Stima della superficie corporea in condizioni statiche e dinamiche: Stato dell'arte e soluzioni innovative low-cost

In questo progetto di tesi ci si addentrerà nel campo della scansione corporea, e più in generale di qualunque oggetto. In questo ambito le soluzioni proposte sono numerose e questo settore ha vissuto negli ultimi anni un’incredibile crescita, favorita anche dalla nascita delle stampanti 3D. Si può ragionevolmente supporre che tale crescita non sia destinata ad esaurirsi nei prossimi anni; ci sono i presupposti per cui questo settore occupi fette sempre più importanti del mercato. In questa tesi ci si è occupati prevalentemente di tecniche di scansione del corpo umano, in quanto una descrizione geometricamente accurata della superficie corporea riveste una notevole importanza sia nelle applicazioni industriali che nello studio della biomeccanica del movimento. Per quanto riguarda le applicazioni industriali si pensi ad esempio all’utilizzo di scanner 3D in accoppiata alle moderne stampanti 3D per la realizzazione di protesi custom o al comparto sartoriale per il confezionamento di abiti su misura. Nell’ambito della biomeccanica essa può risultare utile sia per quanto riguarda gli aspetti cinematici e dinamici nei campi riabilitativo, ergonomico e sportivo, sia per quanto riguarda la stima delle grandezze antropometriche. Attualmente esistono sistemi di scansione corporea low-cost che si stanno sempre più diffondendo e si può pensare ad un futuro neanche tanto lontano nel quale essi siano presenti in maniera diffusa nelle abitazioni. In tale contesto gli obiettivi di questa tesi sono: 1) Documentare quanto prodotto finora a livello scientifico, brevettuale ed industriale, evidenziando meriti e limiti di ciascuna soluzione. 2) Individuare e valutare la realizzabilità di soluzioni innovative low-cost.

Scanner 3D con proiettore e videocamera

In questa dissertazione viene descritto un sistema sviluppato per ottenere una rappresentazione a tre dimensioni in real time di una superficie. Il sistema si avvale di alcune tecniche di ottimizza- zione e di trattamento dell’immagine e sfrutta dispositivi comuni e di facile reperibilita`: una videocamera e un proiettore.

Un metodo multilivello per la semplificazione di mesh poligonali da scanner 3D

L'algoritmo di semplificazione proposto in questa tesi agisce in modo iterativo su due livelli, in una prima fase alla mesh viene applicato un operatore di smoothing e alla mesh così elaborata viene poi applicata la decimazione. L'alternanza di questi due operatori permette di avere mesh semplificate che mantengono però una qualità maggiore rispetto al risultato che si avrebbe invece applicando solo la decimazione. A partire da una mesh ad alta risoluzione, ad ogni iterazione viene quindi creata una mesh con una risoluzione inferiore fino all'ultima iterazione che produce la mesh coarse (a bassa risoluzione) desiderata. Si viene quindi a creare una struttura di semplificazione multilivello, utile in molte applicazioni di computer graphics.

Geometric Deep Learning per il denoising di mesh 3D

La crescente disponibilità di scanner 3D ha reso più semplice l’acquisizione di modelli 3D dall’ambiente. A causa delle inevitabili imperfezioni ed errori che possono avvenire durante la fase di scansione, i modelli acquisiti possono risultare a volte inutilizzabili ed affetti da rumore. Le tecniche di denoising hanno come obiettivo quello di rimuovere dalla superficie della mesh 3D scannerizzata i disturbi provocati dal rumore, ristabilendo le caratteristiche originali della superficie senza introdurre false informazioni. Per risolvere questo problema, un approccio innovativo è quello di utilizzare il Geometric Deep Learning per addestrare una Rete Neurale in maniera da renderla in grado di eseguire efficacemente il denoising di mesh. L’obiettivo di questa tesi è descrivere il Geometric Deep Learning nell’ambito del problema sotto esame.

Geometric deep learning for polygonal mesh denoising

Il seguente lavoro si propone come analisi degli operatori convoluzionali che caratterizzano le graph neural networks. ln particolare, la trattazione si divide in due parti, una teorica e una sperimentale. Nella parte teorica vengono innanzitutto introdotte le nozioni preliminari di mesh e convoluzione su mesh. In seguito vengono riportati i concetti base del geometric deep learning, quali le definizioni degli operatori convoluzionali e di pooling e unpooling. Un'attenzione particolare è stata data all'architettura Graph U-Net. La parte sperimentare riguarda l'applicazione delle reti neurali e l'analisi degli operatori convoluzionali applicati al denoising di superfici perturbate a causa di misurazioni imperfette effettuate da scanner 3D.

