Valutazione della tecnologia delle fotocamere di profondità (tipo Kinect) per l'acquisizione di dati 3D per la realizzazione di apparecchi ortopedici

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Lisa Toscano
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1 OT World 2014 Valutazione della tecnologia delle fotocamere di profondità (tipo Kinect) per l'acquisizione di dati 3D per la realizzazione di apparecchi ortopedici I. Scopo dello studio Questo documento si propone di descrivere il processo di convalida dello scanner utilizzando una fotocamera di profondità di tipo Kinect per il settore dell'ortopedia, nonché di esporne in dettaglio le conclusioni. Lo studio è descritto più in dettaglio nella relazione «Etude de la faisabilité d un scanner 3D fondé sur un capteur de technologie Kinect pour une application orthopédique» realizzato da Pauline Gaston, ingegnere laureato in informatica e matematica applicata (relazione disponibile su richiesta). II. Principio di funzionamento della fotocamera La tecnologia delle fotocamere di profondità è stata sviluppata per rilevare i movimenti e quindi deviata per realizzare uno scanner. Essa ha quindi i suoi limiti, che esporremo in dettaglio dopo aver spiegato il principio di funzionamento di questa tecnologia. Le fotocamere di tipo Kinect sono composte da una fotocamera a colori, un proiettore e una fotocamera a infrarossi. Il proiettore emette luce infrarossa che, diffratta, copre lo spazio di punti di luce infrarossa (invisibile ad occhio nudo). Questi punti hanno una spaziatura nota al sensore ed è questa spaziatura che permette di calcolare la distanza dall'oggetto e creare il modello 3D. Per consentire il calcolo di questa distanza, l'oggetto deve riflettere abbastanza punti (non essere troppo lontano) ma deve anche permettere di distinguere i punti (non essere troppo vicino). III. Metodo In questa parte, esporremo in dettaglio il metodo di convalida e gli strumenti utilizzati per determinare la precisione del sensore per il suo utilizzo nella realizzazione di apparecchi ortopedici. Due caratteristiche principali dello scanner devono essere determinate con questo studio: la precisione e la ripetibilità della presa di misure. Per determinare la precisione delle misurazioni, lo stesso oggetto è stato scansionato tramite il sensore di tipo Kinect e uno scanner professionale (M4DScan e O&PScan). Le forme ottenute sono state poi confrontate utilizzando il software CloudCompare. Per determinare la ripetibilità dell'operazione, le forme ottenute con la fotocamera a infrarossi sono state confrontate tra loro nello stesso modo che per la valutazione della precisione. Lo studio è stato condotto per due tipi di apparecchi: i corsetti sedili e le suole. Lo studio si è concentrato sugli oggetti fissi (sacchi di biglie e scatole per impronte) e i valori ottenuti più lontano non sono validi per la misurazione diretta su un paziente che può muoversi durante l'acquisizione. 1

IV. Risultati per i sedili Figura1: Sedile utilizzato per i test 1. Precisione Lo studio riguardante i corsetti sedili è stato condotto su 40 diverse acquisizioni.

2 IV. Risultati per i sedili Figura1: Sedile utilizzato per i test 1. Precisione Lo studio riguardante i corsetti sedili è stato condotto su 40 diverse acquisizioni. La precisione ottenuta è generalmente di ±6mm su tutto il sedile. Questo risultato medio è dovuto al fatto che i forti angoli (prossimi a 90 ) non sono resi bene con il sensore. All'interno del sedile (la parte che ci interessa) la precisione è di ±2mm. Figura 2: Scala di colore: il rosso indica un errore di 15 mm rispetto allo scanner industriale. 2

3 Figura 3: Scala di colore: il rosso indica un errore di 10 mm rispetto allo scanner industriale. I risultati ottenuti sono descritti più dettagliatamente nel grafico seguente. Tutti i valori sono in mm rispetto allo M4D Scan, che a sua volta ha una precisione di ±1mm. Le medie sono calcolate su tutte le 40 acquisizioni, ma solo 10 misure specifiche sono presentate. Differenze con le misure prese tramite lo M4D su un sedile 7 6 5, ,76 0 Durchschnitt Differenza su tutto il sedile Differenza sull'interno del sedile 3

4 2. Ripetibilità I calcoliriguardanti la ripetibilitàsono statieseguiti su 10 acquisizioni. 1,40 Ripetibilità Differenza misurata in mm 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,52 0,00 MEDIA V. Risultati per le suole Figura 4: Scatola per impronte utilizzata per i test 4

1. Precisione I test riguardanti le scatole per impronte per suole sono stati realizzati con impostazioni diverse in modo da poter ottenere una maggiore precisione e utilizzare i risultati al fine di

5 1. Precisione I test riguardanti le scatole per impronte per suole sono stati realizzati con impostazioni diverse in modo da poter ottenere una maggiore precisione e utilizzare i risultati al fine di realizzare suole ortopediche. Questi parametri non hanno potuto essere utilizzati per i sedili in quanto influenzano la fluidità della scansione e rendono molto difficile l'acquisizione di un oggetto grande come un sedile. La precisione sulle suole è stata valutata su 10 scansioni confrontate con l'o&p Scan. Essa è dell'ordine di un millimetro. Figura 5: Scala di colore: il rosso indica un errore di 3,6 millimetri rispetto allo scanner industriale. 0,60 Differenze con l'o&p misurate per la suola Differenza in mm 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,27 0,00 MEDIA

6 2. Ripetibilità 0,60 Ripetibilità 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10-0,24 MEDIA Differenza in mm Conclusione L'utilizzo di una fotocamera a infrarossi come per realizzare apparecchi ortopedici è stata convalidata su oggetti fissi (sacchi di biglie, scatole per impronte ). La precisione ottenuta per il sedile è di ±6mm su tutto il sedile e di ±2mm sul lato interno. Quella ottenuta sulle suole è di ±1mm. I primi test di acquisizione diretta su pazienti prospettano risultati meno precisi, che saranno oggetto di un prossimo studio. In conclusione, le fotocamere a infrarossi non possono sostituire uno scanner professionale, ma Sigma è un sistema di acquisizione 3D complementare, che è adatto per la fabbricazione di apparecchi ortopedici a partire da oggetti fissi come i corsetti sedili e le suole ortopediche. 6

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