DIMENSIONAL EVALUATION OF BIOLOGICAL PROTOTYPES PRODUCED IN 3D PRINTER FROM MICRO CT IMAGES

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1 AVALIAÇÃO DIMENSIONAL DE PROTÓTIPOS BIOLÓGICOS PRODUZIDOS POR IMPRESSORA 3D A PARTIR DE IMAGENS MICROTOMOGRAFICAS Julio C. L. Stutz 1,2 * (D), Cintia M. Brito 1 (IC), Joel S. Dominguez 1 (D), Joaquim T. de Assis 1 e G. Carvalho 1,2 1 - Universidade do Estado do Rio de Janeiro Instituto Politécnico IPRJ, NF RJ, julio.stutz@estacio.br 2 - Universidade Estácio de Sá, NF RJ Resumo: O estudo de tecidos biológicos sempre envolve questões difíceis de armazenamento e manuseio de exemplares algumas vezes raros. Neste cenário a combinação das técnicas de Microtomografia Computadorizada (µct) e de prototipação através de impressão 3D apresentam um grande diferencial, essas técnicas permitem a análise não destrutiva do objeto de estudo e reproduções do objeto de acordo com a necessidade do observador. Estas reproduções podem se diferenciar do objeto original em escala ou em região de interesse, por exemplo. No presente trabalho é feita uma avaliação das medidas de protótipos produzidos por impressora 3D a partir de imagens microtomográficas de um exemplar de sapo da espécie Proceratophrys bigibbosa. O exemplar foi microtomografado e após um processo de binarização e seleção da região de interesse, o volume do crânio do exemplar fosse reconstruído em 3D. De posse do modelo volumétrico foram feitas nove medidas morfométricas que posteriormente foram comparadas com medidas realizadas fisicamente, através de um paquímetro, em dois protótipos: um com o dobro do tamanho da amostra original e outro com o triplo do tamanho. Isto foi necessário devido ao pequeno tamanho do crânio que dificultava sua medição em dimensões reais. Foi verificado a precisão dos protótipos construídos. A diferença média das medidas foi de 2,94%, produto dos erros intrínsecos aos processos de medição e da precisão da impressora utilizada, podendo ser consideradas aceitáveis. Palavras-chave: Microtomografia Computadorizada, Impressão 3D, Prototipagem rápida. DIMENSIONAL EVALUATION OF BIOLOGICAL PROTOTYPES PRODUCED IN 3D PRINTER FROM MICRO CT IMAGES Abstract: The study of biological tissues always involves difficult issues related to storage and handling of rare specimens. In this scenario the combination of the techniques of computed microtomography (μct) and prototyping through 3D printing have a great differential, these techniques allow made non-destructive analysis of the test pieces and its reproductions according to the need of the observer. These reproductions can differentiate the original object in scale or region of interest, for example. In this work, we made an evaluation of prototypes measures produced by 3D printer from micro CT images of a frog specimen of the species Proceratophrys bigibbosa. The specimen was scanned with micro-ct system and after a process of binarization and selection of the region of interest, the volume was reconstructed in 3D. In possession of the volumetric model were made nine morphometric measurements, to compare with physical measurements made by a caliper in two prototypes: one with twice the size of the original sample and one with triple the size. This was necessary because of the small head size which hindered their measurement in real dimensions. The accuracy of the constructed prototypes has been verified. The average difference between measurements was 2,94% a product of the intrinsic errors to process measurement and precision printer used, these differences may be considered acceptable. Keywords: Computed microtomography, 3D Printing, Rapid Prototyping. Introdução Microtomografia Computadorizada (µtc) é uma técnica onde uma amostra é explorada usando algum tipo de radiação para produzir imagens detalhadas de cortes axiais do corpo, amplamente aceita pela medicina e com numerosas aplicações em outras áreas da ciência. Pode ser analisada como um processo de duas etapas: exploração das amostras e reconstrução das imagens [1]. Seu uso como

2 ensaio não destrutivo em diferentes ramos da indústria e a pesquisa científica vem se tornando comum. A criação de protótipos de amostras biológicas facilita o estudo e cuidado dessas amostras que na maioria dos casos requerem condições específicas de armazenamento e de manipulação, o que dificulta seu manuseio e transporte. O surgimento das impressoras 3D revolucionou o modo como eram feitos os processos de prototipagem em diversos níveis, tornando possível massificação destes processos. O objetivo de nosso trabalho é avaliar a precisão das dimensões aferidas fisicamente em dois protótipos impressos em uma impressora 3D em comparação as medidas realizadas através de software em seu modelo volumétrico 3D. O objeto utilizado neste estudo foi um conjunto de imagens de µtc do crânio de um sapo da espécie Proceratophrys bigibbosa, utilizada por Francielle da Silva Ahmann et al. em 2011 [2]. Nas seções seguintes são comentadas algumas ideias básicas da µtc, descrito o processo de construção dos protótipos e apresentados os resultados das medições. Microtomografia Computadorizada (µct) Na µtc uma amostra é explorada usando algum tipo de radiação para produzir imagens detalhadas de cortes axiais do corpo. Várias radiografias são obtidas através da rotação em torno do corpo do conjunto fonte-detector ou girando o corpo em frente à fonte de emissão (Fig. 1) [1]. Figura 1. Esquema de µtc onde a amostra rota em frente do conjunto fonte detector. No microtomógrafo SkyScan 1174 usado em nossos experimentos as amostras giram enquanto o conjunto fonte detector é fixo, semelhante ao esquema mostrado na Fig. 1. Enquanto a radiação passa através da amostra, parte dela é absorvida dependendo do coeficiente de absorção do material. Medindo a radiação que chega ao detector é possível calcular o coeficiente de atenuação do material e gerar imagens bidimensionais das seções da amostra. A Fig.2 mostra o espécime utilizado e exemplos das imagens produzidas na exploração da amostra do sapo.

