DE102009038588A1

DE102009038588A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Gesamtdatensatzes eines zu messenden Objektes

Info

Publication number: DE102009038588A1
Application number: DE102009038588A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Ertl
Original assignee: Degudent GmbH
Current assignee: Degudent GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US20120224756A1; US9453722B2; EP2470857B1; EP2470857A2; WO2011023784A2; WO2011023784A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines Gesamtdatensatzes eines zu messenden Objekts unter Verwendung von Einzeldatensätzen, denen Einzelscans des Objekts zu Grunde liegen, die mit zumindest einem Sensor gemessen werden. Um sich akkumulierende Fehler zu vermeiden und ein Entzerren bzw. Korrigieren einzelner Daten zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass mittels zumindest eines ersten Sensors erste Teilscans des Objekts gemessen werden, die mittels zweiter Teilscans von zumindest zwei in ortsfester Beziehung angeordneten zweiten Sensoren zueinander ausgerichtet und/oder korrigiert werden und aus den zueinander ausgerichteten und/oder korrigierten Teilscans die Einzeldatensätze für den Gesamtdatensatz ermittelt werden, oder dass mittels mehrerer in ortsfester Beziehung zueinander angeordneter dritter Sensoren dritte Teilscans ermittelt werden, aus deren Einzeldatensätzen der Gesamtdatensatz ermittelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht auf ein Verfahren zur Ermittlung eines Gesamtdatensatzes eines zu messenden Objekts wie Kauorgan oder Bereich eines solchen unter Verwendung von Einzeldatensätzen, denen Einzelscans des Objekts zu Grunde liegen, die mit zumindest einem Sensor gemessen werden.
Um ein Objekt dreidimensional zu messen, ist es bekannt, dieses dreidimensional zu scannen, um aus den Einzeldatensätzen einen Gesamtdatensatz zu gewinnen, der die Form des zu messenden Objektes wiedergibt. Diese Daten sind z. B. in der Zahnprothetik erforderlich, um im CAD/CAM-Verfahren Rekonstruktionen herzustellen.
Ein Problem beim 3D-Scannen ohne festen Bezug zwischen einzelnen 3D-Aufnahmen ist der Aufbau eines mit zunehmender Einzelscan-Anzahl akkumulierenden Fehlers beim Registrieren (Zusammenfügen) der Einzelscans zu einem Gesamtdatensatz. Zur Verringerung dieses Fehlers können Hilfsteile mit bekannter Geometrie, also Referenzierungen zusammen mit der zu bestimmenden Geometrie gescannt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sich akkumulierende Fehler vermeiden lassen. Ein Entzerren bzw. Korrigieren einzelner Daten soll möglich sein.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass mittels zumindest eines ersten Sensors erste Teilscans des Objekts gemessen werden, die mittels zweiter Teilscans von zumindest zwei in ortsfester Beziehung angeordneter zweiter Sensoren zueinander ausgerichtet und/oder korrigiert werden und aus den zueinander ausgerichteten und/oder korrigierten Teilscans die Einzeldatensätze für den Gesamtdatensatz ermittelt werden, oder dass mittels mehrerer in ortsfester Beziehung angeordneter dritter Sensoren dritte Teilscans ermittelt werden, aus deren Teildatensätzen der Gesamtdatensatz ermittelt wird.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre werden nach einer ersten Alternativen 3D-Bilddaten bzw. Teilscans ermittelt, die sodann in ihrer Zuordnung zueinander entzerrt bzw. korrigiert werden, indem ein Matchen mit Daten erfolgt, die von zumindest zwei in ortsfester Beziehung zueinander angeordneten Sensoren ermittelt werden, also von zweiten 3D-Bilddaten bzw. zweiten Teilscans. Mit anderen Worten benutzt man die zweiten Teilscans, die eine eindeutige vorbestimmte Lage zueinander aufweisen, um die ersten Teilscans zusammenzufügen.
Das diesbezügliche Verfahren kann mit nach dem Stand der Technik bekannten Scan-Systemen kombiniert werden und dient zur Korrektur auftretender Fehler.
