DE3126911A1

DE3126911A1 - "vorrichtungen zur beruehrungslosen ein-bis dreidimensionalen vermessung von kiefer bzw. kiefergelenkbewegungen"

Info

Publication number: DE3126911A1
Application number: DE19813126911
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.Dr. 8700 Würzburg Klett
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE3126911C2

Description

Vorrichtungen zur berührungslosen ein-bis dreidimensionalen
Vermessung von Kiefer- bzw.Kiefergelenkbewegungen Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur berührungslosen ein- bis dreidimensionalen Vermessung von Kiefer- bzw.
Kiefergelenkbewegungen mit Hilfe von Meßeinrichtungen, die optoelektronische Signalgeber und Signalempfänger aufweisen, zwischen denen Lichtsignale direkt oder über einen zur Meßeinrichtung gehörenden Reflektor übertragen werden, bei der am Unterkiefer eines Patienten ein Teil der Meßeinrichtung angebracht ist.
Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus der DE-OS 28 25 204 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung bestehen die Signalempfänger aus Platten, an denen eine Vielzahl von Fototransistoren angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Licht wird vonoptoelektronischen Signalgebern, nämlich Fotodioden abgegeben. Die Vermessung in jeder Raumrichtung ist bei dieser Vorrichtung dadurch möglich, daß das von den Fototransistoren empfangene integrale Signal vom Abstand der Fototransistoren zur Lichtquelle abhängig ist.
Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß das Meßsignal insbesondere bei großen Abständen zwischen Signalgeber und Signalempfänger leicht durch Störlicht verfälscht werden kann und daß keine Linearität zwischen Meßsignal und Abstand zwischen Signalgeber und Signalempfänger besteht. Eine Linearisierung ist mit Hilfe von elektronischen Korrekturschaltungen nur mit großem Aufwand und nur näherungsweise erreichbar.
Weiterhin ist bei dieser Vorrichtung der Aufbau der Platten mit vielen Signalempfängern bzw. auch mit den Signalgebern verhältnismäßig kompliziert.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und keine höheren Anforderungen an die Auswerteschaltung stellt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.
Wesentlich bei der Erfindung nach Anspruch 1 ist ein Signalempfänger - mit einer Positionsempfindlichkeit quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung nach Anspruch 1 ergeben sich mehrere Vorteile. Es wird ein hohes Auflösungsvermögen bis mindestens 10/um und besser erreicht. Gleich -zeitig kann bei Verwendung handelsüblicher ein- oder zwei -achsiger po sitionsempfindlicher Signalempfänger bis zu einigen Zentimetern ohne besonderen schaltungstechnischen Aufwand eine sehr gute Linearität zwischen Meßsignal und Relativbewegung des Signalempfängers quer zum Lichtstrahl erreicht werden. Größere Linearitätsbereiche sind für die Diagnostik von Kiefer- bzw. Kiefergelenkbewegungen nicht erforderlich. Ein besonderer Vorteil bei Verwendung eines zweiachsigen positionsempfindlichen Signalempfängers liegt darin, daß mit einem Sender und einem Empfänger eine präzise und unkomplizierte Vermessung in zwei Raumdimensionen möglich ist, da die Ausgangssignale des Signalempfängers ein direktes Maß für Verschiebungen in den betreffenden Raumrichtungen sind. Bei den handelsüblichen positionsempfindlichen Signalempfängern läßt sich durch bekannte Schaltungsmaßnahmen relativ einfach eine wirkungsvolle Fremdlichtkompensation durchführen.
Eine sehr gute Linearität und ein hohes Auflösungsvermögen lassen sich bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 auch erreichen, wenn als lichtempfindliche Signalempfänger beispielsweise Quadrantenfotodetektoren oder kontinuierlich messende lineare positionsempfindliche Dioden (LPD) mit ein-oder zweiachsiger Positionsempfindlichkeit verwendet werden, deren analoge Ausgangssignale den Positionsverschiebungen des auftreffenden Lichtstrahls proportional sind.
Für digitale Neßwerterfassung sind Ladungsverschiebungs vorrichtungen wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) besonders vorteilhaft. Diese Vorrichtungen sind in winzige diskrete lichtempfindliche Flächenelemente (ca.1O/um x 10/um) unterteilt. Die Ausgangssignale werden wie bei Bildsensoren verarbeitet und stehen in digitaler Form zur Verfügung, was die Verarbeitung der Signale mit Hilfe von Rechnern sehr vereinfacht.
Gegebenenfalls können vor diese Bildsensoren optische Abbildungssysteme geschaltet werden, so daß auch Bewegungsabläufe über größere Distanzen auf einem lichtempfindlichen Signalempfänger vergrößert oder verkleinert abgebildet werden können (Halbleiterkamera, die in zwei Raumdimensionen elektrische Signale für die zu vermessenden Bewegungsabläufe abgibt).Auch bei einer Videokamera stehen am Ausgang zwei elektrische Signale für zwei senkrechte Richtungen der Bildebene zur Verfügung, die die Bewegung eines markanten Bildpunktes beschreiben können.
