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Die Erfindung betrifft einen intraoralen 3D-Scanner zur Erfassung eines Objektes im Mundraum, mit einer Steuer- und Auswerteeinheit und einem länglichen Grundkörper, welcher sich entlang einer Achse erstreckt und an welchem ein bildgebendes Sensorsystem angeordnet ist, wobei das Sensorsystem mindestens zwei 3D-Sensoren aufweist, welchen jeweils ein Sichtfeld zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung eines intraoralen 3D-Scans.
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Derartige intraorale 3D-Scanner sind beispielsweise aus der Veröffentlichung Park et al. („Feasibility of using an intraoral scanner for a complete-arch digital scan“, THE JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY, December 2018; DOI: 10.1016/j.prosdent.2018.07.014) bekannt.
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Die dort beschriebenen 3D-Scanner nehmen ein zu vermessendes intraorales Objekt nur innerhalb eines einzelnen begrenzten Erfassungsbereiches auf. Es ist auch bekannt, dass hierbei zwar Sensorsysteme zum Einsatz kommen, die mehrere einzelne 3D-Sensoren beinhalten und ein zu scannendes Objekt aus leicht verschiedenen Richtungen aufnehmen, jedoch weisen die einzelnen Sensoren dabei einen gemeinsamen überlappenden und begrenzten Erfassungsbereich auf.
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Soll ein größerer Bereich oder ein ganzer Zahnbogen eines Patienten intraoral erfasst werden, so wird der Erfassungsbereich des intraoralen 3D-Scanners schrittweise über den Zahnbogen versetzt, bis alle Bereiche des Zahnbogens mindestens einmal von dem Erfassungsbereich des intraoralen 3D-Scanners aufgenommen wurden. Hierbei entsteht eine Vielzahl von Einzelaufnahmen, welche jeweils einen anderen Bereich des aufzunehmenden Zahnbogens dreidimensional abbilden.
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Um nun ein dreidimensionales Gesamtmodell des aufzunehmenden Zahnbogens zu erhalten, werden in benachbarten Einzelaufnahmen algorithmisch Übereinstimmungen von Oberflächenmerkmalen im Überlappungsbereich gesucht und die Einzelaufnahmen an diesen Überlappungsbereichen zu einem gemeinsamen Modell zusammengesetzt.
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Bei der Zusammensetzung der Einzelaufnahmen der Teilbereiche kann es zu Fehlern kommen, welche mit der Anzahl der Aufnahmen proportional ansteigen und welche sich im Rahmen der Fehlerfortpflanzung zu einem Verkettungsfehler summieren. Werden hierbei wenige Einzelaufnahmen zusammengesetzt, liegt der Verkettungsfehler bei bekannten intraoralen 3D-Scannern im einstelligen bis unteren zweistelligen Mikrometerbereich.
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Der Fehler hängt hierbei nicht nur von der Anzahl der zusammengesetzten Einzelaufnahmen ab, sondern auch davon, wie viele eindeutige Oberflächenmerkmale im Überlappungsbereich der Einzelaufnahmen identifiziert werden können. So besitzen Backenzähne mit ihren Fissuren viele eindeutige Oberflächenmerkmale und glatte Frontzähne nur sehr wenige. Dies führt insbesondere dazu, dass bei einem Scan des gesamten Zahnbogens mit Einzelaufnahmen über die Frontzähne mit nur wenigen Oberflächenmerkmalen hinweg die Fehlerfortpflanzung und somit der Verkettungsfehler deutlich zunehmen.
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Dadurch fällt dann die Gesamtgenauigkeit bekannter intraoraler 3D-Scanner bei einem Scan des kompletten Zahnbogens in den dreistelligen Mikrometerbereich ab. Diese Ungenauigkeit macht sich dann maximal in der relativen Lage der rechten und linken Backenzähne bemerkbar, weil hier nur eine relative räumliche Beziehung über die dazwischenliegenden Zähne und Einzelaufnahmen mit Verkettungsfehler hergestellt werden kann. Dies stellt das Kernproblem bekannter intraoraler 3D-Scanner dar und kann zu Problemen bei der weiteren Verarbeitung und Nutzbarkeit der so gewonnenen 3D-Daten von größeren gescannten intraoralen Bereichen oder auch eines gesamten Zahnbogens führen.
