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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Messung der Positionen von zwei miteinander verbundenen und zu belastenden Gegenständen.
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Die Messung geometrischer Größen mit unterschiedlichen optischen Methoden hat sich bewährt. Dazu gehören u. a. Okularmikrometer zur Abstandsbestimmung und Messfernrohre zur Winkelmessung. Die Genauigkeit und die Auflösung solcher Systeme können bis in den Submikrometer- oder Winkelsekundenbereich gehen. Einfache Systeme sind aber nicht unbedingt für eine Automatisierung geeignet. Mit dem Beginn des Einsatzes der Videotechnik kamen auch Verfahren zur Anwendung, die die Bestimmung der Form und die Messung der geometrischen Größe über beispielsweise eine Kantendetektion zum Ziel hatten. Dazu werden insbesondere Bilder oder Abbildungen verwendet, die hinsichtlich der gewünschten Bildinformation optimal oder nahezu optimal gestaltet sind. Verbesserungen der Bildqualität zur Form-/Objekterkennung oder auch nur um den optischen Eindruck fehlerhafter Bilder zu verbessern, werden mit zahlreichen Filterverfahren angestrebt und erreicht. Die Ergebnisse dieser Bearbeitungen sind unabhängig vom Originalbild in vielen Fällen Bilder mit binären Pixelinhalten.
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Bei Messaufgaben, wie zum Beispiel bei Durchmesser- oder Abstandsbestimmungen, werden ebenso vorwiegend kontrastreiche, „scharfe” Bilder genutzt. „Unscharfe” Bilder werden entsprechend bearbeitet, mit dem Ziel, den Kontrast zu erhöhen und das Objekt „genauer” abzubilden. Zum Einsatz kommen solche Operationen, die auf Punkte oder in der Fläche wirken, beispielsweise mittels Schwellwertfunktion, Farbtransformation, Subtraktion, Faltung, Hochpassfilter (Unterdrückung großer Ortsfrequenzen), Mittelwertoperation (z. B. durch eine 3×3 Matrix, wirkt auch als Hochpassfilter), Gradientenbildung, Erosion zur Eliminierung bestimmter Bildpunkte und Dilatation zur flächenhaften Ausweitung bestimmter Flächen.
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Die sich ergebenden Auflösungsgrenzen korrespondieren mit dem Abbildungsmaßstab und dem Auflösungsvermögen des Fotochips. Sind die zu messenden Abstände relativ klein im Vergleich zur gesamten aufzunehmenden Objektabmessung, müssten die Bilder mit einem Sensor mit sehr großer Pixelanzahl und nahezu ohne Abbildungsfehler aufgenommen werden. Der Aufwand für die Optik ist nicht unerheblich.
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Durch die Druckschrift
GB 2 222 257 A ist ein Sensor zur Erfassung einer Positionsänderung zweier Gegenstände bekannt. Grundlage bilden eine Spule auf einer Mantelfläche eines Rohres und ein Stab aus Eisen. Die Spule ist mit einer Einrichtung zur Induktivitätsmessung zusammengeschaltet, so dass aus den magnetischen Kopplungen vor und nach der Belastung eine Verschiebung eines Gegenstandes ermittelbar ist.
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Die Druckschriften
GB 772 190 A und
US 4 562 430 A beinhalten Einrichtungen zur Ermittlung einer Positionsänderung eines Gegenstandes gegenüber einem zweiten Gegenstand. Dabei befinden sich auf der Oberfläche wenigstens eines der Gegenstände mehrere Elektroden, so dass die Elektroden des einen Gegenstandes und der andere Gegenstand die Bestandteile von Kondensatoren mit Luft als ein Dielektrikum sind. Die Kondensatoren sind über wenigstens eine Vorrichtung zur Kapazitätsmessung verbunden, so dass aus den Kapazitätsänderungen während einer Belastung eine Positionsänderung ermittelbar ist.
