DE10117403C2 - Verfahren und Gerätesystem zum Materialabtrag oder zur Materialbearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerätesystem zum Material- oder Gewebeabtrag oder zur Material- oder Gewebebearbeitung und ist anwendbar in der Medizin und Zahnmedizin sowie für verschiedenste Arten der Materialbearbeitung in unterschiedlichen Anwendungsgebieten und Modellarbeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das Gerätesystem ist bei­ spielsweise für das kontrollierte Anordnen und Führen von Handstücken sowie die Zu- und Abschaltung, Regelung oder Parameterisierung der Effektorenergie in der Chirurgie und Zahnheilkunde zum optimalen Gewebeabtrag als Vorbereitung für die Konservierung und das Inserieren von Implantaten, Inlays und Onlays anwendbar. Es lassen sich auch Schnitte mit hoher Präzision setzen.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind für den Gewebeabtrag in der Medizin überwiegend Instrumente wie Bohrer, Fräsen und Sägen im Einsatz, die in das Spannfutter eines medizinischen Hand­ stücks eingesetzt werden. Vereinzelt kommen auch Lasersysteme zum Einsatz, die Weich- und Hartgewebe trennen und/oder abtragen können.

Beim Gewebeabtrag werden Gewebeschnitte, Gewebeöffnungen und Gewebelöcher (Kavitäten) oder Durchgänge erzeugt, die medizinischen Kriterien (z. B. Restgewebe ist tumorfrei, bakterienfrei, nicht kariös, oder Restgewebe hat hohe Festigkeit) und/oder weiteren Kriterien (z. B. die Geometrie des entfernten Gewebes besitzt eine besondere Passform zum Einfügen eines Gegenstücks) genügen sollen.

Es sind aus der Messtechnik Koordinatenmeßsysteme bekannt, mit denen die Lage (Position und Orientierung) eines Werkzeugs relativ zu einem Referenzkoordinatensystem vermessen werden kann.

Es sind aus der computerassistierten Chirurgie medizinische Navigationssysteme bekannt, mit denen die Lage (Position und Orientierung) eines Instrumentes relativ zu Patientengewebe angezeigt werden kann, nachdem das Gewebe registriert worden ist.

Auch sind aus der roboterassistierten Chirurgie medizinische Robotersysteme bekannt, mit denen die Instrumente von einem Roboter auf vorgeplanten Bahnen bewegt werden können, damit beispielsweise eine Bohrung an eine bestimmte Lage (Position und Orientierung) gelangt oder eine Kavität ausgebohrt wird, die eine besondere geometrische Form hat.

Weiterhin sind aus der roboterassistierten Chirurgie medizinische Interaktionssysteme bekannt, bei denen die Instrumente an einer passiven (aktiv bremsend) oder aktiven (aktiv bewegend) Kinematik befestigt sind, jedoch vom Arzt manuell durch direktes Führen des Instruments oder der Kinematik innerhalb von definierten Volumen, auf definierten Flächen und entlang definierter Bahnen (Geraden, Kurven) bewegt werden können, um beispielsweise eine Bohrung an einer bestimmten Lage (Position und Orientierung) zu setzen oder eine Kavität auszubohren, die eine besondere geometrische Form haben soll.

Ebenso sind aus der roboterassistierten Chirurgie medizinische Telemanipulationssysteme bekannt, bei denen die Instrumente an einer aktiven Kinematik (Slave-Manipulator) befestigt sind, jedoch vom Arzt weitgehend über eine angekoppelte Eingabekinematik (Master-Manipulator) manuell innerhalb von definierten Volumen, auf definierten Flächen und entlang definierter Bahnen (Geraden, Kurven) bewegt werden können, um beispielsweise einer Bohrung an einer bestimmten Lage (Position und Orientierung) zu setzen oder eine Kavität auszubohren, die eine besondere geometrische Form haben soll.

In der Zahnheilkunde sind Handscanner bekannt, die über Streifenprojektion oder andere Verfahren ein 3D Oberflächenmodell mit hoher Genauigkeit vermessen können.

Einem Arzt ist es bisher mit einem manuell geführten Instru­ ment nicht möglich, Gewebeabtragungen so durchzuführen, dass die Lage und/oder die Geometrie der Gewebeabtragungen vorab oder dynamisch definierten medizinischen Kriterien (z. B. das Restgewebe ist tumorfrei, bakterienfrei, nicht kariös, oder Restgewebe hat hohe Festigkeit) oder geometrischen Kriterien (z. B. das Restgewebe oder entnommene Gewebe besitzt eine be­ sondere Passform zum Einfügen eines Gegenstücks) mit einer hohen Güte entspricht.

Dies hängt mit der mangelnden Fähigkeit des Menschen zusammen, seine Hände in einem Referenzkoordinatensystem räumlich präzise auszurichten.

Auch mit einem Navigationssystem ist es einem Arzt mit einem manuell geführten Instrument bisher nicht möglich, Gewebeab­ tragungen so durchzuführen, dass die Lage und/oder die Geo­ metrie der Gewebeabtragungen vorab oder dynamisch definier­ ten medizinischen Kriterien (z. B. das Restgewebe ist tumor­ frei, bakterienfrei, nicht kariös, oder Restgewebe hat hohe Festigkeit) oder geometrischen Kriterien (z. B. das Restge­ webe oder entnommene Gewebe besitzt eine besondere Passform zum Einfügen eines Gegenstücks) mit einer hohen Präzision entspricht.

Nichttaktile gewebeabtragende Effektoren wie beispielsweise Laserstrahlen erlauben es dem Benutzer bei einer manuellen Bearbeitung eines Hartgewebes nicht gefühlsmäßig die Form des abgetragenen Gewebes oder der entstehenden Passform zu erfassen. Es können daher manuell keine Passformen herge­ stellt werden, die bestimmten Kriterien (z. B. zylindrisch) genügen.

Robotergesteuerte, telemanipulierte oder interaktiv roboter­ geführte Instrumenteneinsätze sind immer mit einem erhebli­ chen Geräteaufwand verbunden, was zu einer Kostensteigerung führt.

Darüber hinaus erfordert es auch ein hohes Ausbildungs- und Motivationsniveau des beteiligten medizinischen Personals sowie des Pflegepersonals. Es muss erheblicher Einarbei­ tungs- und Installationsaufwand geleistet werden. Die Opera­ tionen dauern oftmals länger als ohne Roboter.

Die Patienten müssen fixiert werden, um mit einem Roboter die gewünschte Qualität zu erreichen.

In der Zahnheilkunde werden oftmals versehentlich benachbarte Strukturen beim Umgang mit einem gewebeabtragenden Sensor und/oder Instrument unerwünscht verletzt. Es ist selbst navigationsunterstützt nicht möglich, eine Kavität sauber auszuformen. Es können keine vorgefertigten Implantate sauber eingepasst werden. Es ist nicht möglich, später passende Inlays, Onlays oder Brücken vorab anzufertigen. Es ist nicht möglich, eine später passende Suprakonstruktion vorab anzufertigen und diese perfekt einzupassen. Es ist nicht möglich, Standardinlays, Onlays, oder Brücken zu verwenden, die in sehr hoher Qualität bei einem Implantathersteller oder vergleichbaren Herstellern angefertigt werden. Es ist nicht möglich, Kavitäten sauber so auszuformen, dass sie bestimmten medizinischen Kriterien (z. B. Abstand zu bakteriösen, tumorösen Gewebe) entsprechen. Es ist nicht möglich, Kavitäten sauber so auszuformen, dass sie bestimmten herstellungstechnischen Kriterien (z. B. Formgebung des Passkörpers für die Herstellung mit 3-Achs-Fräsen) entsprechen. Es ist nicht möglich, Kavitäten sauber so auszuformen, dass sie bestimmten Kriterien zur Integration von Passkörpern (Einschub, einstecken, verdrehbar sichern), entsprechen. Es ist nicht möglich, die Kavitäten so auszuformen, dass sie Kombinationen der Kriterien entsprechen. Es ist nicht möglich, einen manuell ausgeführten Gewebeabtrag (z. B. am Modell) zu erfassen, zu speichern und als "Vorlage" für einen Gewebeabtrag mit identischer Form an dem selben oder an einem anderen Objekt (z. B. Patientengewebe) zu verwenden).

