DE3437483A1

DE3437483A1 - Anordnung und verfahren zur fertigung von dreidimensionalen modellen

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Publication number: DE3437483A1
Application number: DE19843437483
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. 3057 Neustadt Reumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-04-17

Description

•.

Anordnung und Verfahren zur Fertigung von dreidimensionalen Modellen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fertigung νon dreidimensionalen körperlichen Modellen eines Organes (oder eines Teiles davon) des menschlichen Körpers, insbesondere zur Fertigung von Knochen-Modellen. Außerdem befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Fertigung von Knochen-Modellen.

Auf dem medizinischen Gebiet besteht ein erhebliches Bedürfnis an der Fertigung von Modellen menschlicher Organe, um insbesondere an einem Knochen-Modell eine Operationsplanung durchführen zu können, bevor der Chirurg die eigentlichen Operation beim Patienten selbst vornimmt.

Beim jetzigen Stand der Technik hat man sich darauf beschränkt, von dem zu operierenden Knochen (etwa bei einer Oberschenkelfraktur) Röntgenaufnahmen anzufertigen, ufli den Bruch abzubilden und anhand der Röntgenaufnahme die Diagnose zu stellen. Im weiteren Verlauf wird auf der Basis der Röntgenaufnahme ein Operationsverfahren ausgewählt.

Ein nächster Schritt ist dann die Überlegung, wie man

-is- 3 A 3 7 A 8:

mit dem ausgewählten Operationsverfahren (ζ.B, Verplattung) den speziellen Bruch am besten stabilisieren kann.

Das ζweidimensionaIe Röntgenbild läßt jedoch eine exakte Vorbereitung einer Operation nicht zu, Weil es den dreidimensionalen Gegenstand "Knochen" nur zweidimensional abbildet. Deshalb kann sich der Chirurg auch nur unzureichende Vorstellungen von den tatsächlich vorliegenden Gegebenheiten bilden und sein operatives Vorgehen nicht exakt festlegen. Insbesondere können die Implantat-Dimension, die optimale Implantatlage, Länge und Position der benötigten Schrauben usw. vorher nicht optimal bestimmt werden.

Da bei der Operation selbst nur Teile der Fraktur freigelegt werden dürfen, weil sonst die Gefahr einer Bruchheilungsstörung besteht, kann sich der Chirurg auch in der eigentlichen Operations-Phase nur ein unzureichendes Bild von der gesamten Fraktur machen. ,,

Die geschilderten Schwierigkeiten lassen sich auch mit Hilfe der Computer-Tomographie nicht beseitigen. Zwar ist es für den Chirurgen bei einigem Geschick möglich, sich aufgrund der einzelnen Schichtaufnahmen eine Vorstellung von dem Gegenstand in seinen räumlichen Ab-

messungen zu machen, jedoch ist diese Vorstellung für die Vorbereitung der Operation und für ihre Durchführung nicht befriedigend.

Man könnte auch erwägen, die im Forschungsbereich bekannte Möglichkeit der dreidimensionalen Darstellung eines Knochens auf dem Bildschirm eines Monitors bei der Operationsplanung heranzuziehen. Selbst wenn hierdurch eine bessere räumliche Orientierung bzw. Vorstellung gewonnen werden kann, reicht auch eine solche räumliche Darstellung nicht aus, um etwa aus konkurrierenden Operationsverfahren das optimale Verfahren auszuwählen, denn auch hier fehlt es dem Chirurgen an der Möglichkeit, den konkreten Eingriff an einem Modell probeweise vorher durchzuführen.

überdies befindet sich die dreidimensionale Darstellung eines Gegenstandes auf dem Bildschirm eines Monitors erst im Anfangsstadium der Entwicklung. Diese Technik erfordert nämlich extreme Rechenleistungen, die nur von,, sehr teuren Groß-Rechnern zu bewältigen sind. Damit ist diese Lösung schon aus Kostengründen nicht praktikabel.

Die eingeschränkte Beurteilungsmöglichkeit des Bruches durch den Chirurgen erfordert in der Praxis, daß die Fraktur bei der Operation weiter freigelegt werden muß, wodurch schlechtere Durchblutungsverhältnisse und damit

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eine schlechtere Knochenbruchheilung zu erwarten sind. Außerdem sind während der Operation wiederholte Röntgenkontrollen erforderlich, die eine Strahlenbelastung für den Patienten und auch für das Operationsteara bedeuten.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Operationszeit durch die erwähnten Röntgenkontrollen, durch das weitere Freilegen der Fraktur sowie durch die gewisse Unsicherheit des Chirurgen, der sich in Abstimmung mit dem Operationsteam im Verlaufe der Operation selbst ein immer klareres Bild zu schaffen versucht, wie die Knochenfragmente zusammen gehören und welches die bestmögliche Bruchversorgung ist, oft um Stunden verlängert wird. Nicht selten können daher solche Operationen bis zu 8 Stunden dauern.

Die geschilderten nachteiligen Umstände führen in manchen Fällen sogar dazu, daß die Operation einmal oder auch mehrmals wiederholt werden muß. Im Zusammenhang mit der weiter oben schon genannten langen Operationsdauer ist schließlich noch anzumerken, daß die längere Operationsdauer zur Folge hat, daß der Patient wegen der entsprechend längeren Narkosebelastung ernsthaft gefährdet werden kann.

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Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine exakte Operationsplanung zu ermöglichen sowie die Operationszeit zu verkürzen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Anordnung dadurch, daß die Anordnung die folgenden Bestandteile umfaßt:

a) einen Bildgeber zur Erzeugung einer Mehrzahl von Schichtbildern (Querschnitten) an unterschiedlichen Stellen des Organes, und damit zur Erzeugung von die erfaßten Schichten des Organes charakterisierenden Primärdaten,

b) einen sich daran anschließenden Wandler zur Umwandlung der Primärdaten in die äußeren Umfangslinien (Begrenzungslinien) der einzelnen Schichten repräsentierenden (Scheiben-) Modelldaten,

c) eine von den Modelldaten gespeiste Bearbeitungsmaschine mit steuerbaren Werkzeugen zur Fertigung von den Schichten entsprechenden Schei-

_k ben aus einer bearbeitbaren Material.platte, aus welchen Scheiben durch Aufeinanderstapeln

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das körperliche Model L herstellbar ist, und

d) einer Paßvorrichtung sum definierten Stapeln der Scheiben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es erstmals möglich, in einem geschlossenen, weitgehend·autonaischen Verfahrensgang von einem Organ des menschlichen Körpers, bzw. von einem Teil des Organes ein dreidimensionales körperliches Modell sozusagen als 1:1-Kopie zu Versuchs-, übungs-, Planungs- und Veranschaulichungszwecken herzustellen. Dabei ist der Maßstab 1:1 nur als Beispiel zu verstehen; selbstverständlich sind auch andere Größenverhältrlisse möglich.

Es ist auch möglich, den erwähnten weitgehend automatischen Vorgang gegebenenfalls zu unterbrechen, um auf diese Art und Weise interaktiv zu steuern. Beispielsweise kann man nach jedem einzelnen Verfahrens- ,, Zwischenschritt die Ergebnisdaten auf Computer-Graphik-Endgeräten abrufen. Somit läßt sich die in der Computer-Graphik bewährte Methode des "Previewing" auf schnellen und kostengünstigen Geräten anwenden, bevor man auf ' die langsamen und teueren Fertigungsmaschinen mit den

platte (z.B. aus durchsichtigem Kunststoff) Scheiben
ausschneiden, wobei die Umfangslinie jeder Scheibe der
Umfangslinie der Schichtaufnahem des geröngten Bildes,
d.h. der Umfangslinie des betreffenden Querschnittes des
,•geröngten Organes, entspricht. Somit ist es möglich, für

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gewonnenen Daten übergeht. Auch die Möglichkeit der interakliv-graphischen Korrektur ist hier gegeben.

Ausgangspunkt ist bei der Erfindung neben dem Organ selbst
ein Bildgeber zur Erzeugung einer Mehrzahl von Schichtbildern (Querschnitten) an unterschiedlichen Stellen des
Organes, d.h. zur Erzeugung von die erfaßten Schichten
des Organes charakterisierenden Primärdaten. I

An dieser Stelle läßt sich beispielsweise die bekannte

Computer-Tomographie einsetzen, welche von einem Organ U

Schichtaufnahmen (Querschnittsaufnahmen) erzeugt. |

Mit einem Wandler werden die Primärdaten in solche (Schei- , §

ben) Modelldaten umgewandelt, welche die äußeren Umfangs- |

linien bzw. die Begrenzungslinien der jeweiligen Schich- ' | ten repräsentieren.

Ii Mittels einer von den gewonnenen Modelldaten gespeisten | Bearbeitungsmaschine lassen sich aus einer Material- , ?

jede der Schichtaufnahmen elfte zugeordnete Scheibe am· der Materialplatte auszuschneiden, so daß man im Ergebnis eine Vielzahl von Scheiben erhält.

