3D Bilderfassung und Analyse in der Plastischen Chirurgie mit Smartphone und Tablet: eine Alternative zu professionellen Systemen?

Zusammenfassung

Hintergrund:

Eine neue Alternative zu professionellen dreidimensionalen (3D) Kamerasystemen nutzt Digitalfotos von Smartphones zur 3D Oberflächenerfassung. In dieser Studie untersuchten wir deren Anwendung mit unterschiedlichen Einstellungen. Es wurden die Genauigkeit der 3D Rekonstruktion gegenüber der manuellen Maßbandmessung und einem etablierten 3D Kamerasystem verglichen, sowie die benötigte Zeit beider 3D Systeme.

Material und Methoden:

Es wurde ein Puppenkopfmodel mit 21 Landmarken im Gesichtsbereich für standardisierte 3D Aufnahmen genutzt. Das mit dem Vectra 3D Imaging System^® erstellte 3D Model diente als Referenz gegenüber den Catch^® Modellen. Die Applikation Autodesk 123d Catch^® nutzte 16, 12, 9, 6 und 3 Digitalfotos eines Apple^® iPhone 4 s^® und iPad^® der 3ten Generation zur 3D Erfassung des Puppenkopfes. Im ersten Schritt der Genauigkeitsanalyse wurden insgesamt 42 Distanzen durch manuelle Maßbandmessung und beide digitalen Systeme bestimmt und verglichen. Im Weiteren wurde die Genauigkeit der 3D Oberfläche der durch Catch^® generierten 3D Modelle gegenüber dem Vectra^® Referenzmodel anhand von ästhetischen Einheiten untersucht. Zusätzlich wurden beide 3D Systeme hinsichtlich ihrer Aufnahme- und Verarbeitungszeit evaluiert.

Ergebnisse:

Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede in den Distanzen (p>0,05) zwischen der manuellen Messung und den digitalen Messungen des Catch^® und Vectra^® Systems. Die 3D Rekonstruktion durch Catch^® zeigte bei der Nutzung von 16, 12 und 9 Bildern im Oberflächenvergleich zum Vectra^® Referenzmodel eine zufriedenstellende Genauigkeit. 6 und 3 Bilder führten zu einer hohen Abweichung. Laterale Gesichtsbereiche zeigten insgesamt eine höhere Abweichung als zentrale Bereiche. Catch^® benötigt im Vergleich die 5-fache Zeit (durchschnittlich 10 min vs. 2 min) bis zu einem fertigen 3D ­Model.

Schlussfolgerung:

Insgesamt konnten durch den standardisierten Ansatz mit der mobilen Applikation 123 Catch^® am Puppenmodel eine zufriedenstellende Genauigkeit der 3D Rekonstruktion gegenüber der manuellen Distanzmessung und dem Oberflächenvergleich mit einem Vectra^® Referenzmodel gezeigt werden. Hauptproblem ist derzeit die längere Akquisitionszeit. Weitere Studien werden benötigt, um die Anwendbarkeit und Genauigkeit bei der 3D Erfassung von Probanden zu untersuchen. In Zukunft könnten mobile Anwendungen eine kostengünstigere Alternative gegenüber den derzeit statischen und teuren 3D Kamerasystemen in der Plastischen Chirurgie darstellen.

Abstract

Background:

A new approach of using photographs from smartphones for three-dimensional (3D) imaging was introduced besides the standard high quality 3D camera systems. In this work, we investigated different capture preferences and compared the accuracy of this 3D reconstruction method with manual tape measurement and an established commercial 3D camera system.

Methods:

The facial region of one plastic mannequin head was labelled with 21 landmarks. A 3D reference model was captured with the Vectra 3D Imaging System^®. In addition, 3D imaging was executed with the Autodesk 123d Catch^® application using 16, 12, 9, 6 and 3 pictures from Apple^® iPhone 4 s^® and iPad^® 3^rd generation. The accuracy of 3D reconstruction was measured in 2 steps. First, 42 distance measurements from manual tape measurement and the 2 digital systems were compared. Second, the surface-to-surface deviation of different aesthetic units from the Vectra^® reference model to Catch^® generated models was analysed. For each 3D system the capturing and processing time was measured.

Results:

The measurement showed no significant (p>0.05) difference between manual tape measurement and both digital distances from the Catch^® application and Vectra^®. Surface-to-surface deviation to the Vectra^® reference model showed sufficient results for the 3D reconstruction of Catch^® with 16, 12 and 9 picture sets. Use of 6 and 3 pictures resulted in large deviations. Lateral aesthetic units showed higher deviations than central units. Catch^® needed 5 times longer to capture and compute 3D models (average 10 min vs. 2 min).

Conclusion:

The Autodesk 123d Catch^® computed models suggests good accuracy of the 3D reconstruction for a standard mannequin model, in comparison to manual tape measurement and the surface-to-surface analysis with a 3D reference model. However, the prolonged capture time with multiple pictures is prone to errors. Further studies are needed to investigate its application and quality in capturing volunteer models. Soon mobile applications may offer an alternative for plastic surgeons to today’s cost intensive, stationary 3D camera systems.

Schlüsselwörter

3D - Photogrammetrie - Oberflächenerfassung - Smartphone - Applikation

Key words

3D-imaging - photogrammetry - surface scanning - smartphones - applications

^*  Beide aufgeführten Personen teilen sich die Autorenschaft gleichmäßig.

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