3 Figura 2. Exemplar da Proceratophrys bigibbosa e exemplos das radiografias produzidas. Na exploração da amostra foram armazenadas no computador 360 radiografias, que posteriormente foram reconstruídas através do software NRecon gerando imagens dos cortes transversais, ou fatias, da amostra. Para a construção do modelo volumétrico, forma utilizados dois softwares na fase de pósprocessamento das fatias: o primeiro foi o CTan, que foi utilizado nos processos de binarização e na extração da região de interesse das imagens transversais. Em seguida as imagens segmentadas do crânio foram renderizadas através do software InVesalius, obtendo-se o volume 3D do crânio do sapo. Para realizar a impressão 3D, foi necessário a conversão do modelo em um arquivo STL (Stereolithographic Tesselation Language). O arquivo STL é convertido através do software do equipamento em várias camadas de construção[3]. Figura 3. Imagens reconstruídas e o volume renderizado do crânio do sapo. Construção dos protótipos Na realização deste trabalho foram construídos 2 protótipos: o protótipo1, com o dobro do tamanho original e o protótipo2, com o triplo do tamanho. Esta troca de escala deve-se ao tamanho reduzido do crânio do sapo, o que dificultaria a impressão, visualização e mediação dos protótipos. Os protótipos foram construídos utilizando uma impressora 3D da Robtec, modelo ProJet Esta impressora utiliza o material Visijet FTI (Film Transfer Imaging Process), em um processo onde um polímero plástico liquido é aquecido a laser através de um projetor e cada camada é sobreposta através desse processo de exposição [4]. A Figura 4 mostra os protótipos utilizados neste trabalho. Figura 4. Protótipos construídos.

4 medida 1 medida 2 medida 3 medida 4 medida 5 medida 6 medida 7 medida 8 medida 9 Figura 5. Medidas realizadas. Obtenção das medidas dos protótipos De posse do modelo 3D e dos dois protótipos foram realizadas nove medidas em cada um dos objetos de estudo, os pontos medidos podem ser vistos na Figura 5. As medições no modelo 3D foram realizadas através do software 3D Doctor e os protótipos impressos foram medidos com um paquímetro Mitutoyo B 10, com precisão de 0,05 mm. A impressora 3D cria hastes de sustentação para a correta impressão dos protótipos, nas medições foram evitados os pontos em que hastes de sustentação foram criadas. A tabela 1 apresenta em suas primeiras colunas os valores em milímetros das medidas realizadas, a serguir é apresentado, para cada um dos protótipos, o erro absoluto e o erro percentual em relação ao modelo 3D. Tabela 1. Medidas realizadas em milímetros e o erro entre o modelo 3D e os dois protótipos. Medida Modelo Protótipo1 Protótipo2 Erro Protótipo1 Erro Protótipo2 mm mm mm mm % mm % 1 15,80 31,10 49,10-0,50-1,60 1,70 3, ,13 28,55 43,60 0,29 1,03 1,21 2, ,26 39,05 58,70 0,53 1,38 0,92 1,59 4 5,39 10,60 15,60-0,18-1,67-0,57-3,53 5 4,64 9,20 13,55-0,08-0,86-0,37-2,66 6 5,97 11,90 16,80-0,04-0,34-1,11-6,20 7 4,81 9,35 13,75-0,27-2,81-0,68-4, ,10 28,70 43,55 0,50 1,77 1,25 2,96 9 4,04 8,50 13,10 0,42 5,20 0,98 8,09

5 Conclusões Com os resultados obtidos foi possível verificar que o erro intrínseco ao processo de prototipagem rápida é aceitável. Com uma média de erro de 2,94%, é possível obter protótipos que reproduzem razoavelmente as amostras analisadas. Pode-se observar, também, que o erro da prototipagem aumenta conforme aumenta a escala utilizada. Foi demonstrada a viabilidade do uso da Microtomografia computadorizada para construção de modelos tridimensionais que posteriormente podem ser convertidos e impressos criando-se protótipos de amostras biológicas para fins de estudos e divulgação. Uma dificuldade observada durante a prototipagem foi a criação de hastes em determinados locais do objeto, mais especificamente onde não há sustentação para a deposição da camada de material. Nestes pontos, é necessário um tratamento extra após a prototipagem a fim de retirar o excesso de material. A escolha adequada da posição do objeto a ser impresso influencia na quantidade e posição das hastes de sustentação. A experiência do operador da impressora ajuda a minimizar essa dificuldade. Agradecimentos Agradecemos ao Laboratório de Ensaios Físicos (LEFI) que realizou a microtomografia da amostra utilizadas no trabalho e ao Laboratório de Ensaios Mecânicos e Metrologia (LEMEC) que confeccionou os protótipos, ambos do Instituto Politécnico do Rio de Janeiro, UERJ, Nova Friburgo. Referências Bibliográficas 1. J. S. Dominguez, Dissertação de Mestrado, IPRJ/UERJ, Nova Friburgo, F. S. Ahmann; I Evseev; M. G. F.Paz; R. Lingnau; I. Ievsieieva; J. T. de Assis; H. D. L. Alves. X- ray computed microtomography as a tool for the comparative morphological characterization of proceratophrys bigibbosa species from southern brazil, in Anais do 2011 International Nuclear Atlantic Conference INAC, Belo Horizonte, J. C. de Matos, Dissertação de Mestrado, Universidade de Aveiro, M. P. da Costa; Processo de estereolitografia (SLA) no auxílio do design de veículos automotivos. Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia. São Caetano do Sul, 2012.