DE3932151A1 - Vorrichtung zur scannenden erfassung eines innenraums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 38 12 505 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird eine photo­ graphische Abbildung der Zahnoberfläche mittels einer Ka­ mera erzeugt, bei der ein mechanisch angetriebener, linear verschiebbarer Umlenkspiegel ein Bildsignal scannend auf auf eine photoempfindliche Schicht überträgt. Nachteilig ist dabei, daß lediglich eine zweidimensionale Informa­ tion erhalten wird, die keinerlei Aussage über die Be­ schaffenheit von Cavitäten zuläßt.

Die Funktion eines aus einer Druckschrift der Firma Siemens ("CEREC - Computer-Reconstruction", Druckvermerk: 0589) bekannt gewordenen Kompaktgerätes für die computer­ gestützte Herstellung von Inlays, Onlays und Schalenver­ blendungen beruht auf einem ähnlichen optischen Vermes­ sungsprinzip. Dabei wird mittels einer manuell positio­ nierten Videoeinheit ein periodisches, bewegtes Muster pa­ ralleler Streifen auf den auszumessenden Zahn- oder Kie­ ferbereich projiziert und die tiefentypischen Verzerrungen mit einer eingebauten Kamera aufgenommen. Nachteilig hier­ bei ist neben der manuellen Kameraführung vor allem die das Videobild überlagernde Darstellung der Meßinformation, die nicht unmittelbar auswertbar ist. Die Interpretation der resultierenden graphischen Muster stellt hohe Anforde­ rungen an das räumliche Vorstellungsvermögen des behan­ delnden Zahnarztes. Wegen seiner transparenten Struktur und seiner spiegelnden Oberfläche muß der Zahnschmelz vor Anwendung des CEREC-Verfahrens mit einer dünnen Pulver­ schicht vorpräpariert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Tiefenabtastung anzugeben, die sich durch hohe Meßgenauigkeit, schnelle Verfügbarkeit der Meß­ werte und einfache Auswertbarkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß auch unter beengten Raumverhältnissen ein dreidimensional abgetaste­ tes Datenbild ableitbar ist, welches ohne manuelle Korrek­ tur in eine CAD/CAM-Anlage überführbar ist und allein prä­ zise Arbeitsergebnisse ermöglicht.

Die Ansteuermittel erzwingen einen bestimmten Bewegungsab­ lauf der Umlenkelemente und damit ein Durchmustern der Oberfläche nach dem Prinzip eines Scanners. Da den Ansteu­ ersignalen in eindeutiger Weise ebene Koordinaten (x; y) der Projektion des Meßstrahles auf die Hohlraumoberfläche zugeordnet sind, entspricht jedem Wertepaar Ansteuersig­ nal/Meßwert [(x; y)/(z)] genau ein Raumpunkt. Die Speiche­ rung der Wertepaare erfolgt vorteilhafterweise in einem RAM-Festwertspeicher, wobei die Ansteuersignale die Adreß­ werte bilden. Damit ist die Voraussetzung für eine bequeme Weiterverarbeitung der Daten gegeben.

Zur Ermittlung der Meßwerte dienen im wesentlichen her­ kömmliche optische Verfahren, wie beispielsweise das Tri­ angulationsverfahren oder das Verfahren der dynamischen Fokussierung. Dementsprechend ist der Meßstrahl ein La­ serstrahl oder ein Lichtstrahl, dessen Wellenlänge vor­ zugsweise im Infrarot-Bereich liegt. Als lichtelektrischer Empfänger ist vor allem eine Fotozellenanordnung aber auch ein CCD-Target geeignet.

Besonders geeignet ist auch ein Verfahren, wie es in der Zeitschrift "Elektronik", Nr.10, 1989, Seiten 124 bis 126 unter dem Titel "Optische Präzisions-Längenmeßtechnik" beschrieben ist. Dieses Verfahren zur berührungslosen optischen Präzisions-Längenmessung ist von der beim CD- Spieler angewandten "dynamischen Fokussierung" abgeleitet. Um Abstandsschwankungen zwischen CD-Platte und Lesekopf auszugleichen, wird die Objektivlinse des Kopfes den Bewe­ gungen der Platte mit Hilfe eines Regelkreises unter Scharfeinstellung eines Bezugsobjekts in Form eines pro­ jizierten Lichtpunkts derart nachgeführt, daß der Arbeit­ sabstand konstant bleibt. Das Einstellsignal für die Nachführung der Scharfeinstellung bildet das auszugebende Meßsignal.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein in Draufsicht wiedergegebenes erstes Ausfüh­ rungsbeispiel einer Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung in schematisierter Darstellung,

