CN1592599A - 三维测量和数字化石膏模或阳模的方法和装置 - Google Patents

三维测量和数字化石膏模或阳模的方法和装置 Download PDF

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Abstract

对于一个用于三维测量和数字化一个石膏模或阳模(1)的方法，尤其是为了制备假牙，就操作和经济性而言，推荐一种按下列步骤的改进方法：将石膏模或阳模(1)以一个确定的方向夹紧到一个夹具(2)中；用一个照射源照射石膏模或阳模(1)并摄取石膏模或阳模(1)反射的射线；通过一个扫描器(7)评估反射的射线并产生一个距离信息；石膏模或阳模(1)按规定移动，沿着一个近似垂直于照射方向的轴(Y)；将移动路程与距离信息结合起来，以及推荐一种实施方法的装置。

Description

三维测量和数字化石膏模或阳模的方法和装置
本发明是涉及对用于制造假牙的石膏模或阳模进行三维测量和数字化的一种方法和一种装置。
本发明尤其是针对制备假牙，特别是在天然和/或人造牙支承体上或这一类物体上固定齿冠和/或牙桥的支架领域。
已知有一些制备人造牙桥和牙冠的装置和方法。一般都是在牙科医生制备时，为了安装牙冠或牙桥将牙齿打磨准备好或例如植入一个桩之后，再去作一个牙预备体、牙周和颌骨的印模。印模通常是用硅-浇注材料，也有用其它材料做的。
由印模(显示患者口腔中状态的是阴模)经过石膏成型制成一个所谓的工作模型。这个模型是显示患者口腔中状态的阳模。在这个模型的基础上，牙科技师凭他的技能用蜡或低温熔化的或聚合固化的人工材料制成一个假牙的支架模型(阳模)。在这种情况下，牙科技师能通过现有的石膏模型同时也照顾到另外颌骨的对咬合牙。
传统上将牙科技师制备的模子埋置在耐火的造型混合料中并熔模。在由此产生的铸模中，能用通常的牙科用合金精铸制作出支架。
通常，出于美容的原因，至少在门牙范围还要用陶瓷或人工材料涂饰。
从WO99/47065已知，在形成一个蜡型(阳模)之后要将其外和内表面完全数字化。一个没有完整反映患者口腔中状态的模型，要依据其三维的外和内表面，从计算技术上得到补充。数字化和一个计算技术补充的结果，应该对要制备的假牙支架的完整表面做数字化描述。同时，为了将咬合面和空腔表面数字化，能将阳模逐步旋转直至180°。在WO99/47065中的实施例所阐述的、一个牙固定桥结构的一个蜡型(阳模)的数字化，要从两面通过蜡体的蛇形线扫描进行，此时将阳模安在两个轴之间。
与此同时，数字化要机械地或光学地进行。为此，参阅在预先准备好的牙支承体或模型上在患者口腔中的数字化方法，例如US4,182,312中所述的一种机械数字化和EP 0 054 785 A1中所述的一种光学数字化。
在US4,182,312中给出的机械数字化的主要缺点在于要将机械扫描仪固定在患者身上，因为要直接在患者口腔中进行扫描。相应的问题就是在狭窄的口腔中仪器的稳定操作。制作假牙加工机器要像在仿行铣床那样，通过对牙齿和周围组织的扫描直接被控制。
为此，牙科医生必须用一个固定在一个传动杆上的扫描头，在患者口腔中要关注的表面上来回移动。要得到表面的完整情况需要很多的扫描运动，由于时间原因对患者是很大的负担。此外，根据处理工具的形状不同必须不时更换扫描头尖。
在EP 0 054 785 A1中阐述的方法，需要在患者的口腔中安放一个摄像头。该摄像头要摄下一个牙齿空腔表面或类似物的一个三维图象。要将图象数据输出到一台计算机的屏幕上，牙科医生就能检验，摄像头的定位是否能保证取得足够的精确图象。必要时能相应改变摄像头的更有利的定位。
