ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la Invención

[003] La presente invención se relaciona con modelos físicos de objetos tridimensionales y con métodos para obtener y fabricar dichos modelos.

2. Descripción del arte previo

[004] La inspección de las características estructurales de un objeto es un proceso de gran importancia en diversos campos industriales y académicos como ingeniería, medicina, arquitectura, artes y pedagogía, pues permite el análisis robusto, extemo e intemo, del objeto de interés. La adquisición de información de la estructura y características del objeto, así como la facilidad de estudiar y analizar esta información de manera sencilla, es necesaria para realizar un examen apropiado del mismo.

[005] Una de las técnicas de inspección más comunes es el modelamiento digital tridimensional, que consiste en obtener datos del objeto de interés con el fin de reconstmir un modelo digital del mismo el cual contiene toda la información obtenida. Comúnmente, este proceso está sujeto al uso de software especializado en donde, a partir de un modelo digital tridimensional del objeto, se pueden visualizar sus características, escogiendo de manera arbitraria la profundidad a la que se desea realizar el estudio. No obstante, este tipo de software suele ser muy costoso y el usuario debe recibir un entrenamiento específico para poderlo utilizar, lo que repercute en que este tipo de análisis está restringido a una población muy limitada.

[006] Por otro lado, los mecanismos comerciales de modelamiento tridimensional están usualmente ligados a un único medio de obtención de datos digitales o a las restricciones impuestas por el fabricante de los equipos, limitando así el alcance del análisis y coartando al usuario a un espectro reducido de alternativas de estudio.

[007] Así pues, existe en la técnica la necesidad de una metodología que permita visualizar la estructura extema e intema de un objeto arbitrario a partir de información digital de su volumen, siendo dicha metodología económica, de fácil acceso y uso, e independiente del mecanismo de adquisición de datos digitales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[008] La presente invención se relaciona con modelos físicos (tangibles) que representan características internas y externas de objetos tridimensionales, y con métodos para obtener dichos modelos. Los modelos (40) se construyen a partir de volúmenes (5) los cuales corresponden a secciones transversales planares y curvilíneas del objeto real (1) y que se encajan los unos a los otros completando así el volumen total del objeto (1). Dado que corresponde a una sección transversal del objeto real (1), cada volumen (5) está acotado por dos superficies (31), de las cuales al menos una tiene adherida una imagen (4) que representa la geometría de esa sección del objeto (1). De esta manera, el modelo (40) representa, a manera de capas, características estructurales internas y externas del objeto (1).

[009] Para obtener el modelo físico (40), se parte de un modelo digital tridimensional (2) del objeto (1). El modelo digital (2) se secciona en superficies desarrollables (3) y se obtienen imágenes (4) de la estructura del objeto (1) correspondientes a cada una de las superficies (3); seguidamente, cada imagen (4) se imprime sobre una superficie bidimensional plana. Por otro lado, por cada una de las superficies (3) se fabrica un volumen (5) acotado por superficies (31) las cuales corresponden a la representación física de las respectivas superficies (3). Posteriormente, las distintas imágenes (4), ya impresas sobre superficies bidimensionales planas, se adhieren a sus correspondientes superficies (31) de los volúmenes (5) de tal manera que en cada volumen (5) se tiene una representación física de las distintas capas que constituyen el objeto real (1). [0010] Dentro del concepto inventivo de esta invención se considera que el objeto (1) puede estar compuesto por un objeto principal (11) y su entorno (12), caso en el cual el objeto principal (11) ocuparía sólo una porción del volumen total del objeto (1), y el volumen restante estaría compuesto por el entorno (12) que rodea el objeto principal (11). A lo largo de este documento se entenderá que, en caso de que también se desee estudiar el entorno (12) que rodea el objeto principal (11), el objeto (1) se tomará como el conjunto entre el objeto principal (11) y el entorno que lo rodea (12).

[0011] La presente invención se caracteriza porque las superficies (3) en las que se divide el modelo digital (2) del objeto (1) son superficies desarrollables, es decir, superficies que pueden ser aplanadas sin distorsión alguna. Esta característica es lo que permite que las imágenes (4) sean impresas sobre superficies bidimensionales planas empleando, por ejemplo, medios convencionales de impresión, los cuales son muy económicos y rápidos. De esta manera, se pueden obtener imágenes de alta calidad y fidelidad a un muy bajo costo.