In der Weichgewebschirurgie können keine Schnitte so gelegt werden, so dass sie bestimmten medizinischen Kriterien (z. B. Abstand zu bakteriösen, tumorösen Gewebe) und/oder Kriterien für die Integration von Transplantaten und Implantaten (z. B. Brustimplantate nach Gewebsentfernung) entsprechen.

In der Knieendoprothethik können keine Mehrfachschnitte ohne Fixierung oder kinematischer Führung mit sauber zueinander definierten Schnittflächen hergestellt werden.

In der Wirbelsäulenchirurgie können keine Dekompressionen und Pedikelschraubeninserierung ohne Fixierung des Gewebes und/oder kinematischer Führung der Instrumente durchgeführt werden.

Aus US 5688118 ist ein System zur Schulung von Zahnärzten in der Herstellung von Kavitäten in Zähnen bekannt. Dabei wird ein in einem Behandlungsstuhl ein menschlicher Phantomtorso mit einem Modellkiefer positioniert. Der Schüler arbeitet mit einer speziellen Schulungseinheit aus pneumatischem Bohrerantrieb und Handstück, die in ihrem Aufbau und in ihrer Betriebsweise bzw. Anwendungsweise von einem "echten" Behandlungseinheit für den Patientenbetrieb abweicht. Über ein 3D-Messsystem können die Position und Orientierung von "Handstück" bzw. "Bohrer" sowie eines "Spiegels" im Raum gemessen werden. Das System hat die Aufgabe, dreidimensionale Bilder eines Modellkiefers mit Zähnen am Bildschirm darzustellen und die Positionen des vom Schüler gehaltenen zahnärztlichen Handstücks am Bildschirm relativ zu dem Bilddaten des Phantoms darzustellen. Es hat die Aufgabe das "Bild" eines zahnärztlichen Spiegels aus den Modelldaten zu berechnen und darzustellen. Es hat die Aufgabe die Ausbildungszeit eines Zahnarztes in der Ausbildung bei der Präparation von Kavitäten zu verkürzen. Es soll das Geräusch und das Gefühl wie beim echten Bohren einer Zahnkavität vermitteln. Das Gerät wirkt auf den Schüler, damit dieser später in einer Behandlungssituation mit einem richtigen Patienten und einer richtigen Behandlungseinheit ohne Navigationshilfen akustische, taktile und visuelle Informationen richtig interpretiert und seine Handlung danach richtet. Der Schüler hat die Aufgabe in einen künstlichen Zahn des Phantoms eine Kavität zu bohren unter Berücksichtigung einer von dem Schulungskonzept vorgegeben Zahnsituation. Mit einem Ventil kann die Druckzufuhr des pneumatischen Antriebs eingestellt werden, um dem Schüler bestimmte Eigenschaften einer Behandlungssituation akustisch und visuell zu vermitteln. Die Leistung des Bohrers wird reduziert, wenn ein hartes Zahnmaterial simuliert werden soll und wird gesteigert, wenn ein weiches Zahnmaterial simuliert werden soll. Die Steuerung richtet sich generell nach programmierten geometrischen modellierten Eigenschaften des simulierten Zahnmodells. Das Gesamtsystem kann aus ergonomischen Gesichtspunkten eine optische Ähnlichkeit mit einem zahnärztlichen Behandlungssystem besitzen. Das System ist von seinem Konzept und seiner Wirkungsweise nicht als Behandlungssystem einsetzbar.

Aus US 5257203 ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer Werkzeugmaschine beschrieben, mit der sich unter anderem zahnärzliche Modellarbeiten durchführen lassen. Eine derartige Maschine stellt eine hervoragende Ergänzung zu der eigenen Erfindung dar. Diese Maschine wird jedoch nicht am Patienten eingesetzt und ist nicht in der Lage Hinterschneidungen der Kavitäten am Patienten nachträglich zu kompensieren.

Aus US 5725376 ist das Verfahren zur Herstellung von Bohrschablonen beschrieben. Diese Verfahren haben in der Praxis den entscheiden Nachteil, dass die Fixierung der Bohrschablone auf der Mundschleimhaut schwierig ist und gerade an der Stelle an der gebohrt werden soll eine Schablone zur Führung des Handstücks liegt. Das Verfahren kann nicht zur beliebigen Ausformung von Kavitäten angewendet werden.

Aus DE 195 34 590 A1 ist ein Verfahren zur Ablation von Zahnhartsubstanzen beschrieben. Dabei wird die Laserleistung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Laserhandstück und Gewebe geschaltet. Es lassen sich keine Gewebeabtragungen mit besonderen geometrischen Eigenschaften erzeugen.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik gibt es keine Möglichkeit die Handstücke des Zahnarztes nachträglich bei nur kleinen Modifikationen mit einer Markierung zu versehen, so dass sie problemlos mit einem Navigationssystem verwendet werden können. Es gibt spezielle Handstücke für diese Anwendung, die jedoch teuer vom Zahnarzt erworben werden müssen. Sie erlauben keine Verwendung normaler Turbinen und keine einfache Trennung von Turbine und Handstück.

Der Zahnarzt muss sowohl "normale" als auch "navigierbare" Handstücke vorhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und ein Gerätesystem zu schaffen, welche es dem Benutzer ermöglichen, kontrolliert Material oder Gewebe abzutragen oder zu bearbeiten und beim Abtrag dabei nicht zu viel und nicht zu wenig Material oder Gewebe zu entfernen. Das Material oder Gewebe soll auch präzise an der richtigen Stelle entfernt werden und das Gerätesystem soll den freien und gefahrlosen Einsatz von unterschiedlichen Werkzeugen mit einem Instrument ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und Gerätesystem gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 27 ge­ löst.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in­ nerhalb kürzester Zeit ein exakter Materialabtrag oder eine hochgenaue reproduzierbare Materialbearbeitung realisiert werden kann, indem Daten zur Lage des Effektors und deren Änderung relativ zur Lage mindestens eines Referenzkörpers erfasst, gespeichert und verarbeitet werden und Befehle auslösen derart, dass in Abhängigkeit von der Geometrie eines vorgegebenen Objektvolumens und einer vorgegebenen zu erzielenden Objektform die Materialabtragsleistung des Effektors geregelt oder gesteuert wird und bei Erreichen der Oberfläche der zu erzielenden Objektform der Effektor keinen weiteren Materialabtrag bewirkt.

Ein Gerätesystem zum Material- oder Gewebeabtrag oder zur Material- oder Gewebebearbeitung mittels mindestens eines manuell geführten Effektors unter Verwendung eines Navigationssystems und von Computertechnik ist mit einfachen Mitteln realisierbar, indem ein erster Markierungsträger mit Markierungen an einem Handstück mit Effektor angeordnet und das Handstück mit einer Steuereinheit verbunden und ein zweiter Markierungsträger mit Markierungen an dem Material- oder Gewebeobjekt befestigt ist und der Effektor in Abhängigkeit von der Geometrie eines vorgegebenen Objektvolumens und einer vorgegebenen zu erzielenden Objektform über die Steuereinheit in Ein-/Aus-Funktion geschaltet oder in seiner Leistung und/oder Parameterisierung gesteuert oder geregelt wird.