当一个正确位置被找到时，-不需要详细阐述-就生成一个完全按照牙齿空腔表面或类似物的一个三维图象。相应的数据要通过插价法和根据一个CAD-结构类型数据组的手工处理来补充，直至一个相应的假牙完成模型化。相应的数据要在加工一个适宜的毛坯时使用，以避免开始时阐述的手工制作步骤，直接从图象描绘制备一个合适的假牙。
在实践中发现，用这个方法时，一个缺点是在患者的口腔中用摄像机操作麻烦，尤其是这要求患者有巨大的自制能力。
此外，如在上面阐述的文献中，要求用一种粉末涂敷在要修复的牙上，以便得到规定的反射情况，因为天然牙的材料具有半透明的特性。由于半透明的特性，光线能部分不受控地进入到要测量的牙桩并可能会在深层反射，这会导致一个有误差的结果。用一种反射粉末涂层同时就增加由于涂粉末造成的不精确性，因为患者口腔中狭窄的状况本来在实践上很难将粉末涂匀。摄像机的有限分辨率和在要测量的口腔中的困难的照明情况，也是一个缺点。
除此之外，在牙科技术领域，还有其它一些为工件光学数字化采取的措施，此时将一个固定的工件以典型的8至16个不同的角度位置拍照，将如此得到的数据通过计算组成一个立体模型。除了对所应用的仪器精度要求高外，由于大量和长时间的测量，该方法的计算工作量相当的大，且误差源多。总之，这些方法很昂贵且费时间。
从DE 43 01 538 A1得知用于无接触三维测量咬合模型的一种方法和一种装置。为此，要将测量物体放在一个旋转台上，以便按照三角测量原理去测量。
用CAD/CAM-技术移植人造牙齿的钻孔模板，按照DE 100 29 256A1通过激光扫描工作模型来制备。
从WO 01/39691A1得知制备假牙支架的一种机床以及一种方法。对此，主要是通过有触觉(taktil)地扫描支架的一个牙科技术的预制作模型，以便用由此获得的数字化数据制备一个制作支架的毛坯。为了扫描，预制作模型能在正负旋转180°的位置调整。
本发明提出问题的基础是，提供一种尤其是在操作和经济性方面改进的方法用于测量石膏模或阳模和实施该方法的一种装置。
按照本发明，问题主要如下解决：
在一个规定的取向内将石膏模或阳模夹紧在一个可围绕一个旋转轴转动的夹具中；
用一个照射源照射石膏模或阳模并摄取由石膏模或阳模反射回的射线；
通过一个扫描器评估反射回的射线并产生一个距离信息；
石膏模或阳模相对于照射源按规定移动，沿着一个平面和/或垂直或几乎垂直于照射方向延伸的第一个轴(Y)；
为了形成石膏模或阳模的一个三维立体模型，将用于识别旋转的一个信号与路程-和距离信息结合一起，在这件事上在石膏-或阳模沿着一个扫描路程s，s≥1mm数字化时，夹具与扫描器之间的距离在扫描器的光轴(Z-轴)方向保持不变或基本不变。
尤其是扫描路程s，要与沿着要扫描的模型的一个面的整个或几乎整个路段一致。为了测量和数字化一个石膏模，不要求有旋转。在测量一个阳模时，要求围绕夹具的旋转轴有个180°或约180°的旋转，旋转轴与照射方向垂直。
通过本发明的方法，能用一个符合要求的相对简单的器械构造得到很精确的结果，再者该方法还不容易受误差源影响。此外，与熟悉的方法相比，为了形成要被测量体的一个数据模型的计算工作量很小，因为不必将大量从不同视图取得的数据计算上相互联系起来；因为阳模只是在两个错位180°的位置测量，石膏模只在一个位置测量。此外，夹具或由它夹紧的平面或旋转轴通过的平面与扫描器之间的距离，尤其是在扫描一个面时，至少在沿着石膏模或阳模或者说沿着一个扫描路程的扫描方向保持恒定或几乎恒定。
通过这种措施，可以非常容易地建立一个为实现数据准备的软件，因此工作速度提高，有利于降低硬件的价格，由于软件的简单结构，出现编程-或计算错误的危险减少。
在一个特别实用的实施形式中，照射是通过一个条纹扫描器进行。在本发明方法这样一种装备时，对一个(修复)体或它的表面的三维数字化时，只需要在一个轴的方向进行一个机械运动，从而器械上的费用又可以降低、又可以便宜，同时减少由于机械公差可能造成的错误。
