LS1.7 - Digitalisierung

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Einführung

Simulierter Intraoralscan mit der Sirona Bluecam (Streifenlichtprojektion)

Für die Digitalisierung von dreidimensionalen Objekten werden in der Zahntechnik verschiedene optische und ein taktiles Messverfahren angewendet. Die folgende Liste zeigt eine Auswahl der wichtigsten Verfahren zum

  • Scannen von Modellen und Abformungen
  • Erstellen von Intraoralscans (CAI - Computer Aided Impressioning)
  • Erstellen von 3D-Scans des Patientengesichts zur Unterstützung der Planung und Konstruktion des Zahnersatzes (z.B. Face Hunter (Fa. Zirkonzahn).


Unter Digitalisierung versteht man das Erfassen von Informationen (z.B. Oberfläche, Farbe) über physische Objekte in Formate, die sich zur Verarbeitung oder Speicherung in digitaltechnischen Systemen eignen. (Vgl. Digitalisierung).



In diesem Lernvideo findest du eine Vortrag deiner Lehrkraft zum Thema "Digitalisierungsverfahren":




Eine Übersicht von zugelassenen Intraoralscannern ist hier zu finden.


Technische Grundlagen

Punktewolke einer gescannten Kugel

Das extraoral fast ausschließlich und bei einigen Systemen auch intraoral genutze Messprinzip der Triangulation wird hier beispielhaft näher erläutert und ausprobiert.

Die Lichtquelle des 3D-Scanners wirft ein Streifenlichtmuster, eine Laserlinie oder auch Lichtpunkte auf das Modell oder die Zähne im Mund. Eine digitale Video-Kamera nimmt dieses Muster auf. Die Software des Scanners berechnet aus der Abweichung der Linien auf dem Modell zur Blickrichtung der Kamera die dreidimensionale Struktur des Modells. Damit überhaupt eine Abweichung zu sehen ist, müssen Lichtquelle und Video-Kamera im Winkel zueinander positioniert sein. Sie dürfen nicht genau aus der selben Richtung auf das Modell "schauen". Aus den Einzelbildern der Videoaufnahmen berechnet die Scansoftware eine sogenannte "Punktewolke". Das ist eine Ansammlung von Punkten im dreidimensionalen Raum (Voxel, Volumetric Pixel), deren jeweilige Position mit jeweils drei Koordinaten genau festgelegt ist.

Laser und Kamera "sehen" nicht alle Bereichs des Objektes

Weil z.B. ein Stumpf auf deinem Modell nicht rundherum gleichzeitig von der Kamera und der Laserlinie (oder dem Steifenlichtprojektor) zu sehen ist, wird das Modell mehrfach gedreht und gekippt. So entstehen mehrere Punktewolken, die dann von der Software zusammengefügt werden müssen. Diesen Vorgang nennt man "matchen" (engl: to match, aufeinander abstimmen). Dabei werden nur die Punkte der Punktewolke verwendet, die gut zusammenpassen. Punkte, die fehlerhaft erscheinen (weil sie z.B. weit von allen anderen weg liegen) werden dabei von der Scanner-Software verworfen.

Je nach Scanner-Qualität liegen die Punkte der Punktewolke ca. 5-50 Mikrometer auseinander. Die daraus entstehende Datenmenge für ein Modell ist ziemlich groß, daher werden für diese Arbeit leistungsstarke Computer benötigt.



Messprinzip Triangulation

Das Funktionsprinzip eines Laserscanners

Die Scanner-Software bestimmt beim Lichtschnittverfahren mit vielen einzelnen Bildern und einer Laserlinie einen Punkt im dreidimensionalen Koordinatensystem. Du kannst das nun am Beispiel eines kleinen, rechtwinkligen Papierstumpfes lernen.

Den Versuchsaufbau kannst du der kleinen Präsentation zum Messprinzip Triangulation entnehmen. Die Kamera wird in diesem Versuch durch das Auge ersetzt, die Laserlinie durch das zur Verfügung stehende "Laserlineal".

Es sollen die beiden Ecken des Papierstumpfes digitalisiert werden, die am Ursprung des Koordiantensystems liegen. Zeigt die Laserlinie im 45°-Winkel zur "Kamera" (Auge) auf die unterste Ecke des Stumpfes, wird sie nicht gebrochen. Die Koordinaten der Ecke lauten (0,0,0). Zeigt die Laserlinie auf die Ecke darüber, wird die Laserlinie auf der X-Y-Ebene um 2cm verschoben (gebrochen). Damit lauten die Koordinaten für diese Ecke (0|0|2).


Mathematisch gesehen ergibt sich die Höhe des gemessenen Punktes (Wert des Punktes auf der Z-Achse) aus der horizontalen Abweichung der Laserlinie auf dem Objekt. Dieser horizontale Abstand wird von der Software gemessen. Seine Größe wird durch den Tangens des Winkels zwischen Laser und Kamera geteilt. Günstigerweise hat der Tangens von 45° den Wert 1! Es sind aber auch kleinere oder größere Winkel möglich. Dieses Verfahren nennt man Triangulation.



Hier findest du ein Lernvideo mit weiteren Erklärungen zur Triangulation:


Diese kurze Video kann den Versuch ergänzen oder ersetzen:


Diese Erklärungen stellen eine grobe Vereinfachung der Triangulation dar. Solltest du beim Selbstlernen Level 4 erreichen, wirst du dir eine exaktere Erklärung erarbeiten.


