Investigación en Educación Médica
eISSN 2007-5057
Investigación educ. médica vol.8 no.32 México oct/dic. 2019
https://dx.doi.org/10.22201/facmed.20075057e.2019.32.18157
Fotogrametría: cómo crear modelos tridimensionales de bajo costo, con características realistas y
fácil manipulación, para su uso en la enseñanza y el diagnóstico médico
Alonso Saharahui de Jesús-Luisa,*, Sergio Ordóñez-Velázqueza, Diego Pineda-Martíneza, Brian Brenes-Solanob, Jessica González- Fernándezb
aDepartamento de Anfiteatro, Facultad de Medicina, UNAM, Cd. Mx., México.
bDepartamento de Anatomía, Universidad de Costa Rica.
Recibido: 20-octubre-2018. Aceptado: 2-enero-2019.
*Autor para correspondencia: Alonso Saharahui de Jesús-Luis. Avenida 2 número 10. Colonia Las Águilas, Ciudad Nezahualcóyotl, Estado de México. Teléfono: 55 1112 3672.
Correo electrónico: asdjl2010@gmail.comResumen
Introducción: La fotogrametría en el campo de la ciencia y la tecnologí57encarga de la adquisición, acumulación y transformación de la información acerca de la forma, movimiento y deformación de un objeto por medio de un haz de luz. Actualmente es adoptada por médicos para la reproducción de estructuras anatómicas, así como para planeación de procedimientos quirúrgicos y como herramienta diagnóstica.
Objetivo: Ofrecer un método sencillo y de bajo costo, que permita crear modelos tridimensionales de características realistas sin la necesidad de condiciones específicas para su uso y reproducción. Asimismo, lograr su incorporación como una herramienta de aprendizaje y diagnóstica.
Método: Para la creación del modelo tridimensional fue necesario someterlo a un proceso de renderización con el software Photo Scan, Regard 3D y 3DF Zephyr. Este procedimiento tomó las fotografías de un modelo real y las convirtió en puntos de información que se compiló hasta crear un modelo tridimensional de gran calidad; dado que estos programas fueron creados para la realización y levantamiento de mapas geográficos nos permitió conservar la textura y los relieves de cada estructura, con características realistas en cada modelo.
Resultados: El resultado final fue un modelo tridimensional manipulable en 360°, que debido a su plasticidad permitió su edición en cualquier programa de edición.
Conclusión: La fotogrametría es un método sencillo y de bajo costo, que permite crear modelos tridimensionales de características realistas, que no requieren grandes especificaciones para su reproducción, por lo que tiene gran plasticidad en su uso y manipulación.
Palabras clave: Fotogrametría; modelos 3D; material biológico; piezas anatómicas; educación médica.
Photogrammetry: how to create three-dimensional models of low-cost, with realistic characteristics and easy handling, for use in teaching and medical diagnosis
Abstract
Introduction: Photogrammetry in the field of science and technology is responsible for the acquisition, accumulation and transformation of information about the shape, movement and deformation of an object by means of a beam of light. It is currently adopted by doctors for the reproduction of anatomical structures, as well as planning of surgical procedures and as a diagnostic tool.
Objective: offer a simple and low-cost method that allows to create three-dimensional models of realistic characteristics without the need of specific conditions for their use and reproduction. Also, to achieve their incorporation as a learning and diagnostic tool.
Method: For the creation of the three-dimensional model it was necessary to submit it to a rendering process with the software Photo Scan, Regard 3D and 3DF Zaphyr. This procedure took photographs of a real model and converted them into information points that were compiled to create a high-quality three-dimensional model; since these programs were created for the realization and survey of geographic maps, it allowed us to preserve the texture and reliefs of each structure, with realistic characteristics in each model.
Results: The final result was a three-dimensional model manipulated in 360°, which due to its plasticity allowed its edition in any editing program.
Conclusion: Photogrammetry is a simple and low-cost method, which allows to create three-dimensional models of realistic characteristics, which do not require large specifications for their reproduction, so it has great plasticity in its use and handling.
Keywords: Photogrammetry; 3D models; biologic material; anatomic pieces; medical education.