Rilevazione ottica delle dimensioni della camera di combustione per la stima del rapporto di compressione reale

La ricerca di un'ottima qualità costruttiva è diventata, per ogni fornitore o produttore legato all’ambito automotive/motoristico, l’aspetto principale nella produzione di un veicolo, soprattutto nel caso specifico di un motore: per garantire, dunque, una buona qualità generale lungo tutta la gamma di produzione, è necessario avere una buona “ripetibilità” di costruzione, ossia, è fondamentale poter assemblare un alto numero di motori che siano il più possibile identici tra loro; considerando tutte le variabili che intervengono lungo la catena di produzione, a partire dalla banale lavorazione meccanica delle parti, fino all’assemblaggio stesso del motore. E' facilmente intuibile, pertanto, come non sia così raro avere delle leggere imperfezioni tra motore e motore che possono poi andare ad impattare sulla vita e sulle performance stesse del mezzo. Questo discorso è ancora più valido se si parla dell’ambito racing, in cui la qualità costruttiva, e, quindi, le performance, giocano un ruolo fondamentale nella progettazione di un motore, nonostante il volume produttivo sia tutto sommato piccolo. L’obiettivo dell'elaborato è quello di creare un metodo di controllo e di confronto della qualità/precisione costruttiva, intesa sia come qualità di produzione delle parti che di assemblaggio del motore finito. A partire da una scansione laser tridimensionale, sotto forma di una nuvola di punti, si è creato un software di elaborazione dati che permettesse di arrivare a calcolare il rapporto di compressione reale del motore in analisi e la mappa di squish tramite la sovrapposizione virtuale delle due scansioni relative ai cilindri/pistoni del blocco motore e la testa del motore stesso.

Misure della morfologia e della funzionalita del piede tramite scanner plantare 3D e pedana baropodometrica

Il piede, con la sua complessa struttura anatomica, permette la stabilità e la deambulazione e per questo risulta fondamentale studiarne l’anatomia, la morfologia e la biomeccanica. La Pedana Baropodometrica è uno strumento che misura le pressioni plantari e permette di stimare alcuni parametri morfologici e funzionali del piede in modo veloce e relativamente economico. Lo Scanner Plantare 3D permette di acquisire in tempi brevi la geometria del piede creandone un modello tridimensionale digitale. Queste qualità hanno agevolato la diffusione di questi strumenti nella produzione di ortesi plantari su misura e, dato il crescente interesse del mercato verso le tematiche di customizzazione, alla loro commercializzazione su larga scala. Per ammortizzare i costi, tuttavia, questi strumenti sono spesso basati su tecnologie low-cost. Lo scopo dello studio svolto in questa tesi è quello di determinare la bontà e l’accuratezza di alcuni parametri morfologici e funzionali del piede acquisiti con una pedana baropodometrica resistiva a basso costo. Questi valori sono stati rapportati con misurazione dirette e con dati raccolti dall’elaborazione dell’immagine ricavata con uno scanner plantare 3D. In particolare sono state valutate misure di lunghezza e larghezza del piede, dell’arch index definito come il rapporto tra l’area del mesopiede e l’area totale del piede meno le dita, dell’angolo di progressione del passo e del CPEI, un parametro che indica la variazione della traiettoria del centro di massa. In conclusione la pedana baropodometrica, pur non essendo precisa nel determinare la distribuzione delle pressioni massime, si è dimostrata sufficientemente accurata nella stima delle dimensioni del piede, delle aree di appoggio e di alcune caratteristiche funzionali del piede.

Integrazione di dati antropometrici e termografici per l'analisi della distribuzione di temperatura all'interfaccia moncone-protesi d'arto inferiore

Le immagini termiche all’ infrarosso sono utilizzate da molte decadi per monitorare la distribuzione di temperatura della pelle umana. Anormalità come infiammazioni ed infezioni causano un aumento locale della temperatura, visibile sulle immagini sotto forma di hot spot. In tal senso la termografia ad infrarossi può essere utilizzata nel campo ortopedico per rilevare le zone sovra-caricate dalla protesi. Per effettuare una valutazione precisa dell’interfaccia moncone-invasatura può essere utile combinare i dati termografici e i dati antropometrici (superficie tridimensionale del moncone), relativi ai singoli pazienti. Di ciò si occupa tale studio, che dopo aver fornito una panoramica sulla termografia e sulla reverse engineering, sperimenta delle tecniche semplici e low-cost per combinare i dati termici e i dati antropometrici. Buoni risultati si riescono ad ottenere utilizzando un Kinect come scanner e un software open-source per il texture mapping. I termogrammi 3D ricreati costituiscono un ottimo strumento di valutazione, per medici e tecnici ortopedici, circa il design dell’invasatura.