Bei der Lösung nach Anspruch 2 werden bei der Bewegung des Unterkiefers die Striche eines Gitters quer zur Strichrichtung optisch abgetastet und abgezählt.Dadurch ist die Zahl der empfangenen Impulse ein direktes Maß für die Größe der Kieferbewegung in einer Richtung quer zum Gitter. Der Vorteil dieses Lösungsweges ist die durch die Qualität des Gitters bestimmte Linearität und die Tatsache, daß die Signale digital vorliegen und sofort in Rechnern oder Zählern weiterverarbeitet werden können.Bei Verwendung von codierten Gittern lassen sich vorteilhaft auch absolute Positionsmessungen durchführen.
Für die Erzeugung eines gebündelten Lichtstrahles eignen sich vorzugsweise Leuchtdioden mit enger Ausstrahlcharakteristik. Deren ausgesandtes Licht kann durch Linsen -systeme noch besser gebündelt werden. Beste Ergebnisse hinsichtlich des Auflösungsvermögens lassen sich durch Verwendung von Lasern erreichen (z.B. vom Helium-Neon-Typ), da diese sehr eng gebündeltes Licht abgeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben.
Dabei zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur berührungslosen drei -dimensionalen Vermessung von Kiefer- bzw.Kiefergelenk -bewegungen mit Hilfe von zweiachsigen positionsempfindlichen Fotodetektoren, Fig. 2 eine Ausführungsform einer zweiachsigen linearen positionsempfindlichen Diode (LPD) als lichtempfindlicher Signalempfänger schräg von oben, Fig. 5 die Diode nach Fig. 2 schräg von unten, Fig. 4 die Übertragungsfunktion der positionsempfindlichen Diode nach Fig. 2 in einer Achsenrichtung, Fig. 5 eine Prinzipschaltung zur Auswertung der von einem lichtempfindlichen Signalempfänger mit zweiachsiger Positionsempfindlichkeit abgegebenen Signale und Fig. 6 eine Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen inkrementalen Vermessung von Kiefer- bzw.Kiefergelenkbewegungen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur berührungslosen dreidimensionalen Vermessung von Kiefer- bzw. Kiefergelenkbewegungen ist in der folgenden Weise aufgebaut. Mit dem Oberkiefer ist eine Stange 1 verbunden, an der zwei senkrecht aufeinanderstehende Halterungsteile 2 befestigt sind, auf denen jeweils ein lichtempfindlicher Signalempfänger 3 mit zweiachsiger Positionsempfindlichkeit angebracht ist.
Die Signalempfänger mit zweiachsiger Positionsempfindlich keit geben jeweils in zwei Richtungen, nämlich x und y bzw.
z und y ein Signal zur Auswertung in eine Auswerteschaltung ab. Am Unterkiefer ist eine Stange 4 befestigt, an der Signalgeber 5 angebracht sind. Die Signalgeber 5 geben jeweils einen gebündelten Lichtstrahl 6 ab, der senkrecht auf die lichtempfindlichen Signalempfänger 3 auftrifft.
Bei Verschiebung oder Drehung des Unterkiefers gegenüber dem Oberkiefer wird die quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls veränderte Position durch die Signalempfänger festgehalten und von dem betreffenden Signalempfänger ein x-, y-Signal oder ein y-, z-Signal abgegeben.
In Fig. 2 ist eine zweiachsige lineare positionsempfindliche Diode (LPD) schräg von oben dargestellt. Man erkennt das quadratische positionsempfindliche Gebiet 7 inmitten der Abdeckung 8.
In Fig. 3 ist die zweiachsige lineare positionsempfindliche Diode (LPD)vaiderAnschlußseite dargestellt. Sie weist für die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Achsenrichtungen x und y jeweils zwei Anschlüsse 9 bzw. 10 auf. Der Mittelanschluß 11 dient zur Spannungsversorgung.
In Fig. 4 ist die Übertragungsfunktion einer linearen positionsempfindlichen Diode (LPD) für jede Achse dargestellt.
Wie man erkennt, ist die Ubertragungsfunktion für einen weiten Bereich der Positionsverschiebung des auftreffenden Lichtstrahls linear. Auf diese Weise läßt sich mit zwei zweiachsigen linearen positionsempfindlichen Dioden eine exakte Messung mit einer Vorrichtung nach der in Fig. 1 dargestellten Art vornehmen.
Fig. 5 ist eine Prinzipschaltung zur Auswertung der Ausgangssignale einer zweiachsigen linearen positionsempfindlichen Diode dargestellt. Diese Schaltung weist eine lineare zweiachsige positionsempfindliche Diode 12 auf, deren Anschlüsse 15 und 16 für die x-Richtung mit einer Differenzbildungsschaltung 13 und deren Anschlüsse 17 und 18 für die y-Richtung mit einer weiteren Differenzbildungsschaltung 14 verbunden sind. Aus der Differenz der Ströme an den Anschlüssen 15 und 16 ergibt sich unmittelbar die x-Position und aus der Differenz der Ströme an den Anschlüssen 17 und 18 ergibt sich unmittelbar die y-Position.
Die Ausgangssignale können dann direkt zur Anzeige gebracht oder mit Hilfe eines Rechners weiter verarbeitet werden.
Die inFig. 6 dargestellte Vorrichtung weist in drei zueinander senkrechten Raumebenen Strichgitter 19 auf.Von Sendern des Meßkopfes 20 werden senkrecht auf die Ebene Lichtstrahlen ausgesandt, die von den Gittern auf den Empfänger im Meßkopf 20 reflektiert werden, so daß digitale Empfängersignale entstehen. Bei dieser Vorrichtung sind die Gitter mit dem Oberkiefer und der Meßkopf mit dem Unterkiefer verbunden.
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Claims