[0012] Particularmente, el modelo (40) y el método (42) de la presente invención, al reemplazar el software especializado para la inspección de objetos tridimensionales, facilita el estudio de las características internas y externas de cualquier objeto tridimensional, lo cual tiene aplicación en campos industriales, médicos y pedagógicos, entre otros, pues permite interactuar con cada una de las capas que constituyen el objeto completo (1), mostrando, con un nivel de detalle arbitrario, el cual depende únicamente de la información disponible del objeto (1), la morfología y geometría de cada sección del objeto (1).

[0013] De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el objeto (1) que se desea analizar es el maxilar de un ser humano junto con las piezas dentales que se le asocian. De esta manera, la invención aquí revelada facilita el análisis odontológico de un paciente, permitiendo al odontólogo un diagnóstico más acertado y mejorando el entendimiento del paciente acerca de su condición. Más aún, el modelo (40) aquí revelado se convierte en una herramienta de enseñanza útil para la formación de nuevos odontólogos. [0014] A diferencia de los métodos comúnmente empleados, la presente invención da acceso a cualquier tipo de usuario sin entrenamiento alguno a un modelo (40) acertado del objeto (1) que se desea analizar, modelo que tiene tantas capas como se desee, y a un costo muy reducido.

[0015] El modelo (40) y el método (42) aquí revelados se caracterizan porque facilitan a un usuario el estudio de las características estructurales del objeto (1), especialmente las características de su estructura interna.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0016] La Figura la muestra el modelo (40) del objeto (1) de acuerdo con la invención, el cual está conformado por distintos volúmenes (5) ensamblados a los cuales se les han adherido sus respectivas imágenes (4)

[0017] La Figura lb muestra una vista general de los distintos volúmenes (5) de acuerdo con la invención con las imágenes (4) adheridas los cuales se ensamblan para formar el modelo (40) del objeto (1).

[0018] La Figura 2a muestra una superficie desarrollable (3) en un espacio tridimensional.

[0019] La Figura 2b muestra la superficie desarrollable (3) de la Figura 2a en un espacio bidimensional plano de acuerdo con la invención.

[0020] La Figura 3 muestra un diagrama de flujo del método (42) de acuerdo con la invención.

[0021] La Figura 4a muestra la imagen (4) asociada a una superficie desarrollable (3) de una sección del modelo digital (2). [0022] La Figura 4b muestra la imagen (4) asociada a la superficie desarrollable (3) de la Figura 4a luego de ser aplanada de acuerdo con la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

[0023] La presente invención se relaciona con modelos físicos de objetos tridimensionales con los que se facilita el estudio de la estructura interna y extema de un objeto, así como con los métodos para obtener dichos modelos. El modelo (40) de acuerdo con la presente invención está constituido por pequeños volúmenes (5) que representan distintas capas del objeto real (1). Cada uno de estos volúmenes (5) tiene adherida una imagen (4) en al menos una de sus superficies, en donde dicha imagen (4) muestra la morfología y geometría del objeto (1) en la respectiva capa. Por otro lado, el método (42) consiste en dividir un modelo digital (2) del objeto (1) en superficies curvilíneas (3) y obtener una imagen (4) del objeto correspondiente a cada una de dichas superficies (3). Finalmente, las imágenes (4) se imprimen y adhieren a los volúmenes

(5).

[0024] El modelo (40) de acuerdo con la presente invención se muestra en la Figura la. Este modelo está constituido por una serie de volúmenes (5) cada uno de los cuales tiene adherida una imagen (4) en al menos una de sus superficies (31). Los volúmenes (5) se ensamblan para formar el modelo completo (40) por capas.

[0025] La Figura lb muestra los volúmenes (5) sin ensamblar, evidenciando que el modelo (40) puede ser empleado para realizar un estudio por capas del objeto (1).

[0026] A lo largo de este documento, y a menos que se indique lo contrario, se entenderá que las superficies (3) son superficies desarrollables en el estricto sentido de la definición matemática de "superficie desarrollable" , es decir, una superficie con curvatura Gaussiana nula. En otras palabras, una superficie desarrollable es una superficie que puede ser aplanada (o desenvuelta en un plano) sin distorsión alguna, manteniendo invariantes formas y áreas. Las superficies desarrollables se pueden construir a partir de diferentes técnicas, incluyendo técnicas de producto tensorial, parches triangulares y NURBS.

[0027] Las Figuras 2a y 2b permiten entender el concepto de “superficie desarrollable” . En la Figura 2a se muestra una superficie desarrollable (3) en un espacio tridimensional. Al ser desarrollable, esta superficie puede ser aplanada y llevada a un espacio bidimensional sin distorsionar las líneas que la constituyen. De esta manera, se obtiene la superficie plana mostrada en la Figura 2b la cual es una fiel representación de la superficie original.

