Dissertations / Theses on the topic 'Stereofotogrammetria'

Three dimensional analysis of facial morphology using stereophotogrammetry The human face has been largely evaluated from the quantitative point of view in medical literature, using manual anthropometry, photography and radiography. The limits of these techniques are: long-time procedure in analogic data acquisition for manual anthropometry, bi-dimensionality for photography, invasivity for radiography. Stereophotogrammetry promises to be a new, digital, three-dimensional, non invasive technique for evaluating the human face, in several medical fields, such as maxillofacial surgery, aesthetic surgery, orthodontics, prosthodontics, general dentistry. The instrument is based on the binocular vision: two pairs of cameras, with known reciprocal distance and angulation, capture two different images of the same object, allowing its three-dimensional virtual reconstruction, using a dedicated software. The current thesis proposes and evaluates three different applications of this technology: the first study proposes a new possibility in medical imaging, merging the superior dental arch with the 3D image of the face in a unique image. The procedure resulted accurate and reliable, with a relative error magnitude <1.2%, in comparison with direct anthropometry. Applications are possible in the diagnosis and treatment of the dento-facial pathologies, in the monitoring of the orthodontic and orthopaedic therapies. The second study investigates the morphological changes of the facial soft tissues, after dental additive modifications. A dental treatment was simulated by applying veneers with different thicknesses (1 and 2 mm) to the vestibular surfaces of the superior anterior teeth and the resulting new position of the facial tissues was compared with the baseline one. The highest amount of morphological response (from 0.4mm to 0.6mm) was concentrated in a central area around the upper and the lower lip, even using 1mm thickness. The study can help physicians to formulate more complete diagnosis and treatment planning, especially in the aesthetic field of dento-labial region. The third study is an anthropometric and aesthetic-related research of human face proportions, including references to the golden ratio. Out of a population of 600 subjects, who underwent a stereophotogrammetric facial acquisition, two groups of 20 subjects were extracted and divided in “very attractive” and “not attractive” by a panel of 4 judges. 10 facial ratios were compared between the two groups, using an ANOVA test, in order to find differences based on gender and attractiveness. The values of the facial ratios were also compared to the golden ratio (1.618) using a paired t-test. No significant differences were found in any group. Only a few facial ratios have significant relationships with the golden ratio. Beyond the technical results, the study is an example of how much helpful stereophotogrammetry could be in anthropometric research. In conclusion, stereophotogrammetry proved to be a reliable technique in several face-related medical fields. Its characteristics of high-quality imaging, three-dimensionality, non-invasive and easy-to-use procedure will ensure its wider diffusion and affordability in the future.

L’analisi della postura e del movimento umano costituiscono un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico. La valutazione delle caratteristiche della postura e del movimento, nonché delle loro variazioni rispetto ad una situazione di normalità, possono essere di enorme utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari patologie, così come per la pianificazione ed il controllo di specifici trattamenti riabilitativi. In particolare è utile una valutazione quantitativa della postura e del movimento che può essere effettuata solo utilizzando metodologie e tecnologie ‘ad hoc’. Negli ultimi anni la diffusione di sensori MEMS e lo sviluppo di algoritmi di sensor fusion hanno portato questi dispositivi ad entrare nel mondo della Motion Capture. Queste piattaforme multi-sensore, comunemente chiamate IMU (Inertial Measurement Unit), possono rappresentare l’elemento base di una rete sensoriale per il monitoraggio del movimento umano.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di indagare come differenti angoli all’articolazione di caviglia possono influenzare l’architettura del muscolo Tibiale Anteriore, architettura che sua volta può influenzare la lettura degli elettromiogrammi superficiali. Questo è stato fatto attraverso l’utilizzo combinato di sistemi ecografici e stereofotogrammetrici, che nel loro complesso permettono la ricostruzione del volume della struttura di interesse. Dalle immagini ecografiche 3D è stato possibile valutare le modifiche dell’angolo di pennazione del muscolo, che ha mostrato differenze significative tra due condizioni di osservazione, ovvero passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa. Dalla ricostruzione del volume è stato possibile stimare le variazioni di spessore e larghezza del muscolo. Da queste stime sono state riscontrate differenze significative passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa, principalmente nella porzione più mediale del muscolo.

