DE3933142A1 - Verfahren zur herstellung eines massstaeblichen dreidimensionalen modells eines koerperteiles sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines massstaeblichen dreidimensionalen modells eines koerperteiles sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines maß
stäblichen dreidimensionalen Modells eines zu einem Körper ei
nes Lebewesens gehörigen Körperteiles sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist aus den verschiedensten Gründen wünschenswert, auf nicht
invasivem Wege Informationen über die dreidimensionale Gestalt
von Körperteilen, wobei unter Körperteilen auch innere Organe,
Teile des Skeletts und des Bewegungsapparates, Tumore, Konkre
mente, usw. verstanden werden sollen, zu gewinnen. Zum Beispiel
ist es anhand derartiger Informationen möglich, chirurgische
Eingriffe zu planen. Außerdem können solche Informationen zur
Herstellung und Anpassung künstlicher Körperteile, z.B. Gelenke
oder Venen, von Bedeutung sein. Es besteht auch die Möglich
keit, anhand solcher Informationen das Wachstum von Tumoren
oder Konkrementen zu dokumentieren.
Ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Modells
eines Körperteiles ist in dem Artikel "Klinische Anwendungen
der dreidimensionalen Oberflächenrekonstruktion aus CT-Scans
- Erfahrungen bei 250 Untersuchungen" von M.W. Vannier et al.,
Elektromedica 51 (1983), Heft 4, Seiten 122 bis 131, beschrie
ben. Bei diesem Verfahren werden mittels eines Schnittbildge
rätes, nämlich eines Computertomographen, Schnittbilder einer
Anzahl von durch den Körper des Lebewesens verlaufenden, das
Körperteil enthaltenden Schichten angefertigt. Aus den Schnitt
bildern werden Daten ermittelt, die den äußeren Umrissen der in
den Schnittbildern enthaltenen Schichten des Körperteiles ent
sprechen. Anhand dieser Daten werden entsprechende Schichten
aus einem Modellwerkstoff, z.B. Aluminiumblech, ausgeschnitten
und zu einem dreidimensionalen Modell des Körperteiles zusam
mengesetzt, das hinsichtlich der Gestalt seiner äußeren Ober
fläche dem Körperteil entspricht.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Modells eines
Körperteiles ist in dem Artikel "Ein Kopf wird kopiert", Uwe
Kierst, Hobby 9/87, Seiten 62 bis 64, beschrieben, wobei das
Modell mittels einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine aus
einem Block eines Modellwerkstoffes herausgefräst wird.
Verfahren zur Herstellung von Modellen von Körperteilen an
hand entsprechender Computer-Tomographie-Daten, sei es durch
Fräsen des Modells aus vollem Material, sei es durch Zusam
mensetzen des Modells aus einer Vielzahl von Modellschichten,
deren Außenkonturen den des zu modellierenden Körperteiles
entsprechen, sind außerdem in dem Artikel "Fertigung von
Knochenmodellen nach Computer-Tomographie-Daten zur Verwen
dung in Chirurgie und Orthopädie", Biomedizinische Technik,
Band 30, Heft 5, Mai 1985, Seiten 111 bis 114, beschrieben.
Ferner ist in der EP-A-02 55 797 ein Verfahren zur Herstel
lung einer Endoprothese mit individueller Anpassung unter Her
anziehung eines mittels Computertomographie erzeugten, min
destens in datenmäßiger Repräsentation vorhandenen, dreidimen
sionalen Modells des durch die Prothese zu ersetzenden Körper
teils beschrieben. Dabei wird die Prothese mittels einer nume
risch gesteuerten Fräsmaschine ausgehend von in unterschied
lichen Größen vorhandenen Rohlingen hergestellt. In dem zu er
setzenden Körperteil vorhandene geschlossene Hohlräume können
also bei der Herstellung der Prothese nicht reproduziert wer
den. Selbst wenn die Rohlinge Hohlräume enthielten, könnten
diese den individuellen Gegebenheiten nicht entsprechen. Sie
könnten diesen auch nicht angepaßt werden, da dies mittels
einer Fräsmaschine jedenfalls bei völlig geschlossenen Hohl
räumen unmöglich wäre.
