DE102012205800A1

DE102012205800A1 - Vorrichtung und verfahren zum kombinieren eines ersten und zweiten modells

Info

Publication number: DE102012205800A1
Application number: DE201210205800
Authority: DE
Inventors: Michael KRUMM; Stefan Holst; Christoph Funk
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Eine Vorrichtung zum Kombinieren eines ersten Modells eines Objekts mit einem zweiten Modell eines Ausschnitts des Objekts umfasst einen Modell-Analysator und einen Modell-Registrierer. Der Modell-Analysator ist dazu ausgebildet, um innerhalb des ersten Modells einen ersten Abschnitt und innerhalb des zweiten Modells einen zweiten Abschnitt auszuwählen, die einer Referenzgeometrie des Objekts entsprechen. Der Modell-Registrierer ist dazu ausgebildet, um das erste Modell und das zweite Modell relativ zueinander so auszurichten, dass ein Deckungsmaß maximiert wird, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt, der zu dem ersten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist, und einem vierten Abschnitt, der zu dem zweiten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kombinieren eines ersten Modells eines Objekts mit einem zweiten Modell eines Ausschnitts des Objekts. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Kombinieren eines Volumenmodells eines Objekts mit einem Oberflächenmodell.
Volumenmodelle (und Oberflächenmodelle), wie sie beispielsweise mittels Röntgen-Computertomographie-Systemen (CT) aufnehmbar sind, sind Beispiele für digitale Datensätze, die in der Medizin bzw. Zahnmedizin für diagnostische Zwecke genutzt werden. Gegenwärtig vollzieht sich in der Medizin und Zahnmedizin ein Wandel von konventionellen diagnostischen und therapeutischen Behandlungsabläufen hin zu digitalbasierten Arbeitsprozessen. So hat die Einführung und konstante Weiterentwicklung im Bereich radiologischer Systeme und Analyseverfahren nicht nur die diagnostischen Optionen deutlich erweitert, sondern mit Hilfe geeigneter Softwarekomponenten und Übertragungshilfen kann eine virtuelle Behandlungsplanung unmittelbar auf den klinischen Situs übertragen werden. Diese Möglichkeiten führen insbesondere bei invasiven chirurgischen Maßnahmen zu einer Erhöhung der Genauigkeit, verbunden mit einer exakteren Vorhersagbarkeit und somit Risikominimierung für den Patienten.
Aufgrund systematischer Ungenauigkeiten bei der Auswertung von klinischen Computertomographie-Volumendaten, die beispielsweise durch begrenzte Ortsauflösung oder Artefakte hervorgerufen werden, besteht das Interesse, die Volumendaten in ihrer Abbildungsgenauigkeit aufzuwerten. Diese lokale Aufwertung kann beispielsweise dadurch erfolgen, indem zwei Modelle, also eine Volumenmodell und ein weiteres Modell mit einer besseren Auflösung, kombiniert werden. Die zur Kombinierung notwendige Registrierung erfolgt typischerweise durch Ausrichtung der zwei Modelle anhand zusätzlich z. B. in die Mundhöhle eingebrachter Referenzkörper. Zu den in der Literatur beschriebenen Ansätzen zählen beispielsweise die Integration multipler Volumendatensätze mit variablen Auflösungen, die Zusammenführung von Computertomographie-Datensätzen mit dreidimensionalen Stereofotographien oder die Kombination von Volumen- und Oberflächendaten eines Objekts. Im Resultat heißt das, dass der Nutzen der dreidimensionalen Bildgebung, welche beispielsweise mittels eines Spiral-Computertomographie-Systems ermittelt ist, maximiert werden kann, wenn die Volumendaten mit zusätzlichen Informationen aus anderen Messverfahren und Technologien aufgewertet bzw. fusioniert werden. Hierdurch entstehen sogenannte „augmentierte Modelle”, wobei allerdings die Zuordnung von den einzelnen Modellen zueinander häufig schwierig ist. Hintergrund hierzu ist, dass die Modelle zu unterschiedlichen Zeitpunkten, mit unterschiedlichen Auflösungen und/oder unter unterschiedlichen Aufnahmebedingungen, wie z. B. Perspektiven aufgenommen sind.
Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz für eine Datenfusion von unterschiedlichen Modellen eines Objekts. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Kombination eines ersten Modells eines Objekts und eines zweiten Modells des Objekts zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss hinsichtlich Genauigkeit, einfacher Handhabung und Beeinträchtigung des Patienten darstellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 17, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 18 und ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Kombinieren eines ersten Modells eines Objekts mit einem zweiten Modell eines Ausschnitts des Objekts. Die Vorrichtung umfasst einen Modell-Analysator und einen Modell-Registrierer. Der Modell-Analysator ist ausgebildet, um innerhalb des ersten Modells einen ersten Abschnitt und innerhalb des zweiten Modells einen zweiten Abschnitt auszuwählen, die einer Referenzgeometrie des Objekts entsprechen. Der Modell-Registrierer ist dazu ausgebildet, um das erste Modell und das zweite Modell relativ zueinander so auszurichten, dass ein Deckungsmaß maximiert wird, wobei das Deckungsmaß von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt, der zu dem ersten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist, und einem vierten Abschnitt, der zu dem zweiten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren darauf, dass zwei Modelle, wie z. B. ein mittels Computertomographie ermitteltes Volumenmodell und ein mittels Oberflächenabtastung ermitteltes Oberflächenmodell, kombiniert werden können, wenn die zwei Modelle vor der Registrierung anhand von ersten und zweiten Abschnitten ausgerichtet werden, die auch als selektierte Bereiche bezeichnet werden. Hierzu werden diese selektierten Bereiche, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Lageveränderung minimal ist oder bei denen die Lageveränderung nicht oder nur minimal zu erwarten ist, in den zwei Modellen lokalisiert und hinsichtlich ihres Einflusses auf die Präzisierung bei der Registrierung der zwei Modelle analysiert. Unter Berücksichtigung der Lage, Größe bzw. Verteilung dieser selektierten Bereiche können dann die zwei Modelle relativ zueinander angeordnet werden, so dass eine Kombination bzw. Fusion dieser möglich ist. Hierdurch werden eine lokale subjektive Aufwertung der Darstellungsqualität und eine objektive Steigerung der Genauigkeit erzielt. Insbesondere ist es durch die oben beschriebene Vorrichtung möglich, Modelle von einem Objekt, welches sich im Laufe der Zeit verändert hat, zu kombinieren.
Infolge der oben beschriebenen Eigenschaften der Vorrichtung ist ein Einsatz derselben in der Medizintechnik und insbesondere in der Zahnmedizin naheliegend, so dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen das Objekt einen menschlichen Schädel umfasst, während der Ausschnitt des Objekts ein menschlicher Zahnbogen ist. Hintergrund hierzu ist, dass in einem menschlichen Gebiss feste Regelgeometrien fehlen, so dass die einzelnen Modelle typischerweise über Freiformflächen ausgerichtet werden. Zum anderen kommt es im menschlichen Zahnbogen über die Zeit immer wieder zu räumlichen Veränderungen (Kippung, Rotation, abrasive Prozesse oder zahnärztliche Therapiemaßnahmen, usw.) der einzelnen Teilobjekte, wie z. B. Zähne. Insofern können mit der oben beschriebenen Vorrichtung der erste und der zweite Abschnitt selektiv ausgewählt werden, die für die Registrierung herangezogen werden. Beispiele für derartige Abschnitte eines Objekts sind insbesondere seitliche Zahnflanken, da hier keine oder nur geringe Veränderungen zu erwarten sind.
Im Umkehrschluss heißt das, dass aufgrund der oben beschriebenen Morphologie von Zähnen bestimmte Bereiche, wie z. B. tiefe Fissuren, approximale Kontaktflächen nicht für die Registrierung herangezogen werden. Also werden entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die zwei Modelle durch den Modell-Registrierer unabhängig von einem weiteren Abstand zwischen einem fünften und einem sechsten Abschnitt ausgerichtet. So kann beispielsweise eine Verlaufskontrolle, die die Veränderungen detektiert, ermöglicht werden. Deshalb weist die Vorrichtung entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Ausgabeeinheit auf, die ausgebildet ist, um eine Veränderung des ersten und zweiten Modells über die Zeit darzustellen, wenn das erste und das zweite Modell jeweils Zeitaufnahmen des Objekts zu unterschiedlichen Zeitpunkten sind. Dies bietet die Möglichkeit die genauen Veränderungen während einer Therapie zu analysieren und zukünftige Therapiemaßnahmen zu planen.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Kombinieren eines ersten Modells eines Objekts mit einem zweiten Modell eines Ausschnitts des Objekts. Das Verfahren weist den Schritt des Auswählens eines ersten Abschnitts innerhalb des ersten Modells und eines zweiten Abschnitts innerhalb des zweiten Modells auf, die einer Referenzgeometrie des Objekts entsprechen. Des Weiteren weist das Verfahren den Schritt des Registrierens des ersten Modells und des zweiten Modells relativ zueinander auf, so dass ein Deckungsmaß maximiert wird, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt, der zu dem ersten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist und einem vierten Abschnitt, der zu dem zweiten Abschnitt disjunkt und angrenzend ist.