NO318964B1 - Maling av tredimensjonale flater under hydrostatisk trykk eller gasstrykk - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder generelt måling av tredimensjonale flaters form.

Spesielt kan oppfinnelsen brukes til å registrere/måle/kartlegge den utvendige form av en fot eller en annen legemsdel, herunder overflaten på en ben- eller armstump som det skal produseres en protese til. Legemsdeler består av mykdeler som hud, fett og muskler, samt knokler som er harde og ikke deformerbare. Belastes den aktuelle legemsdel hvis overflate skal registreres, med et trykk mens registreringen utføres, kan man endre overflatens form i ønsket retning.

Tidligere teknikk ved f.eks. fremstilling av fotsenger har gått ut på å ta avstøpning av foten, direkte eller fra et avtrykk i skum. I enkelte tilfeller lar man pasienten dessuten presse foten ned mot en glassplate for å studere avtrykket nedenfra. Det finnes i dag også avsøkerapparater eller skannere som registrerer et objekts tredimensjonale form eller overflate, men de er for det første svært kostbare og skanner vanligvis ved et flatetrykk mot objektet, for eksempel undersiden av foten fra den glassplate en person står på. Den viktige mulighet å kunne belaste foten eller generelt objektet med et hydrostatisk trykk eller gasstrykk under kartleggingen ved hjelp av en skanneprosess har man ikke tidligere foreslått.

For den kjente og antatt nærmeste teknikk skal vises til patentskriftet WO

. 98/18386 hvor laserstråle og fjernsynskamera brukes.

Et mål med oppfinnelsen er derfor generelt en fremgangsmåte for måling av et objekts tredimensjonale overflate, også når objektet utsettes for et slikt trykk. Et annet mål er en anordning for å utføre denne fremgangsmåte. Målene anses nådd med den fremgangsmåte som er satt opp i patentkrav 1 og som er kjennetegnet ved følgende trekk: Nedtrykking av objektet i et deformerbart og optisk helt eller delvis transparent medium som kan observeres fra dets underside, hvorved også overflaten på objektets underside kan observeres, gjennom mediet, punktvis avbildning av objektets projeksjon gjennom mediet på dettes underside, i et bildeplan hvor hvert bildepunkt (x, y, z0) er referert til to ortogonale, særlig horisontale retninger x og y, men har en og samme vertikale høyde (z0) over et referanseplan (z = 0), registrering av intensiteten og/eller fargen av det lys som fra hvert punkt (x, y, z) på overflaten passerer mediet og faller inn på det tilsvarende punkt (x, y, z0) i bildeplanet, koordinering mellom resultatet av registreringen av punktenes intensitet og/eller farge og data for mediet og avbildningen, beregning av høyden (z - Zo) fra bildeplanet opp til hvert punkt (x, y, z) på overflaten og/eller beregning av overflatens helning i hvert av de samme punkter i forhold til bildeplanet, basert på resultatet av koordineringen, slik at den tredimensjonale form av objektets overflate på dettes underside blir bestemt, visning av resultatene av beregningen på en visningsskjerm eller som en papirutskrift, og lagring i et lager for senere bruk.

Særlig utføres nedtrykkingen av objektet i mediet via en membran som dekker mediets overside, og denne membrans underside kan spesielt ha en kontrastfarge som gjør den lett å betrakte eller avsøke fra undersiden av mediet, idet dette er et optisk helt eller delvis transparent fluid. For å egne seg for avbildning underifra kan membranen også omfatter et eller flere av følgende virkemidler: rutenett, fluorescensmidler, fosforescens, punktmønstere, refleksjonselementer eller tilsvarende, slik at tilstrekkelig lys til avbildningen faller inn på punktene i bildeplanet.

Mediet er en væske eller et komprimerbart fluid, særlig en deformerbar gel eller gass, herunder ren luft, og det kan i komprimerbar stand ha en farge som skifter med graden av kompresjon. Dets omgivelsestrykk og/eller interne trykk kan innstilles for å gi en varierende nedtrykking av et objekt som i det minste delvis er deformerbart, slik at dets overflate endrer form i avhengighet av trykket.

Endelig gjelder oppfinnelsen en anordning for å utføre denne fremgangsmåte, og anordningen omfatter særlig et kar fylt med et deformerbart medium og med en transparent bunn med plan og horisontal underside, midler for avsøking og avbildning av karets underside, midler for viderebehandling av resultatet av avsøkingen, og en membran som dekker mediets overside.