如果照射是用近似点形射线束的激光进行，特别是基于条纹扫描器目前还有相当的分辨能力，对达到一个高的精确度也可能是不错的。
在这种情况下，如果本方法还包括(假牙)体的一个确定的移动的一些步骤，移动是相对于照射源、沿着一个几乎垂直照射方向的第二个轴，以及包括将第二个移动路程与距离信息和第一个移动路程结合一起，就特别相宜。
如果将距离信息标准化在(假牙)体的一个参考点上；尤其是，如果参考点几乎就是(假牙)体的提供最小距离值的点，该距离值最好通过一个预先进行移动求得，确定(假牙)体高度信息的绝对值是适宜的。从如此得到的数据能直接读出有关(假牙)体高度的绝对信息，这些信息例如能应用于选择毛坯。
本发明的任务还用一种带有一个夹具和一个扫描器以及一种器具的装置来解决，夹具是为了夹紧要被测量的和要数字化的石膏模或阳模，扫描器是为了光学扫描石膏模或阳模，夹具与石膏模或阳模至少可在一个方向与扫描器的光轴相对地和成直角地或几乎成直角地移动，器具是为了掌握一个垂直于光轴至少可旋转180°或几乎180°的夹具与石膏模或阳模在至少一个方向的路程，扫描器包括有一个CCD-摄像机、一个双折射晶体和一个在射线路径中的镜头。在测量和数字化一个石膏模时不要求有夹具旋转的可能性。
在装置的一个特别适宜的实施形式中，扫描器还包括有一个激光二极管以及一个用于在射线路径中调整激光二极管光线的器具。
本发明的其它细节、优点和特征，不仅从提出这些特征-单独和/或组合-的权利要求中得知，而且还从主要实施例的图的下面说明得知。
示出的有：
图1：一个实施本发明方法的装置示意图；
图2：图1的装置，去掉了夹具的框架，从而可看到扫描器和铣刀；和
图3：图1和图2装置的简化侧面图。
下面阐述的一个坐标系统的取向，是以附图中的表示为基础，只用于阐述本发明。
如果主要用一个阳模来说明本发明，当然不是对本发明进行限制。按照意思同样适用于石膏模。
在第一实施例中，如图2所示，将一个以牙固定桥的一个蜡型制模1的形式的阳模，在本发明装置的一个夹具框架2中夹紧。夹具框架2安装在一个轴3上，该轴允许夹具框架2旋转180°。此外，轴3安装在一个可在三个坐标X、Y、Z上精确移动的台子4上。轴3的旋转轴例如在Y-方向。台子4的传动安装在一个设备外壳5上。台子4移动要求的在外壳5中的孔洞，能以任意一种方式遮盖，例如通过一个折棚或经过一个密封圈6。
此外，在外壳中放一个用于距离测量的光学扫描器7。扫描器7包括有一个没有详细示出的激光射线源，例如一个激光二极管、以及一个用于在扫描器7的射线路径中调整激光二极管光线的器具和其它光学元件，以及包括有一个按激光灵敏度调整的CCD-相机。在CCD-相机之前，安置一个双折射晶体，它将蜡型制模1(阳模)反射的激光分解成一个有序的和一个特殊的部分，由此在CCD-摄像机上出现具有极限范围的全息图，这些全息图可准确测量并能用它们求出到测量点的准确距离。
扫描器7固定在外壳5中，使一个发射出的激光射线束沿着Z-轴延伸。在安装时进行一次校准后，扫描器7按照所谓的聚光镜全息照相，提供有关到一个反射激光射线镜头距离的绝对信息，例如到一个在夹具框架2中夹紧的蜡型制模1(阳模)。该测量方法的细节例如在WO 99/64916、US 5,953,137、WO 99/42908、US 5,892,602、US5,291,314、EP 0 394 137、EP 0 394 138和US 4,976,504中有说明。
激光的高强度允许应用一个孔径相对小的成像镜头，从而得到一个景深，该景深大于例如一个牙桥的或一个这种或一个石膏模的牙支承体的典型高度，例如15mm。
