SE510203C2 - Sätt och anordning för inmätning av en tredimensionell form - Google Patents

Description

20 25 510 203 metoder hade ofullkomligheter vad gäller mätnoggrannhet, flexibilitet med avseende på olika typer av mätobjekt och kostnad för att framställa inmämingsutrusmingen.

Stereo- och fotogrammetri är metoder som ofta används för inmätning av tredimensionell form. Metoden kräver att det undersökta objektet har en ytstruktur, vars vinkelägen kan jämföras från olika observationspositioner. Dentala objekt och mänsklig hud innehåller ingen eller otydlig ytsmilmir, vilket medför problem för stereometoder. Ett tänbart sätt att lösa problemet är att mönstra ytan för att underlätta senare forminmätriing. I vår samlöpande patentansökan PCT/SE96/O1329 visas på ett sätt att mönstra objektet med ett fluorescerande mönster. Genom att belysa det mönstrade objektet med med ljus av en våglängd som exciterar det fluorescerande mönstret och sedan registrera detta mönster med en kameraenhet som är känslig för fluorescensljuset, får man en mycket bra bild av detta fluorescensmönster. Denna uppfinning är en vidareutveckling av denna metod.

Uppfinningens syften Ett syfte med uppfinriingenen är att åstadkomma ett sätt och en anordning för att förbättra inrnätningen jämfört med ovanstående metod.

Ett armat syfte är att åstadkomma en noggrann inmätning av gränser där objektytans ytnormal ändrar riktning, såsom vid s k preparationsgränser. En god bestämning av preparationsgränser (gränsen mellan obearbetad yta och bearbetad yta) är av stor betydelse för ett slutgiltigt arbetsresultat, i synnerhet vid tandlagning. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt och en anordning, som jämfört med tidigare känd teknik, noggrarmare och på ett mer kostnadseffektivt sätt mäter in den tre-dimensionella formen på t ex dentala objekt. 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 30 .sin 203 Ytterligare ett syfte är att åstadkomma framtagning av kundanpassade hörapparater, som har en perfekt passform till hörselgången, och där övergången mellan hörxselgången och trumhinnan är tydligt urskiljbar.

Uppfinníngen Ovan angivna syften erhålles med ett sätt, som erhållit de i patentl särdragen. Vidareutveckling och en anordning för att utföra sättet anges i de övriga kraven.

Med sättet och anordningen enligt uppfinningen får man en bra bestämning av mätobjektets form. Dock önskas en bättre bestämning av lägen för kanter och gränser där ytans lutning ändras kraftigt såsom vid de s k preparationsgränsema vid dentala tillämpningar. Det nedan beskrivna förfarandet enligt uppfinningen ger den önskade noggranna inmätningen av kanter och preparationsgränser.

Den ektroniska kameraenheten avbildar mätobjektet dels med en belysning anpassad till det anbragta mönstret på dess ytan. Sedan registreras en bild med belysning från en sida. Därefter tas en ytterligare bild tas med belysning från motstâende sida.

Ytterligare registreringar sker efter det att vinklarna mellan kameraenhet och objekt har ändrats. Utifrån lagrade bilddata från de olika inläsningspositionema beräknas läget för gradientförändringar i ytformen såsom preparationsgränser. För varje par av bilder tagna med sidoljus från motstående sidor subtraheras bildema elektroniskt från varandra, varvid en differensbild erhålles. Ytterligare differensbilder genereras, där de kvarvarande belysningsparen har använts. Genom utvärdering av differensbilder beräknas vinkeln för ytnormalen för de mätobjektets olika any-positioner.

Ytterligare registreringar görs från ett antal vinkelpositioner till dess att alla objektdelar har registrerats från minst två gynnsamma vinkelpositioner. Datorprograrnvaran har särskilda algoritmer för behandling och eventuell bortfiltrering av mätdata som, under 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 30 3510 203 44 ogynnsarnma vinkelförhållanden, har samlats in nära preparationsgränser och kanter, samlats in från positioner där mätobjektet har skymt delart av sändar eller mottagarstrålgången., eller samlats in i kombinationer av ovanstående fall.

Kort ñgurbeskrívning Uppfinnjngen beskrivs ännare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där: Figur l visar en vy uppifrån av en urborrad tand för att illustrera uppfinningen princip.

Figur 2 visar en sidovy av en tand uppborrad för att anbringa en la-ona.

