Verfahren zur Registrierung von einzelnen dreidimensionalen optischen Aufnahmen eines dentalen Objekts

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung von einzelnen dreidimensionalen optischen Aufnahmen zu einer Gesamtaufnahme eines zu vermessenden dentalen Objekts.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind bereits mehrere Registrie- rungsverfahren bekannt, bei denen mehrere optische Einzel ^¬ aufnahmen durchgeführt werden und anschließend eine Regist ^¬ rierung erfolgt. Bei der Registrierung werden übereinstimmende Bereiche, sogenannte Überlappungsbereiche, erkannt und zueinander registriert, so dass aus den einzelnen opti- sehen Aufnahmen eine Gesamtaufnahme gebildet wird.

Beim Zusammenfügen der einzelnen Aufnahmen kann es zu einer fehlerhaften Registrierung kommen. Dies kann beispielsweise durch zu kleine Überlappungsbereiche, durch Aufnahmefehler oder durch störende Objekte im Aufnahmebereich, wie Wange oder Zunge, verursacht werden.

Ein Nachteil solcher Registrierungsverfahren besteht darin, dass eine fehlerhafte Dosierung zu einer verzerrten dreidi ^¬ mensionalen Aufnahme des Objekts führen kann und damit Be ^¬ handlungsfehler verursachen kann. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass falls festgestellt wird, dass eine Registrierung fehlerhaft ist, die gesamte Vermessung wiederholt werden muss.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Registrierungsverfahren bereitzustellen, dass eine schnelle und fehlerfreie dreidimensionale Vermessung des dentalen Objekts ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung von einzelnen dreidimensionalen optischen Aufnahmen zu einer Gesamtaufnahme eines zu vermessenden dentalen Objekts, wo ^¬ bei nach jeder einzelnen Aufnahme mittels einer dentalen Kamera unter Verwendung eines Computers automatisch überprüft wird, ob ein Überlappungsbereich zwischen den zusam- menzufügenden Aufnahmen bestimmte Registrierungsbedingungen für eine fehlerfreie Registrierung erfüllt. Falls der Über ^¬ lappungsbereich die Registrierungsbedingungen erfüllt, wird die Registrierung zwischen den zusammenzufügenden Aufnahmen durchgeführt und eine erste Aufnahmesequenz fortgesetzt, wobei die Aufnahmen der ersten Aufnahmesequenz zu einem ersten Cluster zusammengefügt werden. Falls jedoch der Ü- berlappungsbereich einer Aufnahme die Registrierungsbedingungen nicht erfüllt, wird die erste Aufnahmesequenz ab ^¬ gebrochen und automatisch eine weitere zweite Aufnahmese- quenz mit dieser Aufnahme begonnen, wobei die Aufnahmen der zweiten Aufnahmesequenz zu einem zweiten Cluster zusammengefügt werden.

Die optischen Aufnahmen werden mittels der dentalen Kamera vermessen, die beispielsweise nach einem Streifenprojekti- onsverfahren funktionieren kann. Bei dem Streifenprojektionsverfahren können die einzelnen auf das Objekt projizierten Streifen anhand der Intensität, Farbe, Polarisation, Kohärenz, Phase, Kontrast, Ort oder Laufzeit identifiziert werden. Anschließend werden unter Verwendung eines Triangu- lationsverfahrens die 3D- Koordinaten der einzelnen Mess ^¬ punkte auf dem Objekt berechnet. Bei der Codierung durch die Farbe kann anhand einer bestimmten Reihenfolge der Farbstreifen jedes der Farbstreifen eindeutig identifiziert werden. Zur Vermessung kann beispielsweise ein Dia bzw. Gitter mit 140 Farbstreifen verwendet werden, die eine Streifenbreite von 130 pm im Messvolumen am Objekt aufwei- sen. Diese Farbstreifen können beispielsweise acht unterschiedliche Farben aufweisen, wobei die Abfolge einer Grup ^¬ pe aus drei Farbstreifen über 64 Farbstreifen eindeutig ist .

