Whitepaper
3D scannen toont zijn meerwaarde in ons digitale productie proces
Bart de Kiefte, Marcella van der Ent, Wouter Akkerman, Pelle van Steen, Tim Dries en Jan Willem van der Windt
12 November, 2021 [Editie 13, Volume 4]
3D scannen! Vrijwel iedereen binnen de orthopedische branche pretendeert inmiddels deze techniek toe te passen bij maatname van orthopedische voorzieningen. Echter is 3D scannen een containerbegrip. Om de juiste beslissingen te kunnen maken over de inzet van deze techniek bij maatname van op maat gemaakte orthopedische hulpmiddelen, is gedegen kennis nodig. Goede uitleg over de toepassing van 3D scanning met toelichting van de onderliggende technieken zijn essentieel om tot een succesvol resultaat te komen. Daarom delen we in deze Whitepaper informatie over 3D scannen, waarvan wij vinden dat u daarvan als verwijzers vooraf van op de hoogte moet zijn. Alleen zo zou u wat ons betreft de voordelen van deze maatname techniek echt op waarde kunnen schatten.
3D scannen een introductie Met 3D scannen wordt de vorm van een fysiek object vertaald naar digitale informatie. Wanneer de digitale informatie accuraat is, kan het fysieke object gedigitaliseerd en vervolgens fysiek gedupliceerd worden, hoe gecompliceerd de vormen van het object ook zijn. Dit is een groot voordeel van 3D scannen. Er zijn veel verschillende soorten scanners op de markt, voor verschillende schaalgroottes; van micron tot kilometer en met verschillende technieken, van fotogrammetrie tot laserscanning. Een topscanner voor de ene toepassing kan nutteloos zijn voor een andere. Er zijn ook veel apparaten die claimen een 3D scan te maken, maar deze meetresultaten zijn vaak niet nauwkeurig of volledig genoeg om de voordelen van 3D scanning waar te maken. Er zijn veel apparaten die 3D meten, maar niet de voordelen hebben van een high-end 3D laserscanner. Ze kunnen sommige soorten oppervlakken niet goed herkennen, of hebben maatafwijkingen van meerdere centimeters in plaats van millimeters. In de toepassing van 3D scannen voor de vervaardiging van op maat gemaakte orthopedische hulpmiddelen die sterke nauwkeurigheid vereisen, werken we uitsluitend met high end scanners. Deze scanners hebben de nauwkeurigheid om input te genereren voor het modelleren van de CAD-modellen om op maat gemaakte vormen te produceren. (CAD staat voor Computer-Aided Design', ofwel het maken van digitale modellen en ontwerpen) Met het toepassen van 3D scannen voor maatnemen, neemt digitalisering een cruciale rol in bij de eerste en meest bepalende stap in het productieproces van op maat gemaakte orthopedische hulpmiddelen. Een juiste maatname bepaalt de pasvorm voor de patiënt. Als die niet juist is (de bron) is de kans op falen van het eindproduct groot en achteraf niet meer te corrigeren. 3D scanning vereist expertise in de hele keten Begrijpen wat 3D scanning is, begint met het onderschrijven dat kennis van geodesie, modelleren en toepassing binnen de productie van medische hulpmiddelen basis vereisten zijn. Productie van medische hulpmiddelen vereisen nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en validatie. Sinds 2013 hebben wij brede ervaring opgebouwd en een end-to-end proces opgezet dat gegarandeerd succes oplevert. De toepassing bepaalt de randvoorwaarden bij de keuze van een 3D scanner! Bij het kiezen voor een 3D scanner is het belangrijk om te begrijpen welke techniek en nauwkeurigheid de juiste is voor de toepassing. Het gaat immers altijd om het eindproduct en in ons geval niet om de ruwe scandata. ‘Capture reality’ is het thema van scanning. De scanner legt de werkelijkheid vast. De producten die wij maken met scandata moeten de werkelijke anatomie representeren. Om tot een juiste pasvorm te komen kan juist het kleinste reliëf verschil van wezenlijk belang zijn. Nauwkeurigheid gedefinieerd Maataccuratie, scanresolutie en scandekking zijn begrippen die in de praktijk door elkaar gehaald worden. De juiste afstemming van deze 3 begrippen zijn belangrijk voor een succes- en waardevolle toepassing van 3D scannen in de orthopedie. Maataccuratie en scanresolutie De maataccuratie zegt iets over hoeveel het meetpunt afwijkt van de werkelijke