L'obiettivo di questa tesi è l'estrazione di parametri cinematici e dinamici per la progettazione di un esoscheletro motorizzato. Sono state effettuate analisi per il dimensionamento dei motori e vagliate ipotesi di tuning di ortesi motorizzate e non.

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di andare a stimare gli angoli di rotazione delle stampelle utilizzando sia accelerometri che giroscopi con delle tecniche di Sensor Fusion adatte per applicazioni in tempo reale e che richiedono una bassa capacità computazionale e confrontare tali stime con gli angoli misurati con metodi stereofotogrammetrici.

L’avvento delle nuove tecnologie ha permesso lo sviluppo e il miglioramento dello studio del movimento umano, permettendo alla Gait Analysis di diventare un prezioso strumento in ambito medico. La Gait Analysis, definita come analisi computerizzata della deambulazione, mira a quantificare la meccanica del movimento per definire il pattern deambulatorio del soggetto in esame e individuare deviazioni dal normale andamento. Viene quindi utilizzata per la formulazione di diagnosi, prognosi e come supporto medico in terapie riabilitative. Questa pratica ha avuto riscontri positivi in diverse patologie che colpiscono il sistema muscolare come la lesione midollare incompleta. In questo elaborato è stato utilizzato uno strumento tradizionale e performante per l’analisi del cammino, ovvero la stereofotogrammetria Attraverso l’utilizzo del protocollo Outwalk, che si basa su un approccio funzionale per la stima della cinematica articolare, si è definito il sistema di coordinate anatomico/funzionale per ciascun segmento corporeo. Una volta acquisiti i dati stereofotogrammetrici sono state effettuate tre tipi di acquisizione: statica, flesso-estensione del ginocchio e dinamica. Successivamente è stato effettuato il tracking dei dati, l’elaborazione ed infine l’esportazione su Matlab per la stima della cinematica articolare e per la creazione dei Ciclogrammi. Lo scopo di questo elaborato è estrarre delle features per ciascun ciclogramma al fine di stratificare i pazienti in diversi gruppi di invalidità o danneggiamento,basandoci sulla presenza di caratteristiche specifiche geometriche e quantitative del ciclogramma, quali l’area totale e l’area nei singoli quadranti. Sono stati esaminati 5 soggetti sani e 10 pazienti con lesione midollare incompleta ed è stato effettuato un confronto tra i dati ottenuti, riscontrando una possibile classificazione dei pazienti in 4 categorie di compromissione.

In recent years, concepts and tools from dynamical systems theory have been successfully applied to the study of movement systems, contradicting traditional views of variability as noise or error. It is apparent that variability in movement systems is omnipresent and unavoidable due to the distinct constraints that shape each individual behaviour. In this work, it is argued that trial-to-trial movement variations within individuals, and performance differences observed between individuals may be best interpreted as attempts to exploit the variability that is inherent biological systems. That is, variability in movement systems helps individuals adapt to the unique constraints (personal, task and environmental) impinging on them across different timescales. Here is examined the implications of these ideas for sports performance, by: (a) interpreting different constraints on individual coordination strategy in physical performance and (b) focusing on variability in performance control and skill acquisition in athletes. The implementation of a dynamical systems theoretical interpretation of variability in movement systems signals a need to re-evaluate the traditional ‘medical model’ that interprets motor behaviour and performance constrained by disease or injury to the movement system. Accordingly, there is a need to exploit new tools for providing individualised plots of motor behaviour and performance as a function of key constraints. Coordination profiling is proposed as one such alternative approach to assess each unique performance. The approach taken is that the control of multiple degrees-of-freedom systems is not necessarily more difficult or complex than that of systems only comprising a few degrees of freedom, with the conclusion that dynamical systems theory provides an appropriate multidisciplinary theoretical framework to explain their interaction in supporting physical performance. From this perspective the use of new technology as 3D stereophotogrammetry can help scientists to understand the intrinsic dynamics of sport movements. 6

Attraverso lo studio di forze e momenti torcenti applicati alle articolazioni di spalla e gomito, si cerca di indagare la biomeccanica del lancio nel baseball, in relazione all'utilizzo di palle appesantite e alleggerite.