Während der Vermessung wird die handgehaltene dentale Kame- ra relativ zum dentalen Objekt, wie einem Unterkiefer oder Oberkiefer, bewegt, wobei in regelmäßigen Zeitabständen die dreidimensionalen optischen Aufnahmen erzeugt werden. Die einzelnen Aufnahmen können beispielsweise mit einer Taktfrequenz zwischen 10 Hz und 20 Hz erzeugt werden. Die Re- gistrierung erfolgt mittels eines Computers, der die aufge ^¬ nommenen Aufnahmen auswertet. Als Registrierungsverfahren kann beispielsweise das ICP-Registrierungsverfahren (Itera- tive-Closest-Point-Algorithmus ) verwendet werden. Dieser Algorithmus ist ein bekanntes Verfahren zur Registrierung von zweidimensionalen bzw. dreidimensionalen Objekten. Das Ziel dieses Verfahrens ist es zwei unterschiedliche SD- Modelle eines Objekts annäherungsweise genau aufeinander abzubilden. Dazu werden unterschiedliche Rotationen und Translationen auf korrespondierende Punktepaare der beiden 3D-Modelle angewendet und dabei ein quadratischer Fehler der Abstände zwischen den Punktepaaren minimiert. Dafür werden im ersten Schritt die nächsten Nachbarn eines bestimmten Punktes ermittelt. Im nächsten Schritt wird die Transformation zur Registrierung berechnet. Daraufhin wird die errechnete Transformation auf die zu registrierenden Punktepaare angewendet. Diese iterative Annäherung wird so ^¬ lange ausgeführt, bis die beiden 3D-Modelle im Überlage ^¬ rungsbereich übereinstimmen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Registrierung auch aufgrund der Farbe des aufgenommenen Objekts, der Oberflä ^¬ chenkrümmung des aufgenommenen Objekts oder aufgrund von geometrischen Übereinstimmungen erfolgen. Bei der Regist- rierung aufgrund geometrischer Übereinstimmungen wird ein Mustererkennungsalgorithmus verwendet, bei dem die zweite Aufnahme nach einem bestimmten geometrischen Muster, wie nach einer Okklusionsfläche eines bestimmten Zahns, aus der ersten Aufnahme durchsucht wird.

Falls die Registrierungsbedingungen für den Überlappungsbereich nicht erfüllt werden, wird ein neues Cluster begonnen. Während der Vermessung des dentalen Objekts wird also solange nach jedem Abbruch ein neues Cluster begonnen, bis das gesamte Objekt vermessen wurde. Die einzelnen Cluster können dann zu der Gesamtaufnahme des Objekts zusammenge ^¬ fügt werden. Die Registrierungsbedingungen werden beispielsweise in Fällen nicht erfüllt, wenn die Dentalkamera in Relation zum Objekt zu schnell bewegt wird, und dadurch die Größe des Überlappungsbereichs unzureichend ist. Ein weiterer Grund könnte sein, dass ein Autofokus der dentalen Kamera unscharf eingestellt ist und dadurch das Objekt un ^¬ deutlich abgebildet wird, so dass die Aufnahmequalität der Aufnahme nicht ausreichend ist. Ein weiterer Grund könnte sein, dass bewegliche Objekte, wie Zunge des Patienten oder Finger des behandelnden Zahnarztes, während der Vermessung erfasst werden. Dies führt dazu, dass die Überlappungsbe ^¬ reiche der Aufnahmen nicht übereinstimmen. Die genannten Gründe können also zu einem Abbruch der Aufnahmesequenz führen . Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Re ^¬ gistrierungsbedingungen nach jeder Aufnahme überprüft wer- den, so dass es dadurch nicht zu einer fehlerhaften Registrierung kommen kann.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die bereits erzeugten Aufnahmen nach einem Abbruch der Auf- nahmesequenz nicht verworfen werden, sondern zu einem

Cluster zusammengefügt werden. Anschließend können die ein ^¬ zelnen Cluster automatisch verglichen werden und zu der Gesamtaufnahme des Objekts zusammengefügt werden, so dass einzelne Bereiche des dentalen Objekts nicht mehrfach ver- messen werden müssen. Dadurch wird die Vermessungsdauer verkürzt .

