Synopsys Simpleware ScanIP es un programa de procesamiento de imágenes 3D y generación de modelos desarrollado por Synopsys Inc. para visualizar, analizar, cuantificar, segmentar y exportar datos de imágenes 3D de imágenes por resonancia magnética (IRM), tomografía computarizada (TC), microtomografía y otras modalidades para diseño asistido por computadora (CAD), análisis de elementos finitos (FEA), dinámica de fluidos computacional (CFD) e impresión 3D . [2] El software se utiliza en ciencias de la vida , ciencia de los materiales , pruebas no destructivas , ingeniería inversa y petrofísica .
Las imágenes segmentadas se pueden exportar en formato de archivo STL , mallas de superficie y nubes de puntos , a CAD e impresión 3D o, con el módulo FE, exportar como mallas de superficie/volumen directamente a los principales solucionadores de ingeniería asistida por computadora (CAE). [3] Los módulos complementarios CAD y NURBS se pueden utilizar para integrar objetos CAD en datos de imagen y para convertir datos de escaneo en modelos basados en NURBS para CAD. Los módulos complementarios SOLID, FLOW y LAPLACE se pueden utilizar para calcular propiedades efectivas del material a partir de muestras escaneadas utilizando técnicas de homogeneización. Desde 2020, el software Simpleware ha incluido Simpleware AS Ortho y Simpleware AS Cardio, módulos para la segmentación automatizada de datos de imágenes médicas que utiliza aprendizaje automático basado en inteligencia artificial. [4] Además, está disponible un módulo totalmente personalizable, Simpleware Custom Modeler. [5]
Simpleware ScanIP genera modelos 3D de alta calidad a partir de datos de imágenes adecuados para una amplia gama de aplicaciones de diseño y simulación relacionadas con las ciencias de la vida. Los datos de imágenes de fuentes como la resonancia magnética y la tomografía computarizada se pueden visualizar, analizar, segmentar y cuantificar, antes de exportarlos como modelos CAD, CAE e impresión 3D. Se pueden identificar diferentes tejidos, huesos y otras partes del cuerpo utilizando una amplia gama de herramientas de segmentación y procesamiento en el software. También hay opciones disponibles para integrar datos CAD e imágenes, lo que permite realizar investigaciones sobre dispositivos médicos sobre cómo interactúan los implantes diseñados con CAD con el cuerpo humano. Los modelos CAE de alta calidad se pueden utilizar de manera similar en la investigación biomecánica para simular el movimiento y el efecto de diferentes fuerzas en las anatomías. Un ejemplo de esto es el modelo de cabeza del Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU./Simpleware, generado a partir de exploraciones de resonancia magnética de alta resolución y segmentado para crear datos que se pueden combinar fácilmente para adaptarse a aplicaciones específicas de elementos finitos (FE), como el impacto en la cabeza y la conmoción cerebral. [6] [7]
Las aplicaciones del software incluyen la investigación del posicionamiento de implantes, [8] análisis estadístico de formas, [9] y análisis de dinámica de fluidos computacional del flujo sanguíneo en redes vasculares. [10] Con las herramientas de scripting de Simpleware, es posible explorar el mejor posicionamiento para implantes de cadera. [11] Los modelos 3D se pueden utilizar para analizar la cinemática patelofemoral. [ 12] Los modelos del cuerpo humano generados por Simpleware se pueden utilizar para simular el efecto de la radiación electromagnética en escáneres de resonancia magnética. [13] Otras áreas de aplicación para los modelos creados dentro del entorno de software de Simpleware incluyen la simulación de estimulación de corriente directa transcraneal, [14] y la prueba de la colocación de electrodos para tratar la epilepsia. [15] En términos de investigación dental, se han realizado evaluaciones de implantes dentales integrando objetos CAD con datos anatómicos y exportándolos para simulación. [16] [17]
Simpleware ScanIP Medical es una versión del software destinada a utilizarse como dispositivo médico. Tiene autorización de comercialización 510(k) de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) como dispositivo médico de clase II, [18] así como marcado CE y certificaciones ISO 13485. [19]
Simpleware ScanIP Medical está diseñado para utilizarse como interfaz de software y sistema de segmentación de imágenes para la transferencia de información de imágenes médicas a un archivo de salida. También está diseñado como software preoperatorio para la planificación quirúrgica y diagnóstica. Para estos fines, los archivos de salida también se pueden utilizar para la fabricación de réplicas físicas mediante métodos de fabricación tradicionales o aditivos. Las réplicas físicas se pueden utilizar con fines de diagnóstico en el campo de las aplicaciones ortopédicas, maxilofaciales y cardiovasculares. El software está diseñado para utilizarse junto con otras herramientas de diagnóstico y el criterio clínico de expertos.
A aquellos que aún quieran utilizar Synopsys Simpleware ScanIP para aplicaciones médicas no clínicas, como la investigación en ciencias de la vida, se les recomienda utilizar el paquete principal Synopsys Simpleware ScanIP, que no está diseñado para uso clínico.
