DE4100718A1 - Measuring procedure for ascertaining geometry of prosthesis - deriving coordinate values by positioning fluid sensor at certain points on surface and allowing its released fluid to load surface - Google Patents

Measuring procedure for ascertaining geometry of prosthesis - deriving coordinate values by positioning fluid sensor at certain points on surface and allowing its released fluid to load surface

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Abstract

A length measuring principle is bifunctional applied. A variable surface load is applied to deform the object to be measured and produce a measuring force for length and setting the coordinate values. A fluid at a supply pressure flows through a nozzle to a point on the object fixed relative to the coordinate system laid down by the measuring arrangement. The object surface is thus deformed in dependence on the supply pressure and distance of the nozzle from the object. The pressure head of the nozzle can be measured from these factors. The position of the measuring point subjected to the fluid stream can be spatially determined from the position of the nozzle. A selected number of measuring points on the object surface allows the geometry of the object to be derived. USE/ADVANTAGE - Computer-aided prodn. of prosthesis shafts. Reproducibly settable parameters allow series of trial samples to be made for optimally matching to patient requirements.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring method according to the preamble of Claim 1.

  • 1. Die Erfindung gehört in das technische Gebiet der Koordinatenmeßtechnik und findet ihre spezielle Anwendung im Bereich der technischen Orthopädie.1. The invention belongs in the technical field of Coordinate measuring technology and finds its special application in Field of technical orthopedics.
  • 2. Im Bereich der Koordinatenmeßtechnik findet eine Vielzahl verschiedener Meßprinzipien ihre Anwendung. Speziell bei der Prothesenherstellung gewinnt die Koordinatenmeßtechnik immer mehr an Bedeutung, da im Rahmen der computerunterstützten Prothesenfertigung die Form des zu versorgenden Stumpfes bekannt sein muß und dem Rechner in Form einer Datenbasis vorliegen muß. Folgende Meßsysteme wurden für diesen Anwendungsfall entwickelt:
    • a) Digit Shape von der Firma Nutem, England, ist ein berührendes, elektromechanisches Meßsystem, das für die Abtastung eines Gipsnegativs oder wahlweise Gipspositivs konfiguriert ist. Das Gipsnegativ, bzw. positiv, wird auf eine sich drehende, horizontal gelagerte Scheibe gespannt und durch einen rotierenden, in vertikaler Richtung vorschiebbaren Meßfühler mechanisch abgetastet /1/. Der Meßfühler kann auch wahlweise von Hand geführt werden /2/.
    • b) Alternativ dazu wird ebenfalls von der Firma Nutem, England, das Meßsystem Sense shape zum berührungslosen Aufnehmen der Stumpfform direkt am Patienten angeboten. Dabei wird eine Video- Kamera in einem Winkelbereich von 180° geschwenkt. Die unter verschiedenen Winkeln aufgenommenen Silhouetten-Bilder werden im Rechner zu einem dreidimensionalen Modell verrechnet /1/ /2/.
    • c) Ein Verfahren zum berührungslosen Ausmessen von Gipspositiven ist das auf dem Lichtschnittverfahren beruhende Meßprinzip, das am Forschungsinstitut für Orthopädietechnik in Wien entwickelt wurde /3/. Die auszumessende Oberfläche wird mit einer Lichtebene geschnitten und die entstehende Schnittkurve durch eine Videokamera betrachtet. Durch Rotation des Gipsmodells kann die gesamte Oberfläche abgescannt und somit bestimmt werden.
    • d) Die Firma Cyberware Laboratory, Inc., entwickelte einen Laser- Scanner, der ein berührungsloses Abscannen der Körperoberfläche ermöglicht /4/.
      /1/ Step Ahead - IAP leads industry in CAD/CAM development, Fall 1989 Zeitschrift des Institutes IAP, Michigan S. 3
      /2/ System Shape, Firmenprospekt der Fa Nutem, Crawley, England
      /3/ Gerät zur Vermessung von Gipsmodellen, Vortrag W. Karas, Forschungsinstitut für Orthopädietechnik, Wien, 14. Jahrestag der Österreichischen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (BMT Austria) vom 15. bis 17.06.1989
      /4/ Rehabilitation R & Progress Reports 1989, publication of the Department of Veteran Affairs, Baltimore, USA, S. 24 f.
    2. A large number of different measuring principles are used in the field of coordinate measuring technology. Coordinate measurement technology is becoming increasingly important, particularly in the manufacture of prostheses, since the shape of the stump to be supplied must be known in the context of computer-assisted prosthesis production and the computer must be available in the form of a database. The following measuring systems were developed for this application:
    • a) Digit Shape from Nutem, England, is a touching, electromechanical measuring system that is configured for the scanning of a plaster negative or optionally a plaster positive. The gypsum negative, or positive, is clamped on a rotating, horizontally mounted disc and mechanically scanned by a rotating sensor that can be pushed in the vertical direction / 1 /. The sensor can also be moved by hand / 2 /.
