weichteilanalyse und modellvermessung in der

WEICHTEILANALYSE UND MODELLVERMESSUNG IN DER KIEFEROTHOPÄDIE MIT
DIGITALER PHOTOGRAMMETRIE
Heinrich Schewe
Photogrammetry Consulting, Hausen
[email protected]
Falk Ifert
Kieferorthopädie, Schweina
[email protected]
1 EINFÜHRUNG, MOTIVATION
Die dreidimensionale Erfassung von Strukturen eröffnet neue Perspektiven für die medizinische Forschung und Praxis.
Die rasante Entwicklung der Informationsverarbeitungstechnik ermöglicht eine schnelle und immer genauere Bestimmung von räumlichen Messpunkten.
In der Kieferorthopädie ist seit der Entdeckung der Röntgenstrahlung und der Einführung der Schädelvermessung mit
nahezu parallelen Röntgenstrahlen das Fernröntgenseitenbild (s.Abbildung 1) und seine Auswertung wichtiger Bestandteil der diagnostischen Verfahren . Die Anfertigung von Lateral- und Frontalfotografien des Patienten stellt ein
weiteres gebräuchliches diagnostisches Verfahren in diesem medizinischen Fachgebiet dar. Beide Verfahren ermöglichen jedoch nur eine zweidimensionale Betrachtung der Schädel- bzw. Gesichtsstrukturen. Beim Anfertigen des Fernröntgenseitenbildes ist der zu Untersuchende außerdem einer Strahlenbelastung ausgesetzt. Die knöchernen Strukturen
des Schädelskeletts werden zudem in einer Summation dargestellt. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Fehlinterpretationen der Messwerte.
Mit der dreidimensionalen photogrammetrischen Vermessung des Gesichtsschädels unter Verwendung von fünf Standardaufnahmen steht dem Kieferorthopäden ein neues diagnostisches Hilfsmittel zur Verfügung, das mit einer Genauigkeit von 0.1 mm die berührungslose und strahlungsfreie Erfassung der Meßpunkte des Viscerocraniums ermöglicht.
Insbesondere die räumliche Erfassung von Weichteilpunkten ist somit erstmals möglich ohne dass ein erheblicher apparativer Aufwand betrieben werden muss oder eine nicht unerhebliche Strahlenbelastung für den Patienten entsteht.
Abbildung 1: Fernröntgenseitenbild
2 AUSRÜSTUNG
2.1 Kamera
Kameraauswahl. Eine Voraussetzung für den tagtäglichen Einsatz eines Systems ist, dass die Handhabung einfach ist
und keine Spezialhardware benötigt wird. Natürlich spielt auch der Preis eine nicht unerhebliche Rolle. Um möglichst
kurze Antwortzeiten zu erhalten wird eine Digitalkamera eingesetzt. So können die Bilder auch sofort überprüft und
gegebenenfalls wiederholt werden und die Messung kann sich ohne weitere Zwischenschritte direkt anschließen.
Hier wurden eine Fuji DS-300 (1280x1000 pixel) und eine Kodak DC260 (1536x1024 pixel) ausgewählt. Beide
Kameras verfügen über einen abschaltbaren Autofocus und Zoom-Objektive. Die Bilder werden auf SmartMediaKarten (Fuji) bzw. CompactFlash-Speicherkarten (Kodak) gespeichert. Diese Karten können mit entsprechenden PCCard-Adaptern ausgelesen werden , so dass auf die digitalen Bilder wie von einer virtuellen Festplatte zugegriffen
werden kann.
Abbildung 2: Kodak DC260
Abbildung 3: Fuji DS 300
Kamerakalibrierung. Normalerweise werden für photogrammetrische Kameras kalibrierte Objektive mit einem festen
oder fest einstellbaren Linsensystem eingesetzt. Deshalb war der erste Schritt, zu untersuchen, wie genau die Objektive
dieser gebräuchlichen Digitalkameras kalibriert werden können und vor allem, wie stabil sich diese Einstellungen reproduzieren lassen.