Figur 3 illustrerar schematiskt en utföringsfonn av en anordning enligt uppfinningen.

Figur 4 visar en utforingsforrn av en samrnanbyggd enhet med ljus och kamera.

Detaljerad beskrivning av utfóringsformer Fig. l visar uppifrån en med en urborrning 3 försedd tand 1, som är belagd med ett fluorescerande prickrnönster 2. Tanden l belyses från sidan med en ljuskälla 5 med en första typ av ljus. I fig. l infaller ljuset så att urborrningen 3 belyses och själva tanden ligger i skugga. En skarp kant 4 markerar övergången mellan urbormingen 3 och den kvarvarande delen av tanden. Förutom det hålrum, som skall fyllas med ett anpassat formgivet inlägg, måste rymdläget för denna övergången 4 behöver bestämmas noggrannt, så att man får en helt jämn övergång mellan den kvarvarande tanden och ifyllnaden.. Detta behöver speciellt ske, när ett inlägg av porslin skall tillverkas och placeras i urborr-ningen 3.

Fig. 2 visar från sidan en nedborrad tand 6, som skall förses med en krona.

Nedborrningen är utförd så att en topp 7 har bildats, på vilken kronan skall fästas.

Toppens 7 forrn skall inmätas noggrannt for att skapa ett fástande hålrum i kronan, som helt skall stämma överens med toppens 7 form. Likaså är det mycket väsentligt att övergången 8 mellan toppen 7 och den kvarvarande delen av tanden mäts upp, så att kronans passform blir sådan, att kronans nedre kant stämmer så väl överens med 44759 1997-04-21 8.51 10 20 25 30 i 510 zu: övergången 8, att övergång mellan kronan och den kvarvarande delen av tanden blir slät.

Innan arbetet med att mäta upp tanden för att få fram formen för det inlägg eller den krona, som skall göras borras och rengörs mätobjektet 1 eller 6, som kommer att beskrivas såsom varande en tand. Naturligtvis kan uppmätning ske på vilket annat föremål som helst som kan behöva en ifyllnad, såsom t.ex. en modell av en tand eller avgjutning av ett dentalt objekt, en nll en hörselgång väl anslutande del av en hörapparat, en lagning i en bordsskival eller i en vägg e.d.. Vid inmätning av en hörselgång är det viktigt att känna till trumbinnans infästriing, eftersom kännedom om volymen, som firms mellan hörapparatens inre del och trumhinnan är av utomordentlig betydelse för inställning av hörapparatens ljudkvalitet.

På mätobj ektets yta appliceras ett mönster med färg, som företrädesvis är fluorescerande. Emellertid är det möjligt att i stället använda ett mönster med t.ex. svarta eller färgade prickar. Appliceringen kan t ex utföras genom en kontrollerad sprayning av ytan med fargämnet. Mönstret kan vara av annan typ, men prickmönster är enkelt att åstadkomma och illustreras därför.

I fig. 3 visas mycket schematiskt en utiöringsforrn för att mäta in den tre-dimensionella formen på ett mätobjekt 10, som här visas försedd med en central urborrning ll med kanten lla. Mätobjektet har ett påsprejat prickmönster 12 av ämnen, som företrädesvis ärfluorescerande. En första belysningsenhet innefattande minst en ljuskälla l3a och 13b sänder ut ljus med en våglängd, tex. blått, som exciterar de påsprejade fluorescerande ämnena 3 i det applicerade prickmönstret på mätobjektet (tanden) l.

Ljuskällan bör lämpligen ge en belysning av undersökningsområdet nmt och i urborrningen 11 som är så jämn och utan skuggor som möjligt. En kameraenhet 14 flyttbar mellan två eller flera positioner A och B, eller altemativt flera karneraenheter (icke visat), registererar läget för de fluorescerande prickarna 12.. Hela eller en del av objektet registreras med en eller flera tagningar med den elektronisk kameraenhet 14, som för denna tagning är försedd med ett färgfilter som blockerar excitationsljuset men 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 30 510 203 släpper igenom fluorescensljuset. Varje registrerad bild kommer att se ut som stjärnhirnmelförsedd yta, vilken lagras i ett minne, såsom kommer att beskrivas i anslutning till fig. 4.