INTRODUCCIÓN
La fotogrametría en el campo de la ciencia y la tecnología se encarga de la adquisición, acumulación y transformación de la información acerca de la forma, movimiento y deformación de un objeto por medio de un haz de luz1. Sus inicios se remontan al descubrimiento de la fotografía en el año 1839 por parte de Arago, perfeccionada por Niépce y Daguerre. Posteriormente, en el año 1850, Laussedat aprovecha la fotografía para realizar planos topográficos, diseñando y haciendo construir el primer fototeodolito, dando a esta técnica el nombre de metrofotografía”2.
A gran escala es usada en geodesia, agricultura, construcción, forestación y ha generado una revolución en la elaboración de mapas gracias a las imágenes digitales obtenidas desde sensores ópticos combinados con los nuevos sistemas computacionales con el potencial necesario de medición objetiva, gracias a la naturaleza remota de adquisición de datos, sin contacto con el objeto medido y con alta precisión3.
Actualmente es adoptada por médicos dermatólogos, oftalmólogos, así como traumatólogos4 entre muchas otras ramas de las ciencias de la salud para la reproducción de estructuras del cuerpo permitiendo un mejor estudio de patologías de columna como la escoliosis, y en la planeación de procedimientos quirúrgicos como herramienta diagnóstica5.
Cada día, el uso de modelos tridimensionales para la enseñanza es más frecuente (figura 1). En la actualidad existen numerosas aplicaciones para la enseñanza de la medicina, por ejemplo, Essential Anatomy 3 o Visible Body, con modelos creados digitalmente que le permiten al alumno tener un acercamiento y una idea clara entre la relación, la función específica y el abordaje quirúrgico de las estructuras anatómicas estudiadas. Algunos de ellos poseen diversos requerimientos para su uso o reproducción, como la última versión del software, mayor memoria ROM o RAM, o diseño exclusivo para sistemas Windows, Apple o Android, entre otros, que pueden llegar a dificultar su obtención por el costo, o su uso por alumnos y maestros no familiarizados con la tecnología o un sistema en específico.
OBJETIVO
Cada día el uso de modelos tridimensionales para la enseñanza es más frecuente, sin embargo, las limitantes de software y hardware ponen obstáculos para su uso en la educación médica. Atendiendo estos problemas, nuestro objetivo es ofrecer un método sencillo y de bajo costo, que permite crear modelos tridimensionales de características realistas sin la necesidad de condiciones específicas para su uso y reproducción; asimismo, lograr su incorporación como una herramienta de aprendizaje y diagnóstico.
MÉTODO
El método mediante el que se formularon los modelos tridimensionales fue la fotogrametría digital, una técnica que a través de fotografías y la renderización mediante un software define con precisión la forma, dimensión y posición en el espacio de un objeto cualquiera y entrega una versión virtual de este, por lo que para su realización fue necesario contar con:
Para comenzar, se seleccionó el modelo con el que se trabajó, se usaron tres modelos: un corazón plastinado, una disección del miembro superior izquierdo y una disección de triángulos del cuello. En el caso de la pieza seleccionada menor a 20 cm (corazón plastinado), se colocaron marcas fiduciales alrededor de esta para que el programa se orientara espacialmente y pudiese reconocer los cuatro ejes de nuestra pieza, por el contrario, para las otras dos piezas (miembro superior izquierdo y triángulos del cuello), debido a su volumen, las estructuras que se encontraban alrededor formando parte del ambiente, actuaron como marcadores fiduciales y no fue necesario colocar marcas adicionales (figura 2).
Al tener listos los modelos se necesitó tener condiciones adecuadas de luz, por lo que se colocaron las lámparas alrededor de la pieza, cuidando que la luz se distribuyera uniformemente y sin variaciones significativas en todas las caras del modelo; posteriormente, se calibró la cámara fotográfica para poder obtener imágenes nítidas con buena exposición; además de definir una distancia focal adecuada en la que se permitió al fotógrafo capturar la imagen completa de la pieza de manera centrada y con un encuadre replicable en cada fotografía (figura 3).
Se tomaron las fotografías de cada una de las caras de nuestra pieza rodeándola cada 15° hasta tener imágenes en 360°. Posteriormente, fue necesario dividir cada cara del modelo en 3 partes: inferior, media y superior, para la toma de fotografías de cada segmento. El número de fotografías por modelo fue variable, dependiendo del tamaño de la pieza, pero se requirió tomar un mínimo de 80 fotografías para facilitar su creación virtual en 3D.
