RU2849014C1

RU2849014C1 - Laser scanner for creating digital personalised impressions

Info

Publication number: RU2849014C1
Application number: RU2025103490A
Authority: RU
Inventors: Виталий Дмитриевич Кузин; Андрей Александрович Куркин
Filing date: 2025-02-17
Publication date: 2025-10-22

Abstract

FIELD: medical technology.

SUBSTANCE: laser scanner includes an armrest that ensures the stable position of the object being scanned, as well as a moving carriage with a rotating ring platform attached to it. The carriage is designed to move along linear guides using a screw drive driven by a stepper motor. The ring platform is rotated by a separate stepper motor via a belt drive. A laser rangefinder operating in the infrared range is installed on the rotating platform, which scans the object and collects data on the geometry of its surface, transmitting it to an information processing unit containing a control microcontroller, a current converter and a CNC shield. Data is transmitted to a computer for point cloud visualisation and subsequent 3D model construction via a wireless communication channel.

EFFECT: technical result - high accuracy of creating digital models of amputated limbs in real time, mobility.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для создания цифровых моделей ампутированных конечностей. Эти устройства применяются для персонализации культеприемных гильз, используемых в протезировании. Цифровой метод замены традиционных гипсовых слепков упрощает процесс проектирования, повышает точность подгонки и ускоряет изготовление протезов.The invention pertains to medical technology, specifically to devices for creating digital models of amputated limbs. These devices are used to personalize prosthetic sockets used in prosthetics. This digital method, replacing traditional plaster casts, simplifies the design process, improves fitting accuracy, and speeds up prosthetic manufacturing.

Одним из известных аналогов является структурированный световой сканер Artec Eva (Artec 3D, Люксембург), предназначенный для создания 3D-моделей объектов. Этот сканер широко используется в медицинской сфере, включая создание цифровых моделей анатомических частей тела. 3D-сканер быстро и точно создает 3D-модели объектов. Он сканирует быстро, фиксируя точные измерения в высоком разрешении.One well-known analog is the Artec Eva structured light scanner (Artec 3D, Luxembourg), designed to create 3D models of objects. This scanner is widely used in the medical field, including the creation of digital models of anatomical parts. The 3D scanner quickly and accurately creates 3D models of objects. It scans quickly, capturing precise measurements in high resolution.

Основным недостатком сканера Artec Eva является его высокая стоимость, что делает технологию недоступной для массового применения. Кроме того, сканер требует профессиональных навыков для работы и предварительной обработки данных, что может усложнять его использование в реабилитационных центрах.The main drawback of the Artec Eva scanner is its high cost, making the technology unaffordable for widespread use. Furthermore, the scanner requires professional skills to operate and pre-process the data, which may complicate its use in rehabilitation centers.

Ещё одним аналогом является система Canfit Prosthetics Scanner (Canfit Prosthetics, Канада), которая представляет собой стационарное устройство для сканирования ампутированных конечностей. Система преобразует результаты сканирования в цифровую модель, пригодную для последующего проектирования культеприемных гильз.Another similar system is the Canfit Prosthetics Scanner (Canfit Prosthetics, Canada), a stationary device for scanning amputated limbs. The system converts the scan results into a digital model suitable for the subsequent design of prosthetic sockets.

Однако система Canfit обладает ограниченной мобильностью, так как требует стационарного использования, и высокой стоимостью. Кроме того, её использование предполагает наличие дорогостоящего программного обеспечения для работы с данными, что снижает экономическую доступность технологии.However, the Canfit system has limited mobility, requiring stationary use, and is expensive. Furthermore, its use requires expensive software to manage the data, making the technology less affordable.

Наиболее близким аналогом является лазерный сканер NextEngine 3D (NextEngine Inc., США), который позволяет создавать 3D-модели различных объектов, включая анатомические структуры. Сканер использует лазерный луч и построение облака точек для формирования цифровых моделей.The closest analogue is the NextEngine 3D laser scanner (NextEngine Inc., USA), which can create 3D models of various objects, including anatomical structures. The scanner uses a laser beam and point cloud generation to create digital models.