Nach dem alternativen Lösungsvorschlag werden die zur Ermittlung des Gesamtdatensatzes verwendeten Sensoren selbst in ortsfester Beziehung zueinander angeordnet, so dass die von jedem Sensor erfassten Teilbereiche eine eindeutige Zuordnung zueinander aufweisen und somit eine Korrektur bzw. Entzerrung nicht erforderlich ist. Es wird ein eigenständiges Scansystem benutzt, bei dem insbesondere die vollen Anforderungen an ein Scansystem bezüglich der erforderlichen Scantiefe, der erforderlichen Abdeckung der Objektgeometrie und der Fähigkeit, Objekte mit einem ungünstigen Aspektverhältnis scannen zu können, erfüllt werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest die zweiten und dritten Sensoren Einzelscan-Optiken aufweisen, die vorzugsweise nach dem Prinzip Multipunkt OCT (optische Kohärenztomografie), Multipunkt konfokaler Abbildung oder Multipunkt konfokal, farbdispersiv aufgebaut werden.
Bevorzugterweise werden als Sensor ein CCD-, CMOS-, InGaAs- oder PbS-Sensor verwendet.
Als Sensor sollte eine Miniaturkamera im Submillimeterbereich verwendet werden.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die für jeden Sensor wie Miniaturkamera benötigte Optik konfokal ausgebildet sein kann.
Zumindest die zweiten und dritten Sensoren gehen jeweils von einer Halterung aus, die gegebenenfalls von einer transparenten Umhüllenden umfasst ist.
Unabhängig hiervon sollte in der Halterung neben den Sensoren eine Elektronik zum Zusammenführen von Datenströmen der Sensoren sowie eine Spannungsquelle integriert sein. Diese kann aus einer Batterie mit induktiver Lademöglichkeit bestehen.
Die Übertragung der Daten von der Halterung sollte vorzugsweise drahtlos erfolgen.
Bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Lehre ist der Bereich des 3D-Scannens eines Kiefers bzw. Kieferbereichs. Daher sollte die Halterung mit den von dieser ausgehenden Elementen derart dimensioniert sein, dass ein zumindest teilweises Einführen in einen Mund eines Patienten erfolgen kann.
Zumindest die dritten Sensoren sollten auf der Halterung des Weiteren derart angeordnet sein, dass gleichzeitig okklusaler, vestibulärer und platinaler/lingualer Bereich von zumindest einem Bereich des Kauorgans gescannt werden kann.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
zusammengesetzte Einzelscan-Bereiche,
einen Überlappungsbereich benachbarter Einzelscan-Bereiche,
eine Prinzipdarstellung eines Scansystems,
Scanflächen bei der Verwendung von konfokalen oder OCT-Einzelscan-Systemen,
Scanbereiche mit chromatisch dispersiven konfokalen Multipunkt-Messsystemen und
Scanbereiche.
Die erfindungsgemäße Lehre soll am Beispiel eines Scanners für dentale Anwendungen im Mund eines Patienten beschrieben werden, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.
Beim Scannen von semitransparenten Objekten wie Zähnen oder Gewebe, aber auch Keramik etc. haben Verfahren, die keinerlei oder zumindest eine nicht deckende Beschichtung der zu messenden Geometrie benötigen, klare Vorteile für den Anwender. Daher soll vorzugsweise, aber nicht ausschließlich ein derartiges Verfahren zur Anwendung kommen.
Die Einzelscan-Optiken können daher vorzugsweise nach den Prinzipien Multipunkt OCT, Multipunkt konfokale Abbildung oder Multipunkt konfokal, farbdispersiv aufgebaut sein.
Durch Minaturkameras mit CMOS-Chips mit Abmessungen im Sub mm-Bereich (z. B. AWAIBA) sind derartige Systeme mittlerweile in den benötigen Abmessungen möglich geworden.
Die Anzahl der Einzelscan-Systeme umfassend jeweils einen Sensor (vorzugsweise CCD oder CMOS aber auch INGaAs, PbS) mit Optik kann dabei von 2 bis 1000 variieren, liegt vorzugsweise zwischen 10 bis 100.
Das System kann zur Messung der Position relativ zu dem zu messenden Objekt ein Inertialsystem enthalten.
Die Pixelanzahl der Einzelsensoren kann zwischen 100 × 100 und 3000 × 3000 liegen.
In einer Halterung bzw. einem Träger sind die Sensoren, die Elektronik zum Zusammenführen der Datenströme der Einzelscan-Systeme, eine Batterie mit induktiver Lademöglichkeit und vorzugsweise eine drahtlose Datenübertragung sowie optional ein Intertialsystem integriert.
Um hygienischen Anforderungen zu genügen, kann ein transparenter Cover über das eigentliche Scansystem geschoben werden, falls Wischdesinfektion nicht ausreicht.