[0028] De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el método (42) para obtener un modelo físico (40) de un objeto tridimensional (1) comprende las siguientes etapas: obtener un modelo digital tridimensional (2) del objeto (1); seccionar el modelo (2) en superficies curvilíneas (3); obtener una imagen bidimensional (4) de la estructura del objeto (1) correspondiente a cada una de las superficies (3); imprimir cada imagen (4) sobre una superficie bidimensional plana; por cada superficie (3), fabricar un volumen (5) limitado por al menos una superficie (31) que corresponde a la representación física de la respectiva superficie (3); y adherir cada imagen (4) impresa sobre la superficie bidimensional plana a su correspondiente superficie (31). Además, el método se caracteriza porque las superficies (3) son superficies desarrollables, porque cada imagen (4) representa la geometría y morfología de las secciones del objeto (1) correspondientes a sus respectivas superficies (3), y porque cada volumen (5) tiene un grosor que es menor a la dimensión más grande de cada superficie (3). La Figura 3 muestra un diagrama de flujo del método (42) de acuerdo con la presente invención.

[0029] El modelo digital (2) puede ser obtenido de distintas maneras las cuales son ajenas al alcance de la presente invención, en tanto permitan obtener un modelo digital tridimensional suficientemente detallado para la aplicación particular de interés. Cualquier método que permita la obtención de información acerca de la geometría y morfología del objeto (1) en tres dimensiones puede ser empleado para obtener el modelo digital (2). Según modalidades preferidas de la invención, el modelo digital tridimensional (2) se obtiene mediante una técnica que se selecciona de grupo que comprende: tomografía, resonancia magnética 3D, escaneo 3D láser, escaneo 3D de luz estructurada, estereofotogrametría 3D, morfometría 3D, diseño asistido por computador, métodos por triangulación, técnicas de micro CT, haz de iones enfocado, métodos por emisión de protones, electro sonografía y ultrasonido.

[0030] Una vez se obtiene el modelo digital (2), se procede a seccionarlo en superficies curvilíneas (3) las cuales son escogidas de tal manera que correspondan a superficies desarrollables y que la distancia entre dos superficies (3) contiguas sea, a lo sumo, la resolución espacial que se desea tener para la profundidad del objeto. De esta manera, se escoge de manera arbitraria el número de secciones o capas en las que se divide el modelo digital (2) de acuerdo con la resolución que se desee.

[0031] Posterior al seccionamiento del modelo digital (2) con base en las superficies (3), se obtiene una imagen tridimensional (4) de la estructura del objeto (1) a lo largo de cada una de estas superficies (3). De esta manera, se obtiene un conjunto de imágenes que muestran la geometría y morfología del objeto (1) de cada una de las capas o secciones en las que se divide el modelo digital (2).

[0032] De acuerdo con la presente invención, las imágenes (4) asociadas a cada superficie (3) contienen información acerca de la geometría y morfología del objeto (1) a lo largo de esa superficie (3). De acuerdo con una realización preferida de la invención, la geometría y morfología de las secciones del objeto (1) correspondientes a sus respectivas superficies (3) están representadas gráficamente mediante una escala cromática. Otra realización de la invención revela que la escala cromática es una escala monocromática o escala de grises. Adicionalmente, la presente invención permite la asignación de colores a diferentes componentes de las superficies (3), en donde los colores permiten diferenciar la geometría y morfología de cada imagen (4).

[0033] Las imágenes (4) son posteriormente impresas sobre superficies bidimensionales planas. Según una realización de la presente invención, la impresión es realizada mediante métodos de impresión convencionales como impresión láser o impresión por inyección de tinta. Si bien las superficies (3) son curvas, al ser superficies desarrollables pueden ser impresas sobre una superficie plana sin generar distorsión alguna de la imagen. Es por esta razón que la presente invención permite obtener modelos detallados a un bajo precio: porque se pueden escoger de manera conveniente las superficies (3) que corresponden a los cortes transversales del objeto (1), y al mismo tiempo se pueden usar técnicas de impresión rápidas y económicas.

[0034] Las Figuras 4a y 4b muestran una imagen (4) durante distintas etapas del método (42). En la Figura 4a se muestra la imagen (4) asociada a una superficie desarrollable (3) obtenida luego de seccionar el modelo digital (2). Por otro lado, la Figura 4b muestra la misma imagen (4) luego de ser aplanada, es decir, la imagen (4) que será impresa sobre la superficie bidimensional plana. Al estar asociada a una superficie desarrollable (3), la imagen (4) puede ser aplanada sin distorsión alguna, de manera que la imagen aplanada (Figura 4b) es una fiel representación de la imagen original (Figura 4a).

