DE4206836C2 - Sonde zur optischen Vermessung von Zähnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Mundsonde zur 3-dimensionalen Vermessung von Zähnen in der Mundhöhle des Patienten mit Hilfe einer der Verfahren der Moir´-, Phasen- Schiebe- oder Triangulationstechnik gem. Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.

Eine Vorrichtung zur Aufnahme von 3-dimensionalen Koordinaten eines Zahns ist beispielsweise in der DE-OS 38 29 925 offenbart. Die darin beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Vermessung des Zahnes mit Hilfe verschiedener bekannter Vermessungsverfahren. Dabei wird ein von einer freiprogrammierbaren Matrix- Lichtquelle generiertes Lichtmuster über eine Abbildungsoptik auf die zu vermessende Zahnoberfläche projiziert. Das am Zahn reflektierte Licht wird über eine endoskopische Optik einer 2-dimensionalen Videokamera zugeführt, welche die Daten an einen auswertenden Bildrechner übermittelt.

Absolute 3-dimensionale Daten lassen sich mit dieser Vorrichtung nur dadurch gewinnen, daß durch manuelle Verschiebung der Sonde in unterschiedliche Aufnahmepositionen zahlreiche sich überlappende 3-dimensionale Vermessungen durchgeführt werden. Um diese Aufnahmen zu einem einzigen 3-dimensionalen Datensatz zu vereinigen, der die Konturen des kompletten Zahns wiedergibt, müssen bekannte, in jeder Ansicht sichtbare Kalibrierkörper am Zahn angebracht werden. Mit Hilfe fotogrammetrischer Verfahren lassen sich aus der jeweiligen Verformung und Lage dieser Körper die erforderlichen Transformationsvorschriften bestimmen, um die einzelnen Messungen zu einem einzigen Datensatz zu vereinigen.

EP-A2-02 50 993 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung und Darstellung der dreidimensionalen Gestalt eines präparierten Zahnes. Die darin angegebene optische Sonde verfügt über ein Bildprojektions- und ein Bildaufnahmesystem. Zur Aufnahme des Zahnes aus verschiedenen räumlichen Positionen muß diese Sonde manuell bewegt werden.

Eine weitere Vorrichtung zur Vermessung von Zähnen, die eine Sonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 umfaßt, ist in der DE-OS 39 33 994 offenbart. Mittels der darin beschriebenen Vorrichtung kann eine Zahnoberfläche aus einer einstellbaren Anzahl von Teilansichten mit Hilfe einer Anordnung von ringförmig angebrachten Projektions- und Aufnahmeoptiken beobachtet werden, welche jeweils um einen Parallaxe-Winkel versetzt sind und motorisch um eine Drehachse beliebig verdreht werden können, so daß Teilansichten aus unterschiedlichen Positionen gewonnen werden, deren Raumposition zueinander durch die mechanische Fixierung auf einer gemeinsamen, im Raum festen Drehachse mit großer Genauigkeit bekannt ist. Dabei kann auf die bekannten Kalibrierkörper verzichtet werden.

Das zu projizierende und von einem Streifenprojektor generierte Bild gelangt über ein endoskopisches Strahlführungssystem und zwei sich drehende Prismen an die Projektionsoptik. Umgekehrt gelangt das reflektierte Bild über eine Optik, zwei sich drehende Prismen und ein endoskopisches Strahlführungssystem an einen Bildsensor.

In einer zweiten Ausführungsform werden die Projektions- und Aufnahmeoptiken ringförmig und fest zueinander angeordnet, wobei eine sich drehende Anordnung aus zwei Prismen jeweils eine Projektions- und eine Aufnahmeoptik an die beiden endoskopischen Strahlführungssysteme optisch ankoppelt.

Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß für die mechanisch drehbaren Prismenteller aufwendige Präzisionsbauteile notwendig sind, da die einzelnen optischen Achsen mit einer Genauigkeit von 1 : 5000 positioniert werden müssen.

Außerdem bedürfen diese mechanischen hochpräzisen Teile sorgsamer Pflege und Wartung. Kleinste Verunreinigungen oder Ungenauigkeiten in der Positionierung führen zu falschen und wertlosen Aufnahmen.

Speziell bei Zahnärzten, die bei jedem Patienten die optische Sonde desinfizieren müssen, ist eine robuste, wartungsfreundliche Vorrichtung gefordert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine von ihrem Aufbau unkomplizierte, wartungsfreundliche und kostengünstige Sonde anzugeben, die sich darüber hinaus leicht desinfizieren läßt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 gelöst.

Vorteilhalte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindungsgedanke sei beispielhaft anhand der Fig. 1-4 verdeutlicht. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen, schematisch dargestellten Mundsonde zur optischen 3D-Vermessung von Zähnen;

Fig. 2a die optische Kopplung der Projektionssysteme örtlich versetzt auf einem Matrix-Lichtmodulator mit Durchlicht-Beleuchtung;

Fig. 2b eine Sequenz von projizierten Mustern;

Fig. 3 die optische Kopplung der Aufnahmesysteme örtlich versetzt auf einen Matrix-Bildsensor; und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Mundsonde zur optischen Vermessung.

In Fig. 1 ist eine optische Mundsonde zur Vermessung eines Zahnes 1 oder einer ganzen Zahngruppe im Mund des Patienten gezeigt. Die Mundsonde besteht aus einem starren Körper 2 und jeweils Bildaufnahmesystemen 3, 3′, 3′′ und Bildprojektionssystemen 4, 4′, 4′′. Die insgesamt 6 Systeme 3, 4 sind an dem starren Körper 2 abwechselnd und ringförmig angebracht, wobei jeweils ein Bildaufnahmesystem 3 und ein Bildprojektionssystem 4 einen bestimmten Winkel 5 (α; Parallaxe-Winkel) bilden, der für die Bildauswertung eine große Rolle spielt.

Jedes der Bildaufnahme- und Bildprojektionssysteme 3, 4 ist an ein endoskopisches Strahlführungssystem , beispielsweise einen Lichtleiter, optisch gekoppelt. Die mit den Bildaufnahmesystemen 3 gekoppelten Strahlführungssysteme 6 münden in eine Bilderkennungseinrichtung 7. Diese Bilderkennungseinrichtung 7 wandelt die ankommenden Lichtinformationen in elektrische Signale um und leitet diese zur Auswertung an eine angeschlossene Bildauswerteeinrichtung 8. Hier werden die elektrischen Signale nach bekannten Verfahren der optischen 3D-Vermessung ausgewertet. Bekannte Verfahren arbeiten beispielsweise mit der Moir´-, Phasen- Schiebe- oder Triangulationstechnik.

Die an die Bildprojektionssysteme 4 angekoppelten Strahlführungssysteme 6 münden in gleicher Weise in eine Mustergenerierungseinrichtung 9. Hier werden entsprechend den Signalen einer angeschlossenen Musterspeichereinrichtung 10, die eine Vielzahl von Mustern speichern kann, diese in optische Signale, die über die Strahlführungssysteme 6 an die Bildprojektionssysteme 4 gelangen und anschließend auf den Zahn 1 projiziert werden, umgewandelt.

Die Bildauswerteeinrichtung 8 und die Musterspeichereinrichtung 10 sind miteinander verbunden, um ggfs. Informationen auszutauschen. So ist es beispielsweise notwendig, daß die Bildauswerteeinrichtung 8 bei der Bildauswertung das ursprüngliche, aufprojizierte Muster kennt. Diese Information erhält sie dann von der Musterspeichereinrichtung 10. Die beiden Einrichtungen 8, 10 können auch von einem zentralen Rechner gesteuert werden. Die eben beschriebene Verbindung wäre in diesem Fall dann nicht notwendig.

Fig. 2a zeigt exemplarisch den Aufbau der Mustergenerierungseinrichtung 9. Ein darin enthaltener Parabolspiegel 11 reflektiert das von einer in dessen Brennpunkt angeordneten Lampe 12 ausgestrahlte Licht parallel. Dieses parallel abgestrahlte Licht durchleuchtet einen nachfolgenden Matrix-Lichtmodulator 13, der punktweise von der Musterspeichereinrichtung ansteuerbar ist. Ein solcher Matrix-Lichtmodulator 13 kann beispielsweise eine LCD-Tafel sein, mittels der durch entsprechende Ansteuerung lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche erzeugbar sind.

Das die LCD-Tafel durchwandernde Licht wird über eine Abbildungsoptik 14 einem der Strahlführungssysteme 6 zugeführt.

In Fig. 2a ist ersichtlich, daß die LCD-Tafel 13 in kreisförmige Bereiche 15, 15′, 15′′ unterteilt ist. Jeder dieser Bereiche 15 ist erfindungsgemäß einem Strahlführungssystem 6 zugeordnet.

Während der Aufnahme ist immer nur ein Bereich aktiv, d. h. die beiden anderen Bereiche sind dunkel geschaltet. In dem aktiven Bereich 15′ wird das von der Musterspeichereinrichtung 10 ausgesuchte Muster durch punktweises Hell- und Dunkelschalten der LCD-Punkte erzeugt. Je nach gewünschtem Aufnahmeort wird einer der einem Bildprojektionssystem 4 zugeordneten Bereiche von der Musterspeichereinrichtung aktiviert.

Die elektronische Erzeugung solcher Muster und die Ansteuerung der LCD-Tafel 13 sind dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt und werden daher nicht mehr näher erläutert.

Wird nun beispielsweise das Phasen-Shift-Verfahren zur Zahnvermessung verwendet, muß bekanntlicherweise eine zeitliche Sequenz von drei oder vier stufenweise verschobenen Sinusgittern pro Aufnahmeposition auf den Zahn projiziert werden. Dies ist in Fig. 2b dargestellt. Dabei wird der Reihe nach jeder Bereich 15 mit drei entsprechenden Mustern Φ1, Φ2, Φ3 beaufschlagt. Das zum Zeitpunkt a erzeugte Muster in Bereich 15 wird über das Strahlführungssystem 6 zu dem zugeordneten Projektionssystem 4 geleitet. Entsprechend werden zum Zeitpunkt b die Muster dem dem Bereich 15′ zugeordneten Projektionssystem 4′′ zugeführt. Gleiches gilt auch für Zeitpunkt c, bei dem Bildprojektionssystem 4 die von der Fläche 15′′ erzeugten Muster projiziert.

In Fig. 3 ist nunmehr die Bilderkennungseinrichtung 7 mit der angeschlossenen Bildauswerteeinrichtung 8 gezeigt. Die Bilderkennungseinrichtung 7 besteht im wesentlichen aus einem Bildsensor 16, der üblicherweise ein CCD-Halbleitersensor ist.

Die von den Strahlführungssystemen 6 zugeleiteten Bilder werden über entsprechende Abbildungsoptiken 14 auf den Bildsensor 16 abgebildet.

Wie bei der Bilderzeugung werden die verschiedenen Bereiche 15 örtlich versetzt auf dem Bildsensor 16 abgebildet. Das von dem Bildsensor 16 gelieferte Signal wird in der angeschlossenen Bildauswerteeinrichtung 8 gespeichert. Zur eigentlichen Auswertung gelangt allerdings immer nur die dem aktivierten Bereich 15 entsprechende Abbildung.

Sobald mit Hilfe der drei Bildaufnahmesysteme eine Rundum-Aufnahme des Zahnes gemacht wurde, können die Daten in der Bildauswerteeinrichtung 8 bearbeitet werden, um einen kompletten Datensatz der Konturen des Zahnes zu erhalten.

Entscheidend bei der Berechnung dieses Datensatzes ist die starre Anordnung der einzelnen Bildaufnahmesysteme 3 und Bildprojektionssystem 4, die jeweils einen Parallaxe-Winkel α einschließen. Dadurch müssen keine Kalibrierkörper am Zahn angebracht werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen. Dabei werden in die Anordnung gemäß Fig. 1 optische Schalter 17 in die Strahlführungssysteme 6 integriert. Damit können rechnergesteuert einzelne Strahlführungssysteme 6 aktiv oder passiv geschaltet werden. Eine Bereichsaufteilung des Bildsensors 16 bzw. des Lichtmodulators 13 kann auf diesem Weg unterbleiben. Es kann somit die gesamte Fläche des Sensors 16 bzw. des Lichtmodulators 13 zur Messung eingesetzt werden.

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der erst beschriebenen Lösung liegt in der erzielten größeren Bildauflösung.

Statt nämlich, wie anfangs beschrieben, immer nur einen Bereich 15 des Sensors 16 bzw. des Lichtmodulators 13 zu aktivieren, während die beiden anderen Bereiche passiv geschaltet sind, wird statt dessen der entsprechende optische Schalter 17 von einer Steuereinrichtung aktiviert, d. h. lichtdurchlässig geschaltet, und die beiden anderen optischen Schalter 17 passiv geschaltet. Auf diese Weise wird der dem Beispiel 1 entsprechende Effekt erzielt. Allerdings läßt die zweitgenannte Lösung die gleichzeitige Aufnahme aus zwei oder mehr Ansichten nicht zu, da, wie beschrieben, ein Strahlführungssystem auf die gesamte Bildsensorfläche paßt.

Denkbar sind natürlich auch Kombinationen der beiden vorgestellten Lösungen, also beispielsweise die Verwendung von optischen Schaltern in den mit dem Bildprojektionssystem 4 optisch gekoppelten Strahlführungssystemen 6 gemäß der zweiten Lösung und der Bereichszuordnung von bestimmten Bildsensorbereichen 15 zu Strahlführungssystemen 6 gemäß der ersten Lösung.

Die notwendigen Bildverarbeitungsschritte zum Aneinanderreihen der einzelnen Aufnahmen und zur anschließenden Auswertung sind dem Fachmann bekannt und sollen nicht weiter erläutert werden.

Die beschriebene Mundsonde selbst besteht aus einem abnehmbaren Mundteil und einem optoelektronischen Hauptteil, das sowohl die Mustergenerierungseinrichtung 9 als auch die Bilderkennungseinrichtung 7 enthält.

Aufgrund des einfachen Aufbaus der Vorrichtung ist eine präzise optisch justierte Mechanik zur Verbindung der beiden Bestandteile entbehrlich. Sofern beim Austausch des Mundteils kleinere Verschiebungen zwischen den Strahlführungssystemen 6 und dem Matrix-Lichtmodulator 13 bzw. dem Bildsensor 16 entstehen, so können diese rein elektronisch korrigiert werden.

Hierzu wird in einer getrennten Halterung ein bekannter Kalibrierkörper optisch vermessen. Durch Vergleich der gemessenen Abmessungen mit den bekannten Abmessungen des Körpers können die mechanischen Verschiebungen der optischen Achsen der einzelnen Strahlführungssysteme 6 gegenüber dem Matrix-Lichtmodulator 13 und dem Bildsensor 16 ermittelt und rechnerisch ausgeglichen werden.

Somit kann die mechanische Ankopplung einer Mehrfach-Anordnung von Strahlführungssystemen 6 auf nur einen einzigen Matrix-Lichtmodulator 13 und nur einen einzigen Bildsensor 16 kostengünstig mit geringen Anforderungen an die mechanischen Toleranzen gefertigt werden.

Auch die durch mechanische Verkippung der optischen Achsen infolge ungenauer mechanischer Justierung bewirkten optischen Verzerrungen können elektronisch ausgeglichen werden, indem aus dem Vergleich der Soll-Daten des Kalibrierkörpers mit den gemessenen Ist-Daten die Parameter der inversen affinen Transformation ermittelt werden. Solche Verfahren sind dem Fachmann der Computergrafik bekannt.

