Актуальность проблемы.
В настоящее время оптические профилометры активно используются для бесконтактных измерений формы поверхности трехмерных (3D) объектов в различных областях науки, промышленности и искусства. Профилометры в машиностроении служат для контроля формы и размеров деталей, детектирования дефектов на поверхности изделий. В различных областях промышленного дизайна и искусства профилометры применяются для быстрого прототипирования, детального сканирования и создания точных копий изделий, предметов или отдельных их частей. Профилометры в областях археологии и искусства используются для каталогизации предметов искусства путем создания виртуальных коллекций. Для решения этих задач используются как стационарные измерительные системы, так и малогабаритные ручные оптические профилометры, преимуществом которых является мобильность и возможность проводить измерения труднодоступных.
К ' г поверхностей.
Оптические профилометры также находят широкое применение для измерения формы поверхности биологических объектов. Данная задача актуальна в системах идентификации личности, системах контроля доступа, системах паспортно-визового контроля при создании документов, удостоверяющих личность, с использованием биометрических данных. Важной областью применения оптических профилометров является медицина. В челюстно-лицевой и пластической хирургии цифровые 3D модели участков тела необходимы для компьютерного моделирования имплантов и предоперационного планирования. В стоматологических CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing) системах цифровые 3D модели зубов используются в ортопедической стоматологии для автоматизированного изготовления зубных реставраций (коронок, мостовидных протезов, вкладок, виниров и т. п.) и в ортодонтии для автоматизированного изготовления пластин, корректирующих положение зубов.
В биометрии объектом измерения является живой человек и это накладывает ряд требований на биотехнические системы, в том числе и на профилометры. Общей особенностью биометрических измерений является нестационарность объекта, поэтому профилометр должен проводить измерения за короткое время, чтобы исключить влияние перемещений объекта на процесс измерения. Также, независимо от размеров объекта измерения, как правило, сам оптический профилометр должен иметь небольшие габаритные размеры и в некоторых случаях быть переносным, чтобы обеспечивать доступ к труднодоступным частям объекта измерений.
Применение оптических профилометров в стоматологии имеет ряд дополнительных особенностей:
Доступ к объекту измерений ограничен размерами ротовой полости пациента.
Измерения должны проводиться за короткое время. В данном случае необходимо учитывать не только нестационарность объекта измерения, но и то, что профилометр находится в руке врача-(оператора), и требуется также исключить влияние дрожания руки на процесс измерения.
Особое внимание уделяется точности измерения формы поверхности зуба, т.к. эти данные используются для изготовления зубных реставраций.
Эти особенности накладывают серьезные требования на метод измерения и конструкцию интраоральных оптических профилометров, предназначенных для стоматологических CAD/CAM систем. Кроме соответствия техническим требованиям интраоральный профилометр должен удовлетворять медицинским и санитарным требованиям по безопасности работы, обладать высокими эргономическими характеристиками и небольшой стоимостью.
Современные оптические профилометры для стоматологии реализуют триангуляционную схему измерения 3D формы поверхности объекта по поперечному смещению положения точки или линии.
Существует два типа интраоральных оптических профилометров:
• Без сканирования, освещающих объект измерения структурированным светом — системой черно-белых параллельных полос. Данный тип оптического профилометра используются в CAD/CAM системе CEREC (Sirona Dental Systems GmbH, Германия). На стадии разработки находится оптический профилометр directScan фирмы Hint-Els GmbH (Германия).
• Сканеры, проецирующие на объект светящуюся точку. Данный тип оптического профилометра используется в CAD/CAM системах E4D Dentist (D4D Technologies, США) и iTero (Cadent Ltd., Израиль).
В интраоральном профилометре системы CEREC [1−3] для освещения объекта измерения (зуба) используется структурированный свет в виде системы параллельных черно-белых полос. Для реконструкции формы поверхности объекта применяется многокадровый метод фазовых шагов [4], который требует регистрации как минимум трех изображений объекта с проецированными и сдвинутыми друг относительно друга. Сдвиг полос в профилометре осуществляется за счет смещений решетки-транспаранта с помощью пьезопривода. Значительное время (более 100 мс) регистрации изображений объекта часто приводит к их искажению из-за дрожания руки оператора и смещений пациента. Полутоновое изображение получается при подсветке зуба через этот же транспарант, но при его быстром возвратно-поступательно движении. Специфика алгоритма реконструкции формы поверхности объекта и последующего моделирования зубной реставрации выдвигает жесткие требования к препарированию и подготовке поверхности зуба к измерению. Необходимо, чтобы препарированный зуб имел строго вертикальные стенки и острые края препарированной области.