    • b) Alternatively, Nutem, England, also offers the Sense shape measuring system for contactless recording of the die shape directly on the patient. A video camera is swiveled in an angular range of 180 °. The silhouette images taken at different angles are calculated into a three-dimensional model in the computer / 1 / / 2 /.
    • c) A method for non-contact measurement of gypsum positive is the measurement principle based on the light section method, which was developed at the Research Institute for Orthopedic Technology in Vienna / 3 /. The surface to be measured is cut with a light plane and the resulting cutting curve is viewed by a video camera. The entire surface can be scanned and thus determined by rotating the plaster model.
    • d) Cyberware Laboratory, Inc. developed a laser scanner that enables contactless scanning of the body surface / 4 /.
      / 1 / Step Ahead - IAP leads industry in CAD / CAM development, Fall 1989 Journal of the IAP Institute, Michigan p. 3
      / 2 / System Shape, company brochure of Nutem, Crawley, England
      / 3 / Device for measuring plaster models, lecture by W. Karas, Research Institute for Orthopedic Technology, Vienna, 14th anniversary of the Austrian Society for Biomedical Technology (BMT Austria) from June 15th to 17th, 1989
      / 4 / Rehabilitation R & Progress Reports 1989, publication of the Department of Veteran Affairs, Baltimore, USA, pp. 24 f.
  • 3. Bei der Prothesenherstellung, insbesondere bei der Herstellung des Teils der Prothese, in das der Stumpf eingebettet wird (Stumpfeinbettung, Prothesenschaft), kann nicht in einfacher Weise ein Negativ der ungelasteten Stumpfform als Stumpfeinbettung gefertigt werden. Vielmehr ist es notwendig, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Druckbelastbarkeiten einzelner Stumpfbereich eine Schaftform zu finden, die den Stumpf beim Tragen der Prothese möglichst optimal belastet. Die Erfindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ermöglicht im Rahmen der computerunterstützten Prothesenschaftfertigung eine Messung der Stumpfform unter Belastung, indem der Meßsensor nicht nur mißt, sondern auch eine definierte Belastung auf die Stumpfoberfläche aufbringt.3. In the manufacture of prostheses, especially in the manufacture the part of the prosthesis in which the stump is embedded (Stump embedding, prosthetic socket) cannot be done easily a negative of the unloaded stump shape as a stump embedding are manufactured. Rather, it is necessary under Taking into account the different pressure capacities single stump area to find a socket shape that matches the stump optimally loaded when wearing the prosthesis. The invention according to the preamble of claim 1 enables Framework of computer-aided prosthetic socket production Measurement of the die shape under load by the measuring sensor not not only measures, but also a defined load on the Applies the die surface.
  • 4. Die gewerbliche Anwendbarkeit ergibt sich aus der unter 3. genannten Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.4. The industrial applicability results from the under 3. mentioned task, which is solved by the invention.
  • 5. Allen unter 2. aufgeführten Systemen ist gemeinsam, daß sie lediglich die Oberfläche des Stumpfes bzw. des Stumpfmodells ausmessen. Den schwierigsten Teil bei der Prothesenfertigung stellt aber der Übergang der unbelasteten Stumpfform zur Zweckform dar, wobei unter Zweckform die Form zu verstehen ist, die unter Berücksichtigung der Belastung bei der Stumpfeinbettung im Schaft aus der unbelasteten Form entsteht. Die Erstellung der Zweckform erfolgt bei den obengenannten Verfahren zusätzlich zum Meßprozeß. Die diesem Patentanspruch zugrundeliegende Erfindung ermöglicht das Messen der Stumpfoberfläche bei gleichzeitiger Verformung durch den Meßsensor. Somit ist es möglich, das Ausmessen und das Ermitteln der Zweckform in einem Arbeitsschritt zu integrieren, wobei beide Funktionen von ein- und demselben Sensor übernommen werden.5. All of the systems listed under 2 have in common that they only the surface of the stump or the stump model measure. The hardest part in prosthetic manufacturing represents the transition from the unloaded stump shape to the functional shape represents, the purpose form is to be understood as the form under Consideration of the load when embedding the stump in the socket arises from the unloaded form. The creation of the purpose form takes place in addition to the measuring process in the above-mentioned methods. The invention on which this claim is based enables measuring the die surface with simultaneous deformation through the measuring sensor. So it is possible to measure and that Determine the purpose form to integrate in one work step where both functions are performed by one and the same sensor will.