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels einer Vorrichtung zur optischen Abta­ stung des Unter- bzw. Oberkiefers,

Fig. 2a die Vorrichtung gemäß Fig. 2a in Seitenansicht,

Fig. 2b ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 2a,

Fig. 2c ein Schutzgehäuse für eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 in perspektivischer Darstellung sowie

Fig. 3 eine Blockschaltbild zur Meßwertverarbeitung für die automatische Herstellung eines Zahnersatzteiles.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Abtastvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei parallelen Führungen in Form von Schienen 1 und 2, die durch in Form von Abstandhaltern ausgebildeten Streben 3 und 4 starr miteinander verbunden sind, einem auf den Schienen 1 und 2 beweglichen, eine Traverse bildenen Wagen 5 und einem auf dieser Traverse verschieblichen Läufer 6, welcher auf dem Wagen 5 senk­ recht zum Verlauf der Schienen 1 und 2 verschiebbar ist. Die Traverse 6 kann durch ihre eigene Verschiebbarkeit auf dem Wagen 5 und durch die Verschiebbarkeit des Wagens 5 jeden Punkt einer zwischen den Schienen 1 und 2 aufge­ spannten Ebene erreichen. Über einen mit dem Läufer 6 fest verbundenen Strahlführungskanal 7, der etwa die Länge ei­ ner Schiene 1 bzw. 2 aufweist, ist in einem gemeinsamen Gehäuse 9 sowohl die Strahlungsquelle als auch der Empfän­ ger des Meßstrahles 8 mit einer auf dem Läuferelement 6 befindlichen Meßeinheit 10 verbunden. Strahlungsquelle und Empfänger werden demzufolge mit dem Läufer mitbewegt. Die Meßeinheit 10 bildet eine komplette Entfernungsmeßeinrich­ tung, welche den Abstand eines unterhalb der Meßeinheit befindlichen Hindernisses ermittelt und ein Signal aus­ gibt, welches repräsentativ für diese, auf einen Punkt des Läufers bezogene Entfernung, ist. Bei einem nach dem Prin­ zip der dynamischen Fokussierung arbeitenden System, wie es in der eingangs aufgeführten Literaturstelle in der Zeitschrift "Elektronik" beschrieben ist, wird ein System, wie es dem Abtaster eines CD-Spielers entspricht, dyna­ misch nachgeführt und die bei Scharfeinstellung sich erge­ bende Positionsinformation als Abstandsmeßwert übermit­ telt.

Die Ansteuerung des Wagens 5 und des Läufers 6 erfolgt entsprechend einem Plotter über miniaturisierte elektri­ sche Antriebsmotore. Fig. 1 zeigt zwei unterschiedliche Positionen der mit Wagen 5 und Läufer 6 verschobenen Meßa­ nordnung. Der Antrieb des Wagens 5 und des Läufers 6 kann beispielsweise über Schrittmotoren 11 und 12 vorgenommen werden, deren Mitnehmer 13 und 14 jeweils eine der Schie­ nenlänge bzw. der Wagenlänge angepaßte, spindelförmige Schnecke 15 bzw. 16 in Drehung versetzen, wobei der Wagen 5 und der Läufer 6 mittels Zahnstangen in die Schnecken 15 und 16 eingreifen und dadurch bewegt werden. Die Span­ nungsverläufe der Steuerspannungen für die Motoren 11 und 12, die den einzustellenden x/y-Werten der jeweils einzu­ haltenden Position zugeordnet sind, werden von einer ex­ ternen Baugruppe 17 her zugeführt und in Form von codier­ ten Steuersignalen 17a (x-Position) und 17b (y-Position) codiert zugeführt, so daß sie vorteilhafterweise gleich­ zeitig die Adressenwerte für die spätere Speicherung der ermittelten Meßwerte (z-Position), die am Ausgang 17c er­ halten werden, bilden können. Der Läufer 6 mit dem Meßsy­ stem 10 und der Traverse des Wagens 5 entspricht in seiner Ausgestaltung der Führung eines Abtasters bei einem übli­ chen CD-Spieler, so daß die entsprechenden am Markt er­ hältlichen miniaturisierten Bauelemente großteils bei der Konstruktion benutzt werden können.

