HybridScan 2.0

Forschungsziel

 Computertomographie (CT)

Bei der Computertomographie werden von einem Objekt Röntgenbilder (s. Abb. 2, links) unter allen Winkeln aufgenommen. Um dies zu erreichen wird das Objekt um 360° gedreht. Die aufgenommenen Röntgenbilder werden in einem Rechenschritt, der Rekonstruktion, zu einem dreidimensionalen Abbild des Objekts verrechnet. Das berechnete Abbild besteht aus Voxeln (Volumen-Pixeln) deren Grauwerte proportional zum Schwächungskoeffizienten des im Voxel enthaltenen Materials sind (s. Abb. 2, Mitte). Die Materialzusammensetzung des Objekts lässt sich somit qualitativ unterscheiden. Weiterhin ist das rekonstruierte Objekt dimensionsbehaftet und kann messtechnisch ausgewertet werden (z.B. in Form eines Soll-Ist-Vergleichs mit CAD-Daten [s. Abb. 4], Wandstärkenmessung, Porenanalyse, o.ä.).

Abbildung 2: CT-Prozessschritte: Links: Röntgenbild,  Mitte: rekonstruiertes Schnittbild, Rechts: vernetzte Objektoberfläche

Photogrammetrie

Werden von einem Objekt bzw. dessen Oberfläche Fotos aus mehreren Winkeln aufgenommen, so kann die Objektoberfläche photogrammetrisch berechnet werden. Dabei werden zunächst die Positionen der Kamera(s) und des Objekts berechnet und im weiteren Verlauf jedem Pixel auf jedem Foto eine Tiefeninformation zugewiesen.  Aus diesen Informationen wird eine Punktwolke berechnet, welche die Objektoberfläche abbildet. Die Punktewolke wird schließlich vernetzt. Die triangulierte Oberfläche kann im Weiteren messtechnisch ausgewertet werden.

Ausführliche Produkt- und Verfahrensbeschreibung, Darstellung der Entwicklungsziele

Ziel ist die Entwicklung eines neuen optischen Scansystems auf Basis der Photogrammetrie, welches in einem bereits bestehenden industriellen CT (SHR SHAKE CT 130) integriert werden soll, um somit die Scanzeit, Scangeschwindigkeit und Scangenauigkeit von Objekten mit komplexer Geometrie deutlich zu erhöhen. CT und optischer Scanner zusammen werden als HybridScan2.0 bezeichnet.

Der optische Aufbau in HybridScan2.0 besteht aus einem Kamera-Array mit 26 Kameras, welche auf einer Kugelschale angeordnet sind (s. Abb. 3). Das Kamera-Array befindet sich außerhalb des Röntgenkegelstrahls und führt daher zu keiner gegenseitigen Beeinflussung. Die Kameras decken in Umfangsrichtung einen Winkel von 120° ab. Durch Nutzung der im CT integrierten Drehachse kann das Objekt gedreht und somit aus allen Winkeln photographisch erfasst werden. Das Objekt kann zusammen mit einem Messnormal gescannt werden, um eine dimensionsbehaftete Objektoberfläche zu erhalten. Ein integriertes LED-Array sichert die optimale Ausleuchtung des Objekts. Die Ansteuerung erfolgt mit einer eigens entwickelten Software, welche den Scanprozess automatisiert durchführt. Im Anschluss an die Aufnahme werden die Bilder automatisch photogrammetrisch rekonstruiert. Das Ergebnis ist die farbige, triangulierte Objektoberfläche, welche als .stl, .ply oder .obj exportiert und somit messtechnisch weiterverarbeitet werden kann. Ein CT wird nur durchgeführt, wenn Objekte optisch nicht optimal erfasst werden können (z.B. bei vorhandenen Hinterschneidungen) oder die Materialzusammensetzung von Interesse ist.

Abbildung 3: Links: CT Scanner SHR SHAKE CT 130. Rechts: Innenraum des CT-Scanners mit Kamera-Array für photogrammetrische Messungen sowie Röntgenquelle

Der neue HybridScan2.0 soll zukünftig sowohl im industriellen als auch im medizinischen Bereich (z.B. beim Scannen von Menschen zur Herstellung von Prothesen/Orthesen oder im Dentalbereich zur QS) eingesetzt werden.

Das System von Hugo Rost bietet durch die einzigartige Kombination von optischer Erfassung und CT die Möglichkeit an, bspw. hergestellte Prothesen/Orthesen zu vermessen und mit dem ursprünglichen 3D-Modell zu vergleichen. Es kann auch eine Materialstrukturprüfung durchgeführt werden, was angesichts des rasant ansteigenden Anteils additiv gefertigter Produkte (Stichwort 3D-Druck) zukünftig enorm wichtig sein wird.

Durch die sich eröffnende Möglichkeit bspw. hergestellte Orthesen nach der Endanpassung an den Patienten noch einmal zu scannen und mit dem Ursprungsmodell zu vergleichen, kann die Produktion deutlich optimiert werden. Anhand maschineller Lernverfahren kann der Konstruktionsprozess stetig optimiert werden, so dass eine händische Anpassung der Orthesen an den Patienten im Optimalfall zukünftig nicht mehr notwendig ist. Angesichts des immer weiter ansteigenden Mangels an qualifizierten Orthopädietechnikern, kann dadurch eine Verbesserung der Patientenversorgung ermöglicht werden.

Abbildung 4: Möglichkeit der Qualitätssicherung: Soll-Ist-Vergleich zwischen optischem Scan (links) und CAD-Modell (Mitte) sowie CT (rechts) und CAD-Modell (Mitte)

Zusammenfassung

HybridScan2.0 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Synergie durch Kombination zweier Messverfahren (CT, Photogrammetrie) in einem Gerät
• Erhöhte Scangeschwindigkeit und Farbinformation durch optischen Scan
• Erfassung von optisch schwer zugänglichen Stellen (Hinterschneidungen, Lunker, etc.) sowie der Materialzusammensetzung durch CT
• Flexible Ansteuerungssoftware, welche die Anpassung des Scansystems an unterschiedliche Aufgaben und die Integration in Fremdsystemen (bspw. Produktionsanlagen) ermöglicht
• Messtechnische Auswertung (u.a. Soll-Ist-Vergleich [s. Abb. 4]) auch bei Produkten mit komplexer Geometrie und aus unterschiedlichen Materialien