Al tener las fotografías, se sometieron a un proceso de renderización con el software de Agisoft PhotoScan, con licencia estándar; 3DF Zephyr, con licencia free, y con Regard 3D, que es de uso libre. Con este procedimiento se tomaron las fotografías y se conviertieron en puntos de información que se compilaron hasta crear un modelo tridimensional de gran calidad (figura 4).
Para implementar el uso modelos 3D y simuladores como complemento para la enseñanza de la medicina, se tuvo en cuenta que estas herramientas son un medio, más no un fin. Distintos autores tomaron esta idea e hicieron énfasis en no perder de vista este concepto para evitar errores que provocaran la deshumanización de la medicina5.
El uso de modelos biológicos no tiene sustitución posible. Sin embargo, emplear modelos 3D ofreció una alternativa a la enseñanza que respeta la declaración de Helsinki, garantizando un trato respetuoso a las piezas a partir de las cuales se obtuvieron los modelos, la confidencialidad de los datos, la dignidad y la integridad del cadáver.
RESULTADOS
Dado que los tres softwares que se usaron fueron creados para la realización y levantamiento de mapas geográficos, nos permitieron obtener modelos manipulables en 360°, aptos para la exportación y edición en múltiples programas como Adobe Photoshop, Rhinoceros, Autodesk Maya, etc., así como la posibilidad de ser montados sobre plataformas en línea como Sketchfab, en la que se pueden usar con visión de anaglifo (3D tradicional con lentes rojo y azul), en realidad virtual (VR), e incluso generar animaciones o impresión 3D (figura 5).
Sin embargo, al realizar la comparativa más a fondo de los modelos en cada programa, se encontró que Agisoft PhotoScan presenta algunos puntos sobresalientes, que a pesar de ser de paga lo hacen estar por encima de sus competidores, entre estos destacan su facilidad de uso, contando con menús amigables e intuitivos, a diferencia de Regard 3D y 3DF Zephyr que sí bien tuvieron menús accesibles, en cada paso presentaron un gran número de submenús que pueden llegar a confundir a los menos experimentados; un segundo punto a favor es que Agisoft entregó un modelo con características muy apegadas a la realidad mientras que 3DF Zephyr, debido al número limitado del uso de 50 fotografías en la versión free, entregó un modelo con buena calidad en texturas y relieves, pero con un gran número de agujeros negros por falta de información, así mismo, Regard 3D terminó con un modelo completo que no permitió su modificación, por lo que presentó manchas negras y una calidad final baja (figura 6); como tercer punto, Agisoft no presentó ningún problema de compatibilidad o requerimiento específico de hardware, al ser corrido en una computadora básica y una de alto rendimiento solo se vio afectado el tiempo de realización, siendo más rápido en la computadora con mejores prestaciones; por su parte, 3DF Zephyr se vio afectado en el rendimiento en ambas computadoras, ya que solo presenta soporte para tarjetas gráficas NVIDIA, con un número limitado de núcleos de procesamiento dependiente de la versión con la que se trabaja, además de requerir la última versión de los controladores, por lo que su funcionamiento se vio muy limitado; por último, Regard 3D no presentó cambio alguno, ya que en ambas computadoras tuvo un desempeño igualmente limitado para terminar el modelo.
En la tabla 1 se anexa mayor información sobre cada uno de los programas.
