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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik, der Elektronik und der Datenverarbeitung und ist mit besonderem Vorteil auf dem Gebiet der Dentalmedizin anwendbar.
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Auf verschiedenen Gebieten der Technik werden heute sehr schnelle und effiziente Verfahren zur Erzeugung von individuellen Körpergeometrien, wie beispielsweise das Rapid Prototyping, oder allgemein additive Herstellungsverfahren (Additive Manufacturing), auch 3D-Drucken, angewendet. Solche Verfahren können beispielsweise zur Herstellung von Prothesen, beispielsweise Zahnprothesen, oder Hilfsmitteln zur Zahnversorgung, wie beispielsweise Kunststoffschienen, verwendet werden, die an den jeweiligen Gebissstatus angepasst sind. Für solche Anwendungen ist zumindest anfänglich und bei vielen Anwendungen auch in regelmäßigen Zeitintervallen eine Neuvermessung notwendig, im Fall der dentalmedizinischen Anwendungen somit eine Neuvermessung des Gebissstatus in drei Dimensionen.
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Im Fall von Gebisskorrekturen werden auf der Basis solcher Messungen beispielsweise jeweils angepasste Kunststoffschienen für die nächste angestrebte Zielposition von Zähnen hergestellt, deren Stellung korrigiert werden soll.
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Es sind auf dem Gebiet der Dentalmedizin beispielsweise Intraoralscanner bekannt, die eine dreidimensionale Gebissgeometrie beispielsweise durch Triangulation oder Stereophotogrammetrie ermitteln.
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Grundsätzlich ist für die Zahnbehandlung außer den klassischen Instrumenten inzwischen auch ein gekröpfter Zahnspiegel bekannt, in den eine Kamera und Lichtquellen integriert sind (Smart Dental Mirror). Mit einem solchen Spiegel kann einerseits die konventionelle Visualisierung für den Zahnarzt durchgeführt werden, andererseits kann mittels der in den Spiegel integrierten Kamera Bildmaterial aufgenommen werden.
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Aus der US-Patentschrift
US 2017/0340197 A1 ist ein Zahnspiegel bekannt, in den mehrere Lichtquellen und eine Kamera integriert sind. Es können innerhalb des Mundes eines Patienten Bilder von Zähnen aufgenommen werden, wobei relative Positionsveränderungen des Spiegels / der Kamera über integrierte Signale von Akzelerometern bzw. einem Gyroskop ermittelt werden, so dass Bilder aus verschiedenen Positionen miteinander verknüpft werden können. In der Schrift ist zudem ausgeführt, dass verschiedene Leuchtquellen zur Aufnahme von Bildern verwendet werden können, um auf diese Weise mittels der unterschiedlichen Beleuchtungssituationen stereoskopische Informationen und letztlich ein dreidimensionales Modell eines oder mehrerer Zähne zu ermitteln.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer dreidimensionalen Form einer Körperoberfläche zu schaffen, die mit hoher Genauigkeit, die beispielsweise für die dentalmedizinische Anwendung ausreicht, mit großer Zuverlässigkeit und einfacher Handhabbarkeit die Ermittlung einer dreidimensionalen Körperoberfläche, insbesondere eines oder mehrere Zähne, ermöglichen.
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Dadurch, dass die Form der Strukturelemente sowie die relative Position der Strahlungsquelle, die die Strukturelemente beleuchtet, und der Bilderfassungseinrichtung, die das Bild der strukturiert beleuchteten Körperoberfläche aufnimmt, bekannt sind, können aus einem oder mehreren aufgenommenen Bildern die räumlichen Positionen und Orientierungen der Strukturelemente und damit die Lage von Oberflächenelementen der untersuchten Körperoberfläche und daraus letztlich die Form der Körperoberfläche ermittelt werden.
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Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass mehrere Bilder aus verschiedenen Perspektiven, d. h. von verschiedenen Punkten aus, erfasst werden. Die verschiedenen Perspektiven können dadurch miteinander verknüpft werden, dass die relative Position der verschiedenen Orte, von denen aus die Körperoberfläche beleuchtet und/oder aufgenommen wird, mittels der Bewegungserfassung von Beleuchtungsquelle und/oder Bilderfassungseinrichtung durch Beschleunigungssensoren und/oder Gyroskopen ermittelt werden. Es können auf diese Weise auch Bilder von größeren Körperoberflächen oder zusammenhängenden Elementen durch sogenanntes Stitching miteinander verbunden werden.