positie. We spreken dan over de nauwkeurigheid. De scanresolutie is de afstand tussen twee punten. Het bepaalt het detailniveau van de scan en de hoeveelheid informatie in de 3D scan. Deze worden in de praktijk regelmatig door elkaar gehaald. Dat is niet altijd een probleem, maar je moet wel weten wat het verschil is om dat in te kunnen schatten. Met zowel maataccuratie als scanresolutie kan je te hoog en te laag zitten. Te laag zorgt in beide gevallen voor inferieure scandata die onbruikbaar is voor automatisering. Te hoog zorgt voor een zware, traag bewerkbare pointcloud (een pointcloud of puntenwolk is een reeks gegevens (punten) in de ruimte) in het latere verwerkingsproces. Het gebruik van de scanner in combinatie met krachtige hardware zorgt voor hoogwaardige scandata die makkelijk in de software te bewerken zijn. Dit zorgt voor direct resultaat en realtime weergave van de scan. Daardoor is het mogelijk om “on the spot” data te verwerken in de scan die nodig is voor het uiteindelijke hulpmiddel. Scandekking pointcloud Naast de mate van detail en nauwkeurigheid, is de dekking van de pointcloud relevant. Scandekking komt door voldoende (beeld) overlap. Te veel scanposities over elkaar heen echter creëren een te dikke laag punten wat zorgt voor de eerder genoemde traag bewerkbare data. Voor toepassing in de orthopedie heeft Livit daarom in eigen beheer software ontwikkeld dat corrigeert voor deze overlap door overlap die buiten de basis bounderies valt te verwijderen via processing en filter settings. Voor de bepaling van onze scan- en productieprotocollen zijn in samenspraak tussen de orthopedisch adviseurs en de CAD-enigneers afspraken gemaakt over de mate van scandekking. Gezien bovenstaande toelichting op maataccuratie, scanresolutie en scandekking is voornamelijk een goed scanplan essentieel waarin vastligt hoe de orthopedisch scanoperator in praktijk de scan uitvoert. Kosten 3D scanning in de orthopedie moet bezien worden in het totale, ‘end-to-end’ proces Zorgt 3D scannen voor kostendaling in de hulpmiddelenzorg of worden hiermee de kosten juist hoger? Voor een goed oordeel of scannen goedkoper of duurder is, moet het scannen bezien worden in de totale keten van aanmeten, produceren en leveren van orthopedische hulpmiddelen naar maat. Het voordeel van scannen is voornamelijk afhankelijk van de mate waarin de mogelijkheden van 3D scanning benut worden in het verdere productieproces. Denk hierbij aan CAD modelleren, CNC-freezen, robot freezen en 3D-printen. Juist het werken met geprogrammeerde CAD-modellen maakt de potentie groot om de kosten per onderdeel te verlagen. Combineren en een holistische kijk op het totaalproces zijn hier de sleutelwoorden. Wij hebben in de praktijk ervaren dat werken met 3D scantechnieken de volgende voordelen heeft opgeleverd in het aanmeetproces: Sneller en foutloos werken, in de praktijk blijkt de aanmeettijd met tot wel een kwart te kunnen dalen Accurate, gedetailleerde opname, door te werken met nauwkeurige laserscanners is de accuraatheid van de scan (het model) gegarandeerd Overzicht in complexe situaties, er komt meer grip op complexe vormen. Details die bij casten of gipsen vaak verloren gingen Grip op faalkosten; aanmeten via conventionele methoden leiden vaker tot herhaal aanmetingen. De faalkans met 3D scannen door geoefende adviseurs is drastisch lager. Snelheid; met 3D scannen wordt transport van de cast of het gipsmodel geëlimineerd uit de keten Meerdere technieken voor het maken van een 3D-scan Maakt een apparaat meer dan 10 meetpunten per ruimte? Dan wordt het tegenwoordig al meteen scanning genoemd. Wij zijn van mening dat dit eerder in de categorie puntmetingen valt, dan 3D scanning. Het is wel 3D, maar mist alle voordelen van een volledige geometrisch correcte weergave in miljoenen punten. Fotogrammetrie Fotogrammetrie is een methode om vorm en locatie van objecten en gebieden door metingen in foto’s te bepalen. Ofwel, het inwinnen van informatie uit foto’s waarbij de nadruk ligt op de maatvoering. Fotogrammetrie is een techniek die bijna altijd in combinatie met een meetinstrument gebruikt dient te worden om de juiste schaal te krijgen of om een fotoproduct beter te maken. Pointclouds gemaakt vanuit fotogrammetrie maakt het nog geen scanning. Wanneer je de data van deze technieken analyseert, blijkt het resultaat of eindproduct van alle individuele meetpunten niet de accuratie of het detailniveau te hebben die 3D scanning zo waardevol maakt. Voor toepassing binnen de orthopedie is deze techniek dus niet bruikbaar. 