Auch in der FR-A-25 77 697 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines individuell angepaßten chirurgischen Implantats beschrie
ben, welches zur Aufnahme in dem Markkanal eines Röhrenknochens
bestimmt ist. Dabei werden auf Grundlage einer Anzahl von
Schnittbildern des Röhrenknochens Daten ermittelt, die die
dreidimensionale Gestalt des Markkanals beschreiben. Auf Grund
lage dieser Daten wird ein den jeweils vorliegenden individu
ellen Gegebenheiten angepaßtes Implantat, z.B. eine Hüftge
lenkprothese, mittels einer numerisch gesteuerten Werkzeug
maschine gefertigt. Auch hier besteht keine Möglichkeit in dem
durch die Prothese zu ersetzenden Körperteil etwa vorhandene
völlig geschlossene Hohlräume naturgetreu zu reproduzieren.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung eines maßstäblichen
dreidimensionalen Modells eines Körperteiles gestatten es
lediglich, ein Modell herzustellen, das hinsichtlich seiner
äußeren Oberfläche ein maßstäbliches Abbild des Körperteiles
darstellt, d.h., daß das Modell keine in dem Körperteil etwa
vorhandene völlig geschlossene Hohlräume aufweisen kann. Ebenso
können nach außen zwar offene, aber starke Hinterschneidungen
aufweisende Vertiefungen nicht modelliert werden. Beides wäre
aber insbesondere dann, wenn es darum geht, mittels des Modells
chirurgische Eingriffe zu planen, von besonderem Interesse.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art, das es gestattet, Modelle eines
Körperteiles herzustellen, die auch hinsichtlich etwa in dem
Körperteil enthaltener völlig geschlossener Hohlräume oder
starke Hinterschneidungen aufweisender Vertiefungen dem Kör
perteil voll entsprechen, und eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst,
das folgende Verfahrensschritte umfaßt:
- a) mittels eines Schnittbildgerätes werden Schnittbilder einer Anzahl von durch den Körper des Lebewesens verlaufender, das Körperteil enthaltender Schichten angefertigt, indem für Volumenelemente der Schichten der Wert einer für unter schiedliche Körperteile des Lebewesens unterschiedlichen charakteristischen physikalischen Größe und die Koordinaten der Volumenelemente in bezug auf ein festes Koordinaten system ermittelt werden,
- b) aus den Koordinaten der in den Schnittbildern enthaltenen Volumenelemente und den diesen zugeordneten Werten der charakteristischen physikalischen Größe werden der drei dimensionalen Gestalt des Körperteiles entsprechende Daten ermittelt, indem durch Vergleich der Werte der charakteri stischen physikalischen Größe der einzelnen Volumenelemente der Schichten mit wenigstens einem das Körperteil kennzeich nenden Kennwert der charakteristischen physikalischen Größe diejenigen Volumenelemente identifiziert werden, die Volu menelemente des Körperteiles sind, und
- c) die der dreidimensionalen Gestalt des Körperteiles entspre chenden Daten werden einem Modellgenerator zugeführt, mit tels dessen anhand der Daten unter Berücksichtigung eines gewählten Maßstabes das Modell durch Urformen aus einem Modellwerkstoff derart erzeugt wird, daß das Modell für jedes Volumenelement des Körperteiles ein entsprechendes Volumenelement des Modellwerkstoffes aufweist.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also nicht nur
der äußeren Oberfläche des Körperteiles entsprechende Daten er
mittelt, sondern vielmehr die in den einzelnen Schichten ent
haltenen Volumenelemente des Körperteiles identifiziert und als
der dreidimensionalen Gestalt des Körperteiles entsprechende
Daten der Modellherstellung zugrundegelegt. Da der Modellgene
rator anhand dieser Daten ein Modell derart erzeugt, daß das
Modell für jedes Volumenelement des Körperteiles ein entspre
chendes Volumenelement des Modellwerkstoffes aufweist, was da
durch möglich ist, daß der Modellgenerator das Modell nicht
spanabhebend (z.B. Fräsen), sondern durch Urformen erzeugt,
ergibt sich ein Modell, das nicht nur hinsichtlich der Gestalt
seiner äußeren Oberfläche sondern auch hinsichtlich etwa vor
handener völlig geschlossener Hohlräume oder starke Hinter
schneidungen aufweisender Vertiefungen dem Körperteil voll
entspricht. Als Schnittbildgerät kann übrigens ein Computer
tomograph, ein Ultraschall-Schnittbildgerät oder ein Kernspin
tomograph vorgesehen sein.
Wenn nur eine beschränkte Anzahl von Schnittbildern angefertigt
werden kann, z.B. um bei der Verwendung eines Computertomo
graphen als Schnittbildgerät die Strahlungsbelastung für das
Lebewesen gering zu halten, und dann die in den Schnittbildern
dargestellten Schichten des Körperteiles nicht unmittelbar an
einandergrenzen, kann vorgesehen sein, daß die Koordinaten der
jenigen Volumenelemente des Körperteiles, die zwischen einander
benachbarten in Schnittbildern dargestellten Schichten des Kör
perteiles liegen, durch ein Rechenverfahren näherungsweise er
mittelt werden. Das Rechenverfahren kann dabei einer linearen
Interpolation entsprechen.
Der eigentliche Herstellvorgang des Modells gestaltet sich dann
besonders einfach, wenn die Volumenelemente des Modellwerkstof
fes im Zuge des Urformens miteinander verbunden werden. Eine
weitere Vereinfachung läßt sich erzielen, wenn das Modell aus
einer Anzahl von miteinander verbundenen Modellschichten gebil
det wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens umfaßt ein Schnittbildgerät, das über eine Datenleitung
mit einem Modellgenerator verbunden ist, der eine Steuerein
richtung und eine Generatoreinrichtung umfaßt, wobei die
Steuereinrichtung die Generatoreinrichtung anhand der mittels
des Schnittbildgerätes ermittelten, der dreidimensionalen Ge
stalt des Körperteiles entsprechenden Daten zur Erzeugung des
Modells steuert. Die Generatoreinrichtung kann dabei eine Volu
menelemente eines Modellwerkstoffes abgebende Spritzdüse und
eine Basisplatte aufweisen, die relativ zueinander dreidimen
sional verstellbar sind, wobei die Steuereinrichtung zur Er
zeugung jeweils einer Modellschicht die Spritzdüse und die
Basisplatte in zueinander parallelen Ebenen derart relativ
zueinander verstellt, daß die Spritzdüse aufeinanderfolgend
relativ zu der Basisplatte Positionen einnimmt, die den Koordi
naten der der jeweiligen Modellschicht entsprechenden Volumen
elemente des Körperteiles entsprechen, die Steuereinrichtung
die Spritzdüse veranlaßt, in jeder der Positionen ein Volumen
element des Modellwerkstoffes abzugeben, und die Steuereinrich
tung den Abstand zwischen der Spritzdüse und der Basisplatte
zur Erzeugung aufeinanderfolgender Modellschichten entsprechend
der Schichtdicke vergrößert. Eine Generatoreinrichtung dieser
Art ist an sich aus der FR-A-25 83 333 bekannt. Als Modellwerk
stoff kommen metallische Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt,
keramische Werkstoffe und insbesondere polymere Werkstoffe in
Frage, die erforderlichenfalls in einen zähflüssigen Zustand
versetzt werden, um sie mittels der Spritzdüse abgeben zu kön
nen, worauf der jeweilige Modellwerkstoff wieder zum Erstarren
gebracht wird.