La malattia di Huntington è una rara affezione neurodegenerativa autosomica dominante causata da una ripetizione CAG espansa sul braccio corto del cromosoma 4. È considerata un disturbo progressivo delle affezioni motorie, cognitive e psichiatriche. I sintomi clinici della patologia sono complessi e variabili, Le alterazioni cognitive precedono il disordine del movimento in oltre la metà dei casi affetti da MH. I sintomi motori possono essere assai variabili nelle loro manifestazioni e non sempre facilmente riconoscibili. È possibile che ci sia un generico impaccio motorio o piuttosto un disturbo tipo tic. Per studiare tali deficit, nella letteratura, si ricorre agli strumenti biomeccanici quali pedane di forza, stereofotogrammetria, elettromiografia su superficie ed infine sensori indossabili. Ad oggi non è ancora stato standardizzato un metodo assoluto per analizzare i pazienti da ritenersi valido a priori. Questa mancanza è dovuta al fatto che esistono vari strumenti per analizzare lo stesso tipo di problema motorio, perciò vengono misurate variabili tra di loro diverse che non possono essere messe a confronto. Altro problema sono la grandezza dei campioni, visto e considerato che la malattia è rara e non è facile riuscire ad avere un numero corposo di partecipanti tale da poter considerare i risultati di un elaborato assoluti. Inoltre, oltre che avere pochi soggetti, tra di loro possono esistere delle differenze sostanziali, quali per esempio il livello della malattia a cui sono arrivati, gli anni passati dall’insorgenza della stessa e soprattutto i diversi sintomi che ognuno può manifestare anche nello stesso periodo della patologia. L’obbiettivo di tale revisione è quello di riuscire a raccogliere i vari studi svolti e racchiuderli in un singolo lavoro in modo tale da avere un quadro metodologico più preciso e oggettivo, e volto ad approfondimenti futuri per riuscire a trovare una strategia per migliorare la qualità di vita.

I più comuni metodi per la valutazione della prestazione motoria consistono nella somministrazione di batterie di test standardizzati: questo approccio, soprattutto per le valutazioni di processo, spesso fornisce parametri che sono influenzati dal parere soggettivo dell’osservatore. L’obiettivo di questa tesi è di utilizzare i sensori inerziali per l’analisi quantitativa di un test utilizzato per la caratterizzazione della competenza motoria fine in età evolutiva. In particolare è stato strumentato il test motorio “placing bricks” su bambini in età scolare. Il lavoro è stato suddiviso in due fasi: i) sviluppo e validazione, assumendo come riferimento la stereofotogrammetria, di un algoritmo per la segmentazione temporale automatica del task motorio studiato; ii) analisi della variabilità temporale dei parametri temporali stimati con il nuovo algoritmo a partire da misure inerziali su una popolazione di soggetti in età evolutiva (età compresa tra i 6 e gli 8 anni) rispetto a parametri quali genere, dominanza, età anagrafica. Le misure quantitative ottenute per ogni popolazione di individui sono state confrontate tra loto con il test Mann-whitney, i risultati mostrano che i soggetti più grandi sono in grado di performare meglio rispetto ai più piccoli, che la mano dominante è più efficiente rispetto a quella non dominante, mentre le performance di maschi e femmine (a parità di età e di mano usata) sono molto simili tra loro. In conclusione, la strumentazione di un test per la competenza motoria fine è da considerare utile al fine di rendere la valutazione più precisa e approfondita, ma soprattutto oggettiva e può quindi portare il valutatore a una diagnosi più corretta e a una terapia più idonea nel caso di individui affetti da disturbi.

Lo studio affrontato in questa tesi si pone come scopo di mettere in luce le differenze tra un cammino con e senza plantari RunWay prodotti dalla Legwood. In particolare l’indagine riguarda come e quanto questi plantari modifichino l’allineamento posturale della colonna vertebrale e la biomeccanica degli arti inferiori.