Multivalente Einsatzgebiete erschließen sich dadurch, dass die Lage und Geometrie der erreichten Objektoberfläche erfasst und für weitere Bearbeitungsvorgänge am selben oder anderen Objekten gespeichert wird.

Das Verfahren und das Gerätesystem zum Materialabtrag oder zur Materialbearbeitung beruht auf der Basis, dass Material von einem Objekt zur Erfüllung von mindestens einem Kriterium bearbeitet oder abgetragen wird und vorzugsweise die Leistung und/oder Form und/oder Lage des angeordneten und/oder geführten materialbearbeitenden oder materialabtragenden Effektors so gesteuert oder geregelt wird, dass Kriterien möglichst optimal erfüllt werden können und die Lage und Geometrie der erreichten Objektoberfläche erfasst und für weitere Bearbeitungsvorgänge am selben oder anderen Objekten gespeichert wird und vorzugsweise die Herstellung, Bearbeitung von einzusetzenden Passkörpern sowie der Zeitraum zwischen Materialabtrag und Einsatz von hergestellten oder vorhandenen Passkörpern verkürzt wird.

Das Verfahren und das System sind beispielsweise für das kontrollierte Anordnen, Führen von Handstücken sowie die Zu- und Abschaltung der Effektorenergie in der Chirurgie und Zahnheilkunde zum optimalen Gewebeabtrag als Vorbereitung für die Konservierung und das Inserieren von Implantaten, Inlays und Onlays vorteilhaft anwendbar. Es lassen sich auch Schnitte mit hoher Präzision setzen.

Es ist möglich, hinsichtlich geometrischer Ansprüche saubere präzise Schnitte zu legen, Bohrungen zu setzen, Kavitäten- oder Stümpfe zu fräsen und die Bewegungen sauber zu vermessen.

In der Zahnmedizin ist es selbst frei Hand möglich, Löcher für Implantate so exakt zu bohren, als ob eine Führungskinematik verwendet worden wäre. In der Zahnmedizin ist es dann möglich, ein Inlay, Onlay oder eine Brücke vorab anzufertigen und die Kavitäten so auszuformen, dass die vorhandenen Inlays oder Onlays perfekt in die Kavitäten oder auf den Stumpf passen. Dadurch entfällt die vor Ort Herstellung eines Inlays oder Onlays. Inlays und Onlays können deutlich preiswerter und mit höherer Qualität zentral hergestellt und gelagert werden. Der Zeitraum zwischen Ausformen und Versorgung sinkt erheblich.

In der Zahnmedizin ist es möglich, gleichzeitig das Gewebe unter medizinischen Gesichtspunkten zu entfernen und parallel dazu eine Kavität oder einen Stumpf zu formen, der das Fügen mit einem Passkörper (ohne Hinterschneidungen), bei maximalem Gewebeerhalt erlaubt. Es können komplizierte Geometrien erreicht werden.

In der weichgewebechirurgie lassen sich bei dem Trennen von komplizierten Gewebestrukturen (Viszeral-chirurgie) manuell perfekte Gewebeabtrennung erreichen, wenn gleichzeitig ein Gewebepositionsmeßsystem z. B. auf der Basis von elektromagnetischen Reflektoren verwendet wird.

Kostenintensive mechanische Aufbauten für die Führung der Instrumente können entfallen. Es können auch ohne den Einsatz von Robotern vergleichbare Ergebnisse bei einer manuellen Instrumentenführung erreicht werden. Dies ist extreme Verbesserung der gegenwärtigen Situation. Me­ dizinische Fräsroboter können in Ihrer Funktion weitgehend ersetzt werden.

Es kann auch bei dem Gewebeabtrag die Geometrie des Gewebeabtrags vermessen werden und diese Geometrie dann mehrfach verwendet werden. Dies hat Vorteile bei der Übertragung von Modellarbeiten auf andere Gewebearten. Es können auch Formen an einer Achse oder als Volumenmodelle gespiegelt werden (Positiv, Negativform).

Die Vorlage kann auch an einer oder mehreren Achsen gespiegelt werden. Teile der Geometrie können von Negativ- in Positivformen gespiegelt werden.

Ein Nutzer kann mit einem manuell geführten Instrument Gewe­ beabtragungen so durchzuführen, dass die Lage und/oder die Geometrie der Gewebeabtragungen vorab oder dynamisch defi­ nierten medizinischen Kriterien (z. B. das Restgewebe ist tu­ morfrei, bakterienfrei, nicht kariös, oder Restgewebe hat hohe Festigkeit) oder geometrischen Kriterien (z. B. das Restgewebe oder entnommene Gewebe besitzt eine besondere Passform zum Einfügen eines Gegenstücks) mit einer hohen Güte entspricht. Die mangelnde Fähigkeit des Menschen seine Hände in einem Referenzkoordinatensystem räumlich präzise auszurichten wird ausgeglichen.

In der Zahnheilkunde können vorab angefertigte Suprakonstruktionen, Inlays, Onlays oder Brücken verwendet werden. Es können komplizierte Geometrieformen manuell her­ gestellt werden. Es können CAD-Daten des Abtrags erstellt werden. Die Geometriedaten können zur Herstellung von Im­ plantaten oder zum Heraustrennen von Transplantaten verwen­ det werden. Die Geometriedaten können zum Qualitätsnachweis verwendet werden.

In der Wirbelsäulenchirurgie können manuell Bohrungen und Fräsflächen sauberer hergestellt werden. In der Knie­ endoprothetik können manuell die Schnittflächen sauberer ge­ legt werden. Es gibt fast in allen Bereichen der Medizin deutliche Vorteile bei der Instrumentenführung. Das Verfah­ ren erlaubt es, auch mit nichttaktilen gewebeabtragenden Ef­ fektoren wie beispielsweise Laserstrahlen bei einer manuel­ len Bearbeitung eines Hartgewebes eine Passform herzustel­ len, die bestimmten Kriterien (z. B. zylindrisch) genügt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teil­ weise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen nä­ her beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 gewebeabtragender Effektor mit Referenzlage zum Gewebeobjekt,

Fig. 2 Wirkgeometrie und Schnittgeometrie im Objekt,

Fig. 3 hergestellter Passkörper und Passform des abgetrage­ nen Gewebes,

Fig. 4 Visualisierung der Differenzgeometrie zur Effektorführung,

Fig. 5 Drosselintervall zur Steuerung und Regelung der Effektorleistung,

Fig. 6 Laserhandstück mit passformerzeugender Effektorgeo­ metriekörper,

Fig. 7 das Setzen von Schnitten in Weichgewebe,

Fig. 8 ein System zur Durchführung des manuellen optimalen Gewebeabtrags.

Fig. 1 zeigt das Handstück 1 eines medizinischen Instruments mit einem gewebeabtragenden Effektor 2 in einer messbaren Effektorlage (Position und Orientierung) 3 relativ zu einer Referenzlage 4 eines Gewebeobjekts 5. Die gewebeabtragende Geometrie des Effektors 2 ist als quasi unveränderlich be­ kannt (z. B. Fräser, Bohrer) oder kann vermessen bzw. jus­ tiert werden (z. B. Laser). Die Leistung zum Abtragen des Ge­ webes kann zumindest ein- und ausgeschaltet werden bzw. vor­ zugsweise gesteuert oder geregelt werden. Bei dem Effektor 2 kann es sich um ein Sägeblatt, einen Bohrer, eine Fräse, ei­ nen Wasser- oder Partikelstrahl, Laserstrahl, Ultraschall oder andere Effektoren zum Gewebeabtragen handeln. Die rela­ tive Lage T_EFF des gewebeabtragenden Effektors 3 zur Refe­ renzlage 4 T_OBJ des Gewebeobjekts 5 kann beispielsweise durch Koordinatenmessverfahren ermittelt werden, die auf künstlichen oder anatomischen Messmarkierungen in bekannter Lage aufbauen. In der Fig. 1 sind Markierungsträger 6 darge­ stellt, die fest in ihrer Lage relativ zu Effektor bzw. Ge­ webeobjekt befestigt sind.