Ferner ermöglicht die Erfindung auf Grund der reproduzierbar einstellbaren Parameter Versuchsreihen an Probanden zur Ermittlung optimaler Parameter in Abhängigkeit von bestimmten Körpereigenschaften.Furthermore, the invention makes it reproducible adjustable parameters Test series on test subjects for determination optimal parameters depending on certain Body characteristics.

Außerdem können, nach Ermittlung der Geometrie ohne Verformung der Oberfläche, durch Differenzbildung der Koordinatenwerte Aussagen über die Verformbarkeit des Gewebes an verschiedenen Punkten der Körperoberfläche gemacht werden.In addition, after determining the geometry without deforming the Surface, by forming the difference of the coordinate values statements about the deformability of the fabric at different points of the Body surface are made.

6. Ausführungsbeispiel der Erfindung6. Embodiment of the invention

Eine mögliche Ausführung des Meßverfahrens nach Patentanspruch 2 wird im folgenden näher beschrieben: Das Meßsystem zur Anwendung des Meßverfahrens enthält folgende Komponenten:A possible execution of the measuring method according to claim 2 is described in more detail below: The measuring system for using the measuring method contains the following Components:

  • - eine Düse, mit Anschlüssen für Luftversorgung und Druckmessung- a nozzle with connections for air supply and pressure measurement
  • - Luftversorgungseinheit mit Druckminderer und Manometer- Air supply unit with pressure reducer and manometer
  • - geregelter Linearantrieb mit Wegaufnehmer- regulated linear drive with displacement sensor
  • - Führungen und Antriebe, die das Meßsystem auf einer bekannten Kurve um das Meßobjekt herumführen.- Guides and drives that the measuring system on a known Guide the curve around the measurement object.
Ausführungexecution

