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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 2. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 4 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.
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Stand der Technik
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Artikulierte Kiefermodelle werden unter anderem von Zahnärzten und Kieferorthopäden benötigt.
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Die Kiefermodelle selbst sind, wie das Wort sagt, ein Modell des Ober- und des Unterkiefers aus Gips. Um es herzustellen, wird zunächst ein Kieferabdruck genommen, dann wird dieser in dentalem Gips abgeformt.
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Zusätzlich nimmt der Arzt häufig einen sogenannten Quetschbiss, indem er den Patienten auf eine später aushärtende Masse beißen lässt und diese somit den „Biss” aufnimmt, also die räumliche Zuordnung zwischen den Zähnen des Oberkiefers und des Unterkiefers.
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Häufig ist neben der Lage der Kiefer zueinander auch noch die Lage der Kiefer zum Schädel und zum Kiefergelenk zu erfassen. Der nach dem Stand der Technik übliche Vorgang wird im folgenden als „Artikulation” bezeichnet. Dabei kommt ein sogenannter Gesichtsbogen zum Einsatz.
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1 zeigt einen Gesichtsbogen 1, der dem Patienten angelegt wird, sodann angepasst und fixiert wird. Er sitzt an Bezugspunkten im Bereich des Kiefergelenks und der Nasenwurzel an. Ein Ausleger 1a reicht bis zwischen die Kiefer. Mit mechanischer Verbindung zu dem Ausleger 1a wird ein Quetschbiss 2 genommen. Wie in der Abbildung erkennbar, dokumentiert dieser Quetschbiss 2 zusammen mit dem auf dem Patienten fixierten Gesichtsbogen 1 die Geometrie Oberkiefer-Unterkiefer-Kiefergelenk.
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Später wird diese mechanische Beziehung in einen sogenannten Artikulator übertragen.
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2 zeigt schematisch einen Artikulator 3, der ein Gestell repräsentiert, welches ein nachempfundenes Kiefergelenk 5 beinhaltet. Die Kiefermodelle 4 werden mit Hilfe des Quetschbisses 2 in ihre richtige Lage zum Kiefergelenk 5 gebracht. Dann werden sie mit Hilfe von Gips im richtigen Abstand und der richtigen Lage auf je einen Sockel 8 für den Unterkiefer und einen für den Oberkiefer befestigt. Das System Oberkiefer-Unterkiefer-Kiefergelenk wurde mechanisch nachgebildet. Das nachempfundene Kiefergelenk 5 des Artikulators 3 weist Besonderheiten auf, es kann sich nicht nur drehen, sondern lässt auch Scher- und Kaubewegungen zu.
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Das Verfahren heißt Artikulation und dient für verschiedene Zwecke: Mit den aus der Artikulation gewonnenen Kenntnissen kann eine optimale Ausformung von Kauflächen bei der Herstellung von Zahnersatz erreicht werden. Ebenso kann auf der Grundlage der Artikulation eine Planung kieferorthopädischer Maßnahmen erfolgen.
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Damit sich die Kiefermodelle 4 mit dem Zwischenstücken aus Gips 10 wieder abnehmen lassen, ist das System 3 mit den Sockeln 8 ausgestattet, in die geeignete Passtücke 9 passen. Die Passtücke 9 bleiben beim Herausnehmen fest mit dem Gips-Zwischenstück 10 und dem Kiefermodell 4 verbunden.
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Es gibt eine Reihe von Artikulatorsystemen verschiedener Hersteller mit jeweils unterschiedlichen Sockeln, die das Erzeugen wichtiger physiologischer Daten ermöglichen, wobei aber die Nutzung der gewonnen physiologischen Daten aufwendig und systemabhängig ist.
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Aus der
DE 100 42 019 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Gebissvermessung im Zuge einer zahnmedizinischen Behandlung bekannt. Dabei wird zunächst ein Gebissabdruck mittels einer Abdruckaufnahme- und Halteeinrichtung genommen. Danach werden der Gebissabdruck und seine räumliche Lage optisch vermessen und in räumliche Koordinaten umgewandelt. Hierzu dient eine Kalibriervorrichung mit einem Montagesockel für den Gebissabdruck, welcher den Gebissabdruck lagegenau im Vergleich zu einem Artikulator aufnimmt.
