capítulo 4. generación del modelo 3d del raquis...

Andrés Coca de la Torre Grupo de Física Interdisciplinar Proyecto de Fin de Carrera Departamento de Física Aplicada III Ingeniería Industrial Universidad de Sevilla

Página 18

Capítulo 4. Generación del modelo 3D del raquis cervical


Página 19

4.1. Introducción al escaneado 3D

Descripción del proceso

En este apartado se presenta la técnica de escaneado tridimensional. La descripción se basa en la experiencia con el escáner y su software correspondientes usados en el proyecto, pero se pueden generalizar a la técnica para otros escáneres comerciales.

La técnica utilizada para la adquisición y generación de la geometría del modelo de simulación biomecánica ha sido la de escaneado 3D. Esta técnica consiste en el barrido por láser de la superficie del objeto que se desea escanear. En el escáner usado para este proyecto, es la pieza la que gira alrededor de un eje mientras que el escáner está fijado. La pieza se coloca sobre una base giratoria automática controlada por el escáner, y de esta manera se consigue barrer toda la superficie del objeto.

Figura nº 3: Escáner en funcionamiento registrando una vértebra.

El escáner proporciona para cada escaneado individual una malla de

puntos tridimensional que el software utiliza para generar la superficie del modelo. En combinación con los datos de los puntos, el escáner NextEngine Desktop 3D Scanner realiza una fotografía del objeto, y la


Página 20

superpone sobre la malla de puntos, proporcionando un modelo tridimensional con la textura del objeto original.


Página 21

Vistas

El programa Scan Studio, proporcionado por el fabricante junto con el escáner 3D, permite elegir entre cuatro tipos de visualización, siendo cada una de ellas útil en algún paso del proceso de modelado por escaneado 3D. El uso de las herramientas que se van a mencionar se detallan en capítulos posteriores.

Vista Color

Esta vista incluye la textura del objeto obtenida por fotografía digital y superpuesta sobre los datos numéricos de profundidad de la malla. Es especialmente útil para colocar los puntos para alinear familias o escaneados individuales.

Figura nº 4: Vista Color. Ejemplo.


Página 22

Vista Mesh

Muestra la malla tridimensional de la superficie sobre un fondo oscuro. Se usa para recortar bordes y partes sobrantes, así como en las herramientas de rellenado de agujeros y simplificado de la malla.

Figura nº 5: Vista Mesh. Ejemplo


Página 23

Vista Points

Muestra los puntos de la malla sin las líneas que forman los triángulos. Puede usarse como alternativa a la vista malla para detalles en zonas angulosas o con rebordes de pequeño tamaño.

Figura nº 6: Vista Points. Ejemplo.


Página 24

Vista Shaded

Muestra la superficie escaneada sin simplificación de la malla, con todos los detalles que se han registrado al escanear. Esta vista se usa para la herramientas de suavizado de la superficie.

Figura nº 7: Vista Shaded. Ejemplo.


Página 25

Familias de escaneados

El conjunto de datos de cada escaneado, que incluye la información de las texturas y la información de la superficie en 3D, es denominado “familia” por el software del escáner, y en adelante nos referiremos de esta forma a este conjunto de datos. Estas familias pueden tener un solo miembro, si se realiza un escaneado simple, tres, si se hace un “Bracket”, o tantos como divisiones se tengan en un escaneado de 360o. En la descripción posterior de la ventana principal del programa se detallan estas y otras opciones en profundidad.

Proceso de montaje del modelo

Debido al sistema de escaneado, en el cual la pieza gira alrededor de un eje, es necesario realizar dos barridos para cada pieza en dos ejes ortogonales, de manera que se escanee la superficie completa del objeto.

Una vez obtenidas las familias, el usuario debe realizar una operación de alineación para unirlas de manera coherente. El software dispone de un algoritmo inteligente de alineación automática, pero el resultado es inutilizable con geometrías complejas, como es el caso de las vértebras. En este proyecto se ha realizado de forma manual mediante el método descrito en el siguiente apartado.

