Quelltext der Seite Lernangebot 2 - LS1.7 - Digitalisierung

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====Einführung====
[[Bild:Sirona blue cam.png|thumb|right|Simulierter Intraoralscan mit der Sirona Bluecam (Streifenlichtprojektion)]] Für die [http://de.wikipedia.org/wiki/Digitalisierung Digitalisierung] von dreidimensionalen Objekten werden in der Zahntechnik verschiedene '''optische''' und ein '''taktiles''' '''Messverfahren''' angewendet. Die folgende Liste zeigt eine Auswahl der wichtigsten Verfahren zum 

*Scannen von '''Modellen und Abformungen'''
*Erstellen von '''Intraoralscans''' ('''CAI''' - Computer Aided Impressioning)
*Erstellen von '''3D-Scans des Patientengesichts''' zur Unterstützung der Planung und Konstruktion des Zahnersatzes (z.B. [http://www.zirkonzahn.com/de/produkte/geraete/face-hunter Face Hunter (Fa. Zirkonzahn]).


Unter '''Digitalisierung''' versteht man versteht man das Erfassen von Informationen (z.B. Oberfläche, Farbe) über physische Objekte in Formate, die sich zur Verarbeitung oder Speicherung in digitaltechnischen Systemen eignen. (Vgl. [http://de.wikipedia.org/wiki/Digitalisierung Digitalisierung]).




In diesem Lernvideo findest du eine Vortrag deiner Lehrkraft zum Thema "Digitalisierungsverfahren": 

<html><video controls width="320"><source src="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/digitalisierung_i720.mp4" type="video/mp4">Sorry, dein Browser unterstützt eingebettete Videos nicht. Du kannst das Video <a href="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/digitalisierung_i720.mp4">hier</a> herunterladen und mit einem Player deiner Wahl abspielen.</video></html>




*'''Optische Verfahren'''
**'''''Nicht-Paralleler Strahlengang'''''
***Digitalisieren (Modelle, Gesicht) mit einer '''Laserlinie''' ([http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtschnitt Lichtschnittverfahren], Messprinzip '''Triangulation''')
***Digitalisieren (Modelle, CAI, Gesicht) mit '''[http://de.wikipedia.org/wiki/Streifenlichtscanning Streifenlichtprojektion]''' (Messprinzip '''Triangulation''')
***Digitalisieren (CAI) mit der Cerec [https://www.dentsplysirona.com/de-de/produkte/cad-cam/praxis/scannen-mit-cerec.html Omnicam / Primescan] (Video und Triangulation)
**'''''Paralleler Strahlengang'''''
***Digitalisieren (CAI) mit dem '''[http://de.wikipedia.org/wiki/Konfokaltechnik konfokalen Messprinzip]''' mit einem  [http://de.wikipedia.org/wiki/Konfokaltechnik#Chromatisch_konfokaler_Sensor chromatisch konfokalen Sensor] ([https://www.3shape.com/de-de/products/trios/intraoral-scanners# 3Shape Trios] [https://www.itero.com/de Cadent itero])
***Digitalisieren (Modelle) mit Hilfe der '''[[Konoskopischen Holographie]]''' (NobelProcera® 2G der Fa. Nobel Biocare)
***Digitalisieren (CAI) mit Videoaufnahmen '''(3D-in-Motion)'''  ([https://www.midmark.com/dental/products/digital-impressions?utm_source=midmark&utm_medium=product-launch&utm_campaign=dental-true-def&utm_content=dlr-eu Funktionsweise des Mindmark True Definition Scanners],  Messprinzip '''Active Wavefront Sampling''' - [https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/38258/150961779-MIT.pdf?sequence=2 Hier] steht ganz genau, wie das funktioniert ;-), das musst du aber weder lesen noch wissen!)
*'''Mechanische (taktile) Verfahren'''
**Digitalisieren (Modelle) durch '''Abtastung''' des Objektes mit einem taktilen Sensor [https://www.schuetz-dental.de/de/zahntechnik/cadcam/cadcam-scanner/3132/renishaw-scanner-ds-10-taktiler-scanner Modellscanner der Firma Renishaw]



Eine Übersicht von zugelassenen Intraoralscannern ist [http://www.medicalexpo.de/tab/cad-intraoral-scanner.html hier] zu finden.