Die Abstandsabtastung kann auch nach anderen physikali­ schen Verfahren erfolgen, wobei das der Triangulation zu nennen ist. Günstig sind auch solche Verfahren, welche ein Echosignal erzeugen, dessen Verzögerung einen Rückschluß auf den Tiefenabstand zuläßt und beispielsweise mittels Ultraschall oder Mikrowelle arbeiten.

In den Fig. 2 bis 2b ist ein weiteres Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben, wo­ bei eine Abtastung in Polarkoordinaten erfolgt. Das Meßsy­ stem 10′ ist am Ende eines Arms 21 befestigt, welcher in horizontaler Richtung (r) verschieblich gelagert ist. Ein­ zelheiten einer entsprechenden Schwalbenschwanzführung 22 sind in Fig. 2b wiedergegeben. Durch diese Schwalben­ schwanzführung läßt sich trotz des aus der Drehlagerung des Arms resultierenden verhältnismäßig kurzen Füh­ rungswegs eine sichere Positionierung erzielen. Ein An­ triebsmotor 23 bewirkt mit einem Antriebsritzel, welches in Eingriff mit einer nicht näher dargestellten Verzahnung (Zahnstange, Zahnriemen) steht, auf ein Eingangssignal 17a′ hin die gewünschte Verschiebung des Arms in radialer Richtung (r). Die Drehung des Arms erfolgt mittels einer geeigneten Drehlagerung 24 über einen Antriebsmotor 25, der die Verstellung in Richtung des Winkels Φ (Signal 17b′) vornimmt. Das Ausgangssignal der Abstandsinformation a (Fig. 2a) ist wieder mit 17c bezeichnet.

Es ist ersichtlich, daß durch zeilenweises Abtasten eine komplette topografische Information über die Oberflächen­ form des Gebisses gewonnen werden kann, einschließlich der Unterseite und der Form der die jeweiligen Antipoden in der Bißgeometrie bildenden Zähne. Die Abtastung erfolgt dabei bevorzugt zeilenweise, wobei das Steuersignal für die Positionierung des Abtastkopfes 10 bzw. 10′ gleichzei­ tig ein Adressensignal für die Einspeicherung des jeweils ermittelten Meßwertes bildet.

Bei der Benutzung eines Gerätes zur Erfassung von Ober­ flächenstrukturen im Munde eines Patienten stellen sich auch hygienische Probleme. Zur Überwindung dieser Schwie­ rigkeiten ist in Fig. 2c eine transparente Umhüllung 26 aus Kunststoff wiedergegeben, welche eine Vorrichtung ge­ mäß Fig. 2 aufnehmen kann. Durch ihre flache Bauweise ist sie in den Mund des Patienten wie ein üblicher Abdrucklöf­ fel einführbar. Die Umhüllung ist als prismatischer Hohl­ körper ausgebildet, wobei die dem Gebiß benachbart anzu­ ordnende Grundfläche 27 plan ausgebildet ist. An dieser Unterseite sind drei Ansätze 28 bis 30 zu erkennen, welche mit einer struktierten, der abzutastenden Fläche zugewand­ ten Oberfläche versehen sind, die mit einem plastischen aber aushärtenden Material eine stabile aber lösbare Ver­ bindung eingehen. Auf diese Weise läßt sich die Umhüllung zur Abdruckentnahme schnell und unproblematisch fixieren. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist innerhalb der Umhüllung mit seinen Außenfläche 31 (Fig. 2b) in bezug auf Innen­ flächen 32 eines verengten Ansatzes 33 der Umhüllung 26 durch entsprechende geometrische Anpassung für die Abta­ stung fixiert, aber zum Reinigen der Umhüllung herausnehm­ bar. Auf diese Weise kann eine Reinigung der Umhüllung ge­ trennt, insbesondere durch Desinfizieren oder Sterilisie­ ren, insbesondere durch Autoklavieren, ohne großen Aufwand erfolgen.