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Aus der
DE 198 38 238 A1 ist ein Verfahren zur rechnergesteuerten Herstellung von Zahnersatz zur Restauration von zumindest einem Zahn oder Kieferbereich, insbesondere der okkusalen bzw. inzisalen Kontaktverhältnisse, bekannt. Um auf einfache Weise Zahnersatz mittels CAD/CAM-Techniken herzustellen, offenbart die genannte Druckschrift die folgenden Verfahrensschritte: Abformen von Ober- und Unterkiefer zur Herstellung von Oberkiefer- und Unterkiefermodellen sowie Zuordnung dieser mittels eines Artikulators, Zuordnung von zumindest zwei Fixpunkten des Oberkiefermodells oder des Unterkiefermodells oder gewählter Referenzpunkte zur Drehachse des Artikulators oder zu dieser zugeordneten zumindest zwei Bezugspunkten, Anordnen des Oberkiefermodells und Anordnen des Unterkiefermodells in einer Messeinrichtung zur Geometriebestimmung des zu restaurierenden Zahns bzw. Kieferbereichs oder Kiefers, wobei die zwei Fixpunkte in vorbestimmter Stellung zum Koordinatensystem der Messeinrichtung zur virtuellen Darstellung der Drehachse des Artikulators bzw. der dieser zugeordneten zumindest zwei Bezugspunkte positioniert werden, Digitalisieren der Ober- und Unterkiefermodelle, Konstruktion des Zahnersatzes mittels CAD und Fertigung des Zahnersatzes mittels CAM.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, die kieferphysiologischen Daten mit der räumlichen Beziehung von Oberkiefer und Unterkiefer zur Schädelbasis und zum Kiefergelenk in einer schnellen und reproduzierbaren Form zu erfassen und bereit zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung nach Anspruch 2 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 4 oder ein Verfahren nach Anspruch 5.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Vorrichtung ermöglicht somit die Erzeugung der Objektdaten, d. h., der Daten, die die räumliche Beziehung von Oberkiefer und Unterkiefer zur Schädelbasis und zum Kiefergelenk darstellen, wobei diese Daten automatisch erfasst und in das geeignete Koordinatensystem transformiert werden, so dass diese Daten dann effizient weiter verarbeitet werden können.
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Vorteilhafterweise ist die Ausgabeeinrichtung ausgebildet, die transformierten Objektdaten in einem computerlesbaren Format auszugeben.
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Es gibt 3D-Scanner, welche Kiefermodelle erfassen und mit Hilfe einer Rechen- und Auswerteeinheit Daten über deren Form ermitteln. Diese Computerdateien können beispielsweise zur Herstellung von Zahnersatz oder zur kieferorthopädischen Behandlungsplanung dienen.
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Ist die Beziehung erst einmal im Computer erfasst, kann die Information z. B. bei der Modellierung von Kauflächen ausgewertet werden, indem der Computer die Kiefergelenksbewegungen und Kaubewegungen simuliert. Die Information kann auch bei der kieferorthopädischen Behandlungsplanung ausgewertet werden, indem z. B. festgestellt wird, wie bestimme Zähne relativ zu Bezugsebenen und -punkten des Schädels stehen und wie man diese Stellung durch eine kieferorthopädische Behandlung verbessern kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Positioniereinrichtung zur Positionierung des Kiefermodells, die ferner ausgebildet ist, Positionskorrekturdaten zur Korrektur der Objektdaten abhängig von der Position des Kiefermodells bereit zu stellen. Damit können sehr viele verschiedene Kiefermodelle der Messung zugänglich gemacht werden, wobei die Positionierdaten eine entsprechende Anpassung bzw. Korrektur der zugrunde liegenden Transformation ermöglichen.
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Die Positioniereinrichtung ist ausgebildet, das Kiefermodell innerhalb des Messfeldes des 3D-Sensors zu positionieren, so dass eine zuverlässige Messung unabhängig von der Art des Kiefermodells möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung einen weiteren Artikulatorsockel zur Aufnahme eines weiteren Kiefermodells auf. Dadurch kann effizient die Situation im Artikulator nachgebildet werden, so dass damit die Ermittlung der Transformation zur Abbildung des Sensorsystems in das Artikulatorkoordinatensystem erfolgen kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtungen und der Verfahren sind in der weiteren Beschreibung erläutert.