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Grundsätzlich ist es dabei sinnvoll, die optische Achse der Bilderfassung und/oder auch die strukturierte Beleuchtung in einem bekannten Winkel, insbesondere senkrecht, auf die zu vermessende Körperoberfläche zu richten. Hierzu ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass ein Referenzstrahl einer Referenzstrahlquelle auf die Körperoberfläche gerichtet wird und die von der Körperoberfläche zurückgeworfene Strahlung des Referenzstrahls erfasst und daraus eine Ausrichtung der Körperoberfläche relativ zum Referenzstrahl in dem Bereich, in dem der Referenzstrahl auftritt, ermittelt wird. Danach kann die Position und Ausrichtung der ersten Strahlungseinrichtung und/oder der ersten Bilderfassungseinrichtung derart nachgeführt werden, dass sie senkrecht auf die zu vermessende Körperoberfläche gerichtet werden. Diesem Verfahren liegt die Einsicht zugrunde, dass ein Referenzstrahl, wenn er an einem Punkt senkrecht auf die zu vermessende Körperoberfläche auftrifft, in sich selbst zurückgeworfen wird. Dies ist sowohl im Falle einer effizienten Reflexion der Fall als auch in dem Fall, dass der Referenzstrahl nur diffus reflektiert wird. Im Falle einer diffusen Reflexion findet eine Verteilung der Intensität der zurückgeworfenen Strahlung derart statt, dass ein Intensitätsmaximum bei senkrechtem Einfall unmittelbar senkrecht von der Körperoberfläche zurückgeworfen wird, während die Intensität der zurückgeworfenen Strahlung in Abhängigkeit von der Winkelabweichung von der Senkrechten deutlich abnimmt. Wird somit die Intensität der zurückgeworfenen Strahlung des Referenzstrahls erfasst, so kann darüber die Position ermittelt werden, in der der Referenzstrahl senkrecht auf die zu vermessende Körperoberfläche trifft. Ist die Bilderfassungseinrichtung und/oder die erste Strahlungsquelle zur strukturierten Beleuchtung der zu ermittelnden Körperoberfläche möglichst nah an der Referenzstrahlquelle angeordnet, so kann davon ausgegangen werden, dass bei senkrechtem Auftreffen des Referenzstrahls auf die zu vermessende Körperoberfläche auch die strukturierte Beleuchtung und die Bilderfassung der beleuchteten Strukturelemente im Wesentlichen senkrecht zur Körperoberfläche in dem vermessenen Bereich stattfindet. Damit wird der Raumwinkel, in dem die Bilderfassungseinrichtung Strahlung erfasst, und auch der Raumwinkel, in dem die strukturierte Beleuchtung des zu vermessenden Körpers erfolgt, optimiert ausgenutzt. Zudem werden, wenn die erste Strahlungsquelle zur strukturierten Beleuchtung und die Bilderfassungseinrichtung unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, auch Parallaxenfehler minimiert und die Erzeugung von Artefakten vermieden beziehungsweise minimiert.
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Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung kann darin liegen, dass der Referenzstrahl eine von der strukturieren Beleuchtung verschiedene Wellenlänge aufweist.
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Beispielsweise kann der Referenzstrahl eine festgelegte Wellenlänge oder ein Wellenlängenband aufweisen, das mittels eines Filters von der Strahlung separierbar ist, die für die strukturierte Beleuchtung verwendet wird. Auch die strukturierte Beleuchtung kann mittels Strahlung einer festen und von dem Referenzstrahl separierbaren Wellenlänge oder in einem festen Wellenlängenbereich stattfinden. Überschneiden sich die Wellenlängenbereiche des Referenzstrahls und der Strahlungsquelle der strukturierten Beleuchtung nicht, so können die zurückgeworfene Strahlung des Referenzstrahls und das Bild der beleuchteten Strukturelemente besonders einfach voneinander getrennt werden. In diesem Fall können beispielsweise die beiden genannten Strahlungsanteile entweder von zwei verschiedenen Erfassungseinrichtungen oder von einer einzigen Bilderfassungseinrichtung, beispielsweise einer Kamera, erfasst werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kann vorsehen, dass der Referenzstrahl zeitlich moduliert wird und dass insbesondere auch die erste Strahlungsquelle zur Erzeugung der strukturierten Beleuchtung zeitlich moduliert wird.