Die Datenübertragung erfolgt vorzugsweise drahtlos, kann aber auch drahtgebunden erfolgen.
Je nach verwendeten Einzelscan-Systemen werden unterschiedliche Scantiefenbereiche abgedeckt.
Im Falle der rein konfokalen OCT Multipunkt Anordnung besteht der Scanbereich vorzugsweise aus einer Fläche bzw. einem eingeschränkten Tiefenbereich, der kleiner ist als die zu scannende Objekttiefe, da in beiden Fälle eine mechanische Verschiebung der konfokal- oder Interferenzfläche bei den notwendigen Dimensionen innerhalb der Einzelscansysteme schwierig ist.
Die notwendige Tiefe wird dadurch erreicht, dass die Messung erfolgt während der Träger relativ zum Objekt bewegt wird. So werden durch Annäherung des Trägers an das Objekt erst die dem Einzelscan-System zugewandten Teile des Objekts erfasst. Dann wandert die Konfokal/Interferenzebene zu den weiter entfernten Teilen des Objekts.
Zusammengefügt werden die einzelnen Ebenen allein durch optimierte Registrierung oder auch mit Hilfe zusätzlicher Positionsdaten aus der optionalen Intertialplattform, die zusammen mit einer ebenfalls optionalen Plattform in Patientenkontakt betrieben werden kann.
Im Falle der chromatisch dispersiven konfokalen Multipunktanordnung im Einzelscan-System ist zumindest ein Tiefenmessbereich simultan messbar, so dass im Idealfall mit einer Aufnahme aller Einzelscan-Systeme die Geometrie vollständig oder zumindest Teiltiefenbereich des Objekts gleichzeitig erfasst werden können. Hierdurch wird die anschließende Registrierung erleichtert.
In wird prinzipiell die Segmentierung von Einzelscan-Bereichen dargestellt, die aus Einzelscans bestehen, die mittels von einer gemeinsamen Halterung ausgehenden und damit in ortsfester Beziehung zueinander stehender als dritte Sensoren bezeichnete Sensoren gemessen werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um Miniaturkameras mit z. B. CMOS-Chips mit Abmessungen im Submillimeterbereich, wie diese von Awaiba angeboten werden.
Die von der Halterung ausgehenden Sensoren oder Einzelscan-Systeme können zwischen 2 bis 1000 variieren, liegen jedoch bevorzugterweise zwischen 10 und 100.
Ein Einzelscan-System umfasst dabei neben der Sensorfläche wie CCD, CMOS, InGaAs oder PbS auch die Optik, wobei die Optik für jeden einzelnen Sensor nach den Prinzipien Multipunkt OCT, Multipunkt konfokale Abbildung oder Multipunkt konfokal farbdispersiv aufgebaut sein kann.
Die Anzahl der Pixel pro Sensor kann zwischen 100 × 100 und 3000 × 3000 liegen.
Man erkennt aus der des Weiteren, dass z. B. ein Kiefer eines Kauorgans aufgenommen wird, wobei gleichzeitig der okklusale Bereich (1), der vestibuläre Bereich (2) und der platinale oder linguale Bereich (3) abgedeckt ist.
In wird verdeutlicht, dass die Einzelscans der sich teilweise überlappen.
Aus den und ergibt sich ferner, dass die dritten Sensoren derart angeordnet werden, dass die Einzelscans dieser lückenlos aneinander grenzen oder sich zumindest abschnittsweise teilweise abschnittsweise, also in ihren Randbereichen überlappen.
Rein prinzipiell sind in der die Komponenten dargestellt, mit denen die Einzelscans ermittelt werden, die eine ortsfeste Beziehung zueinander aufweisen. Das System umfasst 1...n Sensoren der jeweiligen Einzelscan-Systeme, eine Field Programmable Gate Array (FPGA) – Elektronik zum Zusammenfügen der Datenströme der Einzelscan-Ssysteme mit den Sensoren 1...n, bevorzugterweise ein Intertialsystem zur Bereitstellung von etwaigen Bewegungsdaten sowie Komponenten zur Datenübertragung an einen PC zur Berechnung der Geometrie. Der PC kann auch als User Interface verwendet werden. Aus der Prinzipdarstellung wird erkennbar, dass die Datenübertragung drahtgebunden oder drahtlos erfolgen kann.