Vorteilhafterweise können die Registrierungsbedingungen eine ausreichende Größe des Überlappungsbereichs, eine aus ^¬ reichende Welligkeit der Objektoberfläche im Überlappungs- bereich, eine ausreichende Rauheit der Oberfläche im Über ^¬ lappungsbereich, eine ausreichende Anzahl von charakteris ^¬ tischen Geometrien im Überlappungsbereich und/oder ausreichende Aufnahmequalität der Aufnahme im Überlappungsbereich sein . Dadurch wird eine fehlerhafte Registrierung zwischen den zusammenzufügenden Aufnahmen verhindert. Durch die ausreichende Helligkeit und Rauheit der Oberfläche des Überlap ^¬ pungsbereich wird im Gegensatz zu einer ebenen Fläche eine zuverlässige Registrierung ermöglicht. Die ausreichende An- zahl und Anordnung der charakteristischen Geometrien, wie beispielsweise von Fissuren oder Zahnhöckern, ermöglicht ebenfalls eine zuverlässige Registrierung. Bei einer aus ^¬ reichenden Aufnahmequalität wird das dentale Objekt scharf und kontrastreich abgebildet. Ein Grund für geringen Kon- trast könnte beispielsweise eine unzureichende Beleuchtung des Objekts sein. Ein Grund für die unscharfe Aufnahme könnte beispielsweise ein fehlerhaft eingestellter Autofo- kus sein.

Vorteilhafterweise kann die ausreichende Größe des Überlap ^¬ pungsbereichs mindestens ein Viertel einer Aufnahmeoberflä- che der jeweiligen Aufnahme betragen.

Durch einen solchen Überlappungsbereich wird eine fehlerfreie Registrierung gewährleistet.

Vorteilhafterweise können, falls mehrere Cluster bei mehre ^¬ ren Aufnahmesequenzen gebildet werden, die einzelnen

Cluster zu der Gesamtaufnahme des Objekts zusammengefügt werden, wobei während der Vermessung automatisch in regelmäßigen Zeitabständen oder auch nach der Vermessung automatisch überprüft wird, ob ein momentaner Cluster mit den vorangehenden Clustern einen Cluster-Überlappungsbereich auf- weist und ob dieser Cluster-Überlappungsbereich die Registrierungsbedingungen erfüllt.

Während der Vermessung wird also eine aktuelle Aufnahme zu der vorherigen Aufnahme registriert und zu dem momentanen Cluster hinzugefügt, solange die Registrierungsbedingungen erfüllt sind und es nicht zu einem Abbruch der Aufnahmese ^¬ quenz kommt. Während dieses Hinzufügens wird das momentane Cluster mit den vorangehenden Clustern, die zuvor vermessen wurden, verglichen. Dabei wird überprüft, ob das momentane Cluster einen Cluster-Überlappungsbereich mit den vorange- henden Clustern aufweist und ob dieser Cluster- Überlappungsbereich die bereits bei der Registrierung der einzelnen Aufnahmen verwendeten Registrierungsbedingungen erfüllt .

Dadurch werden die einzelnen Cluster automatisch zu der Ge- samtaufnahme zusammengefügt, sobald ein ausreichender Clus ^¬ ter-Überlappungsbereich festgestellt wird. Die Cluster müssten also nicht manuell zusammengefügt werden, so dass dadurch die Vermessungsdauer verkürzt wird.

Dadurch wird der momentane Cluster mit den vorangehenden Clustern in kurzen Zeitabständen verglichen, um passende Cluster-Überlappungsbereiche zu finden.

Vorteilhafterweise kann die Überprüfung des momentanen Clusters in regelmäßigen Zeitabständen jeweils nach jeden 10 bis 40 Aufnahmen erfolgen.

