Évaluation de la précision de systèmes d'acquisition de la géométrie 3D du tronc pour la conception de corsets personnalisés

La Scoliose Idiopathique de l'Adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Quand elle est modérée (20° < Angle de Cobb < 40°), elle est traitée par le port d'un corset rigide. Le corset exerce des forces sur la surface externe du tronc du patient pour arrêter la progression de la déformation. 75% des patients atteints de SIA modérée ont pu éviter la chirurgie en portant un corset. Il est prescrit pour une durée de 18 à 23 heures par jour mais beaucoup de patients n'adhèrent pas au traitement à cause de son incommodité, ce qui affecte le résultat. Vu que la réussite du traitement repose sur le port du corset pour une longue durée, les chercheurs au CHU Sainte-Justine (CHUSJ) ont pu concevoir des corsets confortables, personnalisés à la forme 3D de la géométrie des troncs des patients. Ces corsets sont plus minces et sont plus tolérés par les patients. La conception des corsets personnalisés repose sur la surface externe 3D des troncs des patients acquise par un système de topographie de surface 3D. Ces systèmes sont non irradiants, ils projettent une lumière blanche, infrarouge ou proche infrarouge sur l'objet à numériser. La lumière réfléchie par la cible est captée par la caméra du système qui reconstruit la forme 3D de l'objet. De nombreux systèmes sont disponibles sur le marché utilisant différentes techniques et offrant une variété de choix en termes de résolution et de prix. Le système InSpeck Capturor II LF a été utilisé durant les études faites au CHUSJ, la géométrie 3D reconstruite par ce système présente la précision nécessaire pour la fabrication de ces corsets. InSpeck est formé de 4 numériseurs fixes, chaque numériseur comporte un projecteur de franges à lumière blanche et une caméra. Ils reconstruisent la géométrie 3D de l'objet numérisé ainsi que sa texture. Cependant, ce système est lourd, coûteux et fixe ; c'est pourquoi les orthésistes d'Orthèse Prothèse Rive Sud au CHUSJ utilisent un nouveau système : le Structure Sensor. Structure Sensor est un petit dispositif qui est attaché à un appareil mobile (un iPhone ou un iPad) et qui reconstruit la forme 3D et la texture de l'objet numérisé en le balayant à une distance de 40 à 50 cm. Il est donc mobile, léger, plus facile à manipuler et moins cher que InSpeck. Par conséquent, notre étude a pour objectif de comparer la précision de Structure Sensor par rapport à InSpeck dans le but de concevoir des corsets personnalisés. Le BodyScan, un troisième système de topographie de surface 3D portable, disponible au CHUSJ pour des fins de recherche, est aussi inclus dans l'étude pour l'évaluer par rapport aux deux autres systèmes. Ce système, par contre, ne capte pas la texture. Dans la première partie de l'étude, nous évaluons les systèmes de topographie en numérisant un mannequin anthropomorphique. Nous avons placé 46 marqueurs sur le mannequin, que nous avons numérisé tout d'abord avec une machine à mesurer tridimensionnelle (Coordinate Measuring Machine (CMM)) ayant une résolution de 10 nm. Les coordonnées 3D des marqueurs sont alors obtenues avec une haute précision et servent de vérité terrain. Le mannequin est ensuite numérisé trois fois avec chacun des systèmes. Nous avons évalué la précision de la reconstruction 3D de chacun des numériseurs en calculant la distance normale résiduelle séparant chacune des surfaces du nuage de points obtenu avec la CMM. Ensuite, nous avons calculé la distance moyenne bidirectionnelle qui sépare les paires de surfaces obtenues avec le même système afin d'évaluer leur répétabilité. Enfin, pour comparer le plaquage de texture entre InSpeck et Structure Sensor, nous avons sélectionné les marqueurs apparents sur les reconstructions 3D puis nous avons mesuré la distance euclidienne séparant ces marqueurs de la vérité terrain. Les distances moyennes bidirectionnelles obtenues sont respectivement 0,4755 mm ; 0,5316 mm ; 0,7395mm pour BodyScan, InSpeck et Structure Sensor. La répétabilité des mesures fournies par les trois systèmes est comparable vu l'objectif de l'étude. Une visualisation de la distribution des distances sur les surfaces montre que la variabilité entre les essais n'est pas localisée au niveau des régions du tronc couvertes par le corset. Le résultat des tests statistiques appliqués sur les distances normales résiduelles montre que les trois systèmes présentent une bonne variabilité inter-essais ; les précisions de Structure Sensor et