Die Einzelscan-Systeme mit der Elektronik gehen von einer gemeinsamen Halterung 2 aus, die auch als Träger bezeichnet werden kann. In der Halterung 2 sind die Einzelscan-Systeme 1 integriert. Ferner ist eine Batterie 4 und gegebenenfalls eine Spule 5 für ein induktives Ladungssystem für die Batterie 4 vorgesehen. Ferner kann optional neben der Elektronik 3 ein Intertialsystem angeordnet werden. Die entsprechende Anordnung ist dabei in Bezug auf die Sensoren 1...n bzw. die Einzelscan-Systeme 1...n derart geometrisch ausgelegt, dass ein zu messender Kieferbereich teilweise umfasst wird, um folglich Gesamt-Einzelscan-Bereiche zu messen, wie diese der zu entnehmen sind.
Sofern die Einzelscan-Systeme nach dem Prinzip Multipunkt OCT oder Multipunkt konfokaler Abbildung aufgebaut sind, ergeben sich entsprechend der Scanflächen 1. Mit 2 sind die Einzelscan-Systeme und mit 3 die Halterung gekennzeichnet.
Im Falle eines chromatisch dispersiven konfokalen Multipunkt-Messsystems für die Einzelmesssysteme, ergibt sich ein Tiefenscan-Bereich 1, wie dieser der zu entnehmen ist. Die Einzelscan-Systeme sind wiederum mit 2 und die Halterung bzw. der Träger mit 3 gekennzeichnet.
Nach der erfindungsgemäßen Lehre können auch Einzelscans ohne ortsfeste Zuordnung zueinander zur Ermittlung von Gesamtdaten eines Gesamtdatensatzes benutzt werden. Hierzu gelangen als erste Sensoren bezeichnete Sensoren zum Einsatz. Um die Einzelscans einander zuzuordnen, werden einzelne fest geometrisch eindeutig einander zugeordnete nicht zusammenhängende Scanbereiche 1 benutzt, mittels derer die Einzelscans gematcht werden. Die Scanbereiche 1 werden mittels als zweite Sensoren bezeichnete Sensoren gemessen. Es reichen einige wenige Bereiche, die zueinander in einer festen Beziehung stehen, um akkummulierte Fehler der Einzelscan-Daten zu korrigieren.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Gesamtdatensatzes eines zu messenden Objekts, wie Kauorgan oder Bereich eines solchen, unter Verwendung von Einzeldatensätzen, denen Einzelscans des Objekts zu Grunde hegen, die mit zumindest einem Sensor gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines ersten Sensors erste Teilscans des Objekts gemessen werden, die mittels zweiter Teilscans von zumindest zwei in ortsfester Beziehung angeordneter zweiter Sensoren zueinander ausgerichtet und/oder korrigiert werden und aus den zueinander ausgerichteten und/oder korrigierten Teilscans die Einzeldatensätze für den Gesamtdatensatz ermittelt werden, oder dass mittels mehrerer in ortsfester Beziehung angeordneter dritter Sensoren dritte Teilscans ermittelt werden, aus deren Einzeldatensätzen der Gesamtdatensatz ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zweiten und dritten Sensoren Einzelscan-Optiken aufweisen, die nach dem Prinzip Multipunkt OCT (optische Kohärenztomografie), Multipunkt konfokaler Abbildung oder Multipunkt konvokal, farbdispersiv aufgebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein CCD-, CMOS-, InGaAs- oder PbS-Sensor verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine Miniaturkamera im Submillimeterbereich verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik des zumindest zweiten und/oder dritten Sensors konfokal ausgebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sensoren zur Bildung einer Einheit mit einer Halterung verbunden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Sensoren zur Bildung einer Einheit mit einer Halterung verbunden werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halterung neben den Sensoren eine Elektronik zum Zusammenführen von Datenströmen der Sensoren sowie eine Spannungsquelle integriert werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsquelle eine Batterie mit induktiver Lademöglichkeit verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Übertragung der Daten der von der Halterung ausgehenden Sensoren drahtlos erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung mit den Sensoren von einer transparenten Umhüllenden abgedeckt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung mit den von dieser ausgehenden Elementen derart dimensioniert wird, dass ein zumindest teilweises Einführen in einen Mund eines Patienten erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die dritten Sensoren derart auf der Halterung angeordnet werden, dass gleichzeitig okklusaler, vestibulärer und platinaler/lingualer Bereich von zumindest einem Bereich des Kauorgans gescannt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Sensoren derart angeordnet werden, dass die Einzelscans dieser lückenlos aneinander grenzen oder sich zumindest abschnittsweise teilweise abschnittsweise überlappen.