DE4417872A1 - Optische Digitalisierung von Körperteilen - Google Patents

Description

Die Herstellung von Prothesen für Gliedmaßen und Füßen ist heute noch ein weitgehend manueller, zeit- und kostenintensiver Prozeß. In der Regel müssen Abdrücke oder Abgüsse gefertigt und hieraus über verschiedene Abgußverfahren Modelle für die herzustellenden Prothesen gefertigt werden. Insbesondere bei der Herstellung von orthopädischen Schuhen, welche von zahlreichen Personen benötigt werden, ist dieser Zeit- und Kostenfaktor ein großes Hindernis und führt dazu, daß zahlreiche Personen ohne die für ihre kranken Füße optimal angepaßten orthopädischen Schuhen auskommen müssen.

Es ist seit längerem bekannt, optische Digitalisiergeräte zur Abtastung von Körperteilen einzusetzen, um optisch 3D Koordinaten der Oberfläche zu gewin­ nen und hieraus mit Hilfe von rechnergesteuerten CAM Verfahren direkt Pro­ thesen oder Werkzeuge zur Herstellung von Prothesen zu gewinnen. Diese opti­ schen Verfahren sind in der Regel aktive 3D Abtaster: der zu digitalisierende Körperteil wird mit einer strukturierten Beleuchtung wie Gitterprojektion, ein­ zelne Lichtlinie, sinusförmige Helligkeitsstreifen , texturierte Beleuchtung usw. beleuchtet und in einer Triangulationsanordnung mit Hilfe einer oder mehrerer Kameras die so beleuchtete Oberfläche erfaßt. Aus den Kamerabildern kann mit Hilfe photogrammetrischer und Bildverarbeitungsverfahren ein 3D Datensatz der Körperteile erstellt werden.

Ein besonderes und bis heute nur ungenügend gelöstes Problem sind die Kosten dieser Systeme. Da ein Körperteil aus verschiedenen Ansichten digitalisiert wer­ den muß, um einen vollständigen Datensatz der ganzen Oberfläche zu erhalten, sind zahlreiche Kamera- und Beleuchtungssysteme erforderlich. Da weiterhin sich der Patient während der optischen Vermessung nicht bewegen darf, müssen alle Kamera/Beleuchtungssysteme in sehr schneller Reihenfolge abgefragt werden. Dies bedeutet z. B. daß die einzelnen Beleuchtungseinrichtungen schnell geschaltet werden müssen, was wiederum recht aufwendige Beleuchtungssyste­ me bedeutet. Da die optische Abtastung auch unabhängig vom Hauttyp und evtl. Behaarung erfolgen soll, müssen relativ starke Beleuchtungsquellen bzw. auf­ wendige Mattierungen durch Auftragen von gut reflektierender Schminke oder sogar das Enthaaren durch Rasieren vorgenommen werden.

Für den verbreiteten Einsatz solcher Systeme, z. B. im orthopädischen Schuhgeschäft ist es aber zwingend notwendig, daß solche 3D Abtaster zu niedri­ gen Kosten hergestellt werden. Weiterhin ist wichtig, daß die optische Abtastung schnell und ohne große Vorbereitung wie Schminken, Wegrasieren usw. durchgeführt werden können. Nur wenn diese Probleme gelöst sind, können sol­ che Systeme in hoher Stückzahl eingesetzt werden und damit die Herstellung von Prothesen, orthopädischen Schuhen oder individuell an die Fußform angepaßte Schuhen erreicht werden.

Da optische Digitalisierer von einem nackten Körperteil berührt werden, z. B. an den Halterungen, Fußabsteller o. ä. mechanischen Einrichtungen ist es erforder­ lich, diese Teile so zu gestalten, daß sie regelmäßig desinfiziert werden können. Diese Desinfektionsfähigkeit bedingt die Verwendung von teuren Materialien, welche wiederum die Kosten dieser Systeme erhöhen.

