DE102018104386A1 - A method of creating a model of a tool from an existing tool or negative print, means for digitizing a tool, and unit for performing the method - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Verfahren zum Erstellung eines Modells eines hohlen orthopädischen Hilfsmittels von einem bestehenden hohlen Hilfsmittel oder dessen Negativabdruck mit Schritten Digitalisieren einer Außengeometrie und Digitalisieren einer zum Kontakt mit dem Patienten vorgesehenen Innengeometrie des bestehenden Hilfsmittels oder Negativabdrucks; Ausrichten und Skalieren der Innengeometrie mit Bezug zur Außengeometrie; und Erstellen des Modells in Abhängigkeit der Außengeometrie und Innengeometrie. Offenbart sind weiterhin je eine Vorrichtung zur Erfassung und Digitalisierung der Innen- und der Außengeometrie des Testhilfsmittels. Weiterhin ist eine Einheit zur Durchführung des Verfahrens mit den Vorrichtungen offenbart. Disclosed is a method for creating a model of a hollow orthopedic appliance from an existing hollow tool or its negative impression with steps of digitizing an external geometry and digitizing an internal geometry of the existing appliance or negative impression intended for contact with the patient; Aligning and scaling the inner geometry with respect to the outer geometry; and creating the model depending on the outer geometry and inner geometry. Also disclosed are each a device for detecting and digitizing the internal and external geometry of the test tool. Furthermore, a unit for carrying out the method with the devices is disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Modells eines insbesondere orthopädischen Hilfsmittels, beispielsweise einer Prothese, einer Orthese oder eines Prothesenschaftes, von einem bestehenden Hilfsmittel oder Negativabdruck, eine Vorrichtung zur Digitalisierung einer Innengeometrie des bestehenden Hilfsmittels oder Negativabdrucks, eine Vorrichtung zur Digitalisierung von dessen Außengeometrie und eine Einheit zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing a model of a particular orthopedic aid, for example a prosthesis, an orthosis or a prosthesis stem, from an existing aid or negative impression, a device for digitizing an internal geometry of the existing aid or negative impression, a device for digitizing its outer geometry and a unit for carrying out the method.
In der Orthopädietechnik besteht ein Problem darin, die Geometrie eines orthopädischen Testhilfsmittels oder eines zu ersetzenden Hilfsmittels, beispielsweise eines Testschafts bei einer Unterschenkelschaftversorgung, auf den definitiven Schaft zu übertragen. Im Folgenden wird mit dem Begriff „Testhilfsmittel“ jegliches orthopädisches Hilfsmittel verstanden, dessen Geometrie/Statik mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein definitives Hilfsmittel übertragen werden soll.In orthopedic technology, there is a problem in transferring the geometry of an orthopedic trial tool or a replacement tool, such as a test shaft in a shank stocking, to the definitive shaft. In the following, the term "test aid" is understood to mean any orthopedic aid whose geometry / statics is to be transferred to a definitive aid by means of the method according to the invention.
Die eigentliche Schaftversorgung beginnt bisher mit einem Abdruck des Amputationsstumpfes. Von diesem Abdruck wird dann ein Positivmodell erstellt und nach bestimmten medizinischen, orthopädietechnischen und biomechanischen Kriterien modelliert. Daraus wird dann ein thermoplastischer Testschaft hergestellt, so dass der Prothesenaufbau und die Passform am Patienten optimiert werden können, worauf dann ein definitiver Prothesenschaft, beispielsweise im Gießharzverfahren hergestellt wird. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die Position eines Adapters für sonstige Prothesenpassteile möglichst genau vom Testschaft auf den definitiven Prothesenschaft übertragen wird. Herkömmlicherweise wird dabei ein Übertragungsgerät verwendet, in das der ausgegossene Testschaft eingespannt wird, wobei der Adapter des Testschaftes am Übertragungsgerät befestigt ist. Nach dem Abnehmen des Testschafts verbleibt das Positiv an dem Übertragungsgerät. Über dieses Positivmodell wird dann der definitive Prothesenschaft gefertigt, wobei die Adapterposition mit hinreichender Genauigkeit in allen Ebenen übertragen wird.The actual stem supply begins with an impression of the amputation stump. From this impression, a positive model is then created and modeled according to certain medical, orthopedic and biomechanical criteria. From this, a thermoplastic test shaft is then produced, so that the prosthesis structure and the fit on the patient can be optimized, whereupon a definitive prosthesis shaft, for example by the casting resin process, is produced. Particular care must be taken that the position of an adapter for other prosthetic components is transferred as precisely as possible from the test shaft to the definitive prosthesis shaft. Conventionally, a transmission device is used, in which the poured test shaft is clamped, wherein the adapter of the test shaft is attached to the transmission device. After removing the test shaft, the positive remains on the transmission device. The definitive prosthesis stem is then manufactured using this positive model, with the adapter position being transmitted with sufficient accuracy in all planes.