Dadurch wird der wachsende momentane Cluster in kurzen Zeitabständen nach jeden 10 bis 40 Aufnahmen mit den vorhergehenden Clustern verglichen.

Vorteilhafterweise kann die Überprüfung des momentanen Clusters erfolgen, sobald eine seit einer vorangehenden Ü- berprüfung zum momentanen Cluster hinzugefügte Fläche eine Fläche von mindestens 0,25 cm ² überschreitet.

Dadurch erfolgt die Überprüfung erst wenn die hinzugefügte Fläche mindestens 0,25 cm ² überschreitet. Dies hat den Vor ^¬ teil, dass die Überprüfung erst erfolgt, wenn die dentale Kamera relativ zum Objekt bewegt wird. Vorteilhafterweise können der momentane Cluster und die vo ^¬ rangehenden Cluster mittels einer Anzeigevorrichtung grafisch gleichzeitig angezeigt werden, wobei das Zusammenfü ^¬ gen der einzelnen Cluster zu der Gesamtaufnahme des Objekts während der Vermessung dargestellt wird.

Dadurch werden die bereits registrierten vorangehenden Cluster und der momentane Cluster mittels der Anzeigevorrichtung, wie mittels eines Monitors, angezeigt, um dem Be ^¬ nutzer einen besseren Überblick über die Aufnahmesituation oder den Aufnahmeprozess zu geben. Dies ermöglicht dem Be- nutzer bereits während der Vermessung zu sehen, welche Be ^¬ reiche des dentalen Objekts bereits vermessen wurden und welche nicht. Der Benutzer könnte also gezielt Bereiche vermessen, die zwischen den bereits registrierten Clustern liegen, und die Cluster miteinander zu registrieren.

Durch das Anzeigen der hinzugefügten Fläche des momentanen Clusters sieht der Benutzer in welche Richtung der Cluster wächst. Das Anzeigen der Aufnahmerichtung der einzelnen Cluster erleichtert dem Benutzer zusätzlich die Orientierung, um festzustellen welche Bereiche des dentalen Objekts noch nicht vermessen wurden. Das Anzeigen des Abbruchs er- möglicht dem Benutzer festzustellen, an welcher Stelle der jeweilige Cluster abgebrochen wurde. Der Benutzer könnte also gezielt den momentanen Cluster in Richtung einer Abbruchsteile der vorherigen Cluster bewegen, um einen ausreichenden Cluster-Überlappungsbereich zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die hinzugefügte Fläche des momen ^¬ tanen Clusters, eine Aufnahmerichtung der einzelnen Cluster und/oder die Position eines Abbruchs der bereits regist ^¬ rierten Cluster mittels der Anzeigevorrichtung graphisch dargestellt werden.

Das Anzeigen der Aufnahmedichtung und der Abbruchspositionen ermöglicht dem Benutzer einen besseren Überblick über den Aufnahmeprozess .

Vorteilhafterweise kann die Registrierung die einzelnen Cluster während der Vermessung des Objekts ohne Absetzen der Kamera ablaufen.

Dadurch erfolgt die Vermessung des Objekts kontinuierlich, wobei nach jedem Abbruch ein neuer Cluster gebildet wird.

Vorteilhafterweise kann die Registrierung der Aufnahmen und/oder der Cluster unter Verwendung von semantischen Strukturen erfolgen, nämlich anhand eines ermittelten Ver- laufs eines zu vermessenden Kieferbogens, einer Okklusions ^¬ richtung und/oder anhand von Zahnzentren.

Die semantischen Strukturen können dabei unter Verwendung einer Datenbank erkannt werden, die mehrere Datensätze von Kieferbögen, Zähnen und Okklusionsflächen verschiedener Patienten umfasst. Aufgrund dieser zusätzlichen Informationen wird die Lagebeziehung zwischen den zusammenzufügenden Aufnahmen überprüft und dadurch die Registrierung verbessert. Die zusätzlichen Informationen aufgrund der semantischen Strukturen vereinfachen auch das mathematische Problem der Registrierung, so dass dadurch die Rechenzeit verkürzt wird .