====Technische Grundlagen====

[[Bild:Punktewolke_Kugel.png|thumb|right|Punktewolke einer gescannten Kugel]]Das extraoral fast ausschließlich und bei einigen Systemen auch intraoral genutze  '''Messprinzip''' der '''Triangulation''' wird hier beispielhaft näher erläutert und ausprobiert. 

Die Lichtquelle des 3D-Scanners wirft ein '''Streifenlichtmuster''', eine '''Laserlinie''' oder auch '''Lichtpunkte''' auf das Modell oder die Zähne im Mund. Eine digitale '''Video-Kamera''' nimmt dieses Muster auf. Die Software des Scanners berechnet aus der Abweichung der Linien auf dem Modell zur Blickrichtung der Kamera die dreidimensionale Struktur des Modells. Damit überhaupt eine Abweichung zu sehen ist, müssen Lichtquelle und Video-Kamera im Winkel zueinander positioniert sein. Sie dürfen nicht genau aus der selben Richtung auf das Modell "schauen". Aus den Einzelbildern der Videoaufnahmen berechnet die Scansoftware eine sogenannte "'''Punktewolke'''". Das ist eine Ansammlung von Punkten im dreidimensionalen Raum ('''Voxel''', ''Volumetric Pixel''), deren jeweilige Position mit jeweils drei Koordinaten genau festgelegt ist.

[[Datei:Sichbarer_bereich_scannen.png|thumb|right|Laser und Kamera "sehen" nicht alle Bereichs des Objektes]]Weil z.B. ein Stumpf auf deinem Modell nicht rundherum gleichzeitig von der Kamera und der Laserlinie (oder dem Steifenlichtprojektor) zu sehen ist, wird das Modell mehrfach gedreht und gekippt. So entstehen mehrere Punktewolken, die dann von der Software zusammengefügt werden müssen. Diesen Vorgang nennt man "'''matchen'''" (''engl: to match, aufeinander abstimmen''). Dabei werden nur die Punkte der Punktewolke verwendet, die gut zusammenpassen. Punkte, die fehlerhaft erscheinen (weil sie z.B. weit von allen anderen weg liegen) werden dabei von der Scanner-Software verworfen.

Je nach Scanner-Qualität liegen die Punkte der Punktewolke ca. 5-50 [http://de.wikipedia.org/wiki/Meter#Gebr.C3.A4uchliche_Einheiten Mikrometer] auseinander. Die daraus entstehende Datenmenge für ein Modell ist ziemlich groß, daher werden für diese Arbeit leistungsstarke Computer benötigt.




====Messprinzip Triangulation====

[[Datei:Prinzip_laserscanner.png|thumb|right|Das Funktionsprinzip eines Laserscanners]]Die Scanner-Software bestimmt beim Lichtschnittverfahren mit vielen einzelnen Bildern und einer Laserlinie einen Punkt im dreidimensionalen Koordinatensystem. Du kannst das nun am Beispiel eines kleinen, rechtwinkligen Papierstumpfes lernen.

Den '''Versuchsaufbau''' kannst du der kleinen Präsentation zum [http://www.wikidental.de/pdf/cad_cam/ls1/praesentation_triangulation_ls1.pdf Messprinzip Triangulation] entnehmen. Die Kamera wird in diesem Versuch durch das Auge ersetzt, die Laserlinie durch das zur Verfügung stehende "Laserlineal".

Es sollen die beiden Ecken des Papierstumpfes digitalisiert werden, die am Ursprung des Koordiantensystems liegen. Zeigt die Laserlinie im 45°-Winkel zur "Kamera" (Auge) auf die unterste Ecke des Stumpfes, wird sie nicht gebrochen. Die Koordinaten der Ecke lauten (0,0,0). Zeigt die Laserlinie auf die Ecke darüber, wird die Laserlinie auf der X-Y-Ebene um 2cm verschoben (gebrochen). Damit lauten die Koordinaten für diese Ecke (0|0|2).


