Contributions to the three-dimensional virtual treatment planning of orthognathic surgery

Orientadores: José Mario De Martino, Luis Augusto PasseriTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A tecnologia mais recente à disposição da Cirurgia Ortognática possibilita que o diagnóstico e o planejamento do tratamento das deformidades dentofaciais sejam realizados sob uma representação virtual tridimensional (3D) da cabeça do paciente. Com o propósito de contribuir para o aperfeiçoamento desta tecnologia, o trabalho apresentado nesta tese identificou e tratou quatro problemas. A primeira contribuição consistiu na verificação da validade da hipótese de que a mudança de definição do plano horizontal de Frankfort não produz diferenças de medição clinicamente relevantes quando sob indivíduos cujos crânios são consideravelmente simétricos. Os resultados da análise realizada no contexto deste tese indicam que, ao contrário do que se presumia, a hipótese é falsa. A segunda contribuição consistiu na extensão do método de análise cefalométrica de McNamara para que ele pudesse produzir valores 3D. Ao contrário de outros métodos de análise cefalométrica 3D, a extensão criada produz valores verdadeiramente 3D, não perde as informações do método original e preserva as definições geométricas originais das linhas e planos cefalométricos. A terceira contribuição consistiu a) no estabelecimento de normas cefalométricas para brasileiros adultos de ascendência europeia, a partir de imagens de tomografia computadorizada de feixe cônico, que produz uma imagem craniofacial mais precisa e confiável do que a telerradiografia; e b) na avaliação de dimorfismo sexual, para a identificação de características anatômicas diferenciadas entre homens e mulheres desta população. A quarta e última contribuição consistiu na automatização da principal etapa da tecnologia em questão, na qual o cirurgião executa o reposicionamento dos segmentos ósseos maxilares no crânio. O método criado é capaz de corrigir automaticamente os problemas dentofaciais mais comuns tratados pela Cirurgia Ortognática, que envolvem maloclusão esquelética, assimetria facial e discrepância de maxilares. Todas as contribuições deste trabalho foram publicadas em periódicos internacionais do campo da Odontologia e afinsAbstract: The latest technology available for orthognathic surgery allows the diagnosis and treatment planning of dentofacial deformities based on a three-dimensional (3D) virtual representation of the patient's head. In order to contribute to the improvement of this technology, the work presented in this thesis identified and treated four problems. The first contribution consisted in testing the validity of the hypothesis that changing the definition of the Frankfort horizontal plane does not produce clinically relevant measurement differences for subjects whose skulls are considerably symmetrical. The results of the analysis performed in this thesis indicate that, contrary to what was presumed, the hypothesis is false. The second contribution is an extension of the McNamara's method of cephalometric analysis to produce 3D values. Unlike other methods of 3D cephalometric analysis, the extension produces true 3D values, does not lose information captured by the original method, and preserves the original geometric definitions of the cephalometric lines and planes. The third contribution consisted in a) establishing cephalometric norms for Brazilian adults of European descent, based on images from cone-beam computed tomography, which produce a more accurate and reliable craniofacial image than cephalometric radiography; and b) evaluating sexual dimorphism, for the identification of distinct anatomic features between males and females of this population. The fourth contribution consisted in automating the main stage of the technology in question, in which the surgeon performs the positioning of jaw bone segments in the skull. The created method is able to automatically correct the most common dentofacial problems treated by orthognathic surgery, which involves skeletal malocclusion, facial asymmetry, and jaw discrepancy. The contributions of this work were published in international journals of the field of Dentistry and relatedDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia ElétricaCAPE

Visualization of mechanical wave propagation phenomena in continuous medium

Orientador: José Mario De MartinoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Nas últimas décadas, o estudo dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas e de suas conseqüências tem recebido crescente atenção de grupos de pesquisa de variados ramos da engenharia, sobretudo daqueles dedicados ao desenvolvimento de métodos computacionais para resolução de problemas complexos na área da Mecânica dos Meios Contínuos (MMC). Os métodos computacionais desenvolvidos por estes grupos geralmente são constituídos de modelagem matemática e simulação computacional de problemas físicos, que substituem a necessidade do uso de protótipos ou infraestrutura de laboratórios, mas que em contrapartida produzem uma volumosa quantidade de dados numéricos que pode dificultar ou inviabilizar uma análise mais eficiente dos resultados sem o suporte de técnicas específicas para o mapeamento destes dados em representações visuais. Esta dissertação apresenta um trabalho científico-tecnológico na área de Visualização Científica, cujas técnicas foram empregadas em MMC para a visualização dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas, especificamente em meios materiais sólidos. Os objetivos principais do trabalho foram possibilitar que os especialistas pudessem validar mais rapidamente os seus métodos computacionais voltados ao estudo dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas e, principalmente, que eles pudessem entender com mais facilidade os resultados gerados pela simulação computacional, ampliando assim a eficiência da análise de problemas complexos. Os estudos de casos realizados e apresentados no trabalho permitem afirmar que estes objetivos foram alcançados e os resultados foram satisfatórios. As principais contribuições deste trabalho são: identificação de um conjunto de informações derivadas dos dados brutos gerados pela simulação computacional que podem ser empregados para análise dos fenômenos de propagação de ondas mecânicas; metodologias e respectivas formulações matemáticas para cálculo destas informações; desenvolvimento de um protótipo de ambiente de visualização dos dados que descrevem o comportamento das ondas mecânicas; e estudo e definição de diretrizes de como as técnicas de visualização de dados escalares e vetoriais podem ser aplicadas para favorecer a análise das informações disponíveis. É importante observar que o trabalho é limitado à visualização de ondas mecânicas bi ou tridimensionais geradas sobre grades de dimensão bidimensionalAbstract: In recent decades, the study of the mechanical wave propagation phenomena and their consequences has been receiving increasing attention from research groups in engineering, principally those dedicated to the development of computational methods for solving complex problems in the area of Continuum Mechanics (CM). The computational methods developed by these groups usually consist of mathematical modeling and computer simulation of physical problems, which replace the need for prototypes or laboratory infrastructure. But in opposition, produces a large amount of numerical data that can hinder a more efficient analysis of the results without the support of specific techniques for mapping these data into visual representations. This master's dissertation presents a scientific-technological work in the area of Scientific Visualization, whose techniques were applied in the area of CM for visualization of the mechanical wave propagation phenomena, specifically in solid material media. The main objectives of the work were to allow MCM experts to validate more quickly their computational methods for the study of the mechanical wave propagation phenomena and, especially, that they could more easily understand the results generated by computer simulation, increasing the efficiency of analysis of complex problems. The case studies analyzed and presented in the dissertation allow to state that these objectives were attained and the results were satisfactory. The main contributions of the work are: identification of a set of implicit information, derived from raw data generated by computer simulation, that can be used to analyze the mechanical wave propagation phenomena; methodologies and their mathematical formulations to calculate these information; development of a visualization environment prototype of the data that describe the behavior of mechanical waves; and study and guideline definition of how to apply the visualization techniques of scalar and vector data for expand the analysis the available information. It is important to mention that the work is limited to visualization of two or three-dimensional mechanical waves generated on two-dimensional gridsMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric