DE4304170C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Oberflächenstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Oberflächenstrukturen.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrich­ tungen dieser Art bekannt. So wird in der DE 40 15 066 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Kontrol­ le von Zahnbehandlungen mit Hilfe gepulster Laser vorgeschla­ gen. Dabei wird über ein Glasfaserkabel ein optisches Signal auf die Zahnoberfläche gegeben und mittels eines Spektrome­ ters das Reflexionsvermögen bestimmt. Aus dem Reflexions­ vermögen wird auf die Art der Zahnsubstanz geschlossen.

Nachteilig bei derartigen Verfahren ist, daß das Meßergeb­ nis erheblich bzw. ausschließlich von der Zahnfärbung ab­ hängt. In vielen Fällen ist dies jedoch nicht das interessie­ rende Kriterium bzw. genügt keineswegs allein zur Festlegung, um welche Oberflächenstruktur es sich handelt.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung, mit der nach Art des UCI-Verfahrens durch Aufsetzen einer Diamantspitze eines in Längsschwingungsresonanz betriebenen Stabsystems Oberflä­ chenhärten gemessen werden können. Das Merkmal der dabei einzigen Resonanzfrequenz reicht bei weitem nicht aus, um eine Menge von ähnlich harten Oberflächen von verschiede­ nen Rauhigkeiten, Dichten, Elastizität bei Werten von Däm­ pfungsverhalten voneinander unterscheiden zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Oberflächenstruk­ turen vorzuschlagen, die auch unabhängig von rein optischen Unterschieden und dennoch möglichst zuverlässig die Erkennung der Oberflächenstruktur ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren dadurch gelöst, daß ein Detektorelement, welches bei Erregung Biegeschwingungen aus­ führt, mit der zu erkennenden Oberflächenstruktur einer Probe in Kontakt gebracht wird, daß ein piezokeramischer oder magneto­ striktiver Schwingerreger dem Detektorelement einen Schwin­ gungsimpuls erteilt und daß eine Auswertung des Schwingungs­ verhaltens des Detektorelements nach dem Schwingungsimpuls erfolgt.

Mit Hilfe eines gepulsten Schwingungserregers ist auf diese Wei­ se eine automatische Erkennung möglich. Mit dem piezokerami­ schen oder magnetostriktiven Schwingungserreger wird ein De­ tektorelement, etwa eine dünne Nadel, die zu Biegeschwingun­ gen fähig ist, etwa aufgrund einer Krümmung, mit der Spitze auf die zu erkennende Oberfläche aufgesetzt und das Gesamtsystem ca. 10× pro Sekunde mit einem Impuls von ca. 10^-4 sec. bis 10^-5 sec. Dauer zu Schwingungen erregt.

Dabei wird der zeitliche Verlauf der Spannung und des Stromes des Schwingerregers ausgewertet, etwa durch Erfassen und Wei­ terverarbeiten mittels eines Datenverarbeitungsgerätes (Compu­ ters).

Die unterschiedlichen Oberflächenstrukturen reagieren in unmit­ telbarer Umgebung der Nadelspitze auf die Stoßanregung mit charakteristischen Schwingungsbewegungen, die von der Dichte, den Elastizitätseigenschaften, der Rauhigkeit und der Kristall­ struktur der Oberfläche abhängen.

Diese Schwingungsbewegungen übertragen sich jetzt umgekehrt auf das piezokeramische oder magnetostriktive Anregungssystem und dies kann durch Messung des Verlaufes von Strom und Spannung in den Anregungspausen registriert werden. Durch die Umrechnung dieser Funktionen mittels eines Computers in eine Übertragungsfunktion können zur jeweiligen Oberfläche zugehö­ rige charakteristische Merkmale der Übertragungsfunktion als Merkmale zur automatischen Erkennung der Oberflächenstruktur genutzt werden.

Es wird auch möglich, die zu untersuchenden Oberflächen an schwer zugänglichen oder nicht einsehbaren Stellen durch Berührung mit einer durch schwache Impulse zu Schwingungen angeregten Nadel automatisch zu erkennen. Der Vergleichsalgo­ rithmus zur automatischen Erkennung kann dabei zuvor gespei­ chert werden oder sich auch auf vorher erlernte, zur jewei­ ligen Oberflächenstruktur gehörige Schwingungsmuster bezie­ hen. Dieses Lernverfahren kann beispielsweise auch bei starken Streuungen mittels Fuzzy Logic erfolgen.

Die Verwendung von Stablängsschwingungen erscheint proble­ matisch, da dadurch Eigenschwingungen angesprochen werden, die bei Anwendung auf gewisse Oberflächen (z. B. im Kunst­ stoffbereich) nahezu restlos absorbiert werden. Daher werden Biegungsschwingungen von gekrümmten Nadeln eindeutig bevor­ zugt. Anstelle von gekrümmten Nadeln ist es allerdings auch möglich (ggf. auch zusätzlich) , durch eine elastische Federung die Nadel mit dem Anregungsmechanismus des Schwing­ erregers zu verbinden, wobei das System Federung/Nadel eine Eigenfrequenz erhält, vorzugsweise unter 200 kHz.