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Durch eine Modulation des Referenzstrahls, genauer gesagt durch eine Intensitätsmodulation des Referenzstrahls, kann dieser, in der Erfassung beispielsweise mittels eines Lock-in-Verstärkers, von der übrigen Strahlung separiert werden, die von dem zu erfassenden Körper ausgesandt oder zurückgeworfen wird. Werden sowohl der Referenzstrahl als auch die strukturierte Beleuchtung moduliert, so können die beiden Modulationen beispielsweise unterschiedliche Modulationsfrequenzen oder -phasenlagen aufweisen und hierdurch getrennt werden.
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Es kann beispielsweise bei gleicher Modulationsfrequenz vorgesehen sein, dass der Referenzstrahl seine maximale Intensität periodisch in Zeiträumen aufweist, in denen die strukturierte Beleuchtung ihre minimale Intensität oder keine Intensität aufweist. Für eine solche Lösung muss nicht notwendigerweise eine stetige periodische Modulation stattfinden, sondern es reicht ein abwechselnder Betrieb des Referenzstrahls und der Beleuchtungseinrichtung für die strukturierte Beleuchtung, so dass die jeweils zurückgeworfenen Signale getrennt voneinander bearbeitet werden können.
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Die Frequenz, mit der sich der Referenzstrahl und die erste Strahlungsquelle für die strukturierte Beleuchtung abwechseln, kann beispielsweise in einem Frequenzbereich oberhalb von 15 oder 20 Hz liegen, in dem für das menschliche Auge in seiner Wahrnehmungsfähigkeit eine durchgängige Beleuchtung erscheint. Dadurch kann mittels der Beleuchtung der Körperoberfläche, auch wenn dies eine strukturierte Beleuchtung ist, durch das Auge einer Bedienperson die Strukturierung erkannt werden. Zudem ist es auch denkbar, zusätzlich zum Referenzstrahl und der strukturierten Beleuchtung eine dritte Beleuchtungsquelle vorzusehen, die die zu erfassende Körperoberfläche umfassend und neutral beleuchtet und die jeweils in den Pausen zwischen dem Betrieb der strukturierten Beleuchtung und dem Betrieb des Referenzstrahls betrieben wird, um für eine menschliche Bedienperson eine neutrale Beleuchtung des Körpers bereitzustellen, die die Bedienperson als durchgehende Beleuchtung wahrnehmen kann. Auch diese dritte Beleuchtungskomponente kann entweder breitbandig im optischen Spektrum des Lichts angesiedelt oder auch in einem eingegrenzten Farbbereich vorgesehen sein.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass die strukturierte Beleuchtung ein im Infrarotbereich oder im sichtbaren oder ultravioletten Lichtbereich beleuchtetes geometrisches Muster aus Strukturelementen, insbesondere ein Muster aus beleuchteten Punkten und/oder Flächen und/oder Linien, aufweist. Als Strukturelemente haben sich besonders solche Elemente bewährt, deren Form sich leicht mit einer erfassten und durch eine gekrümmte Körperoberfläche verzerrten Form des auf der Körperoberfläche abgebildeten Strukturelements in Beziehung setzen lässt. Damit können Krümmungen der Körperoberfläche leicht berechnet werden. Die Art, Form und Anordnung der Strukturelemente sollte bekannt sein, um aus einem gegebenenfalls verzerrten Abbild sowie den ausgestrahlten Mustern die dreidimensionale Form der beleuchteten Körperoberfläche rekonstruieren zu können. Als Bilderfassungseinrichtung für die beleuchteten Strukturelemente bietet sich eine hochauflösende digitale Kamera an, deren Bilder digital weiterbearbeitet werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass unmittelbar vor, während oder nach der strukturierten Beleuchtung der Körperoberfläche diese ganz oder teilweise mit ultraviolettem Licht bestrahlt und gleichzeitig von der Körperoberfläche nach Anregung durch das ultraviolette Licht ausgesandtes Fluoreszenzlicht erfasst sowie die Quelle des Fluoreszenzlichtes verortet wird. Insbesondere bei der Anwendung in der Dentalmedizin kann durch die Erfassung von fluoreszentem Licht infolge der Bestrahlung mit UV-Licht ein Bild von Oberflächenbereichen erfasst werden, die eine Karieserkrankung aufweisen. Für diese Bereiche kann wie für alle übrigen Bereiche eine dreidimensionale Form ermittelt werden, so dass die kariösen Bereiche ebenfalls unmittelbar dreidimensional an dem/den beobachteten Zähnen verortet werden können.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren der oben beschriebenen Art auch auf eine Vorrichtung zur Ermittlung einer dreidimensionalen Form einer Körperoberfläche mit einer ersten Strahlungsquelle zur strukturierten Beleuchtung der Körperoberfläche, die Strukturelemente beleuchtet, einer ersten Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines Bildes der strukturiert beleuchteten Köperoberfläche und/oder der beleuchteten Strukturelemente, einer ersten Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der räumlichen Lage der Strukturelemente, einer Referenzstrahlquelle zur Erzeugung eines von der strukturierten Beleuchtung unterscheidbaren und auf die Körperoberfläche gerichteten Referenzstrahls, und mit einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der von der Körperoberfläche zurückgeworfenen Strahlung des Referenzstrahls sowie mit einer zweiten Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung der Körperoberfläche relativ zum Referenzstrahl.
