HybriDentCT

HybriDentCT Hugo Rost

Die Zahnerhaltung und Prothetik haben in den letzten Jahrzenten große technologische Fortschritte erlebt. Aufgrund der Forderung nach Kostensenkungen im Bereich der Zahnheilkunde und nach Reduzierung handwerklich-manueller Fehler bei der Herstellung von Zahnersatz, gewinnt die CAD/CAM-Technologie seit ihrer Einführung im Dentalbereich vor etwa mehr als 10 Jahren immer mehr an Bedeutung. Sie bietet eine neue Möglichkeit an, festsitzenden Zahnersatz schnell und genau zu produzieren.

 

 

 

streifenlicht scan abdruck

Film Streifenlicht Scan im SHR 3D CT

Trotzdem ist die Verbreitung dieser Technologie im Vergleich zu anderen wirtschaftlichen Bereichen sehr gering. Immer noch wird die Herstellung von Zahnersatz zu einem großen Teil von handwerklichen Prozessen geprägt.

hugo rost hybridentct 01 600

Im Verbundprojekt HybriDentCT soll ein neuer Hybrid-Computertomograph entwickelt werden, der eine gesicherte, reproduzierbare und automatisierte Fertigung von Zahnersatz ermöglicht. Fehler im Produktionsprozess und kosten- und zeitaufwendige Nachbearbeitungen des Zahnersatzes sollen zukünftig deutlich reduziert werden.

Invertierung Abdruckloeffel

Film CT-Scan Invertierung

Im neuen Computertomographen soll das Messobjekt zunächst von einem photogrammetrischen Sensor erfasst werden. Somit wird eine Referenz für die Außenkontur des Objektes erstellt. Die Innenkonturen sowie die Fehlstellen der Außenkontur werden durch die Daten aus den CT-Scans ergänzt. Hinterschneidungen (Stellen die optisch nicht erfasst werden können) sind somit unproblematisch. Durch das Zusammenführen der Daten aus beiden Messverfahren soll ein sehr genaues 3D-Modell des Prüfobjektes entsteht.

Hugo Rost 3D Scan Farbe

3 D Scan in Farbe

dental ct

CT-Scan

Photogrammetrischer Scan

Wirtschaftliche, hochgenaue und komplette Digitalisierung von dentalen Zahnabdrücken mit dem neuen Hybrid-Computertomograph SHR HybriDentCT. Der HybriDentCT bietet eine gesicherte, reproduzierbare und automatisierte Fertigung von Zahnersatz. Fehler im Produktionsprozess und kosten- und zeitaufwendige Nachbearbeitungen des Zahnersatzes sollen zukünftig deutlich reduziert werden.

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Scan Genauigkeitsvergleich

HybridScan 2.0

Forschungsziel

Photogrammetrisch erzeugte Oberfläche eines Gebissabdrucks (positiv)Mit HybridScan2.0 sollen die Vorteile zweier 3D-Messtechniken, der Computertomographie (CT) sowie der Photogrammetrie, in einem Gerät synergetisch kombiniert werden. Die photogrammetrische Erfassung einer Objektoberfläche (Bsp. s. Abb. 1) ist zeitlich und energetisch mit weniger Aufwand verbunden. Darüber hinaus werden Farbinformationen der Objektoberfläche gewonnen. Bei der CT hingegen wird nicht nur die Objektoberfläche, sondern das gesamte Objektvolumen (inkl. Hinterschneidungen, Hohlräumen, Rissen, Lunkern, etc.) digitalisiert sowie die Materialzusammensetzung erfasst.

Abbildung 1: Photogrammetrisch erzeugte Oberfläche eines Gebissabdrucks (positiv)

 Computertomographie (CT)

Bei der Computertomographie werden von einem Objekt Röntgenbilder (s. Abb. 2, links) unter allen Winkeln aufgenommen. Um dies zu erreichen wird das Objekt um 360° gedreht. Die aufgenommenen Röntgenbilder werden in einem Rechenschritt, der Rekonstruktion, zu einem dreidimensionalen Abbild des Objekts verrechnet. Das berechnete Abbild besteht aus Voxeln (Volumen-Pixeln) deren Grauwerte proportional zum Schwächungskoeffizienten des im Voxel enthaltenen Materials sind (s. Abb. 2, Mitte). Die Materialzusammensetzung des Objekts lässt sich somit qualitativ unterscheiden. Weiterhin ist das rekonstruierte Objekt dimensionsbehaftet und kann messtechnisch ausgewertet werden (z.B. in Form eines Soll-Ist-Vergleichs mit CAD-Daten [s. Abb. 4], Wandstärkenmessung, Porenanalyse, o.ä.).

CT-Prozessschritte RöntgenbildCT-Prozessschritte rekonstruiertes SchnittbildCT-Prozessschritte vernetzte Objektoberfläche

Abbildung 2: CT-Prozessschritte: Links: Röntgenbild,  Mitte: rekonstruiertes Schnittbild, Rechts: vernetzte Objektoberfläche

Photogrammetrie

Werden von einem Objekt bzw. dessen Oberfläche Fotos aus mehreren Winkeln aufgenommen, so kann die Objektoberfläche photogrammetrisch berechnet werden. Dabei werden zunächst die Positionen der Kamera(s) und des Objekts berechnet und im weiteren Verlauf jedem Pixel auf jedem Foto eine Tiefeninformation zugewiesen.  Aus diesen Informationen wird eine Punktwolke berechnet, welche die Objektoberfläche abbildet. Die Punktewolke wird schließlich vernetzt. Die triangulierte Oberfläche kann im Weiteren messtechnisch ausgewertet werden.