Da zahlreiche Marketingkonzepte für die Aufstellung von optischen Digitalisie­ rer in Fachgeschäften davon ausgehen, daß diese Systeme von einem die Prothe­ sen herstellendem Unternehmen an die Fachgeschäfte geleast oder im Rahmen eines franchise-Geschäftes gestellt werden, ist es ein wichtiger wirtschaftlicher Gesichtspunkt für dieses Unternehmen, daß der Einsatz solcher Digitalisiersysteme mit der Verwendung eines speziellen Verbrauchsartikels ver­ bunden ist, welcher nur über dieses Unternehmen zu beziehen ist damit ein zusätzliches permanentes Verkaufsartikelgeschäft bedeutet, welches es durch die Mischkalkulation erlaubt, die eigentlichen Digitalisiersysteme für das Fachgeschäft besonders kostengünstig bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung löst das technische, hygienische und das wirtschaftliche Problem dadurch, indem das zu digitalisierende Gliedmaß mit einem in der Regel nur einmal zu verwendenden hygienischen, feinen, elastischen Überzug so überzogen wird, daß es nicht in direkten Hautkontakt mit den Teilen eines optischen Abtasters kommt, daß das elastische Material durch eine optisch diffus reflektierende Färbung sowie zahlreiche aufgebrachte, kontrastreichen Mustern gekennzeichnet ist, daß das Gliedmaß aus zahlreichen Ansichten im diffusen Auflicht von mehreren, um das Gliedmaß herum ange­ ordneten Kameras so erfaßt wird, daß sich die einzelnen Kameraansichten überlappen und daß mit Verfahren der Photogrammetrie unter Auswertung der aufgebrachten Muster die 3D Koordinaten der Oberfläche des Gliedmaßes auto­ matisch bestimmt werden.

Wir wollen im folgenden diesen Erfindungsgedanken am Beispiel eines Systems zur optischen 3D Abtastung von Füßen für die automatische Herstellung von orthopädischen Schuhen erläutern. Dies geschieht beispielhaft und nicht einschränkend; die prinzipielle, erfindungsgemäße Vorgehensweise läßt sich leicht auf die Digitalisierung anderer Gliedmaßen wie Arm- und Beinstümpfe Kopfteile, Rücken- und Gesäßteile usw. übertragen.

Hierzu werden folgende Abbildungen verwendet:

Fig. 1 zeigt einen Fuß mit einem überzogenen, feinen Strumpf, dessen helle Oberfläche zufällige Muster aufzeigt

Fig. 2 zeigt die Mehrkamera-Stereoanordnung zur Erfassung des Fußes aus zahlreichen, sich überlappenden Ansichten

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild des Abtasters mit zugehörigem Auswerte­ rechner

Die 3D Abtastung eines Körpers mit mehreren Kameras in einer Stereoanord­ nung bedingt, daß jeweils mindestens zwei Kameras einen überlappenden Bild­ bereich erfassen. Gleiche Strukturen in diesem Bildbereich werden wegen der Aufnahme aus unterschiedlicher Aufnahmerichtung in der jeweiligen Bildebene jeder Kamera an unterschiedlichen Stellen abgebildet. Der Versatz dieser Strukturen zwischen jeweils zwei Bildern ist proportional zur Entfernung von den beiden Kameras und kann, wenn die Position der Kameras im Raum be­ kannt ist, in XYZ-Koordinaten umgerechnet werden. Die Stereophotographie kann auch auf mehr als zwei Kameras ausgeweitet werden und erlaubt insbeson­ dere dann auch noch eindeutige Messungen, wenn keine rein zufälligen Struktu­ ren in den gemeinsamen Bildbereichen sichtbar sind. Die mathematisch-photo­ grammetrischen Grundlagen der Stereophotogrammetrie sowie der Kalibrierung solcher Anordnungen sind dem Fachmann der Photogrammetrie bekannt und brauchen daher nicht weiter wiederholt werden.

Erfindungsgemäß wird nach Fig. 1 der zu digitalisierende Fuß 1 mit einem hy­ gienischen, dünnen und anschmiegsamen Einmalstrumpf 2 überzogen. Damit entfallen sämtliche Schmink- und Enthaarprozeduren welche erforderlich sind, wenn dunkle oder stark behaarte Hautpartien optisch 3D vermessen werden sol­ len. Außerdem wird durch die Verwendung eines hygienischen Einmalstrumpfes verhindert, daß nackte Körperteile mit Halterungen des Abtasters in Berührung kommen und diese vor jeder Digitalisierung desinfiziert werden müssen. Da zahlreiche Patienten mit kranken Füßen oft auch an Hauterkrankungen wie Ekzeme, entzündlichen Druckstellen usw. leiden, ist eine hygienische Abschir­ mung besonders wichtig. Erfindungsgemäß ist die Oberfläche des Strumpfes hell und mit kontrastreichen , für die Stereoauswertung geeigneten Mustern 3 übersät. Diese Muster können zufällige Texturen 4 darstellen, welche bei der Stereoauswertung ein eindeutiges korrelatives Matching erlauben. Sie können aber auch gitterförmige 5 oder punktförmige 6 Muster bilden, welche durch Auswertung von mehr als zwei Kamerabilder, welche einen gemeinsamen Überlappungsbereich aufzeigen trotz der periodischen Struktur zu eindeutigen Oberflächenkoordinaten führen. Solche geeignete Muster sind dem Fachmann der Photogrammetrie bekannt.