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Kombinieren eines Volumenmodells eines Objekts mit einem Oberflächenmodell eines Ausschnitts des Objekts. Das Verfahren weist die Schritte des Bereitstellens des Volumenmodells des Objekts, des Abformens einer Oberfläche des Ausschnitts des Objekts, um ein plastisches Zwischenmodell zu erhalten, und des Digitalisieren des plastischen Zwischenmodells auf, um ein Oberflächenmodell zu erhalten. Des Weiteren weist das Verfahren den Schritt des Registrierens des Volumenmodells und des Oberflächenmodells relativ zueinander auf. Hierbei ist es vorteilhaft, dass zwei Modelle kombiniert werden können, um beispielsweise eine Aktualisierung eines ersten Modells oder allgemein von Patientendaten mit Durchstrahlungsinformationen zu erreichen oder eine Verlaufskontrolle zu ermöglichen, ohne den Patienten einer erneuten Strahlenbelastung durch eine weitere (globale) Computertomographie-Aufnahme auszusetzen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Kombinieren eines ersten und eines zweiten Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a–2b schematische Darstellungen von kombinierten Modellen eines Objekts zur Illustration des Prinzips des Kombinierens gemäß Ausführungsbeispielen; und
3 eine schematische Illustration des Verfahrens des Kombinierens von Modellen unter Zuhilfenahme eines Zwischenmodells gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Kombinieren eines ersten Modells 12 eines Objekts mit einem zweiten Modell 14 eines Ausschnitts des Objekts. Die Vorrichtung weist einen Modell-Analysator 16 und einen Modell-Registrierer 18 auf. Die durch den Modell-Analysator 16 analysierten und durch den Modell-Registrierer 18 registrierten Modelle 12 und 14 können nach der Registrierung zu einem kombinierten Modell 20 zusammengefügt werden. Das kombinierte Modell 20 weist grundsätzlich die Informationen des ersten Modells 12, das beispielsweise eine dreidimensionale Computertomographie-Aufnahme eines menschlichen Schädels darstellt, und des Modells 14 auf, das beispielsweise eine Oberflächenaufnahme des zugehörigen Unterkiefers darstellt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise beim Zusammenfügen des kombinierten Modells 20 beschrieben. Der Modell-Analysator 16 analysiert das erste Modell 12 und das zweite Modell 14, um innerhalb des ersten Modells 12 einen ersten Abschnitt 12a und innerhalb des zweiten Modells 14 einen zweiten Abschnitt 14b zu identifizieren, die einer Referenzgeometrie des Objekts entsprechen. Beispiele für derartige Referenzgeometrien sind markante Punkte, Kanten, eine Mehrzahl von Punkten (drei Punkte) oder Flächen, die keiner oder nur einer geringen Veränderung unterworfen sind bzw. bei denen eine Veränderung unwahrscheinlich ist. Anhand dieses selektiv ausgewählten ersten Abschnitts 12a und des selektiv ausgewählten zweiten Abschnitts 14a richtet der Modell-Registrierer 18 das erste und zweite Modell 12 und 14 relativ zueinander aus, so dass der erste Abschnitt 12a und der zweite Abschnitt 14a möglichst deckungsgleich sind. Hierzu wird ein Deckungsmaß ermittelt, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt 12a und dem zweiten Abschnitt 14a stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt 12b des ersten Modells 12 und einem vierten Abschnitt 14b des zweiten Modells 14, wobei der dritte Abschnitt 12b zu dem ersten Abschnitt 12a disjunkt und angrenzend ist und der vierte Abschnitt 14b zu dem zweiten Abschnitt 14a. Der Abstand der einzelnen Abschnitte, 12a, 12b, 14a bzw. 14b wird beispielsweise mittels eines direkten Vergleichs des ersten und zweiten Modells 12 und 14 ermittelt. Hierbei werden die zwei Modelle 12 und 14 entsprechend einem Algorithmus solange relativ zueinander verschoben und/oder rotiert, bis der Abstand zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt zwölf 12a und 14a minimal ist bzw. das Deckungsmaß maximal ist.
Da bei einer nachfolgenden Fusion der zwei Modelle 12 und 14 zu dem kombinierten Modell 20 die selektierten Objektbereiche (erster Abschnitt 12a und zweiter Abschnitt 14a) besonders stark berücksichtigt werden, heißt das im Umkehrschluss, dass eine Veränderung in einem Abschnitt 12b und 14b des ersten und zweiten Modells nicht das kombinierte Modell 20 negativ beeinflussen. Also werden für die Fusion von dem ersten und zweiten Modell 12 und 14 Abschnitte 12b und 14b, z. B. Kauflächen im Zahnbogen, die ggf. verändert sind, ignoriert oder weniger beachtet werden, da diese Abschnitte 12b und 14b aufgrund von eventuellen Veränderungen keine zuverlässige Registrierung ermöglichen. Ein weiterer Faktor, auf den der erhöhte Abstand zwischen dem dritten und vierten Abschnitt 12b und 14b zurückzuführen ist, ist eine unterschiedliche Auflösung des ersten und zweiten Modells 12 und 14.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der Modell-Registrierer dazu ausgebildet, um das erste Modell 12 und das zweite Modell 14 in der registrierten bzw. angeordneten Form zusammenzufügen und dieses als kombiniertes Modell 20 zu speichern. Ein derartiges kombiniertes Modell 20 kann beispielsweise ein gemeinsames Oberflächenmodell oder einem Volumenmodell (erste Modell 12) mit Oberflächendaten aus dem zweiten Modell 14 sein. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, dass nur die Registrier-Informationen zusammen mit dem ersten und zweiten Modell 12 und 14 gespeichert werden, so dass das kombinierte Modell 20 später zusammenfügbar ist.