Nach einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die
Generatoreinrichtung eine Einrichtung zum Härten des Modell
werkstoffes aufweist. Wird als Modellwerkstoff z.B. geschmolze
nes Metall oder geschmolzener Kunststoff verwendet, kann vorge
sehen sein, daß die Härteeinrichtung einen Kühlmittelstrom ab
gibt, der den Modellwerkstoff zum Erstarren bringt. Im Falle
keramischer Modellwerkstoffe kann vorgesehen sein, daß die Här
teeinrichtung mit Wärme auf den Modellwerkstoff einwirkt, um
diesen zu verfestigen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Spritzdüse als Modellwerkstoff eines mittels UV-Licht härtbaren
Kunststoff abgibt und die Einrichtung zum Härten des Modell
werkstoffes durch eine UV-Lichtquelle gebildet ist. In jedem
Falle ist es von Vorteil, wenn die Einrichtung zum Härten des
Modellwerkstoffes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit
der Spritzdüse gekoppelt ist.
Das Modell kann auf besonders einfache Weise erzeugt werden,
wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Generator
einrichtung ein Bad eines mittels Licht aushärtbaren polymeren
Werkstoffes, in dem eine höhenverstellbare Plattform angeordnet
ist, und eine über dem Spiegel des Bades in einer zur Ebene des
Spiegels parallelen Ebene verstellbare Lichtquelle aufweist,
wobei die Steuereinrichtung die Lichtquelle zur Erzeugung je
weils einer Modellschicht derart relativ zu der Plattform ver
stellt, daß diese aufeinanderfolgend relativ zu der Plattform
Positionen einnimmt, die den Koordinaten der der jeweiligen
Modellschicht entsprechenden Volumenelemente des Körperteiles
entsprechen, und wobei die Steuereinrichtung die Plattform zur
Erzeugung aufeinanderfolgender Modellschichten jeweils um einen
der Dicke der zu erzeugenden Modellschicht entsprechenden Be
trag absenkt. Eine solche Generatoreinrichtung ist an sich aus
der EP-A-01 71 069 bekannt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vor
richtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Ver
fahrens zur Herstellung maßstäblicher dreidimensionaler
Modelle von Körperteilen,
Fig. 2 in schematischer Darstellung den Modellgenerator der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
Fig. 3 ein Detail des Modellgenerators nach Fig. 2, und
Fig. 4 eine Variante eines Modellgenerators in schematischer
Darstellung.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt ein Schnitt
bildgerät, nämlich einen insgesamt mit 2 bezeichneten, an sich
bekannten Computertomographen. Dieser besitzt eine Röntgenröhre
3, die zusammen mit einem Strahlenempfänger 4 eine Strahlenmeß
einrichtung bildet. Der Strahlenempfänger 4 weist eine Reihe
von Einzeldetektoren 4 a, 4 b usw. auf. Die Röntgenröhre 3 ist
mit dem Strahlenempfänger 4 über einem Drehrahmen 5 fest ver
bunden und sendet ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 6
aus, das eine ein zu modellierendes Körperteil des Lebewesens,
z.B. wie dargestellt den Schädelknochen eines menschlichen Pa
tienten 1, enthaltende Schicht 7 des Patienten 1 durchsetzt.
Der Patient 1 liegt auf einer Patientenliege 8. Senkrecht zu
der Schicht 7 entspricht die Ausdehnung des Röntgenstrahlenbün
dels 6 der Dicke der Schicht 7. Die Anzahl der Einzeldetektoren
4 a , 4 b usw. des Strahlenempfängers 4 ist der gewünschten Bild
auflösung entsprechend gewählt. Jeder Einzeldetektor 4 a, 4 b
usw. liefert ein elektrisches Signal, das der Intensität der
jeweils empfangenen Röntgenstrahlung entspricht.
Die Einzeldetektoren 4 a, 4 b usw. des Strahlenempfängers 4 sind
an eine elektronische Recheneinrichtung 9 angeschlossen, die
aus den Ausgangssignalen der Einzeldetektoren 4 a, 4 b usw. wäh
rend der Drehung der Strahlenmeßeinrichtung 3, 4 um eine Dreh
achse 10, die parallel zur Längsrichtung der Patientenliege 8
verläuft, die Röntgenstrahlen-Schwächungswerte der Volumenele
mente der Schicht 7 berechnet. Bei dem Röntgenstrahlungs-Schwä
chungswert handelt es sich um eine charakteristische physika
lische Größe, deren Wert für unterschiedliche Körperteile des
Patienten 1 unterschiedliche Werte besitzt. Die Koordinaten der
Volumenelemente werden in bezug auf ein gerätefestes rechtwink
liges Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z ermittelt. An
hand der ermittelten Röntgenstrahlungs-Schwächungswerte der
einzelnen Volumenelemente einer abgetasteten Schicht 7 ist die
elektronische Recheneinrichtung 9 in der Lage, ein Schnittbild
dieser Schicht zu errechnen, das auf einem Sichtgerät 11 wie
dergegeben werden kann, wobei einem bestimmten Röntgenstrah
lungs-Schwächungswert ein bestimmter Grauwert in der Darstel
lung des Schnittbildes entspricht.
