Evaluación comparativa de modelos 3D craneofaciales utilizando dispositivos móviles y fotogrametría

Abstract

[ES] Los modelos 3D craneofaciales se pueden utilizar hoy en día para diversos fines, como monitoreo craneal en infantes, análisis morfológicos craneales, educación e investigación médica , entre otros. Hoy en día, los escáneres 3D se utilizan ampliamente para determinar modelos 3D de distintas partes del cuerpo. Del mismo modo, utilizar teléfonos inteligentes con la fotogrametría de corto alcance se puede aplicar para construir modelos 3D craneofaciales. Otro enfoque alternativo para obtener un modelo 3D craneal es usar PhotoMeDAS (Photogrammetric Medical Deformation Assessment Solutions): una solución fotogramétrica basada en la nube de bajo costo que requiere una gorra codificada para analizar la deformación craneal del modelo 3D entregado. El objetivo de este estudio fue evaluar comparativamente modelos 3D craneofaciales que fueron elaborados a partir del uso de dispositivos móviles y fotogrametría. Para el logro de este objetivo se evalúa 3 modelos craneofaciales 3D que se realizó a 6 personas voluntarias y 2 maquetas de cabezas. Para ello se utilizó el smartphone Samsung S22. Se brindó la instrucción a las personas voluntarias para que permanecieran quietas durante el proceso de recopilación de datos para minimizar cualquier error en la construcción del modelo. En la fase de adquisición de datos se utilizó el mismo teléfono inteligente Samsung S22, en modo cámara a 3000 x 4000 píxeles y en el modo video a 1080x1920 pixeles a 30 fps. Además, se utilizó también PhotoMeDAS para registrar el área craneal poco después durante la misma sesión. El escáner 3D de luz estructurada ACADEMIA 50 se utilizó para controlar la exactitud de los 3 modelos 3D craneofaciales derivados. En la etapa de procesamiento fotogramétrico, el software Agisoft Metashape (v.1.7.4) produjo la nube de puntos a alta resolución, filtrado por nivel de confianza, el mallado del modelo 3D y el modelo 3D texturizado final adquirido con las imágenes de la cámara y video del Samsung S22. Además, se utilizó la aplicación móvil PhotoMeDAS (v. 1.7) para obtener un modelo craneal 3D del modelo voluntario. Se llevó a cabo un proceso de referenciación de los diferentes modelos 3D en un sistema de referencia de coordenadas único establecido por el sistema de coordenadas del escáner 3D ACADEMIA 50 de cada modelo estudiado. El software CloudCompare (v. 2.11.3) se utilizó para evaluar la morfología y precisión de los 3 modelos (cámara Samsung Galaxy S22, video Samsung Galaxy S22 y aplicación PhotoMeDAS instalada también en el Samsung Galaxy S22) con respecto al modelo 3D proveniente del ACADEMIA 50. La comparativa de distancias entre modelos de mallado en promedio general(8 voluntario con 4 modelos de cabeza por cada voluntario) para el procedimiento de la cámara se indica un promedio de 0.22±1.29 mm, para el caso del video 0.47 ±1.43 mm y para el caso de PhotoMeDAS 0.39±1.02mm.Respecto a la comparativa de los puntos referenciales anatómica se realizó un análisis estadístico(t-student) para analizar la equivalencia de distancia según el procedimiento se obtiene que con la cámara es de 0.75mm , en el caso del video es de 1mm y para el caso de PhotoMeDAS 1.25mm. Este trabajo permite proponer la integración de fotogrametría con cámara de video y PhotoMeDAS para la obtención de un modelo integral de cráneo y facial lo cual es esencial en diversas áreas de la medicina y puede tener un impacto significativo en la planificación y realización de tratamientos y terapias, así como en la identificación de enfermedades y trastornos. Es importante seguir mejorando estas técnicas y tecnologías para garantizar una mayor precisión y confiabilidad en las mediciones realizadas.

[EN] Craniofacial 3D models can be used today for various purposes, such as cranial monitoring in infants, cranial morphological analysis, medical education, and research, among others. Today, 3D scanners are widely used to determine 3D models of distinct parts of the body. Similarly, using smartphones with short-range photogrammetry can be applied to build craniofacial 3D models. Another alternative approach to obtaining a cranial 3D model is to use PhotoMeDAS (Photogrammetric Medical Deformation Assessment Solutions): a low-cost cloud-based photogrammetric solution that requires a coded cap to analyze the cranial deformation of the delivered 3D model. The objective of this study was to comparatively evaluate craniofacial 3D models that were elaborated from the use of mobile devices and photogrammetry. To achieve this objective, 3 3D craniofacial models were evaluated, which were made to six volunteers and two models of heads. For this, the Samsung S22 smartphone was used. Volunteers were instructed to remain still during the data collection process to minimize any errors in the construction of the model. In the data acquisition phase, the same Samsung S22 smartphone was used, in camera mode at 3000 x 4000 pixels and in video mode at 1080x1920 pixels at 30 fps. In addition, PhotoMeDAS was also used to record the cranial area shortly after during the same session. The ACADEMIA 50 structured light 3D scanner was used to check the accuracy of the three derived craniofacial 3D models. In the photogrammetric processing stage, Agisoft Metashape software (v.1.7.4) produced the high-resolution point cloud, filtered by confidence level, the meshing of the 3D model and the final textured 3D model acquired with the camera images and video of the Samsung S22. In addition, the PhotoMeDAS mobile application (v. 1.7) was used to obtain a 3D cranial model of the volunteer model. A referencing process of the different 3D models was carried out in a unique coordinate reference system established by the coordinate system of the 3D scanner ACADEMIA 50 of each model studied. CloudCompare software (v. 2.11.3) was used to evaluate the morphology and accuracy of the three models (Samsung Galaxy S22 camera, Samsung Galaxy S22 video and PhotoMeDAS application also installed on the Samsung Galaxy S22) with respect to the 3D model from the ACADEMIA 50. The comparison of distances between meshing models in general average (8 volunteer with 4 head models for each volunteer) for the camera procedure indicates an average of 0.22±1.29 mm, for the case of video 0.47 ±1.43 mm and for the case of PhotoMeDAS 0.39±1.02mm. Regarding the comparison of the anatomical reference points, a statistical analysis (t-student) was carried out to analyze the equivalence of distance according to the procedure it is obtained that with the camera it is 0.75mm, in the case of the video it is 1mm and for the case of PhotoMeDAS 1.25mm. This work allows us to propose the integration of photogrammetry with video camera and PhotoMeDAS to obtain a comprehensive model of skull and facial which is essential in various areas of medicine and can have a significant impact on the planning and realization of treatments and therapies, as well as in the identification of diseases and disorders. It is important to continue improving these techniques and technologies to ensure greater accuracy and reliability in the measurements made.