An den Markierungsträgern 6 befindet sich wie in der Fig. 1 dargestellt eine Markierung 7 aus reflektierenden Glasku­ geln, die als Signalreflektoren in einem optischen Koordina­ tenmeßsystem zum Einsatz kommen können.

Die Markierung 7 ist verallgemeinert eine Menge von Punkten, Figuren oder Körpern, deren relative Lage (Position und/oder Orientierung) zueinander sowie zu dem jeweiligen Markierungsreferenzsystem 8 vorab bekannt ist und deren Lage relativ zu mindestens einem Lagemeßkoordiantensystem bei Be­ darf bestimmt werden kann. Dazu können unterschiedliche Meß­ verfahren (optisch, akustisch, elektromagnetisch, radarba­ siert, laserbasiert, Zeilenkamera, Flächenkameras, Videose­ quenzen, 3D-Oberflächenkameras, 3D-Laserkameras, 3D- Radarverfahren usw. mit signalsendenden, signalempfangenden und signalreflektierenden Punkten, Figuren oder Körpern) verwendet werden.

Alternativ kann die Markierung 7 als Flansch zur Aufnahme eines Meßfühlers in bekannter Lage relativ zu dem jeweiligen Markierungsreferenzsystem 8 realisiert sein. Die Markierung 7 kann an dem jeweiligen Markierungsträger 6 angebracht, ausgespart und/oder durch einen Teil der Geometrie des Markierungsträgers 6 ausgeprägt sein. Der jeweilige Markierungsträger 6 kann auch durch das Handstück 1 des Effektors 2 oder das Objekt selbst gebildet werden.

Fig. 2 zeigt ein Wirkvolumen bzw. eine Wirkgeometrie 9, die durch die räumliche Überlagerung der Effektorgeometrie 2 an den gemessenen Effektorlagen 3 berechnet wird. Das Wirkvolu­ men beschreibt die mit dem Wirkeffektor maximal überstri­ chene Raumgeometrie. Ebenfalls eingezeichnet ist die Schnittgeometrie 10 bzw. das Schnittvolumen, das aus der Schnittmenge von dem Gewebeobjektvolumen 5 in der Referenz­ lage 4 - vor dem Gewebeabtrag - und dem Wirkvolumen 9 gebil­ det wird. Das Schnittvolumen beschreibt das mit dem Effektor 2 tatsächliche abgetragene Objektvolumen. Die für den Gewe­ beabtrag relevante Objektgewebegeometrie kann über ein tie­ fenbild- bzw. volumenbilderzeugendes Verfahren (Röntgen, Ultraschall, Laser, MRT, CT, - oder Oberflächenbild etc.) oder über ein oberflächenbilderzeugendes Verfahren (2D, 3D Oberflächenscanner, Videobild, Handscanner) oder über ein taktiles oder nichttaktiles abstandsbilderzeugendes Verfah­ ren (Abstandslaser, taktiler Messfühler etc.) mit nachfol­ gender Oberflächennetzgenerierung erzeugt werden. Im ein­ fachsten Fall wird mit der energielosen Effektorgeometrie 2 die Oberfläche berührt und so die Oberfläche taktile vermes­ sen (durch Erzeugung eines Oberflächengitters aus den Mess­ punkten) oder am Handstück 1 ist ein abstandsmessender oder oberflächenmessender Sensor befestigt bzw. in das Handstück 1 integriert.

Das Schnittvolumen 10 wäre in der Zahnheilkunde beispiels­ weise eine gebohrte, gefräste oder gelaserte Kavität im Zahn, im Kieferknochen oder in einem Modell. Das Schnittvo­ lumen 10 kann in der Zahnheilkunde auch das Gewebe beschrei­ ben, das abgetragen wurde, um einen Stumpf für eine Überkro­ nung herzustellen. Entsprechende Beispiele gibt es in der Chirurgie. Das Schnittvolumen 10 kann auch eine Schnittflä­ che zum Trennen von Gewebe in der Hartgewebschirurgie (Osteotomie) oder aber auch eine Schnittfläche in der Weich­ gebschirurgie (z. B. Viszeralchirurgie) beschreiben.

Fig. 3 zeigt Gewebeobjekte 5 mit abgetragenem Gewebevolumen 10 sowie die Geometrie von Passkörpern 11, die auf der Basis der Schnittvolumengeometrie 10 sowie weiteren medizinischen Kriterien und/oder Kriterien zur Herstellung der Passkörper 11 und/oder Integration von Passkörper 11 und Restgewebevolumen 5, 12 beruhen. Medizinische Kriterien können sein, dass beispielsweise die Außen- oder Innenoberfläche des Passkörpers 11 einen Mindestabstand zu dem abgetragenen Gewebe 10 oder zu Gewebe mit bestimmten Gewebeeigenschaften (tumorös, bakteriell, Hartgewebe, Spongiosa, Außenschale, Nerven, Organe etc.) besitzt oder es beispielsweise keine Fallen (Hohlräume) für Bakterien geben darf. In der Zahnheilkunde muss der Passkörper 11 auch weiteren medizinischen Kriterien wie der optimalen Okklusion (Passung zwischen den Zähnen unterschiedlicher Kiefer) genügen. Kriterien zur Herstellung der Passkörper 11 können sein, dass Grundkörper oder Materialmengen in einem Lager vorhanden sind, oder sich die Passkörper 11 mit bekannten und/oder vorhandenen Werkzeugen bzw. Werkzeugmaschinen herstellen lassen, und diese daher bestimmte Materialeigenschaften (z. B. Festigkeit oder besondere Geometrieformen) aufweisen müssen. Ein Kriterium kann auch sein, dass der entsprechende Passkörper 11 in einem Lager vorhanden sein muss.

Kriterien zur Integration von Passkörper 11 und Restgewebevolumen 5, 12 können sich auf die Fügepassung zwischen Passkörper 11 und Restgewebevolumen, d. h. Objektpassform 12 beziehen, da Hartgewebe so passend vorbereitet sein muss, dass sich der Passkörper 11 sauber fügen lässt. Dies fordert auch bestimmte geometrische Formen. Auch die Vergrößerung und oder die Verkleinerung der Passkörpergeometrie, so dass eine gewünschte Endform nach dem Verbinden von Restgewebevolumen und Passkörper 11 entsteht, fällt hierunter.

Die Passkörpergeometrie kann jetzt dazu verwendet werden, beispielsweise eine Materialmenge oder ein Materialvolumen abzumessen oder die Daten zur Herstellung des Passkörpers 11 mit Hilfe von CAD/CAM-Verfahren bzw. im Rapid-Prototyping- Verfahren zu verwenden. So kann beispielsweise eine Fräsmaschine angesteuert werden, die den Passkörper 11 aus einem Grundkörper heraus fräst.

Alternativ dazu kann auch ein passender Grundkörper aus einem Lager ausgewählt und entnommen werden, der nicht oder nur wenig geeignet nachbearbeitet werden muss.