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Die Erfindung wird nun durch mit Bezug zu den Figuren näher beschrieben, in denen:
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1 (Stand der Technik) eine schematische Darstellung einen Gesichtsbogen während der Erfassung physiologischer Daten zeigt,
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2 (Stand der Technik) schematisch ein Artikulatorsystem zeigt,
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3 (Stand der Technik) schematisch Vorrichtung zum Erfassen von artikulierten Kiefermodelien zeigt,
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4 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung mit zwei Sockeln zeigt und
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5 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Positioniereinrichtung zur Positionierung des Kiefermodells im Messfeld des Sensors zeigt.
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Es wird davon ausgegangen, dass der oben beschriebene Vorgang der „Artikulation” durchgeführt wurde und ein bestückter Artikulator, wie er in 2 gezeigt ist, vorhanden ist, dessen Information effizienter Weise, etwa für Computer lesbar, erfasst werden soll.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 2, soll zunächst zur weiteren Erläuterung ein Koordinatensystem K definiert werden, das sogenannte „Artikulatorkoordinatensystem” oder „Schädelbasisbezogenes Koordinatensystem”.
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Im Folgenden wird beispielhaft ein Artikulatorkoordinatensystem definiert: Die Achse des Kiefergelenks soll durch Aufpunkt und Richtungsvektor definiert sein. Der Aufpunkt sei der Ortsvektor (0 mm, 0 mm, 0 mm), er soll sich genau in der Mitte zwischen den beiden Kiefergelenken 5 des Artikulators 3 der 2 befinden. Der Richtungsvektor sei der Vektor (1 mm, 0 mm, 0 mm), welcher in x-Richtung weist und aus der Zeichenebene heraus führt. Die Z-Achse 7 (0 mm, 0 mm, 1 mm) weise in 2 senkrecht nach oben; die Y-Achse 6 weist in der Zeichnung nach rechts.
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Nach der Erfassung von Kiefern als Datensätze in einem 3D-Scanner liegen diese Datensätze aber grundsätzlich im Koordinatensystem des 3D-Scanners vor, es soll „Sensorkoordinatensystem” K' heißen.
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Die gesuchte Information über die Lage von Oberkiefer, Unterkiefer und Kiefergelenk zueinander entspricht der Information über eine Transformation des Oberkiefers und eine Transformation des Unterkiefers.
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Unter Transformation werden eine Verschiebung und eine Drehung verstanden. Transformationen kann man z. B. durch 3 Koordinaten eines räumlichen Verschiebungsvektors und drei Winkelwerte einer (verallgemeinerten) räumlichen Drehung ausdrücken.
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Bestimmung der Transformationen zwischen Sensorkoordinatensystem und Artikulatorkoordinatensystem
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3 zeigt eine Vorrichtung 100, in der das grundlegende Konzept verwirklicht ist. Ein 3D-Sensor 110 wird in geeigneter Weise bereit gestellt. Der Aufnahmeraum 12 für die Kiefermodelle 4 ist so ausgebildet, dass er (Kiefer-)-Modelle 4 mit Gips-Zwischenstil 10 und Passtucken 9 für den Sockel 8 aufnehmen kann. Dabei soll weiterhin das zu messende Kiefermodell 4 im Messfeld bzw. Messvolumen 11 bleiben.
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Am Boden der Halterung bzw. des Aufnahmeraums 12 befindet sich der Sockel 8, der in einer Ausführungsform baugleich zu dem Sockel im Artikulator ist, etwa dem in 2 gezeigten Artikulator. In anderen Ausführungsformen besitzen der Sockel des Artikulators und der Vorrichtung 100 eine bekannte geometrische Relation zueinander, so dass sich die Position des Modells 4 in der Vorrichtung 100 aus der bekannten geometrischen Relation ermitteln lässt.
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Die folgenden Überlegungen werden zunächst für das Modell des Unterkiefers durchgeführt; die Überlegung für den Oberkiefer folgt weiter unten: Der Sensor 110 misst den Kieferabdruck des Unterkiefers in seinem Koordinatensystem K'.
