IT201700005188A1 - Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano - Google Patents
Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umanoInfo
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Description
Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano.
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano, particolarmente, ma non esclusivamente, adatto per la ricostruzione di tutori ortopedici su misura utilizzando sistemi CAD/CAM.
Stato dell’arte
Il computer aided design (CAD) utilizza un computer per modificare una rappresentazione tridimensionale (3D) di un oggetto. La rappresentazione così modificata può essere utilizzata con sistemi a computer aided manufacturing (CAM) per la fabbricazione dell’oggetto modificato. Per la realizzazione di tutori ortopedici su misura utilizzando sistemi CAD/CAM è necessario prima acquisire l’immagine tridimensionale dell’arto per ottenerne le misure. Le misure sono prese con lo scopo di realizzare un modello su cui progettare il tutore. Per una misura precisa l’arto deve essere in posizione immobile e di riposo, e non può subire pressioni che potrebbero provocare dolore e disagio al paziente. Una delle tecnologie più usate per acquisire l’immagine tridimensionale dell’arto (3D) è quella della camera 3D che utilizza il range imaging. Il range imaging è una collezione di tecniche in grado di misurare la distanza tra dei punti sull’immagine e la camera, utilizzando solo immagini bidimensionali. Gli scanner fissi o desktop che utilizzano una qualsiasi di queste tecniche di range imaging , e che attualmente rappresentano lo stato dell’arte in questo campo presentano vari limiti. Come in CN203873121, gli scanner di questo tipo obbligano l’arto da scansionare a ruotare di 360° su una piattaforma girevole per permettere di acquisire l’intera geometria. Questa tipologia è adatta solo alla scansione di arti inferiori di piccole dimensioni, e che non presentino traumi, in quanto il paziente durante il tempo di scansione si trova in una posizione di forte disagio. Gli scanner del tipo mostrato in KR101381137 hanno tutti dimensioni di scansione fisse e ridotte che ne preclude l’utilizzo per arti di grandi dimensioni. Inoltre il piano di appoggio a causa della pressione esercitata dall’arto su di esso deforma leggermente le dimensioni dell’arto e questo può compromettere la realizzazione del tutore. La tipologia mostrata in CN104160333 è in grado di acquisire immagini molto grandi ma presenta il forte svantaggio delle dimensioni.
US2014/100950 descrive un sistema di ricostruzione tridimensionale di immagini e un dispositivo di scansione tenuto a mano per acquisire immagini tridimensionali. Il dispositivo è solamente adatto per la ricostruzione di piccoli organi quali i denti, ma non riesce ad acquisire una successione di immagini in quanto il punto di vista della fotocamera varia spostando la mano.
US2009/109279 descrive una fotocamera panoramica che comprende un supporto che include una base di appoggio, un montante, che si estende dalla base di appoggio, e un alloggiamento che è montato rotante sul montante. Il dispositivo descritto non è in grado di riprendere un oggetto con una scansione a 360°.
Sommario
La presente invenzione fornisce un apparato innovativo per la scansione di parti anatomiche di diverse dimensioni in maniera automatica ed ottimizzata. Il sistema comprende una camera 3D collegata ad una struttura ad L motorizzata che la ruota di 360° intorno all’arto da scansionare. In questo modo è possibile ottenere un’immagine tridimensionale senza contatto con la parte anatomica che si trova in posizione di riposo senza utilizzare un piano d’appoggio prevenendo così movimenti con disagio o dolore per il paziente ed eventuali artefatti. È presente anche una componente software responsabile del controllo ed ottimizzazione del processo di scansione del movimento della camera 3D.
Le difficoltà e gli svantaggi presenti nello stato dell’arte sono superati dalla presente invenzione che realizza un dispositivo per la ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano comprendente una fotocamera 3D per l’acquisizione di immagini, una struttura, una fonte di luce e un motore elettrico per l’azionamento della rotazione della struttura caratterizzato dal fatto che inoltre comprende un giroscopio 3D digitale posizionato sulla struttura, che la struttura è una struttura formata da un primo membro perpendicolare all’asse di rotazione e un secondo membro parallelo all’asse di rotazione, che la fotocamera 3D e la fonte di luce sono montati scorrevoli sul secondo membro parallelo all’asse di rotazione rivolti verso l’asse di rotazione, che il secondo membro parallelo all’asse di rotazione è montato scorrevole sul primo membro perpendicolare all’asse di rotazione, che l’organo del corpo umano da ricostruire viene disposto lungo l’asse di rotazione, che la fotocamera 3D ha un angolo di campo orizzontale β che consente di riprendere l’intero organo del corpo umano, che detto dispositivo è collegato ad un computer provvisto di software dedicato al controllo della scansione che acquisisce le immagini e i dati del giroscopio, che detto software sincronizza e ottimizza l’acquisizione delle immagini per evitare sovrapposizioni della stessa area e quindi artefatti nella scansione.