Fig. 4 zeigt ein Gewebeobjekt 5 (Zahnstumpf) bei dem bereits die optimale Objektpassform 12 durch den Passkörper 11 bekannt ist, jedoch noch nicht alles abzutragende Gewebe abgetragen wurde. Im Bild ist das Differenzvolumen 13 zu erkennen, das aus der Geometrie des aktuellen Passkörpers 12 und dem aktuellen Schnittvolumen 10 durch Schnittbildung ermittelt wird. Das Differenzvolumen 13 bzw. die Differenzgeometrie kann an einem Bildschirm visualisiert werden und/oder es kann akustisch der Abstand des Effektors 2 zur Grenzfläche Differenzvolumen 13 und Passform 12 signalisiert werden. Die Visualisierung wird dann dazu verwendet, manuell (Hand-Auge und/oder Hand-Ohr- Koordiantion) oder motorisch angetrieben und geregelt (z. B. mit einem Roboter) den Effektor 2 so zu bewegen, dass der Effektor 2 nur Gewebe des Differenzvolumens 13 erreichen soll oder kann. Dadurch wird der Gewebeabtrag optimal minimiert. Da kontinuierlich die Schnittgeometrie ermittelt wird kann das System auch zur Vermessung und Dokumentation selbsterzeugter Kavitäten sowie zur Weiterverarbeitung der Messdaten verwendet werden. Der Effektor 2 kann auch als taktiler Positionsmesstastkopf zum Einsatz kommen.

Fig. 5 zeigt das Gewebeobjekt 5 bzw. die Objektpassform 12 sowie die Differenzgeometrie 13, die das noch abzutragende Gewebe beschreibt. Die Leistung des gewebeabtragenden Effek­ tors 2 wird spätesten dann abgeschaltet, wenn die Effektor­ geometrie die Differenzgeometrie 13 oder die Vereinigungs­ menge von Passkörpergeometrie 11 und Differenzgeometrie 13 verlässt. Die Leistung des gewebeabtragenden Effektors 2 wird spätesten dann eingeschaltet, wenn sich die Effektor­ geometrie in die Differenzgeometrie 13 oder die Vereini­ gungsmenge von Passkörpergeometrie 11 und Differenzgeometrie 13 hineinbewegt. Die Leistung des Effektors 2 wird in Abhän­ gigkeit von dem Abstand des Effektors 2 zur Objektpassform 12 gesteigert bzw. mit sinkenden Abstand reduziert. Vorzugs­ weise ist die Leistungsveränderung auf ein Drosselintervall ausgehend von der Objektpassformoberfläche 12 beschränkt.

Fig. 6 zeigt ein Handstück 1 (z. B. Laserhandstück) mit einem aufgesetzten Effektorgeometriekörper 14, welcher die gewebeabtragende Energie so kontrolliert an der Grenzfläche abgibt, dass sich eine gewünschte Passform 12 für einen Passkörper 11 ergibt. Bei einem Lasereinsatz und einem geeigneten lichtleitenden bzw. lichtemittierenden Effektorgeometriekörper 14 kann dann beispielsweise ein Außen- oder Innengewinde mit dem Laser so geschnitten werden, dass es sich an der exakten gewünschten Lage (Position und Orientierung) befindet und darüber hinaus sogar der Endpunkt der austretenden Windung bekannt sein kann.

Fig. 7 zeigt ein Weichgewebeobjekt 5, in das zwei Schnitte II gesetzt werden sollen, die in diesem Fall als Passkörper modelliert sind. Die Lage des Gewebes wird über Markierungen 7 erfasst, die beispielsweise mit einem elektromagnetischen Positionsmessverfahren, ähnlich einem GPS vermessen werden. Mit diesem Verfahren können auch Teilvolumen des Weichgewebes in ihrer Position und Lage bestimmt werden. Das Gewebe befindet sich vorzugsweise in einer formstabilisierenden Matrize 15, damit sich das Gewebe 5 bei dem Trennvorgang nicht verschiebt. Die formstabilisierende Matrize 15 sollte ihre Form auch beim Setzen der Schnitte behalten können. Diese könnte bei einem Skalpelleffektor 2 eine Folie sein oder ein Körper mit vorgefertigten vorzugsweise gitterförmigen oder bei einem Laserskalpell eine lichtdurchlässige, lichtleitende Folie sein die die Laserleistung auf der Gewebeseite des Matrize 15 gewebeab­ tragend austreten lässt.

Fig. 8 zeigt in Zusammenschau mit Fig. 1 ein erfindungsgemä­ ßes Gerätesystem bestehend aus einem Lagemeßsystem 16 zur Messung der Effektorlage 3 eines Effektors 2 in einem Hand­ stück 1 relativ zu der Referenzlage 4 eines Gewebeobjekts 5. In Fig. 8 ist das Lagemeßsystem als optisches Navigations­ system 16 dargestellt, mit als kugelförmige passive Marker ausgebildeten Markierungen 7, deren Träger 6 über provisori­ sche Implantate 17 mit dem Kieferknochen verschraubt sind bzw. an dem Handstück 1 angebracht sind.

Die über ein Leistungsteuergerät 18 (Fußschalter, Handschal­ ter, Sensor) kontrollierte Leistung des Leistungsumsetzers 19 (Antriebsmotor) für den material- oder gewebeabtragenden Effektor 2 kann über eine Drosselvorrichtung 20 ausgeschaltet und/oder eingeschaltet und/oder auf eine geeignete Leistung reduziert werden. Die Drosselvorrichtung 20 kann auch integraler Bestandteil des Leistungsumsetzers 19 sein und über eine Gerätedrosselschnittstelle 21 angesteuert werden.

Eine Steuereinheit 22, vorzugsweise ein Computer mit Display 23 (z. B. Bildschirm mit Lautsprecher), wird verwendet, um die Messdaten des Lagemeßsystems 16 einzulesen und auszuwerten.

Bei Bedarf wird zu Beginn die Länge oder die Form des Effek­ tors 2 in einer Einmessvorrichtung 24, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Registrierpunkt ausgebildet, eingemessen. In der Steuereinheit ist nach definierten Kriterien mindestens eine Lage (Position und Orientierung) des abzutragenden Materials oder Gewebes 5 bekannt oder kann im Betrieb (on-line) festgelegt werden. Es ist mindestens eine Passform 12 und/oder ein Passkörper 11 vorab gespeichert oder kann im Betrieb (on-line) definiert werden. Alternativ dazu oder zusätzlich sind Kriterien zur on-line dynamischen Berechnung von mindestens einer Passform/­ Passkörper 11, 12 vorab gespeichert oder die entsprechenden Kriterien können im Betrieb (on-line) festgelegt werden. In der Steuereinheit ist während des Betriebs eine Objektgeometrie 5 gespeichert, die entweder vorab bekannt war, vor dem Einsatz vermessen wurde oder eingriffsbegleitend kurz vor dem Gewebeabtrag vermessen wird. Die Steuereinheit berechnet jetzt bei Bedarf oder quasikontinuierlich das Wirkvolumen 9, das Schnittvolumen 10, wählt oder berechnet die Passkörpergeometrie 11 und die geeignete Passform 12 und berechnet die Differenzgeometrie 13. Die Differenzgeometrie wird geeignet auf dem Bildschirm dargestellt und erlaubt das manuelle Anordnen und Führen des Handstücks so, dass gezielt die Differenzgeometrie abgetragen werden kann. Dabei kann die Steuereinheit 22 die Leistung des Effektors 2 über die Drosselschnittstelle 21 aus- und einschalten bzw. drosseln wie weiter oben beschrieben. Anschließend wird aus einem Lager 25 der bereits vorbereitete geeignete Passkörper entnommen (bei­ spielsweise vom Zahntechniker oder als Normkörper von einer Dentalfirma hergestellt) oder nachträglich hergestellt (vom Zahntechniker oder von einer Fertigungsmaschine). Der Körper wird mit der Passform integriert und geeignet nachbearbeitet, wobei die Leistungsdrosselung dann ständig freigeschaltet werden kann. Wird ein Modell bearbeitet, dann kann dieselbe Bearbeitung an einem anderen Modell oder Patientengewebe kopiert werden.