Durch den Ansatz 33, dessen Querschnitt gegenüber dem übrigen Querschnitt der Umhüllung 26 reduziert ist, läßt sich das Gerät auch für den Patienten angenehm plazieren. Die Umhüllung kann in verschiedenen Größen für Personen unterschiedlichen Lebensalters vorrätig gehalten werden. Durch kleinere Umhüllungen ist das Gerät auch für Kinder anwendbar, da in diesem Fall der Arm auch nur kleinere Schwenkbewegungen ausführen muß, und bei entsprechender Einstellung der Steuergrößen nicht mit der Umhüllung kol­ lidiert.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 läßt sich vor­ teilhaft auch außerhalb des Mundes zur Abtastung von Abdrücken verwenden, um diese zur computergestützten Erzeugung eines Zahnersatzteils heranzuziehen. In diesem Fall ist lediglich die Orientierung der Tiefenabtastung (z) zu ändern, d.h. das Meßsignal - je nachdem, ob es in analoger oder digitaler Form vorliegt, das Meßsignal in seiner Polarität umzuschalten bzw. von einem festen Bezugswert zu subtrahieren.

In Fig. 3 ist eine Ansteuerschaltung für die Vorrichtung der Fig. 1 und 2 in Blockdarstellung wiedergegen. Wei­ terhin sind Baugruppen zur vollautomatisierten Herstellung von Zahnersatz dargestellt. Der Scanner einer mit einer Strahlungsquelle 37 verbundenen Abtastvorrichtung 38, bei­ spielsweise auf der Basis der in den Fig. 2 bis 2c dar­ gestellten Bauart, wird von einer externen Steuerung 39 derart angesteuert, daß der Meßstrahl mit einem bestimmten Bewegungsablauf über das zu vermessende Zahngebiet geführt wird. Jedem Ansteuersignal ist dabei ein eindeutiger Punkt der Scanningebene zugeordnet, so daß die Elektromotoren bei Auswahl eines zu vermessenden Punktes eine entspre­ chende Einstellung des Abtasters 10 bewirken. Die entspre­ chenden Steuerleitungen sind wiederum mit 17a und b be­ zeichnet. Die Ausgänge der Steuerschaltung 39 ist auch über eine Umcodiereinrichtung 40 mit dem Adresseneingang 41 eines RAM-Festwertspeichers 42 verbunden. Die x- und y- Steuersignale (bzw. r- und Φ-Signale bei der Ausführung gemäß Fig. 2) werden direkt in Adressensignale eines Speichers umgesetzt und können dabei beispielsweise zwei Wortteile innerhalb eines längeren Adressenworts bilden.

Die die Abstandsinformation enthaltenden Meßsignale gelan­ gen dann über eine Schaltung zur Meßwertumsetzung 43 di­ rekt in die zugeordneten, jeweils mit der Einstellung der Position des Meßkopfes 10 adressierten Speicherplätze 44. In dem Speicher sind nach abgeschlossenem Abtastvorgang sämtliche die Oberfläche beschreibenden Koordinatenangaben enthalten.

Ein mit dem Speicher 42 verbundener Rechner 45 verarbeitet zu einer geschlossenen grafischen Strukturbeschreibung, wie sie beispielsweise als Programmsprache für CAD/CAM-Sy­ steme Anwendung findet, die ermittelten und gespeicherten Koordinatenwerte der Oberflächen, wodurch das interessie­ rende Zahngebiet als Grafik auf einem angeschlossenen Mo­ nitor 46 darstellbar ist. Der Rechner 35 ist mit einer Auswerteeinheit 47 zur Ermittlung der Konturen des herzu­ stellenden Zahnersatzteiles verbunden, wobei dazu die in dem Speicher 42 enthaltenen Daten eines Idealzahnes zur Vervollständigung des Ersatzteilumrisses herangezogen wer­ den. Gleichzeitig oder stattdessen kann auch die Monitor­ grafik manuell vervollständigt werden, um die fehlende Begrenzungsfläche des Inleys, Onleys oder dergleichen festzulegen.