Die Summe der gewonnenen Schaiben läßt sich in einfacher Weise aufeinanderstapeln, um ein Modell des geröngten Organes zu erhalten. Zu diesem Zweck können die einzelnen Schichtaufnahmsn einzeln nummeriert werden, und durch Aufeinanderstapeln der einzelnen Scheiben in der richtigen Reihenfolge läßt sich das körperliche Modell aufbauen, wobei die Scheiben zweckmäßiger Weise miteinander verklebt werden.

Für die Herstellung des Modelles durch Aufeinanderstapeln der einzelnen Scheiben ist es erforderlich, daß die Scheiben relativ zueinander in einer solchen örtlichen Lage angeordnet werden, wie dies dem Original bzw. den zugeordneten Schichtaufnahmen entspricht. Daher sieht die Erfindung eine Paßvorrichtung vor, um die einzelnen Scheiben definiert aufeinander stapeln zu können. ,. In den Unteransprüchen sind mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben, um eine solche Paßvorrichtung in einfacher Weise zu realisieren.

,Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht also darin, ein Organ des menschlichen Körpers (also das Ori-

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ginal) mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens in eine Vielzahl von Querschnitten bzw. Scheiben aufzuteilen, wobei die Umfangslinien bzw. die äußeren Begrenzungslinien der einzelnen Scheiben festgelegt werden.

In einem weiteren Schritt werden die erwähnten Scheiben aus einem bearbeitbaren Material hergestellt bzw. ausgeschnitten. Durch Aufeinanderstapeln der so erzeugten Scheiben kann auf diesem Wege nach dem hier als "Methode der Finiten Scheiben" bezeichneten Verfahren das Modell des Organes "konstruiert" werden.

Die Originaltreue des gemäß der Erfindung herstellbaren Modelies hängt unter anderem von der Schichtdicke der erzeugten Scheiben ab. Je geringer die Schichtdicke der einzelnen Scheiben ist, um so exakter können die äußeren Formen des Originals nachproduziert werden.

Es ist aber auch durchaus möglich, nur relativ wenig Schichten bzw. Schichtaufnahmen zu verwenden, und die » zwischen zwei benachbarten Schichten liegenden "Zwisctfenräume" mit Hilfe von mathematischen Interpolationsverfahren "auszufüllen". Zu diesem Zweck kann auch ein sogenanntes "Expertenwissen" herangezogen, beispielsweise ,in Form einer Datenbank, in welcher Daten von Organen

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des menschlichen Körpers auf der Basis einer Vielzahl von Messungen gespeichert sind.

Eine in der Praxis ausreichende Schichtdicke der ein-

zelnen Scheiben liegt beispielsweise bei 1 nun.

Die mit der Erfindung auf dem medizinischen Gebiet erzielbaren Vorteile sind als revolutionär zu bezeichnen und stellen einen bedeutsamen Fortschritt in der Medizin dar. So läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein Skelettabschnitt eines Patienten, der einer Operation unterzogen werden soll, in einem gefertigten Knochenmodell nachbilden. Das Knochenmodell stellt eine Kopie des Originals dar. Es ist in Form und Größenabmessung identisch mit dem Original und gibt Stellungsanomalien, Frakturverläufe und Frakturfragmente naturgetreu wieder. Vorzugsweise besteht das Modell aus einem Material, das mit dem in der Knochenchirurgie verwendeten Instrumentarium gut bearbeitbar ist.

An der mit der erfindungsgemäßen Anordnung hergestellten Knochenmodell kann der vorgesehene operative Eingriff in allen Einzelheiten simuliert werden. Somit ist vor der Operation die optimale Auswahl der Implantate, z.B. •Größe einer Platte, Länge der Schrauben usw. möglich.

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Außerdem können an mehreren Kiochen-Modellen unterschiedliche Operationsmethoden durchgeführt und anschließend durch Beratung mehrerer Ärzte mit Hilfe der Modelle das optimale Operationsverfahren anhand der "Modelloperationen" festgelegt werden.

Für den Arzt bedeutet diese präoperative Phase eine op·^ timale Operationsvorbereitung, wie sie bisher nicht möglich gewesen ist. Während der eigentlichen Operation selbst befindet sich das operierte Modell sterilisiert (der Chirurg kann das Modell somit während der Operation anfassen) auf dem Operationstisch und wird gezielt auf den Patienten übertragen. Die Anwendung der Erfindung in der Unfallchirurgie und Orthopädie bringt eine grund-

legende Verbesserung der Arbeitsweise zum Nutzen des Patienten mit sich.

Da der Chirurg die Operation bereits vorher am Modell planen und durchführen konnte, ergibt sich für den Patienten der Vorteil, daß der Eingriff schneller, exakter und sicherer durchgeführt werden kann. Der Chirurg ist durch die Erfindung ja bereits in die Lage versetzt woiden, konkurrierende Operationsverfahren vor der eigent'· liehen Operation am Patienten selbst in dem speziellen .Fall miteinander vergleichen zu können und das beste Operationsverfahren auswählen zu können.

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Der Therapieerfolg wird durch die optimale Operationsplanung entscheidend verbessert. Frakturheilungsstörungen werden verringert und erneute operative Eingriffe werden nur noch selten erforderlich.

Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, daß die Operationszeiten in erheblichem Maße verkürzt werden, und zwar um bis zu 70 - 80 %. Durch das ermöglichte gezielte Vorgehen werden auch GewebsSchädigungen und Blutverluste geringer. Außerdem nimmt wegen der verkürzten Operationsdauer in vorteilhafter Weise die Narkosebelastung für den Patienten ab.

Durch die Erfindung werden auch die intraoperativen Röntgenkontrollen -also die üblichen Röntgenaufnahmen während der Operation selbst - seltener erforderlich, so daß die Strahlenbelastung für den Patienten und auch für das Operationsteam entscheidend herabgesetzt werden kann.

Der mit der Erfindung erzielte technische Fortschritt ist so erheblich, daß der Einsatz der Erfindung in der Unfallchirurgie und in der Orthopädie so unverzichtbar werden wird, wie etwa die Zahntechnik für die Zahner-,•haltung und den Zahnersatz. Da die Zähne und die Mund-

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höhle dem direkten Eingriff zugänglich sind, können hier Abdrücke entnommen und mit ihrer Hilfe Plomben und Gebisse hergestellt werden. Die Fertigung erfolgi im Zahnlabor und erfordert nicht mehr die Anwesenheit des Patienten. Die Arbeit am Patienten besteht anschließend lediglich in der Feinanpassung. Dieser Hinweis auf die Zahntechnik verdeutlicht, daß die Erfindung auch das Skelettsystem eines Patienten einer konkreten modellhaften Bearbeitung zugänglich macht.

Neben dem erwähnten Anwendungsfeld der Kopien als Modelle zur Operationsplanung läßt sich erstmals auch ein hinsichtlich der Größe und der Form identischer Knochen-Ersatz fertigen, der bei einem Patienten anstelle eines Knochens (oder eines Teiles davon) eingesetzt werden muß, weil dieser z.B. von einem Tumor befallen ist.

Nach dem bisherigen Stand der Technik wurden solche KnochenrErsatze nur näherungsweise manuell auf Grund von Röntgenbildern gefertigt, was in der Praxis häufig „ dazu führt, daß der Knochenersatz dann nicht paßt.

Insgesamt werden also durch die überraschende und neuartige Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale eine •Reihe bisher nicht für möglich gehaltener Vorteile ge-

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schaffen, die auf dem medizinischen Sebiet von gravierender Bedeutung sind.

Es ist zwar für sich gesehen schon bekannt, eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit Daten zu speisen, um aus einen. Werkstück einen Gegenstand herzustellen, jedoch werden die entsprechenden Daten z.B. aufgrund einer technischen Zeichnung für das gewünschte Teil gewonnen .

Ferner ist es auch schon bekannt, eine Tomographie-Aufnahme (Tomogramm) herzustellen und den tomographierten Gegenstand unter Verwendung eines mathematischen Verfahrens in grober Näherung dreidimensional statisch auf einem Bildschirm darzustellen, jedoch endet hier schon das entsprechende bildgebende Verfahren.

Die Erfindung'setzt an der Stelle ein, wo das voranstehend beschriebene Verfahren endet bzw. scheitert. EiB werden in überraschender Weise sozusagen Verbindungsglieder zwischen der Röntgen- bzw. Tomographieaufnahme und der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine geschaffen, indem die Daten des bildgebenden Verfahrens in solche Daten aufbereitet und umgesetzt werden, mit deren Hilfe mit numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen Scheiben zur Fertigung eines dreidimensionalen körper-

lichen Modelles kompatibel sind.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Modelle beliebig komplex und fein konstruiert sein können. Ferner ist übrigens auch die Herstellung von Hohlraummodellen möglich.(Negativmodell).