Mathematisch gesehen ergibt sich die '''Höhe''' des gemessenen Punktes (Wert des Punktes auf der Z-Achse) aus der horizontalen Abweichung der Laserlinie auf dem Objekt. Dieser horizontale Abstand wird von der Software gemessen. Seine Größe wird durch den [http://de.wikipedia.org/wiki/Tangens Tangens] des Winkels zwischen Laser und Kamera geteilt. Günstigerweise hat der [https://de.wikipedia.org/wiki/Tangens_und_Kotangens Tangens] von 45° den Wert 1!  Es sind aber auch kleinere oder größere Winkel möglich. Dieses Verfahren nennt man '''Triangulation'''.


<html><img src="http://latex.codecogs.com/gif.latex?Hoehe&space;=&space;\frac{Horizontale&space;Entfernung}{\tan&space;45^\circ}" title="<tex>Hoehe = \frac{Horizontale Entfernung}{\tan 45^\circ}" /></html>



Hier findest du ein Lernvideo mit weiteren Erklärungen zur Triangulation:

[[file:triangulation_vereinfacht_i720.mp4]]


Diese kurze Video kann den Versuch ergänzen oder ersetzen:

<html><video controls width="320"><source src="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/triangulation_3d_i720.mp4" type="video/mp4">Sorry, dein Browser unterstützt eingebettete Videos nicht. Du kannst das Video <a href="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/triangulation_3d_i720.mp4">hier</a> herunterladen und mit einem Player deiner Wahl abspielen.</video></html> 



Diese Erklärungen stellen eine grobe Vereinfachung der Triangulation dar. Solltest du beim Selbstlernen Level 4 erreichen, wirst du dir eine exaktere Erklärung erarbeiten.


====Digitalisieren und Zusammenführen mehrerer Punktewolken (Matchen)====

Bei der Digitalisierung des Papierstumpfes mit Hilfe der Laserlinie und der Triangulation benötigten wir nur eine Blickrichtung um alle Ecken des "Stumpfes" zu erfassen. Das funktioniert mit komplexeren gekrümmten Objekten nicht mehr. Das Objekt muss mehrfach aus verschiedenen Blickwinkeln digitalisiert werden. Dazu wird das Objekt vor der Kamera und der Laserlinie gedreht und/oder gekippt. Anschließend müssen die so entstandenen Punktewolken passend zusammengefügt werden, da sie ja in unterschiedlicher Lage im Koordinatensystem vorliegen.

Zum Matchen wird das '''[https://de.wikipedia.org/wiki/Iterative_Closest_Point_Algorithm ICP-Alignment]''' verwendet. Der '''Iterative Closest Point Algorithm (ICP)''' ist ein [https://de.wikipedia.org/wiki/Algorithmus Algorithmus], der es ermöglicht, '''Punktwolken''' aneinander '''anzupassen'''. Dabei werden in vielen sich '''wiederholenden Schritten''' ([https://de.wikipedia.org/wiki/Iteration iterativ]) der '''nächste''' (closest) ähnliche '''Punkt''' (point) einer zweiten Punktewolke zur ersten gesucht und dann '''angenähert'''. Das '''wiederholt''' sich '''viele Male''' hintereinander. Je öfter das durchgeführt wird, desto länger dauert das Matchen. Allerdings wird es auch '''genauer''', je '''öfter''' der Algorithmus wiederholt wird.
Passen die Punktewolken nicht ganz genau zueinander, entstehen automatisch kleine '''Fehler'''. Haben die Punktewolken '''nicht genug überlappende Bereiche''', entstehen ebenfalls '''Fehler'''. Je größer der Fehler, desto ungenauer wird das Ergebnis des Matchens.

Beim Intraoralscannen müssen die Scans der beiden Kiefer mit dem Vestibulärscan gematched werden. Wie das funktioniert, lernst du mit Hilfe einer Software später im Selbstlernen.


ICP-Alignment mit Blender4Dental:

<html><iframe width="280" height="158" src="https://www.youtube.com/embed/f3N35b4nlkc" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe></html>




====Übung====


{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|'''Normales Lernen'''

Bearbeite nun im Anschluss an die Einführung in Grundlagen der Digitalisierung [[:file:arbeitsblatt_grundlagen_digitalisierung_ls1.pdf | dieses Arbeitsblatt]].

