FITTING A PARAMETRIC MODEL TO A CLOUD OF POINTS VIA OPTIMIZATION METHODS

Computer Aided Design (CAD) is a powerful tool for designing parametric geometry. However, many CAD models of current configurations are constructed in previous generations of CAD systems, which represent the configuration simply as a collection of surfaces instead of as a parametrized solid model. But since many modern analysis techniques take advantage of a parametrization, one often has to re-engineer the configuration into a parametric model. The objective here is to generate an efficient, robust, and accurate method for fitting parametric models to a cloud of points. The process uses a gradient-based optimization technique, which is applied to the whole cloud, without the need to segment or classify the points in the cloud a priori. First, for the points associated with any component, a variant of the Levenberg-Marquardt gradient-based optimization method (ILM) is used to find the set of model parameters that minimizes the least-square errors between the model and the points. The efficiency of the ILM algorithm is greatly improved through the use of analytic geometric sensitivities and sparse matrix techniques. Second, for cases in which one does not know a priori the correspondences between points in the cloud and the geometry model\u27s components, an efficient initialization and classification algorithm is introduced. While this technique works well once the configuration is close enough, it occasionally fails when the initial parametrized configuration is too far from the cloud of points. To circumvent this problem, the objective function is modified, which has yielded good results for all cases tested. This technique is applied to a series of increasingly complex configurations. The final configuration represents a full transport aircraft configuration, with a wing, fuselage, empennage, and engines. Although only applied to aerospace applications, the technique is general enough to be applicable in any domain for which basic parametrized models are available

Usinagem de próteses para cranioplastia a partir de imagens tomográficas

Orientador: Dalberto Dias da CostaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 2004Inclui bibliografiaResumo: A fabricação de próteses para substituição de tecidos duros (ossos) tem sido um tema recorrente em diversos trabalhos científicos na área de bioengenharia. Recentemente, com o avanço das técnicas de digitalização e processamento de imagens, vários pesquisadores vêm defendendo o implante de próteses pré-fabricadas como uma alternativa para redução do tempo de cirurgia, da morbidade, da dor pós-operatória, do risco de infecções e rejeições, além de apresentar melhores resultados estéticos. Dentre as alternativas para a fabricação de próteses sob medida, destaca-se o uso das tecnologias CAD (Computer-Aided Design), CAM (Computer-Aided Manufacturing) e CNC (Comando Numérico Computadorizado). Entretanto, existem ainda alguns obstáculos, no que se refere à integração da informação (imagens) obtida por tomografia aos sistemas CAD/CAM/CNC comerciais. O objetivo deste trabalho é apresentar e discutir duas diferentes abordagens para essa integração e mostrar os resultados da fabricação, por usinagem, de uma prótese para fins médicos. Várias imagens tomográficas de um crânio humano seco foram utilizadas como fonte primária de informação. Utilizando-se tanto softwares dedicados ao processamento de informações médicas como os de uso geral, para conversão e vetorização de imagens, foi reconstruída uma região de interesse do crânio digitalizado. Essa região modelada foi avaliada e depois convertida em um formato apropriado aos sistemas CAM’s, os quais permitiram a simulação e geração de um programa CN para a usinagem de uma possível prótese dessa região. Esta prótese foi fresada em acrílico e depois inspecionada visual e dimensionalmente. A principal conclusão deste trabalho é que a usinagem direta propicia excelentes resultados estéticos enquanto alternativa para a fabricação de implantes para cranioplastia. Palavras-chave: usinagem; superfícies complexas; imagens tomográficas; próteses sob medida; cranioplastia.ABSTRACT The use of prosthesis, for replacement of hard tissues (bones), has been a recurrent subject in a huge variety of scientific works in the field of bioengineering. Lately, with the advancement in digitalizing and image processing, researchers have pointed out the application of pre-fabricated implants as an alternative way for reduction of the time, morbidity, postsurgery pain, the risk of infections and rejections, besides presenting better aesthetic results. Among the alternatives for tailored prosthesis, the technologies CAD (Computer-Aided Design), CAM (Computer-Aided Manufacturing) and CNC (Computerized Numeric Control) are mandatory. However, there are still some difficulties concerning the integration of the information acquired from CT images to the commercial CAD/CAM/CNC systems. The purpose of this research is to present and discuss two differents methodologies for this integration and show the machining results of a milled PMMA prosthesis. Several CT images of a dry human skull were taken as primary source of information. Specialized medical softwares and general purpose systems, for image processing, were evaluated as a two methods for vetorizing and 3D reconstruction of a separated region from the CT images. The modeled region was evaluated and converted to readable CAM formats for machining simulation and NC code generation for a similar prosthesis. An acrilic blank was milled according to planed prosthesis and visualy inspected and measured. The main conclusion of this work is concerned to the good aesthetic results obtained by direct machining for cranioplasty. Keywords: Milling; sculptured surfaces; CT images; individual implants; cranioplasty