Da das Modell bei der Erfindung nicht aus einem Stück, sondern aus vielen Finiten Scheiben gefertigt wird, kann durch Parallelität mehrerer Werkzeugmaschinen eine im Prinzip beliebig kurze Fertigungszeit erreicht werden. Die kurze Fertigungszeit ist insbesondere dann unverzichtbar notwendig, wenn Operationen unverzüglich z.B. nach einem Unfall durchgeführt werden müssen.

Die Kombination von Paßsoftware, Vorwissen - Interpolationssoftware, Vorwissen - Datenbank sowie von an sich existierenden Softwarekomponenten aus den Bereichen

1. Tomographie (z.B. 2D-Rekonstruktionen),

2. Bildverarbeitung (z.B. Skelettierung),

3. Rechnergestützte Konstruktionen IComputer-Aided-Design; "CAD",

4. Rechnergestützte Fertigung (Computer-Aided-Manufacturing "CAM",

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sowie Interface-Software zur Konvertierung von Datenstruktur und- Format einer der oben genannten Softwarekomponenten in die jeweils darauf folgende ist in überraschender Weise ein Lösungsweg zur Fertigung von Knochenmodellen. Das "Zusammenstecken" dieser Softwar ekomponenten auf den jeweils dafür geeigneten Rechnern sowie bildgebende Geräte am Eingang und numerisch gesteuerter Bearbeitungsmaschinen am Ausgang ergibt eine produzierende "Gesamtanordnung". In dieser Kombination liegt ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung, die zu den genannten zahlreichen Vorteilen führt.

Im Zusammenhang mit der eingangs schon erwähnten und an sich"bekannten Möglichkeit der dreidimensionalen Darstellung auf dem Bildschirm eines Monitors sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die heutige Computerleistung nicht groß genug ist, um Modelle menschlicher Organe in für medizinische Zwecke ausreichendem Maße auf einem Bildschirm zu veranschauliehen. Dies ist ein Grund, den Bildschirm - wenn überhaupt - nur am Rande zu verwenden. Der zweite Grund ist, daß am Bildschirm nicht vergleichbar echt eine Operationsplanung und -durchführung simuliert werden .kann.

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Zumindest bei der Operation am Knochen wünscht sich der (Unfall-) Chirurg ein mit seinen gewohnten Instru~ menten physikalisch zu bearbeitendes Modell. Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist es daher, diese selbst bei in Zukunft etwa ausreichender technischer Entwicklung nicht voll zufriedenstellenden Hilfsmittel nur teilweise bzw. am Rande zu nutzen und darüber hinaus Komponenten des CAD des CAM sowie der NC-Ferti" gung zu verwenden. Die Erfindung kann im Prinzip weitiistgehend auf den bisherigen visuellen Bereich verzichten.

Es ist möglich, die für den Chirurgen viel wertvolleren physikalischen Modelle zu fertigen. Sie vermitteln di« hundertprozentige und für jeden gleichermaßen objektive Veranschaulichung und bieten die Möglichkeit der Manipulation mit gewohnten Mitteln. Zu diesen Vorteilen, die voranstehend vor allem unter medizinischem Aspekt schon ausführlich erläutert worden sind, gesellen sich aber noch technische Vorteile.

Mit der Erfindung ist es

a) beim derzeitigen Stand der Technik und

b) in hinreichender kurzer Zeit möglich, ein oder mehrere Modelle zu fertigen, die

c) vor der Operation in idealer Weise planen

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und proben lassen, sowie

d) während der Operation in nicht zu überbietender Weise das Original zu repräsentieren.

Die Erfindung führt auch zu erheblichen Kostenvorteilen. Abgesehen davon, daß der Vorschlag gemäß eier Erfindung zur Fertigung eines Knochenmodells als völlig neu anzusehen ist, ist dieses Verfahren erheblich wirtschaftlicher, als die für die Zielsetzung der Erfindung ungeeignete und zudem extrem teure Lösung der bewegten dreidimensionalen Darstellung auf einem Bildschirm.

Weitere ,zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1. ein Prinzip-Blockschaltbild ei

ner erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 und 3 jeweils eine perspektivische

Darstellung eines vereinfachten Modelies eines Knochens,

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Fig. 4 eine explodierte Darstellung Ii Form mehrerer Querschnittsschtj 1-

ben des Knochens gemäß Fig. 3,

Fig. 13 ein Computer-Bild, welches die

Umrißlinien mehrere übereinand
liegender Schichten eines Kno-

Fig. 5-8 jeweils einen Paßrahmen, welcher

über Stege die einzelnen Scheiben gemäß Fig. 4 trägt,

Fig. 9 einen Paßrahmen gemäß Fig. 5 zur

Verdeutlichung des ohne Unterbrechens erfolgenden AussehneIt

dens aus einer Materialplatte, fj

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung £

einer Paßkammer, W

f Fig. 11 eine perspektivische Darstellung y

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eines aus den Scheiben gemäß Fig. ^l; 5-8 gefertigten Modelles,

Fig. 12 eine Paßvorrichtung mit Paßstif- fe,

ten, ί|

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chens zeigt/

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Paßgehäuseu,

Fig. 15 eine Materialplatte mit einer Vielzahl von Paßrahmen,

Fig. 16 ein weiteres Blockschaltbild zur schematischen Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 17 ein anderes Blockschaltbild zur

weiteren Erläuterung der Erfindung,

Fig. 18 ein weiteres schematisches Prinzip-Blockschaltbild,

Fig. 19 eine mit Hilfe eines Plotters aufgrund von Computer-Schichtaufnahmen gefertigte Darstellung einzelner Schichten, wobei hier an Stelle eines viereckigen Paßrahmens jeweils Winkelrahmen verwendet sind,

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Pig. 20 eine Darstellung gemäß Fig. 19 mit weiteren ermittelten Schichten, die über Stege an Winkelralimen gehalten sind,

Fig. 21 eine Formscheibe, bei welcher die Umrißlinien zur Erzeugung eines Hohlraumes dienen,

Fig. 22 und jeweils drei aufeinandergestapelte Scheiben zur Erläuterung einer seitlichen konturgetreuen Abschrägung, und

Fig. 24 das Prinzipbild einer anderen Formscheibe mit einem ringförmigen Hohlraum.

Die zeichnerische Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt in vörjeinfachter Form den Grundgedanken der Erfindung. Mit tier Bezugsziffer 10 ist als Beispiel eines Organes des menschlichen Körpers ein Knochen bezeichnet, von welchem ein Modell 18 hergestellt werden soll.

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Mit Hilfe eines Bildgebers 12 - z.B. ein Computer-Tomograph - werden Schichtaufnahmen von Querschnitten an u'iterschiedlichen Stellen des Knochens 10 erzeugt, wobei die erfaßten Schichten des Knoche \s 10 zunächst durch Primärdaten charakterisiert sind.

In einem sich an dem Bildgeber 12 anschließenden Wandler 14 werden die Primärdaten in Modelldaten umgewandelt, welche für jede Schichtaufnahme die äußeren Umfangslinien des jeweiligen Querschnittes darstellen. Anders als bei der üblichen Röntgentechnik kommt es hier nicht darauf an, die Grauwerte an unterschiedlichen Stellen der Schichtaufnahme zu repräsentieren; von Bedeutung sind vielmehr die äußeren Abmessungen der einzelnen Schichten bzw. Querschnitte.

Die Anordnung in Fig. 1 umfaßt ferner eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine 16, welche von den genannten Modelldaten gespeist wird. Mit der Bearbeitungsmaschine 16 lassen sich somit aus einer Materialplatte Scheiben ausschneiden, deren äußere Umfangslinien den Schichten der einzelnen Schichtaufnahmen von dem Knochen 10 entsprechen. Wenn man die so erzeugten Scheiben in der richtigen Reihenfolge und paßgenau" aufeinanderstapelt, und die einzelnen Scheiben z.B. miteinander verklebt, entsteht das Modell 18. Mit dem Begriff

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"paßgenau" soll zum Ausdruck gebracht werde:., daß die einzelnen Scheiben relativ zueinander die örtliche Lage einnehmen, die ihnen im Original zugeordnet ist. Zu diesem Zweck geeignete Paßvorrichtungen werden nachfolgend noch näher erläutert.

Anhand von Fig. 2-10 läßt sich das erfindungsgemäße Prinzip besonders deutlich beschreiben. Die Bezugs- : ziffer 20 in Fig. 2 bezeichnet einen abstrakt zugrunde gelegten Knochen, welcher eine einfache Form besitzt. Als gedankliche Hilfe ist in Längsrichtung durch den Knochen 20 eine gestrichelt gezeichnete Achse 30 dargestellt.

In Fig. 3 ist der Knochen 20 gemäß Fig. 2 nochmals dargestellt, wobei durch gestrichelt gezeichnete Linien eine gedankliche Aufteilung in hier vier parallele Scheiben 22,24,26 und 28 angedeutet ist. Diese Scheiben sollen die Querschnitte des Knochens 20 repräsentieren, die mit dem zuvor erwähnten Bildgeber nacheinander er- , faßt werden, und von denen die Schichtaufnahmen hergestellt werden.