Simpleware ScanIP se utiliza para reconstruir anatomías a partir de datos de escaneo para la investigación de diferentes procesos biológicos y orgánicos dentro de las ciencias naturales. Los usos paleontológicos de ScanIP incluyen la reconstrucción de esqueletos de dinosaurios, [20] mientras que el software se ha utilizado para generar un modelo de una cabeza de tiburón adecuado para la creación rápida de prototipos y pruebas de cómo huelen los tiburones, [21] y para generar modelos STL de un pseudomorfo adecuado para la impresión 3D. [22] ScanIP también se ha utilizado para proyectos de biomimetismo para el Proyecto Edén y para producir obras de arte inspiradas en la morfología. [23] ScanIP se puede utilizar para realizar ingeniería inversa de cuellos de hormigas para mejorar la comprensión de su mecánica. [24]
Simpleware ScanIP tiene amplias aplicaciones en diferentes ciencias de los materiales y flujos de trabajo de fabricación donde los investigadores investigan las propiedades de las muestras escaneadas. Los escaneos de compuestos y otras muestras se pueden visualizar y procesar en ScanIP, lo que permite explorar y analizar múltiples fases y redes porosas. [25] Se pueden tomar mediciones, por ejemplo, de fracturas y grietas, y generar estadísticas para la distribución de la porosidad y otras características. ScanIP se puede combinar con el módulo de elementos finitos para generar mallas de volumen para la caracterización de elementos finitos y CFD de la distribución de la tensión o la deformación, la permeabilidad y otras propiedades del material. [26] Las aplicaciones de ejemplo incluyen la caracterización de celdas de combustible, [27] y el modelado del efecto de la porosidad en las propiedades elásticas del grafito sintético. [28]
Simpleware ScanIP se utiliza en la industria del petróleo y el gas para generar modelos 3D a partir de escaneos de muestras de núcleos y rocas. Los datos de imágenes tomados de tomografías computarizadas, microtomografías computarizadas, microscopios electrónicos de barrido con haz de iones enfocado y otras modalidades de obtención de imágenes se pueden importar y visualizar, lo que permite la exploración de redes de poros, la segmentación de regiones de interés y la medición y cuantificación de características. Los datos procesados se pueden exportar utilizando el módulo de elementos finitos como mallas de volumen para análisis de elementos finitos y de dinámica computacional en solucionadores, lo que permite obtener información sobre el análisis de la estructura de fluidos y otras propiedades geomecánicas. [29] [30]
ScanIP se puede utilizar para crear modelos computacionales adecuados para la visualización detallada, el análisis y la exportación para simulación en solucionadores CAE. Los datos de imágenes escaneadas se pueden procesar fácilmente para identificar regiones de interés, medir defectos, cuantificar estadísticas como la porosidad y generar modelos CAD y CAE. Entre las aplicaciones de ejemplo se incluyen la investigación sobre la caracterización de compuestos, [31] espumas, [32] y alimentos. [33]
Con ScanIP, es posible realizar ingeniería inversa de piezas antiguas y otras geometrías que no se pueden crear con precisión en CAD. Los escaneos de objetos se pueden visualizar y procesar en ScanIP para obtener más información sobre su diseño original y exportar como modelos de elementos finitos y de dinámica de fluidos computacional para simular propiedades físicas. El software tiene aplicaciones en los campos aeroespacial, automotriz y otros que necesitan generar modelos 3D precisos a partir de escaneos. [34] Otras aplicaciones incluyen la capacidad de realizar ingeniería inversa de productos de consumo para analizar sus propiedades, [35] o estudiar cómo interactúan con el cuerpo humano sin la necesidad de realizar pruebas invasivas.