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Eine Erfassung einer Positionsänderung zweier Gegenstände zueinander ist weiterhin durch die Druckschrift
US 4 297 725 A bekannt, wobei eine Verschiebung von Markierungen an den Stirnflächen mittels einer Kamera erfasst wird. Für eine exakte Messung einer Verschiebung eines Gegenstandes müssen die Markierungen in einer Ebene verbleiben. Ändert sich der Abstand einer der Markierungen beispielsweise durch Kippen, ist ein exaktes Abbild dieser Markierung durch die Eigenschaften der Aufnahmeoptik der Kamera nicht mehr gegeben. Das Abbild wird dabei unscharf.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eventuelle Positionsveränderung von miteinander verbundenen Gegenständen nach einer Belastung einfach zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Messung der Positionen von zwei miteinander verbundenen und zu belastenden Gegenständen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass auch kleinste Positionsveränderungen einfach messbar sind.
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Dazu ist ein Rohr mit dem ersten Gegenstand verbunden. Weiterhin ist ein mit dem zweiten Gegenstand verbundener Stab beabstandet zur Innenwand des Rohres angeordnet. Darüber hinaus weist die Einrichtung eine Vorrichtung zur Messung der Position des Stabes im Rohr vor und nach der Belastung auf, so dass eine durch die Belastung hervorgerufene Veränderung der Positionen der Gegenstände und damit eine Positionsveränderung der Gegenstände zueinander ermittelbar ist.
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Das grundlegende Messprinzip basiert auf einer Differenzmessung zweier optimierter geometrischer Objekte in Form des Rohres und des Stabes. Über die Positionen des Rohres und des Stabes vor und nach der Belastung sind Verschiebungen in allen Raumrichtungen und Drehungen und daraus die Lage in drei Richtungen messbar. Die Einrichtung eignet sich insbesondere zur Messung von Verschiebungen von Gegenständen technischer und/oder biologischer Art. Insbesondere auch kleinste Verschiebungen von Verbindungen von Knochen mit metallischen oder keramischen Gegenständen sind nach Belastungen einfach ermitelbar. Dazu werden an verschiedenen Positionen der Verbindung Rohre und Stäbe platziert. Dazu wird eine Bohrung in die Gegenstände eingebracht, in die der Stab befestigt wird. Anschließend wird mittels einer Hohlbohrung eine im Durchmesser größere Bohrung nur in eine der Gegenstände eingebracht, in die das Rohr platziert wird. Die Positionen des Stabes und des Rohres werden vor und nach der Belastung erfasst, so dass eine Verschiebung entsprechend der Belastung messbar ist. Das ist für künstliche Gelenke in Form von Prothesen besonders vorteilhaft, wobei die Festigkeit der Prothese gegenüber dem Knochen einfach ermittelbar ist. Daraus können leicht Rückschlüsse auf die Eigenschaften verschiedener Verbindungstechnologien gezogen werden. Das erfolgt auch in Abhängigkeit der Gewebeeigenschaften, so dass optimale Verbindungstechnologien entsprechend des Gewebes eingesetzt werden können.
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Auf der Stirnfläche des Stabes und der Stirnfläche des Rohres befindet sich jeweils wenigstens eine Markierung. Weiterhin ist auf der Mantelfläche des Rohres und der Mantelfläche des Stabes jeweils mindestens eine Markierung angeordnet. Darüber hinaus ist die Vorrichtung eine mit einem Datenverarbeitungssystem verbundene Digitalkamera zur Aufnahme der Markierungen. Das Datenverarbeitungssystem ist ein aus den Bildern vor und nach der Belastung die Positionen der Gegenstände zueinander und daraus eine Positionsveränderung berechnendes Datenverarbeitungssystem. Vorteilhafte Markierungen sind dazu Linien oder Punkte. Der Verlauf ist dabei frei wählbar, so dass gerade und nicht gerade Anordnungen einsetzbar sind.
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Die Bilder mit den Markierungen sind in Grauwerte gewandelte Bilder. Das Datenverarbeitungssystem ist ein aus den durch die unterschiedlichen Abstände zwischen Markierungen und Aufnahmeoptik der Digitalkamera verursachten unscharfen Linienabbildungen die jeweilige Markierungsmitte ermittelndes Datenverarbeitungssystem, wobei der Helligkeitsgradient vom Außenbereich zur Markierungsmitte linear ansteigend/abfallend auf der einen Seite und linear fallend/steigend auf der anderen Seite verläuft, zwei Geraden aus den beiden Gradienten gebildet werden und der Schnittpunkt der beiden Geraden mit der Mitte der Markierung zusammen fällt. Damit lässt sich die Mitte der Markierung in Form beispielsweise eines Punktes oder einer Linie exakt ermitteln, obwohl der Abstand der Markierungen zur Aufnahmeoptik unterschiedlich ist.