Die Verbindungen zwischen dem Speicher 42 und der Auswer­ teeinheit 47 sowie dem Monitor 46 und der Auswerteeinheit 47 sind wegen der alternativen oder parallelen Nutzung ge­ strichelt dargestellt. Die Ausgangsdaten der Auswerteein­ heit 47 charakterisieren einen vermessenen Negativabdruck eines Zahndefektes, der nach dentologischen Gesichtspunk­ ten manuell oder durch Vergleich derart vervollständigt wurde, daß die Umrisse des herzustellenden Zahnersatztei­ les damit gegeben sind. Diese Daten werden einem Wandler 48 zur Anpassung an das Format der Eingangsdaten einer nu­ merisch gesteuerten Werkzeugmaschine 49 zugeführt und die­ nen dann zur Ansteuerung der Werkzeugmaschine 49, insbe­ sondere einer Fräsmaschine, welche das Zahnersatzteil in individuell passender Form aus einem entsprechenden Roh­ ling herausfräst.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur scannenden, insbesondere optischen, Erfassung der Topographie eines Teils eines einseitig zu­ gänglichen Innenraums, insbesondere der Mundhöhle, gekennzeichnet durch
eine in den den Innenraum einführbare Einheit mit Ablenk- und/oder Führungsmitteln und Ansteuermitteln (29) für die Ablenkmittel zur Führung eines Meßstrahles (8 bzw. 19) zur punktweisen Abtastung vorgesehen ist, derart, daß jeder abzutastende Oberflächenpunkt des zu erfassenden Teils des Innenraumes vom Meßstrahl (8 bzw. 19) punkt- und zeilen­ weise zur Abtastung überstrichen wird,
einen Meßwertaufnehmer zur Ermittlung von Abstandsinforma­ tionen zwischen einem entsprechenden in bezug auf den Meß­ wertaufnehmer festen Abstandsbezugspunkt und einem benach­ barten Oberflächenpunkt der abzutastenden Oberfläche des Innenraums aus einem von dem Signal des Meßstrahls abge­ leiteten Signal,
einen Meßwertwandler, zur Umsetzung der Abstandsinforma­ tion in ein elektrisches Signal und
einen dem Meßwertwandler nachgeschalteten Digitalisierer zur Erzeugung von digitalen Datenwerten, die jeweils die Abstandsinformation repräsentieren, in Zuordnung zu dem Eingangssignal für die Ansteuerung der Ablenkmittel.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Ansteuer­ signal für die Ablenkmittel mindestens mittelbar ein Adressensignal für einen Speicher zum Festhalten der Abstandsinformationen bildet.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßwertermittlungseinheit (33) Abstandsmessung mit einer Rückkopplung nach dem Prinzip der Triangulation oder der dynamischen Fokussierung vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (8 bzw. 19) ein, insbesondere im Infrarotbereich liegender Laserstrahl, ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein RAM- Festwertspeicher (32) für die Speicherung der Meßwerte vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Meßstrahles (8 bzw. 19) mindestens ein scan­ nend mit Hilfe der Ansteuermittel (29) schwenkbarer Umlenkspiegel (20, 21) oder/und mindestens ein Prisma vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Doppelschlittenführung zur Führung des Meßstrahles (8) nach Art eines Plotters vorgesehen ist, wobei eine über die Ansteuermittel bestimmte, insbesondere mäanderförmige, Abtastung erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Emp­ fänger und zur Meßwertermittlung Fotodetektoren mit einer nachgeschalteten Differenzverstärkerschaltung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , da­ durch gekennzeichnet, daß als Emp­ fänger ein CCD-Target vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein für den Meß­ strahl transparentes Schutzgehäuse, das zusammen mit oder als separates Teil desinfizier- oder sterilisierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schutzgehäuse einen flachen Köcher mit einer im wesentlichen ebenen, der zu vermessenden Oberfläche zugewandten Fläche versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich der zur ver­ messenden Oberfläche zugewandten Fläche mit einer Ober­ flächenstrukturierung versehene, erhabene Bereiche zur Fixie­ rung mit einem zahntechnischen lösbaren kaltaushärtenden Kunststoff vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schutz­ gehäuse eine verringerte Breitenausdehnung im Öffnungsbereich aufweist.

14. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf in Längsrichtung verschieblich an einem dreh­ baren Arm gelagert ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit (37) zur Ermittlung der Form und der Größe von Zahnersatzteilen, insbesondere Inlays, Onlays, und Schalenverblendungen, vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Wandler (38) zur An­ passung der ausgewerteten Meßdaten an das Format der Ein­ gangsdaten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (39), insbesondere Fräsmaschine, zur Herstellung der Zah­ nersatzteile vorgesehen ist.