Neben dieser weitestgehend manuellen Modellierung des Testschaftes sind auch Verfahren bekannt, bei dem der Amputationsstumpf durch 3D-Scanner vermessen wird. Derartige Lösungen sind beispielsweise in der
In der
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Die
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Zwar zeigt sich, dass mit diesen bekannten Verfahren eine Statikübertragung eines vorhandenen orthopädischen Hilfsmittels, im Folgenden Testhilfsmittel genannt, auf ein Hilfsmittel, beispielsweise einen definitiven Schaft, durchgeführt werden kann. Allerdings kann es auftreten, dass eine Passform des so erstellten orthopädischen Hilfsmittels noch nicht den real auftretenden, biomechanischen Bedingungen des Patienten genügt.Although it has been found that with these known methods a static transfer of an existing orthopedic aid, referred to below as a test aid, can be carried out on an aid, for example a definitive shaft. However, it may happen that a fit of the orthopedic device so created does not yet meet the real-life, biomechanical conditions of the patient.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einheit zur Durchführung des Verfahrens, sowie Vorrichtungen für diese Einheit zu schaffen, über die ein Modell des orthopädischen Hilfsmittels erstellbar ist, das eine Passform aufweist, die die real auftretenden biomechanischen Anforderungen besser erfüllt.In contrast, the invention has for its object to provide a method and a unit for performing the method, and devices for this unit over which a model of the orthopedic aid can be created, which has a fit that better meets the real-occurring biomechanical requirements ,
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die Vorrichtungen für diese Einheit mit den jeweiligen Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 9 und 15 und im Hinblick auf die Einheit zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 16 gelöst.This object is achieved in view of the method with the features of claim 1, with regard to the devices for this unit with the respective features of the independent claims 9 and 15 and with regard to the unit for performing the method by the features of the
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein Verfahren zum Erstellung eines Modells, insbesondere CAD-Modells, eines hohlen orthopädischen Hilfsmittels ausgehend von einem bestehenden hohlen Hilfsmittel, im Folgenden Testhilfsmittel, und / oder von dessen Negativabdruck, hat Schritte Digitalisieren einer Außengeometrie und einer zum Kontakt mit dem Patienten vorgesehenen Innengeometrie des Testhilfsmittels oder Negativabdrucks; Ausrichten und Skalieren der Innengeometrie mit Bezug zur Außengeometrie; Erstellen des Modells in Abhängigkeit der Außengeometrie und Innengeometrie; Erfindungsgemäß erfolgen vor dem Erstellen des Modells Schritte Analysieren der Innengeometrie und / oder Außengeometrie auf anatomische Zonen und Modifizieren oder Belassen der Innengeometrie und / oder Außengeometrie in einem Bereich einer ermittelten anatomischen Zone. A method for creating a model, in particular a CAD model, of a hollow orthopedic aid starting from an existing hollow aid, hereinafter test aid, and / or its negative impression, has steps of digitizing an outer geometry and an internal geometry of the test auxiliary provided for contact with the patient or negative impression; Aligning and scaling the inner geometry with respect to the outer geometry; Creating the model depending on the external geometry and internal geometry; According to the invention, prior to creating the model, steps are performed analyzing the internal geometry and / or external geometry on anatomical zones and modifying or leaving the internal geometry and / or external geometry in a region of a determined anatomical zone.
Auf diese Weise kann aus dem Testhilfsmittel ein Modell oder Modellvorschlag für das orthopädische Hilfsmittels erstellt werden, das eine Passform aufweist, die die real auftretenden biomechanischen Anforderungen besser erfüllt.In this way, the test tool can be used to create a model or model proposal for the orthopedic appliance that has a fit that better meets the biomechanical requirements that actually occur.
Mit einem derartigen Verfahren kann insbesondere eine Statikübertragung vom Testhilfsmittel, beispielsweise eines Testschafts, auf ein definitives Hilfsmittel, beispielsweise einen Prothesenschaft erfolgen.With such a method, it is possible in particular to carry out a static transmission from the testing aid, for example a test shaft, to a definitive auxiliary, for example a prosthesis shaft.
Eine anatomische Zone ist im Sinne dieser Druckschrift ein für die Passform des am Patienten eingesetzten, definitiven orthopädischen Hilfsmittels wichtiger Bereich - insbesondere ein Bereich der Innengeometrie - in welchem beispielsweise bei Benutzung des definitiven Hilfsmittels vergleichsweise hohe Kräfte auf den Patienten übertragen werden müssen oder eine vergleichsweise stark gekrümmte Oberfläche gegeben ist. Für die vom Menschen wahrgenommene Passform des Hilfsmittels besitzen diese Zonen somit eine große Bedeutung und sollten auf eine optimale, flächige Verteilung von Druck- und / oder Scherkräften ausgelegt werden.An anatomical zone in the sense of this document is an important area for the fit of the definitive orthopedic aid used on the patient - in particular an area of internal geometry - in which, for example, relatively high forces must be transmitted to the patient when using the definitive auxiliary device or a comparatively strong one given curved surface. For the human-perceived fit of the aid these zones thus have a great importance and should be designed for an optimal, areal distribution of pressure and / or shear forces.
Eine Bereitstellung des digitalen Modells erfolgt vorzugsweise in einem Koordinatensystem, insbesondere in einem Patientenkoordinatensystem.A provision of the digital model is preferably carried out in a coordinate system, in particular in a patient coordinate system.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Digitalisieren der Außengeometrie“ vorzugsweise bereits mit Bezug zu einem Koordinatensystem, insbesondere einem Patientenkoordinatensystem. Hierzu ist das Testhilfsmittel beispielsweise bei einer für die Digitalisierung notwendigen Erfassung der Außengeometrie bereits in seiner Position im Patientenkoordinatensystem angeordnet.In a further development, the step "digitizing the outer geometry" preferably takes place with reference to a coordinate system, in particular a patient coordinate system. For this purpose, the test tool is already arranged in its position in the patient coordinate system, for example, in a necessary for the digitization detection of the outer geometry.
Das Patientenkoordinatensystem im Sinne dieser Druckschrift ist in einer Variante mit seinem Ursprung in einer Sagittalebene und / oder Frontalebene und / oder Transversalebene des Patienten angeordnet. Die Transversalebene kann beispielsweise eine Standebene des Patienten sein. Alternativ können der Ursprung und das Koordinatensystem außerhalb der genannten Ebenen angeordnet sein und beispielsweise an einen Endpunkt eines Stumpfes oder einen anderen charakteristischen Punkt des Patienten gelegt sein.The patient coordinate system in the sense of this document is arranged in a variant with its origin in a sagittal plane and / or frontal plane and / or transversal plane of the patient. The transverse plane can be, for example, a standing plane of the patient. Alternatively, the origin and the coordinate system may be located outside of said planes and may be placed, for example, at an end point of a stump or other characteristic point of the patient.
