radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-5-108-117radioelectronics-936Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTСглаживание поверхностей 3D-моделей протезно-ортопедических изделийMesh Smoothing of 3D Prosthesis and Orthosis Modelshttps://orcid.org/0000-0001-5672-7290СуфэльфаА. Р.SufelfaA. R.

Суфэльфа Алиса Родионовна – руководитель лаборатории инновационных и реабилитационноэкспертных технологий ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г. А. Альбрехта Минтруда России. Соискатель кафедры биотехнических систем Санкт-Петербургского ГЭУ "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина).

Ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alisa R. Sufelfa - Head of Laboratory of Albrecht Federal Scientific and Educational Centre of Medical and Social Expertise and Rehabilitation. Postgraduate student of Department of biotechnical systems.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

arsufelfa@stud.etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0667-7851ВознесенскийА. С.VoznesenskyA. S.

Вознесенский Александр Сергеевич – кандидат технических наук (2022), старший научный сотрудник НОЦ ЦТТ.

Ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander S. Voznesensky - Cand. Sci. (2022), senior researcher of SEC DTT.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

asvoznesenskiy@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2765-4509КаплунД. И.KaplunD. I.

Каплун Дмитрий Ильич – кандидат технических наук (2009), доцент кафедры автоматики и процессов управления.

Ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Dmitry I. Kaplun - Cand. Sci. (2009), Associate Professor of Department of automation and processing.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

dikaplun@etu.ruФГБУ ФНOЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)РоссияAlbrecht Federal Scientific and Educational Centre of Medical and Social Expertise and Rehabilitation; Saint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation202422112024275108117Copyright © Суфэльфа А.Р., Вознесенский А.С., Каплун Д.И., 20242024Суфэльфа А.Р., Вознесенский А.С., Каплун Д.И.Sufelfa A.R., Voznesensky A.S., Kaplun D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/936Введение

Введение. Формирование контактной поверхности в протезировании и ортезировании имеет решающее значение для восстановления опорно-двигательных функций человека. Рассмотрены особенности методов снижения уровня шума поверхности трехмерной модели, полученной после оптического сканирования, разработан алгоритм изготовления индивидуального протезно-ортопедического изделия.

Цель работы

Цель работы. Исследование и разработка методов цифровой фильтрации 3D-поверхностей, полученных после оптического сканирования, для дальнейшего моделирования индивидуальных модулей протезноортопедических изделий.

Материалы и методы

Материалы и методы. Предлагается усовершенствовать этап предварительной обработки трехмерной модели с помощью методов сглаживания и шумоподавления. Для тестирования были отобраны 50 оптических 3D-сканов и выбраны алгоритмы устранения шума: билатеральная фильтрация, анизотропное сглаживание, средняя и медианная фильтрация.

Результаты

Результаты. Исследование проводилось на 3D-сканах усеченных нижних конечностей и заготовок для изготовления ортезов – корсетов Шено, полученных от Института протезирования и ортезирования ФГБУ ФНOЦ МСЭ и Р им. Г. А. Альбрехта Минтруда России. Предложен метод очищения от шумов и сглаживания поверхностей 3D-моделей для изготовления протезно-ортопедических изделий. Описание применения подобных методов в литературе найти не удалось, возможно, потому, что для изготовления протезов и ортезов чаще всего используется гипсовая технология. Было рассчитано отношение сигнал/шум по метрике SNR – δSNR с усреднением по сканированиям и значениям SNR и среднее время фильтрации. Результаты исследования показывают, что лучшим является метод билатеральной фильтрации с δ-SNR = 11.3362 дБ и временем выполнения 8.8900 с.

Заключение

Заключение. Применение вышеуказанных методов для предварительной обработки трехмерных оптических сканов человека обеспечило высокие результаты при формировании 3D-моделей модулей протезно-ортопедических изделий. Исследование представляет интерес для работы в направлении автоматизации процессов изготовления протезно-ортопедических изделий, особенно ввиду вызовов современной геополитической обстановки.

Introduction

Introduction. Formation of a contact surface in prosthetics and orthotics is crucial for the restoration of human musculoskeletal functions. This paper considers specific features of methods currently used for denoising of a 3D model surface obtained by optical scanning. An algorithm for manufacturing an individual prosthetic and orthopedic product is developed. The current literature reports no similar methods, which may be explained by the widespread use of gypsum technology for the manufacture of prostheses and orthoses.

Aim

Aim. Research and development of digital filtration methods for 3D meshes obtained by optical scanning for further modeling of individual prosthesis and orthosis modules.

Materials and methods

Materials and methods. It is proposed to optimize the pre-processing stage of 3D scanned models by applying denoising and smoothing processes. In total, 50 optical 3D scans were selected for testing via the following denoising algorithms: bilateral filtering, vertex-based anisotropic smoothing, mean and median filtering applied to face normals.