Um die Wiederholgenauigkeit der Kalibrierung zu prüfen, wurden 12 Bilder eines ebenen Punktfeldes (>1000 Punkte)
für eine Kalibrierung verwendet (s. Krzystek 1995). Die Brennweite wurde auf ein Ende des Zoom-Einstellbereiches
gestellt, um die Position reproduzierbar zu machen. Bei der Kodak-Kamera besteht die Möglichkeit durch ScriptProgrammierung auch andere Einstellungen automatisiert wieder herzustellen.
Die Kalibrierergebnisse unterschieden sich um ca. 0.02 mm in der Brennweite (25 mm) und 0.05 mm für den Bildhauptpunkt (-0.2 mm; +0.4 mm). Die Radialverzeichnungsparameter variierten um etwa 1 % ihres Wertes. Wenn man
den mechanischen Aufbau der Kameras in Betracht zieht, sind diese Ergebnisse erstaunlich gut.
2.2 Kodierte Punktmarken
Um die manuelle Messung von Passpunkten zu vermeiden, werden kodierte Punktmarken verwendet, die automatisch
gefunden, erkannt und gemessen werden. (s. 4.2).
2.3 Helm
Aus Gründen des Komforts wird der Kopf nicht in eine feste Apparatur eingespannt, sondern ein spezieller Helm, der
straff am Kopf befestigt werden kann, wird benutzt. Dies ermöglicht es dem Patienten, den Kopf zwischen den einzelnen Aufnahmen leicht zu bewegen. Dies ist viel angenehmer, als den Kopf währen der Aufnahmezeit oder während der
gesamten Messung fest einzuspannen, wie es bei anderen Systemen üblich ist.
Der Helm ist mit Punktmarken versehen, die vorab genau vermessen werden.
2.4 PictranMed
PictranMed ist eine Erweiterung des Pictran-Systems für digitale
Photogrammetrie (Technet Berlin/Stuttgart). Dabei werden die
besonderen Anforderungen und die Projektorganisation wie z.B.
verschiedene Patienten bzw. verschiedene Aufnahmezeitpunkten
bei einem Patienten) in einer kieferorthopädischen Praxis berücksichtigt. Eine photogrammetrische Vorverarbeitung (Bildauswahl und -import, innere Orientierung, automatische Passpunktmessung, Bündelausgleichung) wird durchgeführt. Jedem
Bild wird eine Kamera bzw. ein Kalibrierdatensatz zugeordnet.
Der Anwender muss lediglich die Punkte, die er dreidimensional
erfassen will in 2 oder mehr Bildern messen.
Die Nachverarbeitung der Daten besteht in einer Transformation
auf ein Koordinatensystem, das durch bestimmte Punkte am
Kopf des Patienten definiert ist. Dann können die Daten in verschieden Format exportiert werden bzw. unterschiedlichen
Analysen unterzogen werden.
3
Abbildung 4: Helm
ARBEITSABLAUF
Dieser Abschnitt beschreibt den normalen Arbeitsablauf bei einer typischen 3D-Punkterfassung mit PictranMed.
3.1
Vorbereitungen
Zuerst muss der Patient vorbereitet werden: die Weichteilpunkte, die später gemessen werden sollen müssen auf der
Haut mit einem Stift markiert werden. Viele dieser Punkte muss der Kieferorthopäde auf und unter der Haut ertasten,
um ihn an der richtigen Stelle markieren zu können. Bei dieser Aufgabe spielt das Fachwissen des Kieferorthopäden
eine wichtige Rolle. Die Punkte werden ausgewählt und am Kopf des Patienten markiert.
Der Helm muss straff am Kopf des Patienten befestigt werden, damit er sich nicht verschiebt, wenn der Patient den
Kopf bewegt. Dazu ist der Helm mit einem entsprechenden Riemensystem ausgestattet.
3.2
Fotografieren
Die Kameraeinstellungen (Entfernung, Zoom, Blende, ...) müssen auf die kalibrierten Werte gesetzt werden . Bei der
DC260 kann dies über ein Script erfolgen, das über ein Menü an der Kamera oder automatisch beim einschalten ausgeführt wird. Bei der DS-300 muss der Anwender diese Einstellungen jedes mal manuell vornehmen.
Fünf Bilder werden aus verschiedenen Richtungen aufgenommen (links, 45° links, vorn, 45° rechts, rechts). Die Kamera wird im Hochformat benutzt, um das Bildformat besser zu nutzen. Diese Anordnung wird als Kompromiss zwischen
guter Bildüberlappung und geringer Bildanzahl verwendet und könnte auch verändert werden.
3.3
Orientierung
Die Orientierung wird bei der Vorverarbeitung vollautomatisch durchgeführt (s. 2.4). Die Bilder werden für die Benutzung in PictranMed vorbereitet (s. 4.1), die Passpunkte werden automatisch gemessen (s. 4.2) und die Bündelausgleichung wird gerechnet. Das Ergebnis wird geprüft und wenn die Ausgleichung in Ordnung ist, werden die Orientierungen auf die entsprechenden Bilder übertragen. Wenn ein Problem aufgetreten ist, wird der Anwender entsprechend
informiert. Da die Anwender eines solchen Systems in der Regel keine oder nur geringe photogrammetrische Kenntnisse haben, und sich daher mit den Details der Bündelausgleichung nicht auseinander setzen können oder wollen, muss
darauf geachtet werden, Ratschläge zu geben, wie das Problem behoben werden könnte. Im Zweifelsfall müssen die
Aufnahmen wiederholt werden.
Abbildung 5: 5 Standardaufnahmen während der Vorverarbeitung
3.4
Digitalisierung
Die Hauptaufgabe für den Anwender ist das Messen zugeordneter Weichteilpunkte (auf der Haut markiert oder auch
nicht markiert) in zwei oder mehr Bildern. Dies geschieht monoskopisch und wird durch die Einblendung von Epipolarlinien und optional durch die halbautomatische Punktübertragung durch Bildzuordnung (s. 4.3). Sobald ein Punkt in
mindestens zwei Bildern gemessen wurde, werden die 3D-Koordinaten und eine Genauigkeit für den Strahlenschnitt
(Parallaxe zwischen den Bildern) angezeigt.
Der Anwender kann die Standardpunkte oder auch frei wählbare andere Punkte digitalisieren, vorausgesetzt es ist ausreichend Textur vorhanden, um die selben Punkte in verschiedenen Bildern zu identifizieren. Es ist auch möglich, Objekte (Verbindungen zwischen den Punkten) zu digitalisieren oder Punkte in einer bestimmten Objektebene zu messen
(s. Abbildung 7).
Abbildung 6: Digitalisierung von 3D-Punkten mit PictranMed
Abbildung 7: Digitalisieren eines Objektes in einer Vertikalebene
3.5
Ergebnisse
Die Koordinaten der Punkte können in verschieden Dateiformate exportiert werden. Beim Export werden die Punkte in
ein Standard-Koordinatensystem transformiert, das durch vier bestimmte Punkte bei den Ohren und unterhalb der Augen (“Orbitale”, “Porion”) festgelegt wird. So können die 3D-Daten mit Normwerten verglichen werden und Unterschiede zwischen verschiedenen „Epochen“ festgestellt werden, um die kieferorthopädische Behandlung zu überwachen
und zu dokumentieren.
4
AUTOMATISIERUNG
Die Anwendung eines Photogrammetriesystems durch Nichtspezialisten erfordert es, dass ein möglichst großer Teil der
photogrammetrischen Arbeiten automatisch und möglichst auch vor dem Anwender versteckt abläuft, so dass er sich
auf seine wesentliche Arbeit und sein Fachwissen konzentrieren kann.