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Dabei kann die erste Bilderfassungseinrichtung vorteilhaft durch eine digitale Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera, gebildet sein. Die Erfassungseinrichtung für die zurückgeworfene Strahlung des Referenzstrahls kann ebenfalls durch eine digitale Kamera gebildet sein, insbesondere auch durch dieselbe Kamera, die die erste Bilderfassungseinrichtung darstellt. Die Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung der Körperoberfläche relativ zum Referenzstrahl kann ebenso wie die erste Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der räumlichen Lage der Strukturelemente durch einen Mikroprozessor bzw. einen Mikrocomputer oder eine andere Datenverarbeitungseinrichtung gebildet sein, wobei die beiden Auswertungseinrichtungen entweder separat voneinander vorgesehen oder auch in einer einzelnen Datenverarbeitungseinrichtung zusammengefasst sein können. Diese Datenverarbeitungseinrichtung(en) kann/können unmittelbar in der Nähe der Bilderfassungseinrichtungen und/oder der Beleuchtungseinrichtungen vorgesehen sein, oder auch in einer gewissen Entfernung als ein Modul, das mit den Beleuchtungseinrichtungen und den Bilderfassungseinrichtungen über eine kabelgebundene oder auch eine Funkverbindung in Kontakt steht.
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Als erste Strahlungsquelle zur strukturierten Beleuchtung der Körperoberfläche kommt beispielsweise ein Laserscanner oder auch eine Lichtquelle mit einer Maske in Frage, oder ein Lichtquellenarray, dessen Bild mittels einer Abbildungseinrichtung auf die zu erfassende Körperoberfläche projiziert wird. Als Referenzstrahlquelle kommt beispielsweise ein Laser, eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder eine sonstige fokussierbare Lichtquelle in Frage. Zudem kann, wie oben ausgeführt, noch eine Beleuchtungsquelle vorgesehen sein, die abwechselnd mit der ersten Strahlungsquelle und der Referenzstrahlquelle betrieben wird, um die Körperoberfläche für einen menschlichen Beobachter erkennbar mit einer solchen Frequenz zu beleuchten, dass die Beleuchtung durch den Menschen als kontinuierlich wahrgenommen werden kann.
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Die Vorrichtung kann sich zudem vorteilhaft durch eine UV-Strahlungsquelle für ultraviolettes Licht auszeichnen, die die Körperoberfläche ganz oder teilweise bestrahlt, sowie durch eine zweite Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung von durch die Körperoberfläche nach Anregung durch das ultraviolette Licht ausgesandtem Fluoreszenzlicht, wobei insbesondere die zweite Bilderfassungseinrichtung mit der ersten Bilderfassungseinrichtung identisch ist. Damit wird die Verortung von kariösen Bereichen bei der dentalmedizinischen Anwendung der Erfindung ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr der folgenden Elemente: die erste Strahlungsquelle, die Referenzstrahlquelle, die Bilderfassungseinrichtung und die Erfassungseinrichtung zur Erfassung der von der Körperoberfläche zurückgeworfenen Strahlung des Referenzstrahls, sowie insbesondere auch die Strahlungsquelle für ultraviolettes Licht und die zweite Bilderfassungseinrichtung, als Messmodulelemente in einem gemeinsamen Messmodul fest zueinander positioniert angeordnet, insbesondere in einem elektronischen Bauteil, weiter insbesondere als in einer gemeinsamen Kapselung zusammengefasste Halbleiterelemente integriert sind.