El escaneado y el alineado son las dos tareas principales. Una vez alineadas las piezas, se obtiene una superficie tridimensional que aún no es válida para el trabajo, pues presenta numerosos huecos, superficies superpuestas, bordes libres, etc.

Para conseguir un volumen exportable, se debe generar una superficie cerrada que lo defina, por lo que estos huecos, bordes y superficies solapadas deben ser corregidos.

El software dispone de una serie de herramientas que se describen en el siguiente capítulo para eliminar los solapamientos, cerrar los huecos, recortar la superficie y suavizar la resolución superficial, lo cual puede ser


Página 26

útil ya que es el tamaño de los elementos de la red de elementos finitos la que define el nivel de detalle superficial necesario. El tamaño de los elementos de la red se analizará en el apartado dedicado a la simulación por elementos finitos.

4.2. Tipos de archivo generados

Al instalar Scan Studio CORE, la instalación crea una carpeta dentro de la carpeta “Mis Documentos” del usuario dentro de Windows. Esta carpeta es llamada “My 3D”. Cuando el usuario comienza un proyecto de escaneado 3D, el software crea una carpeta dentro de “My 3D” para los archivos de datos del escaneado.

Cada carpeta de proyecto de escaneado 3D incluye todos los archivos necesarios para el trabajo:

Un archivo .scn. Es un archivo maestro que maneja todos los escaneados que construyen el modelo. Cuando se guarda un proyecto en Scan Studio, se crea en un archivo .scn. Cuando se abre un proyecto, se abre también este archivo. Es el único archivo dentro de la carpeta que el usuario realmente maneja, el resto son propios y manejados por el software. En este archivo también se guarda la información de la geometría del modelo completo una vez fusionada la malla.

Un archivo .jpg contiene la información visual del objeto escaneado para cada pasada individual. De esta manera, un proyecto con un escaneado de 3600 con 6 pasadas, un bracket y un escaneado individual contendrá 10 archivos .jpg.

Un archivo .raw, que contiene los datos en bruto de la nube de puntos capturada con láser. Contiene la información numérica de la superficie 3D escaneada.

Una carpeta Thumbnails. Contiene imágenes que se usarán como vistas previas dentro del programa.


Página 27

Un archivo NZIP (.zip). Es un archivo comprimido que contiene el archivo .scn y todos los archivos relacionados dentro de él. Se usa para mover el proyecto completo de una computadora a otra.

Los archivos críticos para usar un proyecto guardado son los .scn.

Si el archivo .scn no es capaz de localizar los archivos .raw, el usuario no podrá reprocesar los datos originales.

Sin los .jpg o los thumbnails, el software visualizará la malla o la nube de puntos, pero no las texturas capturadas.


Página 28

4.3. Modelado 3D de las vértebras

Este es el esquema de trabajo básico del scanner recomendado por el fabricante:

Figura nº 8: Diagrama de flujo del proceso de escaneado 3D.


Página 29

Preparación Antes de comenzar a escanear, se debe preparar convenientemente el

objeto, teniendo en cuenta:

• El tamaño del objeto

• Sujeción del objeto

• Textura del objeto

El tamaño del objeto:

Para escanear lo primero es decidir si usaremos el modo macro o el modo Wide.

El modo macro se usa para objetos pequeños (por ejemplo una vértebra cervical) en los que deseemos mayor detalle. El modo Wide se usa para objetos de mayor tamaño. Ante la duda, lo mejor es colocar el objeto y poner el programa en modo “Scan” para ver si cabe o no en la pantalla.

Distancia ideal MACRO: 16.5 cm Distancia ideal WIDE: 43 cm Rango MACRO: 13 cm – 23 cm

Rango WIDE: 38 cm – 56 cm

Para elegir entre uno u otro modo, hay que colocar el cable de posicionador en la marca del modo elegido asegurándonos de que el resto del cable queda recogido en la guía que tiene el aparato.

Figura nº 9: Parte inferior de la plataforma posicionadora.


Página 30

El cable luego se enchufa en la clavija que hay en la parte baja frontal del escáner. Hay que colocar el cable para que quede tenso, y de esta manera el objeto queda a la distancia precisa.