In einer Weiterbildung wird mit dem Schritt „Digitalisieren“ wenigstens eine, die Außengeometrie und Innengeometrie verknüpfende Passmarke mitdigitalisiert. Alternativ oder ergänzend wird mit dem Schritt „Digitalisieren“ wenigstens eine Überlappung der Außengeometrie mit der Innengeometrie, die nicht zur orthopädischfunktionalen Geometrie des Testhilfsmittels zählt, mitdigitalisiert.In a further development, at least one registration mark linking the outer geometry and inner geometry is also digitized with the step "digitizing". Alternatively or additionally, at least one overlap of the outer geometry with the inner geometry, which does not belong to the orthopedic-functional geometry of the testing aid, is digitized with the step "digitizing".
In einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt der Schritt „Ausrichten und Skalieren“ mittels der Passmarken und / oder der Überlappung. Dabei kann die Verwendung der Passmarken insbesondere dann hilfreich sein, wenn der Schritt „Ausrichten und Skalieren“ allein mittels der Überlappung nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich ist.In a preferred development, the step "aligning and scaling" takes place by means of the registration marks and / or the overlap. In this case, the use of the registration marks can be particularly helpful if the step "aligning and scaling" alone by means of overlapping is not possible with sufficient accuracy.
In einer Alternative des Verfahrens erfolgt auch der Schritt „Ausrichten und Skalieren“ mit Bezug zu dem Koordinatensystem, insbesondere dem Patientenkoordinatensystem.In an alternative of the method, the step "aligning and scaling" also takes place with reference to the coordinate system, in particular the patient coordinate system.
Der Schritt „Digitalisieren“ erfolgt vorzugsweise mittels einem bildbasierten Verfahren, basierend auf einer Erfassung von Fotos der Außengeometrie und der Innengeometrie. Dabei weisen die Fotos der jeweiligen Geometrie ausreichend Überlappung auf, sodass sie wiederkehrende optische Merkmale tragen, aus denen die jeweilige 3D-Geometrie ableitbar ist. Die Fotos der Außengeometrie beinhalten dabei auch die Darstellung der von der Außenseite sichtbaren Endabschnitte der Passmarken, diejenigen der Innengeometrie beinhalten die Darstellung der von der Innenseite sichtbaren Endabschnitte der Passmarken.The step of "digitizing" is preferably carried out by means of an image-based method, based on a capture of photos of the outer geometry and the inner geometry. The photos of the respective geometry have sufficient overlap, so that they carry recurring optical features, from which the respective 3D geometry can be derived. The photos of the outer geometry also include the representation of the visible from the outside end portions of the registration marks, those of the inner geometry include the representation of the visible from the inside end portions of the registration marks.
Vorzugsweise erfolgt die Erfassung segmentweise. Zu diesem Zweck ist in einer Weiterbildung einem jeweiligen Segment der Geometrie, zumindest einem jeweiligen Segment der Außengeometrie, je eine Gruppe von angeordneten Erfassungseinrichtungen - beispielsweise Kameras - zugeordnet.The detection preferably takes place segment by segment. For this purpose, in a further development, a respective segment of the geometry, at least one respective segment of the outer geometry, is assigned a respective group of arranged detection devices-for example cameras.
Die Fotos werden zueinander registriert und bilden so je einen Bildverbund der Innengeometrie und der Außengeometrie. Mit jedem zusätzlich im Bildverbund registrierten Foto nimmt allerdings ein Registrierungsfehler zu, sodass ab einer bestimmten Anzahl von Registrierungen eine realitätsgetreue Erfassung der Geometrie, insbesondere der Innengeometrie, nicht mehr zufriedenstellend möglich ist. Dieses Problem wird durch die Verwendung der oben genannten Passmarken gelöst. Jedes Foto, das eine der Passmarken beinhaltet, weist dadurch einen eindeutig definierten, räumlichen Referenzpunkt auf, der in Folge den Bildverbund stützt. Auf diese Weise ist eine Stabilität der Digitalisierung der jeweiligen Geometrie, insbesondere der Innengeometrie, gewährleistet.The photos are registered with each other and thus each form a composite image of the inner geometry and the outer geometry. However, with each additional photo registered in the image composite, a registration error increases, so that, after a certain number of registrations, a true-to-life detection of the geometry, in particular the internal geometry, is no longer possible satisfactorily. This problem is solved by using the above-mentioned registration marks. Each photo, which contains one of the registration marks, thus has a clearly defined, spatial reference point which, in consequence, supports the image composite. In this way, a stability of the digitization of the respective geometry, in particular the internal geometry, is ensured.
Der Schritt „Analysieren“ erfolgt vorzugsweise erfahrungsbasiert. Dies kann manuell in Abhängigkeit der Erfahrung eines Menschen oder vorzugsweise automatisiert, auf Basis einer hinterlegten Datenbank oder eines hinterlegten Kennfeldes, in der oder dem anatomische Zonen in Abhängigkeit vorbestimmter Koordinaten und / oder Topologien der Innen- und / oder Außengeometrie abgelegt sind, erfolgen.The step "Analyze" is preferably based on experience. This can be done manually depending on the experience of a human, or preferably automatically, on the basis of a stored database or a stored characteristic map in which anatomical zones are stored as a function of predetermined coordinates and / or topologies of the internal and / or external geometry.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Analysieren“ in Abhängigkeit wenigstens einer Konturkurve oder wenigstens einer Schnittkurve der Innengeometrie.In a further development, the step "analyzing" takes place as a function of at least one contour curve or at least one sectional curve of the internal geometry.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Analysieren“ in Abhängigkeit einer Krümmung und / oder eines Scheitelpunktes der Schnittkurve oder Konturkurve.In a further development, the step "analyze" takes place as a function of a curvature and / or a vertex of the cut curve or contour curve.