Durch die Düse wird mit einem an der Versorgungseinheit eingestelltem Speisedruck Luft geblasen. Der sich nun hinter der Düse einstellende Staudruck ist abhängig vom Abstand der Düse zu einer Körperoberfläche und vom Speisedruck. Auf der Körperoberfläche stellt sich durch das aufprallende Fluid eine bestimmte Druckverteilung ein, die vom Abstand der Düse vom Körper, der Düsengeometrie und vom Speisedruck abhängt. Bei der Messung wird nun die Düse aus einer bestimmten Stellung der Führungsvorrichtung mit dem Linearantrieb senkrecht zur Körperoberfläche an den Körper herangefahren, bis sich hinter der Düse ein vorher gewählter Staudruck, der den Sollwert für den Regler darstellt, einstellt. In dieser Stellung der Düse wird durch den Wegaufnehmer die Meßkoordinate, unter Berücksichtigung des bekannten Abstandes von Düse zum Körper, ermittelt und im Rechner gespeichert. Der Meßtaster wird nun mit Hilfe der Führungsvorrichtung zum nächsten Meßpunkt gefahren, wo der Meßvorgang wiederholt wird. Dieses Verfahren wird an einer zur Bilderstellung ausreichenden Anzahl von Punkten wiederholt, wobei der auszumessende Körper seine Position zum Meßkoordinatensystem nicht ändern darf.Through the nozzle with one on the supply unit air pressure is set. Who is now behind the Nozzle-adjusting dynamic pressure depends on the distance of the nozzle a body surface and food pressure. On the Body surface is created by the impacting fluid determined pressure distribution, which depends on the distance of the nozzle from Body that depends on nozzle geometry and feed pressure. When measuring, the nozzle is now from a certain position the guide device with the linear drive perpendicular to Body surface to the body until behind the A previously selected dynamic pressure, which is the setpoint for the Represents controller, sets. In this position the nozzle will by taking the measuring coordinate into account the known distance from the nozzle to the body, determined and in Calculator saved. The probe is now using the Guide device moved to the next measuring point, where the Measuring process is repeated. This procedure is used on a Repeating sufficient number of dots, taking the body to be measured has its position in relation to the measuring coordinate system must not change.

Wird in jedem Meßpunkt bis auf den selben Staudruck geregelt, so ist gewährleistet, daßIf the same dynamic pressure is regulated in every measuring point, so it is guaranteed that

  • a) der Abstand der Düse vom Körper in jedem Meßpunkt gleich ist unda) the distance of the nozzle from the body is the same at every measuring point and
  • b) immer die gleiche Flächenlast auf dem Körper anliegt und ihn verformt.b) the same surface load is always applied to the body and deformed him.

Claims (6)