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Sind in einzelnen Bereichen des Kiefers ggf. auch keine Zähne vorhanden, so können je nach Indikation, wenn z.B. nur noch sehr konturloses Zahnfleisch vorhanden ist, auch keine oder nur sehr wenige Oberflächenmerkmale in den Einzelaufnahmen bei der Zusammensetzung identifiziert werden. Hier ist dann eine Erfassung des gesamten Zahnbogens nicht mehr oder nur sehr eingeschränkt und ungenau möglich.
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Wie hoch der Verkettungsfehler letztendlich ist, hängt auch von der Qualität der verwendeten Sensoren ab. Die Verkettungsfehler verschiedener intraoraler 3D-Scanner wurde in „Park et al.“ (s.o.) untersucht.
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Des Weiteren kann es durch Ungenauigkeiten bei der Positionierung des intraoralen 3D-Scanners bei der Ausrichtung für die jeweiligen Einzelaufnahmen zu weiteren Fehlern kommen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Verkettungsfehler bei Aufnahmen eines intraoralen 3D-Scanners zu minimieren und die Bedienung zu vereinfachen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem intraoralen 3D-Scanner der eingangs genannten Art vor, dass mindestens zwei 3D-Sensoren derart am Grundkörper angeordnet sind, dass sich die Sichtfelder der mindestens zwei 3D-Sensoren nicht überschneiden, wobei vorzugsweise die von den Sichtrichtungen der 3D-Sensoren aufgespannte Ebene orthogonal zu einer Ebene steht, in der die Längsachse des Grundkörpers verläuft.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hierbei die Sichtrichtungen von mindestens zwei 3D-Sensoren, bezogen auf eine Ebene, in der die Längsachse des Grundkörpers verläuft, spiegelsymmetrisch.
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Des Weiteren schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei welchem ein erfindungsgemäßer intraoraler 3D-Scanner verwendet wird
- - und die mindestens zwei 3D-Sensoren, deren Sichtfelder sich nicht überschneiden, initial kalibriert werden,
- - der Grundkörper in den Mundraum eines Patienten geführt wird
- - und mittels der zwei 3D-Sensoren synchron erste Aufnahmen mindestens eines ersten und eines zweiten Teilabschnitt des Zahnbogens des Patienten erstellt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Konzept eines intraoralen 3D-Scanners werden die 3D-Daten eines zu scannenden intraoralen Objektes synchron von mindestens zwei oder mehr Flächen des Objektes in separaten Erfassungsbereichen optimalerweise mit maximaler Entfernung zueinander aufgenommen. Das Sensorsystem ist dabei am Grundkörper derart angeordnet, dass dieser sich in den Mund eines Patienten intraoral einführen lässt, um hier die 3D-Daten zu erfassen. Die Erfassung der Daten aller 3D-Sensoren des Sensorsystems erfolgt dabei synchron. Durch diese synchrone Aufnahme und durch eine gemeinsame Kalibration aller 3D-Sensoren ist die jeweilige räumliche Lage der Sensoren zueinander bekannt und somit auch die jeweilige relative räumliche Lage der von jedem 3D-Sensor synchron aufgenommenen 3D-Daten. Durch diese bekannte räumliche Lage können die aufgenommenen 3D-Daten der jeweiligen 3D-Sensoren direkt in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst werden, ohne diese über die Identifizierung von Oberflächenmerkmalen und Überlappungen im Erfassungsbereich zusammenführen zu müssen. Dies ermöglicht, je nach Ausrichtung der 3D-Sensoren, bei mindestens zwei verwendeten Sensoren z. B. die synchrone Aufnahme der linken und rechten Backenzähne von oben oder aus leicht lingualer bzw. palatinaler Richtung. Hierdurch können 3D-Daten der rechten und linken Backenzähne direkt in einem Koordinatensystem erfasst werden. Dies bietet gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten intraoralen 3D-Scannern den Vorteil, dass die Backenzähne direkt in einem Koordinatensystem erfasst werden, ohne dabei Einzelaufnahmen aller dazwischenliegenden Zähne anfertigen zu müssen und diese mit dem daraus resultierenden Verkettungsfehler zusammenzuführen. Hierzu sind die 3D-Sensoren vorzugsweise derart angeordnet, dass hierbei die Sichtrichtungen von mindestens zwei 3D-Sensoren, bezogen auf eine Ebene, in der die Längsachse des Grundkörpers verläuft, spiegelsymmetrisch sind.