3D scannen met een telefoon of tablet 3D scannen met een telefoon of tablet: steeds meer consumenten maken er gebruik van. Maar hoe bruikbaar en betrouwbaar zijn deze nieuwe technieken? Is scannen de juiste benaming en is hier eigenlijk wel sprake van meetpunten en coördinaten? Zijn ze toepasbaar in de orthopedie? We bekeken een aantal van deze producten maar komen helaas tot de conclusie dat er geen sprake is van betrouwbare meetpunten,maar van slechts een visual waar je 3D informatie uit kan halen. Nauwkeurigheid data van metingen met telefoon of tablet Hoewel fotogrammetrietechnieken steeds beter worden, blijft nauwkeurigheid bij metingen met iPad of telefoon een groot probleem. Een voor de professionele markt bedoeld product dat werkt op basis van HDR-foto’s en een 100m range LiDAR (aanschafprijs 13.000 dollar) heeft al een foutmarge van 30 mm. Bij metingen met de iPad en telefoon is de onnauwkeurigheid nog veel groter. Metingen met een tablet of telefoon zijn dus vanwege de onnauwkeurigheid meestal niet geschikt voor professioneel gebruik. Er is daarnaast vaak geen validatie van de data mogelijk, waardoor niet in te schatten is hoe betrouwbaar deze is. De positionering van lichaamsonderdelen ten opzichte van elkaar is van cruciaal belang. Zoals gezegd zijn de meetdata niet te controleren of te valideren. We schatten de maatafwijking van de meetdata op ergens tussen de 5/10% in perfecte omstandigheden. Natuurlijk zijn er genoeg situaties waarin de genoemde technieken wél ingezet kunnen worden. Metingen met een telefoon of tablet zijn snel en geschikt voor het in kaart brengen van interieurs van enkele ruimtes. Mits de nauwkeurigheid niet belangrijk is natuurlijk. Het gadget gehalte blijft erg hoog. De fotogrammetrietechnieken in de smartphones en tablets zullen in de komende tijd zeker nog verder ontwikkelen. Hiermee zal ook de nauwkeurigheid verbeteren. Voor nu is echter toepassing in het maat nemen geen optie. Laserscanning Hierbij wordt een laserpunt of laserlijn op een object geprojecteerd vanaf een handapparaat en een sensor meet de afstand naar het oppervlak. Gegevens worden verzameld in relatie tot een intern coördinatensysteem. Laserscanning genereert een pointcloud die de basis kan zijn voor het tekenen en modelleren van een bestaande toestand. Speciale software maakt razendsnel van alle punten vlakken door de punten en vervolgens lijnen met elkaar te verbinden. In de praktijk bestaat de beste meting vaak uit een combinatie van verschillende technieken, die elk gebruikmaken van hun eigen sterke punten. Het gaat dan om een combinatie van bijvoorbeeld total station, laserscanning en fotogrammetrie. Kwaliteitsverschil in 3D scanners Een scanner is geen fototoestel. Een scan kan niet letterlijk direct omgezet worden naar een tekening of 3D model. Wel zijn er steeds meer automatiseringen die gebaseerd zijn op vorm- en vlakherkenning waardoor modelleren steeds sneller gaat. Delen van de pointcloud kunnen snel ‘vervangen worden’ door vlakken en objecten. Dit is echter vele stappen verwijderd van iets wat je een automatisch model kunt noemen. Een scanner meet met extreem veel punten. Deze miljoenen nauwkeurige meetpunten zorgen dat we een realistisch beeld van de werkelijkheid creëren. We noemen dit een pointcloud. Een scanner kan een volledig beeld van de situatie maken, maar scant nergens doorheen, maakt meetpunten en levert geen kant-en-klaar 3D model. En dus moeten scans door software verwerkt worden. Grote verschillen in datakwaliteiten Er zijn grote verschillen in datakwaliteit tussen de duurdere high-end 3D scanners en nog steeds relatief dure low-end 3D scanners. Het verschil in kwaliteit is niet direct duidelijk, want elke pointcloud ziet er indrukwekkend uit. Een onafhankelijke controle met een tweede instrument (vaak achteraf, na