Patentansprüche I Vorrichtung zur berührungslosen ein- bis dreidimensionalen ermessung von Kiefer- bzw. Kiefergelenkbewegungen mit Hilfe von Meßeinrichtungen, die optoelektronische Signalgeber und Signalempfänger aufweisen, zwischen denen Lichtsignale direkt oder über einen zur Meßeinrichtung gehörenden Re -flektor übertragen werden, bei der am Unterkiefer eines Patienten ein Teil der Meßeinrichtung angebracht ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vom Signalgeber (5) ein Lichtstrahl (6) abgegeben wird, der auf einen lichtempfindlichen Signalempfänger (3) mit ein-oder zweiachsiger Positionsempfindlichkeit quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls auftrifft, so daß das Ausgangs -signal des Signalempfängers von der Relativverschiebung zwischen Signalgeber und Signalempfänger quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls abhängig ist.
2. Vorrichtung zur berührungslosen ein- bis dreidimensionalen Vermessung von Kiefer- bzw. Kiefergelenkbewegungen. mit Hilfe von Meßeinrichtungen, die optoelektronische Signalgeber und Signalempfänger aufweisen, zwischen denen Lichtsignale direkt oder über einen zur Meßeinrichtung gehörenden Reflektor übertragen werden, bei der am Unterkiefer eines Patienten ein Teil der Meßeinrichtung angebracht ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß von jedem Signalgeber (20) ein Lichtstrahl abgegeben wird, der auf ein reflektierendes oder durchlässiges Gitter (19) auftrifft, das sich relativ zum Signalgeber bewegt, so daß die Zahl der vom Gitter reflektierten oder durchgelassenen Lichtimpulse von der Relativverschiebung des jeweiligen Signalgebers zu dem zugehörigen Gitter quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls abhängig ist ( inkrementale Wegmessung)
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangssignal des Signalempfängers (3)von der Relativverschiebung des Signalempfängers quer zur Auftreffrichtung des Lichtstrahls linear abhängig ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Signalempfänger (3) ein positionsenipfindlicher Fotodetektor ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der positionsempfindliche Fotodetektor ein Quadrantenfotodetektor mit ein- oder zweiachsiger Anordnung ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der positionsempfindliche Fotodetektor eine kontinuierlich messende ein- oder zweiachsige lineare positionsempfindliche Diode (LPD) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Signalempfänger (3) eine LadungsverschiebungsvorrichtuX ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ladungsversciliebungsvorrichtung eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Signalempfänger (3) eine Videokamera ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Signal#empfänger (3) eine Kamera mit fotoelektrj schen Bildsensoren ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das reflektierende oder durchlässige Gitter (19) ein codiertes Gitter ist.
12. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der einen Lichtstrahl abgebende Signalgeber (5)eine Leuchtdiode ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der einen Lichtstrahl abgebende Signalgeber (5) ein Laser ist.