DE19604262A1

DE19604262A1 - Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenform von Körpern sowie eine Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19604262A1
Application number: DE1996104262
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medizintechnik GmbH
Current assignee: Zebris Medizintechnik GmbH
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-08-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenform von Körpern sowie eine Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren sowie eine solche Meßeinheit ist bekannt (DE-42 16 458). Hierbei wird ein Matrixstempel verwendet, mit dem man einen Teil der Körperoberflächen des Körpers bestimmen kann. Dann muß der Stempel abgehoben und für ein neues Einzelbild an den gerade abgetasteten Bereich angrenzenden Teil aufgesetzt werden, wobei dann wiederum ein Einzelbild der Körperoberfläche gebildet wird. Die Einzelbilder müssen rechnerisch zu einem Gesamtbild der Oberflächenform berechnet werden. Die Referenzfläche des Matrixstempels wird hierbei von der stationären Einheit akustisch, magnetisch oder optisch bestimmt. Im ersten Falle werden die Laufzeiten von Schallimpulsen von Schallsendern/-empfängern unbekannter Raumposition zumindestens drei Schallempfänger/-sender bekannter Raumposition bestimmt. Durch die Kenntnis der
Schallgeschwindigkeit in ruft können die Raumpositionen der Meßpunkte der Referenzfläche unbekannter Raumpositionen bestimmt werden. Bei dem magnetischen Prinzip werden von der stationären Meßeinheit ein Wechselfeld abgegeben. Am Punkt unbekannter Raumposition sind mehrere unterschiedlich ausgerichtete Spulen angeordnet. Durch die unterschiedlich induzierten Spannungen kann die relative Raumposition der beweglichen Meßvorrichtung bezüglich der stationären errechnet werden. Bei dem optischen Prinzip werden die Meßpunkte der Referenzfläche der beweglichen Meßvorrichtung von selbstleuchtenden Markern, z. B. Lämpchen oder reflektierenden Markern über elektrische Kameras aufgenommen. Zur dreidimensionalen Aufnahme sind zwei Kameras erforderlich. Über ein Rechenverfahren wird aus den Bildinformationen die dreidimensionale Position der Meßpunkte (Marker) bestimmt.

Von Nachteil bei diesem bekannten Verfahren und der Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens ist die aufwendige Rechenarbeit zur Erstellung des Gesamtbildes aus den Einzelbildern. Hinzu kommt, daß die richtige Handhabung, nämlich das Setzen des Stempels zweckmäßig erfolgen muß, damit sich ein richtig zusammengesetztes Bild ergibt. Die Güte des bekannten Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung desselben ist also in ganz beträchtlichem Maße von dem Geschick des Bedieners abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, welche zur Bestimmung der Oberflächenform von Körpern, insbesondere der Oberflächenform des menschlichen Körpers, z. B. der Wirbelsäule, einfacher auszugestalten.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Verfahrens sowie des Vorrichtungshauptanspruchs gelöst.

Erfindungsgemäß kann also die Anordnung der zwei oder mehr nebeneinander nach Art eines Kammes angeordneten, mittels einer Linearbewegung gegen die Rückstellkraft bewegten Stempel entlang der Wirbelsäule entlangbewegt werden. Hierbei wirken die Stempel mit den auf die Linearbewegung ansprechenden, elektrischen Sensoren zusammen. Werden die Stempel mit einer über der Rückstellkraft liegenden Anpreßkraft angedrückt an z. B. der Wirbelsäule entlangbewegt, so kann aus dem Abtastungsweg sowie der Linearbewegung der Stempel von der Recheneinheit in einem Zug ein zusammenhängendes Bild der Oberflächenform der zu messenden Körperoberfläche berechnet werden.