Die Stärke bzw. Dicke der Scheiben 22,24,26 und 28 bzw. .-der zugeordneten Schichten für die einzelnen Schichtaufnahmen ist in der zeichnerischen Darstellung zur besseren

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Verdeutlichung bewußt relativ groß gewählt; es sei deshalb darauf hingewiesen, daß die Schichtdicken in der Praxis entscheidend geringer sind. So lassen sich mit einem Computer-Tomographen heute Schichtaufnahmen in einem Abstand von etwa 2 mm herstellen.

Entsprechend den Schichtaufnahmen werden mittels der iri Fig. 1 schon erwähnten Bearbeitungsmaschine 16 die einzelnen Scheiben 22,24,26 und 28 aus einer Materialplatte ausgeschnitten. In Fig. 4 sind die Scheiben 22, 24,26 und 28 übereinander angeordnet, wobei die Achse 30 verdeutlicht, daß sich die vier Scheiben 22,24,26 und 28 hier schon in den richtigen relativen Lagen zueinander befinden, d.h. sie sind bereits paßrichtig bzw.

paßgenau dargestellt.

Würde man die Scheiben 22.- 28 einfach aus einer Materialplatte ausschneiden, wäre beim nachfolgenden Aufeinanderstapeln die paßgenaue Anordnung ohne besondere Hilfsmittel nicht möglich. Deshalb ist in einer ersten bevor- ,, zugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die einzelnen Scheiben 22 - 28 jeweils innnerhalb eines Paßrahmens 32 - 38 über Stege 50 - 56 gehalten sind.

,Durch diese Maßnahme läßt sich erreichen, daß die einzelnen Scheiben 22 - 28 innerhalb der Paßrahmen 32 -

bezogen auf den Original-Knochen 20 oder hier auch bezogen auf die Achse 30 diejenige örtliche Lage einilehmen, die dem Original entspricht. Die einzelnen Paßrahmen 32-38 stellen also für die einzelnen. Scheiben 22-28 jeweils den Bezugspunkt dar.

::n dem beschriebenen Beispiel wird die Bearbeitungsmaschine 16 von den Modelldaten in der Weise angesteuert, daß aus der Materialplatte (vgl. Fig. 15) beispielsweise der Paßrahmen 32 mit der Scheibe 22 und den Stegen 50 einteilig in einem Arbeitsgang geschnitten wird. Jeder Paßrahmen 32-38 besitzt an zwei gegenüberliegenden Rahmenseiten durchgehende Unterbrechungen 46 und 48, während die jeweils anderen beiden Rahmen-Seiten in die Stege 50 und 52 einmünden. Ferner sind in den inneren Ecken jedes Paßrahmens 32-38 Einschnitte 40 vorhanden welche - ebenso wie die Unterbrechungen 46 und 48 - bei einem weiter unten noch erläuterten Arbeitsgang ein mechanisches Abbrechen des Paßrahmens erleichtern sollen.

Als Schneidwerkzeug für die Bearbeitungsmaschine 16 läßt sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Laserstrahl verwenden, welcher die benötigten Teile aus ,•einer Holzplatte herausschneiden kann. Wie in Fig. 9 ver-

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deutlicht ist, verläuft die Schneidbai in des Laserstrahls So₁ daß eine Unterbrechung des Schneidvorganges nicht erforderlich ist, d.h. der Paß rahmen 32 mit der Scheibe 22 und den Stegen 50 wird ix einem einzigen Arbeitsgang einteilig ausgeschnitten. Mit dem Punkt A ist der Anfang der SchneitIbahn bezeichnet, und die Pfeile B verdeutlichen ersichtlich die ohne Unterbrechungen bis zum Ausgangspunkt A verlaufende Schneidbahn.

Nachdem in dem angenommenen Beispiel des abstrakten Knochens 20 die vier Paßrahmen 32 - 38 mit den jeweiligen Scheiben 22 - 28 ausgeschnitten sind, werden die Paßrahmen in eine Paßkammer 58 gemäß Fig. 10 in Richtung des Pfeiles C in der richtigen Reihenfolge eingelegt (als erstes wird also der Paßrahmen 38 mit der unteren Scheibe 28 genommen). Wenn auch die örtliche Lage jeder Scheibe 22 - 28 innerhalb der Paßrahmen 32 - 38 definiert festgelegt ist, so ist diese Zuordnung im vorliegenden Fall noch nicht ausreichend. Es muß vielmehr noch dafür Sorge getragen werden, daß die einzelnen Paßrahmen 32 -> 38 selbst in einer eindeutig festgelegten Position in die Paßkammer 58 eingelegt werden.

Die einzelnen Paßrahmen 32-38 besitzen daher an zwei benachbarten Kanten jeweils eine Phase 42 und 44, und

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die Paßkammer 58 weist innen entsprecherde Kanten 60
und 62 auf. Dadurch ist die geforderte eindeutige Zuordnung der örtlichen Lage der Paßrahmer* 32 - 38 beim
Aufeinanderstapeln innerhalb der Paßkairaier 58 gewährleistet.

Nachdem der erste untere Paßrahmen 38 in die Paßkammer
58 eingelegt ist, wird die Scheibe 28 mit einem Kleber
bestrichen, und im Anschluß daran gelangt der nächste
Paßrahmen 36 in die Paßkammer, wobei die Scheibe 26 auf
ihrer oberen Seite ebenfalls mit einem Kleber bestrichen
wird usw.

Es ist von Bedeutung, daß ausschließlich die einzelnen ;.·;

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Scheiben 22 - 28 miteinander verklebt sind, wodurch der |! hier aus vier Paßrahmen bestehende Stapel zusammenge- m

halten wird, und daß die Stege 50 - 56 sowie die Rahmen- $j weiten der Paßrahmen 32-38 nicht miteinander verklebt

werden.

Der durch die miteinander verbundenen Scheiben 22-28
zusammengehaltene Stapel wird anschließend wieder aus j$

der Paßkammer 58 entfernt, und um das in Fig. 11 gezeig- $ te aus den Scheiben 22 - 28 bestehende Modell zu er- 1

.halten, werden die Rahmenseiten und die Stege durch ein- $

% iaches mechanisches Abbrechen entfernt. In diesem Zu- |*

iammenhang sind die weiter oben schon genannten Unterbrechungen 46 und 48 sowie die Einschnitte 40 von Bedeutung, die das Abbrechen der Rahmenseiten und der Stege erleichtern, so daß dann das in Fig. 11 gezeigt*;¹ körperliche Modell übrig bleibt. Es sei noch erwähnt, daß die Stege 50 - 56 an ihren Übergangsstellen zu der* einzelnen Scheiben 22 - 28 entsprechend dünn ausgeschnitten sind, um ein leichtes Abbrechen zu gewährleisten.

Ein Vergleich mit der Vorlage des Knochens 20 in Fig. zeigt zwar, daß das erzeugte Modell gemäß Fig. 11 nicht identisch mit dem Knochen 20 übereinstimmt, allerdings ist zu berücksichtigen, daß aus Gründen der besseren Veranschaulichung hier lediglich vier Schichtaufnahmen bzw. Scheiben zugrunde gelegt wurden. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei einer erhöhten Anzahl sehr viel dünnerer Scheiben in der zuvor beschriebenen Weise ein faßt identisches Modell herstellbar ist. Dementsprechend wird bei der Erfindung auch mit einer großen An- _A zahl einzelner dünner Scheiben gearbeitet.

Betreffend die bei der Erfindung notwendige Paßvorrichtung ist in Fig. 12 ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, ₍.bei welchem auf einer Unterlage 64 mehrere - hier zwei Paßstifte 66 und 68 verwendet werden. Der Einfachheit

• •••••I · .' ' J ί '. -* *

halber sind viereckige Scheiben 7 5 - 78 zugrunde gelegt.

Um die einzelnen Scheiben 70 - 78 richtig im Sinne des Originals aufeinander zu stapeln, sind innerhalb jeder Scheibe Bohrungen 80 und 82 vorgesehen. Die Lage der Bohrungen 80 und 82 zueinander entspricht der Lage der ortsfest angeordneten Paßstifte 66 und 68. Wenn daher die Scheibe 78 in Fig. 12 in Richtung des Pfeiles D auf die darunter befindliche Scheibe 76 gelegt wird, wobei die Paßstifte 66 und 68 durch die Bohrungen 80 und geführt sind, ist die örtliche Lage der Scheibe 68 exakt definiert. Im übrigen werden auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 die einzelnen Scheiben miteinander

verklebt, und der so gewonnene Stapel läßt sich anschließend von der Unterlage 64 entfernen. Die zuvor erwähnten Paßrahmen sind bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich.