Erfindungsgemäß können auf diesen Strümpfen vom Fachmann bestimmte mar­ kante Teile des Fußes mit Hilfe eines Stiftes markiert werden, z. B. die Position der Knöchel 7 um bei der späteren Auswertung eine Zuordnung von Oberflächenkoordinaten zu signifikanten Punkten, Linien oder Regionen des Fußes zu erlauben. Solche Markierungen können leicht mit bekannten Verfah­ ren der Bildverarbeitung aus den Kamerabilder erkannt und gegenüber den an­ deren für die Stereoauswertung bestimmten Strukturen unterschieden werden. Selbstverständlich lassen sich auch farbige Markierungen und Muster verwen­ den, wenn die eingesetzten Kameras farbtüchtig sind.

Der Fuß muß lediglich durch eine einfache diffuse Beleuchtung 8 beleuchtet werden; eine kostenintensive strukturierte Beleuchtung entfällt.

Ferner können alle Kameras gleichzeitig das Bild erfassen, so daß nur eine sehr kurze Aufnahmezeit erforderlich ist und damit die Zeit der Unbeweglichkeit für den Patienten angenehm kurz ist.

Halbleiterkameras sind Massenartikel und sehr kostengünstig erhältlich, so daß auch die Verwendung von zahlreichen Kameras immer noch eine wirtschaftliche Lösung gegenüber Systemen mit aktiver, strukturierter Beleuchtung ist, welche i.a. mit einer geringeren Zahl von Kameras auskommen. Insbesondere die Ent­ wicklung von 1-Chip Kameras erlaubt den Einsatz auch einer großen Zahl von Kameras bei niedrigen Systemkosten.

Nach Fig. 2 werden für das Beispiel der Fußvermessung zahlreiche Kameras 1 bis 10 in einem festen mechanischen Aufbau 11 so um den Fuß herum ange­ bracht, daß mindestens zwei Kameras einen gemeinsamen Bildbereich erfassen und daß sich die Bildbereiche teilweise und gruppenweise überlappen. Zur Kali­ brierung des Systems wird ein Kalibrationskörper 12 mit einer bekannten Geometrie in einer Paßstellung aufgenommen und vermessen. Dadurch daß alle Ebenen , Markierungen und Positionen bekannt sind, können alle gemessenen Koordinaten in ein Maschinenkoordinatensystem überführt werden, welches durch die Paßstellung des Kalibrationskörpers gegeben ist. Die Umrechnung in ein objektbezogenes Koordinatensystem, welches z. B. durch auf den Strumpf aufgebrachte Markierungen definiert ist, ist damit jederzeit möglich.

Die klassische Photogrammetrie kennt auch Methoden zur genauen 3D Vermes­ sung mit Hilfe mehrerer Kameras, deren Positionen im Raum nicht bekannt sind, welche aber jeweils eine gewisse Anzahl gleicher Marken erfassen. Auch diese Verfahren können erfindungsgemäß zur Anwendung kommen und die kontra­ streichen Muster als Marken verwendet werden.

Fig. 3 zeigt den gesamten Aufbau des Fußdigitalisiersystems. Die in der Digitali­ siereinheit 1 eingebauten Kameras liefern ihre Signale an eine Recheneinheit 2, welche die visuelle Kontrolle der einzelnen Bilder auf einem Monitor 3 er­ laubt. Diese Recheneinheit führt die photogrammetrischen Berechnungen aus und erzeugt einen 3D Datensatz, welcher ebenfalls zur Kontrolle auf dem Moni­ tor angezeigt werden kann. Aus Kostengründen kann die photogrammetrische Berechnung auch auf einen Zentralrechner 4 ausgelagert werden und die ein­ zelnen Kamerabilder, evtl. nach durchgeführter Bildkompression 5 über Datenfernübertragung 6 an diesen Zentralrechner übertragen werden, an dem die Berechnung der 3D Daten und der zur automatischen Fertigung einer Schuh­ leiste, eines Fußbettes oder einer Fußform erfolgt. In diesem Fall reduziert sich die Vorort-Elektronik auf eine reine Videoaufnahmetechnik und eine Übertragung der erzeugten Rohbilddaten.