Insbesondere kostensenkend, aber auch ohnehin die Struktur der gesamten eingesetzten Vorrichtung vereinfachend ist, wenn die Schwingungsanregung und die Schwingungsmessung von dem selben System ausgeübt wird. Hierzu empfiehlt sich der piezokeramische oder magnetostriktive Schwingerreger selbst an. Alternativ könnte beispielsweise auch mittels eines Dehnungsmeßstreifens die Messung des Schwingungsmusters erfolgen.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet sich u. a. wiederum bei der Untersuchung von Zahnsubstanzober­ flächen an. Gerade bei Zähnen sind die unterschiedlichen Farbcharakteristiken von Person zu Person unterschiedlich, so daß das in der DE 40 15 066 A1 angegebene Verfahren problematisch erscheint, obwohl es sich jeweils im Grund um die gleiche Oberflächenstruktur handelt. Das hier vorgeschlagene erfindungsge­ mäße System bietet sich daher besonders hier an, da wegen der Oberflächenstruktur Unterschiede von beispielsweise Zahnschmelz, Zahnzement oder aber auch Zahnstein eindeutig unterschieden werden können und auch in den unübersichtlichsten Wurzel­ regionen (Furkationsbereichen oder tiefen Taschen) die Nadeln eingesetzt werden können.

Aus der US-PS 36 30 307 ist ein Verfahren zur Untersuchung der akustischen Eigen­ schaften von Materialien bekannt. Dieses Verfahren erlaubt keine Oberflächenstruktur­ analyse, da sich beispielsweise keine Rauhigkeitsunterschiede detektieren lassen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich insbesondere da­ durch aus, daß ein piezokeramischer oder magnetostriktiver Schwingerreger mit einem Detektorelement einerseits und einer Auswertungseinheit andererseits sowie einem Impulsgenerator gekoppelt ist, wobei das Detektorelement bei Erregung Biegeschwin­ gungen ausführt.

Mit einer derartigen Vorrichtung läßt sich das Verfahren besonders zweckmäßig durch­ führen.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 die Übertragungsfunktionen verschiedener Zahnober­ flächen.

Die zu erkennende Oberflächenstruktur einer Probe 10, die beispielsweise aus Zahnsteinablagerungen im Wurzelbereich eines Zahns bestehen könnte, wird mit der Spitze einer gekrümmten und somit durch kurze Impulse zu Biegeschwingung anregbaren Nadel, dem Detektorelement 20, berührt. Angeregt wird das System dabei mittels eines Schwingerregers 21. Der Schwingerreger 21 erhält von einem Impulsgenerator 23 eine Spannung zugeführt, die schematisch bei 24 mittels Rechteckschwingungen mit kurzen Spannungsstößen von z. B. 10^-5 sec. Dauer angedeutet ist. Die Spannungsspitzen sind in hierzu relativ großem Abstand, etwa 10× pro Sekunde, vorgesehen.

Dadurch, daß die Spitze des Detektorelements 20 an der Oberfläche der Probe 10 aufliegt, ändert sich das Schwin­ gungsmuster gegenüber dem bei freier Nadelspitze des Detek­ torelements 20. Beeinflußt wird das Schwingungsmuster prak­ tisch ausschließlich vom unmittelbaren Nahbereich der Ober­ flächenstruktur der Probe 10. Das Schwingungsmuster hängt darüber hinaus davon ab, und zwar sehr charakteristisch, ob Zahnstein oder Zahnwurzelsubstanz oder sonstiges in Frage kommendes strukturiertes Material berührt wird.

Das piezokeramische oder magnetostriktive System, welches durch den kurzen Spannungsstoß die berührende Nadel bzw. das Detektorelement 20 und die berührte Oberfläche mit ihrer Struktur zu Schwingungen, insbesondere im Bereich zwischen 0 kHz und 200 kHz anregt, auch gleichzeitig diese angeregten Schwingungen registriert, können diese ohne weitere Meßsen­ sorik in den Impulspausen, beispielsweise über eine Zeit von einigen Millisekunden in ihrem zeitlichen Verlauf als Digitalwerte der Spannung und des Stromes einer Auswerteein­ heit 26, beispielsweise in einem PC, gespeichert werden.

Aus diesen Werten wird dann etwa mit der Fourier-Transfor­ mation das jeweilige Fourier-Spektrum gebildet und durch deren Division die sogenannte Übertragungsfunktion erhalten.