Mediet er et optisk helt eller delvis transparent fluid i form av en væske, en gel eller en gass, og midlene for avsøking/avbildning og midlene for viderebehandling er særlig innrettet for registrering av intensiteten og/eller fargen av det lys som fra hvert punkt (x, y, z) på overflaten på objektets underside passerer mediet og faller inn på det tilsvarende punkt (x, y, Zq) i bildeplanet, koordinering mellom resultatet av registreringen av punktenes intensitet og/eller farge og data for mediet og avbildningen, beregning av høyden (z - Zo) fra bildeplanet opp til hvert punkt (x, y, z) på overflaten og/eller beregning av overflatens helning i hvert av de samme punkter i forhold til bildeplanet, basert på resultatet av koordineringen, slik at den tredimensjonale form av objektets overflate på dettes underside blir bestemt, visning av resultatene av beregningen på en visningsskjerm eller som en papirutskrift, og lagring i et lager for senere bruk.

Særlig når mediet er en farget og semitransparent væske vil dens optiske transparens gjerne være proporsjonal med væskehøyden over hvert punkt i bildeplanet (se kommentaren nedenfor vedr. tykkelsen av karets bunn) og kan tjene som parameter for å bestemme denne høyde (z - Zq) og dermed f.eks. en nedtrykket fots tredimensjonale kontur.

Midlene for viderebehandling omfatter en eller flere enheter fra følgende gruppe: en første trykkgiver for mediet eller dets omgivelse, datamaskin, program for skanneren, database, lager, visningsenhet, en andre trykkgiver for tilleggstrykk mot objektet, kommunikasjonsbuss og bearbeidingsmaskin.

Spesielt er objektet en legemsdel, særlig en fot.

Merk at avbildningen av objektets underside blir indirekte når det er brukt en membran mellom den og mediet, og at f.eks. fotens kontur til slutt finnes ved å trekke membrantykkelsen ifra. Tilsvarende unøyaktighet gjelder bildeplanet på undersiden av karets gjennomsiktige bunn, i stedet for å være lagt oppå bunnen, på mediets bunnflate.

I og med oppfinnelsen har man søkt å unngå de begrensninger som kjennes fra den tidligere teknikk. Således brukes et omsluttende medium som for en støpeavbildning, i kombinasjon med en avtrykksmåling som når man står med foten på en glassplate. Objektets trykk mot mediet og dettes mottrykk tilbake vil man i tillegg kunne innstille ifølge oppfinnelsen, og dessuten har man videreutviklet dette prinsipp til å sette opp ytterligere trykk over bestemte områder av f.eks. en fot, spesielt i den hensikt å kunne studere fotens tilhørende formendring og få kartlagt denne i maskinlesbart format. Moderne planavsøkingsteknikk (2D skanning) tas i bruk og utvides i oppfinnelsen til rommets tre dimensjoner (3D), og resultatene presenteres på digital form slik at de lett kan bearbeides og koordineres etter behov.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere, og det vises samtidig til tegningene av typiske situasjoner og utførelsesformer, idet fig. 1 viser et avtrykk av et objekt i et deformerbart medium som avsøkes/av leses nedenfra, fig. 2 viser en fot som objekt og nedpresset i et trykksatt medium hvor foten i tillegg pådras tilleggstrykk fra sidene, fig. 3 viser en avbildning underifra av et fotavtrykk i et trykksatt medium, idet den indre kontur viser når trykket er relativt høyt, mens den ytre konturen ved et lavere trykk, fig. 4 viser to fotsenger hvis overflate er generert ifølge oppfinnelsen, fig. 5 viser prinsippet for avsøkingen over et bildeplan og registrering av reflektert lys fra et punkt på et objekt, og fig. 6 viser et blokkskjema over en typisk apparatur for måling, analyse og presentasjon.

Fig. 1 og 2 viser således en typisk oppstilling for måling av et objekts 14 (se fig.

2) overflate 15 på dets underside i tre dimensjoner, ved at det er objektets - så som en fots - avtrykk som måles. Et rektangulært kar 2 er fylt med et medium 4 som særlig kan være en optisk helt eller delvis transparent væske, og karet er øverst dekket av en membran 6 som kan være av gummi og på tegningen er vist med et rutenett 8 for å tydeliggjøre et avtrykk, slik det gjøres i de fleste 3D-programmer for konturpresentasjon. Membranen 6 har i en foretrukket utførelse ifølge oppfinnelsen i det minste på undersiden hvit eller lys farge, og karets 2 bunn 10 er av gjennomsiktig pleksiglass eller liknende. Dermed blir membranen i større eller mindre grad synlig underifra, gjennom bunnen og mediet 4, dersom dette er mer eller mindre gjennomsiktig/gjennomskinnelig, ofte benevnt semitransparent. Karet 2 er montert direkte over en skanner 12 som i et bildeplan 16 (se også fig. 5 og 6) kan skanne over mediets 4 underside 17 og avbilde undersiden av membranen 6 gjennom dette medium. I praksis skannes fra undersiden av bunnen 10, siden denne er gjennomsiktig og har liten tykkelse i forhold til høyden av mediet. Et nedtrykket objekts 14 avtrykk vil følgelig arte seg lysere eller mørkere i en slik avbildning i skanneren 12, etter hvor langt ned det er trykket ned i mediet, og dette blir registrert i hver bildepunkt og ligger til grunn for beregning av høyden opp til hvert punkt på avtrykket. Skanneren 12 kan være i såkalt standard flatbed-utførelse.