Altra caratteristica è data dal fatto che il software prevede la lettura della velocità di acquisizione dell’immagine in ogni istante (Frt) e la comparazione con la velocità di acquisizione minima possibile (Frmin) e se la Frt risulta minore di Frmin il software rallenterà la velocità di rotazione da Vt a Vi secondo la formula:
Altra caratteristica è data dal fatto che il motore elettrico è un motore passo passo connesso ad una scatola di riduzione per sostenere il peso della struttura.
Altra caratteristica è data dal fatto che il controllo del motore è basato su una tecnica di modulazione di impulsi PWM che permette di controllare velocità e posizione.
Altra caratteristica è data dal fatto che il segnale PWM è ottenuto utilizzando un driver per motori passo passo ed un microcontrollore alimentati da una sorgente a 12 V.
Altra caratteristica è data dal fatto che in caso vi sia un evidente tremore dell’arto da scansionare per evitare artefatti è prevista una placca di supporto rimovibile è disposta per sostenere l’organo del corpo umano da scansionare.
Altra caratteristica è data dal fatto che, se la placca di supporto non permette la rotazione della struttura di un determinato angolo, l’angolo di campo verticale α deve essere superiore al determinato angolo interdetto alla rotazione.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione qui appresso di un modo di realizzazione della presente invenzione dato a titolo d'esempio non limitativo dalle figure 1, 2a, 2b, 2c, 3 e 4.
Breve descrizione delle figure
La figura 1 rappresenta una vista assonometrica del dispositivo di ricostruzione tridimensionale oggetto della presente invenzione.
La figura 2a rappresenta il dispositivo oggetto della presente invenzione posto ad una altezza tale che consente, con l’angolo di campo orizzontale posseduto dalla camera 3D, di scansionare esattamente l’organo interessato.
La figura 2b rappresenta il dispositivo oggetto della presente invenzione posto ad una altezza tale che consente, con l’angolo di campo orizzontale posseduto dalla camera 3D, di scansionare una lunghezza superiore all’organo interessato.
La figura 2c rappresenta il dispositivo oggetto della presente invenzione posto ad una altezza tale che consente, con l’angolo di campo orizzontale posseduto dalla camera 3D, di scansionare una parte dell’organo interessato.
La figura 3 rappresenta l’angolo di campo verticale (α) e l’angolo di campo orizzontale (β) posseduti dalla camera 3D utilizzata dalla presente invenzione.
La figura 4 rappresenta un diagramma a blocchi del software utilizzato dalla presente invenzione.
Modo di realizzazione preferita dell’invenzione
Facendo riferimento alle figure 1-3 la soluzione tecnica della presente invenzione è composta da una camera 3D (Fig.1-1) che viene fatta ruotare a distanza costante intorno all’arto traumatizzato riuscendo a catturare l’immagine tridimensionale di quest’ultimo in pochi minuti senza che il paziente vada in contro a dolorosi movimenti. La camera è caratterizzata da 3 elementi: la velocità di acquisizione immagini (Frmax), l’angolo di campo verticale (α) e l’angolo di campo orizzontale (β) come mostrato in Fig.3, ed è fissata ad una struttura di alluminio (Fig.1-2) a forma di L delle dimensioni variabili avente un primo membro perpendicolare all’asse di rotazione di altezza a ed un secondo membro parallelo all’asse di rotazione di larghezza b, che mantengono stabile e costante la distanza dall’arto che è posizionato in coincidenza dell’asse di rotazione z (Fig1). In corrispondenza della camera 3D è presente una fonte di luce che svolge il compito di omogenizzare l’illuminazione in maniera uniforme sulla parte anatomica da scansionare, in quanto un’illuminazione scorretta potrebbe creare degli artefatti sul modello 3D finale o aumentare i tempi di scansione. La posizione della camera 3D può essere modificata manualmente o in maniera motorizzata, infatti facendo scorrere il membro b sul membro a, che rappresenta anche la distanza tra la camera 3D e l’asse di rotazione z, è possibile aumentare l’area scansionabile (Fig.2-b), facendo scorrere la camera 3D sul membro b invece, è possibile cambiare l’area soggetta a scansione (Fig.2-c).
In caso ci sia un evidente tremore dell’arto da scansionare è possibile montare una placca di supporto (9) a sostegno della parte terminale dell’arto per evitare artefatti durante il procedimento di scansione. In caso il design del supporto permetta solo una rotazione della struttura ad L inferiore a 360°, è quindi necessario, per acquisire invece la completa scansione tridimensionale dell’arto, che l’angolo interdetto alla rotazione, dalle dimensioni del supporto, sia minore o uguale all’angolo di campo verticale α. Per ottenere il movimento della rotazione abbiamo utilizzato un motore passo passo (3) connesso ad una scatola di riduzione (4) per sostenere il peso della struttura. Il controllo del motore è basato sulla tecnica di modulazione di impulsi (PWM) che ci permette di controllarle velocità e posizione. Il segnale PWM è ottenuto utilizzando un driver per motori passo passo (5) ed un microcontrollore (6) alimentati da una sorgente a 12 V (7). Un giroscopio 3D digitale (8) è stato posizionato sulla struttura in alluminio per fornire un feedback in tempo reale sulla rotazione e costituisce un sistema di rispetto dell’algoritmo che controlla la rotazione. Grazie al giroscopio, infatti, è possibile ottenere il valore della velocità radiale, ed il valore dell'angolo in cui si trova posizionata la struttura in ogni istante durante la rotazione. Sulla scocca, contenente motore ed elettronica, è presente una pulsantiera che permette il controllo manuale della posizione della struttura ad L e l’avvio della scansione. Il dispositivo di scansione è provvisto di due porte usb per il collegamento ad un computer provvisto del software dedicato al controllo della scansione. Per quanto riguarda il design del dispositivo le dimensioni della scocca sono sufficienti a contenere il motore con la scatola di riduzione, l’elettronica e il modulo di alimentazione.