Der Schritt „Modifizieren“ erfolgt in einer Weiterbildung mittels Addieren oder Subtrahieren eines im Bereich der anatomischen Zone konstanten oder variablen Abstandes oder Offsets.The step "modify" is carried out in a development by adding or subtracting a constant or variable distance or offset in the region of the anatomical zone.
In einer Weiterbildung kann nach wenigstens einem der Schritte ein auf einem Ergebnis dieses Schrittes basierendes Modell, insbesondere CAD-Modell, ausgeleitet werden.In a development, after at least one of the steps, a model based on a result of this step, in particular a CAD model, can be discharged.
Im weiteren Verlauf des Verfahrens erfolgt dann ein Schritt Fertigen des orthopädischen Hilfsmittels, oder zumindest eines Abschnitts davon, gemäß dem Modell, insbesondere CAD-Modell.In the further course of the method, a step is then carried out to manufacture the orthopedic aid, or at least a portion thereof, according to the model, in particular the CAD model.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt Kalibrierung, insbesondere innere Kalibrierung, von wenigstens einer oder aller Erfassungseinrichtungen auf, die zur Erfassung der Außen- und / oder Innengeometrie vorgesehen sind. Im Zuge der inneren Kalibrierung können interne Parameter der Erfassungseinrichtungen, wie beispielsweise Verzeichnung und Brennweite, bestimmt werden, die notwendig sind, um die von den Erfassungseinrichtungen erfassten Daten für die Digitalisierung messtechnisch nutzen zu können.In a development, the method has a step of calibrating, in particular internal calibration, of at least one or all detection devices which are provided for detecting the external and / or internal geometry. In the course of the internal calibration, internal parameters of the detection devices, such as, for example, distortion and focal length, can be determined, which are necessary in order to be able to use the data acquired by the detection devices for the purpose of metrology.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt äußere Kalibrierung oder räumliche Orientierung von wenigstens einer oder aller Erfassungseinrichtungen auf, die zur Erfassung der Außen- und / oder Innengeometrie vorgesehen sind. Im Zuge der äußeren Kalibrierung können eine Position und Winkellage der Erfassungseinrichtungen bestimmt werden. Auch diese Informationen sind notwendig, um die von den Erfassungseinrichtungen erfassten Daten für die Digitalisierung messtechnisch nutzen zu können.In one development, the method has a step of external calibration or spatial orientation of at least one or all detection devices which are provided for detecting the external and / or internal geometry. In the course of the external calibration, a position and angular position of the detection devices can be determined. This information is also necessary in order to be able to use the data acquired by the detection devices for the purpose of metrological measurement.
Die Schritte innere und äußere Kalibrierung können zu Beginn des Verfahrens und jederzeit erneut, beispielsweise bei einer merklichen Temperaturänderung, die Einfluss auf die internen Parameter oder die räumliche Orientierung nimmt, durchgeführt werden.The steps of internal and external calibration can be performed again at the beginning of the process and again at any time, for example at a noticeable change in temperature, which influences the internal parameters or the spatial orientation.
Zum Erfassen einer zum Kontakt mit dem Patienten vorgesehenen Innengeometrie des Testhilfsmittels oder von dessen Negativabdruck, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Reihe gelenkig verbundener Wirbelkörper hat. An einem distalen Endabschnitt oder an einem Endstück der Reihe, insbesondere an einem letzten der Wirbelkörper, ist dabei eine Erfassungseinrichtung zur 2D- und / oder 3D-Erfassung der Innengeometrie angeordnet.In order to detect an internal geometry of the test aid intended for contact with the patient or of its negative impression, a device is proposed according to the invention which has a series of articulated vertebrae. In this case, a detection device for 2D and / or 3D detection of the internal geometry is arranged at a distal end section or at an end section of the row, in particular at a last one of the vertebral bodies.
Vorzugsweis ist die Erfassungseinrichtung fotographisch, insbesondere eine Kamera. Alternativ kann sie beispielsweise ein 3D-Scanner zum unmittelbaren Erzeugen einer 3D-Punktewolke sein.Preferably, the detection device is photographic, in particular a camera. Alternatively, it may be, for example, a 3D scanner for directly generating a 3D point cloud.
Um die Erfassungseinrichtung an der Innengeometrie mit einem Mindestabstand oder in einem definierten Abstand abstützen zu können, insbesondere mit Bezug zur Innengeometrie zentrieren zu können, hat die Vorrichtung in einer Weiterbildung wenigstens eine sich von der Reihe nach radial außen erstreckende, insbesondere eine in Radialrichtung elastische und / oder adaptive Stützeinrichtung. Diese kann selbstzentrierend mit wenigstens zwei diametral angeordneten oder mit drei vorzugsweise im Abstand von je 120° beabstandet angeordneten Stützabschnitten gebildet sein. Die Stützabschnitte sind vorzugsweise federnd, bzw. elastisch deformierbar. In einer Weiterbildung haben die Stützabschnitte ein radial außen angeordnetes Gleit- oder Rollelement zum Abgleiten oder Abrollen an der Innengeometrie.In order to be able to support the detection device on the internal geometry with a minimum distance or at a defined distance, in particular to be able to center with respect to the internal geometry, the device has in a development at least one radially outwardly extending from the row, in particular a radially elastic and / or adaptive support device. This can be formed self-centering with at least two diametrically arranged or with three preferably spaced apart from each 120 ° spaced support portions. The support portions are preferably resilient, or elastically deformable. In a further development, the support sections have a radially outer sliding or rolling element for sliding or rolling on the inner geometry.