Claims (11)

1. Optische Sonde zur Vermessung von Zähnen und Zahngruppen, umfassend:
mehrere ringförmig und fest zueinander angeordnete Bildaufnahme- und Bildprojektionssysteme (3, 3′, 3′′; 4, 4′, 4′′);
mindestens zwei Strahlführungssysteme (6), wobei ein Strahlführungssystem (6) an das Bildprojektionssystem (4, 4′, 4′′) und ein Strahlführungssystem (6) an das Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) optisch gekoppelt ist;
eine mit dem einen Strahlführungssystem (6) optisch gekoppelte Mustergenerierungsein­ richtung (9) mit einem Matrix-Lichtmodulator (13) und einer Hintergrundbeleuchtung (12) zum Erzeugen von Lichtmustern; und
eine mit dem anderen Strahlführungssystem (6) optisch gekoppelte, einen Bildsensor (16) aufweisende Bilderkennungseinrichtung (7),
dadurch gekennzeichnet,
daß für jedes Bildprojektionssystem (4, 4′, 4′′) und für jedes Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) ein separates Strahlführungssystem (6) vorgesehen ist, und
daß jedes mit dem Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) optisch gekoppelte Strahlführungssystem (6) einem Bereich (15) des Bildsensors (16) zugeordnet ist, und/oder jedes mit dem Bildprojektionssystem (4, 4′, 4′′) optisch gekoppelte Strahlführungssystem (6) einem Bereich (15) des Matrix-Lichtmodulators (13) zugeordnet ist.

2. Optische Sonde zur Vermessung von Zähnen und Zahngruppen, umfassend:
mehrere ringförmig und fest zueinander angeordnete Bildaufnahme- und Bildprojektionssysteme (3, 3′, 3′′; 4, 4′, 4′′);
mindestens zwei Strahlführungssysteme (6), wobei ein Strahlführungssystem (6) an das Bildprojektionssystem (4, 4′, 4′′) und ein Strahlführungssystem (6) an das Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) optisch gekoppelt ist;
eine mit dem einen Strahlführungssystem (6) optisch gekoppelte Mustergenerierungsein­ richtung (9) mit einem Matrix-Lichtmodulator (13) und einer Hintergrundbeleuchtung (12) zum Erzeugen von Lichtmustern; und
eine mit dem anderen Strahlführungssystem (6) optisch gekoppelte, einen Bildsensor (16) aufweisende Bilderkennungseinrichtung (7),
dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Bildprojektionssystem (4, 4′′, 4′′) und für jedes Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) ein separates Strahlführungssystem (6) vorgesehen ist, wobei die mit dem Bildprojektionssystem (4, 4′, 4′′) optisch gekoppelten und jeweils einen optischen Schalter (17) aufweisenden Strahlführungssysteme (6) dem Matrix-Lichtmodulator (13) zugeordnet sind und/oder die mit dem Bildaufnahmesystem (3, 3′, 3′′) optisch gekoppelten und jeweils einen optischen Schalter (17) aufweisenden Strahlführungssysteme (6) dem Bildsensor (16) zugeordnet sind.

3. Optische Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungssysteme (6) endoskopisch ausgeführt sind.

4. Optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Musterspeichereinrichtung (10) die Mustergenerierungseinrichtung (9) ansteu­ ert.

5. Optische Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterspeichereinrichtung (10) die Mustergenerierungseinrichtung (9) so ansteuert, daß die zu projizierenden Muster bereichsweise auf dem Matrix- Lichtmodulator (13) generiert werden.

6. Optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Bildauswerteeinrichtung (8) zum Auswerten der von der Bilderkennungseinrichtung (7) gelieferten Signale.

7. Optische Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildauswerteeinrichtung (8) die Daten bereichsweise entsprechend der Bereichs­ zuordnung von Strahlführungssystem (6) zu Bildsensorbereich (15) auswertet.

8. Optische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterspeichereinrichtung (10) und die Bildauswerteeinrichtung (8) verbunden sind.

9. Optische Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterspeichereinrichtung (10) und die Bildauswerteeinrichtung (8) von einem Bildrechner gesteuert sind.

10. Optische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sonde aus einem abnehmbaren Mundteil und einem optoelektronischen Hauptteil, der die Mustergenerierungseinrichtung (9) und die Bilderkennungseinrichtung (7) umfaßt, besteht.

11. Optische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterspeichereinrichtung (10) die optischen Schalter (17) der Strahlführungssysteme (6) so steuert, daß jeweils nur ein Strahlführungssystem (6) in jede Richtung durchlässig ist.