Vorteilhafterweise kann die Okklusionsrichtung mittels des Computers automatisch unter Verwendung eines Analyseverfah- rens der aufgenommenen Aufnahmen ermittelt werden, wobei Oberflächennormalen von Zahnoberflächen der vermessenen Zähne des Objekts erzeugt werden und ein Mittelwert der 0- berflächennormalen einer Okklusionsfläche die Okklusions ^¬ richtung eines bestimmten Zahns bildet. Dadurch wird die Okklusionsrichtung automatisch unter Verwendung des Analyseverfahrens ermittelt.

Vorteilhafterweise kann die Registrierung der Aufnahmen und/oder der Cluster unter Verwendung einer Bildfeldregistrierung erfolgen, wobei die zusammenzufügenden Aufnahmen oder Cluster in mehrere Teilbereiche mit einer definierten Größe unterteilt werden und anschließend die Teilbereiche nach einer festgelegten Reihenfolge miteinander verglichen werden, um den Überlappungsbereich beziehungsweise den Cluster-Überlappungsbereich zu finden, der die Registrie- rungsbedingungen erfüllt. Dadurch werden lediglich die kleinen Teilbereiche miteinander verglichen, so dass dadurch die Rechenzeit für die Re ^¬ gistrierung verkürzt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt, die