In einer Weiterbildung hat die Vorrichtung eine Stelleinrichtung, insbesondere einen Motor oder Stellmotor, über die der distale Endabschnitt oder das Endstück in eine abgewinkelte Stellung zum proximalen Rest der Reihe bringbar ist.In a development, the device has an adjusting device, in particular a motor or servo motor, via which the distal end section or the end piece can be brought into an angled position to the proximal remainder of the row.
Zur Ausleuchtung eines Erfassungsfeldes der Erfassungseinrichtung ist in einer Weiterbildung der Vorrichtung an deren distalem Endabschnitt eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen.To illuminate a detection field of the detection device, a lighting device is provided in a development of the device at the distal end portion thereof.
Am proximalen Endabschnitt der Vorrichtung ist in einer Weiterbildung der Vorrichtung eine Handhabe zur manuellen und / oder maschinellen Handhabung der Vorrichtung angeordnet. At the proximal end portion of the device, a handle for manual and / or mechanical handling of the device is arranged in a development of the device.
Wenigstens eine der gelenkigen Verbindungen weist in einer Weiterbildung der Vorrichtung ein Kardangelenk oder ein Elastomergelenk auf.At least one of the articulated connections has a cardan joint or an elastomer joint in a development of the device.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Torsionsgelenk auf, mittels dem die Erfassungseinrichtung oder das sie tragende Endstück um eine Längsachse der Vorrichtung rotierbar ist.Preferably, the device has a torsion joint, by means of which the detection device or the end piece carrying it is rotatable about a longitudinal axis of the device.
Vorzugsweise ist ein jeweiliger Motor zum Antrieb der Abwinklung des Endstücks und / oder zur Rotation des Endstücks um die Längsachse der Reihe im Endstück oder im dem Endstück benachbarten Wirbelkörper untergebracht.Preferably, a respective motor for driving the bending of the tail and / or for rotation of the tail about the longitudinal axis of the row in the tail or in the tail adjacent vertebral body is housed.
In einer Weiterbildung ist ein Bewegungsorbit der gelenkigen Verbindung, insbesondere ein Dreh- oder Schwenkorbit oder -intervall, passiv, insbesondere von einer Anschlageinrichtung, beschränkt. Die Beschränkung erreicht dabei vorzugsweise einen Wert von 5° - 15°. Alternativ oder ergänzend kann der Bewegungsorbit der gelenkigen Verbindung gesteuert, insbesondere durch Steuerung des die gelenkige Verbindung antreibenden Motors, beschränkt sein.In a development, a movement orbit of the articulated connection, in particular a rotational or pivoting orbit or orbit, is restricted, in particular by a stop device. The restriction preferably reaches a value of 5 ° - 15 °. Alternatively or additionally, the movement orbit of the articulated connection can be controlled, in particular by controlling the motor driving the articulated connection.
In einer Weiterbildung ist an einem proximalen Endabschnitt der Vorrichtung eine Steuereinrichtung angeordnet. Über diese ist oder sind vorzugsweise eine Gelenkbewegung und / oder deren Beschränkung und / oder die Erfassungseinrichtung und / oder die Beleuchtungseinrichtung steuerbar.In a development, a control device is arranged at a proximal end portion of the device. About this is or are preferably a joint movement and / or its limitation and / or the detection device and / or the illumination device controllable.
Zum Erfassen der Außengeometrie des Testhilfsmittels oder Negativabdrucks wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Rahmen hat, an dem eine Positioniereinrichtung zur Positionierung des Hilfsmittels angeordnet ist, und an dem eine Vielzahl von Erfassungseinrichtungen zur abschnittsweisen 2D- oder 3D-Erfassung der Außengeometrie verteilt, insbesondere fest, angeordnet sind.For detecting the outer geometry of the test auxiliary or negative impression, a device is proposed according to the invention, which has a frame on which a positioning device for positioning the auxiliary device is arranged, and on which a plurality of detection devices for sectionally 2D or 3D detection of the outer geometry distributed, in particular firmly, are arranged.
In einer Weiterbildung hat die letztgenannte Vorrichtung zwei am Rahmen beabstandet angeordnete Böden, zwischen denen das Testhilfsmittel zumindest zum Erfassen der Außengeometrie anordenbar ist.In a further development, the last-mentioned device has two bases arranged at a distance from the frame, between which the test aid can be arranged at least for detecting the outer geometry.
In einer Weiterbildung hat der Rahmen wenigstens drei, vorzugsweise vier vertikale Säulen, an denen aufs Hilfsmittel gerichtete oder richtbare Erfassungseinrichtungen und / oder Beleuchtungseinrichtungen angeordnet sind.In a further development, the frame has at least three, preferably four vertical columns, on which detection devices and / or illumination devices directed or orientable on the aid are arranged.
In einer Weiterbildung hat die Vorrichtung eine Justiereinrichtung zur definierten Lagepositionierung des Testhilfsmittels in einem bestimmten, vorzugsweise einem Patientenkoordinatensystem oder einem patientenorientierten Koordinatensystem, insbesondere unter Berücksichtigung von Lastzuständen.In a development, the device has an adjusting device for the defined positional positioning of the test tool in a specific, preferably a patient coordinate system or a patient-oriented coordinate system, in particular taking into account load conditions.
Die Justiereinrichtung hat vorzugsweise einen Drehteller als Auflage für das Testhilfsmittel und eine drehbar gelagerte Befestigung für einen vom Drehteller entfernten Endabschnitt des Testhilfsmittels.The adjusting device preferably has a turntable as a support for the test aids and a rotatably mounted attachment for a remote from the turntable end portion of the test tool.