因为前面所说明的扫描器7，由于反射，给出经过被激光射线照射点的绝对距离的测量值作为测量值，在安装一个本发明的装置时不仅只将扫描器7调整的使激光射线平行于台子4的Z-轴，而且还要经过一个夹紧在夹具框架2中的基准板校准扫描器7。在此，通过在Z-方向上相应移动台子4，能同时求得容许不清晰(景深)的范围。
在以后进行的诸如蜡型制模或石膏模的阳模1的测量时，夹具框架2经过台子4沿着台子4的Z-轴相应地向扫描器7的聚焦范围移动。石膏模或阳模1被数字化，此时夹具框架2和台子4确定地沿着X-和Y-轴移动，例如以行-或列的方式，并将这个信息与由扫描器7求得的距离信息结合起来。为了形成测量数据组，将台子4的位置和要测量的模型1在Z-方向的位置从扫描器7给出的距离值中减去。在扫描模型1时，台子4不沿着Z-轴移动，而只在X-和Y-方向移动。
通过将X-和Y-位置值与扫描器7的距离信息结合，产生一个数据模式，它再现了扫描器7转向石膏模或阳模1面的三维结构。
为了全面三维掌握整个的模型1，将阳模1连同夹具框架2一起在进行一个面的连续扫描后，例如围绕Y-轴旋转180°，并以同样方式测量阳模1的背面。
也能在阳模1的一个面测量开始之前进行一次预扫描(预先从头至尾移动)，以便在Z-方向求得阳模1的一个极值，例如模型点到扫描器7的最小距离，将坐标所属的Z-值列为参考值，从而将距离信息从模型点作为参考点标准化。为了形成一个垂直于Z-轴的基准平面，能考虑使用这个参考值。以这种方式，能将所测量模型的最大延伸边沿直接从产生的数据组中取得。
只要通过测量两个面产生冗余的测量数据，就能通过软件相应的再处理、在以后形成立体模型时将这些冗余数据清除，以便避免在以后操纵一台加工机械或一个加工工具时，如操作一个铣刀8时的错误功能。
这样一个铣刀8适宜组合到一个外壳5中，例如与光学扫描器7对面的台子4联系起来。铣刀8最好有一个固定连杆。将陶瓷毛坯9，例如由一个预烧结的氧化钇稳定化的氧化锆构成，在另一个夹具框架10中夹紧，该夹具框架与轴3背面的末端连接。为了加工毛坯9对着铣刀8那面要求的在X-、Y-和Z-方向的走刀，通过台子4与轴3和夹具框架10的相应移动实施。如果毛坯9对着铣刀8那面加工完成，能将毛坯9通过在Z-方向推进而从铣刀8移开，夹具框架10如在扫描阳模1时那样旋转180°，以便加工毛坯9的另外一面。
当然也能应用其它适宜的材料代替陶瓷-毛坯9，例如一种金属、人工材料或复合材料。
在本发明的另外一个没有在图上示出的实施形式中，预定代替激光射线应用一种带几乎是点状截面的所谓条纹扫描器，此时条纹宽度至少要符合要扫描模型的宽度，例如在100mm的数量级。用这样一种能与前面所述扫描器7类似工作的条纹扫描器有可能，将一个阳模1、还有一个石膏支承体或颌骨的一个石膏模，通过台子4与夹具框架2和石膏模或阳模1沿着一个轴移动，完全三维数字化。如果扫描一个阳模，则通过将夹具框架旋转180°测量两个面。在一个石膏模时，只扫描有牙支持体的面。
将一个固定桥结构的一个蜡模，例如既要在上侧的也要在下侧的三维布置的功能或连接面，建议在夹具旋转180°之后用这样一个条纹扫描器从两面扫描。
按照本发明扫描一个三维石膏模或阳模1，通过只在一个或最多两个轴上与模型1的附加翻转180°的移动，以及为了形成测量对象的一个三维数据模型需要的计算工作量，与已知的光学扫描装置相比有明显的进步。对于已知的光学扫描装置，一般要将扫描对象多次翻转，要将如此得到的不同“视图”的数据模式通过相应的运算相互联系起来，以便产生测量对象的一个立体模型。