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Es ist bereits weiter oben ausgeführt worden, dass eine Anordnung von zwei oder mehr Messmodulelementen in unmittelbarer Nähe zueinander sogenannte Parallaxenfehler vermindert, die dadurch entstehen, dass die Perspektive der unterschiedlichen verwendeten Elemente relativ zu der zu erfassenden dreidimensionalen Körperoberfläche verschieden ist. Wenn beispielsweise die strukturierte Beleuchtung der Körperoberfläche und die Bilderfassung der beleuchteten Strukturelemente aus unterschiedlichen Perspektiven geschieht, so lässt sich dies theoretische korrigieren, sofern die relative Position der Strahlungsquelle für die strukturierte Beleuchtung einerseits und der Bilderfassungseinrichtung andererseits bekannt ist. In der Praxis ergeben sich jedoch Parallaxenfehler und damit Artefakte, die durch die Datenverarbeitung entstehen. Sollen diese minimiert und zudem der Rechenaufwand verringert werden, so bietet dafür eine möglichst enge räumliche Konzentration der verschiedenen Messmodulelemente in einem gemeinsamen Messmodul an. Dabei können die verschiedenen Messmodulelemente jeweils in einzelnen Halbleiterbauelementen realisiert sein, die auf einer Platine möglichst eng nebeneinander positioniert sein können. Weist jedes der Halbleiterbauelemente eine eigene Kapselung auf, so ist dadurch bereits ein Mindestabstand zwischen den elektronischen Kernen der jeweiligen Elemente gegeben. Eine kleinere Bauform und eine größere räumliche Konzentration der Elemente lässt sich erreichen, indem die verschiedenen Halbleiterbauelemente in einer gemeinsamen Kapselung zusammengefasst werden.
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Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen, dass das Messmodul als intraoraler Scanner ausgebildet und insbesondere mit einem Griffstück verbunden ist, wobei insbesondere das Messmodul mit einem Dentalspiegel verbunden ist. Durch Verbindung der verschiedenen Messmodulelemente in einem Messmodul, das als intraoraler Scanner ausgebildet ist, ergibt sich die Einsetzbarkeit zur Vermessung der dreidimensionalen Oberfläche von Zähnen und damit zur Ermittlung des Gebissstatus eines Patienten. Mittels eines Griffstücks lässt sich der intraorale Scanner jeweils auf einen oder mehrere bestimmte Zähne ausrichten, um deren dreidimensionale Gestalt zu vermessen. Wird das Messmodul mit einem Dentalspiegel verbunden, so wird die Handhabbarkeit für medizinisches Personal besonders einfach, da das Personal an die Verwendung von Dentalspiegeln gewöhnt ist. Zudem lässt sich der Dentalspiegel in seiner konventionellen Funktion verwenden, so dass die ihn verwendende Person zusätzlich zu der dreidimensionalen Datenerfassung auch eine visuelle Inspektion der Zähne des Patienten vornehmen kann. Durch eine besondere Spiegelgeometrie lässt sich auch erreichen, dass bei einer definierten Handhabung des Dentalspiegels die Bedienperson im Spiegel wenigstens teilweise die Bereiche des Patientengebisses sieht, die gerade auch durch das erfindungsgemäße Verfahren vermessen werden.
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Wie weiter oben bereits angesprochen, kann es in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung sinnvoll sein, dass wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, vier oder fünf der Messmodulelemente in einem Halbleiterchip oder mehreren miteinander vergossenen Halbleiterchips integriert sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt
- 1 schematisch einen Dentalspiegel mit einer Auswertungseinrichtung und einer Anzeigeeinrichtung,
- 2 einen Dentalspiegel mit einer Referenzstrahlquelle und einer Erfassungseinrichtung für die zurückgeworfene Strahlung des Referenzstrahls,
- 3 einen Dentalspiegel mit einer ersten Strahlungsquelle für eine strukturierte Beleuchtung eines Körpers sowie einer ersten Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung der beleuchteten Strukturelemente,
- 4 einen Dentalspiegel mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Visualisierung eines Abbilds eines Zahns,
- 5 einen Dentalspiegel mit einer UV-Strahlungsquelle,
- 6 einen Dentalspiegel, bei dem die Beleuchtungsrichtung für die strukturierte Beleuchtung sowie die optische Erfassungsrichtung, aus der die erste Bilderfassungseinrichtung Bilder erfasst, gegenüber der Normalen auf der Spiegeloberfläche geneigt sind, sowie
- 7 eine grafische Darstellung der zeitlichen Verteilung des Betriebs der verschiedenen Strahlungsquellen.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Dentalspiegel 1 mit einem Griffteil 2 und einem schematisch dargestellten Spiegelkopf 3. In den Spiegelkopf 3 integriert sind verschiedene Strahlungsquellen sowie wenigstens eine Bilderfassungseinrichtung, die, wie dargestellt, beispielsweise bidirektional über Funk mit einem Empfänger 4 kommunizieren können, der in ein vom Dentalspiegel separates Standgerät integriert ist, mit dem eine Verarbeitungseinrichtung 5 zur Ermittlung eines dreidimensionalen Modells eines oder mehrerer Zähne verbunden ist. Die dreidimensionalen Daten, die einen Gebissstatus repräsentieren, werden in einer Speichereinrichtung 6, die als Datenbank angelegt sein kann, gespeichert und in einer Bildanzeigevorrichtung 7 für einen Benutzer sichtbar gemacht. Die Bildanzeigevorrichtung 7 kann außer einer Darstellung eines dreidimensionalen Modells auch eine direkte Visualisierung, d. h. ein fotografisches Abbild, eines Gebissteils sowie die Visualisierung von kariösen Bereichen anzeigen.