Gewöhnlich wird die Röntgenröhre 3 während des Abtastens einer
Schicht 7 derart gepulst, daß beispielsweise bei einer voll
ständigen Drehung der Strahlenmeßeinrichtung 3, 4 um die Achse
10 für einen vollständigen Abtastvorgang pro Winkelgrad ein
Satz von Ausgangssignalen des Strahlenempfängers 4 erzeugt
wird. Auf diese Weise werden bei beispielsweise 512 Einzel
detektoren im Strahlenempfänger 4 pro Abtastvorgang 360 × 512
Ausgangssignale erzeugt, die der Berechnung der Röntgenstrah
lungs-Schwächungswerte der Volumenelemente einer Schicht 7 zu
grundegelegt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind der Übersichtlichkeit halber aber nicht sämtliche Einzel
detektoren, sondern nur einige wenige gezeigt.
Die Drehung des Drehrahmens 5 wird mittels eines Motors 12 be
wirkt, der von der elektronischen Recheneinrichtung 9 in der
erforderlichen Weise betätigt wird. Die Röntgenröhre 3 wird
durch eine Generatoreinrichtung 13 mit den benötigten Span
nungen versorgt, wobei die Generatoreinrichtung 13 ebenfalls
von der elektronischen Recheneinrichtung 9 in der erforder
lichen Weise gesteuert wird.
Die Patientenliege 8 ist mittels eines durch die elektronische
Recheneinrichtung 9 gesteuerten Motors 14 in Richtung der Achse
10 verstellbar, so daß es möglich ist, Schnittbilder von in
Richtung der Achse 10 aufeinanderfolgenden, parallel zueinander
verlaufenden Schichten 7 des Patienten 1 abzutasten, die je
weils das zu modellierende Körperteil, also den Schädelknochen
des Patienten 1, enthalten. Die von der elektronischen Rechen
einrichtung 9 aus den Ausgangssignalen 4 ermittelten Röntgen
strahlungs-Schwächungswerte der Volumenelemente sämtlicher ab
getasteter Schichten 7 sowie die Koordinaten der jeweiligen
Volumenelemente werden in der entsprechend ausgebildeten elek
tronischen Recheneinrichtung 9 als eine der Anzahl der Schich
ten 7 entsprechende Anzahl von Schnittbildern gespeichert.
Aus den Koordinaten der in den Schnittbildern enthaltenen Volu
menelemente und den diesen zugeordneten Röntgenstrahlungs-
Schwächungswerten ermittelt die entsprechend ausgebildete elek
tronische Recheneinrichtung 9 der dreidimensionalen Gestalt des
zu modellierenden Körperteiles entsprechende Daten, indem sie
die Röntgenstrahlungs-Schwächungswerte der einzelnen Volumen
elemente der Schichten 7 mit wenigstens einem das zu modellie
rende Körperteil kennzeichnenden Röntgenstrahlungs-Schwächungs
wert vergleicht und so diejenigen Volumenelemente identifi
ziert, die Volumenelemente des zu modellierenden Körperteiles
sind. Der dem jeweils zu modellierenden Körperteil entsprechen
de Röntgenstrahlungs-Schwächungswert kann der elektronischen
Recheneinrichtung 9 über eine mit dieser verbundene Tastatur 15
eingegeben werden. Der dem jeweiligen Körperteil entsprechende
Röntgenstrahlungs-Schwächungswert kann aus einem oder mehreren
Schnittbildern, die auf dem Sichtgerät 11 dargestellt werden,
anhand des Grauwertes, mit dem das zu modellierende Körperteil
in dem bzw. den Schnittbilder(n) dargestellt ist, ermittelt
werden. Falls ein zu modellierendes Körperteil in den Schnitt
bildern mit mehreren Grauwerten dargestellt ist, kann der
elektronischen Recheneinrichtung 9 ein entsprechender Bereich
des Röntgenstrahlungs-Schwächungswertes eingegeben werden.
Die der dreidimensionalen Gestalt des zu modellierenden Körper
teiles entsprechenden Daten, d.h. die Koordinaten derjenigen
Volumenelemente der Schnittbilder, die als Volumenelemente des
zu modellierenden Körperteiles identifiziert wurden, werden ei
nem insgesamt mit 16 bezeichneten Modellgenerator zugeführt,
der ein Modell des zu modellierenden Körperteiles durch Urfor
men aus einem Modellwerkstoff derart erzeugt, daß das Modell
für jedes Volumenelement des zu modellierenden Körperteiles ein
entsprechendes Volumenelement des Modellwerkstoffes und für
jede Schicht des zu modellierenden Körperteiles eine entspre
chende Modellschicht aufweist. Dabei besteht die Möglichkeit,
über die Tastatur 15 einen Maßstab einzugeben, den die elektro
nische Recheneinrichtung 9 bei der Ermittlung der für den Mo
dellgenerator 16 bestimmten Daten berücksichtigt. Falls die
mittels des Computertomographen 2 abgetasteten Schichten 7
nicht unmittelbar aneinandergrenzen, werden diejenigen Volumen
elemente des zu modellierenden Körperteiles, die zwischen ein
ander benachbarten abgetasteten Schichten liegen, mittels der
elektronischen Recheneinrichtung auf Grundlage eines geeigneten
Rechenverfahrens näherungsweise ermittelt, und zwar derart, daß
die entsprechenden Daten in einer Form vorliegen, als seien sie
in der zuvor beschriebenen Weise aus Schnittbildern ermittelt
worden.