Digitalisieren und Zusammenführen mehrerer Punktewolken (Matchen)

Bei der Digitalisierung des Papierstumpfes mit Hilfe der Laserlinie und der Triangulation benötigten wir nur eine Blickrichtung um alle Ecken des "Stumpfes" zu erfassen. Das funktioniert mit komplexeren gekrümmten Objekten nicht mehr. Das Objekt muss mehrfach aus verschiedenen Blickwinkeln digitalisiert werden. Dazu wird das Objekt vor der Kamera und der Laserlinie gedreht und/oder gekippt. Anschließend müssen die so entstandenen Punktewolken passend zusammengefügt werden, da sie ja in unterschiedlicher Lage im Koordinatensystem vorliegen.

Zum Matchen wird das ICP-Alignment verwendet. Der Iterative Closest Point Algorithm (ICP) ist ein Algorithmus, der es ermöglicht, Punktwolken aneinander anzupassen. Dabei werden in vielen sich wiederholenden Schritten (iterativ) der nächste (closest) ähnliche Punkt (point) einer zweiten Punktewolke zur ersten gesucht und dann angenähert. Das wiederholt sich viele Male hintereinander. Je öfter das durchgeführt wird, desto länger dauert das Matchen. Allerdings wird es auch genauer, je öfter der Algorithmus wiederholt wird. Passen die Punktewolken nicht ganz genau zueinander, entstehen automatisch kleine Fehler. Haben die Punktewolken nicht genug überlappende Bereiche, entstehen ebenfalls Fehler. Je größer der Fehler, desto ungenauer wird das Ergebnis des Matchens.

Beim Intraoralscannen müssen die Scans der beiden Kiefer mit dem Vestibulärscan gematched werden. Wie das funktioniert, lernst du mit Hilfe einer Software später im Selbstlernen.


ICP-Alignment mit Blender4Dental:



Übung

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Normales Lernen

Bearbeite nun im Anschluss an die Einführung in Grundlagen der Digitalisierung dieses Arbeitsblatt. Bearbeite außerdem in deinem LMS-Moodle-Kurs die interaktiven Übungen in der Lernlandkarte zur Digitalisierung.



Selbständiges Lernen

Du hast nun Gelegenheit, mit Unterstützung der Projektlehrkraft das Messprinzip Triangulation und die intraorale Digitalisierung durchzuführen.


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Papierstumpf digitalisieren

Digitalisiere den rechteckigen Papierstumpf. Du hast ihn beim normalen Lernen schon kennen gelernt. In der Schule liegen schon fertig gebastelte Stümpfe und Laserlinien-Lampen für das Selbstlernen bereit. Du kannst dir zuhause mit diesem Bastelbogen selbst einen Papierstumpf zum Üben basteln, wenn du möchtest.

Schreibe die Koordinaten der acht digitalisierten Ecken in die Liste über diesem Koordinatensystem.

Zeichne die sich daraus ergebende Punktewolke in das dreidimensionale rechtshändige Koordinatensystem. Verwende dabei die Kavaliersperspektive (der Begriff wird auf dem Arbeitsblatt Koordinatensystem erläutert).

Zusätzliches Lernvideo zur Digitalisierung des Papierstumpfes:


Ergänzend dann kannst du die Digitalisierung des vollständigen eckigen Stumpfes mit Hilfe dieses Videos anschauen:


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Intraoralscan durchführen

In der Schule steht dir der Trios 3 Intraoralscanner zur Verfügung. Du digitalisierst einen Quadranten unseres Übungspatienten "Thomas" ;-).

Beachte die Hinweise der Scansoftware zur Vorgehensweise!

Kontrolliere deine Punktewolke und ergänze sie, wenn Bereiche fehlen!

Speichere die Scandaten nach den Regeln des Datenmanagements.




Wenn du Zeit hast, kannst du mir noch das ICP-Alignment ausprobieren:

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Matchen von Intraoralscans mit Hilfe eines Vestibulärscans

Matche die OK- und UK-Netze eines echten Intraoralscans mit Meshlab mit Hilfe eines Vestibulärscans.

Die Punktewolke des Oberkiefers und die des Unterkiefers werden separat mit einem Vestibuläscan gematcht. Hier werden die gematchten Punktewolken aber anschließend nicht zusammengeführt, wie es beim Matchen mehrerer Punktewolken eines Objektes der Fall wäre. Die beiden Punktewolken müssen am Vestibulärscan ausgerichtet werden, damit sie anschließend okklusal im Koordinatensystem zueinander passen! Die Punktewolke des Vestibulärscans wird anschließend nicht weiter verwendet!

Lernvideo zum ICP-Alignment mit Meshlab:

Die notwendigen STL-Dateien kannst du hier als ZIP-Archiv herunterladen.

Das Ergebnis des Matchens speicherst du nach den Regeln des Datenmanagements.


Lernvideo zu Fehlern beim ICP-Alignment:

Beschreibe zusätzlich schriftlich in eigenen Worten, warum beim Matchen von Punktewolken mit dem ICP-Alignment Fehler auftreten und kleine Fehler zu größeren werden können. Zeige und begründe mögliche Ungenauigkeiten oder Fehler an der okklusalen Zuordnung der Intraoralscans.




Immer noch Lust auf zusätzliche Kompetenzen? Dann schau dir mal das hier an:

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"Job to do" Messprinzip Triangulation

Zum Abschluss wird es kniffelig:

Studiere in Ruhe den Artikel Messprinzip Triangulation - Level 4.

Digitalisiere nun einen oder mehrere Punkte auf dem im Unterrichtsraum zur Verfügung stehenden großen Zahnmodells mit Hilfe der neu gelernten realistischeren Triangulationsmethode. Du spielst wieder die Kamera und hältst die Laserlinie. Dokumentiere deine Vorgehensweise schriftlich!



Hinweis für Lehrkräfte:

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