Da diese Funktion z. B. 10× pro Sek. ansteht, können durch Mittelwertbildungen Störungen unterdrückt werden. Die Ent­ scheidung, zu welcher Oberflächenstruktur gerade berührte, wird wie folgt herbeigeführt:
Zunächst werden mit der oben beschriebenen Vorrichtung verschiedene bekannte Oberflächen (Zahnschmelz, Zahnzement, Dentin, Zahnstein, Karies) 50 bis 100× je Oberfläche vermes­ sen und die zugehörigen Transferfunktionen als Datenfiles mit z. B. je 100 Datenwerten abgespeichert. Sodann werden mit einem Algorithmus der Mustererkennung aus diesen Trans­ ferfunktionen diejenigen charakteristischen Merkmale her­ ausgesucht, welche eine möglichst 100%-ig richtige Wiederer­ kennung der vorher als Lernmaterial benutzten Stichproben gewährleistet. Nach Beendigung diesen Vorgangs stehen übli­ cherweise 2 bis 40 verschiedene Frequenzen der Transferfunk­ tionen fest, deren zugehörige Amplitudenwerte letztendlich die berührte Oberfläche charakterisieren. Wird nun die Nadel auf einer unbekannten Oberfläche aufgesetzt, so werden aus der zugehörigen Transferfunktion die charakteristischen Werte herausgezogen und diese mittels eines bewerteten Abstandsbegriffes im etwa 2 bis 40 dimensionalen Merkmals­ raum in eine Vergleichsfunktion eingebracht.

Auf diese Weise läßt sich die gerade berührte Oberfläche klassifizieren und außerdem noch die Güte des Klassifika­ tionsergebnisses bewerten.

Dieses Verfahren der automatischen Oberflächenerkennung kann nicht nur, aber insbesondere auch im Bereich der Dentaltech­ nik eingesetzt werden, um bestehende Behandlungsmethoden zahnsubstanzschonender durchzuführen oder um auf dieser Basis neue Behandlungsverfahren zu entwickeln. So ist es möglich, die Abtragung von Zahnstein an den unübersichtlichen Wurzelregionen (Furkationsbereichen oder tiefen Taschen) automatisch zu steuern, indem die Nadel bei der Detektion von Zahnstein in einen anderen Bearbeitungsmodus wechselt und die Ablagerungen durch die Nadel, das Detektorelement 20, selbst entfernt werden. Neue Methoden der Zahnvermessung ergeben sich dadurch, daß die Übergänge der verschiedenen Zahnsubstanzen, z. B. Schmelz nach Zement, automatisch auch an nicht einsichtigen Stellen detektiert werden können.

Fig. 2 zeigt deutlich die unterschiedlichen Übertragungs­ funktionen bei der Erkennung der Zahnoberflächen, Zahnschmelz und Zahnzement. Somit können Veränderungen der Übergangs­ stellen präziser und für den Behandler leichter als Therapie­ kontrolle genutzt werden.

In der Fig. 2 ist dabei nach rechts die Frequenz in Hz und nach oben die Amplitude in Volt aufgetragen. Die durchge­ zogene Linie zeigt Zahnschmelz, die gestrichelt punktierte Linie Zahnzement.

In Fig. 1 ist in der Messung noch eine Gegenmasse 22 beim Schwingerreger 21 schematisch angedeutet. Diese Gegenmasse 22 sollte bevorzugt möglichst groß sein, da sich dadurch die Auswertung besonders einfach gestaltet.

Ein Widerstand 25 ist in üblicher Weise eingezeichnet, um die Messungen von Strom und Spannung einfach durchführen zu können.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erkennung von Oberflächenstrukturen, bei dem ein Detektorelement (20), welches bei Erregung Biegeschwingungen ausführt, mit der zu erkennenden Oberflächenstruktur einer Probe in Kontakt gebracht wird,
bei dem ein piezokeramischer oder magnetostriktiver Schwingerreger (21) dem De­ tektorelement (20) einen Schwingungsimpuls erteilt und
bei dem eine Auswertung des Schwingungsverhaltens des Detektorelements (20) nach dem Schwingungsimpuls erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des Schwingungsverhaltens des Detektorelements (20) durch eine Methode der Mustererkennung mittels eines zuvor erlernten Vergleichsalgo­ rithmus der jeweils berührten Oberfläche erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Schwingungsverhaltens mittels desselben Systems wie die Schwingungserregung (über 21) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen im Bereich niederfrequenten Ultraschalls, insbesondere unter­ halb von 200 kHz eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Auswertung ein Bearbeitungsvorgang der Oberflächen­ struktur der Probe (10) gesteuert wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Er­ kennung von Oberflächenstrukturen von Zahnsubstanz.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezokeramischer oder magnetostriktiver Schwingerreger (21) mit einem Detektorelement (20) einerseits und einer Auswertungseinheit (26) andererseits sowie einem Impulsgenerator (23) gekoppelt ist, wobei das Detektorelement (20) bei Erregung Biegeschwingungen ausführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (20) eine gekrümmte Nadel ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (20) mittels einer elastischen Federung mit dem Schwing­ erreger (21) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (20) eine Eigenfrequenz unterhalb von 200 kHz besitzt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet; daß der Schwingerreger (21) auf seinem dem Detektorelement (20) abgewandten Ende mit einer Gegenmasse (22) versehen ist.