Essendo un organo umano soggetto a spasmi, tremori e movimenti involontari, per ottenere una scansione ottimale priva di artifizi di alcun tipo, è necessario che l’acquisizione delle immagini sia effettuata nel più breve lasso di tempo possibile da ogni angolazione. D’altro canto un’eccessiva velocità di acquisizione delle immagini, combinata ad un’eccessiva velocità di rotazione intorno all’organo, otterrebbero l’effetto opposto, compromettendo la qualità dei dettagli acquisibili. Per risolvere questo ostacolo abbiamo implementato un algoritmo di ottimizzazioni all’interno del software, questo algoritmo è responsabile del controllo del sistema di rotazione della struttura ad L che viene sincronizzata all’acquisizione dell’immagine. L’ottimizzazione prevede la lettura della velocità di acquisizione dell’immagine (Frame rate acquisition) in ogni istante (Frt) e la comparazione con la velocità di acquisizione minima possibile (Frmin). Se la Frt risulta minore di Frmin il software rallenterà la velocità di rotazione da Vt a Vi secondo la formula:
Assicurando che la camera, durante una rotazione completa, acquisisca un numero sufficiente di immagini per ottenere la scansione 3D.
Con la soluzione della presente invenzione, quindi, è possibile effettuare, in maniera automatizzata, una scansione completa a 360° dell’arto in pochi secondi mantenendo l’arto del paziente in posizione di riposo.
Il trovato, bene inteso, non si limita alla forma di realizzazione descritta ma può ricevere perfezionamenti e modifiche dall'uomo del mestiere senza uscire per altro dal quadro del brevetto. La presente invenzione consente numerosi vantaggi e di superare difficoltà che non potevano essere vinte con i sistemi attualmente in commercio.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano comprendente una fotocamera 3D (1) per l’acquisizione di immagini, una struttura (2), una fonte di luce e un motore elettrico (3) per l’azionamento della rotazione della struttura (2) caratterizzato dal fatto che inoltre comprende un giroscopio 3D digitale (8) posizionato sulla struttura (2), che la struttura (2) è una struttura formata da un primo membro (a) perpendicolare all’asse di rotazione della struttura (2) e un secondo membro (b) parallelo all’asse di rotazione della struttura (2), che la fotocamera 3D (1) e la fonte di luce sono montati scorrevoli sul secondo membro (b) parallelo all’asse di rotazione rivolti verso l’asse di rotazione, che il secondo membro (b) parallelo all’asse di rotazione è montato scorrevole sul primo membro (a) perpendicolare all’asse di rotazione, che l’organo del corpo umano da ricostruire viene disposto lungo l’asse di rotazione, che la fotocamera 3D (1) ha un angolo di campo orizzontale β che consente di riprendere l’intero organo del corpo umano, che detto dispositivo è collegato ad un computer provvisto di software dedicato al controllo della scansione che acquisisce immagini e dati del giroscopio 3D digitale, che detto software sincronizza e ottimizza l’acquisizione delle immagini per evitare sovrapposizioni della stessa area e quindi artefatti nella scansione.
- 2. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il software prevede la lettura della velocità di acquisizione dell’immagine in ogni istante (Frt) e la comparazione con la velocità di acquisizione minima possibile (Frmin) e se la Frt risulta minore di Frmin il software rallenterà la velocità di rotazione da Vt a Vi secondo la formula:
- 3. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il motore elettrico (3) è un motore passo passo connesso ad una scatola di riduzione (4) per sostenere il peso della struttura (2).
- 4. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il controllo del motore (3) è basato su una tecnica di modulazione di impulsi PWM che permette di controllare velocità e posizione.
- 5. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che il segnale PWM è ottenuto utilizzando un driver per motori passo passo ed un microcontrollore alimentati da una sorgente a 12 V.
- 6. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo una qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che una placca di supporto (9) è disposta per sostenere l’organo del corpo umano da scansionate.
- 7. Dispositivo di ricostruzione tridimensionale di organi del corpo umano secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che, se la placca di supporto non permette la rotazione della struttura (2) di un determinato angolo, l’angolo di campo verticale α deve essere superiore al determinato angolo interdetto alla rotazione.
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Citations (4)
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| TWM515096U (zh) * | 2015-08-26 | 2016-01-01 | 優克材料科技股份有限公司 | 應用於三維掃描儀的輔助裝置 |
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- 2017-01-18 IT IT102017000005188A patent/IT201700005188A1/it unknown
Patent Citations (4)
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