Cómo se sujeta el objeto escaneado:

El posicionador incluye dos platos y dos varillas para colocar y sujetar convenientemente el objeto. Hay que tener en cuenta que el escáner registra todas las superficies dentro de su rango, por lo que tanto el plato como las varillas se incluirán en el escaneado, y tendrán que ser luego recortadas.

La textura del objeto:

El scanner puede tener problemas al tomar la imagen de la textura de la superficie si esta es brillante o excesivamente clara. Para ello el kit incluye un polvo para para quitar el brillo.

Además, para alinear las diferentes familias es conveniente dibujar puntos sobre la superficie de manera que sea sencillo encontrar referencias. Esto se explicará en el apartado dedicado a la alineación de familias.

Colocación del objeto en el posicionador

El objeto se coloca en el posicionador usando preferentemente las varillas.

Como todas las superficies lo que estén cerca del objeto seránregistradas y tendremos que recortarlas después, no es deseable poner el objeto reposando sobre la plataforma, por ejemplo, a menos que sea imposible colocar el objeto con las varillas de forma estable en la posición deseada.


Página 31

Tendremos que asegurarnos que queda bien sujeto, porque puede caerse con el movimiento. También puede ser útil usar la parte horizontal de las varillas, dependiendo de la forma del objeto que se quiere asegurar.

Escanear

Para escanear hay que pulsar en el botón Scan en la parte superior.

Aparece la ventana de escanear, aquí opcionalmente se puede cambiar el nombre del archivo en la barra amarilla superior, y terminamos de centrar el objeto.

Figura nº 10: Pantalla principal de Scan Studio.

En la parte superior vemos unos controles del giro de la plataforma posicionadora. Con ellos hay que comprobar:

• Que el eje de giro esté centrado en la ventana: Si no está bien alineado la pieza se moverá de izquierda a derecha durante el proceso de escaneado, y, sobre todo, se acercará y alejará del sensor, por lo que las familias no tendrán un tamaño coherente y la alineación será problemática.

• Con los botones “Step” que hacen girar la plataforma en sentido horario o anti horario los grados equivalentes a una división de las que estén definidas en la barra “Divisions”, hay que comprobar


Página 32

que la varilla de soporte de la plataforma no interfiere en ninguno de los pasos de giro con la pieza, es decir, que no se vaya a hacer un escaneado con esta varilla entre el escáner y el objeto. También es interesante colocar la pieza de manera que, si existe alguna cara de especial complejidad o interés, se realice un escaneado frontal de esta cara. Definiendo a partir de esta el resto de pasos de escaneado.

En la parte central izquierda de la pantalla vemos las siguientes opciones:

Scan

360o: Hace un barrido completo de 3600 de la pieza, con tantas divisiones como indiquemos en la barra “Divisions”. Esto genera tantas familias como divisiones, que luego deberán ser alineadas.Esta opción crea una “familia” de escaneos que se designa con una letra empezando por la “A”.

Bracket: El escáner hace 3 escaneos consecutivos, centrados en la posición inicial de la pieza, con una separación en grados equivalente a la definida por la barra “Divisions” para un escaneo de 3600. Normalmente se usa esta opción para obtener los datos de la parte superior e inferior del objeto que no se registran en un escaneo de 3600.Esta opción también crea una “familia” de escaneos designada por una letra.

Single: Es escáner genera una familia individual. Sirve para obtener detalles de caras que no se han registrado con las opciones de 3600 y Bracket.

Figura nº 11: Árbol de familias de escaneado.


Página 33

En esta figura se muestra cómo se nombrarían los diferentes escaneados empezando por una familia “A” realizada con un escaneo de 3600 y 6 divisiones, un Bracket “B” y un escaneado simple C.

Precision: En esta opción se elige el rango de distancias que se van a escanear entre

Macro y Wide, como se explicó anteriormente.

Speed: El programa dispone de tres opciones de escaneado: “Standard”, “Quick”

y “Fine”. A mayor tiempo de escaneado, mayor es el nivel de detalle recogido por el escáner. El tiempo de escaneado estándar es de unos 2 minutos, el rápido 25 segundos y el detallado de más de 3 minutos.