Zum Abbilden von Hilfslinien auf dem Testhilfsmittel hat die letztgenannte Vorrichtung in einer Weiterbildung wenigstens eine Lichtquelle. Dabei sind die Hilfslinien insbesondere Vertikalen zu einer Patientenstandfläche mit oder ohne Belastung und / oder Wirklinien von Bodenreaktionskräften oder des Kräfteverlaufs bei Belastung des Hilfsmittels und / oder Aufbaureferenzlinien.For imaging auxiliary lines on the test tool, the latter device has at least one light source in a further development. In this case, the auxiliary lines are in particular vertical to a patient footprint with or without load and / or action lines of ground reaction forces or the course of forces when loading the aid and / or body reference lines.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung zur Erfassung der Außengeometrie und / oder der Vorrichtung zur Erfassung der Innengeometrie weist die betreffende Vorrichtung ein Patientenkoordinatensystem im Sinne dieser Druckschrift auf, wie es bereits im Zuge der Beschreibung des Verfahrens geschildert wurde.In a development of the device for detecting the external geometry and / or the device for detecting the internal geometry, the device in question has a patient coordinate system in the sense of this publication, as has already been described in the course of the description of the method.
Wichtige Voraussetzungen dafür, dass über die Erfassungseinrichtungen der beiden genannten Vorrichtungen die Außen- und Innengeometrie des Testhilfsmittels korrekt erfass- und digitalisierbar sind, sind eine präzise innere Kalibrierung und Bestimmung der räumlichen Orientierung jeder einzelnen Erfassungseinrichtung. Eine Weiterbildung einer oder beider Vorrichtungen weist daher eine Kalibriereinrichtung zum, insbesondere inneren, Kalibrieren und / oder zum Bestimmen der, insbesondere äußeren, räumlichen Orientierungen der Erfassungseinrichtungen auf. Über die Kalibriereinrichtung kann dann zu einem gewünschten Zeitpunkt des Verfahrens oder in Wartungspausen eine spezifizierte Genauigkeit der Erfassung und Digitalisierung und somit des resultierenden definitiven Hilfsmittels abgesichert werden.Important prerequisites for the fact that the outer and inner geometry of the test tool can be correctly detected and digitized via the detection devices of the two devices mentioned are precise internal calibration and determination of the spatial orientation of each individual detection device. A development of one or both devices therefore has a calibration device for, in particular internal, calibrating and / or for determining the, in particular outer, spatial orientations of the detection devices. The calibration device can then be used to secure a specified accuracy of the acquisition and digitization and thus of the resulting definitive aid at a desired time of the method or during maintenance breaks.
Im Falle der Vorrichtung zur Erfassung der Außengeometrie ist die Kalibriereinrichtung vorzugsweise an deren Positionier- oder Justiereinrichtung positionierbar, insbesondere positioniert.In the case of the device for detecting the external geometry, the calibration device is preferably positionable, in particular positioned, on its positioning or adjusting device.
In einer Weiterbildung hat die Kalibriereinrichtung von den Erfassungseinrichtungen erfassbare Referenzen. Die Referenzen können beispielsweise zueinander beabstandet angeordnete Kuben, Zylinder oder Kugeln oder Körper mit anderer Geometrie, insbesondere einer Regelgeometrie, sein.In a further development, the calibration device has detectable references from the detection devices. The references may, for example, cubes, cylinders or spheres arranged at a distance from each other or bodies with a different geometry, in particular a control geometry.
In einer Weiterbildung sind die Referenzen in nur einer Ebene, insbesondere in einem ebenen Gitter, angeordnet. Alternativ oder ergänzend sind die Referenzen in mehreren, insbesondere parallelen Ebenen, insbesondere in Form eines Raumgitters, angeordnet. Dieses kann die Form eines Würfels oder Quaders aufweisen. Die Ebene oder das Gitter sind insbesondere zur Bestimmung von internen Parametern der Erfassungseinrichtungen geeignet, die notwendig sind, um die Erfassungseinrichtungen zur korrekten Digitalisierung der Geometrien, also zu deren korrekter Vermessung, nutzen zu können. Hierbei werden beispielsweise die reale Verzeichnung und die reale Brennweite der jeweiligen Erfassungseinrichtung ermittelt. Das Raumgitter eignet sich insbesondere zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung - also der drei Raumkoordinaten und der drei Rotationen - der jeweiligen Erfassungseinrichtung. In a further development, the references are arranged in only one plane, in particular in a planar grid. Alternatively or additionally, the references are arranged in several, in particular parallel planes, in particular in the form of a space grid. This may have the shape of a cube or cuboid. The plane or the grating are in particular suitable for determining internal parameters of the detection devices which are necessary in order to be able to use the detection devices for the correct digitization of the geometries, ie for their correct measurement. In this case, for example, the real distortion and the real focal length of the respective detection device are determined. The space grid is particularly suitable for determining the spatial position and orientation - ie the three spatial coordinates and the three rotations - the respective detection device.
In einer Weiterbildung der Kalibriereinrichtung deckt deren Volumen zumindest ein Volumen des bestehenden hohlen Hilfsmittels oder Negativabdrucks ab, sodass eine Kalibrierung und Orientierung mit hoher Qualität erfolgen kann.In a refinement of the calibration device, its volume covers at least one volume of the existing hollow auxiliary means or negative impression, so that high quality calibration and orientation can take place.
Vorzugsweise sind Achsen des Patientenkoordinatensystems mit Achsen, entlang denen die Referenzen angeordnet sind, identisch oder zumindest parallel, oder die genannten Achsen weisen eine Transformation zueinander auf.Preferably, axes of the patient coordinate system with axes along which the references are arranged are identical or at least parallel, or said axes have a transformation to one another.