[0035] Adicionalmente, el método (42) que revela la presente invención comprende la fabricación de al menos un volumen (5) con el cual se construirá parte o la totalidad el modelo físico (40). Cada volumen (5) está limitado por al menos una superficie (31) la cual tiene una correspondencia directa con una de las superficies (3) seleccionadas del modelo digital (2). Consecuentemente, la forma de esa superficie (31) que limita el volumen (5) coincide con la forma de una de las superficies (3).

[0036] De acuerdo con una modalidad de la invención, el volumen (5) está limitado por dos superficies (31) cada una asociada a una superficie curvilínea (3). De acuerdo con una modalidad aún más preferida, el volumen (5) corresponde a la sección del objeto (1) contenida entre dos superficies curvilíneas (3) contiguas.

[0037] Según revela la presente invención, cada volumen (5) tiene un grosor que es menor a la dimensión más grande de cada superficie curvilínea (3). De acuerdo con una realización preferida, el grosor de cada volumen (5) está entre 0.1 mm y 10 cm. De acuerdo con una realización aún más preferida, el grosor de cada volumen (5) es igual a distancia entre las superficies (3) correspondientes a las superficies (31) que limitan el volumen (5).

[0038] Cada volumen (5) puede ser fabricado usando distintas técnicas las cuales son ajenas al alcance de la presente invención, en tanto permitan obtener un objeto suficientemente detallado para la aplicación particular de interés. Según una modalidad preferida de la invención, cada volumen (5) se fabrica mediante técnicas de impresión 3D.

[0039] Por último, una vez se han impreso las imágenes (4) y se han fabricado los volúmenes (5), se adhiere cada imagen (4) a la superficie (31) del volumen (5) que corresponda a la superficie curvilínea (3) de la cual se obtuvo la imagen (4). De esta manera, en cada volumen (5) se tiene una representación física de las distintas capas que constituyen el objeto real (1), y se muestra sobre al menos una de sus superficies información correspondiente a la geometría y morfología del objeto (1) en esa capa.

[0040] Según una realización de la presente invención, luego de que se tiene una serie de volúmenes (5) a los que se les han adherido imágenes (4) según se describió anteriormente, los volúmenes (5) se ensamblan siguiendo el orden geométrico de las superficies (3) asociadas a ellas, de tal manera que la superposición de todos los volúmenes (5) reproduzca un modelo físico (40) del objeto (1). Esta superposición, o ensamblaje, de volúmenes (5) permite la interacción directa de un usuario con el modelo físico (40) del objeto (1), modelo (40) que muestra la información intema y externa del objeto (1).

[0041] Las Figuras la ylb muestran el producto obtenido luego de ejecutar el método (42) para el caso en que el objeto (1) es el maxilar de una persona, junto con las piezas dentales que se le asocian, y el entorno del mismo. Consecuentemente, cada volumen (5) representa una sección del maxilar de la persona junto con las piezas dentales que se le asocian y su entorno. Al ensamblar todos los volúmenes (5) se obtiene un modelo físico, completo y por capas del objeto real (1). [0042] Otro aspecto de la presente invención describe el modelo (40) del objeto tridimensional (1) el cual comprende: uno o más volúmenes (5), cada uno limitado por al menos una superficie (31); y una o más imágenes bidimensionales (4) de la estructura del objeto (1), cada una correspondiente a una superficie (3) e impresa sobre una superficie bidimensional plana. Además, cada superficie (3) es una superficie desarrollable obtenida a partir de seccionar en superficies curvilíneas un modelo digital tridimensional (2) del objeto (1); cada superficie (31) corresponde a la representación física de una superficie (3); cada imagen (4) representa la geometría y morfología de las secciones del objeto (1) correspondientes a sus respectivas superficies (3); cada imagen

(4) impresa sobre la superficie bidimensional plana está adherida a la correspondiente superficie (31); y cada volumen (5) tiene un grosor que es menor a la dimensión más grande de cada superficie (3).

[0043] El modelo (40) de acuerdo con la presente invención se muestra en la Figura la. Este modelo está constituido por una serie de volúmenes (5) cada uno de los cuales tiene adherida una imagen (4) en al menos una de sus superficies (31). Los volúmenes

(5) se ensamblan para formar el modelo completo (40) por capas.

