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LES DIGITITALISEURS A LUMIERE STRUCTUREE

Est-il possible de réaliser un corset correcteur de scoliose avec une précision suffisante, à l'aide du "Structure Sensor" de l'ipad ?

En France, la plupart des appareilleurs sont équipés avec le "Structure Sensor" de l'iPad et de nombreux corsets de Chêneau (corsets correcteurs de scoliose remboursés 1900 € par la Sécurité Sociale) sont réalisés avec ce type de moulage digital.  Ce dispositif n'étant pas certifié, et les informations relatives à sa précision étant vagues : "S’il est petit, Structure Sensor n’en est pas moins précis : il permet de scanner à une distance de 40 cm environ, pour une précision de +/- 4 mm.[1], une revue complète de la littérature nous a paru indispensable, d'autant que la précision de la plupart des systèmes CAD/CAM optiques utilisés jusqu'à présent pour la scoliose est inférieure à 1 mm et non 8 mm.

HISTORIQUE et DEFINITIONS

Le "Structure Sensor" de l'iPad utilise un système de reconstruction 3D à partir d'un maillage en polygones (MESH) en temps réel à une cadence de 30 images par seconde. Le maillage est créé par la triangulation décrite en 1992 par Bern et Eppstein. [2]

L'appareil utilise un procédé connu sous le nom de lumière structurée, dans lequel un projecteur laser infrarouge (ci dessous en mauve) émet un motif de pixel spécifique sur la scène en face de celui-ci. les micro-lentilles du projecteur ont des longueurs focales différentes qui émettent un rayonnement infrarouge formant un motif non uniforme de points qui varie avec la distance du capteur. Le motif de référence est stocké dans la mémoire du capteur pour aider à établir les correspondances entre les points du motif et calculer les données de profondeur. [3] .

Le capteur infrarouge du "Structure Sensor" (ci dessous en bleu) enregistre alors des distorsions dans ce motif de points à la résolution VGA (640/480)  lorsque l'iPad se déplace autour de l'objet à numériser, créant une carte de profondeur (3D) de la scène et les objets qui s'y trouvent.

Le détecteur infrarouge du "Structure Sensor"a été développé initialement par PrimeSense, maintenant détenue par Apple, qui a conçu le capteur 3D pour Kinect de Microsoft. Grâce aux algorithmes de traitement d'image et de triangulation, la distorsion du motif projeté est convertie en informations 3D. Khoshelham et Elberink ont étudié la corrélation entre la distorsion et la profondeur, constatant que les valeurs de distorsion sont inversement proportionnelles à la profondeur réelle d'un point Z. [4] L'appareil utilise également l'appareil photo de l'iPad (ci dessus en rouge) pour enregistrer et superposer les données en couleur. La précision des images couleur en XYétant largement supérieure à la précision de la profondeur Z.

La première publication du "Structure Sensor"  sous le terme de GADGET date du 17 septembre 2013 [5]. Seules 4 publications sur les 50 consultées parlent de la précision du capteur.

En mars 2014 Beziade publie les caractéristiques de précision du Structure Sensor : (1% de la distance mesurée) d'où les +/- 4 mm à 40 cm de distance, qui est la distance minimale.[6]

En septembre 2016 lors d'un interview Jeffrey Powers le Pdg d'Occipital parle de l'application en médecine : "  One industry that surprised us is the medical industry, where over a dozen Structure Sensor apps have been launched. We actually never expected this – but as it turns out, 3D capture has been used in the medical world for decades. It just used to cost tens of thousands of dollars and had a high learning curve. Structure Sensor has changed that and is becoming the de-facto device for a number of areas like orthotics and prosthetics."  [7]

"Une industrie qui nous a surpris est l'industrie médicale, où plus d'une douzaine d'applications Structure Sensor ont été lancées. Nous ne nous sommes jamais attendus à cela - mais, il est vrai que la capture 3D a été utilisée dans le monde médical depuis des décennies. L'utilisation pouvait coûter des dizaines de milliers de dollars et avait une courbe d'apprentissage élevée. Structure Sensor a changé cela et devient le dispositif de facto pour un certain nombre de domaines tels que les orthèses et les prothèses."

Le "low cost" est un argument majeur, pas la précision.
 

CARACTERISTIQUES DU "STRUCTURE SENSOR" DE L'iPad

Le Structure Sensor se fixe de façon précise sur l'ipad, un logiciel de calibration pour contrôler l'alignement est disponible.

Le résultats est parfois discutable...

Salvador Dali aurait sans doute représenté ainsi le "Rubik's cube"

Résultats et Discussion

1. Ces sensors ont été créés pour une cible qui ne bouge pas : murs d'une pièce ou objet. L'utilisateur tourne sur place de 360° et l'on imagine qu'il peut le faire dans un cercle relativement restreint. Il n’a pas été créé pour une cible vivante qui bouge et respire. 30 secondes minimum sont nécessaires pour la capture d'un tronc; l'immobilité complète est donc impossible et l'enfant va être obligé de respirer et sans doute bouger. Contrairement au moulage plâtré qui correspond à une moyenne entre inspiration et expiration et dont la rigidité favorise l'immobilisation, aucun contrôle n'est possible avec l'iPad.