Интраоральный профилометр системы E4D Dentist [5,6] относится к сканирующему типу, и в нем реализован метод поточечной триангуляции [7,8] с помощью тонкого лазерного луча. Для прохода луча по всей области измерения отпрепарированного зуба используется двухкоординатный зеркальный сканер, выполненный по технологии MEMS (Microelectromechanical systems — Микроэлектромеханические системы). Недостатками профилометра являются значительное время сканирования и большой размер светящейся точки на объекте, что ведет к уменьшению поперечного пространственного разрешения. Надо отметить положительную особенность этого профилометра, он позволяет проводить измерения формы поверхности отпрепарированного зуба без предварительного напыления диффузно-отражающего покрытия — специального мелкодисперсного порошка, однако рассеяние света в поверхностном слое зуба может, приводить к уменьшению продольного пространственного разрешения.
В профилометре iTero [9−15] реализован метод конфокальной микроскопии с вращающимся диском Нипкова (Nipkow)[17,18]. Недостатками данного профилометра являются значительное время измерения формы поверхности объекта и большие габаритные размеры.
В разрабатываемом профилометре directScan [16] реализован метод фазовой корреляции в комбинации со стереофотограммометрией и методом проекции полос. Оптическая схема камеры содержит один проецирующий и два регистрирующих стереоканала. Формирование и сдвиг полос в проецирующем канале выполняются с помощью цифрового пространственно-временного модулятора света типа LCOS (Liquid Crystal on Silicon — жидкий кристалл на кремнии), освещаемого излучением синего светодиода. По регистрирующим стереоканалам строятся изображения зуба под двумя разными ракурсами на две половинки одной ПЗС-матрицы. Всего регистрируется 8 изображений за большое время около 240 мс. Недостатком профилометра directScan также являются большие габаритные размеры.
Наличие всего одного ракурса освещения зуба структурированным светом в перечисленных выше интраоральных профилометрах ведет к проблемам при измерении сложных поверхностей из-за возникающих затененных участков на объекте. Эти профилометры являются дорогостоящими и сложными оптико-механическими приборами, чувствительными к вибрациям и ударам.
Малоизученным является вопрос калибровки интраоральных профилометров и исследования их метрологических характеристик. Так как профилометры являются коммерческим продуктом, то в литературе нет данных о методах и средствах калибровки профилометров, теоретических и экспериментальных исследованиях их метрологических характеристик.
Таким образом, необходимость решения описанных проблем является актуальной задачей.
Цель и основные задачи диссертации.
Цель настоящей работы: разработка многоракурсной оптико-электронной системы для измерения формы поверхности нестационарных объектов в биометрии и создание на ее базе мобильного интраорального профилометра, а также разработка методики калибровки и исследование метрологических характеристик системы.
Цель определила основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:
1. Выбор оптимальной оптической схемы для измерения формы поверхности биологических объектов и создания малогабаритного оптического профилометра на основе анализа оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения.
2. Анализ особенностей оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках с последующим выводом формул для обратного преобразования координат деформированной поверхности объекта.
3. Разработка методики калибровки для оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках.
4. Разработка многоракурсной оптической схемы, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта.
5. Разработка метода измерения формы поверхности объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности, а также определения теневых участков.
6. Разработка функциональной схемы, принципиальной оптической схемы и конструкции стоматологического интраорального профилометра и профилометра для биометрических измерений лица и других частей тела человека.
7. Оценка точности измерения формы поверхности объекта с помощью стоматологического интраорального оптического профилометра.
Научная новизна работы.
1. На основе анализа оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения доказано, что при использовании только двух оптических схем есть возможность измерять форму поверхности объекта без масштабных искажений.
2. Разработана многоракурсная оптическая схема, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта по его изображениям с проецированными полосами, полученными с разных ракурсов, что позволяет достичь более высокого пространственного разрешения измеренной поверхности по всем направлениям и уменьшить области затенения на объекте.
3. Разработан метод, при помощи которого можно однозначно реконструировать форму объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и определять теневые участки благодаря использованию проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки, при которой на объекте максимальной высоты сдвиг полос не превышает половины их периода.
Практическая ценность и использование результатов работы.
Предложенные в диссертации решения реализованы в интраоральном оптическом профилометре, входящем в состав первой отечественной CAD/CAM системы для компьютерной реставрационной стоматологии, а также в оптическом профилометре для биометрических измерений лица и других частей тела человека. Стоматологическая CAD/CAM система прошла технические и медицинские испытания. Ведется ее апробация на базе Московского государственного медико-стоматологического университета. Также по международным контрактам с фирмами Zhermack S.p.A. (Италия) и Hint-Els GmbH (Германия) были изготовлены опытные партии стоматологических интраоральных оптических профилометров в количестве 20 штук.
Апробация работы, публикации.
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:
— Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники», 2002 г.
— Научной сессии МИФИ-2003 г.
— 14-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2004 г.
— Научной сессии МИФИ-2004 г.