Fig. 13 zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung eine mittels eines Computers hergestellte gezeichnete Vielzahl von Umrißlinien übereinander liegender Schichten eines tatsächlichen Knochens eines menschlichen Körpers. Zugleich verdeutlicht diese Darstellung, daß ,man die Anzahl und auch die örtliche Lage der Paßstifte

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bzw. der Bohrungen 86 so festlegt, daß alle aufgrund der Schichtaufnahmen hergestellten Scheiben innerhalb des jeweiligen Scheibenbereiches erfaßt sind. Im übrigen vermittelt die Fig. 13 mit den übereinander gezeigten Umfangslinien 84 der einzelnen Schichten bereite einen gewissen räumlichen Eindruck (senkrecht zur Zeichenebene gesehen) des Knochens.

Eine weitere Möglichkeit für das definierte Aufeinanderstapeln der Scheiben ist in Fig. 14 dargestellt,.welche ein Paßgehäuse 90 mit einem vorderen Schlitz 92 zeigt. Die Scheibe 94 ist über einen Verbindungssteg 96 an einer Paßplatte 98 befestigt, welche hier sozusagen den eingangs erläuterten Paßrahmen (vgl. Fig. 5-8) ersetzt. Die Paßplatte 98, der Steg 96 und die Scheibe sind wiederum aus einem Teil bestehend mittels eines Schneidwerkzeuges aus einer Materialplatte ausgeschnitten. Mehrere Paßplatten 98 mit den zugeordneten Scheiben 94 lassen sich in Richtung des Pfeiles E in das Paßgehäuse einführen, wobei der Verbindungssteg 96 in dem Schlitz,^ geführt ist.

Auch hier werden die aufeinandergestapelten Scheiben miteinander verklebt, und anschließend werden die ein-•zelnen Stege 96 von dem Stapel abgebrochen, so daß das Modell (Scheibenstapel) übrigbleibt.

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In Fig. 15 ist ausschnittsweise eine Materialplatte dargestellt, in welche mittels eines Lasers bereits eine Vielzahl von Paßrahmen mit den zugehörigen Stegen und den darin befindlichen jeweiligen Scheiben eingeformt bzw. geschnitten sind. Um später eir.;e richtige Reihenfolge beim Stapeln einzuhalten, werden die einzelnen Paßrahmen nummeriert. Durch leichtes Abbrechen können aus der gesamten Materialplatte 88 die einzelnen Paßrahmen entnommen und anschließend innerhalb der schon erwähnten Paßkammer gestapelt, werden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 16 ein in fünf Stufen bzw. Zeilen verfeinertes Prinzipblockbild dargestellt. Mit der "Blackbox" 100 ist ganz allgemein eine Anordnung zur Fertigung dreidimensionaler Modelle 18 aus einem Original 10 bezeichnet.

In der zweiten Zeile kann man erkennen, daß die "Blackbox" 100 aus vier Bestandteilen besteht, nämlich einem Bildgeber 12, einem Computer 102, einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine 16 und einer Paßvorrichtung 104.

In einem bildgebenden Verfahren werden mittels des BiId-,gebers 12 von dem Knochen 10 Primärdaten erzeugt, welche den Knochen 10 charakterisieren. Als Sekundärdaten (Mo-

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delldaten) können zweidimensionale Grauwert-Bildmatrix-Daten auf einem Monitor oder auf Photomaterial als Bilder ausgegeben werden. Diese Bilder können auch "on-line" über eine Datenfernübertragungsstrecke oder "off-line" auf Magnetdatenträgern zu dem weiterverarbeitenden Computer 102 übertragen werden.

Mit einer auf dem Computer in der dritten Zeile in Fig. 16 dargestellten Softwarekette aus den Bereichen "Pattern Recognition" PR (Bezugszeichen 106), "Computer Aided Design" CAD (Bezugsziffer 108), "Computer Aided Manufacturing" CAM (Bezugsziffer 110) sowie "Computer Graphics" CG (Bezugsziffer 112) werden die Sekundärdaten so aufbereitet, ergänzt und umgewandelt, daß am Ausgang des Computers 102 solche Daten vorliegen, die direkt in die numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine 16 eingespeist werden können und hinreichend sind für die Fertigung von Scheiben, die - in der Paßvorrichtung 104 aufeinandergestapelt - ein originaltreues Modell des Knochens 10 ergeben.

In der vierten Zeile der Abbildung gemäß Fig. 16 ist zu erkennen, daß aus dem Bereich "Pattern Recognition" 106 ein an sich bekannter Raster-Linien-Konvertierungs-Algo-.rythmus R/L (Bezugsziffer 114) verwendet wird. Linienumrisse (und nicht Rasterumrisse), die den Tomographie-

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schichten entsprechen, sind die Grundlage für die sitfh anschließende Komposition aus den zweidimensionalen Umrißlinien zu "dreidimensionalen" Rechnermodellen.

Diese Modelle werden im CAD-Kontext auch 2 1/2 D ode£ "Wire Frame Modelle" WFM genannt. Bei dieser Modellierung kann gegebenenfalls das weiter oben schon erwähnte "Üxpertenwissen' ;zw. "Vorwissen" hinzugezogen werden, \Jas hier durch den Zusatz "Expert" kennzeichnet wird, so ilaß in Fig. 16 in der vierten Zeile mit der Bezugsziffer 1iii ein "Expert Wire Frame Modeller" EWFM bezeichnet wird, der nicht nur algorithmisch durch Interpolation Zwischenschichten generiert, sondern auch durch die Einbeziehung von Daten von Normknochen aus einer vorgehalte-

nen Datenbank.

Auf einer solchen Datenbank ist das Expertenwissen (statistische Daten aus medizinischen Messungen) gespeichert. In der Praxis muß man nämlich häufig aus wenigen Tomographieschichten (beispielsweise 10) viele Modellschei-,, ben generieren (beispielsweise 100O). Eine Interpolation allein - welcher Art auch immer - würde hier unter Umständen für allgemein verwendbare Zwecke im Bereich der Modellierung biomedizinischer Objekte - worauf die Erfindung zielt - nur grobe Modellgleichheit mit dem Original liefern.

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Im Anschluß an die "Expert Wire Frame Modellierung" EWFM 116 sind im Rechner -je nach Bedarf - beliebig dünne ModelIscheiben generiert, so daß man konzeptionell mit unendlich dünnen, aber auch unendlich vielen Scheiben beliebig glatte Modelle herstellen könnte. In der Praxis muß man allerdings statt der unendlich (Infinit) dünnen Scheiben endlich (Finit) starke und damit auch nur endlich viele Scheiben nehmen.,Daher läßt sich die Erfindung auch als Anordnung und Verfahren zur Fertigung dreidimensionaler Modelle nach der Methode der Finlten Scheiben bezeichnen, welche einen Kernpunkt der Erfindung bilden.

Mit Hilfe der Finiten Scheiben läßt sich das Original zu einem im Rechner gehaltenen Modell konstruieren. Bei dem "Expert Wire Frame Modeller" 116 handelt es sich also um ein Beispiel aus dem Bereich der rechnergestützten Konstruktion = Computer Aided Design CAD 108.

Wie weiter oben schon erläutert, werden die endlich vielen Scheiben für die nachfolgende Bearbeitung auf bzw. aus einer Materialplatte 88 (vgl. Fig. 15 ausgeschnit ten. Dabei werden beispielsweise Paßrahmen 32 - 38 vorgesehen, damit die einzelnen Scheiben später auf einer _tder Bearbeitungsmaschine 16 nachgeschalteten Vorrichtung verschiebungsfrei und definiert zu einem dreidimen-

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sionalen Modell 18 aufeinander gestapelt werden können.

Damit dies automatisch geschehen kann, wird gemäß der vierten Zeile der Darstellung in Fig. 16 dem "Expert Wire Frame Modeller" 116 eir, "Fitting und Layout Softwarebaustein" 118 nachgeschaltet, der entsprechende zu schneidende Bahnen generiert. Es handelt sich hier alio um eine "Bahnfindungs-Software". Hierfür kann der Bereich "Computer Aided Manufacturing" CAM 110 herangezogen werden, der sich ganz allgemein gesehen mit einar solchen Problematik befaßt, und für den als Beispiel die für den hier verfolgten Zweck die Fit und Layout Software stehen kann.

Aus dem'Bereich "Computer Graphics" 112 wird gemäß der vierten Zeile in Fig. 16 eine zweidimensionale Basis-Graphik 120 eingesetzt, mit welcher man die im Laufe der Verfahrenskette auf dem Computer entstehenden Modelle und Zeichnungen bildlich darstellen kann.sie läßt sich hier aber auch in wirksamer Weise als Bindeglied zur numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine 16 verwenden, was ein wesentliches Element der Erfindung ist.

In der untersten Zeile sind in Fig. 16 die voranstehend erwähnten Software-Komponenten zum besseren Verständnis noch detaillierter aufgeschlüsselt.