En andra belysningsenhet innefattande ett flertal belysningsenheter 15a, l5b, 15c, l5d sänder därefter sekvensiellt från två eller fler positioner ut ljus med en våglängd som kameraenheten 14 också är känslig för, tex. rött.

Flera kameraregstreringar görs nu med syfte att fiamhäva gränser (eller diskontinuiteter) i mätobjektets yta såsom preparationsglänser. Belysningen från lyselementen 15a-l5d vid denna registrering är snett infallande ljus. Varje belysningenhet 15a-l5d kan t.ex. vara vara försedd med en lysdiod eller en lysande ljusledarände. Ljuset bör ha en relativt väl avgränsad lob. Registreringar görs sekvensiellt t.ex. parvis fiån motstående sidor efter varandra och med perifexiell ändring mellan varje registrering i motstående par, så att i fig. l ljuskällorna tänds i följande sekvens 15a, l5b, 15c, l5d.

Inmätningsenhetens position kan därefter flyttas relativt mätobjektet, varvid ytterligare kameraregistreringar enligt ovanstående utförs. lnmämingen avslutas när alla intressanta delytor har registrerats från tillräckligt många gynnsamma vinklar.

Registreringama av mätobjektet tagna med snett infallande ljus fiån olika vinkelpositioner används främst för att beräkna preparationsgränser men data kan även användas för att förbättra noggrannheten för forrnmämingen.

Registreringarna av priclcmönster används i huvudsak för elektronisk och/eller datorstödd beräkning av formen på mätobjektet, företrädesvis med s.k. CAD-teknik.

Inlägget eller kronan kan därefter tillverkas i en s.k. CAM-utrusming, som matats med resultatet av CAD-bearbetningen. Detta resultat kan överföras till något datamediurn, tex. en datadiskett, och skickas till ett laboratorium med CAM-utrustning. 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 30 510 203 Kameraenheten 14 kan exempelvis vara en typ av stereokamera varvid två samtidiga registreringar görs från två vinkelpositioner. Kameran 14 kan t.ex. ha en optik med två eller flera avbildande optiska element, vilka antingen kan ta var sin bild samtidigt eller vara försedd med slutare, som gör att man kan ta en bild i taget. Varje bild av mätobjektet avbildas på minst en bildsensor, som t. ex. kan utgöras av en två- dimensionell matris av sensorelement..

Alternativt kan kameran vara så utformad att mätobjektet 10 avbildas på en koherent fiberbunt, varvid en bildsensor är anordnad i fiberbuntens andra ände. Varje ljuskälla kan även vara kopplad nll minst en ljusfiber, som för ljuset till närheten av mätobjektet. Därigenom kan ljuskällor, sensorer och till dessa anslutande elektronik vara placerade på avstånd från mätobjektet. De mäthuvud, som placeras nära mätobjektet, kan därigenom göras litet och lättplacerat.

Den i fig. 4 visade utföringsformen av ett mätinstrument är speciellt användbar för flexibel placering vid ett mätobjekt, som kan vara relativt svåråtkomligt, för inmätning av detta, såsom en tand inne i murmen hos en patient och speciellt för inmäming av en urbonning i en tand. Härvid kan ett mäthuvud 20 med "karnera"-utrustningen vara placerad vid änden på ett styrorgan 21. I ñg. 4 visas styrorganet 21 såsom ett handtag, vilket är enkelt manövrerbart för en operatör och vars yttre ände 20 med "karnera"- utrustningen är lätt krökt för att ge god åtkomlighet i trånga utrymmen. Styrorganet 21 kan istället vara styrbart böjligt och/eller också kan en eventuellt styrbar arm vara förbunden med själva den yttre änden 20 for att styra den och ljusfiberknippet ll då komma direkt från änden 20.

Bilduppfângriingsänden är placerad inuti den yttre änden 20 i fig. 4. Ett fiberknippe ll är böjligt utanför stången 21 och koherent anbragt mellan mäthuvudets ände och en eleknoniskt avläsbar bildsensor 22, såsom en andra träffpunktsdetektorenhet, placerad på avstånd från mäthuvudet 20. Den elektroniskt avläsbara bildsensom 22 är kopplad till utvärderingskretsar 23. 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 30 i51n 203 Vid fall av tandundersökning belåggs tänderna före mätning med en avborstbar beläggning med fluorescerande partiklar. Detta kan ske med aktivering av en sprutmålningsutrustning kopplad till mäthuvudet 20 och innefattande en styrbar färg- enhet 24 kopplad med en slang 25 till minst ett munsstycke (icke visat) vid mäthuvudet 20. Lärnpligen firms därvid arrangemang (icke visat) vid mäthuvudet för att skydda optiken under sprutmålriingsoperationen styrt från enheten 24, såsom utskjutning av munstycket eller munstyckena och/eller tillfällig förslutning av öppningen till opriken.

