Сглаживание поверхностей 3D-моделей протезно-ортопедических изделий

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

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. 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. 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.

1. Adolescent 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: 10.1097/00007632200101010-00009

2. Condie 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: 10.1097/00008526-200601001-00004

3. World 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)

4. 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: 10.1177/0309364613490443

5. 3DToday 3D Systems iSence. URL: https://3dtoday.ru/3d-scaners/3d-systems/isense (дата обращения 11.10.2024)

6. MeshLab 2022.02 release notes. Official GitHub repository. URL: https://github.com/cnr-isti-vclab/meshlab (дата обращения 02.08.2023)

7. 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: 10.1080/03093640600983923

8. Effects 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: 10.1177/0309364611432794

9. Developments 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: 10.1080/03093640008726532

10. Structure. 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)

11. 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.2011.71

12. Geometric 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: 10.1145/3625098

13. Mesh 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.2013.6776193

14. Zhang 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.2006.277433

15. Yagou 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.2002.1027503