不过要注意，为了通过扫描器7有足够可靠的反射和一个可靠的距离确定，在用于牙科领域中模型化的典型材料时，测量面与激光射线的光轴形成一个至少约0.1°的角度，优先的是对Z-轴至少1°。然而角度不要超过20°。这在实践中并不表示是一个限制，因为以后为了在牙支承体上去安假牙或移植，至少要求对正规黏结的假牙有个倾斜，就像在一个传统浇注假牙时要求有个脱模倾斜度那样。无论如何不要在这种假牙上出现咬边，因为在此将造成假牙与牙支承体之间的空洞，这不可避免地使牙支承体继续受损，例如通过残留在如此造成的空洞中的龋齿细菌。
为了确保测量石膏-或阳模1在夹具框架2中有个足够准确的夹紧，例如能借助于一个平行尺来实现，此时用调整所谓的光缝隙法，通过模型歪斜位置的一个表面上的咬边或扫描器7的激光射线的一个切线分布，能将虚假的后截面很可靠地排除出去且能重复进行。
不言而喻，如果扫描器7为了与工作距离配合，装备有各种焦距的可换镜头或一个可调焦距的变焦镜头，则代替台子4在Z-方向移动也能规定扫描器7在Z-方向移动，或者甚至能为了扫描完全放弃在Z-方向的移动。

Claims (11)

1.三维测量和数字化一个石膏模或阳模的方法，尤其是为了制备假牙，以下列步骤进行：
-在一个规定的取向内将石膏模或阳模(1)夹紧在一个可围绕一个旋转轴转动的夹具(2)中；
-用一个照射源照射石膏模或阳模(1)并摄取由石膏模或阳模(1)反射回的射线；
-通过扫描器(7)评估反射回的射线并产生一个距离信息；
-石膏模或阳模(1)相对于照射源按规定移动，沿着一个平面和/或垂直或几乎垂直照射方向延伸的第一个轴(Y)；
-为了形成石膏模或阳模(1)的一个三维立体模型，将用于识别旋转的一个信号与路程-和距离信息结和一起，在这件事上在石膏模或阳模(1)沿着一个扫描路程s，s≥1mm，数字化时，夹具(2)与扫描器(7)之间的距离在扫描器(7)的光轴(Z-轴)方向保持不变或基本不变。
2.如权利要求1的方法，
其特征在于，
夹具(2)与扫描器(7)之间的距离沿着石膏模或阳模一个面的整个或几乎是整个的扫描路程s恒定不变。
3.如权利要求1的方法，
其特征在于，
为了测量和数字化阳模，将它围绕垂直于照射方向延伸的夹具的旋转轴旋转180°或大约180°。
4.至少如上述权利要求之一的方法，
其特征在于，
照射用一个条纹扫描器进行。
5.至少如上述权利要求之一的方法，
其特征在于，
照射用有近似点形射线束的一个激光进行。
6.至少如权利要求1的方法，此外
其特征在于下列步骤：
-体(1)相对于照射源确定的移动，沿着一个垂直或几乎垂直第一个轴(Y)延伸的第二个轴(X)，垂直或几乎垂直于照射方向；和
-把第二个移动路程与距离信息和第一个移动路程结合起来。
7.如上述权利要求之一的方法，此外
其特征在于下面的步骤：
-以石膏模或阳模(1)的一个参考点为基准标准化距离信息。
8.如权利要求7的方法，
其特征在于，
参考点是近似于提供最小距离值的、石膏模或阳模(1)的那个点。
9.如权利要求7或8的方法，
其特征在于，
参考点是通过一个预先进行的移动求得的。
10.实施按照上述权利要求之一方法的装置，有一个夹具(2)用于夹紧一个要测量的和要数字化的石膏模或阳模(1)，有一个扫描器(7)用于光学扫描石膏模或阳模(1)，此时夹具(2)与石膏模或阳模(1)至少在一个方向(Y)相对和与扫描器(7)的光轴成直角或近似直角可移动，和有一个装置用于掌握围绕一个垂直于光轴可旋转至少180°或几乎180°、带有石膏模或阳模(1)的夹具(2)至少在一个方向(Y)的路程，扫描器(7)包括有一个CCD-摄象机、一个双折射晶体和一个在光程中的镜头。
11.如权利要求10的装置，
其特征在于，
扫描器还包括有一个激光二极管以及将激光二极管的光线调整到扫描器(7)射线路径中去的一个器械。
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