Lo que sea que hagan nuestras manos, alcanzar, agarrar o manipular objetos, siempre parece simple. Sin embargo, sus manos son una de las partes más complicadas e importantes del cuerpo.
A pesar de esto, poco se entiende sobre la complejidad de la anatomía subyacente de la mano y, como tal, animar las manos humanas ha sido considerado uno de los problemas más desafiantes en los gráficos por computadora.
Eso es porque ha sido imposible capturar el movimiento interno de la mano en movimiento, hasta ahora.
Utilizando imágenes de resonancia magnética MRI y una técnica inspirada en la industria de efectos visuales, un equipo de investigadores de la USC, compuesto por dos informáticos y un radiólogo, ha desarrollado el modelo más realista del mundo del sistema musculoesquelético de la mano humana en movimiento.
El sistema musculoesquelético incluye músculos, huesos, tendones y articulaciones. El avance tiene implicaciones no solo para gráficos por computadora, sino también para prótesis, educación médica, robótica y realidad virtual.
"La mano es muy complicada, pero antes de este trabajo, nadie había construido un modelo computacional preciso de cómo se mueven realmente las estructuras anatómicas dentro de la mano a medida que se articula", dijo el coautor del estudio Jernej Barbic, Andrew y Erna ViterbiCátedra de carrera temprana y profesor asociado de informática.
Diseñando mejores prótesis
Para abordar este problema, Barbic, un experto en simulación física y de animación por computadora, y su estudiante de doctorado, Bohan Wang, autor principal del estudio, se asociaron con George Matcuk, MD, profesor asociado de radiología clínica en la Escuela Keck deMedicina de la USC. El resultado: el modelo anatómico más preciso de la mano en movimiento.
"Este es actualmente el modelo de animación de mano más preciso disponible y el primero en combinar el escaneo láser de las características de la superficie de la mano e incorporar un modelo de aparejo óseo subyacente basado en MRI", dijo Matcuk.
Además de crear manos más realistas para juegos de computadora y películas CGI, donde las manos a menudo están expuestas, este sistema también podría usarse en prótesis, para diseñar mejores prótesis de dedos y manos.
"Comprender el movimiento de la anatomía interna de la mano abre la puerta a las manos robóticas inspiradas biológicamente que se ven y se comportan como manos reales", dijo Barbic.
"En un futuro no muy lejano, el trabajo puede contribuir al desarrollo de manos anatómicamente realistas y prótesis de mano mejoradas"
El estudio, titulado Modelado y simulación manual utilizando imágenes de resonancia magnética estabilizada, se presentó en ACM SIGGRAPH.
Un desafío de larga data
Para mejorar el realismo, las manos virtuales deben modelarse de manera similar a las manos biológicas, lo que requiere la construcción de modelos anatómicos y cinemáticos precisos de manos humanas reales. Pero todavía sabemos sorprendentemente poco sobre cómo se mueven los huesos y los músculos dentro de la mano.
Una de las razones es que, hasta ahora, no ha habido métodos para adquirir sistemáticamente el movimiento de la anatomía interna de la mano. Aunque los escáneres de resonancia magnética pueden proporcionar detalles anatómicos, existe un desafío práctico no abordado previamente: la mano debe mantenerse perfectamente inmóvil enel escáner durante unos 10 minutos.
"Mantener la mano quieta en una postura fija durante 10 minutos es prácticamente imposible", dijo Barbic. "Un puño es más fácil de mantener firme, pero intente cerrar la mano y verá que comienza a temblar después de aproximadamente unminuto o dos. No puede mantenerlo quieto durante 10 minutos ".
Para superar este desafío, los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación utilizando materiales de fundición de la industria de efectos especiales para estabilizar la mano durante el proceso de escaneo MRI. La fundición de vida implica hacer un molde de la forma humana y luego reproducirlo en varios medios, incluido el plásticoo silicona.
Barbic, que trabajó en la película nominada al Oscar The Hobbit: the Desolation of Smaug, se le ocurrió la idea después de ver un producto económico de clonación manual en una tienda de efectos visuales en Los Ángeles mientras trabajaba en un proyecto anterior ".el momento eureka ", dijo Barbic, quien durante mucho tiempo consideró una solución para crear manos humanas virtuales más realistas.
Primero, el equipo utilizó el material de fundición de vida para crear una réplica de plástico de la mano del modelo. Esta réplica captura características extremadamente detalladas, hasta poros individuales y pequeñas líneas en la superficie de la mano, que luego se escanearon con un escáner láser.
Luego, el proceso de fundición de la vida se utilizó nuevamente, esta vez en la mano de plástico, para crear un molde 3D negativo de la mano con un material elástico similar al caucho. El molde estabiliza la mano en la postura requerida. El molde se cortóen dos partes, y luego el sujeto colocó su mano real en el molde para la resonancia magnética.
"A medida que perfeccionamos este trabajo, creo que podría ser una excelente herramienta de enseñanza para mis alumnos y otros médicos que necesitan una comprensión de la anatomía compleja y la biomecánica de la mano". George Matcuk
Con la ayuda del experto en radiología Matcuk, médico en ejercicio en la USC, la mano fue escaneada por el escáner de resonancia magnética durante 10 minutos. Este procedimiento se repitió 12 veces, cada vez en una pose diferente. Dos sujetos, un hombre yuna hembra fue capturada de esta manera. Ahora, para cada pose, los investigadores sabían exactamente dónde estaban posicionados los huesos, músculos y tendones.
Después de discutir las características anatómicas de los escáneres de resonancia magnética con Matcuk, Barbic y Wang se pusieron a trabajar para construir un modelo cinemático esqueleto basado en datos que captura rotaciones complejas del mundo real y traducciones de huesos en cualquier pose.
Luego agregaron la simulación de tejidos blandos, utilizando el método de elementos finitos FEM para calcular el movimiento de los músculos de la mano, los tendones y el tejido adiposo, de acuerdo con el movimiento del hueso. Este modelo, combinado con detalles de superficie, les permitió crear unmano móvil muy realista. La mano se puede animar en cualquier movimiento, incluso en movimientos que son muy diferentes de las poses capturadas.
avanzando
El equipo, que recientemente recibió una subvención de la National Science Foundation para llevar su trabajo a la siguiente etapa, planea construir un conjunto de datos públicos de escáneres de resonancia magnética manual de múltiples posturas, para 10 sujetos en los próximos tres años. Esto seráel primer conjunto de datos de este tipo que permitirá a los investigadores de todo el mundo simular, modelar y recrear mejor las manos humanas. El equipo también planea integrar la investigación en educación, capacitar a estudiantes de doctorado en la USC y para programas de extensión de K-12.
"A medida que perfeccionamos este trabajo, creo que podría ser una excelente herramienta de enseñanza para mis alumnos y otros médicos que necesitan comprender la compleja anatomía y biomecánica de la mano", dijo Matcuk.
El equipo está trabajando actualmente para agregar una mejor conciencia de los músculos y los tendones al modelo y hacerlo en tiempo real. En este momento, la computadora tarda aproximadamente una hora en crear una simulación de un minuto de duración. Barbic y Wang esperan hacer elsistema más rápido, sin perder calidad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Sur de California . Original escrito por Caitlin Dawson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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