Zur Herstellung von Kavitäten im Hartgewebe für die Implantologie wird das Verfahren und ein entsprechendes Gerätesystem wie folgt eingesetzt.

An dem Hartgewebe 5 wird eine Messmarkierung 7 befestigt, die es erlaubt, die Lage der Hartgewebegeometrie relativ zu einem Referenzkoordinatensystem 8 quasikontinuierlich zu bestimmen oder zu messen. Das Hartgewebe 5 kann dabei orts­ fest fixiert oder frei beweglich sein. Die relative Lage des Hartgewebes zu den Messmarkierungen kann mit unterschied­ lichen abstands-, volumen-, oder oberflächenbildgebende Ver­ fahren ermittelt werden. In der Zahnheilkunde und der Kopf­ chirurgie bietet sich die Verwendung einer an den Zähnen be­ festigten Registratschablone an, in anderen Gebieten der Chirurgie eine Oberflächenvermessung oder eine Marker­ registrierung.

Der Effektor 2 kann beispielsweise eine Fräse, ein Bohrer oder ein Laser sein, der über ein entsprechendes Handstück 1 manuell (aber natürlich auch kinematisch gestützt, gebremst, gedämpft oder angetrieben) geführt wird. Am Handstück 1 ist ebenfalls eine Messmarkierung 7 vorhanden. Ein Positions- und/oder Lagemesssystem 16 wird verwendet, das es erlaubt, die relative Lage der Marker und damit auch die Markierungs­ referenzsysteme 8 zu vermessen. Hier können optische, elek­ tromagnetische, akustische, oberflächenabstandsmessende, Na­ vigationssysteme mit festen oder variablen Markergeometrien zum Einsatz kommen. Besonders einfach ist in der Zahnheil­ kunde die Verwendung von optischen Navigationssystemen mit passiven Markern. Die Geometrie und die Lage des Effektors 2 relativ zu dem Markierungsreferenzsystem 8 des Handstücks 1 ist vorab bekannt, oder wird durch das Berühren eines Re­ gistrierpunkts 24 bzw. einer Registrierform eingemessen. Bei einem Laserhandstück ist es auch möglich, den Fokuspunkt entsprechend einzustellen oder seine Position zu vermessen. So kann über eine Koordinatentransformation die Lage 3 der gewebeabtragenden Effektorgeometrie mit dem Navigations­ systemen relativ zu der Lage 4 des Objektgewebes 5 quasikon­ tinuierlich gemessen werden. Manuell oder mit Hilfe einer Kinematik wird mit dem Effektor 2 jetzt Gewebe abgetragen, wobei - vorzugsweise mit einem Computer - die Positionen und Orientierungen der gewebeabtragenden Effektorgeometrie pro­ tokolliert werden und aus der Überlagerung der Effektorgeo­ metrien eine Wirkgeometrie 9 und aus der Schnittbildung von Objektgeometrie 5 und Wirkgeometrie 9 die Geometrie des ab­ getragenen Gewebevolumens 10 berechnet wird. Es wird also direkt die Geometrie des abgetragenen Gewebes berechnet. Beim Abtragen wird der Arzt versuchen, bestimmte Kriterien einzuhalten. Dies können Informationen über das Gewebe sein, die beispielsweise über die Augen (Farbe, Späne), Nase (Ge­ rüche), die taktile Informationen (Gewebefestigkeit oder Festigkeitsänderung des Gewebe) oder akustisch wahrgenommen werden und direkt umgesetzt werden. Es können auch Informa­ tionen aus einer Vorplanung sein, bei der bestimmte Positio­ nen, Orientierungen der Kavitäten oder Kavitätsgeometrien festgelegt wurden. Dabei kann die Kavität beispielsweise zur Aufnahme eines Implantats geformt werden müssen. Im ein­ fachsten Fall wird die Kavität für ein vorab definiertes Implantat oder Transplantat angefertigt. Es ist aber auch möglich, dass unter Berücksichtigung weiterer Kriterien ein Implantat aus einer Auswahl verschiedener vorhandener Im­ plantate ausgewählt wird. In diesem Fall muss die Kavität jetzt auch noch den Kriterien einer Passform 12 für den Passkörper 11 des Implantats genügen. Aus diesem Grund wird ein Differenzkörper 13 berechnet, der das Gewebe umschließt, das noch entfernt werden muss, um die Passform 12 für den Passkörper 11 zu bilden. Diese Differenzgeometrie 13 wird dazu verwendet, um den Effektor 2 für den Gewebeabtrag opti­ mal anzuordnen und zu führen. Die kann beispielsweise durch eine grafische Darstellung an einem Bildschirm für den Arzt erfolgen oder durch die Steuerung einer roboterähnlichen Ki­ nematik. Auf der Basis der Differenzgeometrie kann auch ein Effektorgeometriekörper 14 ausgewählt werden, der eine Pass­ form 12 direkt erzeugt. Dies kann beispielsweise bei einem Laserhandstück mit einem gewebeabtragenden Laser mittels ei­ nes zylinderförmigen Effektorgeometriekörpers 14 geschehen, der so lichtdurchlässig ist, dass das gewebeabtragende La­ serlicht beim Austritt aus dem Effektorgeometriekörper 14 ein Gewinde als Passform 12 in das Hartgewebe 5 schneidet. Ist die Passform 12 im Gewebe 5 hergestellt, dann kann das Implantat bzw. der Passkörper 11 aus einem Lager 25 entnom­ men werden und direkt integriert werden. Um zu vermeiden, dass bei der manuellen oder kinematisch gestützten Anordnung und Führung des Effektor 2 versehentlich Gewebe 5 abgetragen wird, dass die optimale Passform 12 zerstören würde oder den erforderlichen Kriterien nicht genügt, wird die gewebeabtra­ gende Effektorleistung computergesteuert abgeschaltet, wenn sich der Effektor 2 außerhalb der Differenzgeometrie 13 und/oder einer Teilmenge der Vereinigungsmenge von Diffe­ renzgeometrie 13 und Passkörpergeometrie 11 befindet. Vor­ zugsweise wird die Effektorleistung aus Sicherheitsgründen auch nur eingeschaltet, wenn sich der Effektor 2 innerhalb der Differenzgeometrie 13 und/oder einer Teilmenge der Ver­ einigungsmenge von Differenzgeometrie 13 und Passkörpergeo­ metrie 11 befindet.

Um eine besonders saubere Passform 12 zu erhalten ist es sinnvoll, die Effektorleistung mit sinkendem Abstand des Effektors 2 zur Grenzfläche zwischen Passform 12 und Differenzgeometrie 13 so zu drosseln, dass möglichst kein Gewebe der Passform 12 versehentlich abgetragen werden kann. An dem Handstück 1 ist vorzugsweise ein Absaugmechanismus für das Absaugen von Gerüchen sowie Dämpfen und anderen Partikeln angebracht.

Zur Herstellung von Kavitäten im Zahn für die Versorgung mit Inlays, Onlays oder Überkronungen wird das Verfahren und ein entsprechendes System analog zu der Bearbeitung am Knochen eingesetzt. Hier wird jedoch der Passkörper 11 in Form eins Inlays, Onlays oder einer Brücke entweder aus einem Lager mit vorbereiteten Normkörper entnommen oder im Rapid- PrototypingVerfahren (gefräst, gesintert, usw.) oder vorab von einem Zahntechniker hergestellt und vermessen. Es kann auch Material abgemessen und in die Kavität bzw. in eine Form um den Passkörper herum eingefüllt werden.