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Um weitere Bereiche des Zahnbogens neben den zuvor beschriebenen Backenzähnen aufzunehmen, können die Erfassungsbereiche der einzelnen 3D-Sensoren des Sensorsystems schrittweise über die Backenzähne mesial in Richtung der Eckzähne verlagert werden. Unter der Verwendung von mindestens zwei 3D-Sensoren des Sensorsystems können so jeweils mindestens paarweise 3D-Daten vom rechten und linken Bereich des Zahnbogens erfasst werden. Diese paarweisen 3D-Daten können als eine Einzelaufnahme angesehen werden, weil die 3D-Daten, wie zuvor beschrieben, direkt in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst werden.
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Um diese Einzelaufnahmen in einem gemeinsamen Modell des Objektes zusammenzufassen, können, wie beim Stand der Technik, algorithmisch Übereinstimmungen von Oberflächenmerkmalen im Überlappungsbereich gesucht und die Einzelaufnahmen an diesen Überlappungsbereichen nach und nach zu einem gemeinsamen Modell zusammengesetzt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik erstrecken sich die Überlappungsbereiche jedoch nicht nur auf einen begrenzten Erfassungsbereich auf einer Seite des Zahnbogens und im Extremfall auf einen Zahn, sondern auf die Überlappungen der Erfassungsbereiche auf beiden Seiten des Zahnbogens aller synchron aufnehmenden 3D-Sensoren.
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Dies bewirkt, dass mindestens doppelt so viele Oberflächenmerkmale in den jeweiligen Überlappungsbereichen vorhanden sind. Zudem stammen die 3D-Daten von verschiedenen, weit entfernten Flächen des aufzunehmenden Objektes, was eventuell auftretenden Winkelfehlern bei der Zusammensetzung der Einzelaufnahmen entgegenwirkt.
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Dies und die größere Anzahl verwertbarer Oberflächenmerkmale reduziert im Gesamten den Verkettungsfehler bei der Zusammensetzung der so gewonnenen Einzelaufnahmen erheblich. Darüber hinaus sind weitere Aufnahmen, die mindestens paarweise verschiedene Bereiche des Zahnbogens erfassen, unter der Verwendung von mindestens zwei 3D-Sensoren des Sensorsystems denkbar.
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So können die Sensoren derart platziert werden, dass von oben oder aus leicht lingualer bzw. palatinaler Richtung Front- und Backenzähne direkt in einem gemeinsamen Koordinatensystem aufgenommen werden. Die so entstandene gemeinsame Einzelaufnahme der Front- und Backenzähne kann dann über Oberflächenmerkmale der Fissuren im Backenzahnbereich mit den restlichen 3D-Daten zusammengeführt werden, ohne dass die wenigen Oberflächenmerkmale der Frontzähe bei der Zusammenführung durch Verkettungsfehler auf die Gesamtgenauigkeit einen negativen Einfluss haben. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten intraoralen 3D-Scannern.
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Wenn hinreichend viele Bereiche des Zahnbogens erfasst wurden, kann hieraus ein präzises Modell des Zahnbogens zusammengeführt werden, wobei der Verkettungsfehler, wie zuvor beschrieben, deutlich minimiert ist.
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Lücken in diesem Modell können dann im Anschluss mit weiteren Einzelaufnahmen des Zahnbogens durch mindestens einen der Sensoren aufgefüllt werden, sodass ein vollständiges Modell erstellt werden kann. Diese Einzelaufnahmen müssen dann zwar mit dem zuvor erfassten Modell zusammengefügt werden, jedoch wird der Verkettungsfehler auch hier deutlich reduziert, da nur Lücken des erfassten Objektes aufgefüllt werden.
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Des Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen intraoralen 3D-Scanner auch möglich, Bereiche intraoral zu erfassen, die je nach Indikation nur wenige Oberflächenmerkmale aufweisen, z. B. wenn in einzelnen Bereichen nur noch sehr konturloses Zahnfleisch vorhanden ist.