Alternativ oder ergänzend kannst du die Aufgaben des Arbeitsblattes auch mit den interaktiven Übungen im Moodle-Kurs bearbeiten.
}}




Du hast nun Gelegenheit, mit Unterstützung der Projektlehrkrafte das Messprinzip Triangulation und die intraorale Digitalisierung durchzuführen.


{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|'''Papierstumpf digitalisieren'''

'''Digitalisiere'''  den rechteckigen Papierstumpf. Du hast ihn beim normalen Lernen schon kennen gelernt.
In der Schule liegen schon fertig gebastelte Stümpfe und Laserlinien-Lampen für das Selbstlernen bereit. Du kannst dir zuhause mit diesem [[:file:arbeitsblatt_bastelbogen_eckiger_stumpf_ls1.pdf | Bastelbogen]] selbst einen Papierstumpf zum Üben basteln, wenn du möchtest. 

'''Schreibe''' die Koordinaten der acht digitalisierten Ecken in die Liste über diesem [[:file:arbeitsblatt_koordinatensystem_ls1.pdf | Koordinatensystem]].

'''Zeichne''' die sich daraus ergebende Punktewolke in das dreidimensionale rechtshändige Koordinatensystem. Verwende dabei die Kavaliersperspektive (der Begriff wird auf dem Arbeitsblatt [[:file:arbeitsblatt_koordinatensystem_ls1.pdf | Koordinatensystem]] erläutert).

Zusätzliches '''Lernvideo''' zur Digitalisierung des Papierstumpfes:

[[file:dw_koordinatensystem.webm]]


Ergänzend dann kannst du die Digitalisierung des vollständigen eckigen Stumpfes mit Hilfe dieses Videos anschauen:

<html><video controls width="320"><source src="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/triangulation_3d_i720.mp4" type="video/mp4">Sorry, dein Browser unterstützt eingebettete Videos nicht. Du kannst das Video <a href="http://www.martinalensing.de/videos_wikidental/dw/ls1/triangulation_3d_i720.mp4">hier</a> herunterladen und mit einem Player deiner Wahl abspielen.</video></html> 
}}


{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|'''Intraoralscan durchführen'''

In der Schule steht dir der [https://www.3shape.com/de/scanners/trios-3-basic Trios 3 Intraoralscanner] zur Verfügung. Du digitalisierst einen Quadranten unseres Übungspatienten "Thomas" ;-).

'''Beachte''' die Hinweise der Scansoftware zur Vorgehensweise!

'''Kontrolliere''' deine Punktewolke und ergänze sie, wenn Bereiche fehlen!

'''Speichere''' die Scandaten nach den Regeln des Datenmanagements. 

}}




Wenn du Zeit hast, kannst du mir noch das ICP-Alignment ausprobieren:

{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|'''Matchen von Intraoralscans mit Hilfe eines Vestibulärscans'''

'''Matche''' die OK- und UK-Netze eines echten Intraoralscans mit [https://www.meshlab.net/ Meshlab] mit Hilfe eines Vestibulärscans.

Die Punktewolke des Oberkiefers und die des Unterkiefers werden '''separat''' mit einem Vestibuläscan gematcht. Hier werden die gematchten Punktewolken aber anschließend '''nicht''' '''zusammengeführt''', wie es beim Matchen mehrerer Punktewolken eines Objektes der Fall wäre. Die beiden Punktewolken müssen am '''Vestibulärscan ausgerichtet werden''', damit sie anschließend '''okklusal''' im Koordinatensystem '''zueinander passen'''! Die Punktewolke des Vestibulärscans wird anschließend nicht weiter verwendet!

'''Lernvideo zum ICP-Alignment mit Meshlab:'''

[[File:icp-alignment_meshlab_i720.mp4]]

Die notwendigen STL-Dateien kannst du [http://www.wikidental.de/stl/cad_cam/cad_cam_stl_intraoralscan.zip hier als ZIP-Archiv herunterladen]. 

Das '''Ergebnis des Matchens''' speicherst du nach den Regeln des Datenmanagements.



Lernvideo zu Fehlern beim ICP-Alignment:

[[File:icp-alignment_fehler.mp4]]

'''Beschreibe''' zusätzlich schriftlich in '''eigenen Worten''', warum beim Matchen von Punktewolken mit dem ICP-Alignment Fehler auftreten und kleine Fehler zu größeren werden können. 
'''Zeige''' und '''begründe''' mögliche Ungenauigkeiten oder Fehler an der okklusalen Zuordnung der Intraoralscans.