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Das Datenverarbeitungssystem ist damit ein aus den Positionen der Markierungen auf den Stirnflächen und den Mantelflächen des Rohres und des Stabes die Positionen der Gegenstände zueinander und daraus eine durch die Belastung eventuell verursachte Positionsänderung ermittelndes Datenverarbeitungssystem. Mit den Mittelpunkten der Markierungen ist das durch Berechnung der Differenzen aus den Positionen vor und nach der Belastung einfach möglich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.
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Wenigstens das Rohr besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus einem transparenten Material. Markierungen auf dem Stab können mit der außerhalb des Rohres angeordneten Digitalkamera aufgenommen werden.
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Die Gegenstände bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 günstigerweise aus einem keramischen Material, einem metallischen Material, einem Kunststoff oder einem biologischen Material jeweils einzeln oder in einer Kombination.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Fixierung des Rohres und des Stabes in den miteinander verbundenen Gegenständen,
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2 einen Stab und eine Hülse mit Markierungen,
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Eine Einrichtung zur Messung der durch Belastungen verursachten Verschiebungen von zwei miteinander verbundenen Gegenständen besteht im Wesentlichen aus einem mit dem ersten Gegenstand verbundenen Rohr 1, einem mit dem zweiten Gegenstand verbundenen Stab 2 beabstandet zur Innenwand des Rohres 1 und einer Vorrichtung zur Messung der Lage des Stabes 2 im Rohr 1 vor und nach der Belastung. Die Lage des Stabes 2 repräsentiert die Verschiebung der miteinander verbundenen Gegenstände nach deren Belastung.
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Die 1 zeigt die Fixierung des Rohres 1 und des Stabes 2 in den miteinander verbundenen Gegenständen in einer prinzipiellen Darstellung.
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In der 1 ist die Fixierung des Rohres 1 und des Stabes 2 beispielhaft an Gegenständen gezeigt, die aus sehr unterschiedlichen Materialien bestehen. Das kann ein metallischer Gegenstand in Form eines Implantats 3 und ein biologischer Gegenstand in Form eines Knochengewebes 4 sein. Um das Knochengewebe 4 und eine eventuelle Verbindungsschicht nicht zu beeinflussen, wird in das Implantat 3 vor dessen Verbindung mit dem Knochengewebe 4 eine Bohrung 5 eingebracht (1a). Nach der Verbindung des Implantats 3 mit dem Knochengewebe 4 wird in das Knochengewebe 4 eine Bohrung 6 eingebracht (1b). In diese Bohrung 6 wird der Stab 2 eingeschoben und nur im Implantat 3 befestigt (1c). Mit einem Hohlbohrer 7 wird um den Stab 2 befindliches Knochengewebe 4 entfernt (1d). Dieses vergrößerte Loch 8 dient der Aufnahme des Rohres 1, die fest mit dem Knochengewebe 4 und ohne Verbindung sowohl zum Implantat 3 als auch dem Stab 2 befestigt (1e). Damit wird gewährleistet, dass der Stab 2 gegenüber dem Rohr 1 frei beweglich ist. Im Belastungsfall wird damit eine etwaige Relativbewegung zwischen Implantat 3 und Knochengewebe 4 und damit die daraus resultierende Relativbewegung zwischen Stab 2 und Rohr 1 messbar.
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Auf der Stirnfläche des Stabes 2 und der Stirnfläche des Rohres 1 befindet sich jeweils wenigstens eine Markierung. Auf der Mantelfläche des Rohres 1 und der Mantelfläche des Stabes 2 ist jeweils mindestens eine Markierung angeordnet. Die Vorrichtung ist eine mit einem Datenverarbeitungssystem verbundene Digitalkamera zur Aufnahme der Markierungen und das Datenverarbeitungssystem ist ein aus den Bildern vor und nach der Belastung die Verschiebung des Gegenstandes berechnendes Datenverarbeitungssystem.
