O aumento do poder computacional e conseqüente desenvolvimento das técnicas de simulação numérica, aliados ao avanço tecnológico dos periféricos de medição, fizeram com que muitas áreas de pesquisa, passassem a necessitar de ferramentas gráficas e de auxílio computacional para apoiar o processo de interpretação das informações geradas. A aplicação de técnicas gráficas para ampliar a capacidade de interpretação de dados científicos tem sido denominada visualização em computação científica (ViSC - Visualization in Scientific Computing). Modelos aerodinâmicos construídos no laboratório, foram simulados em software numérico de método dos painéis e submetidos a rotinas desenvolvidas em C++ as quais serviram de superfície para uma ferramenta do tipo biblioteca, de baixo custo, muito utilizada em universidades do mundo todo, chama VTK (Visualization Tool Kit), que possui elementos gráficos para a geração de visualizações de qualquer tipo de dados. Esses códigos em C++ são responsáveis pelos tipos de visualização gerados e principalmente por permitir o uso da ferramenta. As visualizações de distribuição de pressão e isolinhas nas superfícies dos modelos são de suma importância na identificação de problemas aerodinâmicos possibilitando correções e modificações antes mesmo de o modelo ser construído. / The increase of computational power and the technical development of numerical are responsible for the creation of many new areas that use graphics tools and computational aid for the interpretation of the information generated. The application of graphics techniques to increase the capability of scientific interpretation is called ViSC or Visualization in Scientific Computation. Laboratory built freeflight and wind tunnel models were calculated using numerical software and submitted to routines developed in C++ language which produced various types of visualization while using VTK. Visualization of pressure distributions and streamlines on the model surfaces are important for identification of aerodynamic problems and making corrections and modifications possible before the construction of the physical model.

O aumento do poder computacional e conseqüente desenvolvimento das técnicas de simulação numérica, aliados ao avanço tecnológico dos periféricos de medição, fizeram com que muitas áreas de pesquisa, passassem a necessitar de ferramentas gráficas e de auxílio computacional para apoiar o processo de interpretação das informações geradas. A aplicação de técnicas gráficas para ampliar a capacidade de interpretação de dados científicos tem sido denominada visualização em computação científica (ViSC - Visualization in Scientific Computing). Modelos aerodinâmicos construídos no laboratório, foram simulados em software numérico de método dos painéis e submetidos a rotinas desenvolvidas em C++ as quais serviram de superfície para uma ferramenta do tipo biblioteca, de baixo custo, muito utilizada em universidades do mundo todo, chama VTK (Visualization Tool Kit), que possui elementos gráficos para a geração de visualizações de qualquer tipo de dados. Esses códigos em C++ são responsáveis pelos tipos de visualização gerados e principalmente por permitir o uso da ferramenta. As visualizações de distribuição de pressão e isolinhas nas superfícies dos modelos são de suma importância na identificação de problemas aerodinâmicos possibilitando correções e modificações antes mesmo de o modelo ser construído. / The increase of computational power and the technical development of numerical are responsible for the creation of many new areas that use graphics tools and computational aid for the interpretation of the information generated. The application of graphics techniques to increase the capability of scientific interpretation is called ViSC or Visualization in Scientific Computation. Laboratory built freeflight and wind tunnel models were calculated using numerical software and submitted to routines developed in C++ language which produced various types of visualization while using VTK. Visualization of pressure distributions and streamlines on the model surfaces are important for identification of aerodynamic problems and making corrections and modifications possible before the construction of the physical model.