An dieser Stelle wird angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen anstelle des ersten Modells 12 auch ein bereits kombiniertes Modell 20 verwendet werden kann, so dass ein zuvor kombiniertes Modell 20 z. B. mittels eines aktuelleren zweiten Modells 14 aktualisiert wird. Ferner wird angemerkt, dass das zweite Modell 14 nicht zwingend ein Oberflächenmodell sein muss, sondern auch ein Volumenmodell sein kann. Infolgedessen kann bei dem oben beschriebenen Vorgang auch eine Anordnung und Registrierung von zwei Volumenmodellen 12 und 14 erfolgen.
2a zeigt das kombinierte Modell 20, bei dem das erste Modell 12 (gestrichelt) und das zweite Modell 14 (nicht gestrichelt) zusammengefügt sind. Das erste Modell 12 umfasst dreidimensionale Volumendaten bzw. eine dreidimensionale Dichtenverteilung (Voxeldaten), wie beispielsweise mittels der Computertomographie ermittelbar ist. Eine Computertomographie-Aufnahme (Volumenmodell) basiert beispielsweise auf einer Vielzahl von Durchleuchtungsaufnahmen des Objekts aus unterschiedlichen Richtungen (bzw. aus unterschiedlichen Winkeln bei einer Rotation des CT-Systems relativ zu dem Objekt). Das zweite Modell 14 umfasst eine ICT-Aufnahme (industrielles Computertomographie-Modell) bzw. dreidimensionale Oberflächendaten, die beispielsweise in Form eines Gittermodells gespeichert sind. Ein derartiges Oberflächenmodell kann beispielsweise durch einen optischen Oberflächenscan des Objekts oder eine Abformung und anschließende Digitalisierung des Objekts ermittelt werden. Eine derartige Abformung stellt ein plastisches Zwischenmodell dar, wie es typischerweise bei zahnmedizinischen Therapiemaßnahmen erzeugt wird.
Um die zwei Modelle 12 und 14 miteinander zu vergleichen, werden für das erste Modell 12 die Oberflächengeometrien auf Basis des SCT-Modells (Spiral-Computer-Tomographie-Modell) bzw. des Volumenmodells 12 ermittelt. Bei diesem Vergleich ist es auch möglich, gleichzeitig diejenigen Referenzgeometrien bzw. den ersten und zweiten Abschnitt 12a und 14a des ersten und zweiten Modells 12 und 14 automatisch zu identifizieren und auszuwählen, so dass die Registrierung der zwei Modelle 12 und 14 automatisch erfolgen kann. Hierbei werden die Bereiche, deren räumliche Lagebeziehung unverändert geblieben ist, als erste und zweite Abschnitte 12a und 14a ausgewählt. Das heißt in anderen Worten ausgedrückt, dass die Vorrichtung einen Vergleich des ersten Modells 12 und des zweiten Modells 14 durchführt, um die Unterschiede zwischen einer globalen Registrierung des ersten und zweiten Modells 12 bzw. 14 und einer lokalen Registrierung des ersten und zweiten Modells 12 bzw. 14 zu ermitteln. Hierbei kann dann die Referenzgeometrie bzw. die Verteilung von Referenzgeometrien (selektierte Bereiche) dadurch bestimmt werden, dass Abschnitte 12a und 14a mit einer bestimmten Charakteristik bzw. direkt die nicht oder minimal veränderten ersten und zweiten Abschnitte 12a und 14a detektiert werden.
An dem Beispiel des dargestellten Objekts eines menschlichen Schädels mit einem menschlichen Zahnbogen sind insbesondere Seitenflanken der Zähne, z. B. die vestibulären, lingualen oder palatinalen Oberflächen des Zahnbogens als Referenzgeometrien prädestiniert, da bei diesen die Wahrscheinlichkeit einer Veränderung beziehungsweise die Veränderung selbst gering ist. Diese Seitenflanken bieten die Möglichkeit, die zwei Objekte 12 und 14 sowohl in der x- als auch in der y-Richtung exakt auszurichten. Eine exakte Ausrichtung in der z-Richtung kann beispielsweise mittels unveränderlicher Punkte das Kieferknochens bzw. Schädelknochens erfolgen. Bei der Ausrichtung können beispielsweise das erste bzw. das zweite Modell 12 bzw. 14 skaliert, im Raum rotiert oder verschoben werden. Alternativ zu dem oben genannten automatischen Erkennen der Abschnitte 12a und 14a ist es auch möglich, dass die Abschnitte 12a und 14a durch Interaktion mit dem Benutzer ausgewählt werden. Dieser kann diese beispielsweise markieren, so dass gleichzeitig die Zuordnung der zwei Abschnitte 12a und 14a zueinander sichergestellt ist.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, einzelne Modelle, z. B. das zweite Modell 14 in Teilmodelle 14_1 und 14_2 zu unterteilen und die Teilmodelle 14_1 und 14_2 einzeln zu dem ersten Modell 12 zu registrieren. Ein derartiges Teilmodell kann beispielsweise auch ein einzelner Zahn oder ein Teil des Zahnbogens sein. Analog zu dem oben genannten Vorgehen werden die Teilmodelle 14_1 und 14_2 rotiert und verschoben. Diese Unterteilung des Modells 14 in zwei Teilmodelle 14_1 und 14_2 bietet sich dann an, wenn eine Veränderung des Modells 14, z. B. eine Streckung oder Rotation gegenüber dem Modell 12 zu erwarten ist. Ein medizinisches Beispiel für eine derartige Veränderung, ist die Verlängerung eines Kiefers, der beispielsweise zwischen der Zahnreihe aufgebrochen und dort gestreckt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist dann jedes Teilmodell 14_1 und 14_2 einen ersten und einen zweiten Abschnitt 12a und 14a auf, zwischen denen der Abstand ermittelt bzw. das Deckungsmaß maximiert wird.