Der schematisch angedeutete Modellgenerator 16 umfaßt übrigens
eine Steuereinrichtung 17 und eine Generatoreinrichtung 18, wo
bei die Steuereinrichtung 17 die Generatoreinrichtung 18 anhand
der mittels des Computertomographen 2 ermittelten, der dreidi
mensionalen Gestalt des zu modellierenden Körperteiles entspre
chenden Daten zur Erzeugung des Modells steuert. Die Steuerein
richtung 17 steht einerseits über eine Datenleitung 19 mit der
elektronischen Recheneinrichtung 9 des Computertomographen 2
und andererseits über Steuerleitungen 20, von denen der Über
sichtlichkeit halber nur eine dargestellt ist, mit der Genera
toreinrichtung 18 in Verbindung.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Modell
generators dargestellt. Dabei ist die Steuereinrichtung 17
schematisch angedeutet. Die Generatoreinrichtung 18 weist eine
Basisplatte 21 und eine relativ zu dieser dreidimensional ver
stellbare Spritzdüse 22 zur Abgabe von Modellwerkstoff auf. Die
Spritzdüse 22 ist an einem ersten Wagen 23 befestigt, der mit
tels eines ersten Schrittmotors 24 längs einer ersten Führungs
stange 25 verfahrbar ist. Die erste Führungsstange 25 ist an
einem zweiten Wagen 26 befestigt, der mittels eines zweiten
Schrittmotors 27 längs einer zweiten Führungsstange 28 ver
fahrbar ist. Die zweite Führungsstange 28 ist an einem dritten
Wagen 29 befestigt, der mittels eines dritten Schrittmotors 30
längs einer fest mit der Basisplatte 21 verbundenen dritten
Führungsstange 31 verstellbar ist. Dabei ist die Anordnung so
getroffen, daß die Führungsstangen 25, 28, 31 parallel zu den
Achsen X, Y, Z eines rechtwinkligen Koordinatensystems verlau
fen, wobei die Achsen X, Y, Z den Achsen x, y, z des auf den
Computertomographen 2 bezogenen rechtwinkligen Koordinaten
systems entsprechen. Die Spritzdüse 22 kann also mittels der
Steuereinrichtung 17 zur Abgabe eines Volumenelementes von Mo
dellwerkstoff, das einem Volumenelement des zu modellierenden
Körperteiles mit bestimmten Koordinaten x, y, z entspricht, in
eine Position gebracht werden, in der sie die entsprechenden
Koordinaten X, Y, Z einnimmt. Die Schrittmotore 24, 27, 30 ste
hen übrigens über Steuerleitungen 20 a, 20 b, 20 c mit der Steuer
einrichtung 17 in Verbindung.
Die Spritzdüse 22 steht über einer flexible Schlauchleitung 32
mit einem Vorratsbehälter 33 in Verbindung, der als Modellwerk
stoff einen zähflüssigen, unter der Einwirkung von UV-Licht
härtbaren Kunststoff enthält. Um Modellwerkstoff aus dem Vor
ratsbehälter 33 durch die Schlauchleitung 32 zu der Spritzdüse
22 transportieren zu können, ist eine Pumpe 34 vorgesehen, die
über eine Steuerleitung 20 d mit der Steuereinrichtung 17 in
Verbindung steht. Wie aus der Fig. 2 in Verbindung mit der Fig.
3 ersichtlich ist, enthält die Spritzdüse 22 eine UV-Licht
quelle 35, die mittels einer flexiblen Leitung 35 a mit einer
Spannungsversorgung 36 verbunden ist und dazu dient, von der
Spritzdüse 22 abgegebenen Modellwerkstoff zu härten.
