Die Rheumatoide Arthritis ist eine weit verbreitete Krankheit, die verschiedene Gewebe und Organe betreffen kann, jedoch meistens die Hand-, Fuß-, Knie- und Ellbogengelenke angreift, indem sie chronische Entzündungen und Verformungen verursacht. Millionen von Menschen leiden weltweit an dieser Erkrankung, doch ist bis heute kein Heilmittel gefunden worden.

ThreeRivers 3D, ein US-amerikanisches Unternehmen aus Pittsburgh, Pennsylvania, ist auf 3D-Modellierungstechnologie spezialisiert und wurde von einem Zentrum für Medizinforschung damit beauftragt, einen 3D Scanner speziell für Hände zu entwickeln. Ziel ist es, die Hände von Arthritispatienten mit Hilfe des Geräts zu digitalisieren und die Entwicklung der Krankheit über die Zeit dadurch zu verfolgen, dass Verformung und Entzündung der Gelenke in regelmäßigen Abständen gemessen werden.

Systemaufbau
Das System besteht aus einem Metallgerüst (80 x 60 x 40 cm), an dem verschiedene optische Sensoren befestigt sind. Zwei seitlich positionierte 3D-Laserscanner projizieren Raster auf die Hand, um ihre dreidimensionale Geometrie zu erfassen. In jedem Laserscanner ist eine Prosilica GC1290 Schwarz-Weiß-Kamera von Allied Vision Technologies mit 8 mm Edmund Optics Objektiv eingebaut, die die Laserprojektionen auf der Hand erfasst. Eine Prosilica GC1290C Farbkamera mit 10 mm Edmund Optics Objektiv prüft die Deformation der Gelenke von oben, während eine ebenfalls zentral positionierte Wärmekamera die Entzündung in den Gelenken misst. Das System ist außerdem mit einem Thermometer ausgestattet, das neben der Auflage für die Patientenhand montiert ist. Das Gerät misst die Umgebungstemperatur, um das System für eine genaue und vergleichbare Wärmemessung der Hand zu kalibrieren.

Die Prosilica GC1290 (Schwarz-Weiß) und GC1290C (Farbe) von Allied Vision Technologies sind kompakte Digitalkameras mit 1,3 Megapixeln Auflösung, die unkomprimierte Bilddaten in Echtzeit über ihre Gigabit Ethernet Schnittstelle übertragen. Die GC1290 Modelle sind mit einem Sony ICX445 ExView HAD CCD-Sensor ausgestattet, der für besonders hohe Lichtempfindlichkeit und gute Bildqualität sorgt.

ThreeRivers 3D entschied sich für die Prosilica GC1290 aufgrund ihrer besonders kompakten Abmessungen, die eine hohe Flexibilität in der Integration ermöglichen. Ausschlaggebend war auch der hohe Dynamikumfang und ein Spektrum, das den Einsatz von ungefährlichen Laserstrahlen unter normalen Umgebungslichtverhältnissen erleichtert, sowie die präzise Auslösersteuerung für eine synchronisierte Bilderfassung. Außerdem können verschiedene Zubehörelemente im System über den RS232-Port der Kamera gesteuert werden. Dementsprechend bietet die GigE Vision Schnittstelle ein schnelles und zuverlässiges Interface für den Datentransfer.

3D-Modellierung der Patientenhand
Die Prosilica GC1290C Farbkamera und die Wärmebildkamera sind beide mittig über der Hand montiert und blicken auf die Hand- und Armlehne hinunter, auf der der Patient seine Hand positioniert. Die beiden Laserscanner mit eingebauten Prosilica GC1290 Kameras sind an den Seiten des Rahmens befestigt und blicken mit einem Winkel von 45° Grad nach unten.

Jeder Scanner projiziert eine Sequenz von 50 verschiedenen Rastermustern auf die Hand, die die dreidimensionale Bilderfassung erleichtern. Der ganze Ablauf erfolgt innerhalb von 5 Sekunden, um Probleme bei der Bildqualität aufgrund von Bewegungsunschärfe zu minimieren. Die daraus resultierenden 50 Bilder werden von dem Systemcomputer verarbeitet, um ein 3D-Modell der Hand zu generieren. Hierzu wird die Verformung des Rasters auf der Handoberfläche analysiert, voraus sich das Handvolumen genau errechnen lässt.

Die Software wurde mit Hilfe von AVT's PvAPI Software Development Kit (SDK) programmiert. Dank seiner  Dynamic Link Library (DLL) lässt sich das SDK problemlos in eine Applikation integrieren. So konnten die Laserscanner ohne zusätzlichen Treiber umgesetzt werden, was sowohl die Installation als auch die längerfristige Systempflege vereinfacht. Ein weiterer Vorteil des AVT PvAPI SDKs ist, dass es für viele Betriebssysteme verfügbar ist - etwa Windows, OS X, QNX und Linux. So konnte threeRivers 3D den Scanner mit nur einer Softwareplattform zu allen bedeutenden Betriebssystemen kompatibel machen.

3D-Bilderfassung: eine vielversprechende Zukunft
Heutzutage werden viele dreidimensionale Messungen noch mit manuellen Methoden durchgeführt. Dank der schnellen Entwicklung der 3D-Bildverarbeitung entwickelt threeRivers 3D maßgeschneiderte 3D-Scanner-Lösungen für die Industrie, die Qualitätsprüfung und die Wissenschaft. Neue Systeme sind in der Lage, die Daten von tausenden 3D-Scannern automatisch zu erfassen und zu verarbeiten, womit Zeit und Aufwand bei höherer Präzision dramatisch reduziert werden.