NextEngine 3D сконструирован для общего применения, что ограничивает его использование в медицине. Система не обеспечивает высокой точности при работе с мягкими тканями, что критически важно для сканирования ампутированных конечностей. Также прототип не имеет возможности визуализировать данные в реальном времени.NextEngine 3D is designed for general use, which limits its use in medicine. The system does not provide high accuracy when working with soft tissue, which is critical for scanning amputated limbs. The prototype also lacks the ability to visualize data in real time.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для сканирования, которое обеспечивает высокую точность создания цифровых моделей ампутированных конечностей в реальном времени, является доступным по стоимости, мобильным. Предлагаемое устройство должно позволить заменить традиционные гипсовые слепки цифровыми моделями, пригодными для проектирования культеприемных гильз.The objective of the claimed invention is to create a scanning device that provides high-precision, real-time digital models of amputated limbs while being affordable and mobile. The proposed device should replace traditional plaster casts with digital models suitable for designing prosthetic sockets.

Технический результат достигается за счет того, что разрабатываемый лазерный 3D-сканер так же, как и сканер-прототип, содержит корпус со сканирующим блоком и блоком обработки информации. Новым является то, что сканер дополнительно включает в себя подлокотник, обеспечивающий стабильное положение объекта сканирования, а также движущуюся каретку с закрепленной на ней вращающейся кольцевой платформой. При этом каретка выполнена с возможностью перемещения по линейным направляющим с использованием винтовой передачи, приводимой в движение шаговым двигателем. Вращение кольцевой платформы осуществляется отдельным шаговым двигателем через ременную передачу. При этом на вращающейся платформе установлен лазерный дальномер, работающий в инфракрасном диапазоне, который выполняет сканирование объекта и собирает данные о геометрии его поверхности, передавая их на блок обработки информации, содержащий управляющий микроконтроллер, преобразователь тока и CNC-шилд. При этом передача данных на компьютер для визуализации облака точек и последующего построения 3D-модели осуществляется по беспроводному каналу связи.The technical result is achieved by the fact that the developed 3D laser scanner, like the prototype scanner, comprises a housing with a scanning unit and a data processing unit. A novel feature is that the scanner additionally includes an armrest, which ensures the scanning object remains stable, as well as a moving carriage with a rotating ring platform attached to it. The carriage is configured to move along linear guides using a screw drive driven by a stepper motor. The ring platform is rotated by a separate stepper motor via a belt drive. A laser rangefinder operating in the infrared range is mounted on the rotating platform. This rangefinder scans the object and collects data on its surface geometry, transmitting it to a data processing unit containing a control microcontroller, a current converter, and a CNC shield. Data is transmitted wirelessly to a computer for point cloud visualization and subsequent 3D model construction.

Изобретение поясняется фигурой, на которой представлен общий вид разработанного сканера.The invention is explained by a figure which shows a general view of the developed scanner.

Лазерный сканер для создания цифровых персонализированных слепков состоит из основных конструктивных элементов и компонентов, обеспечивающих точное сканирование поверхности мягких тканей пациента и передачу данных на компьютер для дальнейшей обработки.The laser scanner for creating digital personalized impressions consists of basic structural elements and components that ensure precise scanning of the patient's soft tissue surface and data transfer to a computer for further processing.

Устройство включает в себя главный корпус 1, в котором размещаются все основные компоненты устройства. Подлокотник 2 устройства обеспечивает стабильное и удобное положение конечности пациента во время сканирования. Кольцевая платформа 3 закреплена на каретке 4, которая перемещается по линейной направляющей 5 с использованием передачи винт-гайка. Каретка 4 обеспечивает горизонтальное перемещение кольцевой платформы 3 для охвата всей длины конечности. В каретке 4 шаговый двигатель 6 с помощью ременной передачи обеспечивает вращение кольцевой платформы 3 с установленным лазерным излучателем и дальномером 7, работающим в инфракрасном диапазоне. Он сканирует поверхность мягких тканей, обеспечивая точный сбор данных о форме и размере ампутированной конечности.The device includes a main body 1, which houses all of the main components. Armrest 2 ensures a stable and comfortable position for the patient's limb during scanning. Annular platform 3 is mounted on carriage 4, which moves along a linear guide 5 using a screw-and-nut transmission. Carriage 4 provides horizontal movement of annular platform 3 to cover the entire length of the limb. Within carriage 4, stepper motor 6, via a belt drive, rotates annular platform 3, which houses a laser emitter and infrared rangefinder 7. It scans the soft tissue surface, providing accurate data on the shape and size of the amputated limb.

Главный блок управления (электронная часть устройства) состоит из следующих компонентов: шаговый мотор 8, который обеспечивает управление движением платформы; преобразователь тока 9, стабилизирующий питание системы; микроконтроллер Arduino Uno с CNC-shield расширителем 10, управляющий работой шаговых двигателей 6 и 8, лазерного дальномера 7 и координирующий передачу данных на управляющий компьютер.The main control unit (the electronic part of the device) consists of the following components: a stepper motor 8, which controls the platform's movement; a current converter 9, which stabilizes the system's power supply; an Arduino Uno microcontroller with a CNC-shield expander 10, which controls the operation of stepper motors 6 and 8, a laser rangefinder 7, and coordinates the transfer of data to the control computer.