Results

Results. The study was conducted using 3D scans of lower limb stumps and Chenault brace orthoses and corsets provided by the Institute of Prosthetics and Orthotics, Albrecht Federal Scientific and Educational Centre of Medical and Social Expertise and Rehabilitation. А method for denoising and smoothing of the 3D model surfaces for the manufacture of prosthetic and orthopedic products is proposed. The SNR metric difference SNR – δ-SNR (with averaging by scans and SNR values) and average execution time were calculated. The bilateral filtration method with δ-SNR = 11.3362 dB and a runtime of 8.8900 s showed the highest efficiency.

Conclusion

Conclusion. The proposed methods for the pre-processing stage of 3D optical scans showed high efficiency in the formation of 3D models of prosthesis and orthosis modules. The results obtained can be used for automating the process of manufacturing various prosthetic and orthopedic products, which is particularly relevant in the context of the modern geopolitical situation.

протезно-ортопедическое изделиебилатеральная фильтрацияанизотропное сглаживаниесредняя и медианная фильтрация3D-сканprosthetics and orthoticsbilateral filteringvertex-based anisotropic smoothingmean and median filtering3D scanРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 2219-00573)This work was supported by the Russian Science Foundation (grant RSF 22-19-00573)ReferencesAdolescent idiopathic scoliosis: the effect of brace treatment on the incidence of surgery / C. J. Goldberg, D. P. Moore, E. E. Fogarty, F. E. Dowling // Spine. 2001. Vol. 26, № 1. P. 42–47. doi: 10.1097/00007632200101010-00009Goldberg C. J., Moore D. P., Fogarty E. E., Dowling F. E. Adolescent Idiopathic Scoliosis: the Effect of Brace Treatment on the Incidence of Surgery. Spine. 2001, vol. 26, no. 1, pp. 42–47. doi: 10.1097/00007632-200101010-00009Condie E., Scott H., Treweek Sh. Lower limb prosthetic outcome measures: a review of the literature 1995 to 2005 // J. of Prosthetics and Orthotics. 2006. Vol. 18, iss. 6. P. 13–45. doi: 10.1097/00008526-200601001-00004Condie E., Scott H., Treweek Sh. Lower Limb Prosthetic Outcome Measures: a Review of the Literature 1995 to 2005. J. of Prosthetics and Orthotics. 2006, vol. 18, iss. 6, pp. 13–45. doi: 10.1097/00008526200601001-00004World Health Organization. Guidelines for training personnel in developing countries for prosthetics and orthotics services. URL: https://www.afro.who.int/sites/default/files/2017-06/who_guidelines_training_personnel_en.pdf (дата обращения 11.10.2024)World Health Organization. Guidelines for training personnel in developing countries for prosthetics and orthotics services. Available at: https://www.afro.who.int/sites/default/files/2017-06/who_guidelines_training_ personnel_en.pdf (accessed 11.10.2024)A scoping literature review of the provision of orthoses and prostheses in resource-limited environments 2000–2010.Part two: research and outcomes / A. J. Ikeda, A. M. Grabowski, A. Lindsley, E. Sadeghi-Demneh, K. D. Reisinger // Prosthetics and orthotics international. 2014. Vol. 38, iss. 5. P. 343–362. doi: 10.1177/0309364613490443Ikeda A. J., Grabowski A. M., Lindsley A., Sadeghi-Demneh E., Reisinger K. D. A Scoping Literature Review of the Provision of Orthoses and Prostheses in Resource-Limited Environments 2000–2010. Part two: research and outcomes. Prosthetics and Orthotics International. 2014, vol. 38, iss. 5, pp. 343–362. doi: 10.1177/03093646134904433DToday 3D Systems iSence. URL: https://3dtoday.ru/3d-scaners/3d-systems/isense (дата обращения 11.10.2024)3DToday 3D Systems iSence. Available at: https://3dtoday.ru/3d-scaners/3d-systems/isense (accessed 11.10.2024)MeshLab 2022.02 release notes. Official GitHub repository. URL: https://github.com/cnr-isti-vclab/meshlab (дата обращения 02.08.2023)MeshLab 2022.02 Release Notes. Official GitHub Repository. Available at: https://github.com/cnr-isti-vclab/meshlab (accessed 02.08.2023)Advanced trans-tibial socket fabrication using selective laser sintering / B. Rogers, G. W. Bosker, R. H. Crawford, M. C. Faustini, R. R. Neptune, G. Walden, A. J. Gitter // Prosthetics and orthotics international. 