— 15-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2005 г.
— Международной конференции «The Second IASTED International Multi-Conference Signal and Image Processing», 2005 г.
— 16-ой научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2007 г.
— 18-ой научно-техиической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 2009 г.
— Международной конференции «Russian Bavarian Conference on BioMedical Engineering RBC-2010», 2010 r.
— Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011 г.
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 1 патент, 4 статьи в журналах «Оптика и спектроскопия», «Оптический журнал», «Измерительная техника» и 13 тезисов докладов на отечественных и международных научно-технических конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.
5.5 Выводы к главе 5.
Описан состав, принцип и порядок работы CAD/CAM системы, предназначенной для компьютерной реставрационной стоматологии, и в состав которой входит разработанный интраоральный оптический профилометр.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:
1. Получены аналитические зависимости высоты объекта от сдвига спроецированной полосы для различных оптических схем освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения, на основе которых: показано, что реконструкция формы поверхности объекта без масштабных искажений возможна в конусных пучках, если их вершины находятся на одинаковом расстоянии от базовой плоскости, на которой расположен объектвыбрана оптимальная оптическая схема освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках для измерения формы поверхности биологических (динамических) объектов и создания на ее базе малогабаритного оптического профилометра.
2. Разработана методика калибровки оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках, которая позволяет получить массив калибровочных коэффициентов для обратного преобразования координат точек поверхности реконструированного объекта и устранения геометрические искажения формы поверхности объекта.
3. На основе полученного аналитического выражения, связывающего геометрические параметры оптической схемы, разработана многоракурсная оптическая схема, на основе которой реализуется метод фурье-синтеза для измерения формы поверхности объекта по его многоракурсным изображениям с проецированными полосами, что позволяет: достичь более высокого пространственного разрешения измеренной поверхности объектауменьшить области затенения на объекте.
4. Разработан двухдлиноволновый программно-аппаратный метод с использованием в измерительной системе проецирующих оптических каналов с такой ориентацией полос решетки-транспаранта, при которой их сдвиг на максимальной высоте объекта не превышает половины периода полос, что позволяет однозначно реконструировать форму объекта с разрывами и большими градиентами профиля поверхности и определять теневые участки.
5. Проведен теоретический анализ и оценка погрешности измерения формы поверхности объекта, на основе которых: были выбраны геометрические параметры оптической схемы, позволяющие создать малогабаритный четырехракурсный оптический профилометр с точностью измерения формы поверхности объекта не хуже 40 мкмсформулированы требования к точности изготовления механических деталей и юстировке оптических каналов малогабаритного четырехракурсного оптического профилометра.
6. Разработан стоматологический интраоральный оптический профилометр для измерения формы поверхности зуба внутри ротовой полости пациента, в основе которого лежит четырехракурсная оптическая схема проекции полос и регистрации изображения объекта в конусных пучках, и реализован метод фурье-синтеза в совокупности с двухдлиноволновым методом разворачивания реконструированной фазы:
Разработана функциональная схема измерительной системы для оптического профилометра.
Сформирована временная диаграмма работы электронного блока управления измерительной системой, в соответствие с которой время регистрации измерительных данных для интраорального оптического профилометра составляет 40 мс.
Разработана принципиальная оптическая схема интраорального оптического профилометра.
Произведен расчет оптической схемы (габаритный, аберрационный, энергетический) интраорального оптического профилометра для трех рабочих длин волн 455, 525 и 860 нм.
Разработана конструкция интраорального оптического профилометра. Угол между оптическими осями проецирующих и регистрирующего каналов профилометра составляет 5 градусов.
7. Проведена оценка точности измерения формы поверхности объекта с помощью стоматологического интраорального оптического профилометра:
Разработаны тестовые объекты для экспериментальных исследований метрологических характеристик.
Экспериментально показано соответствие точности измерения формы поверхности объекта требуемым характеристикам.
8. Произведен расчет оптической схемы и разработана конструкция трехракурсного оптического профилометра для измерения формы поверхности динамических объектов, в том числе биометрических измерений лица и других частей тела человека.
9. Проведены технические и медицинские испытания первой отечественной стоматологической CAD/CAM системы, в состав которой входит разработанный интраоральный оптический профилометр. Ведется апробация стоматологической CAD/CAM системы на базе Московского государственного медико-стоматологического университета.
10. Изготовлены опытные партии стоматологических интраоральных оптических профилометров в количестве 20 штук по международным контрактам с фирмами Zhermack S.p.A. (Италия) и Hint-Els GmbH (Германия).
Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача разработки многоракурсной оптико-электронной системы для измерения формы поверхности нестационарных объектов в биометрии и создания на ее базе стоматологического интраорального оптического профилометра, что имеет существенное значение для оптической профилометрии, биометрии и стоматологии.