ScanIP es capaz de generar archivos STL robustos para impresión 3D, incluso para aplicaciones médicas. Los archivos creados con ScanIP cuentan con triangulaciones herméticas garantizadas y normas correctas, así como opciones para suavizado que preserva el volumen y la topología. Los archivos STL se generan con interfaces conformes, lo que permite la impresión de múltiples materiales. Las estructuras internas, también conocidas como celosías, también se pueden agregar a los modelos 3D de piezas para reducir el peso antes de la fabricación aditiva . [36] Las aplicaciones de ejemplo incluyen investigación en dispositivos médicos impresos en 3D, [37] generación de estructuras de soporte de celosía, [38] e investigación en órganos 3D. [39] ScanIP se utilizó para generar archivos STL del riñón de un hombre para ayudar a visualizar las opciones antes de un procedimiento menor en el Hospital General de Southampton . [40] Las técnicas de celosía también se han utilizado para desarrollar nuevas piezas en las industrias aeroespacial, automotriz y otras. [41]
El módulo de elementos finitos genera mallas de volumen con múltiples partes conformes para análisis de elementos finitos y dinámica de fluidos computacional. Se pueden definir contactos de elementos finitos, conjuntos de nodos y elementos de capa, así como condiciones de contorno para dinámica de fluidos computacional. Se pueden asignar propiedades de materiales en función de valores de escala de grises o valores preestablecidos. Los usuarios pueden decidir entre un enfoque de mallado libre o basado en cuadrícula. Las mallas se pueden exportar directamente a los principales solucionadores de ingeniería asistida por computadora sin necesidad de procesamiento adicional. El resultado se puede exportar a ABAQUS ( .inparchivos), ANSYS ( .ansarchivos), COMSOL Multiphysics ( .mphtxtarchivos), I-DEAS ( .unvarchivos), LS-DYNA ( .dynarchivos), MSC ( .outarchivos), FLUENT ( .msharchivos)
El módulo AS Ortho (Auto Segmentation for Orthopedics) de Simpleware utiliza aprendizaje automático basado en inteligencia artificial para la segmentación automatizada de caderas, rodillas y tobillos. El módulo permite a los usuarios segmentar huesos o cartílagos, incluidos los puntos de referencia comunes. La segmentación de cadera a partir de tomografías computarizadas incluye: fémures proximales, pelvis y sacro, con puntos de referencia de cadera ubicados en la pelvis, el cóccix y los fémures. Para la segmentación de rodilla a partir de tomografías computarizadas y resonancias magnéticas ponderadas por PD, las regiones de interés incluyen: fémur, tibia y cartílago asociado, rótula y peroné, con puntos de referencia de rodilla ubicados en el fémur y la tibia. Los datos de la tomografía computarizada del tobillo también están cubiertos, incluidos el astrágalo, el calcáneo, la tibia y el peroné, y puntos de referencia para el centro del tobillo, la escotadura peronea, el maléolo lateral y medial.
AS Cardio ofrece una herramienta fácil de usar para segmentar automáticamente los datos cardiovasculares. En esta versión específica, nos centramos en la segmentación del corazón a partir de la TC, incluidas las cavidades de los depósitos sanguíneos, el tejido muscular seleccionado y los puntos de referencia clave comunes, como el ventrículo derecho, la válvula tricúspide y los apéndices auriculares.
Este módulo es una solución automatizada para los usuarios, desarrollada con los ingenieros de Simpleware para adaptar el software a sus procesos actuales. El módulo permite configurar una segmentación automatizada personalizada, así como opciones para la automatización total de: procesamiento de imágenes, identificación de puntos de referencia, mediciones, estadísticas e informes, flujos de trabajo para el mallado de modelos y exportación a impresión 3D, CAD y simulación, entre otras funciones.
El módulo CAD permite la importación y el posicionamiento interactivo de modelos CAD dentro de datos de imagen. Los modelos combinados resultantes se pueden exportar como archivos STL de varias partes o, utilizando el módulo FE, se pueden convertir automáticamente en mallas de elementos finitos o CFD de varias partes. También se pueden agregar estructuras internas a los datos para reducir el peso y, al mismo tiempo, mantener la resistencia mecánica. Con CAD, los usuarios pueden evitar tener que trabajar con archivos basados en imágenes en software basado en CAD. Los datos se pueden adquirir desde ScanIP, IGES ( archivos .igesy .igs), STEP ( archivos .stepy .stp), STL ( .stlarchivos). El resultado se puede guardar en archivos ScanIP para su posterior procesamiento o exportar a archivos STL ( .stlarchivos).
El módulo NURBS permite ajustar los datos de imágenes 3D segmentadas con B-splines racionales no uniformes (NURBS) mediante técnicas de ajuste de parches automatizados para exportar como archivos IGES ( .igesy .igs). Los algoritmos de superficie automática proporcionan una ruta directa desde los datos de imagen a los modelos NURBS listos para CAD, con opciones disponibles para la detección de contornos y curvaturas. Las geometrías CAD también se pueden inspeccionar antes de la exportación para eliminar características falsas.
Este módulo permite a los usuarios del software Simpleware y SolidWorks aprovechar la potencia de ambos paquetes de software y acelerar los flujos de trabajo de desarrollo de productos.
El módulo SOLID calcula el tensor de rigidez efectivo y los módulos elásticos individuales de muestras de materiales. Realice una homogeneización numérica con un solucionador de elementos finitos integrado o derive estimaciones semianalíticas rápidas a partir de imágenes segmentadas.
El módulo FLOW calcula el tensor de permeabilidad absoluta de muestras de materiales porosos. La homogeneización numérica se realiza mediante un solucionador de Stokes integrado.
El módulo LAPLACE calcula las propiedades eléctricas, térmicas y moleculares efectivas de los materiales cuyo comportamiento está determinado por la ecuación de Laplace . Realice una homogeneización numérica con un solucionador de elementos finitos integrado o derive estimaciones semianalíticas rápidas a partir de imágenes segmentadas.
Exportación de imagen de fondo
Imagen segmentada
Modelo de superficie (triángulos)
Animaciones
Captura de pantalla en 2D y 3D
Otros