При сканировании лазерный дальномер 7 собирает данные о геометрии поверхности конечности и передаёт их по беспроводному каналу связи на компьютер для визуализации и последующего преобразования в 3D-модель. Устройство поддерживает формирование облака точек в режиме реального времени и экспорт данных в формат STL, что позволяет быстро интегрировать полученные результаты в CAD-системы для проектирования персонализированных культеприемных гильз.During scanning, the Laser Rangefinder 7 collects data on the limb's surface geometry and transmits it wirelessly to a computer for visualization and subsequent conversion into a 3D model. The device supports real-time point cloud generation and data export to STL format, enabling rapid integration of the obtained results into CAD systems for the design of personalized prosthetic sockets.

Предложенное изобретение представляет собой эффективное решение для замены традиционных гипсовых слепков цифровыми моделями, что значительно ускоряет процесс изготовления персонализированных культеприемных гильз. Лазерный сканер обеспечивает высокую точность сбора данных за счёт использования инфракрасного лазерного дальномера и движущейся платформы с кольцевым механизмом. Благодаря интеграции беспроводной передачи данных и прямой совместимости с CAD-системами, устройство позволяет оперативно визуализировать и обрабатывать результаты сканирования.The proposed invention represents an effective solution for replacing traditional plaster casts with digital models, significantly accelerating the manufacturing process of personalized prosthetic sockets. The laser scanner ensures high-precision data collection through the use of an infrared laser rangefinder and a moving platform with a ring mechanism. Thanks to the integration of wireless data transmission and direct compatibility with CAD systems, the device enables rapid visualization and processing of scan results.

Экономическая доступность сканера достигается за счёт использования стандартных электронных компонентов и применения аддитивных технологий производства. Эргономичный дизайн и возможность простого обслуживания делают устройство удобным для применения как в медицинских учреждениях, так и в лабораториях, занимающихся протезированием. Таким образом, изобретение имеет высокую практическую ценность для ортопедии и протезирования, способствуя повышению качества индивидуальных решений для пациентов с ампутированными конечностями. The scanner's affordability is achieved through the use of standard electronic components and additive manufacturing technologies. Its ergonomic design and easy maintenance make it suitable for use in both medical facilities and prosthetic laboratories. Thus, the invention has significant practical value for orthopedics and prosthetics, helping to improve the quality of customized solutions for amputees.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить точность и скорость создания цифровых моделей ампутированных конечностей за счёт применения лазерного излучателя и оптического метода сбора данных, обеспечивающего минимальное искажение формы сигнала. Использование движущейся и вращающейся платформы позволяет охватить полный объём сканируемой поверхности, исключая необходимость дополнительной обработки данных. Кроме того, экономическая доступность устройства достигается за счёт применения стандартных компонентов и аддитивных технологий производства. Реализация беспроводной передачи данных через беспроводной канал связи сокращает время интеграции с CAD-системами, упрощает эксплуатацию и обеспечивает визуализацию облака точек в реальном времени.Thus, the claimed invention improves the accuracy and speed of creating digital models of amputated limbs by using a laser emitter and an optical data collection method that ensures minimal waveform distortion. The use of a moving and rotating platform allows for the full volume of the scanned surface to be captured, eliminating the need for additional data processing. Furthermore, the device's affordability is achieved through the use of standard components and additive manufacturing technologies. Wireless data transmission via a wireless communication channel reduces integration time with CAD systems, simplifies operation, and enables real-time point cloud visualization.

Claims

A laser 3D scanner comprising a housing with a scanning unit and an information processing unit, characterized in that it includes an armrest that ensures a stable position of the scanning object, as well as a moving carriage with a rotating ring platform fixed thereto, wherein the carriage is configured to move along linear guides using a screw transmission driven by a stepper motor, and the rotation of the ring platform is carried out by a separate stepper motor through a belt transmission, wherein a laser rangefinder operating in the infrared range is installed on the rotating platform, which scans the object and collects data on the geometry of its surface, transmitting them to the information processing unit containing a control microcontroller, a current converter and a CNC shield, wherein the data is transmitted to a computer for visualization of a point cloud and subsequent construction of a 3D model via a wireless communication channel.