Neurocirurgia guiada por imagem permite ao neurocirurgião navegar dentro do cérebro do paciente, usando imagens pré-operatórias como orientação, através do uso de sistemas de rastreamento, durante o procedimento cirúrgico. Muitos sistemas desenvolvidos para neurocirurgia guiada por imagem, empregam imagens pré-operatórias para fornecer orientação ao cirurgião, durante o procedimento cirúrgico. Seguindo um procedimento de calibração, a posição tridimensional e orientação dos instrumentos cirúrgicos podem ser transmitidas ao computador. Estas informações espaciais são usadas para acessar a região de interesse nas imagens pré-operatórias com a finalidade de apresentá-las ao cirurgião durante o procedimento. Contudo, quando ocorre a craniotomia, o movimento dos tecidos do cérebro pode ser fonte significativa de erro nestes sistemas. A arquitetura implementada neste trabalho visa o desenvolvimento de um sistema que permite planejamento e orientação cirúrgica. Para orientação cirúrgica foi desenvolvido um software que permite extrair fatias do volume de imagens de ressonância magnética (IRM), com orientação fornecida por um transdutor de posição magnético (Polhemus®). As fatias extraídas serão, futuramente, correlacionadas com imagens de ultra-som (IUS) intra-operatórias para detectar e corrigir a deformação do tecido cerebral durante a cirurgia. A ferramenta para navegação pré-cirúrgica foi desenvolvida para fornecer três fatias ortogonais obtidas através do volume de imagens. Na metodologia usada para a implementação do software, foi utilizada a linguagem de programação Python e a biblioteca gráfica Visualization Toolkit (VTK). Os resultados mostraram que o programa de planejamento pré-cirúrgico, gerou uma alta resolução na visualização dos planos ortogonais e oblíquos das IRM, além de ser rápido e interativo. O programa de extrair fatias do volume de IRM permitiu a aplicação de transformações ao volume, com base nos valores de coordenadas fornecidos pelo transdutor de posição. / Image guided neurosurgery enables the neurosurgeon to navigate inside the patient\'s brain using pre-operative images as a guide and a tracking system, during surgical procedure. Many image guided neurosurgery implementations employ pre-operative images as a guide to the surgeons throughout surgical procedure. Following a calibration procedure, three-dimensional position and orientation of surgical instruments may be transmitted to computer. The spatial information is used to access an interest region, in the pre-operative images, displaying them to the neurosurgeon during the surgical procedure. However, when a craniotomy is involved, movements of brain tissue can be a significant source of error in these systems. The architecture implemented in this work intends the development of a system to surgical planning and orientation. For surgical orientation, the software developed allows the extraction of slices from the volume of the magnetic resonance images (MRI) with orientation supplied by a magnetic position sensor (Polhemus®). In the future, the extracted slices will be correlated with intra-operative ultrasound images to detect and to correct the deformation of brain tissue during the surgery. Also, a tool for pre-operative navigation was developed, providing three orthogonal planes through the image volume. In the methodology used for the software implementation, the Python programming language and the Visualization Toolkit (VTK) graphics library were used. The results showed that the program of pre-operative navigation had high resolution in the visualization of orthogonal and oblique MRI planes. Furthermore, it was fast and interactive. The program to extract slices of the MRI volume allowed the application of transformations in the volume, using coordinates supplied by the position sensor.

Neurocirurgia guiada por imagem permite ao neurocirurgião navegar dentro do cérebro do paciente, usando imagens pré-operatórias como orientação, através do uso de sistemas de rastreamento, durante o procedimento cirúrgico. Muitos sistemas desenvolvidos para neurocirurgia guiada por imagem, empregam imagens pré-operatórias para fornecer orientação ao cirurgião, durante o procedimento cirúrgico. Seguindo um procedimento de calibração, a posição tridimensional e orientação dos instrumentos cirúrgicos podem ser transmitidas ao computador. Estas informações espaciais são usadas para acessar a região de interesse nas imagens pré-operatórias com a finalidade de apresentá-las ao cirurgião durante o procedimento. Contudo, quando ocorre a craniotomia, o movimento dos tecidos do cérebro pode ser fonte significativa de erro nestes sistemas. A arquitetura implementada neste trabalho visa o desenvolvimento de um sistema que permite planejamento e orientação cirúrgica. Para orientação cirúrgica foi desenvolvido um software que permite extrair fatias do volume de imagens de ressonância magnética (IRM), com orientação fornecida por um transdutor de posição magnético (Polhemus®). As fatias extraídas serão, futuramente, correlacionadas com imagens de ultra-som (IUS) intra-operatórias para detectar e corrigir a deformação do tecido cerebral durante a cirurgia. A ferramenta para navegação pré-cirúrgica foi desenvolvida para fornecer três fatias ortogonais obtidas através do volume de imagens. Na metodologia usada para a implementação do software, foi utilizada a linguagem de programação Python e a biblioteca gráfica Visualization Toolkit (VTK). Os resultados mostraram que o programa de planejamento pré-cirúrgico, gerou uma alta resolução na visualização dos planos ortogonais e oblíquos das IRM, além de ser rápido e interativo. O programa de extrair fatias do volume de IRM permitiu a aplicação de transformações ao volume, com base nos valores de coordenadas fornecidos pelo transdutor de posição. / Image guided neurosurgery enables the neurosurgeon to navigate inside the patient\'s brain using pre-operative images as a guide and a tracking system, during surgical procedure. Many image guided neurosurgery implementations employ pre-operative images as a guide to the surgeons throughout surgical procedure. Following a calibration procedure, three-dimensional position and orientation of surgical instruments may be transmitted to computer. The spatial information is used to access an interest region, in the pre-operative images, displaying them to the neurosurgeon during the surgical procedure. However, when a craniotomy is involved, movements of brain tissue can be a significant source of error in these systems. The architecture implemented in this work intends the development of a system to surgical planning and orientation. For surgical orientation, the software developed allows the extraction of slices from the volume of the magnetic resonance images (MRI) with orientation supplied by a magnetic position sensor (Polhemus®). In the future, the extracted slices will be correlated with intra-operative ultrasound images to detect and to correct the deformation of brain tissue during the surgery. Also, a tool for pre-operative navigation was developed, providing three orthogonal planes through the image volume. In the methodology used for the software implementation, the Python programming language and the Visualization Toolkit (VTK) graphics library were used. The results showed that the program of pre-operative navigation had high resolution in the visualization of orthogonal and oblique MRI planes. Furthermore, it was fast and interactive. The program to extract slices of the MRI volume allowed the application of transformations in the volume, using coordinates supplied by the position sensor.