Analisi geomorfologica della duna di Lido di Classe in seguito ad un evento di mareggiata, mediante monitoraggio con tenica laser scanner

L’obiettivo di questa tesi è presentare una tecnica di monitoraggio applicabile alle dune costiere, utilizzata per questo studio nella provincia di Ravenna e in particolare su di un cordone trasversale di duna costiera presente nell’area naturale adiacente alla foce del torrente Bevano nella zona di Lido di Classe. Tale tecnica si avvale dell’uso di tecnologia laser per fornire una documentazione 3D estremamente dettagliata, il quale ci permetterà di valutare come il sistema dunale si comporta di fronte ad un evento climatico estremo e/o sotto l’azione delle mareggiate, confrontando sia l’aspetto morfologico che morfometrico mediante l’uso di programmi che ci hanno permesso di confrontare i dati ottenuti prima e dopo l’evento climatico

Studio della cinematica del nuoto a stile libero attraverso sensori inerziali

Analisi cinematica delle fasi del nuoto, velocità in vasca e body roll attraverso l'uso di sensori inerziali. Implementazione di innovativi algoritmi di calcolo con l'utilizzo del filtro di Kalman 3D, matrici di rotazione e quaternioni per la determinazione dei parametri fondamentali del nuoto e della posizione del polso nel sistema di riferimento di torace. Confronto dei risultati ottenuti mediante i diversi algoritmi e loro validazione con quelli ottenuti con l'uso della stereofotogrammetria. Gli algoritmi possono essere generalizzati ad altri gesti motori.

Realizzazione di un sistema di ricostruzione 3D su piattaforma mobile.

Porting dell'esecuzione dell'algoritmo KinectFusion su piattaforma mobile (Android).

Dalla generazione di modelli 3D densi mediante TLS e fotogrammetria alla modellazione BIM

La tesi tratta la ricerca di procedure che permettano di rilevare oggetti utilizzando il maggior numero di informazioni geometriche ottenibili da una nuvola di punti densa generata da un rilievo fotogrammetrico o da TLS realizzando un modello 3D importabile in ambiente FEM. Il primo test si è eseguito su una piccola struttura, 1.2x0.5x0.2m, in modo da definire delle procedure di analisi ripetibili; la prima consente di passare dalla nuvola di punti “Cloud” all’oggetto solido “Solid” al modello agli elementi finiti “Fem” e per questo motivo è stata chiamata “metodo CSF”, mentre la seconda, che prevede di realizzare il modello della struttura con un software BIM è stata chiamata semplicemente “metodo BIM”. Una volta dimostrata la fattibilità della procedura la si è validata adottando come oggetto di studio un monumento storico di grandi dimensioni, l’Arco di Augusto di Rimini, confrontando i risultati ottenuti con quelli di altre tesi sulla medesima struttura, in particolare si è fatto riferimento a modelli FEM 2D e a modelli ottenuti da una nuvola di punti con i metodi CAD e con un software scientifico sviluppato al DICAM Cloud2FEM. Sull’arco sono state eseguite due tipi di analisi, una lineare sotto peso proprio e una modale ottenendo risultati compatibili tra i vari metodi sia dal punto di vista degli spostamenti, 0.1-0.2mm, che delle frequenze naturali ma si osserva che le frequenze naturali del modello BIM sono più simili a quelle dei modelli generati da cloud rispetto al modello CAD. Il quarto modo di vibrare invece presenta differenze maggiori. Il confronto con le frequenze naturali del modello FEM ha restituito differenze percentuali maggiori dovute alla natura 2D del modello e all’assenza della muratura limitrofa. Si sono confrontate le tensioni normali dei modelli CSF e BIM con quelle ottenute dal modello FEM ottenendo differenze inferiori a 1.28 kg/cm2 per le tensioni normali verticali e sull’ordine 10-2 kg/cm2 per quelle orizzontali.

Ecocardiografia 3D real-time: principi fisici, tecnologia e applicazioni fetali per diagnosi prenatale

La diagnosi clinica, definita come un giudizio clinico espresso da un esperto sulla salute di un individuo, dopo aver effettuato degli esami obiettivi attraverso la strumentazione adeguata allo specifico caso clinico, rappresenta un elemento fondamentale nel paradigma Prevenzione – Diagnosi – Cura – Riabilitazione, che ha come fine ultimo la salute del paziente. In questo elaborato viene presentata una tecnica di imaging che permette di fare diagnosi in uno degli organi più importanti e delicati del corpo umano, cioè il cuore, sia degli adulti, sia dei feti: l’ecocardiografia 3D Real-Time. L’elaborato si sviluppa in tre capitoli, come di seguito presentato. - Capitolo 1: si descrive la tecnologia su cui si fonda l’ecocardiografia volumetrica Real-Time attraverso le varie fasi di realizzazione dello scanner, il quale consente sia l’acquisizione sia la visualizzazione dei volumi in tempo reale; - Capitolo 2: il sistema di imaging presentato nel capitolo precedente, viene contestualizzato in un organo specifico, ovvero il cuore, illustrandone le caratteristiche, le differenze rispetto a tecniche ritenute meno performanti nella valutazione di patologie cardiache, oltre che alcune particolari evoluzioni, quali Strain Rate Imaging e Tissue Doppler Imaging; - Capitolo 3: si descrive in cosa consiste l’ecocardiografia 3D Real-Time fetale, qual è la sua finalità e quali potrebbero essere alcune applicazioni cliniche tramite cui fare una diagnosi prenatale; inoltre, si evidenzia l’importanza dell’ecocardiografia per studiare le modifiche a cui è soggetto l’apparato cardiovascolare di una donna durante i mesi di gestazione e, quindi, sottoporla alle cure opportune.