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Die Beziehung zwischen dem Koordinatensystem K und dem Koordinatensystem K' lässt sich über eine Transformationskette herstellen. Das Aufstellen einer Transformationskette ist ein Standardverfahren, welches auf das vorliegende Problem angewendet wird: Die verkettete Transformation lässt sich über die gemeinsame Referenz, den Sockel 8 herstellen: Dies kann beispielsweise so geschehen: drei markante Punkte P1', P2', P3' auf dem Sockel 8 werden vom (3D-)-Sensor 110 gemessen, ihre Koordinaten liegen im Koordinatensystem K' vor. Die Lage der gleichen markanten Punkte auf dem für den Unterkiefer bestimmten Sockel wird anhand der Konstruktionszeichnungen im Koordinatensystem K, d. h., im Artikulator 3, festgestellt, diese lauten Q1, Q2, Q3. Es wird die Transformation T gefunden, welche diese drei Punkte aus dem Sensorkoordinatensystem K' ins Artikulatorkoordinatensystem K abbildet.
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Die Messdaten des Kiefers müssen der gleichen Transformation T unterworfen werden, dann liegen sie in einem Koordinatensystem vor, in dem die Lage des Kiefergelenks bekannt ist; somit ist das Problem gelöst.
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Für den Oberkiefer werden die entsprechenden markanten Punkte auf dem Artikulator 3 auf den für den Oberkiefer bestimmten Sockel 8 bestimmt. Man erhält drei andere Punkte R1, R2, R3 anstelle von Q1, Q2 und Q3, entsprechend wird eine andere Transformation U gefunden, mit deren Hilfe die Daten des Oberkiefers korrekt transformiert werden können.
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Ein anderer Weg zur Bestimmung der Transformationen zwischen Sensorkoordinatensystem und Artikulatorkoordinatensystem
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Ein erfindungsgemäßer Lösungsweg zum Auffinden der Transformationen T und U besteht in folgender Vorgehensweise und wird mit Bezug zu 4 beschrieben.
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Es wird ein spezielle Sockelanordnung 13 verwendet, welche je einen Sockel/Artikulatorsockel 8 für den Oberkiefer und für den Unterkiefer aufweist, die räumlich so angeordnet sind wie bei einem Artikulator im Zustand des geschlossenen Mundes.
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Der Lösungsweg sieht vor, ein Objekt, welches mit einem Passtück für einen Artikulatorsockel ausgerüstet ist, nacheinander in der Stellung „Oberkiefer”, also hängend oben im Halter bzw. der Anordnung 13 und in der Stellung „Unterkiefer”, also stehend unten im Halter 13 zu vermessen. Obwohl die Messungen durch Verdeckungsprobleme erschwert werden, kann dies in einer Weise geschehen, dass die Datensätze, die in beiden Aufspannungen gewonnen wurden, miteinander registriert werden können.
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Die gefundene Transformation D1 lässt sich als Drehung um 180° um eine Drehachse interpretieren. Hierzu kann folgende bekannte mathematische Transformationsmöglichkeit aus einer Formelsammlung verwendet werden. Drückt man D1 in folgender Form aus
so ist α der Drehwinkel und (v1, v2, v3) ein Einheitsvektor der die Drehachse A1 repräsentiert.
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Diese Drehachse (v1, v2, v3) kann mit Hilfe der o. g. Matrixdarstellung bestimmt werden.
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Eine weitere Drehachse D2 wird bestimmt, indem das Objekt um die Verbindungsachse des oberen und des unteren Artikulatorsockels 13 gedreht wird. Die Form des Objektes wird vor und nach der Drehung mit Hilfe des Sensors dreidimensional erfasst. Die beiden Datensätze werden registriert. Dabei wird eine Transformation D2 gefunden, die als Drehung um eine Achse A2 interpretiert werden kann.
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Die Kenntnis der Lage der Achsen A1 und A2 erlaubt dann den Übergang von Sensorkoordinaten auf Artikulatorkoordinaten, weil die Lage der Achsen in beiden Koordinatensystemen bekannt ist: Die Lage der Achsen im Artikulatorkoordinatensystem ist bekannt, weil die Achsen sich in einer geometrisch ausgezeichneten Position befinden: A1 verläuft durch die Mitte zwischen den Artikulator-Adaptern in Y-Richtung, A2 verläuft von der Mitte des unteren Artikulator-Sockels zur Mitte des oberen Artikulator-Sockels.