Para el proyecto se ha realizado a velocidad lenta, para maximizar en principio el nivel de detalle, si bien luego se han reducido este nivel en la exportación en formato IGES.

Alineación de escaneados dentro de una familia

Dentro de cada familia, ya sea de un escaneado de 3600 o bracket, hay que realizar una operación manual de escaneado para unir las superficies individuales.

La operación se hace entre dos superficies individuales, y el resto de la escaneados de la familia se alinea automáticamente, si bien hay ocasiones en las que este alineado automático no es correcto y hay que separar las superficies que no están bien alineadas y alinearlas manualmente.

La ventana de alineado muestra las dos superficies a cada lado de la

pantalla, y unos puntos de colores que se deben colocar en lugares comunes de las dos superficies.

Para esta operación resulta muy útil marcar con rotulador puntos en las vértebras, ya que con la superficie blanca resulta imposible definir el mismo punto en ambas superficies.


Página 34

Figura nº 12: Ventana de alineación de escaneados.

El mínimo número de puntos comunes que hay que colocar es 3, que definen un plano común en las tres direcciones del espacio. No obstante, el programa permite colocar hasta 9 puntos, de manera que el algoritmo de alineado presente un resultado mucho más preciso.

En la parte superior de la pantalla aparece una barra que indica en color amarillo o verde la precisión del alineado de las superficies.

Recortar

Una vez alineadas las superficies dentro de una familia, hay que recortar aquellas partes que sobresalen del objeto y otras superficies que aparecen en el escaneado pero que no pertenecen al objeto, como el plato de la plataforma o las varillas de sujeción.


Página 35

Figura nº 13: Familia alineada (vista de malla) antes de recortar.

Para ello, pulsando en el botón “trim” (recortar), aparecen una serie de

opciones de selección, que incluyen diferentes formas de puntero del ratón y la posibilidad de recortar definiendo un rectángulo o una polilínea (se seleccionarán todos los puntos en la proyección recta de este rectángulo o polilínea).


Página 36

Figura nº 14: Ejemplo de selección para recortar.

Para este paso se recomienda la visualización de la malla, por ser más

cómoda para diferenciar los puntos que interesa recortar.

Los puntos seleccionados se destacan en color rojo. El usuario puede deseleccionar superficies seleccionadas por error usando las mismas opciones de selección.

Cuando se ha definido completamente la región que se desea recortar, se confirma pulsando el botón trim y el software elimina los puntos pertenecientes a esta región.

Alineación de familias

Tras recortar las partes sobrantes de cada familia alineada, el usuario debe alinear entre sí todas las familias provenientes de diferentes escaneados independientes, es decir, de escaneados 3600, bracket o simples por separado.

El procedimiento es el mismo que para alinear las superficies dentro de una familia.


Página 37

Fusión de la malla

Cuando se tienen todas las familias alineadas entre sí, el modelo consiste en una serie de mallas (superficies) superpuestas, no una sola malla. Estos son datos en bruto que no son factibles de ser exportados ni de generar una superficie cerrada.

En la ventana Fuse se presenta un botón de configuración, una barra que controla la simplificación de la malla durante la fusión de las mallas, simplify, y el indicador de tolerancia.

Figura nº 15: Cuadro de dialogo Fuse.

La barra de simplificación de malla define el nivel de reducción del número de triángulos que se realiza automáticamente en zonas planas. En las zonas con cambios de dirección abruptos en la normal de la superficie este algoritmo no reduce significativamente el número de triángulos. El indicador de tolerancia indica el nivel de simplificación elegido en la barra.

Este valor en principio debe ajustarse lo más bajo posible, de manera que se respete lo más fielmente la geometría original sin perder resolución. Si se desea una malla con un menor número de elementos (elementos más


Página 38

grandes), se puede simplificar más adelante usando la herramienta simplify en las opciones de refinado de la superficie y la malla.