2007. Vol. 31, № 1. P. 88–100. doi: 10.1080/03093640600983923Rogers B., Bosker G. W., Crawford R. H., Faustini M. C., Neptune R. R., Walden G., Gitter A. J. Advanced Trans-Tibial Socket Fab-Rication Using Selective Laser Sintering. Prosthetics and Orthotics International. 2007, vol. 31, no. 1, pp. 88–100. doi: 10.1080/03093640600983923Effects of lower limb prosthesis on activity, participation, and quality of life: a systematic review / K. A. M. Samuelsson, O. Töytäri, A.-L. Salminen, Å. Brandt // Prosthetics and Orthotics International. 2012. Vol. 36, iss. 2. P. 145– 158. doi: 10.1177/0309364611432794Samuelsson K. A. M., Töytäri O., Salminen A.-L., Brandt Å. Effects of Lower Limb Prosthesis on Activity, Participation, and Quality of Life: a Systematic Review. Prosthetics and Orthotics International. 2012, vol. 36, iss. 2, pp. 145–158. doi: 10.1177/0309364611432794Developments in the transtibial prosthetic socket fitting process: A review of past and present research / P. Sewell, S. Noroozi, J. Vinney, S. Andrews // Prosthetics and Orthotics International. 2000. Vol. 24, iss. 2. P. 97–107. doi: 10.1080/03093640008726532Sewell P., Noroozi S., Vinney J., Andrews S. Developments in the Transtibial Prosthetic Socket Fitting Process: a Review of Past and Present Research. Prosthetics and Orthotics International. 2000, vol. 24, iss. 2, pp. 97–107. doi: 10.1080/03093640008726532Structure. What are Structure Core's technical specifications? URL: https://support.structure.io/article/307-what-are-structure-cores-technical-specifications (дата обращения 03.10.2023)Structure. What are Structure Core's technical specifications? Available at: https://support.structure.io/article/307-what-are-structure-cores-technical-specifications (accessed 03.10.2023)Peyr'e G. The numerical tours of signal processingadvanced computational signal and image processing // IEEE Computing in Science and Engineering. 2011. Vol. 13, iss. 4. P. 94–97. doi: 10.1109/MCSE.2011.71Peyr'e G. The Numerical Tours of Signal Processing-Advanced Computational Signal and Image Processing. IEEE Computing in Science and Engineering. 2011, vol. 13, iss. 4, pp. 94–97. doi: 10.1109/MCSE.2011.71Geometric and Learning-based Mesh Denoising: A Comprehensive Survey / H. Chen, Zh. Li, M. Wei, J. Wang // ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications and Applications. 2022. Vol. 20, iss. 3. Art. № 85. P. 1–28. doi: 10.1145/3625098Chen H., Li Zh., Wei M., Wang J. Geometric and Learning-based Mesh Denoising: A Comprehensive Survey. ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications and Applications. 2022, vol. 20, iss. 3, art. no. 85, pp. 1–28. doi: 10.1145/3625098Mesh denoising by improved 3D geometric bilateral filter / S. Dutta, S. Banerjee, P. K. Biswas, P. Bhowmick // Fourth National Conf. on Computer Vision, Pattern Recognition, Image Processing and Graphics (NCVPRIPG), Jodhpur, India, 18–21 Dec. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/NCVPRIPG.2013.6776193Dutta S., Banerjee S., Biswas P. K., Bhowmick P. Mesh Denoising by Improved 3D Geometric Bilateral Filter. Fourth National Conf. on Computer Vision, Pattern Recognition, Image Processing and Graphics (NCVPRIPG), Jodhpur, India, 18–21 Dec. 2013. IEEE, 2013, pp. 1–4. doi: 10.1109/NCVPRIPG.2013.6776193Zhang Y., Hamza A. B. Vertex-based anisotropic smoothing of 3D mesh data // Canadian Conf. on Electrical and Computer Engineering, Ottawa, Canada, 07–10 May 2006. IEEE, 2006. P. 202–205. doi: 10.1109/CCECE.2006.277433Zhang Y., Hamza A. B. Vertex-Based Anisotropic Smoothing of 3D Mesh Data. Canadian Conf. on Electrical and Computer Engineering, Ottawa, Canada, 07–10 May 2006. IEEE, 2006, pp. 202–205. doi: 10.1109/CCECE.2006.277433Yagou H., Ohtake Y., Belyaev A. Mesh smoothing via mean and median filtering applied to face normal // Geometric modeling and processing. Theory and applications. Proc. of GMP 2002, Wako, Japan, 10–12 July 2002. IEEE, 2002. P. 124–131. doi: 10.1109/GMAP.2002.1027503Yagou H., Ohtake Y., Belyaev A. Mesh Smoothing via Mean and Median Filtering Applied to Face Normal. Geometric Modeling and Processing. Theory and Applications. Proc. of GMP 2002, Wako, Japan, 10–12 July 2002. IEEE. 2002, pp. 124–131. doi: 10.1109/GMAP.2002.1027503

The authors declare that there are no conflicts of interest present.