Il Five Times Sit-To-Stand e il Timed Up-and-Go sono due dei test di valutazione della capacità motoria più diffusi. Vengono impiegati nello screening della popolazione anziana per individuare precocemente disfunzioni che possono essere sintomo di fragilità, elevato rischio di cadute o patologie, tra cui demenza, malattia di Parkinson e disturbi vestibolari. Tuttavia, ad oggi non esiste un metodo standard per l’analisi del movimento applicato a questi test e nemmeno per definire e misurare la durata di ogni fase in cui ciascun test si compone. Sviluppare un metodo di riconoscimento standardizzato ed automatico migliorerebbe l’affidabilità dei test e consentirebbe una diagnosi basata su dati oggettivi e specifici rispetto alla sola durata dell’intero task motorio. Il presente lavoro di tesi propone un metodo per quantificare la performance motoria a partire dai dati acquisiti dalla stereofotogrammetria e dalla pedana dinamometrica, strumenti considerati il gold standard nell’analisi del movimento. L’elaborato descrive l’algoritmo sviluppato per identificare gli istanti di transizione tra le diverse fasi dei task motori. Nella parte finale sono presentate le analisi statistiche, svolte sul campione di soggetti che hanno partecipato allo studio, che forniscono dati preliminari per la definizione di un criterio clinico su cui basare la valutazione. Dai risultati dello studio emerge che attraverso questo tipo di analisi è possibile ottenere delle misure affidabili e ripetibili che, se ricavate per un campione rappresentativo della popolazione generale, consentirebbero di definire delle fasce di normalità per valutare la funzionalità motoria considerando l’effetto dei principali fattori confondenti quali età, sesso, altezza e peso. Questo metodo, inoltre, costituisce un gold standard utile per la cross-validazione di altri metodi di analisi del movimento basati su sensori indossabili, utilizzabili al di fuori del laboratorio.

Lo studio ha come obiettivo la validazione dei sensori inerziali come strumento per l'analisi del cammino in persone affette da lesione midollare incompleta. Al giorno d’oggi, il sistema di acquisizione ritenuto come valido riferimento per l’analisi del cammino è la stereofotogrammetria, che presenta tuttavia alcuni svantaggi: ambienti dedicati per il suo utilizzo, installazione di telecamere costose e delicate, competenze molto specializzate per il suo utilizzo, costi elevati e tempi lunghi di elaborazione dei dati. La fase di valutazione dei parametri spazio-temporali forniti dai sensori, oggetto del presente elaborato, consiste in due step successivi: l'acquisizione dei dati, eseguita contestualmente sia dal sistema stereofotogrammetrico che dai sensori inerziali; la sincronizzazione delle informazioni fornite dai due sistemi di misura e l'analisi statistica dei dati a confronto. L'analisi dei parametri spazio-temporali della stereofotogrammetria è eseguita utilizzando il protocollo CAST, mentre per i sensori inerziali è stato utilizzato il protocollo OUTWALK, entrambi protocolli già noti nella letteratura scientifica di riferimento. Gli eventi di maggiore interesse ai fini di uno studio delle fasi del passo corrispondono ad Heel Strike e Toe Off, ovvero rispettivamente gli istanti di tempo in cui il tallone prende il contatto con il suolo e gli istanti in cui si ha il distacco dell’alluce dal terreno. Dall’analisi di questi due eventi possono essere determinati una serie di parametri spazio-temporali di interesse clinico quali ad esempio la lunghezza del passo, il numero dei passi effettuati, l’intervallo di tempo che intercorre tra un appoggio e l’altro, i periodi di appoggio singolo e doppio.

Lo scopo del presente studio è quello di indagare come l’alterazione della rigidità nelle scarpe da corsa, ottenuta mediante l’utilizzo di una soletta sviluppata dal Progetto Ares realizzata in fibra di carbonio e kevlar disposte in direzione longitudinale, conduca a cambiamenti sistematici nelle dinamiche di locomozione portando ad una maggior efficienza dell’azione. Ai fini della valutazione prestazionale ciò che viene considerato rilevante in questo studio è il rapporto che c’è fra la fase di frenata e la fase propulsiva in cui ci aspetta che l’energia scaricata a terra durante la frenata venga riprodotta o minimamente dispersa in fase propulsiva. Si è ipotizzato che l’utilizzo della soletta in carbonio porti ad avere un maggior guadagno di energia in fase spinta ed un minor assorbimento in fase di frenata determinando un maggior supporto alla fase propulsiva in direzione anteroposteriore. Sono stati messi a tal scopo a confronto i risultati riguardanti la componente di forza anteroposteriore ottenuti dall’analisi di corsa e cammino con soletta standard e con soletta in carbonio mediante l’utilizzo di piattaforme dinamometriche. I livelli di forza sono stati misurati su 4 soggetti maschi di età compresa tra 40 e 50 anni sottoposti a prove di cammino e corsa all’interno del laboratorio. In supporto alla verifica delle nostre ipotesi si è reso necessario sia l’utilizzo combinato di piattaforme dinamometriche e stereofotogrammetria. I risultati ottenuti dimostrano in un soggetto su 4 un netto miglioramento in termini di supporto alla propulsione con l'utilizzo della soletta in carbonio. Un soggetto subisce invece effetti negativi a causa dell'aumento di rigidità della soletta, probabilmente dovuto ad una già buona e consolidata dinamica locomotoria

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.