4.1
Bildvorbereitung (Aufnahme, Import, Innere Orientierung)
Die Bilder werden auf den Speicherkarten im allgemeinen als JPEG-Dateien gespeichert, auf die zugegriffen werden
kann als wären sie auf einer Festplatte. Sie müssen für die automatische Bildverarbeitung zu Grauwertbildern konvertiert und in ein geeignetes Bildformat umgewandelt werden. Die innere Orientierung ist konstant für alle Bilder der
selben Kamera und wird durch eine Affintransformation zwischen dem Pixel-Koordinatensystem und dem metrischen
Kamera-Koordinatensystem beschrieben. Diese Dinge werden für alle Bilder automatisch in einem Vorverarbeitungsschritt durchgeführt, in dem der Anwender einige Parameter eingeben bzw. verändern kann (z.B. Auswahl der Kamerabzw. Kalibrierparameter oder Rotation der Bilder für ein aufrechtes Porträt, usw.).
4.2
Automatische Punkterkennung, -identifikation and -messung
Die Automatisierung des Messprozesses ist ebenfalls sehr wichtig. Die Punktzuordung spielt eine
große Rolle bei der Bildorientierung und der 3DMessung. In diesem Fall kommt die kodierte
Punktmarke CIRCO (Inpho, Stuttgart) zur automatisierten Punkterkennung, Punktidentifikation
und Messung von Bildkoordinaten zum Einsatz.
(s. Ahn, Schultes, 1997).
Die Punktmarke besteht aus einem Zentralkreis,
der die Punktposition als solche repräsentiert und
Abbildung 8: Kodierte Punktmarken
Kodierungspunkten, die den Zentralkreis umgeben (s. Abbildung 8) und eine robuste Identifikation der Punktmarke gewährleisten. Die Kodierung wird auf Vollständigkeit, Reihenfolge und Geometrie der Kodierungspunkte geprüft.
Einige wesentliche Anforderungen an kodierte Marken werden durch dieses Design erfüllt:
• Unabhängigkeit von Position, Rotation und Maßstab
• Robustheit gegenüber Fehl-Dekodierungen
• Genaue Mittelpunktsbestimmung
• Erkennung und Positionierung im Bild ohne Näherungswerte
• Kurze Rechenzeit
• Kleine Größe der Marke
• Ausreichend große Zahl verschiedener Marken
• Geringe Herstellungskosten
Die Bildverarbeitungsmethode, die hier zum Einsatz kommt ist eine effiziente rekursive Anwendung von Grauwert und
Binärbildverarbeitung, die die besonderen Eigenschaften der Kodierung berücksichtigt. (s. Ahn, 1997).
Die Punktmarken werden in allen Bildern automatisch erkannt, identifiziert und gemessen und die gemessenen PixelKoordinaten werden ins Bildkoordinatensystem transformiert und für die Bündelausgleichung zur Verfügung gestellt.
Dieser Prozess ist vollautomatisch und als Ergebnis stehen fertig orientierte Bilder zur Verfügung, in denen der Anwender 3D-Punkte digitalisieren kann.
4.3
Halbautomatische Punktübertragung
Die Punktübertragung von einem Bild in ein zweites wird durch Kleinste-Quadrate-Zuordnung (LSM) unterstützt. Der
Anwender kann einen Bildausschnitt aus einem Bild speichern, der als Muster für das Least-Squares-TemplateMatching in anderen Bildern verwendet wird. Die ungefähre Position des zugeordneten Punktes wird durch Anklicken
an der entsprechenden Stelle zur Verfügung gestellt. Auch künstliche Muster können verwendet werden, z.B. um kreisförmig markierte Punkte zu messen.
Dies führt, verglichen mit manueller Messung, zu einer verbesserten Genauigkeit der Bildkoordinaten.