constatering van de fout) brengt de onnauwkeurigheid aan het licht. Een goede scanner herken je vooral aan een hoge kwaliteit meetdata. Elke pointcloud ziet er mooi uit en het lijkt alsof ze allemaal van dezelfde kwaliteit zijn. Dat is echter niet zo. De ene scanner kan veel strakkere meetdata maken dan de andere. Je ziet dit verschil pas wanneer je inzoomt op de individuele punten en de data correct analyseert. Ook is de ene scanner geschikter voor statische objecten en kan de andere beter met bewegende objecten omgaan. Goede datakwaliteit biedt mogelijkheden voor automatiseringen die op lage kwaliteit data niet werken, door ruis en ontbrekende details. Deze automatiseringen besparen in de praktijk juist veel tijd. Het verschil kan een paar uur zijn, waardoor de werkdruk lager wordt. Hoge kwaliteit scandata zorgt voor: Beter en sneller modelleren Minder problemen met ruis De juiste interpretatie Automatiseringen zoals vormherkenning werken beter Het kan dus de moeite waard zijn meer te investeren in de datakwaliteit. Livit heeft een scanner gekozen op 2 key parameters Voor inzet in de praktijk is gebleken dat mobiliteit van onze aanmeettechnieken essentieel is om deze breed in te kunnen zetten. De mobiliteit van onze patiënten hebben wij in het verleden vaak overschat en zo is er geïnvesteerd in vaste hardware in expertisecentra. Helaas hebben wij geleerd dat onze patiënten en verwijzers beperkt bereid zijn om de locatie aan te passen aan de locatie van een vaste scanner. Daarom is mobiliteit 1 van onze key parameters. Tweede key parameter is de kwaliteit van de pointcloud, zoals eerder in deze whitepaper besproken. Scannen in de praktijk door onze orthopedisch adviseurs Maatnemen door middel van scannen houdt in werkelijkheid natuurlijk veel meer in dan een scanner neerzetten en op knoppen drukken. Je moet verstand hebben van: Het onderwerp, de patiënt en positionering Het eindproduct De scanmethode De omstandigheden Andere invloedsfactoren Meettechniek Scandata Etc. Onze adviseurs worden dan ook intensief getraind in het juist gebruiken van onze scanners in de praktijk. Alleen op die wijze kunnen wij zorg dragen voor een nog hogere product kwaliteit voor onze klanten. Tot Slot 3D scanning is populair. Veel partijen bieden deze techniek in een bepaalde vorm aan. In de praktijk blijkt dat niet iedere aanbieder de techniek en zijn beperkingen volledig begrijpt. Omdat 3D scanning populair is, is het gemakkelijk te verkopen, ook al wordt de techniek niet helemaal begrepen. De magie verkoopt zich zelf. In de praktijk merken wij echter vaak dat we aan verwachtingsmanagement moeten doen om teleurstelling achteraf te voorkomen met toepassing van niet kwalitatieve scanners in het medische veld. Volgens ons is kennisdeling en voorlichting– zoals met deze whitepaper – essentieel om tot een succesvol resultaat te komen. We sluiten partnerships met bedrijven in de sector onder de naam OrthoValley, die met onze technieken willen werken maar niet alles zelf willen uitzoeken en leren. Onze aanmeettechnieken stellen wij alleen beschikbaar aan onze partners. Neem contact op als je meer wilt weten over de mogelijkheden die Livit en OrthoValley bieden. Bronnen: https://meet-tekenwerk.nl/ 3d-scannen-basics-nauwkeurigheid -en-resolutie/
3D scanning vereist expertise in de hele keten
scannen in de praktijk door onze adviseurs
Aanbrengen markeringen voor latere modellering Volg het afgesproken scanplan voor een juiste san
LIVIT ORTHOPEDIE
Toepassen 3D scannen toont zijn meerwaarde in ons ‘end-to-end’ digitale productie proces voor orthopedische hulpmiddelen!
Figuur 2: rmaataccuratie en scanresolutie schematisch weergegeven
nauwkeurigheid gedefinieerd, maataccuratie en scanresolutie
De maataccuratie zegt iets over hoeveel het meetpunt afwijkt van de werkelijke positie De scanresolutie is de afstand tussen twee punten
Laserscanning Fotogrammetrie
grote verschillen in datakwaliteit
Bart de Kiefte (CTO), Marcella van der Ent (Manager Digitalisering en Technical Development), Wouter Akkerman (Directeur Operationeel Management), Pelle van Steen (Directeur Productie), Tim Dries (Product Manager) en Jan Willem van der Windt (CEO)