Abstract The recommendation for infants to sleep supine has decreased the incidence of sudden infant death syndrome by more than a half, but as another consequence, a dramatic rise has been observed in the incidence of acquired cranial asymmetry (deformational plagiocephaly, DP). According to recent data, almost half of otherwise healthy infants are affected by some degree of DP at 7 to 12 weeks of age, and especially in the USA and some Central European countries, major effort is put into treatment of severe DP. However, little is known of the prognosis of DP in the absence of intervention, and although primary preventive strategies are often recommended, a lack of evidence on the effectiveness of such measures persists. Furthermore, although 3D imaging is nowadays frequently used on infants with DP, no data is available on the accuracy of the measurements used to quantify cranial asymmetry. In the present study, the efficacy of a primary preventive program in reducing the incidence of DP was tested in a randomized, controlled trial. The course of DP in the absence of active treatment was studied throughout the first year of life, and factors impacting the prognosis of DP were investigated. The diagnostic accuracy of four 3D stereophotogrammetry-based measurements was also analyzed and compared, with a goal of determining their optimal cut-off values for DP. DP was less prevalent and less severe in the intervention group infants at the end of the RCT (3 months). The point prevalence of DP peaked at 3 months, whereafter spontaneous improvement in DP was seen throughout the follow-up period until 12 months of age. A preferential infant head position at 3 months was the strongest predictor of a subsequently unfavorable course of DP. Cranial asymmetry seen at birth was transient, and none of the older infants with torticollis had presented neck imbalance at birth, but rather appeared to develop the condition postnatally concomitantly with DP. Although all studied asymmetry-related measurements performed well regarding diagnostic accuracy, OCLR produced the most accurate classification of DP. In conclusion, primary preventive guidelines would likely aid in reducing the burden from both DP itself and associated healthcare costs, although substantial spontaneous improvement from DP can usually be expected. The cut-off values defined for the asymmetry-related measurements have clinical implication in both making the diagnosis of DP and determining the target outcomes for treatment
Tiivistelmä Imeväisten nukuttaminen selällään on vähentänyt kätkytkuolemien määrää alle puoleen aiemmasta, mutta käytäntö on myös huomattavasti lisännyt asentoperäisen, ei-synostoottisen vinokalloisuuden esiintyvyyttä; tuoreen tutkimustiedon mukaan jopa lähes joka toisella imeväisellä on nähtävissä jonkinasteista asentovinokalloisuutta 7–12 viikon iässä. Etenkin USA:ssa ja muutamissa Keski-Euroopan maissa vaikea-asteista asentovinokalloisuutta hoidetaan aktiivisesti kypäräortoosein, mutta samanaikaisesti tietämys tilan luonnollisesta kulusta on vähäistä. Vaikka riskitekijöitä tunnetaan ja ehkäiseviä toimenpiteitä usein suositellaan, ei niiden tehosta ole juuri näyttöä. Nykyään 3D-pintakuvantamista käytetään usein vinokalloisten imeväisten seurannassa, mutta epäsymmetrian mittaamiseen käytettyjen muuttujien osuvuudesta ei ole tietoa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää vastasyntyneiden vanhemmille annettavan vauvan käsittelyohjeistuksen vaikutusta asentovinokalloisuuden ilmaantuvuuteen satunnaistetussa, kontrolloidussa asetelmassa. Lisäksi pitkäaikaisseurannassa kartoitettiin asentovinokalloisuuden luonnollista kulkua ja ennusteeseen vaikuttavia tekijöitä suomalaisilla imeväisillä. Tutkimuksessa myös analysoitiin ja vertailtiin 3D-kuvista laskettavien epäsymmetriaa mittaavien muuttujien diagnostista osuvuutta. Käsittelyohjeita saaneiden lapsilla oli 3 kuukauden iässä merkittävästi vähemmän asentovinokalloisuutta ja kalloasymmetria oli lievempää kuin verrokkiryhmässä. Asentovinokalloisuuden esiintyvyys oli korkeimmillaan juuri 3 kuukauden iässä, jonka jälkeen merkittävää spontaania palautumista oli havaittavissa koko 12 kuukauden ikään jatkuneen seurannan ajan. Vastasyntyneillä nähty kalloasymmetria oli puolestaan ohimenevää, eikä myöskään vastasyntyneenä dokumentoitu kaulan liikerajoitus lisännyt myöhemmän vinokalloisuuden riskiä, vaan vinokalloisilla usein tavattava torticollis (kierokaula) näytti kehittyvän ensimmäisten elinviikkojen aikana yhdessä vinokalloisuuden kanssa. 3 kuukauden iässä havaittu imeväisen halu pitää päätään aina samaan suuntaan käännettynä oli yhteydessä kalloasymmetrian huonompaan spontaaniin palautumiseen. Tutkituista epäsymmetriaa mittaavista muuttujista OCLR erotteli vinokalloiset parhaiten. Yhteenvetona voidaan todeta, että ennaltaehkäisevä ohjeistus voisi vähentää vinokalloisuutta ja siitä aiheutuvia hoitokuluja kustannustehokkaasti, mutta vinokalloisuudelta on lupa odottaa myös merkittävää spontaania palautumista. Tutkimuksessa määritellyillä epäsymmetriaa mittaavien muuttujien raja-arvoilla on käyttöä sekä diagnostiikan että hoidon tavoitteiden määrittelemisen saroilla