5
TRANSFORMATION VON GIPSMODELLMESSUNGEN INS SCHÄDELSYSTEM
Es wurde untersucht, mit welcher Genauigkeit Daten von einer Modellvermessung in das Schädel-Koordinatensystem
übertragen werden können. Dazu wurden Bildblöcke von den Gipsmodellen von Unter- und Oberkiefer, die einen spe-
Figure 0: Plaster cast,
plaster casts with transformation bar,
transformation bar used by patient
ziellen „Transformationslöffel“ einklemmen sowie getrennt aufgenommen. Außerdem ein Bildblock, bei dem der Patient den Transformationslöffel im Mund einklemmt; während dieser Aufnahmen war der Löffel mit einer entsprechen-
den Modelliermasse ausgestattet, so dass die Position des Löffels relativ zum Gebiss wieder hergestellt werden kann.
Die Modellhalter und der Transformationslöffel sind mit einer Anzahl von Punktmarken bestückt, so dass auch hier eine
automatische Messung erfolgen kann. Um eine bessere und stabilere Geometrie der einzelnen Teilblöcke zu erzielen,
wurden die Modelle vor einem Hintergrund mit zusätzlichen markierten Punkten aufgenommen.
Da die Modelle sehr viel kleiner als der Kopf mit Helm sind, wurde hier mit einer geringeren Objektdistanz und daher
einem anderen Bildmaßstab aufgenommen. Die Fokussierung musste anders eingestellt werden und daher eine zusätzliche Kalibrierung durchgeführt werden.
Die Teilblöcke (Patient mit Transformationslöffel, Modelle mit Transformationslöffel, Oberkiefermodell, Unterkiefermodell) wurden in einem ersten Schritt getrennt ausgeglichen. Eine gemeinsame Ausgleichung mit den Helmpunkten
als Passpunkte mit einer Genauigkeit von 0.1 mm führt zu einer Genauigkeit der transformierten Kieferpunkte von
0.2 mm.
Für den Praxis-Einsatz scheint diese Vorgehensweise durch die vielen Aufnahmen und die komplexe Auswertung jedoch ungeeignet.
6
ZUSAMMENFASSUNG
PictranMed ist ein Prototypsystem, das zeigt, dass sich Photogrammetrie für diese Anwendung in der Kieferorthopädie
eignet. Die Diagnose und Dokumentation des Fortschrittes einer Behandlung kann ohne Röntgen durchgeführt werden.
Das Basissystem zur Vermessung der Topographie des menschlichen Gesichts soll als Standardausrüstung bei Schulreihenuntersuchungen verwendet werden, um möglichst frühzeitig notwendige Behandlungsmaßnahmen zu erkennen.
Die Übertragung von Punkten, die auf Kiefermodellen gemessen werden, ins Schädelsystem ist möglich, aber die Anzahl der Bilder, die Zusatzausrüstung und der Mehraufwand lassen dies als zu aufwendig erscheinen.
Marktübliche Digitalkameras sind für diesen Bereich der Vermessung in der Kieferorthopädie völlig ausreichend, die
erzielten Genauigkeiten liegen besser als die Punktdefinition möglich ist.
REFERENCES
Krzystek, P., F. Petran, and H. Schewe: “Automatic Reconstruction of Concept Models by using a Digital Photogrammetric Measurement System”. IAPRS, Vol. 30, Part 5W1, pp. 176-185, ISPRS Intercommision Workshop, Zurich
(1995).
Ahn, S.J. and M. Schultes: “A new Circular Coded Target for the Automation of Photogrammetric 3D-Surface Measurements”. 4th Conference on Optical 3-D Measurement Techniques, ETH Zurich, Sep. 29.-Oct. 2. 1997, Switzerland.
Ahn, S.J.: “Kreisförmige Zielmarke (Circular Target)”. Proceedings 4. ABW workshop, Jan. 22.-23. 1997, Technische
Akademie Esslingen, Germany.