1. Meßverfahren zur Ermittlung der Geometrie von Körpern, das ein Längenmeßprinzip bifunktional verwendet, indem es zum einen die Meßkraft bei der Längenmessung als einstellbare Flächenlast zur Verformung des Körpers einsetzt und zum anderen die Längenmessung zur Bestimmung eines Koordinatenwertes benutzt, insbesondere zur Ermittlung der Geometrie von Unter- und Oberschenkelstümpfen unter reproduzierbarer Belastung zur Fertigung von Prothesen, bei dem
  • a) ein Fluid mit einem Speisedruck durch eine Düse auf einen Punkt des relativ zum durch die Meßvorrichtung festgelegten Koordinatensystem fest fixierten Körpers strömt, wodurch sich die Körperoberfläche durch die so aufgebrachte Flächenlast, die in Abhängigkeit vom Speisedruck und vom Abstand der Düse zum Körper bestimmbar ist, verformt und
  • b) dabei den Staudruck in der Düse, der vom Abstand der Düse zum Körper und vom Speisedruck abhängt, mißt und
  • c) dann über die Position der Düse die Position des angeströmten Meßpunktes im Raum bestimmt und
  • d) die Messung, beschrieben durch die Verfahrensschritte a) bis c), an einer beliebigen Zahl von Meßpunkten auf der Körperoberfläche durchführt, um damit die Geometrie des Körpers zu bestimmen.
1. Measuring method for determining the geometry of bodies, which uses a length measuring principle bifunctionally, on the one hand using the measuring force in the length measurement as an adjustable surface load to deform the body and on the other hand using the length measurement to determine a coordinate value, in particular for determining the geometry of Lower and thigh stumps under reproducible load for the production of prostheses, in which
  • a) a fluid with a feed pressure flows through a nozzle to a point of the body which is fixed relative to the coordinate system defined by the measuring device, whereby the body surface is applied by the surface load applied in this way, which can be determined as a function of the feed pressure and the distance from the nozzle to the body , deformed and
  • b) the back pressure in the nozzle, which depends on the distance from the nozzle to the body and on the feed pressure, measures and
  • c) then determines the position of the flowed measuring point in space via the position of the nozzle and
  • d) the measurement, described by method steps a) to c), is carried out at any number of measuring points on the body surface in order to determine the geometry of the body.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß man im Verfahrensschritt c) bei konstantem Speisedruck den Abstand der Düse zum Körper solange ändert, bis sich ein bestimmter Staudruck und damit in der Endstellung der Dose ein bestimmter Abstand zum Körper einstellt, und über die Position der Düse in der Endstellung die Position des angeströmten Meßpunktes im Raum bestimmt, und im Verfahrensschritt d) die Messung, beschrieben durch die Verfahrensschritte a) bis c), an einer beliebigen Zahl von Meßpunkten auf der Körperoberfläche mit demselben Staudruck in der Endstellung der Düse durchführt.2. Measuring method according to claim 1, characterized in that one in process step c) with constant feed pressure the distance between Nozzle to the body changes until a certain dynamic pressure changes and thus in the end position of the can a certain distance from Body adjusts, and about the position of the nozzle in the End position the position of the measuring point in the room determined, and in process step d) the measurement described by the Process steps a) to c), at any number of Measuring points on the body surface with the same dynamic pressure in the Performs end position of the nozzle. 3. Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man im Verfahrensschritt d) die Messung, beschrieben durch die Verfahrensschritte a) bis c), an einer beliebigen Zahl von Meßpunkten auf der Körperoberfläche mit unterschiedlichen Staudrücken in der Endstellung der Düse durchführt.3. Measuring method according to claim 2, characterized in that one in process step d) the measurement described by the Process steps a) to c), at any number of Measuring points on the body surface with different Back pressure in the end position of the nozzle. 4. Meßverfahren nach Anspruch 1,2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß man im Verfahrensschritt d) die Messung, beschrieben durch die Verfahrensschritte a) bis c), an einer beliebigen Zahl von Meßpunkten auf der Körperoberfläche durchführt, indem man mehrere Düsen gleichzeitig benutzt.4. Measuring method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that he in process step d) the measurement described by the Process steps a) to c), at any number of  Carrying out measuring points on the body surface by taking several Nozzles used at the same time. 5. Meßverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß man im Verfahrensschritt b) die Durchflußmenge des Fluids durch die Düse, die vom Abstand der Düse zum Körper und vom Speisedruck, abhängt, mißt.5. Measuring method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that he in process step b) the flow rate of the fluid through the Nozzle, which depends on the distance from the nozzle to the body and the feed pressure, depends, measures. 6. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Verfahrensschritt a) einen Meßtaster mit seiner Stirnfläche mit einer definierten Andruckkraft auf einen Punkt des relativ zum durch die Meßvorrichtung festgelegten Koordinatensystem fest fixierten Körpers drückt, wodurch sich die Körperoberfläche durch die so aufgebrachte Flächenlast, die in Abhängigkeit von der Stirnfläche und der Andruckkraft bestimmbar ist, verformt und den Verfahrensschritt b) nicht ausführt und im Verfahrensschritt c) über die Position des Meßtasters die Position des abgetasteten Punktes im Raum bestimmt.6. Measuring method according to claim 1, characterized in that one in method step a) using a probe with its end face a defined pressure force on a point relative to the coordinate system determined by the measuring device fixed body presses, causing the body surface through the surface load applied in this way, which is a function of the Face and the pressure force can be determined, deformed and does not carry out process step b) and in step c) the position of the probe Position of the scanned point in space determined.
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