2. Kalantari et Nechifor ont étudié la courbe de précision en fonction de la distance. Cette courbe n'est pas linéaire et pour la scoliose la précision de 4 mm indiquée sur la fiche technique n'est pas valable, car la distance entre l'IPad et la cible est en moyenne d'1,15 mètre. La table ci dessous nous indique une précision de 7 mm pour 1m40 de distance. [8]

Le pourcentage moyen d'erreur relative (MRE) a été calculé à 12,217% par rapport aux mesures réelles. Actuellement pour la réalisation de l'ARTbrace, nous utilisons 16 capteurs, ce qui permet de diminuer la marge d'erreur.

3. Contrairement aux systèmes optiques, la précision est moindre au centre de l'image par rapport à la périphérie. [8]

4. Depuis octobre 2015, Occipital a racheté la Société Lynx spécialiste des algorithmes 3D améliorant la cartographie et surtout diminuant les artefacts, mais malheureusement pas la précision intrinsèque comme l'indique Jeffrey Powers: "Lynx's IP won't increase the resolution of the Structure Sensor, but it cuts back on the sensor mapping errors by up to 90 percent." [9] 

"L'IP de Lynx n'augmente pas la résolution du capteur, mais il réduit les erreurs de cartographie des capteurs jusqu'à 90%."

5. En ce qui concerne la réalisation d'un plâtre digital, il n’existe aucune possibilité de contrôle visuel de la position dans le plan frontal et sagittal. Les points de repérage nécessaires à la superposition sont très mal visibles sur l’écran et les logiciel de capture ne permettent pas de les intégrer.

6. A titre de comparaison, actuellement la résolution en profondeur sur l'axe Z des imprimantes 3D est de 0.1 mm

En CONCLUSION

En 2017, le "Structure Sensor" d'Apple est un digitiseur Low Cost d'une précision très inférieure à 4mm en imaginant qu'un enfant est capable de rester parfaitement immobile pendant 30 secondes.  Si cette précision peut être discutée pour la réalisation d'un corset d'immobilisation, elle ne peut en aucun cas être utilisée pour un corset à très haute rigidité tel que l'ARTbrace.

Réferences:

1. Rodin 4D : Solution globale de CFAO pour l'orthopédie. Disponible sur :  <http://rodin4d.com/fr/produits/acquisition/structure-sensor> (consulté le 30.09.2017)

2. Bern M, and  Eppstein D. 1992. “Mesh Generation and Optimal Triangulation.” Computing in Euclidean Geometry 1: 23–90.10.1142/LNSC

3. Freedman B,  Shpunt A,  Machline M,  Arieli Y. 2012. Depth mapping using projected patterns. US Patent 8150142, filed April 3.

4. Khoshelham K,   Elberink SO. 2012. “Accuracy and Resolution of Kinect Depth Data for Indoor Mapping Applications.” Sensors 12 (2): 1437–1454.10.3390/s120201437

5. Pachal P. This Gadget Turns Your iPad Into a Powerful 3D Scanner. Mashable — September 17th, 2013 Disponible sur : <http://mashable.com/2013/09/17/structure-sensor/#NomqK0e1Pmq7> (consulté le 30.09.2017)

6. Beziade V. Structure Sensor: votre tablette devient un scanner pour imprimante 3D. Tablette Tactile — March 3rd, 2014 Disponible sur : <https://www.tablette-tactile.net/accessoire/structure-sensor-scanner-imprimante-3d-151279/> (consulté le 30.09.2017)

7. Motley J. Meet the man behind the first 3D sensor designed for mobile. Vatornews — September 1st, 2016 Disponible sur <http://vator.tv/news/2016-09-01-meet-the-man-behind-the-first-3d-sensor-designed-for-mobile> (consulté le 30.09.2017)

8. Kalantari M,   Nechifor M. (2016) Accuracy and utility of the Structure Sensor for collecting 3D indoor information, Geo-spatial Information Science, 19:3, 202-209,

9. O'Kane S. The best portable 3D scanner is about to get way more precise. The verge — November 18th, 2015 Disponible sur <https://www.theverge.com/2015/11/18/9758078/occipital-structure-sensor-lynx-laboratories> (consulté le 30.09.2017)


Auteur : Dr Jean Claude de Mauroy (Médecine Orthopédique). Le Dr de Mauroy est l'un des pionniers du moulage digital.

Cette page a été mise à jour pour la dernière fois le : 30 octobre 2017

"Conflit d’intérêts : Le Dr Jean Claude de Mauroy est co-inventeur du nouveau corset ARTbrace". Le système ARTbrace utilise un digitiseur instantané comportant16 caméras à lumière structurée.


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