JP4646165B2 - 医科的対象物、特に歯牙標本の模型を検出する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医学的な歯牙標本（形成歯牙）、特に歯牙模型を製作するための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯牙模型は、急勾配な壁と細微構造を特徴とし、しかも歯牙模型には細く深い穴が含まれていることがある。更に歯牙模型を計測する場合、エッジ及び急勾配面を精確に把握することが必要である。
【０００３】
欧州特許出願公開第０４５５８５５号明細書に基づいて、投射光路と観察光路との間の所定の視差角度をできるだけ小さくして三角測量法に従って歯牙模型を計測することは公知である。模型は計測中、充分な精度で、定置に配置された三角測量センサによってスパイラル状に走査される。更にまた前記の光学的な測定装置を工具支持ヘッドの１つに装備して、センサを、規定の運動を介して最適の測定位置へもたらせるようにすることも公知である。工具スピンドルの運動は既知であり、かつ本来のセンサ測定値に補正量として重畳される。使用されるセンサの例として焦点検出センサが挙げられ、測定プロセスの形成方式自体は依然として未解決のままである。
【０００４】
ＧＣコーポレーション社（東京）のパンフレット”Dental CAD/CAM GN-I”に基づいて、修復歯牙の計測が公知であり、その場合レーザセンサは５軸計測で修復歯牙を計測することができる。計測ユニットは、修復歯牙を作成するための機械群の独立構成部分であり、なお前記機械群は、独立した研削機並びにプロセス制御用のコンピュータを備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、医学的な対象物、特に歯牙標本の模型を単純な方式で計測することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
投光ユニットと受光ユニットとを有する投射方向に可動の位置検出センサを装備し、前記投光ユニットの投射光路と前記受光ユニットの観察光路との間には特定の三角測量角度を設けてあり、かつ前記投射光路を、前記位置検出センサの運動方向に対して平行に方位づけた形式の医科的対象物、特に歯牙標本の模型を検出する装置において前記課題を解決する本発明の構成手段は、三角測量角度が１０゜〜５゜よりも小であり、受光ユニットが、互いに並列的に位置していて個別に評価可能な複数の画素から成る受光アレーを有し、前記画素が信号処理装置と協働するようになっており、かつ観察光路内に、前記受光アレーに対して垂直な方向でビームを拡げるための手段が配置されている点にある。
【０００７】
【発明の効果】
要するに本発明によれば、三角測量角度を１０゜よりも小、殊に有利には５゜よりも小にしたことによって、歯牙キャビティ内を充分精確に測定することが可能になり、従って歯牙のエッジ及び急勾配面を精確に検出することが可能である。しかも受光ユニットが、互いに並列的に位置していて個別に評価可能な多数の画素から成る受光アレーを有し、前記画素が信号処理装置と協働するにようなっていることによって、ビーム重心を決定する場合にエッジにおける光点の二重反射及び拡がりを斟酌することが可能であり、汎用される位置検出センサ（ＰＳＤ＝ Position Sensitive Device）の欠点をこうして回避することが可能になる。ビーム重心の決定を、少数の画素（ピクセル）の計算に制限するＣＣＤ又はフォトダイオードが有利である。更に本発明によれば、受光ユニットのアレーに対する観察光路の方位整合誤差を補償できるようにするために、観察光路内には、前記受光アレーに対して垂直な方向にビームを拡げるための手段が配置されている。位置検出センサはその場合、投射方向運動時に測定精度の範囲内で対象物の同一点を計測するように投射方向に可動である。
【０００８】
投射光路及び／又は観察光路内に、光路を変向する手段が配置される場合には、三角測量角度が僅かであるにも拘わらず、投光ユニット及び／又は受光ユニットを配置するのに充分なスペースが得られる。
【０００９】
位置検出センサが投射方向に可動であることに基づいて、位置検出センサの測定範囲は、投射方向で計測すべき対象物の最大寸法の精々１／１０であれば充分である。
【００１０】
有利な構成では投光ユニットは、視準光学素子を有するレーザ−ダイオードと該レーザ−ダイオードの作動制御素子とから成り、しかも照射出力が、パルス幅変調（ＰＷＭ）式作動制御素子によって制御され、該ＰＷＭ式作動素子の衝撃係数が受光器の信号から算定される。パルス幅変調とは、平均的なレーザ強度が、作動接続されたレーザと遮断されたレーザとの時間比によって設定されることを意味している。
【００１１】
視準光学素子は、レーザビームを特定点に集束するレンズから成っている。
【００１２】
更に本発明は、位置検出センサを備えた医科的対象物（標本）を検出する装置にも関し、その場合、位置検出センサはケーシング内に配置されており、該ケーシングには、投射光路及び／又は観察光路用の窓が設けられており、かつ該窓は、周辺温度よりも高い温度にされている。