Bevorzugt wird also im Gegensatz zum Stand der Technik nicht ein vollständiges Flächenstück zur Erzeugung eines Teilbildes flächig abgetastet, sondern die erfindungsgemäße Meßeinheit, die nur etwa einen linearen Bereich der Körperflächenform erfaßt, quer zu deren Nebeneinanderanordnung auf einem Abtastungsweg in einem Zuge abgetastet und hierbei das Gesamtbild der Oberflächenform in einem Zuge erstellt bzw. berechnet. Ist somit von der stationären Meßvorrichtung die Position der beweglichen Meßvorrichtung berechnet worden und somit die Position deren Referenzfläche bekannt, so können die Positionen der Meßstellen der Stempel, nämlich deren eines Ende auch über Abstandssensoren zur Referenzfläche bestimmt werden. Es können hierbei resistive Wegpotentiometer oder induktive Wegsensoren eingesetzt werden. Auch ist das Prinzip, wie die Lage und Ausrichtung der Referenzfläche mit Bezug auf die stationäre Meßvorrichtung festgelegt werden kann, variabel. Es ist auch hier akustisches, magnetisches oder optisches Prinzip einsetzbar. Bevorzugt wird jedoch ein Ultraschallverfahren eingesetzt. Wenn die Position der Referenzfläche bekannt ist, so können die Positionen der Meßstellen der Stempel auf mehrfache Weise bezüglich der Referenzfläche bestimmt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden an den Stempeln, z. B. an deren den Meßstellen gegenüberliegenden Enden, Sensoren zur Positionsbestimmung derselben Art verwendet wie auf der Referenzfläche. Dadurch ist der Abstand der Meßstellen zur Referenzfläche bestimmbar. Der Aufbau und Betrieb der Meßvorrichtung wird damit vereinfacht. Beispielsweise können alle Sensoren als Ultraschallsender ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausführungsform werden hierfür beispielsweise resistive Wegpotentiometer oder induktive Wegsensoren verwendet.

Durch Veränderung der Rückstellkraft kann durch eine Änderung der Kraft der Feder beispielsweise durch entsprechende Vorspannung erzeugt werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens nach Art eines Kamms, in schematischer, perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 die bewegliche Meßvorrichtung gemäß Fig. 1, in Seitenansicht; und

Fig. 3 die Anwendung der beweglichen Meßvor vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 am menschlichen Körper mit der Auswertung der Signale durch eine Recheneinheit.

Die erfindungsgemäße Meßeinheit ist in Fig. 1 näher dargestellt. Sie besteht aus einer stationären Meßvorrichtung 48, welche die Anwendung auf den menschlichen Körper zeigt. Die stationäre Meßeinrichtung ist mit einer schematisch mit 38 bezeichneten Recheneinheit verbunden. Mit dieser ist ebenfalls über eine Leitung 36 die insgesamt mit 46 bezeichnete bewegliche Meßvorrichtung gezeigt, die in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt ist.

Die bewegliche Meßvorrichtung weist vier nebeneinander nach Art eines Kammes angeordnete, mit einer Linearbewegung gegen die Rückstellkraft einer Feder bewegte Stempel 50 auf. Die Stempel wirken mit auf die Linearbewegung ansprechenden Sensoren 52 zusammen, die beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel die Sensoren 52 Ultraschallgeber bzw. Empfänger sind. Demgemäß müssen in der stationären Meßvorrichtung 48 auch Ultraschallsensoren als Empfänger bzw. Geber angeordnet sein. An ihrem in der Zeichnung - unteren - Ende sind die Stempel 50 als Meßstelle 54 ausgebildet. Mit diesen Meßstellen wird die bewegliche Meßeinrichtung längs der zu vermessenden Körperoberfläche entlang eines vorzugsweise quer zu der Nebeneinanderanordnung der Stempel verlaufenden Abtastweges abgetastet. Ferner werden von auf der beweglichen Meßvorrichtung angeordneten drei Meßpunkten 56 eine Referenzfläche 58 festgelegt, deren Lage von der stationären Meßvorrichtung 48 festgestellt werden kann.