Det är emellertid uppenbart, att mönsterpâläggningen av mätobjektet i stället kan göras separat, och ett instrument utan delama 24, 25 kan användas för själva mätningen.

De ändamålsenliga bilderna tas och signalbehandlas, varefter beläggningen borstas och skölj s bort. Lysenhetema l3a, l3b är placerade bredvid mäthuvudet 20. Lysenhetema 15a - l5d, som skall ge snett fi-ån sidan infallande ljus, är i den i fig. 4 visade utföringsformen placerade i en ring 26, som hålls av en ställning på mäthuvudet 20, eventuellt vridningsbard för snedställning gentemot detta alltefter behov.

Utvärderingslcretsen 23 är företrädesvis en dator försedd med programvara, som genomför tändningarna av de olika lysenhetema l3a, l3b, 15a-l5d, kamerainställriingaina med anbringande av filter och öppning och slutning av lämpliga slutare för de olika registreringama. Registreringarna bearbetas i utvärderingslcretsen 23, som därmed beräknar rymdläge och form för den för avbildningen intressanta formen av tanden. Dessutom kan utvärderingskretsen 23 utföra den erforderliga CAD- beräkningen med den speciella berälcriingen av lägen för kanter mellan olika partier av objektet exempelvis med fotogrammeui eller korrelation mellan flera registreringar av samma punkter i flera olika registreringsvinklar..

För att få en kalibreringsreferens vid inmätning av det fluorescerande mönstret är en liten platta 27 försedd med en annan typ av mönster i t.ex. i fluorescerande färg i förankring med anfingen mäthuvudet 20 eller ringen 26 så placerad, att den är införd i kameraenhetens synfált och kommer in i den registrerade bilden vid sidan av uppmätningsområdet. Plattan 27 kan därvid placeras direkt mot mätobjektet. Mönstret på plattan 27 kan tex. innefatta en skala såsom kalibreringsmönster. Det väsentliga 44759 1997-04-21 8.51 10 15 20 25 isro 203 med kalibreringsmönstret är att det skall kunna ge en normering och därför skall det ha en känd geometn' med kända mått. Kalibreringsmönstret kan i stället för att vara placerat på en platta 27 direkt påföras på mätobjektet vid sidan om uppmätnigsorrrrådet före uppmätning.

Förutom preparationsgränser, såsom 4 och 8 beräknas vinkeln för ytnorrnalen for mätobjektets 1, 6 olika delytor. Beräkning av läge och form för mönsterdelarna beräknas från mönster-registreringarna. Läge för gradientförändringar i ytfonnen av objektet beräknas från registreringama av ytans utseende. En tre-dimensionell form med mot mätobjektet anslutande gränser vid gradientförändringarna beräknas för inlägget eller kronan eller någon arman typ av tilläggsobjekt. Speciellt används informationen beträffande gradientförändringarna för korrigering av fonndata beräknade utifrån tidigare beräkningar t ex utifrån prickrnönsterregistreringar.

Datorprogramvaran har särskilda algoritmer enligt för behandling och eventuell bortñltrering av mätdata som har samlats in under ogynnsarnma vinkelförhållanden, samlats in nära preparationsgränser 4, 8 och kanter, samlats in från positioner där mätobjektet 1, 6 har skymt delar av sändar eller mottagarstrålgången., eller samlats in i kombinationer av ovanstående fall. Typen av algoritmer och beräkningar av CAD-typ kan vara av olika lämpliga konventionella slag och ingår inte i själva uppfinningen och beskrivs därför icke närmare. Rymdberäkningar av mönsterdelarnas lägen utförs med triangulering mellan delar i bildregistreringar tagna från olika håll och sker med geometriska beräkningar.