Eine erfindungsgemäße Einheit zur Durchführung des vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens hat zumindest die Vorrichtung zum Erfassen der Innengeometrie gemäß der vorangegangenen Beschreibung, eine Vorrichtung zum Erfassen der Außengeometrie gemäß der vorangegangenen Beschreibung, eine Speichereinrichtung zur Speicherung der von den Vorrichtungen erfassten Daten. Des Weiteren hat sie eine Auswerteeinrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie aus den erfassten Daten, insbesondere gemäß einem bildbasierten Verfahren, je ein 3D-Modell, insbesondere eine Punktwolke, der Innengeometrie und der Außengeometrie generieren kann, und dass sie die Innengeometrie mit Bezug zur Außengeometrie ausrichten und skalieren kann, und dass sie die Innengeometrie und / oder Außengeometrie auf anatomische Zonen analysieren kann. Zudem ist sie vorzugsweise so ausgelegt, dass sie die vorbeschriebene innere und / oder äußere Kalibrierung der genannten Erfassungseinrichtungen durchführen kann. Zudem hat die Einheit eine Einrichtung zur Erzeugung von CAD-Daten, die so ausgelegt ist, dass sie ein CAD-Modell des hohlen orthopädischen Hilfsmittels, insbesondere ein parametrisiertes Flächen- und / oder Blockmodell, aus den 3D-Modellen generieren, kann, und die Innengeometrie und / oder die Außengeometrie im Bereich der ermittelten anatomischen Zone modifizieren kann.A unit according to the invention for carrying out the above-described method according to the invention has at least the device for detecting the internal geometry according to the preceding description, a device for detecting the external geometry according to the preceding description, a memory device for storing the data acquired by the devices. Furthermore, it has an evaluation device which is designed so that it can generate from the acquired data, in particular according to an image-based method, a respective 3D model, in particular a point cloud, the inner geometry and the outer geometry, and that they relate the inner geometry align and scale to the outer geometry, and that it can analyze the inner geometry and / or outer geometry for anatomical zones. In addition, it is preferably designed so that it can perform the above-described internal and / or external calibration of said detection devices. In addition, the unit has a means for generating CAD data that is adapted to generate a CAD model of the hollow orthopedic device, in particular a parametric surface and / or block model, from the 3D models, and the Internal geometry and / or the outer geometry in the region of the determined anatomical zone can modify.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein vereinfachtes Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erstellung eines Modells eines orthopädischen Hilfsmittels; -
2 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Innengeometrie eines Testhilfsmittels, in einer Seitenansicht; -
3 eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß2 im Bereich einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Innengeometrie; -
4 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Außengeometrie des Testhilfsmittels mit Bezug zu einem Koordinatensystem, in einer perspektivischen Ansicht; und -
5 die Vorrichtung gemäß4 mit einer montierten Kalibriereinrichtung.
-
1 a simplified flow diagram of an embodiment of a method according to the invention for creating a model of an orthopedic aid; -
2 a device for detecting an internal geometry of a test tool, in a side view; -
3 a detailed view of the device according to2 in the region of a detection device for detecting the internal geometry; -
4 a device for detecting an outer geometry of the test tool with respect to a coordinate system, in a perspective view; and -
5 the device according to4 with a mounted calibration device.
Gemäß
Das Ausrichten und Skalieren erfolgt im Schritt
Prinzipiell kann zur Erfassung und Digitalisierung der Innen- und Außengeometrie beispielsweise ein Scan der jeweiligen Geometrie erfolgen und dadurch direkt eine 3D-Punktewolke erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend kann ein bildbasiertes Verfahren angewendet werden. Hierzu werden von der Außengeometrie und der Innengeometrie jeweils eine Vielzahl fotografischer Aufnahmen erzeugt und gespeichert. Dabei überlappen sich die Aufnahmen derart stark, dass wiederkehrende Merkmale zu einer automatischen Generierung einer 3D-Punktewolke herangezogen werden können. In dieser treten die jeweils von außen bzw. innen sichtbaren Abschnitte der Passmarken ebenfalls auf. Wie weiter oben bereits erwähnt, werden durch die Verwendung der Passmarken beide Bild- oder Aufnahmeverbünde, derjenige der Außengeometrie und der der Innengeometrie, gestützt und die Stabilität der Digitalisierung der jeweiligen Geometrie, insbesondere der Innengeometrie, ist gewährleistet. Die Wandlung der Aufnahmen durch das bildbasierte Verfahren in das jeweilige 3D-Modell erfolgt über eine Auswerteeinrichtung einer erfindungsgemäßen Einheit zur Durchführung des Verfahrens.In principle, for example, a scan of the respective geometry can take place for the detection and digitization of the internal and external geometry, thereby directly producing a 3D point cloud. Alternatively or additionally, an image-based method can be used. For this purpose, a variety of photographic images are generated and stored by the outer geometry and the inner geometry. The images overlap so strongly that recurring features can be used to automatically generate a 3D point cloud. In this, the respectively visible from the outside or inside sections of the registration marks also occur. As already mentioned above, the use of the registration marks supports both image or recording composites, that of the outer geometry and that of the inner geometry, and the stability of the digitization of the respective geometry, in particular the inner geometry, is ensured. The conversion of the recordings by the image-based method into the respective 3D model takes place via an evaluation device of a unit according to the invention for carrying out the method.
