DE3829925C2 - Vorrichtung zur optischen Vermessung von Zähnen in der Mundhöhle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zur optischen Vermessung der dreidimen­ sionalen Geometrie von Zähnen in der Mundhöhle.

Die optische Vermessung der dreidimensionalen Geometrie von Zähnen im Mund des Patienten ermöglicht die Gewinnung von digitalen Konstruktionsdaten für die rechnergesteuerte Anfer­ tigung von Zahnersatz ohne Abdruck in halb- oder vollautomati­ scher numerischer Frästechnik. Zur Durchführung dieser Vermes­ sung sind im Stand der Technik verschiedene optische Meßver­ fahren bekannt:

Das sogenannte Triangulationsverfahren, auf das die EP-A2-0250993 unter Bezugnahme auf die US-PS 45 75 805 hin­ weist, ist eine Abwandlung der aus dem Vermessungswesen bekannten Entfernungsmessung, die auf dem Prinzip der Beobach­ tung eines Zielpunktes durch zwei ortsverschiedene Beobachter beruht. Aus der Größe des Parallaxwinkels zwischen den Sehstrahlen beider Beobachter und des Abstandes zwischen letzteren läßt sich durch trigonometrische Berechnung die Entfernung zum Zielpunkt bestimmen. Bei der Zahnvermessung werden anstelle der beiden Beobachter das Projektorteil und das Bildaufnahmeteil verwendet, die üblicherweise in einer Meßsonde untergebracht sind. Solche Meßsonden sind auch aus der industriellen Meßtechnik bekannt; sie dienen entweder zur punktweisen Abstandmessung oder können durch Scannen eines Lasers entlang einer Linie die relativen Höhenkoordinaten des abgetasteten Objekts entlang einer Zeile erfassen. Da als Bildaufnehmerteil üblicherweise CCD-Zeilensensoren eingesetzt werden, können Punktraster von 256 bis 4096 Bildpunkte erfaßt werden.

Das ebenfalls aus der industriellen Meßtechnik bekannte Licht­ schnitt-Verfahren ist in der FR-A1 2 562 236 sowie im Fachartikel "Abdruckloses, optisches Verfahren zur Erfassung und Wiedergabe präparierter Zahnformen" von J. Willer u. a. in ZWR, 97. Jahrgang 1988, Nr. 3, S. 240-242 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein einzelner Lichtstrich oder ein paralleles Gittermuster aus Lichtstrichen auf die Zahnoberflä­ che projiziert und unter einem Parallaxwinkel mit dem Bildaufnehmerteil beobachtet. Aus der Krümmung der Licht­ schnitt-Linien kann auf die relative Höhe zurückgerechnet werden.

Als verbesserte Variante des Lichtschnitt-Verfahrens erlaubt das sog. Phasenshift-Verfahren die vollautomatische Zahnver­ messung, ohne daß zusätzliche Angaben wie beim Lichtschnitt­ verfahren in den Rechner von Hand eingegeben werden müssen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das projizierte Gittermuster nach der ersten Aufnahme durch das Bildaufnehmerteil noch zwei oder drei weitere Male nach jeweils einer Veränderung seiner Phasenlage, d. h. einer Verschiebung um etwa 1/4-1/3 des Gitterabstandes, aufgenommen wird. Auf diese Weise kann eine wesentlich höhere Punktdichte von Höhenwerten gewonnen und störende Einflüsse, wie nicht konstante Hintergrund-Helligkeit und schwankender Streifenkontrast aufgrund lokaler Reflexions­ schwankungen, rechnerisch eliminiert werden. Bei dem aus der DE-OS 37 23 555 bekannten Phasenshift-Verfahren wird ein binäres Gittermuster, d. h. ein Gittermuster mit rechteckigem Helligkeitsverlauf quer zu den Gitterlinien, entweder interfe­ rometrisch mit einem Laser oder durch Beleuchtung eines starren Gitters erzeugt. Im letzteren Fall wird durch entsprechende Verschiebung des beleuchteten Gitters die Phasenlage des projizierten Gittermusters verändert. Bei dem in der EP-A1-0278 882 beschriebenen Phasenshift-Verfahren wird interferometrisch ein Sinusgittermuster, d. h. ein Gittermuster mit sinusförmigem Helligkeitsverlauf quer zu den Gitter­ linien, erzeugt.