2b zeigt prinzipiell dasselbe kombinierte Modell 20 wie in 2a dargestellt, wobei bei dieser Darstellung die Geometrie des Modells 14 gegenüber der Geometrie des Modells 12 bereichsweise verändert ist. Dies wird deutlich anhand des fünften und sechsten Abschnitts 12c und 14c. Die oben genannten Veränderungen zwischen dem fünften und sechsten Abschnitt 12c und 14c können beispielsweise dadurch bedingt sein, dass das erste Modell 12 zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt als das zweite Modell 14 aufgenommen ist und Folge von Abrieb oder Therapiemaßnahmen sein. Das heißt also, dass das erste und zweite Modell 12 und 14 unabhängig von einem weiteren Abstand zwischen einem fünften und einem sechsten Abschnitt 12c und 14c, die zu den dritten und vierten Bereichen 12b und 14b angrenzend und disjunkt sind, ausgerichtet werden bzw. das Deckungsmaß unabhängig von diesem weiteren Abstand maximiert wird. Um solche über die Zeit entstehenden geometrischen Veränderungen, wie sie an den fünften und sechsten Abschnitten 12c und 14c illustriert sind, vorherzusehen und dann bei der Registrierung zu ignorieren bzw. weniger zu beachten, ist der Modell-Analysator dazu ausgebildet, um die geometrischen Veränderungen und deren Wahrscheinlichkeit zu simulieren.
Durch diese Nicht-Beachtung von nicht-selektierten Abschnitten 12c und 14c kann darüber hinaus eine Verlaufsbeobachtung erfolgen. Deshalb weist die Vorrichtung 10 entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Ausgabeeinheit auf, mittels welcher die Veränderungen des ersten und zweiten Modells 12 und 14 illustrierbar bzw. analysierbar sind.
Bezug nehmend auf 2a und 2b wird angemerkt, dass das zweite Modell 14 nicht zwingendermaßen Oberflächendaten bzw. geometrische Daten aufweisen muss, sondern auch weitere Zusatz-Daten z. B. hinsichtlich Materialeigenschaften aufweisen kann. So könnten in diesem zweiten Modell 14 lokale Informationen hinsichtlich spezifischer Strukturen, der lokalen Knochenqualität, der lokalen Knochenquantität und der Schleimhautdicke beinhaltet sein. Diese Daten können analog zu dem zweiten Modell 14 mit entsprechenden Algorithmen anhand eines ersten und zweiten Abschnitts 12a und 14a einpflegt werden.
Bezug nehmend auf 3a und 3b wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bzw. ein Verfahren bei der Datenfusion beschrieben.
3a zeigt einen Zeitstrahl, zu welchem die einzelnen Modelle zugeordnet werden. Zu einem Zeitpunkt t₀ erfolgt gleichzeitig eine Computertomographieaufnahme des Objekts 11, um das erste Modell 12 zu erhalten, und eine Abformung des Ausschnitts 13 des Objekts 11, um das zweite Modell 14 zu erhalten. Die Computertomographieaufnahme des Objekts 11 erfolgt beispielsweise mittels eines klinischen Computertomographie-Systems, so dass das Volumenmodell 12 (z. B. mit einer niedrigen Auflösung von ca. 100 μm) erhalten wird. Der Ausschnitt 13 wird beispielsweise mittels eines Abdrucks 13a (negative Abformung) aufgenommen, so dass ein plastisches Zwischenmodell 13b herstellbar ist. Dieses plastische Zwischenmodell 13b wird dann z. B. mittels eines Oberflächenscans (optischer Scanner) digitalisiert, um das zweite Modell 14 (Oberflächenmodell) zu erhalten. Alternativ hierzu wäre es möglich, das Zwischenmodell 13b mittels eines industriellem Computertomographie-Systems zu digitalisieren, so dass zuerst ein Volumenmodell erhalten wird, welches einfach in einen Oberflächendatensatz konvertiert werden kann. Beiden Digitalisierungsverfahren ist gemein, dass eine sehr hohe Auflösung z. B. bis zu 20 μm erreichbar ist. Alternativ kann der Ausschnitt 13 auch direkt mittels eines optischen Scanners ermittelt werden. Hierbei wird dann beispielsweise der Zahnbogen mit einer 3D-Kamera direkt im Mundraum aufgenommen.