【００１３】
前記ケーシングは、研削機の研削室の内部でスピンドルモータに、かつ該スピンドルモータと緊密に熱接触した状態で配置されているのが有利である。研削プロセス中の主熱源であるスピンドルモータとの緊密な熱接触によって、前記窓はスピンドルモータの温度を充分に受け、その結果研削機の研削室内の多湿で温かい条件下において窓の曇りひいてはセンサの測定値の誤測定は回避される。
【００１４】
２つの受光ユニットを使用することによって、特にエッジ計測域における測定精度を改善することが可能である。その場合、両受光ユニットは投射光路に対して鏡面対称的に配置されるのが有利であり、このように構成すれば三角測量法の非対称的幾何学形態が相殺される。受光器信号の場合、その都度より発言力のある信号は、例えばより高い強度に関して、或いは、より明晰な焦点像に関して、一層高い重みを得る。付加的な観察光路によってコンパクト性は維持されなくなるが、特殊な適用例の場合には計測改善の方が優先される。
【００１５】
更に本発明は、投射光路と観察光路との間に所定の三角測量角度をもって三角測量法に基づいて計測する形式の、医科的標本、特に歯牙模型を計測する方法に関する。本発明の計測法の特徴とするところは、第１工程で位置検出センサを駆動装置によって投射方向に動かして、被計測物体を、作業距離ａに所属する領域＋／−Ｂの内部にもたらし、第２工程で前記位置検出センサを被計測物体に沿って動かし、第３工程では、前記位置検出センサによって発生した測定信号が、前記作業距離ａに所属する領域＋／−Ｂ内に位置しているか否かを検査し、測定値が該領域Ｂ外に位置する場合には第４工程において前記位置検出センサの位置を変化して該位置検出センサを前記領域＋／−Ｂ内に位置させ、殊に実質的に前記作業距離ａに達するようにし、第５工程で測定値を発生させ、次いで被計測物体の位置を、前記位置検出センサの位置と該位置検出センサの測定値とから算定する点にある。このような方法上の本発明の構成手段によって、僅少な三角測量角度から生じる欠点を補正することが可能である。ダミー・プラウ（Scheinpflug）条件に基づく位置決めが空間的な理由から不可能であり、これによって作業領域が著しく制約されるにも拘わらず、充分な精度で測定を行うことが可能である。
【００１６】
観察ビームがほぼ一定の信号を発生するように投射ビームの照射出力を制御し、特にフォトダイオード受光アレーにおける信号振幅がほぼ一定になるようにレーザ−ダイオードを制御するのが有利である。
【００１７】
測定精度を向上させるために、一方の受光ユニットへの入射強度及び／又は投光ユニットによって発生された光点の半値幅を測定し、かつ、前記入射強度及び／又は半値幅が標準範囲内にない場合には測定値をマーキングするのが有利である。
【００１８】
本発明の有利な構成では、システム誤差を伴う測定値は、擬似値としてマーキングされ、かつ後の評価ルーチンによって相応に解釈される。これによって誤った測定データが最終結果に伝送される不都合が回避される。
【００１９】
測定精度を改善するために、各測定前に妨害光を計測し、かつ該妨害光を測定値の決定時に補償することも可能である。
【００２０】
被計測物体を先ず大まかに走査して出力器に提供し、次いで特定領域を選出し、かつ精密計測をこの領域に制限するのが有利である。これは、被計測物体全体を受容する必要がないので、時間的な顕著な利得を意味する。
【００２１】
更にまた粗計測に基づいて、相互作用的な工程を行い、それによって本来の計測工程を背景で進行させるのも有利である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００２３】
図１の概略図では、修復歯牙用嵌合体を製作するための本発明の装置の１実施形態の全体的な配置構成が図示されている。該装置は、嵌合体を製作するのに重要な３つの構成要素、つまり取付け装置１、計測装置（センサ）２及び加工装置３を全て有している。
【００２４】
取付け装置１は、嵌合体の模型又は、該嵌合体を後に嵌入しようとする対象物の模型を取付けるために使用される一方、（或いは択一的に）前記嵌合体を製作しようとする適当な材料から成るワーク素材を取付けるために使用される。前記模型は、嵌合体もしくは対象物の雄型又は雌型であることができる。
【００２５】
装置は、歯牙対象物としての歯牙標本（形成歯牙）４の雄型と共に図示されている。取付け装置１は模型の回転及び縦送りを可能にする。
【００２６】
計測装置（センサ）２は主として、取付け装置１内に保持された歯牙対象物４に向かって方位づけ可能な、シャープに集束された光ビーム１０を発生する光源と、前記光ビーム１０によって歯牙対象物４上に投射された光点を結像する受光器とから成っており、これは投射光路１０と観察光路１１とによって表されている。
【００２７】