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2 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Darstellung einen Spiegelkopf 3 eines Dentalspiegels, der eine Spiegelfläche 3a aufweist, sowie hinter der Spiegelfläche als Messmodulelemente eine erste Strahlungsquelle 8 zur strukturierten Beleuchtung eines Zahns 15, eine erste Bilderfassungseinrichtung 9 zur Erfassung der durch die erste Strahlungsquelle 8 beleuchteten Strukturelemente auf der Oberfläche des Zahns 15, eine Referenzstrahlquelle 10, die einen Referenzstrahl auf die Oberfläche des Zahns 15 richtet, sowie eine erste Auswertungseinrichtung 12 und eine zweite Auswertungseinrichtung 13. Zudem ist eine Sendeeinrichtung 14 vorgesehen. Die Spiegelfläche ist im Bereich der genannten Strahlungsquellen und Erfassungseinrichtungen durchlässig oder teildurchlässig gestaltet.
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Um eine optimale Ausrichtung des Spiegelkopfes 3 gegenüber einer zu analysierenden Körperoberfläche, beispielsweise der Fläche eines Zahns 15, zu erreichen, wird der Spiegelkopf gegenüber dem Zahn so ausgerichtet, dass sowohl die Lichtquelle 8 für die strukturierte Beleuchtung als auch die eingesetzte Kamera 9 der ersten Bilderfassungseinrichtung unmittelbar gerade auf den Zahn 15 gerichtet sind. Die beiden Messmodulelemente 8, 9 sind idealerweise unmittelbar nebeneinander angeordnet und als Halbleiterelemente gemeinsam gekapselt.
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Um eine wie beschrieben optimierte Ausrichtung des Spiegelkopfes 3 gegenüber dem Zahn 15 zu erreichen, wird mittels der Referenzstrahlquelle, die beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode enthalten kann, ein Lichtstrahl, beispielsweise im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums, auf den Zahn gerichtet und der vom Zahl zurückgeworfene Anteil des Referenzstrahls mittels der ersten Bilderfassungseinrichtung 9 aufgenommen. Die erste Bilderfassungseinrichtung 9 für die strukturierte Beleuchtung und die Erfassungseinrichtung für die zurückgeworfene Strahlung des Referenzstrahls sind in diesem Beispiel zusammengefasst. Der Spiegel kann dann so ausgerichtet werden, dass die maximale Intensität in Richtung des von der Referenzstrahlquelle ausgesandten Lichts unmittelbar in Richtung der Referenzstrahlquelle zurückgeworfen wird. Dies ist der Indikator dafür, dass der Referenzstrahl, der mit 10a bezeichnet ist, senkrecht auf der erfassten Oberfläche des Zahns 15 auftrifft. Dieser Schlussfolgerung liegt der Sachverhalt zugrunde, dass bei der beschriebenen optischen Anordnung die höchste Strahlungsintensität bei einer senkrechten Anordnung der bestrahlten Fläche in der Einstrahlrichtung zurückgeworfen wird. Dies ist durch die schematisch eingezeichnete Intensitätskurve 16 der zurückgeworfenen Strahlung 10b dargestellt. Der Spiegelkopf 3 kann so lange ausgerichtet werden, bis die erste Bilderfassungseinrichtung 9 die maximale zurückgeworfene Strahlungsintensität des Referenzstrahls 10 registriert.