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Die aus den Rasterbildern gewonnenen Umrißlinien enthalten für die Folgeglieder in der Verfahrenskette (Interpolationsalgorithmen, Laserbahn) unter Umständen zu viele Stützpunkte. Sie werden daher mit dem Resegmsntierungsalgorithmus nach "Reumann/Witkam (Proceedings o£ ( the International Computing Symposium 1973, Davos, Switzerland 4-7 September Ί973) mit einem Generalizer G 122 reduziert.

In einem folgenden Z-Componer 124 werden cie vom bildgebenden Verfahren 12 her vorliegenden Tomographieschichten rechnerintern zu einem 2 1/2 D-Modell komponiert. Der Z-Componer 124 kann als Speicherer aufgefaßt werden, welcher für jede Scheibe in Z-Richtung die Umrißlinien mit x, y-Werten in einem Speicher ablegt.

Dem 2 1/2 D-Modell, welches nur relativ wenige Schichten enthält (beispielsweise 10 Schichten) werden unter Einbeziehung von Normdaten des biomedizinischen Objektes in einem Z1/Z2-Generator 126 Zwischenschichten hinzugeneriert, so daß dann insgesamt beispielsweise 100 * Schichten entstehen.

In einem folgenden Z2/Z3-Generator 128 werden weitere Zwischenschichten mit Hilfe von an sich bekannten Spline- || ,öder ähnlichen Verfahren hinzuinterpoliert, so daß das

Modell 18 dann aus beispielsweise 1Ü00 Schichten besteht.

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Aus den relativ wenicen UmriBlinien - nämlich Z1 Stück in x, y-Ebenen, die aus dem Gerät des bildgebenden Verfahrens 12 geliefert werden, werden also im "Wire Frame Modeller" 116 in der dritten, der Z-Dimerision Z3. Schichten generiert. Ein Verhältnis von Z3/Z1 = 100 würde aus den zehn Eingangsschichten 1000 Ausgangsschichten generieren. Aus einer Schicht nüssen dann 100 Nachbarschichten generiert werden, wes beispielsweise für ein 50 cm langes, aus jeweils 1/2 mm starken Scheiben generiertes Knochenmodell ein praxisnaher Wert ist.

Der in der vierten Zeile in Fig. 16 befindliche Fitting und Layout Softwarebaustein 118 kann auch als sogenannter "Path Finder" bezeichnet werden, und in dem "Path Finder" werden den einzelnen Umrißlinien die Paß informationen (Stege und Rahmen) sowie Plattenrasterinformationfen hinzugefügt. In einem "Fitter" F 130 werden also den Umrißlinien beispielsweise die Paßrahmen 32 - 38 oder PdB-löcher (vgl. die Bohrungen 80,82 und 86 in Fig. 12 und _A 13) hinzugefügt. Hier kann auch noch eine Nummerierum? der einzelnen Scheiben erfolgen. Im "Layouter" L 132 werden die einzelnen Scheiben - je nach Anzahl - auf einer oder mehreren Materialplatten 88 entsprechend der ,Darstellung in Fig. 15 angesiedelt. Aus den Materialplatten werden dann die Scheiben gefertigt, aus denen

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durch Aufeinanderstapeln das gewünschte Modell entsteht .

Dam gewünschten Material entsprechend kann es verschiedene Layoutanforderungen geben. In Fig. 15 ist als Beispiel eine mögliche Laserbahn bei einer Materialplatte 88 aus Holz dargestellt. Mit den gezeigten Scheiben, die aus der Platte 88 "ausgelasert" werden, wird bei einer Plattenstärke von z.B. 2 mm ein Knochenmodell von etwa 31,2 cm Länge gefertigt, wenn man 156 Scheiben zugrunde legt.

Diese Anzahl kann ohne Bedienereingriff automatisch und unter Ausnutzung maximaler (Laser-) Maschinengeschwindigkeit ausgeschnitten werden. Die Ausnutzung der maximal möglichen Geschwindigkeit ist für die Praxis von entscheidender Bedeutung, da die Modelle häufig höchstens in Stunden und nicht erst in Tagen angefertigt sein müssen.

Für den Einzelfall findet man die Laserwege~- also die Schneidbahnen für den Laserstrahl - am günstigsten interaktiv graphisch. Für den Massenfall können die so gefundenen Prototypwege auch algorithmisiert werden, so ,daß die Mensch-Maschine-Interaktion zugunsten der Vollautomatisierung ersetzt wird. Die graphische Interaktion

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führt man günstigerweise mit einem graphischen Editor durch. Ein solcher Editor entsteht beispielsweise aus einer geringen Erweiterung des "Graphischen Kernsystems" GKS (DIN 66252, ISO/DIS 7942), welches in Fig. 16 in der untersten Zeile mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet ist.

Der direkte Anschluß von Fertigungsmaschinen an herkömmliche Plotsysterne oder an das graphische Kernsystem 134 ist ein weiteres wichtiges Element der~Erfindung. Für diesen Zweck ist lediglich ein "Gerätetreiber" NC;? 136, nicht aber ein kosten- oder entwicklungsintensivas Spezial-CAM-System nötig.

Fig. 17 zeigt in der obersten Zeile noch einmal zusammengefaßt die voranstehend beschriebene, aus zwölf Gliedern bestehende Verfahrenskette, welche von der "Blackbox" 100 in Fig. 16 erfaßt ist.

In der zweiten Zeile sind in Fig. 17 die einzelnen Blöcke bzw. Kästen nochmals dargestellt, und durch Pfeile mit den Zahlen 1....8 sind jeweils einzelne Verfahrensschritte herausgeführt und dem Graphikglied GKS 160 zugeführt. Mit dieser Darstellung soll angedeutet werden, daß an .jeder Stelle der Kette innerhalb des gestrichelt gezeichneten Computers 102 im Hinblick auf die Fertigung

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fortgeschrittene Bilder entstehen, die man über ein Computer-Graphik^System auf Geräte - wie einen Graphikbildschirm 138 (DIS) oder einen Plotter 140 (PL) sichtbar machen kann. So wie diese Geräte durch einen Treiber beispielsweise an das Graphiksystem 134 angeschlossen werden, kann auch eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine 16 angekoppelt werden. Sie ist dann quasi als ein weiteres Endgerät eines Graphiksystems aufzufassen.

Dem Graphiksystem kommt daher bei der Erfindung eine zentrale Bedeutung zu. Einerseits können damit in jeder Verfahrensphase Bilder angezeigt werden. Dies ist unter anderem deshalb von Vorteil, weil dadurch eine rasche Kontrollmöglichkeit besteht, bevor die Endausgabe auf eine vergleichsweise langsame Fertigungsmaschine erfolgt. Zur Verdeutlichung wird Bezug auf Fig. 15 genommen, welche beispielsweise eine mit einem Graphikeditor erstellte Ausschnittsvergrößerung zeigt.

Andererseits stellt das Graphiksystem bei der Erfindung ein Bindeglied zwischen dem CAM-Glied (vgl. 110 in Fig. 16) und der Fertigungsmaschine 16 dar.

Die Bedeutung des Graphiksystems wird auch anhand von Fig. 18 deutlich, welche unter EDV-Gesichtspunkten

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skizziert ist.

In dem "Schalenmodell¹¹ gemäß Fig. 18 kommen bildgebende Verfahren (BV) 12, Computer Aided Design (CAD; 108 und Computer Aided Manufacturing (CAH) 110 zur Anwendung. Zum Computer Aided Design 108 gehört typischerweise eine Datenbank mit problemspezifischen Inhalt (hier Nprmdaten biomedizinischer Objekte). Als Endgerät des Graphiksystems 112 kommen Plotter 140 und Bildschirme 138 in Betracht. Es ist im Rahmen der Erfindung nachgewiesen, daß sich für den hier verfolgten Zweck der Fertigung von Modellen numerisch gesteuerte Maschinen 16 in Analogie koppeln lassen.

Ergänzend zur obigen Beschreibung und Erläuterung von Fig. 5-9 sei noch angemerkt, daß für den Fall, daß die beiden Phasen 42 und 44 gleich ausgebildet sind, eine eindeutige Zuordnung für das Aufeinanderstapeln innerhalb der Paßkammer 58 noch nicht gewährleistet ist, da die einzelnen Paßrahmen 32 - 38 dann sowohl mit ihrer Vorder«als auch der Rückseite nach" oben in die Paßkammer 58 eingeführt werden können. Hier kann die gewünschte Eindeutigkeit dadurch hergestellt werden, daß die einzelnen Paßrahmen auf ihrer einen Oberfläche nummeriert werden und das die Seiten mit den Nummern immer nach oben zeigen.

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Es ist aber selbstverständlich auch möglich, die beiden ;' Phasen unterschiedlich groß bzw. mit unterschiedlicher Neigung auszubilden, wodurch dann schon allein die \-

Eindeutigkeit gewährleistet ist.