Et viktig trekk ved oppfinnelsen er i denne sammenheng mediets 4 beskaffenhet. I en foretrukket form er mediet en væske som er optisk semitransparent og ganske mørk av farge. Ved koordinering av resultatet av registreringen av væskens transparens, med objektets xy-koordinater som tilsvarer bildeplanets 16 koordinater, får man et tredimen-sjonalt bilde av objektets kontur, inklusive membranen 6.

Væskens 4 mottrykk mot nedtrykkingen kan reguleres ved å endre trykket i omgivelsene rundt karet 2, f.eks. ved å forbinde dette med et tilførselskar som kan heves og senkes slik at en væskefortrengning fra karet krever varierende kraft. Med dette kan man oppnå en optimal påvirkning av et ettergivende objekt, så som en fot med myke deler (muskler, fett, sener etc.) og harde knokler, for da å få best mulig trykkfordeling under den, med tanke på fremstilling av såler, sko og fotsenger. Ved aktiv bruk av kartrykket som en parameter vil man således få et ytterligere virkemiddel til å analysere et ettergivende objekts 14 egenskaper i større grad enn oppnådd tidligere.

I en videreutvikling, som for konturmåling av en fot er vist på fig. 2, pådras også ytterligere trykk mot fotens sider, her for å simulere en trang skos virkning. Tilsvarende simuleringer for andre legemsdeler har også vist seg å være nyttig for best mulig tilpasning av proteser.

Her skal understrekes at eksempelet på fig. 1 bruker en semitransparent væske, men oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til dette, og alle typer medier kan være egnet for spesielle anvendelser, herunder gel, gass, flerfasefluid og annet. I motsetning til en ren væske kan slike media også være komprimerbare, og man kan utnytte dets varierende kompresjon på undersiden av et nedpresset objekt på tilsvarende måte. Som et eksempel kan karet 2 ha et komprimerbart medium hvis farge endrer seg med trykket på de forskjellige steder.

En trykkregulering av et slikt medium kan også være aktuell, og som ved en væske kan trykket enkelt reguleres ved at man hever/senker en beholder som er koplet til fluidvolumet i karet 2, eventuelt at man regulerer trykket på annen måte, herunder ved å bruke en pumpe eller en annen form for trykkgiver. Fig. 3 viser to typiske avbildninger av en fot 14 som hviler på membranen 6, mediet og glassplaten som danner karets 2 bunn 10. Innerkonturen viser situasjonen når trykket i mediet er relativt høyt, mens ytterkonturen viser det samme for et lavere trykk. Fig. 4 viser i perspektiv og sett forfra to fotsenger hvis overflate er generert ut fra den tredimensjonale overflate eller kontur oppfinnelsens fremgangsmåte har gitt. Fig. 5 viser i nærmere detalj hvordan det i bildeplanet 16 på undersiden av glassbunnen 10 genereres et bilde ved avsøkingen underifra når en gummimembran 6 med lys underside presses ned i mediet 4. Bildet dannes ut fra det lys som sendes ut fra hvert punkt på membranundersiden, eller sagt forenklet, på overflaten 15 på objektets underside. Avsøkingen eller skanningen tenkes her utført ved at lys sendes normalt opp fra hvert punkt (x, y, Zo) i bildeplanet 16 og reflekteres ned i hovedsakelig samme retning fra hvert tilsvarende punkt (x, y, z) på membranen eller overflaten 15. Jo større avstand overflaten på objektet har over bunnen 10 eller bildeplanet 16, desto høyere blir væskesøylen av mørk væske og desto mørkere blir avbildningen av punktet, betraktet fra karets 2 underside. Fig. 5 viser et rundt objekt 14 som kan være en hæl, på et utsnitt av en membran 6. En avsøkingsstråle fra et punkt lenger til høyre på bildet vil følgelig treffe membranen - som følger overflaten 15 - et sted hvor denne har en helning i forhold til det horisontale bildeplan 16, og dermed far refleksjonen fra dette sted en annen hovedretning enn den vertikale, og bare spredt lys vil falle inn på skannerens detektor i utstrålingspunktet. Resultatet er at den beregnede høyde z - z0 blir større enn den virkelige. Dette kan imidlertid korrigeres for ved for eksempel såkalt suksessiv approksimasjon, hvor en første beregnet høydekartlegging brukes som korreksjon til en neste, i en syklus med stadig redusert beregningsfeil. Korreksjonen kan utføres med datamaskin og handelstilgjengelig programvare. I spesielle anvendelser kan forholdet også utnyttes som en fordel, bl.a. dersom mediet 4 er glassklart og avsøkingen ikke er fokusert, idet refleksjonen fra et punkt på en horisontal flate da blir den samme uansett høyde over bildeplanet, men hvor membranundersidens lysspredningsevne kommer i betraktning.