Sind mittels des Computertomographen 2 und der zu diesem ge
hörigen elektronischen Recheneinrichtung 9 die der dreidimen
sionalen Gestalt des zu modellierenden Körperteiles entspre
chenden Daten ermittelt, werden diese der Steuereinrichtung 17
des Modellgenerators 16 zugeführt. Diese betätigt zunächst über
die Steuerleitung 20 c den Schrittmotor 30 derart, daß sich die
Spritzdüse 22 um ein Maß, das der Dicke einer Modellschicht
entspricht, oberhalb der Basisplatte 21 befindet. Die Steuer
einrichtung 17 betätigt dann über die Steuerleitungen 20 a, 20 b
die Schrittmotore 24, 27 derart, daß diese die Spritzdüse 22
aufeinanderfolgend in Positionen mit den Koordinaten Y, X brin
gen, die den Koordinaten der in der z-Richtung ersten Schicht 7
des zu modellierenden Körperteiles enthaltenen Volumenelementen
mit den Koordinaten x, y entsprechen. Jedesmal wenn die Spritz
düse 22 eine dieser Positionen einnimmt, betätigt die Steuer
einrichtung 17 über die Steuerleitung 20 d die Pumpe 34 derart,
daß die Spritzdüse eine Menge des Modellwerkstoffes abgibt, die
einem Volumenelement des Modells, in Fig. 2 ist stark schemati
siert das Modell 37 eines menschlichen Schädels dargestellt,
entspricht. Auf diese Weise wird eine in Z-Richtung erste Mo
dellschicht erzeugt, die für jedes in der z-Richtung ersten
Schicht 7 enthaltenes Volumenelement des zu modellierenden Kör
perteiles ein entsprechendes Volumenelement des Modellwerk
stoffes aufweist. Danach betätigt die Steuereinrichtung 17 den
Schrittmotor 30 derart, daß sich der Abstand zwischen der
Spritzdüse 22 und der Basisplatte um das zur Erzeugung in
Z-Richtung nächsten Modellschicht entsprechende Maß, das der
Schichtdicke der Modellschicht entspricht, vergrößert. Die in
Z-Richtung zweite Modellschicht wird dann in der zuvor be
schriebenen Weise erzeugt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis
das Modell 37, es handelt sich, wie schematisch angedeutet ist,
um das Modell eines Schädelknochens, für sämtliche Volumenele
mente des zu modellierenden Körperteiles entsprechende Volumen
elemente des Modellwerkstoffes aufweist. Demzufolge stellt das
Modell 37 eine exakte Reproduktion des zu modellierenden Schä
delknochens dar, das in naturgetreuer Weise auch die Schädel
höhle aufweist, die durch spanabhebende Verfahren, z.B. Fräsen,
mit vertretbarem Aufwand nicht herstellbar wäre. Die einzelnen
Volumenelemente des Modellwerkstoffes, die mittels der
UV-Lichtquelle 35 jeweils sofort nach ihrem Austritt aus der
Spritzdüse 22 ausgehärtet werden, verbinden sich während dieses
Vorganges miteinander, so daß schließlich ein durch Urformen
erzeugtes Modell 37 aus dem Modellwerkstoff vorliegt, dessen
Volumenelemente im Zuge des Urformens schichtweise miteinander
verbunden wurden. Das so erhaltene Modell 37 wird von der
Basisplatte 21 getrennt.
In der Fig. 4 ist eine Variante eines Modellgenerators darge
stellt. Dieser Modellgenerator 16 a weist wieder eine Steuerein
richtung 17 a und eine Generatoreinrichtung 18 a auf. Die Genera
toreinrichtung 18 a umfaßt ein wannenförmiges Bad 38, welches
als Modellwerkstoff einen mittels Licht aushärtbaren polymeren
Werkstoff enthält. In dem in dem Bad 38 enthaltenen Modell
werkstoff ist eine Plattform 39 angeordnet, die mittels einer
mechanischen Einrichtung 40, die mittels eines über eine
Steuerleitung 41 a mit der Steuereinrichtung 17 a verbundenen
Schrittmotors 42 betätigt ist, in dem Bad 38 relativ zu dessen
Spiegel 43 höhenverstellbar ist. Unmittelbar über dem Spiegel
43 des Bades 38 ist eine Lichtquelle 44 vorgesehen. Diese ist
an einem ersten Wagen 45 befestigt, der mittels eines Schritt
motors 46, der über eine Steuerleitung 41 b mit der Steuerein
richtung 17 a in Verbindung steht, längs einer ersten Führungs
stange 47 verstellbar. Die erste Führungsstange 47 ist an einem
zweiten Wagen 48 angebracht, der mittels eines Schrittmotors
49, der über eine Steuerleitung 41 c mit der Steuereinrichtung
17 a in Verbindung steht, längs einer zweiten Führungsstange 50
verstellbar ist. Die zweite Führungsstange 50 ist mittels Hal
terungen 50 a, von denen in Fig. 4 nur eine sichtbar ist, an
dem Bad 38 angebracht. Die Führungsstangen 47, 50 sind derart
angeordnet, daß die Lichtquelle 44 in einer Ebene verstellbar
ist, die parallel zur Ebene des Spiegels 43 des Bades 38 ver
läuft. Die Führungsstangen 47, 50 verlaufen parallel zu den
Achsen X, Y eines rechtwinkligen Koordinatensystems mit den
Achsen X, Y, Z, wobei die Achsen X, Y den Achsen x, y des auf
den Computertomographen 2 bezogenen rechtwinkligen Koordinaten
systems entsprechen. Die Plattform 39 ist in Richtung der Achse
Z des rechtwinkligen Koordinatensystems X, Y, Z verstellbar,
wobei die Achse Z der Achse z des auf den Computertomographen 2
bezogenen Koordinatensystems x, y, z entspricht. Mittels der
Steuereinrichtung 17 a können also die Lichtquelle 44 und die
Plattform 39 in Positionen relativ zueinander gebracht werden,
in der die Koordinaten der Lichtquelle 44 bezogen auf die
Plattform 39 den Koordinaten eines Volumenelementes des zu
modellierenden Körperteiles in dem auf den Computertomographen
2 bezogenen Koordinatensystem x, y, z entsprechen.
Die Lichtquelle 44 kann mittels eines über eine Steuerleitung
41 d mittels der Steuereinrichtung 17 a betätigbaren Schalters
51, z.B. eines Relais oder dergleichen, an eine Spannungsver
sorgung 52 angeschaltet werden, mit der sie über eine flexible
Leitung 53 in Verbindung steht. Das von der Lichtquelle 44 aus
gehende Licht ist in einer solchen Weise gebündelt, daß jedes
mal, wenn die Lichtquelle 44 aktiviert wird, ein Volumenelement
des Modellwerkstoffes bestrahlt und ausgehärtet wird.