Die für diese bekannten Verfahren verwendeten Vorrichtungen können konstruktionsbedingt nur für das jeweilige Verfahren eingesetzt werden. Sie sind bis auf wenige verfahrensspezi­ fische Einstellparameter, wie Scan-Frequenz, Phasen-Ver­ schiebung, Focus und Vergrößerung, nicht veränderlich. Es ist daher nicht möglich, mit der gleichen Vorrichtung mehrere dieser bekannten Verfahren sowie eine Reihe weiterer, aus der industriellen Meßtechnik bekannter optischer Meßverfahren, wie z. B. Graycode-codierte Lichtgitter, am gleichen Objekt einzu­ setzen, um deren Vorteile zu kombinieren, ihre Nachteile jedoch zu vermeiden.

Die bereits erwähnte Druckschrift EP-A-0 250 993 offenbart bspw. eine solche Vorrichtung zur optischen Vermessung von Zähnen, wobei mit Hilfe der Triangulation und einer Phasenverschiebung des aufprojizierten Referenzmusters die Zahntopographie ermittelt wird. Die eingesetzte Meßsonde liefert dem Zahnarzt während der exakten Positionierung ein Videobild als Kontrollmittel, wobei das Videobild von den zur Vermessung notwendigen Referenzstreifen befreit ist. Das referenzmusterfreie Videobild kann entsprechend der in der Druckschrift angegebenen Lehre auf mehrere Arten erfolgen. Zum einen läßt sich das Referenzgitter aus dem Strahlengang während der Suchphase entfernen. Zum anderen kann mittels einer LCD-Zelle durch Abschalten deren Steuerung, d. h. die Zelle ist vollständig lichtdurchlässig, eine musterfreie Projektion erfolgen.

Zur Durchführung des Phasenshift-Verfahrens sind in dieser Druckschrift zwei unterschiedliche Verwirklichungen aufgezeigt. Die erste Lösung besteht darin, das das Referenzmuster erzeugende Bauelement mechanisch mit Hilfe eines Piezokristalls zu verschieben. Die zweite angegebene Lösung vermeidet ein mechanisches Bewegen und benutzt zum Verschieben des Referenzmusters statt dessen die LCD-Zelle, indem die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereiche elektrisch umgesetzt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie zur Verwendung für unterschiedliche Meßverfahren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Bilderzeuger ermöglicht es, in schneller Aufeinanderfolge sowohl die unterschiedlichsten Muster ein­ schließlich derjenigen, die bei den bekannten Meßverfahren Verwendung finden, zu projizieren als auch nach unterschiedli­ chen Auswertmethoden auszuwerten. Zu den projizierbaren Mustern gehören nicht nur die aus einem oder mehreren stationären Punkten bestehenden Muster, wie sie beim Triangu­ lationsverfahren verwendet werden, sowie die aus Linien aufgebauten Mustern die aus dem Projektionsverfahren bekannt sind, sondern auch Striche, Kreise, Kreuze u. dgl., die z. B. für Kalibrierungszwecke Verwendung finden, sowie im Bildspei­ cher abgespeicherte Zahnprofile oder die Okklusionsfläche des jeweiligen gegenüberliegenden Zahnes. Die Muster können sowohl binäre als auch Sinusgitter oder Gitter mit beliebigem Helligkeitsverlauf quer zu den Gitterlinien umfassen.

