3D-Scannen mit ATOS Q im medizinischen Bereich

In der Medizintechnik wird die 3D-Messtechnik bereits eingesetzt. Sei es zur Herstellung passgenauer Prothesen oder auch Modelle zur Veranschaulichung körperlicher Gegebenheiten. Ziel ist die Generierung von Daten, die dann für Bildungszwecke genutzt werden können, z.B. in Form von Augmented Reality.
Die folgende Anwendung zeigt die vollständige Digitalisierung eines Rumpfmodells und seiner abnehmbaren Organe. Alle Daten werden mit dem ATOS Q in einem Koordinatensystem erfasst.

Zunächst werden einige Referenzpunkte am Rumpf angebracht. Anschließend werden mithilfe der Photogrammetriekamera und der Software die Koordinaten der Punkte mit hoher Genauigkeit gemessen. Im nächsten Schritt werden die Organe in Position gebracht. An jedem hinzugefügten Teil werden drei Referenzpunkte angebracht.
Nun wird eine zweite Bildserie aufgenommen. Aus diesen Bildern werden die sichtbaren Referenzpunktkoordinaten gemessen. Anhand der in beiden Messungen definierten Punkte am Rumpf wird die zweite Punktmenge in das ,durch die erste Messung definierte, Koordinatensystem transformiert.
Abb. 1: Modell eines Rumpfes ohne Organe
Abb. 2: Modell eines Rumpfes mit Organen
Anschließend werden die Organe entnommen und jedes Teil einzeln mit dem ATOS Q digitalisiert. Sind die Teile im Vergleich zum gewählten Messbereich des ATOS-Digitalisierungssystems klein, sind keine zusätzlichen Referenzpunkte am Teil erforderlich. Das Teil ist auf einem schwarzen Steckbrett montiert. Auf der Platine werden um das Teil herum zusätzliche Referenzpunkte platziert.
Anschließend wird die Baugruppe aus verschiedenen Ansichten digitalisiert, wobei die Referenzpunkte auf dem Steckbrett verwendet werden, um die verschiedenen Ansichten in einem Koordinatensystem zusammenzuführen. Die drei vordefinierten Referenzpunkte dienen der Zusammenführung der Daten in das globale Koordinatensystem. Bei Bedarf wird das Teil gedreht, um eine vollständige Abdeckung des Teils zu ermöglichen.
Abb. 3: Digitalisierte Lunge (flach schattiert)
Der Rumpf selbst wird mit dem, auf einem Stativ montierten, ATOS Q digitalisiert und schrittweise um das Teil bewegt, um alle benötigten Bereiche abzudecken. Die Transformation der einzelnen Punktwolken erfolgt automatisch anhand der angelegten Referenzpunkte. Mit dieser Methode werden große Objekte Schritt für Schritt mit hoher Genauigkeit digitalisiert. Der Fortschritt des Scanvorgangs wird auf dem Bildschirm visualisiert, sodass der gesamte Scanvorgang einfach und unkompliziert ist.
Mit der Software GOM Inspect können die Messdaten vorverarbeitet und in verschiedenen Formaten ausgegeben werden, um den Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden. Es können Punktewolken hoher Dichte, Abschnitte sowie ausgedünnte STL-Daten generiert werden. Normalerweise werden STL-Daten verwendet, um ein RP-Modell erstellen zu lassen oder die Daten zu fräsen.
Abb. 4: Digitalisierter Rumpf (flach schattiert)
Abb. 5: Digitalisierter Rumpf mit Organen (flach schattiert)
Da wir für die Digitalisierung S/W-CCD-Kameras verwenden, ist die Farbe in (5) künstlich und dient der visuellen Unterscheidung jedes einzelnen Teils. Um die tatsächliche Farbe im digitalisierten Objekt sichtbar machen zu können, wird das Objekt in einen Raum mit guten Lichtverhältnissen gebracht und eine digitale Farbkamera für die Photogrammetrie-Messung verwendet. Anschließend wird wie gewohnt die ATOS-Messung durchgeführt und abschließend die bei der Photogrammetrie-Messung gewonnenen Farbinformationen auf die digitalisierten Daten projiziert. Mit dieser Methode verbessert sich auch die Farbqualität da die digitalisierten Daten dem Realteil entsprechen.
Abb. 6: Digitalisierter Rumpf mit Originalfarbe (flach schattiert)
Abb. 7: Detailansicht der Lunge (farbiges Polygonnetz)
Die Farbinformationen verdeutlichen Details des Lungenmodells Dank der verwendeten Technologie entstehen hochwertige „Farbpolygonnetze“, da sowohl Form als auch Farbe unter optimalen Bedingungen erfasst werden.
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