Tabla 1. Comparativa entre el software usado en fotogrametría
Software |
Tipo de licencia |
Precio |
Pros de la versión |
Contras de la versión |
Agisoft Photo Scan |
Free |
$0.0 |
Todas las funciones se encuentran disponibles por 14 días |
No permite guardar el modelo o exportarlo en otro formato a menos que se realice el registro para obtener una licencia por 14 días. |
Estándar |
$179 dólares |
Facilidad de uso (no se requiere experiencia con este tipo de programas) Permite modificaciones entre cada paso del proceso de renderizado Permite guardar y exportar los modelos Generación de modelos de alta calidad Generación de modelos sin requerimientos específicos Soporte para un número ilimitado de fotografías Esta versión es suficiente para generar modelos de alta calidad Actualizaciones |
Es de paga Uso limitado de algunas funciones como movimiento y selección de las cámaras de la imagen Generación de modelos rápidamente pero dependiente de las capacidades de la computadora |
|
Profesional |
$3,499 dólares |
Facilidad de uso (no se requiere experiencia con este tipo de programas) Permite modificaciones entre cada paso del proceso de renderizado Permite guardar y exportar los modelos Generación de modelos de alta calidad Generación de modelos sin requerimientos específicos Soporte para un número ilimitado de fotografías Desbloqueo total de las funciones del programa Actualizaciones |
Precio Generación de modelos rápidamente pero dependiente de las capacidades de la computadora |
|
Regard 3D |
Free |
$0.0 |
Permite modificaciones entre cada paso del proceso de renderizado Permite guardar y exportar los modelos Desbloqueo total de las funciones del programa |
Facilidad de uso solo si se es familiar con programas de diseño Generación de modelos de calidad baja a media Requerimientos específicos en la computadora como memoria RAM mínima de 4 gb, pero se recomienda 8 gb. Mayor tiempo de renderizado |
3DF |
Free |
$0.0 |
Generación completa de modelos en 3D Soporte para tarjetas gráficas NVIDIA Creación de modelos de forma rápida |
Soporte solo para 50 fotografías Uso para personas con más experiencia en este tipo de software Soporte específico para tarjetas gráficas NVIDIA, pero solo para un núcleo Exportación limitada de los modelos Soporte solo en los foros del programa Sin actualizaciones No permite modificaciones entre cada paso del renderizado |
Lite |
$149 euros + iva |
Generación completa de modelos en 3D Soporte para tarjetas gráficas NVIDIA Creación de modelos de forma rápida 1 año de actualizaciones |
Uso para personas con más experiencia en este tipo de software Soporte específico para tarjetas gráficas NVIDIA, pero solo para dos núcleos Exportación limitada de los modelos Soporte básico por email y en los foros del programa No permite modificaciones entre cada paso del renderizado |
|
Pro |
$2,400 euros + iva |
Generación completa de modelos en 3D Soporte completo para tarjetas gráficas NVIDIA Creación de modelos de forma rápida Soporte avanzado por email y en los foros del programa |
Precio Uso para personas con más experiencia en este tipo de software Soporte completo pero específico para tarjetas NVIDIA y que estén actualizadas Exportación limitada de los modelos No permite modificaciones entre cada paso del renderizado |
|
Aerial |
$3,900 euros + iva |
Generación completa de modelos en 3D Soporte completo para tarjetas gráficas NVIDIA Creación de modelos de forma rápida Exportación avanzada de los modelos Soporte avanzado por email y en los foros del programa |
Precio Uso para personas con más experiencia en este tipo de software Soporte completo pero específico para tarjetas NVIDIA y que estén actualizadas No permite modificaciones entre cada paso del renderizado |
DISCUSIÓN
La anatomía es necesaria para que los médicos entiendan el funcionamiento o la presentación específica de una patología, además de ser indispensable al momento de realizar procedimientos invasivos en los pacientes6. Con el inconveniente de que las imágenes de los atlas de anatomía son imágenes planas en 2D, se dificulta la comprensión visoespacial por parte de los educandos. Las imágenes tridimensionales permiten apreciar de una forma más real las estructuras anatómicas y sus relaciones con las estructuras adyacentes.
En la actualidad, la tecnología permite la creación de modelos tridimensionales con gran facilidad. Sin embargo, aún es elevado el costo de esta, a nivel personal e incluso institucional, ya que se requieren equipos de gama alta con un costo aproximado de 1700i dólares o bien, de la contratación de equipos profesionales con una estimación monetaria de 500 mil dólares.
La fotogrametría tiene la facilidad de poder crear modelos con una computadora de 400 dólares, un celular de gama media de 300 dólares con una buena cámara fotográfica y habilidades básicas para la toma de fotografías; que, aún sumando el costo de la licencia del software en sus versiones básicas, con la que se pueden obtener resultados realmente fieles a la pieza original, tiene un presupuesto final accesible para uso institucional y de manera personal.
Debido a que este tipo de software fue creado para el levantamiento de mapas, puede generar versiones virtuales de modelos de gran escala; sin embargo, con el uso de distintos lentes también puede hacer modelos a partir de piezas pequeñas o incluso generar recorrido tipo túnel en 180 grados.