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Ist der Spiegelkopf 3 richtig ausgerichtet, so ist seine Positionierung relativ zu dem zu vermessenden Zahn 15 gut für eine nachfolgende Messung/Erfassung eingerichtet. Wie in 3 dargestellt ist, kann mittels der ersten Strahlungsquelle für die strukturierte Beleuchtung 8 ein Muster auf der Oberfläche des Zahns 15 in Form von Strukturelementen beleuchtet werden. In dem in 3 dargestellten Beispiel sind diese Strukturelemente Striche bzw. Linien 17, 18, 19, wobei als zusätzliche Beispielelemente noch zwei Kreise 20, 21 sowie ein beleuchtetes Rechteck 22 eingezeichnet sind.
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Die durch die gekrümmte Oberflächenform des Zahns 15 verzerrte Form der beleuchteten Strukturelemente wird mittels der ersten Bilderfassungseinrichtung 9 aufgenommen, wobei bei bekannter relativer Position der Elemente 8, 9 zueinander und der Formen der Strukturelemente aus der Verzerrung des aufgenommenen Bildes die dreidimensionale Form der Oberfläche des Zahns 15 bestimmt werden kann.
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Grundsätzlich kann die Referenzstrahlquelle 10 beispielsweise abwechselnd mit der ersten Strahlungsquelle 8 für die strukturelle Beleuchtung betrieben werden, so dass laufend die Orientierung des Spiegelkopfes 3 gegenüber dem Zahn 15 gemessen und korrigiert werden kann, während ebenso regelmäßig die Abbilder der beleuchteten Strukturelemente mittels der ersten Bilderfassungseinrichtung 9 erfasst und in einer Auswertungseinrichtung analysiert werden können.
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In 4 ist eine einfache Beleuchtung des Zahns 15 mittels eines Lichtstrahls im optischen sichtbaren Bereich dargestellt, die jeweils abwechselnd mit der Beleuchtung des Zahns mit einem Referenzstrahl und der strukturierten Beleuchtung mittels der ersten Strahlungsquelle 8 betrieben werden kann. Die einzelnen Strahlungsquellen können sich periodisch in einer Frequenz beispielsweise in der Größenordnung von 20 Hz oder höher abwechseln, so dass für einen menschlichen Betrachter die Beleuchtung des Zahns 15 ununterbrochen erscheint und damit eine einfache Visualisierung des Zahns durch eine Bedienperson möglich ist.
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In 5 ist eine Beleuchtung des Zahns 15 mittels einer ebenfalls in den Spiegelkopf 3 integrierten UV-Lichtquelle 11 dargestellt. Der UV-Strahl ist dabei mit 11a bezeichnet und auf den Zahn 15 gerichtet. Die Beleuchtung des Zahns mit UV-Licht hat zur Folge, dass kariöse Bereiche, im Beispiel mit 15a bezeichnet, Fluoreszenzlicht 11b produzieren, das zum Spiegelkopf 3 zurückgeworfen und dort aufgenommen wird, beispielsweise durch die erste Bilderfassungseinrichtung 9, die als digitale Kamera ausgebildet sein kann. Damit kann mittels des beschriebenen Dentalspiegels auch ein kariöser Bereich 15a an dem Zahn 15 lokalisiert werden.
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In 5 ist auch beispielhaft und symbolisch mit 30 ein gemeinsames Gehäuse für die Messmodulelemente 8, 9, 10, 11 angedeutet und bezeichnet. In diesem Gehäuse 30 können die Messmodulelemente in Form von einzelnen Halbleiterbauelementen oder wenigstens teilweise auf einem Halbleiterelement zusammengefassten Elementen angeordnet und insbesondere gemeinsam vergossen sein.
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In 6 ist ein Spiegelkopf 3 dargestellt, bei dem die erste Strahlungsquelle 8 zur strukturierten Beleuchtung und die erste Bilderfassungseinrichtung 9 sowie die Referenzstrahlquelle 10 und die UV-Strahlquelle 11 oder eine Unterauswahl dieser Elemente, zumindest jedoch die erste Strahlungsquelle und die Bilderfassungseinrichtung, derart ausgerichtet sind, dass sie einen Zahn 15 oder einen Bereich des Gebisses bestrahlen und erfassen, der nicht unmittelbar vor der Spiegelfläche 3a liegt, sondern dessen Richtung vom Spiegelkopf aus gesehen von der Senkrechten („Normalen“) zur Spiegelfläche 3a abweicht, wie durch den Pfeil 23 angedeutet ist. Die Ausrichtung des Spiegelkopfes 3 bei der Erfassung eines Gegenstands soll dennoch so erfolgen, dass die Bestrahlungsrichtung möglichst senkrecht auf der Oberfläche des Körpers im erfassten Bereich steht.