Som nevnt brukes skanneren 12 til både å sende lys opp til objektet og fange opp det reflekterte lys fra dette, og med en passende standardprogramvare omvandles det lysbilde som mottas til digitalt format. Hvert bildepunkt eller -element (pixel) tilordnes derved en bestemt farge eller gråtone. Bildet åpnes deretter i en 3D-programvare som kan generere en flate hvis ene dimensjon (i dette tilfelle z-retningen) varierer som en funksjon av fargemetningen eller tonen i hvert punkt.

Fig. 6 viser skjematisk et blokkskjema over en typisk oppkopling eller anordning for å utføre oppfinnelsens fremgangsmåte. Objektet 14 er en fot som presser membranen 6 ned i mediet 4 i karet 2, og dette er her vist innenfor en ytre omslutning 20 som illustrerer trykksettingen, i dette tilfelle med en første trykkgiver 18. En andre trykkgiver 32 tilsvarer det fig. 2 viser, nemlig at foten også blir påført et trykk fra sidene, fra over-eller undersiden av membranen 6. Under karets bunn 10 ligger bildeplanet 16, med skanneren 12 rett under. Et program 24 er skissert med blokken til høyre. Fra skanneren går avsøkingsresultatene til en datamaskin 22 eller prosessor som på utgangen via en kommunikasjonsbusslinje 34 er tilkoplet periferenheter, her vist som en database 26, et lager 28, en visningsenhet (dataskjerm) 30 og en bearbeidingsmaskin 36. Den siste kan spesielt være en såkalt CNC-fres for automatfremstilling av fotsenger og liknende.

Membranens og dermed det nedtrykkende objekts fasong blir på denne måte bestemt matematisk (digitalt) og kan håndteres i en datamaskin. I stedet for en skanner 12 av konvensjonell type kan man naturligvis bruke andre betraktningsenheter så som kameraer og liknende.

Resultatet av målingen og prosesseringen kan som illustrert ved maskinen 36 deretter brukes i fremstillingen av proteser, fotsenger og liknende, særlig under numerisk styring, for eksempel freser, maskiner for såkalt "rapid prototyping" etc.

Ved konvensjonell bildebehandling kan man innstille, justere og redigere avbildningene av den tredimensjonale flate man registrerer, og man kan for eksempel tenke seg at en prosent økning av sort i et sort/hvittbilde tilsvarer en heving av objektet på en millimeter.

Eksempel på fremgangsmåte for fremstilling av en fotseng.