Ausführliche Produkt- und Verfahrensbeschreibung, Darstellung der Entwicklungsziele

Ziel ist die Entwicklung eines neuen optischen Scansystems auf Basis der Photogrammetrie, welches in einem bereits bestehenden industriellen CT (SHR SHAKE CT 130) integriert werden soll, um somit die Scanzeit, Scangeschwindigkeit und Scangenauigkeit von Objekten mit komplexer Geometrie deutlich zu erhöhen. CT und optischer Scanner zusammen werden als HybridScan2.0 bezeichnet.

Der optische Aufbau in HybridScan2.0 besteht aus einem Kamera-Array mit 26 Kameras, welche auf einer Kugelschale angeordnet sind (s. Abb. 3). Das Kamera-Array befindet sich außerhalb des Röntgenkegelstrahls und führt daher zu keiner gegenseitigen Beeinflussung. Die Kameras decken in Umfangsrichtung einen Winkel von 120° ab. Durch Nutzung der im CT integrierten Drehachse kann das Objekt gedreht und somit aus allen Winkeln photographisch erfasst werden. Das Objekt kann zusammen mit einem Messnormal gescannt werden, um eine dimensionsbehaftete Objektoberfläche zu erhalten. Ein integriertes LED-Array sichert die optimale Ausleuchtung des Objekts. Die Ansteuerung erfolgt mit einer eigens entwickelten Software, welche den Scanprozess automatisiert durchführt. Im Anschluss an die Aufnahme werden die Bilder automatisch photogrammetrisch rekonstruiert. Das Ergebnis ist die farbige, triangulierte Objektoberfläche, welche als .stl, .ply oder .obj exportiert und somit messtechnisch weiterverarbeitet werden kann. Ein CT wird nur durchgeführt, wenn Objekte optisch nicht optimal erfasst werden können (z.B. bei vorhandenen Hinterschneidungen) oder die Materialzusammensetzung von Interesse ist.

SHR CT 130 shakeInnenraum des CT-Scanners mit Kamera-Array für photogrammetrische Messungen sowie Röntgenquelle

Abbildung 3: Links: CT Scanner SHR SHAKE CT 130. Rechts: Innenraum des CT-Scanners mit Kamera-Array für photogrammetrische Messungen sowie Röntgenquelle

Der neue HybridScan2.0 soll zukünftig sowohl im industriellen als auch im medizinischen Bereich (z.B. beim Scannen von Menschen zur Herstellung von Prothesen/Orthesen oder im Dentalbereich zur QS) eingesetzt werden.

Das System von Hugo Rost bietet durch die einzigartige Kombination von optischer Erfassung und CT die Möglichkeit an, bspw. hergestellte Prothesen/Orthesen zu vermessen und mit dem ursprünglichen 3D-Modell zu vergleichen. Es kann auch eine Materialstrukturprüfung durchgeführt werden, was angesichts des rasant ansteigenden Anteils additiv gefertigter Produkte (Stichwort 3D-Druck) zukünftig enorm wichtig sein wird.

Durch die sich eröffnende Möglichkeit bspw. hergestellte Orthesen nach der Endanpassung an den Patienten noch einmal zu scannen und mit dem Ursprungsmodell zu vergleichen, kann die Produktion deutlich optimiert werden. Anhand maschineller Lernverfahren kann der Konstruktionsprozess stetig optimiert werden, so dass eine händische Anpassung der Orthesen an den Patienten im Optimalfall zukünftig nicht mehr notwendig ist. Angesichts des immer weiter ansteigenden Mangels an qualifizierten Orthopädietechnikern, kann dadurch eine Verbesserung der Patientenversorgung ermöglicht werden.

optischer ScanCAD ModellCT ModellAbweichung

Abbildung 4: Möglichkeit der Qualitätssicherung: Soll-Ist-Vergleich zwischen optischem Scan (links) und CAD-Modell (Mitte) sowie CT (rechts) und CAD-Modell (Mitte)

Zusammenfassung

HybridScan2.0 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • Synergie durch Kombination zweier Messverfahren (CT, Photogrammetrie) in einem Gerät
  • Erhöhte Scangeschwindigkeit und Farbinformation durch optischen Scan
  • Erfassung von optisch schwer zugänglichen Stellen (Hinterschneidungen, Lunker, etc.) sowie der Materialzusammensetzung durch CT
  • Flexible Ansteuerungssoftware, welche die Anpassung des Scansystems an unterschiedliche Aufgaben und die Integration in Fremdsystemen (bspw. Produktionsanlagen) ermöglicht
  • Messtechnische Auswertung (u.a. Soll-Ist-Vergleich [s. Abb. 4]) auch bei Produkten mit komplexer Geometrie und aus unterschiedlichen Materialien

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