Fig. 1 eine Skizze zur Verdeutlichung des vorliegenden Verfahrens zur Registrierung von einzelnen Aufnahmen . Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1 zeigt eine Skizze zur Verdeutlichung des vorlie ^¬ genden Verfahrens zur Registrierung von einzelnen Aufnahmen eines zu vermessenden dentalen Objekts 1, wie eines Unterkiefers. Die dreidimensionalen optischen Aufnahmen 2, die in Form von Rechtecken dargestellt sind, werden mittels ei ^¬ ner dentalen Kamera 3 vermessen, die während der Vermessung relativ zum Objekt 1 entlang eines Vermessungswegs 4 bewegt wird. Die Dentalkamera 3 kann beispielsweise eine handge ^¬ haltene Kamera sein, die das Objekt 1 unter Verwendung ei- nes Streifenprojektionsverfahrens vermisst. Ein erster Ü- berlappungsbereich 5 zwischen einer ersten Aufnahme 6 und einer zweiten Aufnahme 7, der gestrichelt dargestellt ist, wird unter Verwendung eines Computers 8 hinsichtlich Registrierungsbedingungen überprüft. Dabei wird überprüft, ob der Überlappungsbereich eine ausreichende Größe, eine aus ^¬ reichende Welligkeit, eine ausreichende Rauheit, eine aus ^¬ reichende Aufnahmequalität und/oder eine ausreichende An ^¬ zahl und Anordnung von charakteristischen Geometrien aufweist. Beispielsweise kann überprüft werden, ob der Über- lappungsbereich mindestens ein Viertel der Oberfläche der ersten Aufnahme 6 beträgt. Der erste Überlappungsbereich 5 erfüllt die Registrierungsbedingungen, so dass eine erste Aufnahmesequenz 9 bestehend aus der ersten Aufnahme 6, der zweiten Aufnahme 7 einer dritten Aufnahme 10 und einer vierten Aufnahme 11, fortgesetzt wird. Ein zweiter Überlap- pungsbereich 12 zwischen der vierten Aufnahme 11 und einer fünften Aufnahme 13 erfüllt jedoch nicht die Registrie ^¬ rungsbedingungen, da der zweite Überlappungsbereich zu klein ist. Daraufhin wird die erste Aufnahmesequenz abgebrochen und automatisch eine weitere zweite Aufnahmese- quenz 14 bestehend aus der fünften Aufnahme 13, der sechs ^¬ ten Aufnahme 15 der siebenten Aufnahme 16 und der achten Aufnahme 17, begonnen. Der erste Abbruch 18 der ersten Aufnahmesequenz 9 ist durch eine gestrichelte Linie darge ^¬ stellt. Zwischen der achten Aufnahme 17 und einer neunten Aufnahme 19 folgt ein zweiter Abbruch 20 der zweiten Aufnahmesequenz 14 anschließend wird eine dritte Aufnahmese ^¬ quenz 21 bis zu einem dritten Abbruch 22 vermessen. Mittels eines Computers 8 werden die Aufnahmen der ersten Aufnahme ^¬ sequenz 9 zu einem ersten Cluster 23, die Aufnahmen der zweiten Aufnahmesequenz 14 zu einem zweiten Cluster 24 und die Aufnahmen der dritten Aufnahmesequenz 21 zu einem dritten Cluster 25 zusammengefügt. Mittels einer Anzeigevorrichtung 26, wie mittels eines Monitors, werden die Cluster 23, 24 und 25 angezeigt. Zur leichteren Orientierung wird eine erste Aufnahmerichtung 27, eine zweite Aufnahmerich- tung 28 des zweiten Clusters 24 und eine dritte Aufnahme ^¬ richtung 29 des dritten Clusters 25 durch Pfeile darge ^¬ stellt. Ergänzend können auch semantische Strukturen, wie Zahnzentren 30 angezeigt werden. Die Positionen der Abbrü- che 18 können auch angezeigt werden. Daraufhin wird ein vierter momentaner Cluster 31 in eine vierte Aufnahmerichtung 32 vermessen. Dabei wird in regelmäßigen Zeitabständen automatisch überprüft, ob der momentane Cluster 31 mit den vorher registrierten Clustern 23, 24 und 25 einen Cluster- Überlappungsbereich 33 aufweist, der gestrichelt darge ^¬ stellt ist und ob dieser Cluster-Überlappungsbereich 33 die Registrierungsbedingungen erfüllt. Diese Überprüfung kann 5 beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen jeweils nach jeden 10 bis 40 Aufnahmen erfolgen. Anschließend wird eine Registrierung zwischen dem dritten Cluster 25 und dem vierten Cluster 31 durchgeführt, wobei das dritte Cluster 25 mit dem vierten Cluster 31 zusammengefügt wird, wie durch 10 den Pfeil 24 dargestellt ist. Auf diese Weise können weite ^¬ re Cluster an den Abbruchsteilen 18 und 20 vermessen werden und alle Cluster 23, 24, 25 und 31 zu einer Gesamtaufnahme des Objekts 1 zusammengefügt werden.

Alternativ dazu können die einzelnen Cluster 23, 24, 25 und 15 31 auch manuell durch den Benutzer unter Verwendung von

Eingabemitteln, wie einer Tastatur 35 und einer Maus 36, über einen Cursor 37 zu der Gesamtaufnahme zusammengefügt werden .

Bezugs zeichen

1 Objekt

2 Aufnahme

3 Kamera

4 Vermessungsweg

5 erster Überlappungsbereich

6 erste Aufnahme

7 zweite Aufnahme

8 Computer

9 erste Aufnahmesequenz

10 dritte Aufnahme

11 vierte Aufnahme

12 zweiter Überlappungsbereich

13 fünfte Aufnahme

14 zweite Aufnahmesequenz

15 sechste Aufnahme

16 siebte Aufnahme

17 achte Aufnahme

18 erster Abbruch

19 neunte Aufnahme

20 zweiter Abbruch

21 dritte Aufnahmesequenz

22 dritter Abbruch

23 erster Cluster

24 zweiter Cluster 25 dritter Cluster

26 Anzeigevorrichtung

27 erste Aufnahmerichtung

28 zweite Aufnahmerichtung 29 dritte Aufnahmerichtung

30 Zahnzentren

31 vierter Cluster

32 vierte Aufnahmerichtung

33 Cluster-Überlappungsbereich 34 Pfeil

35 Tastatur

36 Maus

37 Cursor