加工装置３は主として、スピンドル装置から成っており、該スピンドル装置のスピンドルの一端は加工室５内へ侵入して工具支持ヘッド６を有している。該工具支持ヘッド６は工具７を装備し、かつスピンドル軸線８に沿って長手方向に運動可能かつスピンドル軸線８を中心として回転運動可能であり、この長手方向運動及び回転運動は共に矢印によって示唆されている。
【００２８】
図２には、個々の構成群を備えた計測装置（センサ）が、構造例として図示されている。ケーシング１２内には、レーザ−ダイオード１３が視準光学素子１４及び作動制御素子１５と共に収容されており、該作動制御素子は投射光路を発生かつ制御する。
【００２９】
投射光路１０内には、レーザ−ダイオード１３から出射するビームを変向するためのプリズム１６が配置されており、これによって直角変向が行われる。レーザビームは窓１７を介してケーシング１２から放出し、前記窓１７を通って観察光路１１もガイドされる。その場合、観察光路１１と投射光路１０との間には三角測量角度αが形成されており、該三角測量角度は図示例では７゜であるが、５゜よりも小であるのが有利である。この三角測量角度αは、歯牙標本のキャビティ側面の許容傾斜度を決定し、該キャビティ側面はなお充分精確に計測することができる。
【００３０】
歯牙対象物４によって反射されたレーザ光は、観察光路１１を介して窓１７を通ってケーシング１２内へガイドされ、かつ、光線が投射光路１０に対してほぼ平行に経過するようにプリズム１８によって変向される。
【００３１】
観察光路１１内には、観察光路と投射光路とを通る平面に対して垂直方向の平面内で焦点位置を変化させる１つの円柱レンズ１９が配置されているので、受光器２０内に存在するアレー（つまり相互に並列的に位置していて個別に評価可能な多数の画素＝ピクセルから成るアレー）がビーム円錐体の領域内に確実に位置することになる。
【００３２】
受光器２０は評価ユニット２１を備え、該評価ユニットにおいて、受光ユニットに当る強度及び、投光ユニットによって発生された光点の半値幅が測定され、かつ該評価ユニットによって投光ユニットの照射出力が制御されて、受光ユニットにおいて一定の信号を生ぜしめるようにし、その場合レーザ−ダイオードは、信号振幅がほぼ一定になるように制御されている。
【００３３】
図３には、光点２２に対する円柱レンズ１９の作用が概略的に図示されている。直径ｄを有する光点２２が、投射光路のレーザビームによって歯牙対象物４上に発生される。該光点はライン２３を通って受光アレー２５上に結像される。円柱レンズ１９の付加的な使用によって、受光アレー２５の方向に対して垂直な方向で拡径が得られる。その場合、前記直径は受光アレーに対して平行には不変的に小さいのが理想的である。光点２２が軽度の調整狂いによって画素２４に的中しなくなるような事態が前記拡径によって回避される。
【００３４】
並列的に配置された種々の画素を有する受光アレー２５の作業態様は、図４に基づいて明らかになる。受光アレー２５には、主ビーム１１．１と、例えば歯牙対象物４のエッジにおける反射によって発生する二次ビーム１１．２とが的中する。測定信号の評価時に、画素２６の測定値を抑圧し、かつ専ら画素２７の測定値のみを、場合によってはその近傍測定値を考慮することが可能であり、これによって擬似測定値は排除される。
【００３５】
更に図４から判るように、観察光路１１が、受光アレー２５の予め確定された外域に達した場合に、センサは対象物に対して接近運動又は離隔運動を行い、この運動に基づいて、次のステップの測定信号が、作業間隔ａ内もしくは領域＋Ｂ／−Ｂ内になお位置することが保証され、これによって該測定信号は受光アレー２５上で相応の特定画素域に的中することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】研削機の研削室の内部に配置されたセンサの概略図である。
【図２】図１に示した装置のセンサの構造例の斜視図である。
【図３】受光器領域において拡張される観察光路の概略図である。
【図４】センサの位置制御と妨害光線の抑圧を表す概略図である。
【符号の説明】
１ 取付け装置、 ２ 位置検出センサとしての計測装置、 ３ 加工装置、４ 歯牙対象物又は歯牙標本（形成歯牙）、 ５ 加工室、 ６ 工具支持ヘッド、 ７ 工具、 ８ スピンドル軸線、 １０ 投射光路、 １１ 観察光路、 １１．１ 主ビーム、 １１．２ 二次ビーム、 １２ ケーシング、 １３ レーザ−ダイオード、 １４ 視準光学素子、１５ 作動制御素子、 １６ プリズム、 １７ 窓、 １８ プリズム、 １９ 円柱レンズ、 ２０ 受光器、 ２１ 評価ユニット、 ２２ 光点、 ２３ ライン、 ２４ 画素（ピクセル）、 ２５ 受光アレー、 ２６，２７ 画素（ピクセル）

Claims (17)

1. 投光ユニット（１３〜１５）と受光ユニット（１８〜２１）とを有する投射方向に可動の位置検出センサ（２）を装備し、前記投光ユニット（１３〜１５）の投射光路（１０）と前記受光ユニット（１８〜２１）の観察光路（１１）との間には特定の三角測量角度（α）を設けてあり、かつ前記投射光路（１０）を、前記位置検出センサ（２）の運動方向に対して平行に方位づけた形式の医科的対象物を検出する装置において、