Die vorgesehenen Sollbruchstellen, die das Abbrechen der Stege 50 - 56 von den Scheiben 22 - 28 erleichtern sollen, können übrigens durch an der Übergangsstelle zwischen den Stegen und den Scheiben vorgesehene. Löcher oder Schlitze gebildet sein.Es kann aber auch ausreichend sein, den Verbindungsbereich entsprechend schmal auszubilden.

Zu Fig. _%'15 sei ergänzend noch angemerkt, daß gemäß der dortigen Darstellung die einzelnen Paßrahmen nach dem Sehneidvorgang z.B. mittels eines Fräsers aus der Materialplatte 88 herausfallen. Es ist allerdings auch möglich, zwischen den benachbarten Paßrahmen soviel Platz zu lassen, daß ein Herausfallen verhindert ist, und daß die einzelnen Paßrahmen herausgebrochen werden können.

Die Darstellungen gemäß Fig. 19 und 20 beruhen auf einer Plotter-Zeichnung, die auf Grund von Computer-Tomographie-Aufnahmen und der nachfolgenden Rechnerkette mittels eines Computers gefertigt sind. An Stelle der

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weiter oben erwähnten viereckigen Paßrahmen sind hier Winkelrahmen 142 vorgesehen, a.\ welchen die einzelnen jeweiligen Scheiben wieder über Stege gehalten sind. Ein "zellenförmiges Leuen" der Fig. 19 und der Fig. läßt erkennen, wie sich die einzelnen Querschnittsformen der im Original übereinander befindlichen Scheiben ändern.

Bei der bisherigen Erläuterung der Erfindung wurde stets davon ausgegangen, daß gewünschte körperliche Modell durch Aufeinanderstapeln einzelner den Schichtaufnahmen eines Computertomogramms zugeordneten Scheiben herzustellen. Auf diesen Aspekt ist der erfindungsgemäße Grundgedanke jedoch nicht beschränkt.

An. Hand von Fig. 21 wird nachstehend erläutert, daß es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, Hohlraummodelle bzw. "Negativmodelle" vorzusehen, um ein körperliches Modell des Originals herzustellen.Bei dieser Lösung wird wiederum die Umrißlinie 148 der einzelnen _A Scheiben zugrunde gelegt, allerdings begrenzt die Umrißlinie 148 hier einen ausgeschnittenen Hohlraum innerhalb von zugeordneten Formscheiben 144.

,Beim Aufeinanderstapeln einer Vielzahl solcher Formscheiben 144 entsteht - vergleichbar mit der Gußtechnik

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- ein Hohlraum, dessen Wandunj die Konturen des Originals wiedergibt.Dieser Hohlraum 150 kann dann - wie an sich aus der Gußtechnik her bekannt - mit einer Vergußmasse ausgefüllt bzw. vergossen werden, um sin Modell zu erhalten, welches hier allerdings nicht aus einzelnen Scheiben, sondern, durch die erstarrte Vergußmasse gebildet ist.

Die aufeinandergestapelten Formscheiben 1<':4 werden durch Formkastenstifte 152 zusammengehalten und in ein hier nicht dargestelltes Paßgehäuse eingebracht.

Um die Formscheiben 144 eindeutig in ein Paßgehäuse einzuführen, besitzen sie unterschiedlich ausgebildete 'Phasen 151 und 153. Ferner sind etwa in der Mitte Sollbruchlinien 146 vorgesehen. Nachdem der Hohlraum 150 vergossen und die Vergußmasse abgekühlt ist, können die aufeinandergestapelten Formscheiben 144 einzeln an den Sollbruchlinien 146 voneinander getrennt werden, so daß der mit der Vergußmasse ausgefüllte "Hohlraum" 150, jetzt also das körperliche Modell, übrig bleibt.

Sowohl ein nach der voranstehend beschriebenen Methode als auch nach der oten so bezeichneten Methode der Finiten Scheiben hergestelltes Modell besitzt an seiner

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Außenwandung diskrete Abstufungen auf Grund der verwendeten endlichen Scheibendicke.

Vor allem an Hand der Finiten Scheiben soll unter Bezugnahme auf Fig. 22 und 23 erläutert werden, wie hier eine Anpassung an die Gegebenheiten des Originals möglich ist.

Fig. 22 zeigt drei aufeinanderliegende Scheiben 154 156 und 158. Es ist deutlich die Abstufung zwischen den einzelnen Scheiben zu erkennen.

Innerhalb der mit Hilfe von Computern verwirklichteil Rechnerkette läßt sich durch ein Programm ohne weiteres bestimmen, unter welchem Winkel cC sich zwei benachbarte Eckpunkte zweier aufeinanderfolgender Scheiben - hier die Scheiben 154 und 156 - befinden. Beim Ausschneiden der betreffenden Scheibe bzw. Scheiben aus einer Materialplatte läßt sich nun das Schneidwerkzeug - z.B. ein Laserstrahl - während des Ausschneidens in der Weise steuern, daß das Ausschneiden nicht senkrecht zur Ebene der Materialplatte, sondern unter einem jeweiligen Winkel OC erfolgt. Die Neigung des Schneidwerkzeuges bezogen auf die Materialplatte wird also während des Schneidvorcanges /geändert, und in Fig. 23 kann man erkennen, daß sich so eine "geglättete" bzw. angepaßte äußere Form des aus den

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aufeinandergestapelten Scheiben 154, 156/ 158 bestehenden Modelles erreichen läßt.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches auf dem voranstehend an Hard von Fig. 21 erläuterten Grundgedanken des "Negativmocells" beruht, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 24 erläutert. Ausgangspunkt ist hier die Überlegung, für den Chirurgen ein plastisches Modell zu schaffen, welches den betreffenden Knochen innerhalb des menschlichen Körpers zeigt.

Als Beispiel sei gemäß Fig. 24 angenommen, ein Modell eines menschlichen Beines (Umrißlinie 168) mit dem darin befindlichen Knochen (Scheiben 162) herzustellen. Die Umrißlinien 168 sowie die Umrißlinien der einzelnen Scheiben 162 lassen sich wiederum mit Schichtaufnahmen festlegen.

In der Draufsicht auf eine Formscheibe 160 in Fig. 24 _λ kann man erkennen, daß wiederum ein hier ringförmiger Hohlraum 166 ausgeschnitten wird, begrenzt durch die Umrißlinien 168 des hier angenommenen menschlichen Beines. Der ringförmige Hohlraum 166 ist lediglich •unterbrochen durch Verbindungsstege 164, welche die

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Scheiben 162 an den Formscheiben 160 festhalten.

Wenn man entsprechend den einzelnen Schichtaufnahmen eine Vielzahl von Fornscheiben 160 in einem Paßgehäuse aufeinanderstapelt, entsteht r.uch in diesem Fall eine "Gußform" (Hohlraum 166) der hier mit einer vorzugsweise

durchsichtigen Vergußmasse verfüllt wird. Die aufein- |

andergestapelten Scheiben 162 stellen praktisch den fs

Kern dar, der nicht mit einer Vergußmasse ausgefüllt

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Ähnlich wie zuvor schon an Hand von Fig. 21 beschrieben, \Ä besitzen die Formscheiben 160 Bruchlinien 170, so daß nach dem Erstarren der durchsichtigen Vergußmasse die einzelnen Hälften der Formscheiben 160 durch Abbrechen entfernt werden können, übrig bleibt dann ein durch die Umrißlinien 168 begrenztes und im Bereich des Hohlraumes 166 durchsichtiges Modell, welches den aus übereinandergestapelten Scheiben 162 gebildeten Knochen innerhalb des Beines erkennen läßt. Der bei dem so hergestellten fertigen Modell übrigbleibende Steg 164 kann relativ schmal ausgebildet werden, so daß er nicht weiter störend ist.

Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung also eine Vielzahl von praktischen Anwendungsfällen, die dem

Chirurgen, der für seine Operationsplanung und - Vorbereitung ein Modell benötigt, von großer Hilfe sind.

Claims

PATENTANWALT. .... ._: .··. .··.:

DIPL.-ING. UWE THÖM£N.:.^:.J

EUROPEAN PATENT ATTORNEY

Dipl.-Ing. Karsten Reumann 420/1

Patentansprüche

1. Anordnung zur Fertigung von dreidimensionalen körperlichen Modellen eines Organes (oder eines Teiles davon) des menschlichen Körpers, insbesondere zur Fertigung von Knochen-Modellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung die folgenden Bestandteile umfaßt:

a) einen Bildgeber (12) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Schichtbildern (Querschnitten) an unterschiedlichen Stellen des Organes (10), und damit zur Erzeugung von die erfaßten Schichten des Organes (10) charakterisierenden Primärdaten,

b) ' einen sich daran anschließenden Wandler

(14) zur Umwandlung der Primärdaten in die äußeren Umfangslinien (Begrenzungslinien) der einzelnen Schichten re- . präsentierenden (Scheiben-) Modelldaten/

c) eine von den Modelldaten gespeiste Bearbeitungsmaschine (16) mit steuerbareh Werkzeugen zur Fertigung von den Schienten entsprechenden Scheiben (22-28; 70-78) aus einer bearbeitbaren Materialplatte (88), aus welchen Scheiben durch Aufeinanderstapeln das körperliche Modell (18) herstellbar ist, und

d) einer Paßvorrichtung (58;66,68) zum definierten Stapeln der Scheiben (22-28; 70-78).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgeber (12) ein Tomographie-Gerät ist, aus welchem die Primärdaten abgeleitet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgeber (12) durch einen Röntgenapparat gebildet ist, und daß die Primärdaten aus den

Röntgenbildern abgeleitet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) aus einem Computer | oder mehreren Computern mit einer Irogrammkette zur Erzeugung der (Scheiben-) Modelldat.en besteht.