Pulsando el botón de configuración (settings) abre una ventana de diálogo que incluye una opción de rellenado de agujeros (que es preferible no incluir, puesto que el rellenado automático no genera un buen resultado en el caso de las vértebras, y se puede realizar más adelante en durante el refinado de la superficie). Esta opción incluye un slider con el tamaño de agujeros máximo que debería rellenar el algoritmo.

Otra opción incluida en el diálogo es el slider de “mezcla de texturas” (texture blending) que indica el ancho respecto a las fronteras entre las superficies fusionadas en la que se mezclarán las texturas obtenidas con las fotografías del objeto. Es una opción que no afecta a los datos numéricos de la malla, sino sólo a la visualización de la superficie del objeto.

El ratio de resolución (Resolution Ratio) indica el tamaño medio de los triángulos de la malla respecto al tamaño medio de los triángulos de la malla original. Este ratio va de 0 a 1 y el fabricante recomienda ejecutar el fusionado con un valor mayor de 0,9.

Figura nº 16: Malla fusionada.


Página 39

Una vez fusionada la malla del modelo completo, se genera un archivo .scn y en el árbol de familias de la parte inferior aparece el modelo completo como una nueva familia independiente.

Refinado de la superficie

El programa Scan studio proporcionado por el fabricante del escáner 3D incluye tres tipos de herramienta para obtener el acabado superficial y las propiedades de malla deseadas por el usuario:

Relleno de agujeros (fill) Suavizado superficial (buff) Simplificación de la malla (simplify)

Estas herramientas aparecen al pulsar el botón pulir (Polish) de la pantalla principal del programa.

Relleno de agujeros (fill)

Esta herramienta cierra automáticamente agujeros en la malla. Al arrancar esta opción, el programa detecta automáticamente los agujeros abiertos que existen en la malla, y el usuario debe marcar los bordes que se desean cerrar. El programa muestra el área que va a rellenar, pero no incluye una vista previa de la malla definitiva, sino una malla provisional, de menor densidad que la definitiva.


Página 40

Ç

Figura nº 17: Rellenado de agujeros: Selección.

Hay que tener en cuenta que el algoritmo de rellenado de agujeros tiende a seguir la dirección de la superficie en el borde de la malla, por lo que resulta aconsejable repasar esos bordes previamente para que no queden partes que sobresalgan y resulte un rellenado defectuoso.

Figura nº 18: Rellenado de agujeros: Resultado.


Página 41

Suavizado superficial (buff)

La herramienta de suavizado reduce el ruido local en los datos de superficie. Al escanear, pueden aparecer zonas rugosas que en realidad son suaves. También puede ocurrir que no interese un nivel de detalle superficial para la aplicación final del objeto que se está escaneando, como es el caso de las vértebras.

La herramienta buff incluye las mismas herramientas de selección que la herramienta trim y las áreas se seleccionan y deseleccionan de la misma forma que en aquella.

Una vez seleccionadas las superficies que se desean suavizar, aparece el siguiente cuadro de diálogo al pulsar el botón de suavizado:

Figura nº 19: Cuadro de Diálogo Buff.

La primera opción indica el algoritmo de suavizado utilizado. Para las vértebras se ha usado el método Laplaciano.

El slider controla la intensidad de la operación de suavizado.

La desviación de la tolerancia permite introducir la desviación máxima permitida en el suavizado, es decir, cuánto se puede cambiar la posición (profundidad) de cada punto de la malla.


Página 42

El proceso se lleva a cabo en el número de iteraciones máximo indicadas en la casilla correspondiente. A mayor número, mayor será la reducción del ruido superficial.

Si marcamos la casilla smooth boundaries, el programa suavizará los bordes abiertos, lo cual puede ser interesante antes de rellenar los agujeros.

Si marcamos la casilla preserve sharp edges, el algoritmo respetará los detalles de los bordes.

Cuando se han decidido todos los parámetros del suavizado, se presiona el botón buff y se ejecuta el algoritmo.