Das Verfahren kann in der Zahnmedizin auch für die Herstellung oder Modifikation von Modellarbeiten und Suprakonstruktionen verwendet werden. Dann wird nicht nur am Patientengewebe, sondern auch an Modellen bzw. an den Suprakonstruktionen gearbeitet, die sich jedoch über bekannte Verfahren (Registrierschablone übertragen lassen).

Das Verfahren kann auch in der Kniendoprothetik eingesetzt werden, bei der sehr viele Schnitte am Knochen gesetzt bzw. Flächen zueinander gefräst werden müssen. Hier kann sehr einfach ein Markierungsträger an den Knochen angeschraubt werden.

Das Verfahren kann auch in der Dekompression und der Vorbereitung der Verschraubung von Wirbelkörpern verwendet werden.

Zum Trennen von Hartgewebe wird das Verfahren und ein entsprechendes System wie folgt eingesetzt. Der Passkörper wird als mindestens eine Schnittfläche definiert bzw. als mindestens ein Schnittvolumen. Es muß nicht notwendigerweise auch ein Passkörper eingesetzt werden.

Zum Trennen von Weichgewebe beispielsweise in der Viszeral­ chirurgie wird das Verfahren und ein entsprechendes System wie folgt eingesetzt. Es wird verwendet, um saubere Schnitte in Weichgewebe 5 zu setzen, um beispielsweise Gewebe zu trennen oder zu entfernen. Dabei wird die Lage (Position und Orientierung) 4 des Weichgewebes 5 beispielsweise über ein Weichteil-GPS verwendet, bei denen in das Weichgewebe Mar­ kierungen 7 eingebracht sind. Über die Lagemessung der Mar­ kierungen kann die teilweise unabhängige Verschiebung und Verlagerung von Gewebestrukturen vermessen werden. Zusammen mit einem leistungsgesteuerten Effektor 2 zur Gewebetrennung lassen sich dann saubere Schnitte setzen. Das Gewebe kann auch vorab in eine formstabilisierende Matrize 15 gelegt, gepresst oder gesaugt werden, bevor die gewebeabtragende Leistung zugeführt wird. Die Matrize 15 kann auch selbst energiedurchlässig sein, damit die Schnitte geeignet durch die Matrize hindurch geführt werden können. Das Schneidwerk­ zeug ist hier vorzugweise ein Laser, der abtastend über das Gewebe geführt und selbständig die Schneidposition misst. Die Leistung wird nur an den geplanten Schnittkanten bzw. Schnittflächen zugeschaltet. Die formgebende Matrize 15 kann dabei aus einem lichtleitenden Material sein.

Das Verfahren kann auch außerhalb der Medizin z. B. beim Materialabtrag in Manufakturen oder handwerklichen Kleinbetrieben (Schreiner, Zimmermann, Holzbootsbau) oder von Heimwerkern eingesetzt werden, wo keine vollautomatischen computergesteuerten Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden können. Dies kann der Fall sein, weil die Maschinen beispielsweise zu groß oder zu teuer oder überhaupt nicht zu erwerben sind. In diesem Fall können das Verfahren und eine entsprechend ausgerüstete manuelle Bearbeitungsmaschine (elektrisches Heimwerkerbearbei­ tungsgerät) ein Ergebnis erbringen, das mit einer numerisch gesteuerten automatischen Maschine vergleichbar ist. Ein An­ wendungsbeispiel hier ist das "in Form"-Schleifen zum Restaurieren eines alten Autos oder das Abschleifen einer GFK-Hülle eines alten Segelboots. Hier wird ein Normkörper auf der Basis von alten bekannten Rissen bzw. technischen Zeichnungen vorgegeben. An dem Bearbeitungsobjekt wird der Referenzpunkt einer Koordinatenmesseinrichtung angebracht wie Beispiel der eines Differenz-GPS oder einer optischen bzw. Laser, Radar etc. basierten Koordinatenmesseinrichtung oder eines Messarms. Die Effektorgeometrie beispielsweise der Schleifscheibe ist entweder bekannt oder wird in einer Form eingemessen. Die Effektorposition der gewebeabtragende Effektorgeometrie der Maschine (Schleifmaschine, Fräskopf, Polierkopf) wird kontinuierlich bestimmt und beim Schleifen die Leistung (Drehzahl) der Maschine so definiert, dass die Maschinenleistung als Funktion des Abstands zwischen aktueller Lage des gewebeabtragenden Effektor und der Oberflächenlage der Normgeometrie geregelt wird. So läuft die Maschine beispielsweise mit voller Leistung bis zum einem Abstand von 2 mm zur Oberfläche und wird dann bis zum Abstand von 0 mm zur Oberfläche proportional in der Leistung herunter geregelt. Andere Regelungsverfahren können anwendungsabhängig sinnvoll sein. Die Lage des Normkörpers bzw. der Normgeometrie relativ zur Objektgeometrie kann da­ durch erreicht werden, dass die Lage des Objektkörpers bei­ spielsweise über das Berühren von mindestens einer Symmetrieachse (z. B. Bugspitze, Heckecken, Ruderfusspunkt am Kiel) mit einem Positionsmessfühler oder der Oberflächenerfassung und Registrierung einer besonders ausgeprägten Teilgeometrie des Objektkörpers durch Mittelung, Oberflächenvermessung und Symmetriebildung.

Das Verfahren kann auch dazu verwendet werden, bei einer un­ sauberen und unsymmetrischen gespachtelten Oberfläche nach­ träglich eine Oberfläche zu erzeugen, die definierten Optimierungskriterien genügt, z. B. geringer Luft- oder Wasserwiderstand oder Symmetrie bei minimalem Materialabtrag etc.

Das Verfahren kann auch dazu verwendet werden, um nachträglich Planken oder Spanten an der optimalen Position einzusetzen, wobei dann der Objektkörper passgenau für einen Passkörper vorbereitet wird oder der Passkörper vorbereitet wird für das Einbringen in den Objektkörper.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (34)