InSpeck sont comparables (moyennes respectives de 0,74 mm et 0,58 mm), BodyScan est légèrement plus précis (moyenne : 0,41 mm). Enfin le plaquage de texture est plus précis sur les acquisitions faites avec InSpeck que celles obtenues avec le Structure Sensor, présentant respectivement des moyennes de distance de 2,5 mm et 3,2 mm. La deuxième partie de l'étude consiste à comparer InSpeck et Structure Sensor en effectuant des acquisitions sur des patients atteints de SIA modérée recrutés au CHUSJ. Nous plaçons 11 marqueurs radio-opaques sur des repères anatomiques puis nous demandons à chaque patient de passer un examen radiographique (acquisition de deux radiographies biplanaires). Nous effectuons ensuite une acquisition du patient avec le système InSpeck et deux acquisitions avec Structure Sensor par deux opérateurs différents. Nous comparons chacune des surfaces Structure Sensor à InSpeck (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck) et les deux surfaces Structure Sensor entre elles (SS1 - SS2) en mesurant la distance moyenne bidirectionnelle qui les sépare. Nous obtenons une moyenne de 5,65 mm entre les deux systèmes, et de 2,69 mm entre les deux opérateurs du Structure Sensor. Les différences entre les deux systèmes sont dues à des variations au niveau des protocoles expérimentaux et du mouvement du patient. Une simulation du corset sur les modèles 3D des troncs des patients a montré que les différences obtenues n'affectent pas les régions d'appui du corset et par conséquent sa conception. La variation entre les opérateurs du Structure Sensor est essentiellement causée par le mouve-ment du patient et la vitesse de balayage durant l'acquisition qui affecte la qualité de la reconstruction. Nous avons aussi mesuré les indices d'asymétrie du tronc sur les 3 surfaces obtenues pour chaque patient. En évaluant les différences entre les paires (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck et SS1 - SS2), nous avons constaté que les mêmes variations observées précédemment affectent les mesures. Enfin, nous avons comparé la correction du corset, en simulant l'e˙et des forces appliquées sur les modèles en éléments finis de 6 patients. Les angles de Cobb obtenus après la simulation présentent une variation moyenne de 2,4° entre les systèmes, cette différence est relativement faible par rapport à l'erreur de mesure de l'angle de Cobb. La dernière étape du projet consiste à évaluer le recalage des structures osseuses internes aux surfaces externes par deux méthodes. La première consiste à effectuer un recalage manuel, l'utilisateur positionne les structures l'une par rapport à l'autre ; la deuxième est automatique, le logiciel effectue le recalage en se basant sur les positions des marqueurs radio-opaques. Dans le but de les comparer, nous avons simulé le corset sur les modèles en éléments finis du même patient obtenus suite à un recalage automatique et manuel. La différence d'angle de Cobb obtenue par les deux méthodes est de 1,77°. La méthode de recalage affecte légèrement la simulation du corset, une simulation sur une cohorte plus large de patients est nécessaire pour confirmer le résultat. L'étude faite sur le mannequin anthropomorphique montre que les trois systèmes de topographie de surface 3D présentent une précision comparable, avec BodyScan légèrement plus précis que les deux autres. De plus, la variabilité inter-essais des trois systèmes est bonne. Pour prendre en compte les variations introduites par les patients, nous avons recruté des patients SIA au CHUSJ. L'étude sur les patients a montré que les différences mesurées entre les systèmes n'affectent pas la conception des corsets personnalisés bien que InSpeck soit plus précis que Structure Sensor. Les mesures faites en clinique par les orthésistes compensent les variations. La précision du Structure Sensor peut-être aussi améliorée en amenant quelques modifications au protocole d'acquisition. De plus, la taille de l'appareil, la facilité de son utilisation et son faible coût par rapport à InSpeck, le rend plus pratique en clinique. Les prochains travaux pourront évaluer la répétabilité des mesures fournies par Structure Sensor en demandant au même opérateur d'effectuer plusieurs acquisitions sur le même patient. Cette étude a démontré que le Structure Sensor permet une acquisition fiable de la géométrie externe du tronc et que sa précision est suffisante pour la conception de corsets personnalisés. Ce système pourrait donc être déployé dans les institutions étant donné que son prix est raisonnable.