Figura nº 20: Resultado del suavizado de la superficie

Simplificación de la malla (simplify)

Esta herramienta reduce el número de triángulos de la malla, aumentando el tamaño de éstos. Esto reduce el tamaño del archivo, con el inconveniente de la pérdida de detalle en la superficie. Se trata del mismo algoritmo que puede aplicarse al fusionar mallas escaneadas individualmente.


Página 43

Las herramientas de selección y deselección son las mismas que las usadas para recortar y suavizar.

Una vez seleccionadas las zonas que se quieren simplificar, se ajusta el slider de tolerancias de la misma forma que se explicó en el apartado de fusión de la malla, y se aplica la simplificación.

Figura nº 21: Malla antes de la simplificación.

Figura nº 22: Malla tras aplicar el algoritmo de simplificación.


Página 44

Orientación del objeto y creación de una superficie exportable

Hasta este punto, se ha creado un archivo de geometría tridimensional que está constituido por los datos geométricos por una malla de puntos y elementos tridimensionales, y una textura superpuesta sobre dicha malla.

Esta malla de puntos no tiene, por tanto, entidad de superficie, en el contexto de los formatos estándar de intercambio de archivos gráficos.

Además, el modelo no está orientado respecto a ninguna referencia, y es interesante añadir unos ejes de referencia aproximados que permitan luego ser usados como referencia para la colocación de las vértebras y los discos.

Para entrar a las herramientas de diseño asistido por ordenador (computer aided design, CAD) del software, pulsamos el botón correspondiente en la barra superior y aparecen tres opciones: Orient, SPline y Surface

.

Figura nº 23: Pantalla del menú CAD.

La herramienta SPline crea una familia de curvas de nivel alrededor del objeto. Esta herramienta no se ha usado en el proyecto.


Página 45

La herramienta orientar incluye las herramientas necesarias para definir una caja (bounding box) que encierra al objeto, y orientarla en los tres ejes del espacio hasta definir un sistema de referencia útil, al que se le pueden añadir un punto origen, y definir las caras frontal y trasera, y superior e inferior.

Figura nº 24: Pantalla Orient.

La herramienta superficie, permite crear una entidad superficie exportable en formatos estándar IGES o STEP (descritos en el apartado 4.4).

Para que la creación de la superficie sea correcta, el mallado debe estar perfectamente cerrado, y no tener agujeros. En ese caso el programa genera un error y la superficie no es generada.


Página 46

Figura nº 25: Pantalla del menú Surface.

El resultado es una superficie sin textura:

Figura nº 26: Superficie generada para exportar a IGES.


Página 47

4.4. Exportación/Importación de modelos escaneados

El software Scan Studio no es capaz de trabajar con diferentes objetos en un solo proyecto, por lo que es necesario exportar cada objeto a un programa de diseño 3D. Para este proyecto se ha utilizado Solid Edge V20.

La justificación de esta elección se debe principalmente a la existencia de una licencia en la Escuela Superior de Ingenieros, y a la familiaridad de su uso debido a que se imparte en la asignatura de Representación Gráfica por Ordenador de 3º de Ingeniería Industrial. Por supuesto, el programa permite hacer todas las operaciones necesarias de importación, manejo de los volúmenes para su correcta colocación dentro de un conjunto de cuerpos y exportación a un programa de simulación mecánica por elementos finitos.

Para el intercambio de información de modelos tridimensionales existen dos formatos de archivo estándar, que son compatibles con la mayoría de software de modelado 3D y simulación por elementos finitos existentes.

Scan Studio permite exportar una superficie cerrada, incluyendo la opción de exportar un volumen delimitado por dicha superficie, en ambos formatos de intercambio.

Estos formatos son:

• IGES (Initial Graphics Exchange Specification, ASME Y14.26M) que define un formato neutral de datos que permite el intercambio digital de información entre sistemas de diseño asistido por computadora CAD.

• STEP (Standard for the Exchange of Product model data, ISO 10303‐11), que es un estándar internacional para la representación en intercambio de información de productos industriales. Step soporta modelos de diseño mecánico, eléctrico, análisis y manufactura, con información adicional específica de industrias diversas. Es, por tanto, un estándar mucho más versátil.