1. Foten 14 plasseres på membranen 6 oppå mediet 4.

2. Trykket i mediet eller dets omgivelse blir regulert til ønsket nivå.

3. Et plant bilde av fotavtrykket, men med tilleggsinformasjon om avstanden fra hvert punkt på fotundersidens overflate 15 til glassplaten dannes i bildeplanet 16 på dennes underside og er synlig underifra, fra skanneren 12. 4. Bildet blir avlest av skanneren og lagret i datamaskinen 22 sammen med tilleggs-informasjonen. 5. Den komplette bildeinformasjon blir behandlet i datamaskinen 22 og blir ved hjelp av et 3D programvare (24) lagret og presentert i digitalt format som fotens 3D overflate 15 når denne er utsatt for det ønskede mottrykk fra mediet 4 via membranen 6. 6. De således lagrede data for fotoverflaten 15 kan sammenlignes med tidligere tilsvarende genererte og lagrede data (26, 28) for samme fots overflate for å vurdere utvikling og endring i fotens form. 7. De sist lagrede data for fotoverflaten bearbeides og avgrenses i programvaren og legges til en datafil (26, 28), med tanke på hjelpemidler e.l. 8. Filen overføres til maskinutrustning (36), f.eks. en CNC-fres for produksjon av f.eks en fotseng.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å måle et objekts (14) tredimensjonale overflate (15), karakterisert ved- nedtrykking av objektet (14) i et deformerbart og optisk helt eller delvis transparent medium (4) som kan observeres fra dets underside (17), hvorved også overflaten (15) på objektets underside kan observeres, gjennom mediet (4), - punktvis avbildning av objektets projeksjon gjennom mediet (4) på dettes underside (17), i et bildeplan (16) hvor hvert bildepunkt (x, y, z0) er referert til to ortogonale, særlig horisontale retninger x og y, men har en og samme vertikale høyde (z0) over et referanseplan (z - 0), - registrering av intensiteten og/eller fargen av det lys som fra hvert punkt (x, y, z) på overflaten (15) passerer mediet (4) og faller inn på det tilsvarende punkt (x, y, Zo) i bildeplanet (16), - koordinering mellom resultatet av registreringen av punktenes intensitet og/eller farge og data for mediet og avbildningen, - beregning av høyden (z - z0) fra bildeplanet (16) opp til hvert punkt (x, y, z) på overflaten (15) og/eller beregning av overflatens helning i hvert av de samme punkter i forhold til bildeplanet, basert på resultatet av koordineringen, slik at den tredimensjonale form av objektets (14) overflate (15) på dettes underside blir bestemt, - visning av resultatene av beregningen på en visningsenhet (30) eller som en papirutskrift, og - lagring i et lager (28) for senere bruk.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nedtrykkingen av objektet (14) i det optisk helt eller delvis transparente medium (4) utføres via en membran (6) som dekker dettes overside og hvis underside er egnet for avbildning fra mediets (4) underside.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at membranens (6) underside, for å egne seg for avbildning underifra omfatter et eller flere av følgende virkemidler: kontrastfarger, rutenett, fluorescensmidler, fosforescens, punktmønstere, refleksjonselementer eller tilsvarende, slik at tilstrekkelig lys til avbildningen faller inn på punktene i bildeplanet (16).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det optisk helt eller delvis transparente medium (4) er en væske eller et komprimerbart fluid, særlig en deformerbar gel eller gass, herunder ren luft.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at mediet (4) er komprimerbart og har en farge som skifter med graden av kompresjon.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at mediets (4) omgivelsestrykk og/eller interne trykk innstilles for å gi en varierende nedtrykking av et objekt (14) som i det minste delvis er deformerbart, slik at dets overflate (15) endrer form i avhengighet av trykket.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved pådrag av et ytterligere trykk mot objektet i tillegg til mediets (4) innstillbare eget trykk, for å simulere bestemte trykkforhold for deformerbare objekter (14).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at objektet er en legemsdel, særlig en fot.

9. Anordning for å utføre fremgangsmåten ifølge krav 1-8, omfattende: - et kar (2) fylt med et deformerbart medium (4) og med en transparent bunn (10) med plan og horisontal underside (17), - midler (12) for avsøking og avbildning av karets (2) underside (17), og midler (18 34) for viderebehandling av resultatet av avsøkingen, karakterisert ved- en membran (6) som dekker mediets (4) overside, at - mediet (4) er et optisk helt eller delvis transparent fluid i form av en væske, en gel eller en gass, og at - midlene (12) for avsøking/avbildning og midlene (18 34) for viderebehandling er innrettet for: registrering av intensiteten og/eller fargen av det lys som fra hvert punkt (x, y, z) på overflaten (15) på objektets (14) underside passerer mediet (4) og faller inn på det tilsvarende punkt (x, y, z0) i bildeplanet (16), koordinering mellom resultatet av registreringen av punktenes intensitet og/eller farge og data for mediet og avbildningen, beregning av høyden (z - zo) fra bildeplanet (16) opp til hvert punkt (x, y, z) på overflaten (15) og/eller beregning av overflatens helning i hvert av de samme punkter i forhold til bildeplanet, basert på resultatet av koordineringen, slik at den tredimensjonale form av objektets (14) overflate (15) på dettes underside blir bestemt, visning av resultatene av beregningen på en visningsenhet (30) eller som en papirutskrift, og lagring i et lager (28) for senere bruk

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at midlene (18 34) for viderebehandling omfatter en eller flere enheter fra følgende gruppe: en første trykkgiver (18) for mediet (4) eller dets omgivelse (20), datamaskin (22), program (24) for skanneren (12), database (26), lager (28), visningsenhet (30), en andre trykkgiver (32) for tilleggstrykk mot objektet (4), kommunikasjonsbuss (34) og bearbeidingsmaskin (36), særlig en CNC-fres for produksjon av fotsenger.