[0044] La Figura lb muestra los volúmenes (5) sin ensamblar, evidenciando que el modelo (40) puede ser empleado para realizar un estudio por capas del objeto (1).

[0045] Cada volumen (5) de los que constituye el modelo (40) está limitado por al menos una superficie (31) la cual tiene una correspondencia directa con una de las superficies (3) seleccionadas del modelo digital (2). Consecuentemente, la forma de esa superficie (31) que limita el volumen (5) coincide con la forma de una de las superficies

(3).

[0046] De acuerdo con una modalidad preferida de la invención, el volumen (5) está limitado por dos superficies (31) cada una asociada a una superficie (3). De acuerdo con una modalidad aún más preferida, el volumen (5) corresponde a la sección del objeto (1) contenida entre dos superficies (3) contiguas. [0047] De acuerdo con la presente invención, cada volumen (5) tiene un grosor que es menor a la dimensión más grande de cada superficie (3). De acuerdo con una realización preferida, el grosor de cada volumen (5) está entre 0.1 mm y 10 cm. De acuerdo con una realización aún más preferida, el grosor de cada volumen (5) es igual a distancia entre las superficies (3) correspondientes a las superficies (31) que limitan el volumen (5). Si bien el grosor de los distintos volúmenes (5) no tiene que ser el mismo, otra realización de la invención revela que el grosor de cada volumen (5) es el mismo. Según realizaciones preferidas de la invención, el grosor del volumen (5) no es constante a lo largo de la superficie (31), es decir, puede variar a lo largo del volumen

(5).

[0048] Cada volumen (5) puede ser fabricado usando distintas técnicas las cuales son ajenas al alcance de la presente invención, en tanto permitan obtener un objeto suficientemente detallado para la aplicación particular de interés. Según una modalidad preferida de la invención, cada volumen (5) se fabrica mediante técnicas de impresión 3D.

[0049] Cada una de las imágenes (4) que hacen parte del modelo (40) contiene información acerca de la estructura del objeto (1) a lo largo de la superficie (3) correspondiente a una de las superficies (31) que limitan el volumen (5). De esta manera, se obtiene un conjunto de imágenes que muestran la geometría y morfología del objeto (1) de cada una de las capas o secciones en las que se divide el modelo digital (2).

[0050] Según la presente invención, las imágenes (4) asociadas a cada superficie (3) contienen información acerca de la geometría y morfología del objeto (1) a lo largo de esa superficie (3). De esta forma, cada imagen (4) es equivalente a la imagen que se obtendría si se hiciera un corte del objeto (1) a lo largo de la superficie (3) y se aplanara la superficie resultante. De acuerdo con una realización preferida de la invención, la geometría y morfología de las secciones del objeto (1) correspondientes a sus respectivas superficies (3) está representada gráficamente mediante una escala cromática. De acuerdo con otra realización de la invención, la escala cromática es una escala monocromática o escala de grises.

[0051] De acuerdo con la presente invención, cada imagen (4) se encuentra adherida a la superficie (31) del volumen (5) que corresponda a la superficie curvilínea (3) de la cual se obtuvo la imagen (4). De esta manera, cada volumen (5) es una representación física de las distintas capas que constituyen el objeto real (1), y contiene sobre al menos una de sus superficies información correspondiente a la geometría y morfología del objeto (1) en esa capa.

[0052] Para poder adherir las imágenes (4) a las superficies (31), las imágenes (4) deben estar impresas sobre superficies bidimensionales planas. Según una realización de la presente invención, la impresión es realizada mediante métodos de impresión convencionales como impresión láser o impresión por inyección de tinta. Si bien las superficies (3) son curvas, al ser superficies desarrollables pueden ser impresas sobre una superficie plana sin generar distorsión alguna de la imagen. Es por esta razón que la presente invención permite obtener modelos detallados a un bajo precio: porque se pueden escoger de manera conveniente las superficies (3) que corresponden a los cortes transversales del objeto (1), y al mismo tiempo se pueden usar técnicas de impresión rápidas y económicas.

[0053] En la Figura 4a se muestra la imagen (4) asociada a una superficie desarrollable (3) obtenida luego de seccionar el modelo digital (2). Por otro lado, la Figura 4b muestra la misma imagen (4) luego de ser aplanada, es decir, la imagen (4) que será impresa sobre la superficie bidimensional plana. Al estar asociada a una superficie desarrollable (3), la imagen (4) puede ser aplanada sin distorsión alguna, de manera que la imagen aplanada (Figura 4b) es una fiel representación de la imagen original (Figura 4a).