Ebenso erfolgt über die Auswerteeinrichtung der nächste Schritt
Spätestens für die Generierung eines Modellvorschlages anhand von gewonnenen Erfahrungsparametern
In einem letzten Schritt
Das Verfahren stellt insbesondere aufgrund der Schritte
Eine Vorrichtung
In
Am letzten Wirbelkörper
Eine Vorrichtung zum Erfassen einer Außengeometrie eines insbesondere hohlen Testhilfsmittels hat einen im Wesentlichen quaderförmigen Rahmen, der vier vertikale Säulen
Die Zusammenführung der über die Vorrichtung
Eine weitestgehend automatisierte Erzeugung der Modelle ist möglich, wenn das Testhilfsmittel bereits beim Scannen über eine Justiereinrichtung im patientenorientierten Koordinatensystem positioniert ist, so dass diese Positionierung automatisch ins Konstruktionsprogramm, übernommen werden kann.A largely automated generation of the models is possible if the test tool is already positioned during scanning via an adjusting device in the patient-oriented coordinate system, so that this positioning can be automatically incorporated into the design program.
Es sei festgehalten, dass das Verfahren, die Vorrichtungen und die Einheit nicht auf hohle orthopädische Hilfsmittel beschränkt sind. Prinzipiell ist das Verfahren und sind die genannten Vorrichtungen und die Einheit auch bei der Modellerstellung in anderen Technologiebereichen, in denen Modelle von hohlen Testmodellen abzuleiten sind verwendbar.It should be noted that the method, devices and unit are not limited to hollow orthopedic aids. In principle, the method and the said devices and the unit are also useful in modeling in other areas of technology where models of hollow test models are derived.
Offenbart ist ein Verfahren zum Erstellen eines final am Patienten einsetzbaren, hohlen orthopädischen Hilfsmittels aus einem hohlen Testhilfsmittel mittels einem Erfassen der Innen- und Außengeometrie des Testhilfsmittels; einer Skalierung und Ausrichtung der Innengeometrie an der Außengeometrie; einer automatisierten, erfahrungsbasierten Analyse zumindest der Innengeometrie auf relevante anatomische Zonen; einer automatisierten, erfahrungsbasierten Modifikation oder Belassung zumindest der Innengeometrie; und einem finalen Ausleiten eines Modellvorschlags für das final am Patienten einsetzbare, hohle orthopädische Hilfsmittel.Disclosed is a method of creating a final patient-deployable hollow orthopedic tool from a hollow test tool by detecting the internal and external geometry of the test tool; a scaling and alignment of the inner geometry on the outer geometry; an automated, experience-based analysis of at least the internal geometry on relevant anatomical zones; an automated, experience-based modification or omission of at least the inner geometry; and finally deriving a model proposal for the final patient-deployable hollow orthopedic device.
Offenbart sind weiterhin je eine Vorrichtung zur Erfassung und Digitalisierung der Innen- und der Außengeometrie des Testhilfsmittels.Also disclosed are each a device for detecting and digitizing the internal and external geometry of the test tool.
Offenbart ist weiterhin eine Einheit mit den Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.Disclosed is still a unit with the devices for carrying out the method.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verfahrenmethod
- 22
- Erfassen und Digitalisieren AußengeometrieCapture and digitize exterior geometry
- 44
- Erfassen und Digitalisieren InnengeometrieCapture and digitize interior geometry
- 66
- Vorrichtung zum Erfassen einer AußengeometrieDevice for detecting an external geometry
- 88th
- Vorrichtung zum Erfassen einer InnengeometrieDevice for detecting an internal geometry
- 1010
- Ausrichten und Skalieren der Innengeometrie an AußengeometrieAligning and scaling the inside geometry to outside geometry
- 1212
- Analysieren der GeometrienAnalyze the geometries
- 1414
- Generieren eines ModellvorschlagsGenerate a model proposal
- 16 16
- Erstellen einer BauteilkonstruktionCreate a part design
- 2020
- Handhabehandle
- 2222
- Steuereinheitcontrol unit
- 2424
- Wirbelkörpervertebra
- 2626
- gelenkige Verbindungarticulated connection
- 2828
- Motorengine
- 2929
- Endstücktail
- 3030
- distaler Endabschnittdistal end portion
- 3232
- fotografische Erfassungseinrichtungphotographic detection device
- 3434
- Beleuchtungseinrichtunglighting device
- 3636
- gelenkige Verbindungarticulated connection
- 3838
- Torsionsgelenktorsion
- 4040
- Stützeinrichtungsupport means
- 4242
- Klammerclip
- 4444
- Federschenkelspring leg
- 4646
- Rollmittelrolling means
- 4848
- Säulepillar
- 5050
- Bodenground
- 5252
- Deckbodendeck floor
- 5454
- Beleuchtungseinrichtunglighting device
- 5656
- fotografische Erfassungseinrichtungphotographic detection device
- 5858
- Justiereinrichtungadjusting
- 6060
- Kalibriereinrichtungcalibration
- 62, 64, 6662, 64, 66
- Achseaxis
- 68, 70, 7268, 70, 72
- Ebenelevel
- 7474
- Referenz reference
- x, y, zx, y, z
- patientenorientiertes Koordinatensystem / Patientenkoordinatensystempatient-oriented coordinate system / patient coordinate system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102007014747 A1 [0004]DE 102007014747 A1 [0004]
- EP 0555207 B1 [0004]EP 0555207 B1 [0004]
- EP 1044648 B1 [0005]EP 1044648 B1 [0005]
- US 6463351 B1 [0006]US 6463351 B1 [0006]
- DE 4232606 A1 [0007]DE 4232606 A1 [0007]
- DE 102014102997 A1 [0008, 0062]DE 102014102997 A1 [0008, 0062]
Claims (22)
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---|---|---|---|
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-
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- 2018-02-27 DE DE102018104386.4A patent/DE102018104386A1/en active Pending
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Legal Events
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---|---|---|---|
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