Otra ventaja es la conservación y distribución de datos, ya que estos modelos se pueden almacenar en la nube, por lo que puede ser compartido e incluso usado por escuelas que no cuentan con las instalaciones para la conservación de modelos biológicos, que, si sumamos los gastos del servicio de internet, un disco duro o cualquier gadget que permita su reproducción, no se equipara con los que representa tener un laboratorio de conservación biológica.
Por otro lado, encontramos algunas desventajas que tiene la técnica, en primer lugar y siendo la más relevante, se localiza en los modelos creados en los programas Agisoft Photo Scan y 3DF Zephyr, que a pesar de entregar la mejor versión final, el resultado se puede ver afectado por la modificación de la calidad, el ruido y la cantidad de las imágenes disponibles para obtener información, por lo que no se pueden realizar modelos de piezas que brillen, destellen o tengan reflejos, haciendo imposible crear una versión virtual a partir de piezas de cristal o metálicas.
La segunda limitante es tener que trabajar con condiciones de iluminación, exposición y encuadre, lo más parecidas posible en cada fotografía, para no tener variaciones de pigmentación que puedan provocar falta de información con la consecuente gestación de agujeros negros, deformación o tendencia en el modelo hacia colores muy cálidos o muy fríos, debido a estas condiciones tan específicas a nivel básico no podemos generar modelos de objetos en movimiento, animales o que sean sostenidos por personas ya que por más quietos que estén, la respiración puede causar una variación milimétrica con consecuencias catastróficas.
Esta limitante puede ser corregida al incrementar el número de cámaras fotográficas que hagan capturas en 360 grados al mismo tiempo, sin embargo, al incrementar el número de cámaras también se verá afectado el costo de manera directamente proporcional.
Una tercera desventaja es la necesidad de un software que realice la renderización de la pieza virtual, que si bien, se puede realizar por separado y de manera manual, es un proceso que llega a tardar meses, incrementando el costo y eliminando la facilidad de realización para personas inexpertas; por lo que tendremos que pagar para poder usar las funciones totales de éstos, dados los resultados obtenidos en la comparación del software libre y pagado.
En comparación con otros estudios esta rama de la técnica, logra crear un modelo cien por ciento real, que no solo representa el espectro fotómetro de la luz que incide en un paciente7, facilita la lectura de datos, por lo que dota de una visión clara que incluso puede imprimirse en 3D8 para los médicos que abordan una patología o aprenden un nuevo procedimiento.
Esta es una herramienta de gran ayuda en la enseñanza, sin embargo, no sustituye en forma alguna el estudio con material cadavérico, pero abre una nueva ventana en la educación accesible para cualquier médico que cuente con una cámara, para desarrollar destrezas manuales que serán necesarias en su futuro quehacer clínico.
CONCLUSIÓN
Se determinó que la versión básica pagada de Agisoft Photo Scan y 3DF Zephyr son muy superiores a Regard 3D, a pesar de contar con una licencia completa con todas las funciones de manera libre.
El precio final del uso de esta técnica es de aproximadamente 900 dólares con equipos de gama básica y uso de software en su versión estándar, el cuál es 40 veces menor que contratar un equipo profesional para crear modelos.
La fotogrametría permite crear modelos tridimensionales de características realistas, que no necesitan un sistema operativo específico para su reproducción, uso y manipulación, por lo que se encuentra al alcance de cualquier persona que cuente con el archivo del modelo, el link generado a partir de plataformas en línea o directamente desde el almacenamiento de la nube.
Esta técnica no solo es para uso en el pregrado, ya que a nivel de residentes y médicos de base se posiciona como una herramienta de apoyo en la presentación de casos clínicos en foros y congresos.
GLOSARIO
Es fundamental familiarizarnos con los conceptos de la técnica fotográfica para la captura adecuada de las imágenes con las cuales se construyó nuestro modelo. A continuación, describiremos los conceptos que consideramos esenciales.
Al personal técnico forense del Departamento de Anfiteatro de la Facultad de Medicina de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) por su apoyo en el manejo y conservación del material biológico.
Departamento de Anfiteatro de la Facultad de Medicina de la UNAM.
Ninguno.
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2007-5057/© 2019 Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Medicina. Este es un artículo Open Access bajo la licencia CC BY-NC-ND (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
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