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Durch die in 6 gezeigte Ausführungsform kann erreicht werden, dass der Spiegelkopf 3 erfassungsgerecht in Bezug auf die zu vermessenden Zähne ausgerichtet werden kann und zur selben Zeit eine Schrägstellung der Spiegelfläche 3a derart erfolgen kann, dass eine Bedienperson in der durch den Pfeil 24 gezeigten Blickrichtung den durch die Erfassungseinrichtung 9 erfassten und durch die erste Strahlungsquelle 8 beleuchteten Zahn anvisieren kann. Auf diese Weise ist ein gezieltes Auswählen der zu erfassenden Zähne durch Anvisieren mittels des Spiegels möglich oder zumindest, wenn das Anvisieren über die Erfassungseinrichtung 9 erfolgt, kann eine Bedienperson unabhängig von der eingesetzten Elektronik über die Spiegelfläche des Spiegelkopfes den Zahn betrachten. Kern dieser Ausführungsform ist somit das Merkmal, dass die Ausrichtung der Strahlungsquelle für die strukturierte Beleuchtung und der Erfassungseinrichtung von der Senkrechten auf die Spiegelfläche 3a abweicht.
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Die Beleuchtung des Zahns oder des Bereichs eines Gebisses kann übrigens durch einen Ausschnitt in der Spiegelfläche 3a erfolgen, der mit 3b bezeichnet ist und in dem die Spiegelfläche entweder teildurchlässig ist oder in dem die Verspiegelung unterbrochen ist. Da nur eine kleine Teilfläche der Spiegelfläche 3a für diesen Zweck benötigt wird, wird die rein optische Funktion des Dentalspiegels hierdurch kaum beeinträchtigt.
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In 7 ist beispielhaft die zeitliche Folge der Beleuchtung/Bestrahlung einer zu erfassenden Körperoberfläche durch die verschiedenen eingesetzten Strahlungsquellen dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist dabei die Zeit t in Einheiten von jeweils 5 Millisekunden aufgetragen. Auf der vertikalen Achse sind übereinander in der Reihenfolge von oben nach unten die Aktivitäten der ersten Strahlungsquelle im Abschnitt 25, die Aktivitäten der Referenzstrahlquelle im Abschnitt 26 sowie Aktivitäten einer zusätzlichen neutralen Lichtquelle im Abschnitt 27 dargestellt. Die Striche bedeuten jeweils die zeitliche Dauer der Strahlungsaktivität. Im Abschnitt 28 sind die Aktivitäten einer UV-Strahlquelle dargestellt, die zur Sichtbarmachung von kariösen Bereichen dient. Die Zeiteinheiten, deren Länge beispielhaft durch vertikale gestrichelte Linien dargestellt ist, können 5 Millisekunden oder weniger betragen. Dadurch ist sichergestellt, dass innerhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenzen des menschlichen Auges die aufzunehmende Körperoberfläche so hochfrequent bestrahlt wird, dass auch visuell ohne eine wahrnehmbare Unterbrechung die Körperoberfläche beleuchtet und damit durch einen Menschen ein durchgängiges Bild wahrnehmbar ist. In dem in 7 dargestellten Beispiel wird die UV-Strahlquelle etwas seltener betätigt als die übrigen Strahlungsquellen, so dass die Position eines kariösen Bereichs möglicherweise in einer blinkenden Beleuchtung wahrnehmbar wäre.
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Die beschriebene Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben die Aufnahme einer dreidimensionalen Form einer Körperoberfläche, beispielsweise eines Zahns, um den Gebissstatus eines Patienten möglichst genau aufzunehmen. Da alle wichtigen Messmodule 8, 9, 10, 11 und gegebenenfalls auch die Module 12, 13, 14 auf engstem Raum im Spiegelkopf eines Zahnarztspiegels zusammengefasst werden können, wird die Handhabung erleichtert, wobei durch die Verwendung eines Referenzstrahls eine gute Qualität der Bildgebung und der Oberflächenberechnungen sichergestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0340197 A1 [0006]