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So kann das Sensorsystem so platziert werden, dass unter Verwendung von mindestens zwei 3D-Sensoren des Sensorsystems Bereiche intakter Zähne mit vielen Oberflächenmerkmalen, z. B. der Backenzähne, und einer Indikation mit wenigen Oberflächenmerkmalen, z. B. von Zahnfleisch, in einem Koordinatensystem synchron aufgenommen werden. Die so entstehende Einzelaufnahme der Indikation und der Backenzähne kann dann über Oberflächenmerkmale der Fissuren im Backenzahnbereich mit den restlichen 3D-Daten zusammengeführt werden, ohne dass die wenigen Oberflächenmerkmale der konturlosen Indikation bei der Zusammenführung durch Verkettungsfehler auf die Gesamtgenauigkeit einen negativen Einfluss haben. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten intraoralen 3D-Scannern.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch eine 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen intraoralen 3D-Scanners und eines ersten Zahnbogens;
- 2: schematisch eine Draufsicht des intraoralen 3D-Scanners und des Zahnbogens aus 1 (links) sowie eine Draufsicht auf den Zahnbogen mit markierten Erfassungsbereichen (rechts);
- 3: schematisch eine Draufsicht des intraoralen 3D-Scanners aus 2 in einer anderen Ausrichtung und des ersten Zahnbogens aus 2 (links) sowie eine Draufsicht auf den ersten Zahnbogen mit markierten Erfassungsbereichen (rechts);
- 4: schematisch eine Draufsicht des intraoralen 3D-Scanners aus 2 in einer weiteren Ausrichtung und des ersten Zahnbogens aus 2 (links) sowie eine Draufsicht auf den ersten Zahnbogen mit markierten Teilabschnitten (rechts);
- 5: schematisch eine Draufsicht des intraoralen 3D-Scanners aus 2 und eines zweiten Zahnbogens (links) sowie eine Draufsicht auf den zweiten Zahnbogen mit markierten Erfassungsbereichen (rechts);
- 6: schematisch eine Draufsicht des intraoralen 3D-Scanners aus 2 und eines dritten Zahnbogens (links) sowie eine Draufsicht auf den dritten Zahnbogen mit markierten Erfassungsbereichen (rechts);
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1 bis 6 zeigen schematisch einen erfindungsgemäßen intraoralen 3D-Scanner 1, beim Scannen verschiedener Zahnbögen 2a, 2b, 2c.
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1 und 2 zeigen hierbei im Speziellen ein Ausführungsbeispiel zur Aufnahme eines ersten Zahnbogens 2a mit linken und rechten Backenzähnen 3, 4. Der intraorale 3D-Scanner 1 weist einen länglichen, im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 5 auf, der sich entlang einer Achse A erstreckt. Am Grundkörper 5 ist ein Sensorsystem mit zwei bildgebenden 3D-Sensoren 6a, 6b angeordnet. Die 3D-Sensoren 6a, 6b sind gegenüberliegend bezogen auf die Achse A des Grundkörpers 5 positioniert, sodass die Sichtrichtungen der 3D-Sensoren 6a, 6b, bezogen auf eine Ebene, in der die Achse A verläuft, spiegelsymmetrisch sind. Die 3D-Sensoren 6a, 6b stehen kommunikativ mit einer hier nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit in Verbindung.
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Mittels des intraoralen 3D-Scanners 1 und dessen 3D-Sensoren 6a, 6b lassen sich in diesem Beispiel 3D-Daten in Form von Aufnahmen zweier Teilabschnitte des Zahnbogens 2a, welche hier die Backenzähne 3, 4 umfassen, von oben aus lingualer Richtung in zwei separaten, sich nicht überschneidenden Erfassungsbereichen 7a, 7b aufnehmen.
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Durch eine gemeinsame Kalibration der 3D-Sensoren 6a, 6b ist deren jeweilige räumliche Lage zueinander bekannt und somit auch die jeweilige relative räumliche Lage der von jedem 3D-Sensor 6a, 6b synchron aufgenommenen 3D-Daten. Durch die bekannte räumliche Lage der 3D-Sensoren 6a, 6b am Grundkörper 5 können die aufgenommenen 3D-Daten direkt in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst werden. Um weitere Bereiche des Zahnbogens 2a neben den zuvor beschriebenen Backenzähnen 3, 4 erfassen zu können, werden die Erfassungsbereiche der einzelnen Sensoren 6a, 6b schrittweise über die Backenzähne mesial in Richtung der Eckzähne 8, 9 des Zahnbogens 2a verlagert. So können 3D-Daten in weiteren Erfassungsbereichen 10a, 10b, 11a, 11b aufgenommen werden, wobei die 3D-Daten aus den jeweiligen Erfassungsbereichen (7a, 7b und 10a, 10b sowie 11 a, 11b) jeweils in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst werden und als Einzelaufnahmen zu betrachten sind.
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Um diese Einzelaufnahmen in einem gemeinsamen Modell des Objektes zusammenzufassen, können algorithmisch Übereinstimmungen von Oberflächenmerkmalen im Überlappungsbereich von den benachbarten Erfassungsbereichen (7a zu 10a, 10a zu 11a sowie 7b zu 10b, 10b zu 11b) gesucht und die Einzelaufnahmen an diesen Überlappungsbereichen zu einem gemeinsamen Modell zusammengesetzt werden.