Zur Erzeugung eines Modells wird so vorgegangen, daß die Steu
ereinrichtung 17 a den Schrittmotor 42 zunächst derart betätigt,
daß die Plattform 39 eine Position einnimmt, in der sie sich um
ein Maß, das der Dicke einer Modellschicht entspricht, unter
halb des Spiegels 43 des Bades 38 befindet. Zur Erzeugung der
in Z-Richtung ersten Modellschicht betätigt dann die Steuerein
richtung 17 a die Schrittmotore 46, 49 derart, daß die Licht
quelle 44 aufeinanderfolgend in Positionen mit den Koordinaten
X, Y gebracht wird, die den Koordinaten x, y der in der z-Rich
tung ersten Schicht enthaltenen Volumenelemente des zu model
lierenden Körperteiles entsprechen. Jedesmal wenn die Licht
quelle 44 eine solche Position einnimmt, wird sie durch Betäti
gen des Schalters 51 mittels der Steuereinrichtung 17 a zur Ab
gabe von Licht aktiviert, wodurch eine einem Volumenelement des
Modellwerkstoffes entsprechende Menge des in dem Bad 38 befind
lichen Modellwerkstoffes ausgehärtet wird. Dabei verbinden sich
benachbarte Volumenelemente miteinander. Sind auf diese Weise
sämtliche Volumenelemente der in Z-Richtung ersten Modell
schicht erzeugt, betätigt die Steuereinrichtung 17 a den
Schrittmotor 42 derart, daß die Plattform 39 in Z-Richtung um
ein Maß abgesenkt wird, das der Schichtdicke einer Modell
schicht entspricht. Zur Erzeugung der zweiten Modellschicht
wird dann entsprechend verfahren. Die beschriebenen Vorgänge
wiederholen sich zur Erzeugung aller weiteren Modellschichten,
wobei sich die Volumenelemente benachbarter Modellschichten
miteinander verbinden, bis schließlich ein durch Urformen er
zeugtes Modell vorliegt, das für jedes Volumenelement des zu
modellierenden Körperteiles ein entsprechendes Volumenelement
des Modellwerkstoffes enthält und dessen Volumenelemente und
Modellschichten im Zuge des Urformens miteinander verbunden
wurden.
In Fig. 4 sind zwei Modellschichten 54 a, 54 b eines nur teilwei
se fertiggestellten Modells 54 angedeutet.
Vorzugsweise findet bei dem Modellgenerator 16 a ein polymerer
Werkstoff Verwendung, der mittels UV-Licht aushärtbar ist. Bei
der Lichtquelle 44 handelt es sich dann um eine UV-Lichtquelle.
Sofern die Generatoreinrichtung 18 a lichtdicht gekapselt ist,
kann aber auch ein polymerer Werkstoff Verwendung finden, der
unter der Einwirkung von sichtbarem Licht aushärtet.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines maßstäblichen dreidimen
sionalen Modells (37; 54) eines zu einem Körper eines Lebe
wesens (1) gehörigen Körperteiles, umfassend folgende Ver
fahrensschritte:
- a) mittels eines Schnittbildgerätes (2) werden Schnittbilder einer Anzahl von durch den Körper des Lebewesens (1) ver laufender, das Körperteil enthaltender Schichten (7) ange fertigt, indem für Volumenelemente der Schichten (7) der Wert einer für unterschiedliche Körperteile des Lebewesens (1) unterschiedlichen charakteristischen physikalischen Größe und die Koordinaten der Volumenelemente in bezug auf ein festes Koordinatensystem (x, y, z) ermittelt werden,
- b) aus den Koordinaten (x, y, z) der in den Schnittbildern ent haltenen Volumenelemente und den diesen zugeordneten Werten der charakteristischen physikalischen Größe werden der drei dimensionalen Gestalt des Körperteiles entsprechende Daten ermittelt, indem durch Vergleich der Werte der charakte ristischen physikalischen Größe der einzelnen Volumenelemen te der Schichten mit wenigstens einem das Körperteil kenn zeichnenden Kennwert der charakteristischen physikalischen Größe diejenigen Volumenelemente identifiziert werden, die Volumenelemente des Körperteiles sind, und
- c) die der dreidimensionalen Gestalt des Körperteiles entspre chenden Daten werden einem Modellgenerator (16; 16 a) zuge führt, mittels dessen anhand der Daten unter Berücksichti gung eines gewählten Maßstabes das Modell (37; 54) durch Urformen aus einem Modellwerkstoff derart erzeugt wird, daß das Modell (37; 54) für jedes Volumenelement des Körpertei les ein entsprechendes Volumenelement des Modellwerkstoffes aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Koordinaten (x, y, z) derjenigen
Volumenelemente des Körperteiles, die zwischen einander benach
barten, in Schnittbildern dargestellten Schichten (7) des Kör
perteiles liegen, durch ein Rechenverfahren näherungsweise er
mittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Volumenelemente des Modell
werkstoffes im Zuge des Urformens miteinander verbunden werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Modell (37; 54) aus
einer Anzahl von miteinander verbundenen Modellschichten (54 a,
54 b) gebildet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung ein Schnittbildgerät (2) umfaßt,
das über eine Datenleitung (19; 19 a) mit einem Modellgenerator
(16; 16 a) verbunden ist, der eine Steuereinrichtung (17; 17 a)
und eine Generatoreinrichtung (18; 18 a) umfaßt, wobei die
Steuereinrichtung (17; 17 a) die Generatoreinrichtung (18; 18 a)
anhand der mittels des Schnittbildgerätes (2) ermittelten, der