Der erfindungsgemäße Bilderzeuger erlaubt auch kontinuierliche Veränderungen der Muster, beispielsweise die Veränderung des aus einem stationären Punkt bestehenden Musters durch Ver­ schieben desselben, z. B. durch Strahlabtastung mittels einer Video-Bildröhre, vorzugsweise einer Feinstrich-Bildröhre, oder die Veränderung der Phasenlage, der Gitterkonstante und/oder des Helligkeitsverlaufs eines Gittermusters, beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung eines mit Durchlicht oder Auflicht beleuchteten Flüssigkristall-Elements, das jedoch auch durch eine Diodenmatrix ersetzt werden kann. Außerdem ist es möglich, den Bilderzeuger zur Darstellung schwarz-weißer oder farbiger Muster auszubilden. Mit letzteren Mustern kann der Kontrast zwischen der Zahnoberfläche und dem Zahnfleisch optimiert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können weiterhin die Daten für zwei Muster in Gitterform mit zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten nacheinander aus dem Bildspeicher zur Ansteu­ erung des Bilderzeugers abgerufen werden, um eine mehrdeutig­ keitsfreie Grob- und Feinmessung durchzuführen.

Die Auswertung der auf den Zähnen abgebildeten Muster erfolgt nach dem jeweils bestgeeigneten Verfahren, wie z. B. dem Triangulations-Verfahren, dem Phasenshift-Verfahren, der Pho­ togrammetrie oder auch der Moir´-Technik.

Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Projektion musterfreien Gleichlichtes zwecks visueller Betrachtung und automatischer Erkennung von Schattenzonen ausgebildet sein.

Insgesamt erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Projek­ tion unterschiedlicher Muster und die Auswertung nach unter­ schiedlichen Auswerteverfahren, um die Nachteile der einzelnen Meßverfahren, wie z. B. speckles, Zweideutigkeiten usw., zu vermeiden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 eine Reihe von Mustern, wie sie mit der Vorrichtung nach Fig. 1 unter Verwendung des Phasenshift-Verfahrens ohne Mehrdeutigkeiten erzeugt werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 wird mit Hilfe einer endoskopischen Optik 1 das zu projizierende Muster auf die zu vermessende Zahnoberfläche projiziert. Eine weitere optische Strahlführung 2 leitet ein Abbild der so markierten Zahnoberfläche zu einer zweidimensionalen Videokamera 3 als Bildaufnehmerteil, das entsprechende elektrische Bildsignale an einen Rechner 4 eines Auswerteteils 4, 5 abgibt. Das oder die zu projizierenden Muster werden vom gleichen oder einem zweiten Rechner nach einem mathematischen oder graphischen Verfahren digital erzeugt, in einem Speicher 5 des Auswerte­ teils 4, 5 digital abgelegt und in ein Videosignal zur Ansteuerung eines Bilderzeugers in Form eines Flüssigkristall- Elementes 7 umgewandelt. Dieses Flüssigkristall-Element 7 stellt ein sogenanntes "elektronisch ansteuerbares Diapositiv" dar, und wird mit Hilfe einer Beleuchtungsanordnung 8 mit Gleichlicht durchstrahlt und moduliert punktweise mit hoher Auflösung und einer großen Anzahl von möglichen Graustufen das Gleichlicht. Der modulierte Lichtstrahl wird über eine Abbildungsoptik 6 in die endoskopische Optik 1 abgebildet und auf die Zahnoberfläche projiziert.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von Mustern, die mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung in schneller Aufeinanderfolge erzeugt werden können. In einem ersten Schritt wird als Muster 2.1 "alles Weiß" projiziert. Dadurch läßt sich die Ausrichtung der endoskopischen Optik 1, deren Schärfeeinstellung usw. leicht auf einem Monitor eines Bildverarbeitungssystems kontrollieren, ohne daß störende Streifen auftreten. Außerdem lassen sich durch eine reine Helligkeitsauswertung Schattenzo­ nen automatisch erkennen, in denen die spätere Vermessung unmöglich oder unsicher sein wird.

Ein zweites Muster 2.2 kann z. B. aus Markierungen bestehen, aus deren Verzerrungen Kalibrierungsdaten (Abbildungsverhältnis, Abstand zu einer Referenzebene usw.) berechnet werden können. Aus der Verzerrung einer Kreismarkierung zu einer Ellipse können die Abbildungsverhältnisse, die räumliche Lage im Hintergrund und ähnliche Daten errechnet werden, welche zur Kalibrierung des gesamten optischen Systems erforderlich sind.

