas, con los vectores unitarios apuntando en las siguientes direcciones:
- Right-Left (Derecha-Izquierda): corresponde al plano sagital, perpendicular al suelo y que separa la R derecha de la L izquierda (mostrada en azul en Figure 4)
- Anterior-Posterior: corresponde al plano coronal, perpendicular al suelo y que separa el frente A del dorso P (mostrado en rojo en Figure 4)
- Superior-inferior: corresponde al plano axial, paralelo al suelo y separa la cabeza S de los pies I (mostrado en verde en Figure 4)
Este sistema es común, independiente del escáner y centrado en el paciente; permite la integración y visualización coherente de múltiples imágenes y tipos de datos en visores 2D y 3D. La base de referencia mundial en 3D Slicer corresponde al RAS específico del paciente y cualquier dato debe ser traducido a este sistema.
Sistema IJK
Los datos volumétricos de la imagen se adquieren y se proporcionan en el sistema de referencia del escaneo rasterizado " IJK, también llamado columna, fila y sección (i y j son las coordenadas de la columna y fila, y k es el número de sección). Para su integración en 3D Slicer como objetos o actores en la escena, es necesario proporcionar la matriz de transformación IJKtoRAS para cada conjunto de datos. Véase Figure 5.
Sistema XYZ
Este es el sistema de coordenadas del escáner. En los aparatos de MRI y CT el sistema de coordenadas va fijado con respecto a la superficie en la que se coloca el paciente, la mesa. VerFigure 6.
Coordenadas de vista (View coordinates)
El sistema de coordenadas de vista representa lo que es visible para la cámara. Consiste en un par de valores x e y, que van entre (-1,1) y una coordenada de profundidad z; ver Figure 7. Los valores x, y especifican la ubicación en el plano de la imagen, mientras que la coordenada z representa la distancia o el rango desde la cámara.
Coordenadas de representación (Display coordinates)
El sistema de coordenadas de representación utiliza la misma base que el sistema de coordenadas de vista, pero en lugar de utilizar uno a uno negativo como rango, las coordenadas son ubicaciones x, y píxeles reales en el plano de la imagen. Factores como el tamaño de la ventana en la pantalla determinan cómo se mapea el rango de coordenadas de la vista (-1,1) en ubicaciones de píxeles. Aquí es también donde entra en vigor la vista de vista, de modo que se pueden integrar diferentes vistas en la misma ventana (ver Capítulo 3 y Fig. 3-14 del libro de texto VTK).