dreidimensionalen Gestalt des Körperteiles entsprechenden Daten
zur Erzeugung des Modells (37; 54) steuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Generatoreinrichtung (18) eine
Volumenelemente eines Modellwerkstoffes abgebende Spritzdüse
(22) und eine Basisplatte (21) aufweist, die relativ zueinander
dreidimensional verstellbar sind, wobei die Steuereinrichtung
(17) zur Erzeugung jeweils einer Modellschicht die Spritzdüse
(22) und die Basisplatte (21) in zueinander parallelen Ebenen
derart relativ zueinander verstellt, daß die Spritzdüse (22)
aufeinanderfolgend relativ zu der Basisplatte (21) Positionen
einnimmt, die den Koordinaten (X, Y) der der jeweiligen Modell
schicht entsprechenden Volumenelemente des Körperteiles ent
sprechen, die Steuereinrichtung (17) die Spritzdüse (22) veran
laßt, in jeder der Positionen ein Volumenelement des Modell
werkstoffes abzugeben, und die Steuereinrichtung (17) den Ab
stand (Z) zwischen der Spritzdüse (22) und der Basisplatte (21)
zur Erzeugung aufeinanderfolgender Modellschichten entsprechend
der Schichtdicke vergrößert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Generatoreinrichtung (18) eine Ein
richtung (35) zum Härten des Modellwerkstoffes aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Spritzdüse (22) als Modellwerkstoff
einen mittels UV-Licht härtbaren Kunststoff abgibt und die Ein
richtung (35) zum Härten des Modellwerkstoffes durch eine UV-
Lichtquelle gebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtung (35) zum Härten
des Modellwerkstoffes mit der Spritzdüse (22) gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Generatoreinrichtung (18 a)
ein Bad (38) eines mittels Licht aushärtbaren polymeren Werk
stoffes, in dem eine höhenverstellbare Plattform (39) angeord
net ist, und eine über dem Spiegel (43) des Bades (38) in einer
zur Ebene des Spiegels (43) parallelen Ebene verstellbare
Lichtquelle (44) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (17 a)
die Lichtquelle (44) zur Erzeugung jeweils einer Modellschicht
(54 a, 54 b) derart relativ zu der Plattform (39) verstellt, daß
diese aufeinanderfolgend relativ zu der Plattform (39) Posi
tionen einnimmt, die den Koordinaten (X, Y) der der jeweiligen
Modellschicht (54 a, 54 b) entsprechenden Volumenelemente des
Körperteiles entsprechen, und wobei die Steuereinrichtung (17 a)
die Plattform (39) zur Erzeugung aufeinanderfolgender Modell
schichten (54 a, 54 b) jeweils um einen der Dicke der zu erzeu
genden Modellschicht (54 a, 54 b) entsprechenden Betrag absenkt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3933142A DE3933142A1 (de) | 1988-10-17 | 1989-10-03 | Verfahren zur herstellung eines massstaeblichen dreidimensionalen modells eines koerperteiles sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE8800639 | 1988-10-17 | ||
DE3933142A DE3933142A1 (de) | 1988-10-17 | 1989-10-03 | Verfahren zur herstellung eines massstaeblichen dreidimensionalen modells eines koerperteiles sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3933142A1 true DE3933142A1 (de) | 1990-04-19 |
Family
ID=25885822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3933142A Withdrawn DE3933142A1 (de) | 1988-10-17 | 1989-10-03 | Verfahren zur herstellung eines massstaeblichen dreidimensionalen modells eines koerperteiles sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3933142A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19532569A1 (de) * | 1995-09-04 | 1997-03-06 | Thull Roger | Werkstoff für Implantate, Instrumente oder dergleichen zur Anwendung bei der Kernspintomographie |
WO2005007390A1 (en) * | 2003-07-14 | 2005-01-27 | Therics, Inc. | Three-dimensional printing apparatus and methods of manufacture including sterilization or disinfection, for example, using ultraviolet light |
DE10341187A1 (de) * | 2003-09-06 | 2005-03-31 | Bernhard Linnekogel | Verfahren zur Herstellung von individuellem Ersatz für Knochen, knorplige Elemente und daraus gefügte Elemente, insbesondere Gelenke, für Mensch und Tier sowie damit hergestelltes Gelenk |
-
1989
- 1989-10-03 DE DE3933142A patent/DE3933142A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19532569A1 (de) * | 1995-09-04 | 1997-03-06 | Thull Roger | Werkstoff für Implantate, Instrumente oder dergleichen zur Anwendung bei der Kernspintomographie |
WO2005007390A1 (en) * | 2003-07-14 | 2005-01-27 | Therics, Inc. | Three-dimensional printing apparatus and methods of manufacture including sterilization or disinfection, for example, using ultraviolet light |
US7445441B2 (en) | 2003-07-14 | 2008-11-04 | Therics, Llc | Three-dimensional printing apparatus and methods of manufacture including sterilization or disinfection, for example, using ultraviolet light |
DE10341187A1 (de) * | 2003-09-06 | 2005-03-31 | Bernhard Linnekogel | Verfahren zur Herstellung von individuellem Ersatz für Knochen, knorplige Elemente und daraus gefügte Elemente, insbesondere Gelenke, für Mensch und Tier sowie damit hergestelltes Gelenk |
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