Abstract The use of 3D imaging of craniofacial soft tissue has increased in medical science, and imaging technology has been developed greatly in recent years. 3D models are quite accurate and with imaging devices based on stereophotogrammetry, capturing the data is a quick and easy operation for the subject. However, analyzing 3D models of the face or head can be challenging and there is a growing need for efficient quantitative methods. In this thesis, new mathematical methods and tools for measuring craniofacial structures are developed. The thesis is divided into three parts. In the first part, facial 3D data of Lithuanian twins are used for the determination of zygosity. Statistical pattern recognition methodology is used for classification and the results are compared with DNA testing. In the second part of the thesis, the distribution of surface normal vector directions of a 3D infant head model is used to analyze skull deformation. The level of flatness and asymmetry are quantified by functionals of the kernel density estimate of the normal vector directions. Using 3D models from infants at the age of three months and clinical ratings made by experts, this novel method is compared with some previously suggested approaches. The method is also applied to clinical longitudinal research in which 3D images from three different time points are analyzed to find the course of positional cranial deformation and associated risk factors. The final part of the thesis introduces a novel statistical scale space method, SphereSiZer, for exploring the structures of a probability density function defined on the unit sphere. The tools developed in the second part are used for the implementation of SphereSiZer. In SphereSiZer, the scale-dependent features of the density are visualized by projecting the statistically significant gradients onto a planar contour plot of the density function. The method is tested by analyzing samples of surface unit normal vector data of an infant head as well as data from generated simulated spherical densities. The results and examples of the study show that the proposed novel methods perform well. The methods can be extended and developed in further studies. Cranial and facial 3D models will offer many opportunities for the development of new and sophisticated analytical methods in the future
Tiivistelmä Pään ja kasvojen pehmytkudoksen 3D-kuvantaminen on yleistynyt lääketieteessä, ja siihen tarvittava teknologia on kehittynyt huomattavasti viime vuosina. 3D-mallit ovat melko tarkkoja, ja kuvaus stereofotogrammetriaan perustuvalla laitteella on nopea ja helppo tilanne kuvattavalle. Kasvojen ja pään 3D-mallien analysointi voi kuitenkin olla haastavaa, ja tarve tehokkaille kvantitatiivisille menetelmille on kasvanut. Tässä väitöskirjassa kehitetään uusia matemaattisia kraniofakiaalisten rakenteiden mittausmenetelmiä ja -työkaluja. Työ on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa pyritään määrittämään liettualaisten kaksosten tsygositeetti kasvojen 3D-datan perusteella. Luokituksessa hyödynnetään tilastollista hahmontunnistusta, ja tuloksia verrataan DNA-testituloksiin. Toisessa osassa analysoidaan pään epämuodostumia imeväisikäisten päiden 3D-kuvista laskettujen pintanormaalivektorien suuntiin perustuvan jakauman avulla. Tasaisuuden ja epäsymmetrian määrää mitataan normaalivektorien suuntakulmien ydinestimaatin funktionaalien avulla. Kehitettyä menetelmää verrataan joihinkin aiemmin ehdotettuihin lähestymistapoihin mittaamalla kolmen kuukauden ikäisten imeväisten 3D-malleja ja tarkastelemalla asiantuntijoiden tekemiä kliinisiä pisteytyksiä. Menetelmää sovelletaan myös kliiniseen pitkittäistutkimukseen, jossa tutkitaan pään epämuodostumien ja niihin liittyvien riskitekijöiden kehitystä kolmena eri ajankohtana otettujen 3D-kuvien perusteella. Viimeisessä osassa esitellään uusi tilastollinen skaala-avaruusmenetelmä SphereSiZer, jolla tutkitaan yksikköpallon tiheysfunktion rakenteita. Toisessa osassa kehitettyjä työkaluja sovelletaan SphereSiZerin toteutukseen. SphereSiZer-menetelmässä tiheysfunktion eri skaalojen piirteet visualisoidaan projisoimalla tilastollisesti merkitsevät gradientit tiheysfunktiota kuvaavalle isoviivakartalle. Menetelmää sovelletaan imeväisikäisen pään pintanormaalivektoridataan ja simuloituihin, pallotiheysfunktioihin perustuviin otoksiin. Tulosten ja esimerkkien perusteella väitöskirjassa esitetyt uudet menetelmät toimivat hyvin. Menetelmiä voidaan myös kehittää edelleen ja laajentaa jatkotutkimuksissa. Pään ja kasvojen 3D-mallit tarjoavat paljon mahdollisuuksia uusien ja laadukkaiden analyysityökalujen kehitykseen myöhemmissä tutkimuksissa