Das Modell 12 und 14 stellen sozusagen das Objekt 11 und den Ausschnitt 13 des Objekts 11 zu dem Zeitpunkt t₀ dar und bilden in Kombination das kombinierte Modell 20. Das hierzu durchgeführte Registrieren und Fusionieren erfolgt, wie in 2 beschrieben. Diese zwei Schritte können zu späteren Zeitpunkten t₁ bzw. t₂ wiederholt werden, um eine Aktualisierung des kombinierten Modells 20 durchzuführen. Hierbei basiert die Aktualisierung entweder auf dem ersten Modell 12 oder dem kombinierten Modell 20 (Zeitpunkt t₀) und dem zweiten Modell 14' (Zeitpunkt t₁). Dieses zweite Modell 14' wird mit dem gleichen Verfahren mittels einer Abformung 13a' des Ausschnitts 13' zu einem Zeitpunkt t₁ ermittelt, wobei wiederum ein plastisches Zwischenmodell 13b' angefertigt und digitalisiert wird. Zu einem weiteren späteren Zeitpunkt t₂ kann diese Aktualisierung wiederholt werden, und so das neue aktualisierte (kombinierte) Modell 20'' generiert werden. Analog zu oben basiert diese Aktualisierung auf einem Abdruck 13a'' eines Ausschnitts 13'' des Objekts, auf Basis dessen ein Zwischenmodell 13b'' erzeugt wird. Dieses Zwischenmodell 13b'' wird so digitalisiert, um das zweite Modell 14'' zu erhalten, das den Zustand des Ausschnitts zu einem Zeitpunkt t₂ darstellt.
Insofern umfasst das Vorgehen zum Kombinieren die Schritte Abformen der Oberfläche des Ausschnitts 13 mittels eines plastischen Zwischenmodells 13b und extraorale Digitalisieren des plastischen Zwischenmodells 13b, um ein Oberflächenmodell 14 zu erhalten. Die Ermittlung des kombinierten Modells 20' bzw. 20'' zu dem Zeitpunkt t₁ bzw. t₂ bedarf folglich keiner erneuten Röntgenaufnahme des Objekts 11. Alternativ zu dem oben genannten Vorgehen, das plastische Zwischenmodell mittels eines optischen Oberflächenscans zu digitalisieren und in das zweite Modell 14 zu wandeln, wäre es auch denkbar, das plastische Zwischenmodell mittels eines Computertomographen oder eines Röntgengeräts zu digitalisieren. Hierbei wäre es auch möglich, dass das zweite Modell 14 dreidimensionale Volumendaten umfasst. Bei beiden genannten Methoden, das zweite Modell 14 zu ermitteln bzw. das kombinierte Modell 20 zu aktualisieren, ist es nicht notwendig, den Patienten erneut zu röntgen, so dass keine Strahlenbelastung für diesen resultiert.
Da allerdings beim Kombinieren eines ersten Modells 12 mit einem zweiten Modell 14 (Lage-)Fehler nicht auszuschließen sind, die sich darüber hinaus beim wiederholten Kombinieren mit zweiten Modellen 14' bzw. 14'' fortpflanzen, kann eine neue Aufnahme des ersten Modells 12 beispielsweise zu einem Zeitpunkt t₃ notwendig werden. Um diesen Zeitpunkt zu bestimmen, weist die in 1 beschriebene Vorrichtung 10 einen Fehlerabschätzer auf, der ausgebildet ist, Lagefehler des ersten Modells 12 gegenüber dem zweiten Modell 14, 14' bzw. 14'' zu quantifizieren. Auf Basis dieser analysierten bzw. quantifizierten Fehler kann eine Fehlerfortfplanzung beim Zusammensetzen der Modelle simuliert bzw. bewertet werden. Die Simulation dieser räumlichen bzw. morphologischen Veränderungen der einzelnen Teilobjekte basiert beispielsweise auf einem ein- oder mehrstufigen Algorithmus, der die räumliche Lage aller Teilobjekte zueinander in den unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten t₁, t₂ bzw. t₃ vergleicht. Für diese Fehlerabschätzung können auch geeignete Registrierprotokolle, die eine Historie über die bisher kombinierten Modelle 20, 20' und 20'' darstellen, hinzugezogen werden.
Das Ergebnis gibt eine Aussage darüber, inwieweit auf zusätzliche radiologische Untersuchungen verzichtet werden kann, ohne den Fehler durch die Registrierung über ein bestimmtes Maß hinaus zu steigern. Ab einem bestimmten Grad der Fehlerfortpflanzung kann beispielsweise ein Hinweis zur Aufnahme eines neuen ersten Volumenmodells 12 ausgegeben werden. Deshalb wird ein bestimmter maximal zulässiger Fehler im Vorfeld je Anwendungsgebiet definiert. In anderen Worten ausgedrückt heißt dass, das Registrierfehler bei maximaler Datensatzqualität bei den Volumenmodellen bzw. die SCT-Aufnahme mittels einer Dosisvariation bei gleichbleibenden Oberflächendaten registriert werden. Die hieraus resultierenden Fehler werden quantifiziert und in Relation zur maximalen Registriergenauigkeit korreliert, um die minimale akzeptable Röntgendosis für eine präzise Datenfusion zu bestimmen.