Abstract

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a 3D deformation of the spine, its severity depends on the angle of curvature (the Cobb angle). When it is moderate (20° < Cobb angle < 40°), the patient is asked to wear a brace to stop the worsening of the curvature and to avoid surgery. 75% of patients showing a moderate scoliosis were able to avoid surgery by wearing a brace. A high success rate is achieved when it is worn from 18 to 23 hours a day but due to the discomfort that it causes, patients find it difficult to follow the treatment. This is why researchers at CHUSJ were working for the past 20 years on designing more comfortable braces, by personalizing them to the 3D shape of the patients' trunks. They were able to make thinner braces that are therefore more tolerated by the patients. One major step in making the customized braces is the acquisition of the 3D external surface of the patient's trunk with a 3D surface topography system. These systems project white, in-frared or near-infrared light on the object. The light reflection by the target is then captured by the system's camera. The information captured by the camera is used to reconstruct the 3D shape of the object. There are many systems available on the market using different reconstruction techniques and offering a variety of choices in terms of resolution and price. During the past years, in CHUSJ, the InSpeck Capturor II LF system was used in clinic and in several studies, it shows a good precision for customized braces making. InSpeck comprises 4 fixed digitizers, each digitizer includes a white light fringe projector and a camera. The 3D reconstruction of the object includes its geometry and its texture. However, it is large, heavy, fixed and costly ; this is why Orthèse Prothèse Rive Sud orthotists in CHUSJ use a new system : the Structure Sensor. Structure Sensor is a small apparatus that is attached to a mobile device (iPhone or iPad). By moving it around the object at a distance of 40 to 50 cms, it acquires its 3D shape and texture. It is easier to use, lighter and less expensive than InSpeck. We therefore aim to evaluate Structure Sensor's accuracy and compare it to InSpeck's in order to recommend the most suitable one for making customized braces. The BodyScan is a third 3D surface topography system, it is a handheld device that only acquires the 3D geometry. Being available at CHUSJ for research purposes, we include it in the study to compare its precision and repeatability to the other two systems. In the first part of the study, we assess the systems' accuracy and repeatability by scanning an anthropomorphic manikin. First, we placed 46 markers on the manikin, then we digitized it using a coordinate measuring machine (CMM) having a resolution of 10 nm. The 3D coor-dinates of the markers are therefore obtained with high precision and serve as ground truth. The manikin is then scanned three times with each of the systems. To evaluate their accu-racy, we calculate the residual normal distance separating each of the surfaces to the CMM point cloud. Then, we computed the bidirectional point to surface mean distance between the pairs of surfaces acquired with the same system in order to assess their repeatability. We also compared Structure Sensor's texture mapping to InSpeck's by selecting the visible markers on the 3D reconstructions and measuring the Euclidean distance separating these markers from the ground truth. The three systems show similar repeatability. The measured bidirectional point to sur-face mean distances are 0.4755 mm, 0.5316 mm and 0.7395mm for BodyScan, InSpeck and Structure Sensor respectively. To better assess the repeatability, we displayed the distance distribution on the surfaces. It showed that the regions with the highest variability are not interesting for the making of customized braces. We applied a statistical analysis on the residual normal distances, it confirmed the previous result, the three systems have a similar inter-test variability. It also showed that the difference between Structure Sensor and InSpeck's accuracies is not significant, whereas BodyScan is more accurate. The residual normal distances' respective averages are 0.74 mm, 0.58 mm, 0.41 mm for InSpeck, Structure Sensor and BodyScan. At last, the Euclidean distances averages measured between the selected markers and the ground truth are 2.5 mm for InSpeck and 3.2 mm for Structure Sensor, with InSpeck being more accurate in terms of texture mapping than Structure Sensor. In the second part of the study we compared Structure Sensor to InSpeck by recruiting AIS patients in CHUSJ. We placed radio-opaque markers on 11 anatomical landmarks then did an X-ray examination of the patient (acquisition of 2 biplanar radiographies). We then scanned each patient once with InSpeck and twice with Structure Sensor by two different operators (SS1 and SS2). We coupled the 3 surfaces as follows : SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck and SS1 - SS2, then measured the bidirectional point to surface mean distance between them. The average distances obtained are 5.65 mm between the two systems, and 2.69 mm between Structure Sensor's operators. Variations in experimental protocols as well as the patients' movement are the reason behind the di˙erences observed between the two systems. We simulated the braces' corrections on the patients' 3D models to visualize the pressures applied on the trunk, it showed that the observed differences do not affect the brace's points of support and therefore do not affect its making process. The distance between surfaces acquired by the two Structure Sensor operators is primarily caused by the movement of the patient and the scanning time. The slower the device is moved around the patient, the more points are acquired and less holes are visible. We also measured the trunk asymmetry indices on the 3 surfaces obtained for each patient. The differences observed on the horizontal trunk sections of the pairs (SS1 - InSpek, SS2 -InSpeck and SS1 - SS2) are due to the changes in experimental protocols and in the patients' movements, as discussed previously. Finally, we compared the brace's corrections, by simulating its applied forces on the finite element models of 6 patients. The Cobb angles after the simulation show an average gap of 2.4° between the systems, this difference is relatively small compared to the measurement error of the Cobb angle. In the final part of the project, we evaluated the registration of the internal bone structures to the external surfaces using a manual and an automatic method. The former method relies on the user's manual adjustments of the structures' positions with respect to each other; the latter relies on the radiopaque markers' positions. To compare these two methods, we simulated the brace on the same patient's finite element models obtained by applying an automatic then a manual registration. The difference in Cobb angle between methods is 1.77°. The registration method slightly a˙ects the brace simulation result, a simulation on a larger cohort of patients is necessary to confirm the result. The study done on the anthropomorphic manikin shows that the three 3D surface topography systems have comparable accuracy, with BodyScan being slightly more accurate than the other two. In addition, the inter-test variability of the three systems is good. To take into account the variations introduced by the patients, we recruited AIS patients at the CHUSJ. It showed that the design of customized braces is not a˙ected by the differences measured between the systems. Structure Sensor is less precise than InSpeck but measurements made in clinic by orthotists compensate for variations. The precision of the Structure Sensor can also be improved by making some modifications to the acquisition protocol. In addition, the device's size, ease of use and low cost compared to InSpeck, make it more convenient in clinic. In upcoming work, we will assess Structure Sensor's measurements repeatability by asking the same operator to perform several acquisitions on the same patient. This study showed that the Structure Sensor's reconstruction of the external geometry of the trunk is reliable and it is precise enough for the design of customized braces. This system could therefore be used in the different institutions given his reasonable price.