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Darüber hinaus sind weitere Aufnahmen, die mindestens paarweise verschiedene Bereiche des Zahnbogens 2a erfassen, in diesem Ausführungsbeispiel denkbar. Wie in 3 dargestellt, kann der erfindungsgemäße intraorale 3D-Scanner 1 so platziert werden, dass die Sensoren von oben aus lingualer Richtung Frontzähne 12, 13 und Backenzähne 3, 4 in den weiteren Erfassungsbereichen 14a, 14b, 15a, 15b aufnehmen.
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Hierbei werden die 3D-Daten aus den Erfassungsbereichen 14a, 14b und 15a, 15b jeweils in einem gemeinsamen Koordinatensystem erfasst und sind als Einzelaufnahmen zu betrachten. Die so entstandenen gemeinsamen Einzelaufnahmen der Frontzähne 12, 13 und Backenzähne 3, 4 können dann über Oberflächenmerkmale der Fissuren im Backenzahnbereich mit den restlichen zuvor aufgenommenen 3D-Daten zu einem Modell zusammengefügt werden.
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Lücken in diesem Modell können dann im Anschluss mit weiteren Einzelaufnahmen des Zahnbogens 2a mit mindestens einem 3D-Sensor 6a, 6b des Sensorsystems aufgefüllt werden und ein vollständiges Modell kann so erstellt werden.
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Hierzu wird, wie in 4 schematisch dargestellt, nur ein 3D-Sensor 6a des intraoralen 3D-Scanners 1 zur Datenaufnahme genutzt. Mit dem 3D-Sensor 6a werden dann Einzelaufnahmen des Zahnbogens 2a in weiteren Erfassungsbereichen 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 erstellt, um Lücken in dem zuvor erstellten hinreichenden Modell zu füllen und ein vollständiges Modell des zu scannenden Zahnbogens 2a zu erhalten. Neben der hier in diesem Ausführungsbeispiel schematisch illustrierten Nutzung von nur einem 3D-Sensor 6a ist in einer weiteren Ausführung auch der mechanische Wechsel der Sensorik zur Erstellung der Einzelaufnahmen denkbar. Hier würde dann vor der Aufnahme des gesamten Zahnbogens zur Erstellung des vollständigen Modells die Sensorik des intraoralen 3D-Scanners gegen ein Sensorsystem getauscht, welches nur einen 3D-Sensor beinhaltet, und mit diesem würden die Einzelaufnahmen zur Vervollständigung des hinreichenden Modells erstellt.
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Des Weiteren ist es mit dem hier erfindungsgemäßen intraoralen 3D-Scanner 1 möglich, je nach Indikation auch Bereiche zu erfassen, die wenige Oberflächenmerkmale aufweisen, z. B. wenn in einzelnen Bereichen eines Zahnbogens 2b nur noch sehr konturloses Zahnfleisch vorhanden ist, wie in 5 dargestellt. So kann der intraorale 3D-Scanner 1 so platziert werden, dass die 3D-Sensoren 6a, 6b Bereiche intakter Zähne, hier der Backenzähne 3, und von Zahnfleisch 25 mit wenigen Oberflächenmerkmalen mit den jeweiligen Erfassungsbereichen 26a, 26b in einem Koordinatensystem aufnehmen.
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Die so entstehende Einzelaufnahme des Zahnfleisches 25 und der Backenzähne 3 kann dann über Oberflächenmerkmale der Fissuren im Backenzahnbereich mit den restlichen 3D-Daten des hinreichenden Modells zusammengeführt werden, ohne dass die wenigen Oberflächenmerkmale des Zahnfleisches bei der Zusammenführung durch Verkettungsfehler auf die Gesamtgenauigkeit einen negativen Einfluss haben.
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Neben der zuvor schematisch illustrierten und beschriebenen Erfassung von Zahnfleisch 25 zusammen mit Bereichen intakter Zähne, hier der Backenzähne 3, ist in gleicher Weise auch die Aufnahme weiterer konturloser Bereiche, z. B. wie in 6 dargestellt mit enthaltenen Implantaten 27, oder die Erfassung weiterer konturloser Indikationen denkbar.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- intraoraler 3D-Scanner
- 2
- Zahnbogen
- 3,4
- Backenzahn
- 5
- Grundkörper
- 6
- 3D-Sensor
- 7
- Erfassungsbereich
- 8, 9
- Eckzahn
- 10, 11
- Erfassungsbereich
- 12, 13
- Frontzahn
- 15-24, 26
- Erfassungsbereich
- 25
- Zahnfleisch
- 27
- Implantat