1. Verfahren zum Materialabtrag oder zur Materialbearbeitung mittels mindestens eines manuell geführten Effektors unter Verwendung eines Navigationssystems und von Computertechnik, wobei Daten zur Lage des Effektors und deren Änderung relativ zur Lage mindestens eines Referenzkörpers erfasst, gespeichert und verarbeitet werden und Befehle auslösen derart, dass in Abhängigkeit von der Geometrie eines vorgegebenen Objektvolumens und einer vorgegebenen zu erzielenden Objektform die Materialabtragsleistung des Effektors geregelt oder gesteuert wird und bei Erreichen der Oberfläche der zu erzielenden Objektform der Effektor keinen weiteren Materialabtrag bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und Geometrie der erzeugten Objektoberfläche erfasst und für weitere Bearbeitungsvorgänge am selben oder anderen Objekten gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen definierten Zeitraum hinweg quasikontinuier­ lich die Lage einer materialabtragenden Effektorgeo­ metrie relativ zu der Lage eines Objektes erfasst und daraus die durch den Materialabtrag im Objekt entstandene Geometrie des abgetragenen Materials berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Materialabtrag im Objekt entstandene Geometrie des abgetragenen Materials durch die Einbezie­ hung von 3D-Oberflächenbilddaten aus einem 3D-Scanner berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis einer definierten Lage und definierten Geometrie einer zu erzielenden Objektform und/oder auf der Basis der Lage und Geometrie des bereits abgetragenen Materials die Lage und Geometrie eines noch abzutragenden Materials berechnet und zur Anordnung und Führung des Effektors verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leistung des materialabtragenden Effektors erzeugende Energie spätestens dann abgeschaltet wird, wenn es zu einer Überschneidung von abgetragenem Material und zu erzielender Objektform kommt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des materialabtragenden Effektors zumindest innerhalb der Geometrie des noch abzutragenden Materials auf der Basis des Abstands der Effektorlage und/oder der Effektorgeometrie zur Grenzfläche zwischen abzutragendem Material und zu erzielender Objektform gesteuert oder geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die materialabtragende Leistung über eine formgebende energietransportierende Matrize ohne Lageveränderung des Effektors direkt zur Erzielung von Teilen der Objektpassform abgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die zu erzielende Objektform auf der Basis von bereits abgetragenem Material und/oder Kriterien zur Herstellung von Objektform und Passkörper und/oder Kriterien zur Integration von Objektform und Passkörper berechnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass quasikontinuierlich die Lage einer materialabtragenden Effektorgeometrie erfasst und zusammen mit dem Messzeit­ punkt gemeinsam gespeichert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirkvolumen bei Bedarf oder quasikontinuierlich aus der räumlichen Überlagerung des Effektorvolumens in den erfassten Lagen berechnet wird und vorzugsweise bei Bedarf oder quasikontinuierlich ein Schnittvolumen aus der Schnittmenge von Wirkvolumens mit einem Objektvolumen gebildet bzw. dessen geometrische Beschreibung berechnet wird, wobei die Lage des Objektvolumens relativ zu dem Wirkvolumen bekannt ist oder gemessen wird und vorzugsweise bei Bedarf oder quasikontinuierlich die Schnittvolumenbeschreibung zur Berechnung der Geometrie eines Passkörpers verwendet wird, wobei die Geometrie des Passkörpers geeignet verändert werden kann, um zusätzlichen Kriterien zur Herstellung oder Integration des Passkörpers zu genügen, wobei im einfachsten Fall die Schnittvolumenbeschreibung der Form des Passkörpers entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Passkörpers zur Abmessung einer Materialmenge und/oder Herstellung eines Passkörpers verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Tabelle mit mindestens einer geometrischen Beschreibung eines Passkörpers als Normkörper verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Normkörpertabelle ein Normkörper auswählt wird, der einem Optimierungskriterium genügt, wobei im einfachsten Fall der Normkörper dem einzigen Eintrag eines Passkörpers in der Tabelle entspricht und es ein der Tabelle der Normkörper entsprechendes Lager mit bereits vorgefertigten Normkörpern gibt, die nicht oder nur in geringem Umfang nachbearbeitet werden müssen.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Differenzvolumen zwischen dem ausgewählten oder aktuell berechneten Passkörper und dem aktuellen Schnittvolumen berechnet wird.

16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Effektorenergie abgeschaltet wird, wenn sich der Effektor außerhalb der Geometrie des Passkörpers befindet.

17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Effektorenergie eingeschaltet wird, wenn sich der Effektor innerhalb der Geometrie des Passkörpers befindet.

18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass ein weiches Objekt weitgehend formstabil durch eine Matrize stabilisiert wird, die mindestens eine Möglichkeit zur definierten Durchleitung bzw. Durchführung von materialabtragender Energie oder einem materialabtragenden Effektor hat.

19. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzvolumengeometrie zur Anordnung und Führung des Effektors verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abtrag entstehende Abtragspartikel, Dämpfe und Gerüche abgesaugt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor nicht nur zum Materialabtragung, sondern auch zur 3D Oberflächengeometrievermessung verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor ein Laser ist und die gewebeabtragende Ef­ fektorgeometrie durch einen austauschbaren lichtleiten­ den Positiveffektorgeometriekörper und/oder durch einen lichtundurchlässigen Negativeffektorgeometriekörper er­ reicht wird, mit dem sich beispielsweise hinterschnei­ dende Kavitäten herstellen lassen.

23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektgeometrie durch ein volumenbildgebendes Ver­ fahren (Röntgen, MRT, CT, Ultraschall, etc.) oder durch ein oberflächenbildgenerierendes Verfahren (3D-Oberflä­ chenscanner, Handscanner, taktiler Meßfühler) direkt oder über einen Abdruck erfasst und berechnet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Materialabtrag an einem Modell erfolgt und die erfasste Lage und Form des Materialabtrags für den Abtrag an dem selben Modell, anderen Modellen oder Gegenständen verwendet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Material- oder Gewebeabtrag, erfasst über die Wirk-, Schnitt- oder Differenzgeometrie oder einen 3D-Oberflä­ chenscanner, als geometrisches Modell gespeichert wird und bei einem weiteren Materialabtragsvorgang beim selben oder an anderen Objekten oder Modellen verwendet wird, wobei auch Positiv-Geometrien in Nega­ tiv-Geometrien gespiegelt werden können, um beispiels­ weise passend für Kavitäten, Transplantate herauszutren­ nen.

26. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass auf der Basis der Lage und Geometrie des bereits abgetragenen Materials sowie einer definierten Lage und definierten Geometrie einer zu erzielenden Objektform die Lage und Geometrie des noch abzutragenden Materials berechnet, an einem Bildschirm grafisch dargestellt wird und die Informationen über die Lage des Effektors zur Grenzfläche zwischen zu erzielen­ der Objektpassform und noch abzutragenden Material ebenfalls grafisch und/oder akustisch darstellt wird und zur manuellen und/oder kinematischen Anordnung und Führung des Effektors verwendet wird, wobei die aufbereiteten Informationen zur Ansteuerung einer Anordnungs- und Führungkinematik für den Effektor über eine Schnittstelle ausgebbar sind.

27. Gerätesystem zum Material- oder Gewebeabtrag oder zur Material- oder Gewebebearbeitung mittels mindestens eines manuell geführten Effektors unter Verwendung eines Navigationssystems und von Computertechnik, wobei ein erster Markierungsträger (6) mit Markierungen (7) an einem Handstück (1) mit Effektor (2) angeordnet und das Handstück (1) mit einer Steuereinheit (22) verbunden und ein zweiter Markierungsträger (6) mit Markierungen (7) an dem Material- oder Gewebeobjekt (5) befestigt ist und der Effektor (2) in Abhängigkeit von der Geometrie eines vorgegebenen Objektvolumens und einer vorgegebenen zu erzielenden Objektform über die Steuereinheit (22) in Ein-/Aus-Funktion geschaltet oder in seiner Leistung und/oder Parameterisierung gesteuert oder geregelt wird.

28. Gerätesystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) mit einem Lagemeßsystem (16) und einem Bildschirm (23) verbunden ist und zwischen Steuereinheit (22) und Handstück (1) ein Leistungssteu­ ergerät (18), ein Leistungsumsetzer (19) und eine Dros­ selvorrichtung (20) mit Drosselschnittstelle (21) ange­ ordnet sind.

29. Gerätesystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Markierungsträger (6) eine Einmessvorrichtung (24) aufweist.

30. Gerätesystem nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leistung des materialabtragenden Effektors (2) durch die Steuereinheit (22) über die Drosselschnittstelle (21) bzw. die Drosselvorrichtung (20) zumindest innerhalb der Geometrie des noch abzutragenden Materials (12) auf der Basis des Abstands der Effektorlage (3) und/oder der Effektorgeometrie (2) zur Grenzfläche zwischen abzutragendem Material (13) und zu erzielender Objektform (12) gesteuert oder geregelt wird.

31. Gerätesystem nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor nicht nur zum Materialabtragung, sondern auch zur 3D Oberflächengeometrievermessung verwendet wird.

32. Gerätesystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (7) kugelförmige passive Marker sind.

33. Verwendung des Gerätesystems nach Anspruch 27 zum Gewebeabtrag in der Medizin und Zahnmedizin.

34. Verwendung des Gerätesystems nach Anspruch 27 zum Mate­ rialabtrag für die Materialbearbeitung von Materialien wie Metall, Glas, Keramik, Holz, Kunststoff und für Modellarbeiten.