Das gezeigte Beispiel der Vermessung von Füßen ist nur ein Anwendungsbe­ reich der Erfindung. Auch bei der Vermessung anderer Gliedmaßen und Körperteile treten die besprochenen technischen, hygienischen und wirtschaft­ lichen Probleme auf, welche sich erfindungsgemäß durch die Verwendung eines hygienischen, flexiblen Einmalüberzugs, welcher eine helle Oberfläche mit dazu kontrastierenden Musterungen aufzeigt und damit die passive optische 3D Digi­ talisierung mit einer Mehrkameraanordnung schnell und kostengünstig erlaubt. Weitere Beispiele sind z. B. die Vermessung von Gesäßen zur Herstellung angepaßter Sitzschalen, die Vermessung von Rückenpartien zur Herstellung angepaßter Sitzlehnen, die Vermessung von Arm- und Beinstümpfen bei der Herstellung von Gliedprothesen usw. Der Anwendungsbereich geht damit auch über die rein medizinischen Anwendungen hinaus und trifft immer dann zu, wenn individuell an eine Körperform angepaßte Formen erstellt werden sollen.

Der Erfindungsgedanke läßt sich selbstverständlich auch auf die Digitalisierung von Objekte übertragen, welche keine Körperteile darstellen wie z. B. Designmo­ delle, Entwurfstudien u. a.

Claims (10)

1. Verfahren zur optischen 3D Digitalisierung von Körperteilen und Gliedmaßen zur weitgehend automatischen Herstellung von Prothesen und angepaßten Formteilen, dadurch gekennzeichnet daß zur Vermeidung von hygienischen Problemen durch die Berührung der Digitalisierungsapparatur mit nackten Hautpartien und/oder von op­ tischen Problemen durch optisch schlecht reflektierende dunkle und/oder behaarte Hautpartien und/oder Kostenproblemen durch den erforderlichen Einsatz aufwendiger strukturierter Beleuchtungssysteme die zu vermessen den Gliedmaßen oder Körperteile vor der Vermessung mit einem feinen, en­ ganliegenden elastischen Überzug überzogen werden und daß dieser Über­ zug mit kontrastreichen Mustern überdeckt ist, welche eine 3D Vermessung mit Hilfe photogrammetrischer Mehrkameraverfahren durch automa­ tische Zuordnung der sich in den Bildern sich jeweils entsprechenden Mustern ermöglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus hygienischen Gründen die Überzüge als nur einmal zu verwen­ dende Artikel ausgelegt und eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Überzug eine im wesentlichen helle Oberfläche aufzeigt, welche mit kontrastreichen zufälligen und/oder periodischen Mustern be­ deckt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Stiften auf dem hellen Überzug nach dem Überziehen und vor dem Digitalisieren bestimmte Körperstellen von Hand markiert werden und diese Markierungen aus den Bildern der Kameras mit Ver­ fahren der Bildverarbeitung erkannt werden und als Hilfen für die Zu­ ordnung von 3D Oberflächenkoordinaten zu markanten Punkten des digitalisierten Körperteils dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster und/oder aufgebrachten Markierungen farblich kontras­ tieren und die eingesetzten Kameras farbtüchtige Bildsensoren darstellen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Bildsensoren an einen Rechner weitergeleitet werden, auf welchem mit bekannten Verfahren der Photogrammetrie die 3D Koordi­ naten der Oberfläche des digitalisierten Körperteils berechnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsignale direkt oder nach einer Datenkompression über Daten­ fernübertragung an einen zentralen Rechner zur photogrammetrischen Auswertung übertragen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der korrekten Digitalisierung ausgewertete 3D Bilder zurück an die Digitalisierstation übertragen und dort angezeigt werden.

9. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu digitalisierende Körperteil mit einem eng anliegenden Überzug überzogen wird, welcher mit kontrastreichen Mustern überdeckt ist und eine gut diffus reflektierende Oberfläche besitzt, daß der Körperteil in eine mechanische Vorrichtung gehalten wird, welcher aus einer Anordnung einzelner bildgebender Sensoren besteht, deren Bildfelder sich mindestens teilweise und gruppenweise überlappen, daß durch eine diffuse Beleuch­ tung der überzogende Körperteil beleuchtet wird und daß die Bildsignale aller Bildsensoren ausgelesen und an eine Recheneinheit übertragen werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder aller Kameras mit Hilfe einer Datenfernübertragungseinrichtung an einen zentralen Auswerterechner übertragen werden.