   三角測量角度（α）が１０゜よりも小であり、受光ユニット（１８〜２１）が、互いに並列的に位置していて個別に評価可能な複数の画素（２４，２６，２７）から成る受光アレー（２５）を有し、前記画素が信号処理装置（２１）と協働するようになっており、かつ観察光路（１１）内には、前記受光アレー（２５）に対して垂直な方向にビームを拡げるための手段（１９）が配置されていることを特徴とする、医科的対象物を検出する装置。
2. 前記医科的対象物が歯牙模型である、請求項１記載の装置。
3. 前記三角測量角度（α）が５゜よりも小である、請求項１又は２記載の装置。
4. 投射光路（１０）及び／又は観察光路（１１）内に、光路を変向する手段（１６，１８）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 位置検出センサ（２）の測定範囲が、投射方向（８）で計測すべき対象物の最大寸法の最大で１／１０である、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 投光ユニット（１３〜１５）が、視準光学素子（１４）を有するレーザ−ダイオード（１３）と該レーザ−ダイオードの作動制御素子（１５）とから成る、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記作動制御素子（１５）がパルス幅変調式作動制御素子であり、該パルス幅変調式作動制御素子によって照射出力が制御され、該パルス幅変調式作動制御素子のデューティ比が受光器の信号から算定される、請求項６記載の装置。
8. 位置検出センサ（２）がケーシング（１２）内に配置されており、該ケーシング（１２）には、投射光路（１０）及び／又は観察光路（１１）用の窓（１７）が設けられており、かつ該窓（１７）が、周辺温度よりも高い温度にされている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 位置検出センサ（２）が、窓（１７）を有するケーシング（１２）の内部に配置されており、かつ該ケーシング（１２）が、研削機の研削室（５）の内部で駆動装置に、かつ該駆動装置と緊密に熱接触した状態で配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 位置検出センサ（２）が２つの受光ユニットを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置を用いて、投射光路（１０）と観察光路（１１）との間に所定の三角測量角度（α）をもって三角測量法に基づいて計測する形式の、医科的標本を計測する方法において、
    第１工程で位置検出センサ（２）を駆動装置によって投射方向（８）に動かして、被計測物体（４）を、作業距離（ａ）に所属する領域（＋／−Ｂ）の内部にもたらし、第２工程で前記位置検出センサ（２）を被計測物体（４）に沿って動かし、第３工程では、前記位置検出センサ（２）によって発生した測定信号が、前記作業距離（ａ）に所属する領域（Ｂ）内に位置しているか否かを検査し、測定値が該領域（Ｂ）外に位置する場合には第４工程において前記位置検出センサ（２）の位置を変化して実質的に前記作業距離（ａ）に達するようにし、第５工程で測定値を発生させ、次いで被計測物体の位置を、前記位置検出センサ（２）の位置と該位置検出センサ（２）の測定値とから算定することを特徴とする、医科的標本を計測する方法。
12. 観察ビーム（１１）がほぼ一定の信号を発生するように投射ビーム（１０）の照射出力を制御する、請求項１１記載の方法。
13. 受光アレー（２５）がフォトダイオード受光アレーであり、該フォトダイオード受光アレーにおける信号振幅がほぼ一定になるように投光ユニット（１３〜１５）のレーザ−ダイオードを制御する、請求項１２記載の方法。
14. 一方の受光ユニット（２０，２１）への入射強度及び／又は光点（２２）の強度の半値幅を測定し、かつ、前記強度及び／又は半値幅が標準範囲内にない場合には測定値をマーキングする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 各測定前に妨害光を計測し、かつ該妨害光を測定値の決定時に補償する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 被計測物体（４）を先ず大まかに走査して出力器に提供し、次いで特定領域を選出し、かつ精密計測をこの領域に制限する、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. 出力器に提供された粗計測値に基づいて、修復体の形状を決定するための相互作用的工程を実施し、かつ本来の測定を背景で進行させて連続的に精密測定結果を発生させる、請求項１６記載の方法。

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