Das Projektionsmuster 2.3 ist ein grobes Sinusgitter zur Durchführung eines schwachauflösenden Phasenshift-Verfahrens. Dieses Projektionsmuster wird in drei verschiedenen Phasenla­ gen a, b, c aufgenommen und ermöglicht die Erstellung eines groben Höhenbildes des zu vermessenden Zahnes. Wegen der großen Gitterkonstante treten keine Zweideutigkeiten auf. Das Projektionsmuster 2.4a, b, c besteht aus einem feineren Sinusgitter und ermöglicht eine hochauflösende Höhenmessung, allerdings mit auftretenden Mehrdeutigkeiten. Diese können mit den Meßergebnissen der Grobmessung 2.3 beseitigt werden.

Schließlich ist es möglich, eine Reihe von digital abgespei­ cherten Zahnprofilen aus einer Bildbibliothek zu entnehmen und auf den Zahn zu projizieren, um die Güte der Übereinstimmung rein visuell auf dem angeschlossenen Beobachtungsmonitor 9 zu beurteilen und ggfls. ein bereits vorhandenes Zahnmodell auszuwählen. Die Einzelheiten des Phasenshift-Verfahrens brauchen hier nicht aufgeführt zu werden, da sie dem Stand der Technik entsprechen und ausreichend publiziert sind. Ebenso werden die andern Vermessungsverfahren, wie Triangula­ tionsverfahren, Photogrammetrie, codierte Projektionsmuster u.ä., nicht erläutert, da sie als Stand der Technik publiziert sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es weiterhin, ein Referenzbild, wie z. B. das abgespeicherte Bild der Okklusions­ fläche des dem zu vermessenden Zahns gegenüberliegenden Zahnes aufzuprojizieren, (siehe Fig. 2.5), um mögliche Okklusionspro­ bleme zu begutachten. Damit kann bei Verwendung von farbtüch­ tigen LCD-Elementen, wie sie bereits als LCD-Displays von Miniatur-Fernsehgeräten der Fa. Sony kommerziell verfügbar sind, neben der Vermessung des auszubessernden Zahnes gleich­ zeitig die Okklusionsproblematik visuell vom behandelnden Arzt beurteilt werden.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, welche Fülle von neuen Möglichkeiten die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem frei-programmierbaren Bilderzeuger eröffnet im Vergleich zu den starren und eingeschränkten Möglichkeiten, welche die z. Zt. bekannten optischen Meßeinrichtungen bieten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur optischen Vermessung von Zähnen in der Mundhöhle, mit einem Projektorteil zum Projizieren eines Musters auf die Zähne, einem Bildaufnehmerteil, mit dem das auf den Zähnen abgebildete Muster aufnehmbar ist, und einem die Bildsignale auswertenden Auswerteteil zur Ermittlung der Zahntopographie, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektorteil ein mit Strahlabtastung oder mit über eine Steuermatrix aktivierbaren Bildpunkten arbeitender variabler Bildspeicher (7) ist, der durch Steuersignale des Auswerteteils (4, 5) so ansteuerbar ist, daß mehrere in ihrer Form und Auflösung unterschiedliche Muster projizierbar sind, wobei das Auswerteteil (4, 5) einen Rechner (4) und einen die mehreren unterschiedlichen Muster speichernden Musterspeicher (5) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bilderzeuger eine Videobildröhre ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bilderzeuger ein Flüssigkristall-Element (7) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristall-Element (7) als vom Licht einer Beleuchtungsanordnung (8) durchstrahltes Element ausgebil­ det ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (5) zur Ablage von Daten für wenigstens zwei Muster (2.3a, b, c und 2.4a, b, c) in Gitterform mit unterschiedlichen Gitterkonstanten geeignet ist, die nach­ einander zur Ansteuerung des Bilderzeugers (7) abrufbar sind.