5; Anordnung nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet/ daß die Bearbeitungsmaschine (16) durch eine numerisch gesteuerte Maschine gebildet ist, und daß das gesteuerte Werkzeug ein Schneidwerkzeug zum Schneiden der Scheiben (22-28; 70-78) aus der Materialplatte (88) beinhaltet.

6. ' Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug durch einen Laserstrahl gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Scheibe (22-28; 70-78) mittels Stege (50-56) in ' einem Paßrahmen (32-38) angeordnet ist, und daß die Paßrahmen (32-38) identische Abmessungen aufweisen.

.8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe

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(22-28; 70-78), die Stege (50-56) und der Paßrahmen (32-38) einteilig ausgebildet sind.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden. Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (22-28; 70-78) an ihrer Übergangsstelle zu den Stegen (50-56) an einer Sollbruchstelle von dieser trennbar ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenüberliegende Rahmenseiten des Paßrahmens (32-38) etwa in ihrer Mitte durch eine Unterbrechung (46) aufgetrennt sind.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innenecken des Paßrahmens (32-38) jeweils ein Einschnitt (40) als Sollbruchstelle vorgesehen ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden An- ,, sprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßvorrichtung durch eine nach oben offene Paßkammer

(58) gebildet ist, deren Innenabmessungen zur Aufnahme der die Scheiben (22-28) tragenden Paßrahmen ausgebildet sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Paßrahmen (Γ2-38) an mindestens einer Ecke eine Phase (42,44) besitzt, und daß die Paßkammer (58) innen entsprechend ausgefüllte Kanten (60,62) aufweist, so daß der Paßrahmen (32-38) ausschließlich in einer einzigen definierten Lage in die Paßkammer (58) einführbar ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßvorrichtung mindestens zwei auf einer Unterlage (64) senkrecht angeordnete Paßstifte (66,68) umfaßt, und daß die Scheiben (70-78) mit entsprechenden Bohrungen (80-82) zur Aufnahme der Paßstifte (66,68) versehen sind, so daß die örtlichen Lagen der aufeinandergestapelten Scheiben (70-78) durch die ortsfest angeordneten Paßstifte (66,68) definiert sind. -

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßvorrichtung durch ein nach oben offenes Paßgehäuse (ipO) gebildet ist, dessen eine Seitenwand durch einen durchgehenden Schlitz (92) aufgetrennt ist, und daß die Scheibe (94) über einen Verbindungssteg (96), .dessen Breite der Breite des Schlitzes (92) ent-

spricht, mit einer Paßplatte (98) verbündtin ist, dären /^messung den Innenabmessungeri des Paßgehäuses (90) entspricht, und daß die .Scheibe (94), der Verbindungssteg (96) und die Paßplatte (98) . einteilig aus der Materialplatte (88) ausgeschnitten sind.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (94) an der Verbindungsstelle mit dem Verbindungssteg (96) (Sollbruchstelle) von diesem abbrechbar ist.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden An- · Sprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialplatte (88) aus Sperrholz besteht.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialplatte (88) aus durchsichtigem Material besteht. ;,

19. Verfahren zur Fertigung eines dreidimensionalen körperlichen Modells eines Organes (oder eines Teiles davon) des menschlichen Körpers, insbesondere zur .-Fertigung von Knochenmodellen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) einem bildgebenden Verfahren zur Erzeugung von einzelne Schichten des Organes (10) charakterisierenden Primärdaten,

b) einer Rechnerverfahrenskette zur mathematischen Erzeugung von die äußeren Umfangslinien (Begrenzungslinien) der einzelnen Schichten darstellenden (Scheiben-) Modelldaten,

c) einem numerisch gesteuerten Bearbeitungsverfahren (16) zur Bearbeitung einer Materialplatte (88), um daraus Scheiben (22-28; 70-78) auszuschneiden, deren Umrißlinien den Umfangslinien (84) der Schichten des Organes (10) entsprechen, und

d) einem Paßverfahren, um die örtliche Lage der Scheibe (22-28; 70-78) in einer Paßvorrichtung (58;66,68;90) entsprechend der zugeordneten Schicht des Organes (10) definiert festzulegen.

•20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß als bildgebendes Verfahren die Computer-Tomographie verwandet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren die Sonographie verwendet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als bildgebendes Verfahren das Kern-Spin-Resonanz-Verfahren verwendet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn- \i

i zeichnet, daß als bildgebendes Verfahren die konven- 5$

tioneile Röntgentechnik verwendet wird. _ £j

24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn- | zeichnet, daß als Teil der Rechnerverfahrenskette S

Algorithmen aus dem Bereich der Bildverarbeitung ver- |j

wendet werden. |

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zeichnet, daß als Teil der Rechnerverfahrenskette U

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Algorithmen aus dem Bereich der Computer-Graphik $

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26. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß Algorithmen aus dem Bereich des "Computer- Aided-Design" (CAD) verwendet werden.

27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Teil des numerisch gesteuerten Bearbeitungsverfahrens Algorithmen aus dem Bereich des "Computer-Aided-Manufacturing" (CAM) verwendet werden.

28. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Organ auf der Basis eines Patientenkollektivs Normdaten gewonnen werden, und daß diese Daten in einem Speicher abrufbereit zur Verfügung gestellt und in die Rechnerverfahrenskette im Zuge eines mathematischen Interpolationsverfahrens mit einbezogen werden.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß als numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine (16) eine Laserschneidmaschine verwendet wird.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß als ,numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine (16) eine

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Fräse verwendet wird.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß als. numerisch gesteuerte Bearbeitungen aschine (16) eine Brennschneidmaschine verwendet wird.

32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß als numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine (16) eine Wasserstrahl-Schneidmaschine verwendet wird.

33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 28, dadurch gekennzeichnet, daß als numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine (16) eine Säge verwendet wird.

34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 - 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (22-28) zusammen mit einem Paßrahmen (32~38) , und die Scheiben (22-28) haltende Stage (50-56) einteilig aus der Materialplatte (88) ausgeschnitten und danach in einer Paßkammer (58) aufeinandergestapelt werden.

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35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (22-28) miteinander verklebt werden.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (22-28) miteinander verschraubt werden.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergestapelten Paßrahmen (32-38), deren innere Scheiben (22-28) miteinander verklebt sind, aus der Paßkammer (58) genommen werden, und daß die Paßrahmen (32-38) und die Stege (50-56) von den verklebten Scheiben (22-28) getrennt werden.

38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Paßrahmen (32-38) und der Stege (50-56) von den Scheiben (22-28) durch Abbrechen einzeln pro Paßrahmen bzw. pro Scheibe erfolgt

39. Verfahren (und Anordnung) zur Fertigung eines dreidimensionalen körperlichen Modells eines Organes (oder eines Teiles davon) des menschlichen Körpers,

,-insbesondere zur Fertigung von Knochenmodellen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) einem bildgebenden Verfahren zur Erzeugung von einzelne Schichten des Organes (10) charakterisierenden Primärdaten,

b) einer Rechnerverfahrenskette zur η athematischen Erzeugung von die äußeren Umfangslinien (Begrenzungslinien) der einzelnen Schichten darstellenden (Scheiben-) Modelldaten,

c) einem numerisch gesteuerten Bearbeitungsverfahren (16) zur Bearbeitung einer Materialplatte, um daraus Hohlräume (150;166) auszuschneiden, deren Umrißlinien den Umfangslinien der Schichten des Organes (10) entsprechen, und

d) einen Paßverfahren, um die örtliche Lage der Hohlräume (150;166) in einer Paßvorrichtung entsprechend der zugeordneten * Schicht des Organes (10) definiert festzulegen.

40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, ,daß die Hohlräume (150;166) aus Formscheiben (142; 160) ausgeschnitten werden, die mit einer Sollbruchlinie (146;170)

- 13 - ,

3 4 3 7 > 8 3

versehen sind, so daß sie in zwei Hälften auseinandergebrochen werden können.

41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Formscheiben (142;160) in einer Paßvorrichtung aufeinandergestapelt werden, und daß der dadurch gebildete Hohlraum (150;166) mit einer Gußmasse ausgefüllt wird.