Bezug nehmend auf das kombinierte Modell 20 wird ferner angemerkt, dass das zweite Modell 14 eine wesentlich höhere Auflösung, z. B. eine zweifache oder zehnfache Auflösung im Vergleich zu dem ersten Modell 12 aufweisen kann und so der Detaillierungsgrad bzw. die Auflösung des Modells 12 mittels des kombinierten Modells 20 lokal erhöht werden kann. Hierbei ist dann beispielsweise ein Voxelwiederholabstand des Volumenmodells (erstes Modell 12) größer (2× oder 10×) verglichen zu Oberflächenkoordinaten des Oberflächenmodells (zweites Modell 14). Hintergrund zu dieser Auflösungsdifferenz ist, dass eine Abformung bzw. ein Oberflächenscan typischerweise bessere Auflösungen liefert als eine medizinische Computertomographie-Aufnahme. Durch eine lokal erhöhte Auflösung im Bereich des zweiten Modells 14 ist es möglich, solche kombinierten Modelle 20 nicht nur für diagnostische Zwecke, sondern auch beispielsweise für die Anfertigung von Implantaten zu nutzen. Für diagnostische Zwecke, z. B. vor kieferorthopädischer Therapie oder für die Behandlungsplanung vor chirurgischen Eingriffen, ist eine Auflösung in einem Bereich von 0,1 mm ausreichend, während für die Anfertigung dentaler Restaurationen eine Genauigkeit im Bereich von 10 μm, also eine zehnmal so hohe Genauigkeit notwendig ist. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass durch die Kombination des ersten und des zweiten Modells 12 und 14 die Vorteile einzelner Technologien (Darstellung von Hinterschneidungen) genutzt werden können und spezifische Nachteile (reduzierte Auflösung) eliminiert werden können.

Claims

Vorrichtung (10) zum Kombinieren eines ersten Modells (12) eines Objekts (11) mit einem zweiten Modell (14, 14', 14'') eines Ausschnitts (13, 13', 13'') des Objekts (11), mit: einem Modell-Analysator (16), der ausgebildet ist, um innerhalb des ersten Modells (12) einen ersten Abschnitt (12a) und innerhalb des zweiten Modells (14, 14', 14'') einen zweiten Abschnitt (14a) auszuwählen, die einer Referenzgeometrie des Objekts (11) entsprechen; und einem Modell-Registrierer (18), der ausgebildet ist, um das erste Modell (12) und das zweite Modell (14, 14', 14'') relativ zueinander so auszurichten, dass ein Deckungsmaß maximiert wird, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt (12a) und dem zweiten Abschnitt (14a) stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt (12b), der zu dem ersten Abschnitt (12a) disjunkt und angrenzend ist, und einem vierten Abschnitt (14b), der zu dem zweiten Abschnitt (14a) disjunkt und angrenzend ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Modell-Registrierer (18) ausgebildet ist, um das erste Modell (12) und das zweite Modell (14, 14', 14'') zusammenzufügen und als kombiniertes Modell (20, 20', 20'') zu speichern.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, wobei der Modell-Analysator (16) ausgebildet ist, um innerhalb des kombinierten Modells (20, 20', 20'') den ersten Abschnitt (12a) und innerhalb eines dritten Modells (14', 14'') den zweiten Abschnitt (14a) auszuwählen, und wobei der Modell-Registrierer (18) ausgebildet ist, um das kombinierten Modell (20, 20', 20'') und das dritte Modell (14', 14'') relativ zueinander so auszurichten, dass das Deckungsmaß maximiert wird.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Modell (12) und das zweite Modell (14, 14', 14''), Zeitaufnahmen des Objekts (11) zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen, und wobei die Vorrichtung (10) eine Ausgabeeinheit aufweist, die ausgebildet ist, um eine Veränderung des ersten (12) und zweiten Modells (14, 14', 14'') über die Zeit darzustellen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Modell-Registrierer (18) ausgebildet ist, um das erste Modell (12) und das zweite Modell (14, 14', 14'') unabhängig von einem weiteren Abstand zwischen einem fünften Abschnitt (12c) und einem sechsten Abschnitt (14c) auszurichten, wobei der fünfte Abschnitt (12c) innerhalb des ersten Modells (12) und der sechste Abschnitt (14c) innerhalb des zweiten Modells (14, 14', 14'') einer veränderten Geometrie des Objekts (11) entsprechen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Modell-Registrierer (18) ausgebildet ist, um bei dem Ausrichten das zweite Modell (14, 14', 14'') relativ zu dem ersten Modell (12) zu rotieren und/oder zu verschieben.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Modell-Registrierer (18) ausgebildet ist, um das erste (12) oder das zweite Modell (14, 14', 14'') in Teilmodelle (14_1, 14_2) zu teilen und bei dem Ausrichten die Teilmodelle (14_1, 14_2) zu rotieren und/oder zu verschieben.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Modell-Analysator (16) ausgebildet ist, um die Referenzgeometrie in dem ersten Modell (12) und in dem zweiten Modell (14, 14', 14'') automatisch zu identifizieren und auszuwählen.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, wobei der Modell-Analysator (16) ausgebildet ist, um zum Auswählen der Referenzgeometrie das erste Modell (12) und das zweite Modell (14) zu vergleichen, um das Deckungsmaß zu ermitteln.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Modell-Analysator (16) ausgebildet ist, um die Referenzgeometrie in Interaktion mit einem Benutzer auszuwählen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Modell (12) dreidimensionale Volumendaten umfasst und das zweite Modell (14, 14', 14'') Oberflächendaten umfasst.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 11, wobei die Oberflächendaten auf einer Digitalisierung eines plastischen Zwischenmodells (13b, 13b', 13b'') basieren, das eine Abformung des Ausschnitts (13, 13', 13'') des Objekts (11) ist.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Objekt (11) einen menschlichen Schädel umfasst und/oder der Ausschnitt (13, 13', 13'') des Objekts (11) ein menschlicher Zahnbogen ist.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 13, wobei die Referenzgeometrie sich auf eine Seitenflanke des Zahnbogens bezieht.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Modell-Analysator (16) ausgebildet ist, um die geometrische Veränderung und/oder eine Wahrscheinlichkeit der geometrischen Veränderung zwischen dem ersten (12a) und dem zweiten Abschnitt (14a) in Abhängigkeit von der Zeit zu simulieren.
Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 15, die einen Fehler-Abschätzer aufweist, der ausgebildet ist, um Lagefehler des ersten Modells (12) gegenüber dem zweiten Modell (14) zu quantifizieren, und/oder um eine Fehlerfortsetzung beim Zusammenfügen des ersten Modells (12) mit dem zweiten Modell (14) zu bewerten.
Verfahren zum Kombinieren eines ersten Modells (12) eines Objekts (11) mit einem zweiten Modell (14, 14', 14''), eines Ausschnitts (13) des Objekts (11), mit den Schritten: Auswählen eines ersten Abschnitts (12a) innerhalb des ersten Modells (12) und eines zweiten Abschnitts (14a) innerhalb des zweiten Modells (14, 14', 14''), die einer Referenzgeometrie des Objekts (11) entsprechen; und Registrieren des ersten Modells (12) und des zweiten Modells (14, 14', 14'') relativ zueinander, so dass ein Deckungsmaß maximiert wird, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt (12a) und dem zweiten Abschnitt (14a) stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt (12b), der zu dem ersten Abschnitt (12a) disjunkt und angrenzend ist, und einem vierten Abschnitt (14b), der zu dem zweiten Abschnitt (14a) disjunkt und angrenzend ist.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Verfahren zum Kombinieren eines Volumenmodells (12) eines Objekts (11) mit einem Oberflächenmodell (14, 14', 14'') eines Ausschnitts (13, 13', 13'') des Objekts (11), mit folgenden Schritten: Bereitstellen des Volumenmodells (12) des Objekts (11); Abformen einer Oberfläche des Ausschnitts (13, 13', 13'') des Objekts (11), um ein plastisches Zwischenmodell (13b, 13b', 13b'') zu erhalten; Digitalisieren des plastischen Zwischenmodells (13b, 13b', 13b''), um ein Oberflächenmodell (14, 14', 14'') zu erhalten; und Registrieren des Volumenmodells (12) und des Oberflächenmodells (14, 14', 14'') relativ zueinander.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Objekt (11) einen menschlichen Schädel umfasst und der Ausschnitt (13, 13', 13'') des Objekts (11) ein menschlicher Zahnbogen ist, und wobei der Schritt des Abformens der Oberfläche mittels eines Abdrucks (13a, 13a', 13a'') des Zahnbogens erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Digitalisierung des plastischen Zwischenmodells (13b, 13b', 13b'') mittels einer Durchleuchtung des Abdrucks (13a, 13a', 13a'') des Zahnbogens oder einer Oberflächenabtastung des Abdrucks (13a, 13a', 13a'') des Zahnbogens erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Schritt des Bereitstellens des Volumenmodells (12) den Schritt des Durchleuchtens des Objekts (11) aus unterschiedlichen Richtungen umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei eine Auflösung des Oberflächenmodells (14, 14', 14'') gegenüber einer Auflösung des Volumenmodells (12) höher ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Schritte Abformen, Digitalisieren und Registrieren für ein weiteres plastisches Zwischenmodell (13b, 13b', 13b'') wiederholt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, das den Schritt Auswählen eines ersten Abschnitts (12a) innerhalb des Volumenmodells (12) und eines zweiten Abschnitts (14a) innerhalb des Oberflächenmodells (14, 14', 14'') aufweist; und wobei das Registrieren des Volumenmodells (12) und des Oberflächenmodells (14) so durchgeführt wird, dass ein Deckungsmaß maximiert wird, das von einem Abstand zwischen dem ersten Abschnitt (12a) und dem zweiten Abschnitt (14a) stärker abhängt als von einem Abstand zwischen einem dritten Abschnitt (14a) und einem vierten Abschnitt (14b).