I LKAB:s gruva i Kiirunavaara i Malmfälten tillämpas brytningsmetoden skivrasbrytning, som går ut påatt driva ortar in i malmkroppen, från dem borra uppåtgående hål i malmkroppen, spränga och sedanlasta ut malmen, som med gravitationens hjälp rasar ner i orten.Ett mål för detta examensarbete är att undersöka fragmenterings- och volymmätningens potentiellaeffekt på det dataunderlag som ligger till grund för beslutsfattande i produktionslastningen. Ett målär också att undersöka fragmenteringens effekt på skrymdensiteten vid skivrasbrytning.Analysarbetet baseras på data från ett markörförsök som utfördes i Kiirunavaaragruvan 2013/2014.För att verifiera tillförlitligheten hos det mätdata som ligger till grund för analysen, har metodernaför mätning av massa och skopvolym testats. En känd volym stenmaterial med en givenfragmentering vägdes i en lastmaskin och fotograferades på samma vis som under markörförsöken.Resultatet för volymmätningen visade på en överskattning som minskade med ökande volym och varmindre än 5 % för volymer över 4 m3. Resultatet för viktmätningen indikerade dock ett konsekventfel på över 20 %, vilket dock berodde på felaktig eller inte genomförd kalibrering av just denlastmaskinen.Volymanalysen visade att beräkningsmetoden som LKABs mjukvara för beräkning av järnhalt (WOLIS)använder sig av har utrymme för förbättringar. Efter att de föreslagna ändringarna genomförts,kvarstår dock en överskattning på 14 % av järnutbytet för WOLIS jämfört med volymmätning. Vidjämförelse av järnhalterna vs. utlastningsgrad, så visar WOLIS och volymmätningar liknande trendermed vissa skillnader, och dessa bedöms inte vara stora nog för att påverka lastningsbeslut.Den första hypotesen inför fragmenteringsanalysen var att det skulle finnas ett samband mellanblandad fragmentering och skrymdensitet för skopor som bedömts innehålla endast malm; detta pågrund av att mindre fragment teoretiskt fyller ut hålrummen mellan större fragment. Något sådantsamband kunde inte styrkas utifrån analysen. Den andra hypotesen var att det finns ett sambandmellan grövre fragmentering och lägre skrymdensitet för de analyserade skoporna (både malm- ochgråbergsskopor), och bekräftades av analysen. Detta stämmer väl överens med erfarenheten avbrytningsmetoden, där grövre fragmenterat material ofta inte kommer från malmkroppen, ochdärmed inte är uppsprängt som material i sprängkransarna.Volym- eller fragmenteringsmätning i produktionen rekommenderas inte av detta arbete. Iställetföreslås förändringar av beräkningsmodellen i WOLIS. En systematisk överskattning av malmutbytetkvarstår dock. Överskattningen utreds inte i detta arbete utan föreslås som fortsatt arbete,tillsammans med att se över produktionens rutiner för att motverka förekomsten av överlastning ochutebliven eller felaktig skopvågskalibrering vid service.
In the LKAB-mine in Kiirunavaara in the ore fields of Norrbotten, the mining method Sublevel Cavingis used. Drifts are developed transverse through the orebody from which blast rings are drilledupwards. The ore is blasted while the hangingwall progressively fails and fills the void. By means ofgravity flow both materials may be transported to the drawpoint from which mucking is carried out.One objective of the thesis is to examine the potential effect of volume measurement on the datawhich serves as basis for decision-making in the mucking operation. Another objective is toinvestigate the effect of fragmentation on bulk density. The analysis is based