Estruturas de dados volumétricas são de extrema utilidade em várias aplicações, e em particular na área de Visualização Científica. Essas estruturas são úteis em duas etapas do processo de visualização. A primeira é na representação de dados, isto é, de informações associadas aos valores, medidos ou simulados, os quais se deseja visualizar. A outra fase que necessita de uma estrutura de dados é a fase de exploração, ou seja, o modelo criado é usado tanto para exploração interativa quanto para a realização de simulações sobre o mesmo, por exemplo, numa cirurgia virtual. Está em desenvolvimento no ICMC, uma estrutura de dados volumétrica, chamada Singular Half-Face, que tem como característica a modelagem explícita das singularidades presentes no modelo, além de outros elementos topológicos. Este trabalho de mestrado visa testar a viabilidade da estrutura num contexto de visualização em fluxo de dados, incorporando-a à biblioteca gráfica de visualização Visualization ToolKit (VTK), que possui definição extremamente pobre da topologia dos objetos que representa. Adicionando essa nova classe e realizando sobre ela técnicas convencionais de visualização e exploração de dados, é estudada sua capacidade de apoiar todas as fases do processo de visualização. / Volumetric data structures are of extreme utility in various applications, and particularly in the area of Scientific Visualization. These structures are useful in two stages of the visualization process. The first one is in data representation, that is, in the organization of information associated with the values, measured or simulated, to be visualized. The other phase of the visualization data flow that needs a data structure is the exploration phase. It would be useful to have a model designed to be used both for interactive exploration and for simulation in a number of application, for example, in virtual surgery. A volumetric data structure, named Singular Half-Face (SHF) is being developed at the ICMC, that has as its main characteristic the explicit modeling of singularities present in the model, besides other essential topological elements. This dissertation aims at testing the viability of this structure in a context of visualization in data flow, by incorporating it in the Visualization ToolKit (VTK) class library, whose data structures are extremely poor in definition of the topology of the objects that they represent. By adding SHF to this library and carrying out conventional visualization and data exploration on it, we wish to study its support to all the phases of the visualization process.