Die Lage der Sensoren 52 an den Stempeln 50 werden beim Bewegen der Meßstellen 54 über die zu messende Körperoberfläche bezüglich der Referenzfläche 58 mittels einer Linearbewegung wegbewegt. Diese Abstandsänderungen mit Bezug auf die Referenzfläche 58 kann ebenfalls von der stationären Meßvorrichtung 48 festgestellt werden. Wird nunmehr die bewegliche Meßvorrichtung 46 quer zur Anordnung der Stempel 50 in Abtastrichtung 60 bewegt, so können aus dem Abtastweg 60 und der Linearbewegung der Meßstellen 54 der Stempel 50 von der Recheneinheit 38 und damit zusammenhängendes Bild der Oberflächenform bei einem einzigen Meßvorgang berechnet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenform von Körpern, insbesondere der Oberflächenform des Rückens des menschlichen Körpers, z. B. im Bereich der Wirbelsäule, mit einer Meßeinheit, bestehend aus einer stationären sowie einer beweglichen Meßvorrichtung, welche letztere eine auf Abstands- bzw. Wegänderungen bezüglich einer Referenzfläche reagierende Anordnung von elektrischen Sensoren aufweist, wobei diese mit einer Meßstelle gegen die zu messende Oberfläche des Körpers angedrückt werden, wobei die bewegliche Meßvorrichtung eine Einrichtung aufweist, mit denen die Raumposition der beweglichen Meßvorrichtung und damit die Raumposition der Referenzfläche mittels der stationären Meßvorrichtung bestimmt wird, wobei gegebenenfalls an dem zu vermessenden Körper zusätzliche Referenzpunkte befestigt werden, zu denen die Raumposition der Referenzfläche in bezug gesetzt wird und wobei die gemessene Körperoberfläche und die Raumposition der Referenzfläche einer die Oberflächenform aus diesen Werten bestimmenden Recheneinheit zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß die bewegliche Meßvorrichtung (46) zwei oder mehr nebeneinander nach Art eines Kamms angeordnete, eine Linearbewegung gegen eine Rückstellkraft aus führende Stempel (50) aufweist,
- daß die Stempel (50) mit den auf die Linearbewegung ansprechenden, elektrisch ausgebildeten Sensoren (52) zusammenwirken,
- daß die Stempel (50) an ihrem einen Ende die Meßstellen (54) bilden und gegen die Rückstellkraft auf die Körperoberfläche und quer zu ihrer Nebeneinanderordnung entlang des Abtastweges (60) der zu vermessenden Körperoberfläche unter deren Abtastung geführt werden
- und daß aus dem Abtastungsweg und der Linearbewegung der Stempel (50) von der Recheneinheit (38) ein zusammenhängendes Bild der Oberflächenform der Körperoberfläche gebildet wird.

2. Meßeinheit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Meßvorrichtung (46) zwei oder mehr nebeneinander nach Art eines Kammes angeordnete, mit einer Linearbewegung gegen eine Rückstellkraft bewegte Stempel (50) aufweist, daß die Stempel (50) mit den auf die Linearbewegung ansprechenden elektrischen Sensoren (52) zusammenwirken, wobei die an ihrem einen Ende die Meßstelle (54) bildenden Stempel (50) gegen die Rückstellkraft auf die Körperoberfläche und quer zu ihrer Nebeneinanderanordnung entlang des Abtastweges der zur vermessenden Körperoberfläche unter deren Abtastung geführt werden, daß die stationäre Meßvorrichtung (48) die Raumposition der beweglichen Meßvorrichtung mittels einer Einrichtung und damit die Raumposition der Referenzfläche (58) bestimmt, daß gegebenenfalls an dem zu vermessenden Körper zusätzlich Referenzmeßpunkte befestigt sind, zu denen sowohl die Raumposition jedes Stempels (50) als auch der Referenzfläche (58) in bezug gesetzt werden kann, und daß eine Recheneinheit (38), mit der die bewegliche Meßvorrichtung (46) und die stationäre Meßvorrichtung (48) verbunden sind, zur Bestimmung der Oberflächenform mittels der Linearbewegung und des Abtastweges bei einem Durchgang vorgesehen ist.

3. Meßeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Festlegung der Referenzfläche (58) an der beweglichen Meßvorrichtung (46) elektrische, magnetische, optische oder akustische Geber/Empfänger enthält, deren Raumposition und damit die Raumposition der Referenzfläche (58) über die stationäre Meßvorrichtung bestimmbar ist.

4. Meßeinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung vorzugsweise drei Meßpunkte (56) aufweist.

5. Meßeinheit nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel (50) vorzugsweise an ihren der Meßstelle fernen Enden als elektrische Sensoren zur Positionsbestimmung elektrische, magnetische, optische oder akustische Geber/Empfänger aufweist.

6. Meßeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Sensoren (52) an den Stempeln (50) von der gleichen Art sind, wie die elektrischen Sensoren (56) der Referenzfläche (58).

7. Meßeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel zur Bestimmung der Lage ihrer Meßstelle bezüglich der Referenzfläche Sensoren aufweisen, welche den Abstand zu der Referenzfläche (58) bestimmen und die auf einem resistiven, magnetischen, optischen, induktiven oder kapazitiven Meßprinzip beruhen.

8. Meßeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel (50) quer, vorzugsweise rechtwinklig zu der Referenzfläche (58) bewegbar sind.

9. Meßeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden der Stempel (50) befindlichen Meßstellen (54) mit Rollen oder in Bewegungsrichtung ausrichtbaren Räder zur Verminderung des Gleitwiderstandes versehen sind.

10. Meßeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft der bewegten Stempel (50) einstellbar ist.