on data acquired from agravity flow study executed in the Kiirunavaara Mine in 2013/2014.In order to verify the reliability of the measured data, which is the basis of the analysis, the methodsfor measurement of bucket mass and bucket volume were tested. A known amount of crushed stoneof a certain size fraction was weighted in an LHD bucket and photographed in the same manner asduring the marker trials. The volume results showed an over-estimation of less than 5 % for bucketswith volumes larger than 4 m3.The error decreased with increasing volume. The weight, however,was consistently off by over 20 %, which could be attributed to improper or overlooked calibration ofthat particular LHD.The volume analysis showed that there is room for improvement in the calculation methods appliedin the software used by LKAB to calculate iron content (WOLIS). With the proposed changeshowever, a 14 %-over-estimation of iron recovery remains for WOLIS compared to the volumemeasureddata. When comparing iron content and extraction rate, the WOLIS-based curves showsimilar trends with some differences. They are not, however, expected to be enough to have bearingon mucking decisions.The first hypothesis for the fragmentation analysis is that a correlation exists betweeninhomogeneous fragmentation and bulk density for buckets containing exclusively ore. Theoretically,smaller fragments should fill the void between larger fragments. Such a correlation could not befound though. The second hypothesis is that coarser fragmentation is correlated to lower bulkdensity (for both ore- and waste rock buckets), which was also confirmed by the analysis. This is inaccordance with the experiences of the mining method, as coarsely fragmented material oftenderives from the hangingwall, and thereby isn’t as finely blasted as the actual blasted ore.A consequent volume measurement is not recommended in the thesis. Instead, changes in thecalculation model of the present measurement system are proposed. A systematic over-estimationof the ore production remains, however. It is suggested to investigate this in a further study. Inaddition it should be paid attention to the current procedures in mucking in particular, the observedoverloading and possible calibration errors.

Dissertation deals with analysis and design of optoelectronic and photogrammetric measuring systems. Specific design of optoelectronic contactless flat object area meters with analysis of attainable measurement accuracy is described. Next part is dedicated to stereophotogrammetry - principles of 3D reconstructions, methods of camera self-calibration and matching points in images are described. The analysis of attainable accuracy of monitored parameters is discussed too. Finally, the test program with implemented described routines is introduced. This test program enables practical aplication of stereophotogrammetric system for taking spatial coordinates of 3D objects.

Ziel dieser Untersuchung war die Entwicklung einer reliablen dreidimensionalen (3D) Analyse der Gesichtsweichteile. Es sollten sagittale 3D-Durchschnittswerte bestimmt werden und Beziehungen zwischen sagittalen skelettalen Parametern und digital erfassten 3D-Weichteilparametern dargestellt werden
The aim of this study was to develop a reliable threedimensional (3D) analysis of facial soft tissues. We determined the mean sagittal 3D values and relationships between sagittal skeletal parameters, and digitally recorded 3D soft tissue parameters