Estruturas de dados volumétricas são de extrema utilidade em várias aplicações, e em particular na área de Visualização Científica. Essas estruturas são úteis em duas etapas do processo de visualização. A primeira é na representação de dados, isto é, de informações associadas aos valores, medidos ou simulados, os quais se deseja visualizar. A outra fase que necessita de uma estrutura de dados é a fase de exploração, ou seja, o modelo criado é usado tanto para exploração interativa quanto para a realização de simulações sobre o mesmo, por exemplo, numa cirurgia virtual. Está em desenvolvimento no ICMC, uma estrutura de dados volumétrica, chamada Singular Half-Face, que tem como característica a modelagem explícita das singularidades presentes no modelo, além de outros elementos topológicos. Este trabalho de mestrado visa testar a viabilidade da estrutura num contexto de visualização em fluxo de dados, incorporando-a à biblioteca gráfica de visualização Visualization ToolKit (VTK), que possui definição extremamente pobre da topologia dos objetos que representa. Adicionando essa nova classe e realizando sobre ela técnicas convencionais de visualização e exploração de dados, é estudada sua capacidade de apoiar todas as fases do processo de visualização. / Volumetric data structures are of extreme utility in various applications, and particularly in the area of Scientific Visualization. These structures are useful in two stages of the visualization process. The first one is in data representation, that is, in the organization of information associated with the values, measured or simulated, to be visualized. The other phase of the visualization data flow that needs a data structure is the exploration phase. It would be useful to have a model designed to be used both for interactive exploration and for simulation in a number of application, for example, in virtual surgery. A volumetric data structure, named Singular Half-Face (SHF) is being developed at the ICMC, that has as its main characteristic the explicit modeling of singularities present in the model, besides other essential topological elements. This dissertation aims at testing the viability of this structure in a context of visualization in data flow, by incorporating it in the Visualization ToolKit (VTK) class library, whose data structures are extremely poor in definition of the topology of the objects that they represent. By adding SHF to this library and carrying out conventional visualization and data exploration on it, we wish to study its support to all the phases of the visualization process.

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<p>This thesis was performed at the research centre CINECA in Bologna, Italy. An interface with six degrees of freedom, 6DOF, to be used in a virtual environ- ment for the positioning of medical components was developed in co-operation with IOR, one of the most important orthopaedic hospitals in Italy. The main reason for doing this was to find out whether or not a virtual en-viron-ment and 6DOF interaction could make the pre-operative planning of an ope-ration more efficient compared to other techniques. Is it easy to posi-tion an object using stereovision and a 6DOF tracker tool? Further-more, the interface might also be used in other applications and areas in the future. </p><p>Described is the development of an interaction class especially constructed for the use of a tracking tool called a stylus pen. This tool takes advantage of all 6DOF, i.e. it recognises movements in the x, y and z directions and likewise the orientation of the tool around the three axis. Moreover, an application which uses the interaction class was created in order to evaluate its usefulness. The application enables the user to load, save and position objects within a virtual environment. The result of this evaluation is then described and discussed. </p><p>In the evaluations it was shown that the stylus pen with 6DOF is an intuitive in-ter-action tool which works well for positioning. The stereovision also seems to further improve the users ability to position objects. However, the created interaction class needs to be further developed before itcan be implemented in a pre-operative planning tool.</p>

This thesis was performed at the research centre CINECA in Bologna, Italy. An interface with six degrees of freedom, 6DOF, to be used in a virtual environ- ment for the positioning of medical components was developed in co-operation with IOR, one of the most important orthopaedic hospitals in Italy. The main reason for doing this was to find out whether or not a virtual en-viron-ment and 6DOF interaction could make the pre-operative planning of an ope-ration more efficient compared to other techniques. Is it easy to posi-tion an object using stereovision and a 6DOF tracker tool? Further-more, the interface might also be used in other applications and areas in the future. Described is the development of an interaction class especially constructed for the use of a tracking tool called a stylus pen. This tool takes advantage of all 6DOF, i.e. it recognises movements in the x, y and z directions and likewise the orientation of the tool around the three axis. Moreover, an application which uses the interaction class was created in order to evaluate its usefulness. The application enables the user to load, save and position objects within a virtual environment. The result of this evaluation is then described and discussed. In the evaluations it was shown that the stylus pen with 6DOF is an intuitive in-ter-action tool which works well for positioning. The stereovision also seems to further improve the users ability to position objects. However, the created interaction class needs to be further developed before itcan be implemented in a pre-operative planning tool.

This thesis deals with image segmentation of volumetric medical data. It describes a well-known watershed technique that has received much attention in the field of medical image processing. An application for a direct segmentation of 3D data is proposed and further implemented by using ITK and VTK toolkits. Several kinds of pre-processing steps used before the watershed method are presented and evaluated. The obtained results are further compared against manually annotated datasets by means of the F-Measure and discussed.