Många modifieringar av uppfinningen är möjliga inom den ram, som ges av de bifogade patentkraven. Även om ett mätobjekt i form av en tand är illustrerat är det uppenbart att mätobjekt av andra slag än tänder kan uppmätas, både av organisk och oorganisk karaktär. 44759 1997-04-21 8.51

Claims (11)

10 15 20 25 510 203 10 PATENTKRAV

1. Förfarande för inmätning av formen hos ett mätobjekt, t.ex. för att åstadkomma ett till mätobjektets form anslutande filläggsobjekt, varvid mätobjektet på sin yta förses med ett mönster med fluorescerande ämnen, kännetecknat av att objektytan med mönstret belyses med en första typ av ljus (l3a, 13b) med en våglängd, som exciterar det använda fluorescerande fargämnet, mönstret registreras med hjälp av optiska avläsningsenheter känsliga för det exciterade fluorescerande ljuset med avläsning av samma mönsterdelar från inbördes olika riktningar, objektytan belyses med en andra typ av ljus (l5a-l5d), registering av objektytans utseende utförs vid belysningen av den andra typen av ljus, beräkning av läge och form för mönsterdelama beräknas från mönster-registreringarna, sarnt läge för gradientförändringar i ytforrnen av objektet beräknas från registreringarna av ytans utseende, samt att en tre-dimensionell form med markerade gränser vid gradientförändringarna beräknas.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att belysningen med den andra typen av ljus sker med snett infall mot mätobjektet och sekvensiellt från flera håll med minst en registrering för varje belysning.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att belysning sker sekvensiellt parvis med belysning sekvensiellt från motstående sidor och med en registrering för belysning fiån var sitt håll, samt att dessa registreringar kombineras med varandra, tex. subtraheras, för att erhålla gradíentförändringar i registreringarna.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att vinkeln för ytnormalen hos mätobjektets olika delytor beräknas av registeringarna gjorda med belysning med den andra typen av ljus (15a-l5b), och korrigering av forrndata erhållna 44759 [997-04-21 3.51 _ 10 15 20 1 1 5 1 0 2 0 3 genom registeringarna med den första typen av ljus utförs med ytnormalvinkel- berälmjngaina.

5. För-farande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att registreringar-na vid båda typema av ljus utförs från flera håll i relation till mätobjektet.

6. Anordning för inmätning av formen hos ett mätobjelct, t.ex. för att åstadkomma ett ' till mätobjektets form anslutande tilläggsobjekt, varvid mätobjektet på sin yta är försedd med ett mönster med fluorescerande ämnen, kännetecknad av en första belysningsenhet (13a, 13b) som vid aktivering sänder ut ljus av en första typ, som har en våglängd som exciterar fluorescerande ämnen, en andra belysningsenhet (15a-15d) som vid aktivering sänder ut ljus av en andra typ, en bildregistreringsanordning (14), som från minst två positioner registrerar mönstret på objektytan belyst med en första typen av ljus, och från minst två positioner registrerar objektytan stereoskopiskt eller med upptagningar fiån ännu flera håll, en beräkningsenhet (22), som från mönster-registreringarna beräkning av läge och form för mönsterdelama, samt från registreringar-na av ytans utseende beräknar läge för gradientförändringar i ytfonnen av objektet, samt beräknar en tre-dimensionell form med mot mätobjektet anslutande gränser vid gradientforändringarna.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av att bildregistreringsanordningen är försedd med en stereooptik med två eller flera avbildande registreringsenheter samt med styrbara slutare i optiken, så att optiken vid styrning kan registrera en bild i taget.

8. Anordning enligt krav 6 eller 7, kännetecknad av en koherent fiberbunt, på vilken bilden av mätobjektet avbildas i ena änden och en bildsensoranordning är placerad i andra änden. 44759 1997-04-21 8.5! 12 510 203

9. Anordning enligt något av kraven 6 - 8, kännetecknad av en fiberbunt var och en ansluten mellan en på avstånd fiån mätobjektet placerad ljuskälla och en placering nära mätobjektet lärnpad för belysning av det.

10. Anordning enligt något av kraven 6 - 9, kännetecknad av att den andra typen av belysning är placerad att ge mot mätobjektsytor snett infallande ljus och innefattar företrädesvis flera sekvensiellt styrbara ljuskällor för belysning från flera riktningar mot mätobj ektet.

11. ll. Anordning enligt något av kraven 6 - 10, kännetecknad av att belysningen av den första typen är anordnad att ge en så skuggfii belysning av mätobjektet som möjligt. 44759 1997-04-21 8.51'