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Nachfolgend wird beispielhaft an Hand von Markierungen ein Ermitteln einer Verschiebung der Gegenstände näher erläutert.
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Die 2 zeigt einen Stab 2 und ein Rohr 1 mit Markierungen in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Stab 2 überragt das Rohr 1, so dass der nicht mit dem zweiten Gegenstand verbundene Endenbereich des Stabes 2 aus dem Rohr 1 herausragt. Auf der Stirnfläche des Stabes 2 befinden sich senkrecht zueinander stehende Linien als Markierung. Auf der Stirnfläche des Rohres 1 sind vier Linien gebildet aus zwei senkrecht zueinander stehenden Linien angeordnet. Die Mantelflächen des Rohres 1 und des Stabes 2 sind mit jeweils wenigstens vier symmetrisch angeordneten und parallel zur Symmetrieachse verlaufenden Linien versehen. Die Mantelflächen des Rohres 1 und des Stabes 2 weisen jeweils eine umlaufende Linie beabstandet zum jeweiligen Ende auf, wobei die umlaufenden Linien die parallel zur Symmetrieachse verlaufenden Linien schneiden. Die Linien sind auf der Stirnfläche des Rohres 1 so angeordnet, dass diese bei zentrierter Lage des Stabes 2 im Rohr 1 die Verlängerungen der Linien auf der Stirnfläche des Stabes 2 sind.
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Die Digitalkamera ist so platziert, dass diese das Abbild der mit den Linien versehenen Endenbereiche des Stabes 2 und des Rohres 1 senkrecht und parallel zu wenigstens einer der Symmetrieachsen aufnimmt und gleichzeitig in digitale Daten wandelt.
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Bei einer Optik mit bekannter Brennweite und Apertur kann aus der Lage des Stabes 2 und des Rohres 1 die Position der dazugehörigen Bilder bestimmt werden. Bei einer axialen Anordnung befindet sich der Stab 2 näher an der Digitalkamera als der Punkt der schärfsten Abbildung und wird deshalb erst hinter der CCD-Matrix „abgebildet”. Das Rohr 1 ist dagegen weiter von der Digitalkamera entfernt und deren scharfes Bild entsteht vor der CCD-Matrix. In beiden Fällen wird aus einem Objektpunkt ein Zersteuungskreis und aus einer Hell-Dunkel-Kante eine breite „graue” Linie. Erfolgt die Markierung mit einer optimierten Linienbreite, kann aus dem Helligkeitsverlauf der unscharfen Linienbilder die Lage der Linienmittelpunkte bestimmt werden.
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Für eine genaue Messung ist es günstig, wenn der Bereich außerhalb der Linie maximale Dunkelheit/Helligkeit hat und beim Linienbild ein Teil, der Bereich der Linienmitte, vollkommen hell/dunkel ist. Der Helligkeitsgradient vom Außenbereich zur Linienmitte verläuft linear ansteigend/abfallend auf der einen Seite bzw. linear fallend/steigend auf der anderen. Über diese beiden Gradienten können zwei Geraden definiert werden, deren Schnittpunkt mit der Mitte der Linie zusammen fällt. Da diese Prozedur nicht nur für eine einzige Zeile/Spalte bei einer senkrechten oder waagerechten Linie, sondern in mehreren Zeilen/Spalten auf dem gesamten Bild für diese Linie ausgeführt wird, ergibt sich die Möglichkeit, aus allen Schnittpunkten eine Gerade zu bilden.
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Durch die Einbeziehung vieler Bildpunkte reduzieren sich die Einflüsse der einzelnen Bildfehler. Die mathematische Beschreibung der Linien und der daraus ermittelte Schnittpunkt auf dem Bild werden durch die mehrfache Mittelung stabil. Das wird für alle Linien und für alle Belastungsfälle angewendet. Die Änderung des Abstandes der Schnittpunkte mit und ohne Belastung enthält die gesuchte Information.
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Eine Verdrehung des Stabes 2 zum Rohr 1 wird über die Richtung der Linien auf den Stirnflächen von Stab 2 und Rohr 1 angezeigt und bei der geänderten Aufnahmerichtung der Digitalkamera auf die Mantelfläche können die axiale Verschiebung sowie eine Verdrehung der Symmetrieachsen zueinander bestimmt werden.