}}




Immer noch Lust auf zusätzliche Kompetenzen? Dann schau dir mal das hier an:

{{Vorlage:Lernwerkstatt_Farbe_Auftrag|'''"Job to do" Messprinzip Triangulation'''

Zum Abschluss wird es kniffelig:

'''Studiere''' in Ruhe den Artikel [[Messprinzip Triangulation - Level 4]].

'''Digitalisiere''' nun einen oder mehrere Punkte auf dem im Unterrichtsraum zur Verfügung stehenden großen Zahnmodells mit Hilfe der neu gelernten realistischeren Triangulationsmethode. Du spielst wieder die Kamera und hältst die Laserlinie. Dokumentiere deine Vorgehensweise schriftlich!}}


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'''Das Selbstlernen findet aus Zeitgründen im Moment am ADBK im Unterrichtsprojekt nicht statt.'''
Bei Interesse kannst du natürlich trotzdem dort lesen und deine Kompetenzen erweitern.


===Selbstlernen===

Deine '''erste Begegnung''' mit dem kompetenzorienten, selbstwirksamen und individualisierten Lernen, kurz: '''[[Selbstlernen]]''' hattest du im [[Projekt Zähne zeigen]]. Du hast dort eine [[:file:schuelerinfo_selbstlernen.pdf | '''Informationsschrift''' zum Selbstlernen]] sowie einen [[:file:planungshilfe_selbstlernen_ablauf.pdf | Ablaufplan]] bekommen. Diese Dokumente solltest du kennen bzw. jetzt nochmal lesen.

Wähle nun, evtl. mit Beratung durch die Projektlehrerin bzw. den Projektlehrer, einen zu dir und deiner Motivation passenden Kompetenzlevel aus.


====Jobs to do====

Dies sind die '''Jobs to do''' und die Kompetenzchecklisten für die einzelnen Kompetenzlevel:

*[[Digitaler Workflow - LS1 - Level 1]] / [[:file:dw_checkliste_01_digitalisierung_level_1.pdf | Checkliste Level 1]]
*[[Digitaler Workflow - LS1 - Level 2]] / [[:file:dw_checkliste_01_digitalisierung_level_2.pdf | Checkliste Level 2]]
*[[Digitaler Workflow - LS1 - Level 3]] / [[:file:dw_checkliste_01_digitalisierung_level_3.pdf | Checkliste Level 3]]
*[[Digitaler Workflow - LS1 - Level 4]] / [[:file:dw_checkliste_01_digitalisierung_level_4.pdf | Checkliste Level 4]]


====Referenzierung ====

In der abschließenden '''Referenzierung''' musst deinen '''Kompetenzlevel nachweisen'''! Kontrolliere dazu folgendes, bevor du deine Referenzierung vorbereitest:
*Dein gewählter Kompetenzlevel im Kompetenzraster ist markiert.
*Deine neu erworbenen Kompetenzen sind in der passenden Checkliste sind markiert.

Du kannst eine beliebige [https://www.wikidental.de/w/Selbstlernen#Referenzierungsmethoden Referenzierungsmethode] auswählen!
Wähle eine für dich passende aus. Gern kannst du auch eine eigene andere Methode verwenden.

Besonders gut zur Digitalisierung passen (aus Sicht deiner Lehrkräfte) folgende '''Referenzierungsmethoden''':
*'''[http://www.wikidental.de/w/Selbstlernen#Brief Brief]'''
*'''[http://www.wikidental.de/w/Selbstlernen#Interview Interview]'''
*'''[http://www.wikidental.de/w/Selbstlernen#Interview Interview]''' als Audio-Datei

'''Die Referenzierung darf nicht länger als 8 Minuten dauern! Übe deine Referenzierung vorher!'''


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Hinweis für Lehrkräfte:
*[https://de.wikipedia.org/wiki/Intraoralscan Rechtlicher Rahmen für Intraoralscans]
*[https://dzw.de/intraoralscans-durch-zahntechniker DZW Rechliches zum Intraoralscan]
*Hygienemaßnahmen beim Intraoralscan

[[Kategorie:Projekt Digitaler Workflow]]