Antes de comenzar el trabajo con las vértebras, se realizaron una serie de pruebas con ambos formatos, mostrando ambos un resultado similar en cuanto a calidad del modelo exportado.


Página 48

No obstante, para exportar una vértebra, el formato IGES necesita un tiempo aproximado de 30 segundos, mientras que el formato STEP tarda más de 2 minutos, con un tamaño de archivo varias veces mayor, dependiendo de los parámetros de la malla y la superficie del modelo escaneado.

Una vez exportada la superficie (convertida en un volumen en este paso), sólo hay que importarla en Solid Edge con la herramienta “Importar”.

El resultado de las vértebras importadas en Solid Edge se muestra en las figuras que siguen:

Figura nº 27: C1 Importada a Solid Edge en formato IGES.



Página 49





Página 50




Página 51

4.5. Generación de discos intervertebrales sencillos

Los modelos de los discos intervertebrales se han creado directamente usando Solid Edge.

Las razones son dos:

• La dificultad de escanear los discos del modelo físico usado para las vértebras, debido a su pequeño tamaño, la presencia de rebabas y, sobre todo, a la textura blanquecina, translúcida y brillante de los discos. Esta superficie no es correctamente registrada ni por la fotografía digital ni por el barrido láser de profundidad. Si bien se puede solucionar aplicando el polvo blanco incluido en el kit del escáner.

• La imposibilidad de colocar perfectamente las superficies de contacto entre los discos y las vértebras. Aun cuando se pudieran registrar perfectamente los detalles, no es posible alinear las imperfecciones de las superficies.

Esto crea la necesidad de generar un volumen con una sección lo más parecida posible a la del disco, pero con un grosor mayor de manera que interfiera en los volúmenes de las vértebras entre las que se encuentra cada disco, para luego realizar una operación de resta booleana cuyo resultado sea un volumen que se adapta perfectamente a cada superficie de contacto.


Página 52

Figura nº 34: Interferencia entre el disco y la vértebra.

Estos discos se han realizado con las operaciones comunes de generación de volúmenes como son la realización de un boceto inicial con la sección del disco y la extrusión recta para generar el volumen tridimensional.

Adicionalmente, se han hecho cuantas operaciones de sustracción y redondeado han sido necesarias para obtener, de forma manual, una geometría adecuada para maximizar la superficie del disco, que realmente ocupa toda la superficie superior e inferior de las vértebras.

El resultado se puede observar en las siguientes figuras (Se hace notar que entre las dos primeras vértebras, el atlas o C1 y el axis o C2, no existe disco intervertebral, sino que se apoyan directamente sobre las superficies articulares).

Figura nº 35: Disco C2‐C3.


Página 53





Página 54



Página 55

4.6. Montaje del conjunto cervical

Una vez obtenidas todas las vértebras en formato estándar IGES, y todos los discos en formato de pieza de Solid Edge (.par), se crea un archivo de conjunto de Solid Edge (.asm), en el que se incluyen todos los cuerpos.

La colocación y correcta alineación de las vértebras y los discos es una operación manual, y ha sido frecuente la modificación de la geometría de los discos para maximizar su sección a los límites de los cuerpos vertebrales.

El montaje se realiza ayudándose con los ejes coordenados que se colocaron en el software Scan Studio con la herramienta orientar.

Mediante giros alrededor de dichos ejes, y de manera manual, se coloca cada disco y cada vértebra en su posición y ángulo correcto.

El resultado es un conjunto cervical completo, que respeta la curvatura de la columna cervical:

Figura nº 40: Conjunto ensamblado en Solid Edge: Vista Frontal.


Página 56

Figura nº 41: Conjunto ensamblado en Solid Edge: Vista Lateral.

Figura nº 42: Conjunto ensamblado en Solid Edge: Vista Superior.


Página 57

Figura nº 43: Conjunto ensamblado en Solid Edge: Perspectiva.

Este modelo se exporta en formato IGES para poder importarlo de nuevo en ANSYS Workbench para simular su comportamiento mecánico.

capítulo 4. generación del modelo 3d del raquis...

Documents