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Die Lage dieser Achsen im Sensorkoordinatensystem ist aufgrund der oben beschriebenen Umformungen bekannt.
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Verschiebung des Kiefermodells ins Messfeld
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Die Lage der menschlichen Kiefer zum Kiefergelenk variiert individuell sehr stark. So ist z. B. bei Kindern der Abstand der Kiefer zum Kiefergelenk kleiner als bei Erwachsenen.
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Entsprechend sind die Kiefer im vom Artikulator-Gestell umschlossenen Raum an verschiedenen Stellen in Y und Z-Richtung anzutreffen. Tatsächlich wurde der vom Artikulator-Gestell umschlossene Raum deswegen so groß dimensioniert, weil alle Lagen vorkommen können.
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Bei krankhaften Veränderungen des Systems Kiefer-Kiefergelenk kommen auch Abweichungen in X-Richtung, aus der Mitte, vor.
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Insgesamt ergibt sich aufgrund der klinischen Fälle von einer mittleren Position aus eine Variationsbreite von ca. 50 mm in jede Richtung.
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Das typische Messfeld eines Sensors für Kiefermodelle beträgt 90 mm·90 mm·30 mm (X·Y·Z), entsprechend den Abmessungen eines Kiefermodells.
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Die Vorrichtung gemäß 3 besitzt aufgrund der Variationsbreite der Gipszwischenstücke das Messfeld 11 mit etwa den Maßen 190 mm·190 mm·130 mm. In diesem Falle werden optische Sensoren mit einer geeigneten Kameraauflösung und Schärfentiefe verwendet.
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Mit Bezug zu 5 wird eine weitere Ausführungsform beschrieben, in der weniger hohe Anforderungen an den Sensor gestellt werden, aber dennoch die Vermessung sehr vieler unterschiedlicher Kiefermodelle möglich ist. Dazu wird eine Positioniereinrichtung 120 vorgesehen, die die Lage des Sockels 8 in einer Voreinstellung in bekannter Weise so korrigiert, dass der Kiefer wieder im Messfeld 11 liegt. Mit Hilfe der Umkehrtransformation zu dieser bekannten Korrektur wird dann die Transformation T bzw. U korrigiert.
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Die Positioniereinrichtung kann dabei motorische Versteller aufweisen, ebenso ablesbare mechanische Versteller. Diese können mit einer Skala ausgerüstet sein oder nur wenige (digitale) Einstellschritte zulassen, welche abgezählt werden können.
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In einer Ausführungsform werden zur Verstellung in Z-Richtung Unterlegstücke verwendet. Die Unterlegstücke sind gegeneinander, sowie gegen den Boden und gegen den Artikulatorsockel gegen unkontrolliertes Verschieben oder Verdrehen gesichert. Dies kann z. B. durch Passtifte 15 realisiert werden, oder durch eine nicht-ebene Geometrie, bei der die Unterseite des einen Unterlegstückes bzw. der Boden in genau einer Weise zur Oberseite des anderen Unterlegstückes bzw. den Artikulatorsockel passt. Die Unterlegstücke können eine Schrittweite in der Dicke von z. B. 10 mm aufweisen. Sie können einzeln verwendet oder miteinander kombiniert werden.
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Zur lateralen Verstellung kann die (Positionier-)-Einrichtung 120 ein System mit Hilfe eines Rasters von Passstiften 15 oder andere Raster von nicht-ebenen Geometrien verwendet werden. Das Raster kann z. B. einen Rasterabstand von 10 mm haben.
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Der Benutzer muss der Software ggf. mitteilen, welche Unterlegstücke er verwendet hat und ggf. an welchen Ort des Rasters der Passstifte er das erste Unterlegstück gesteckt hat. Die Software korrigiert die Transformation T bzw. U entsprechend. In anderen Ausführungsformen werden die Korrekturdaten, die bei der Positionierung mit Hilfe der Einrichtung 120 erzeugt werden, in automatisierter Weise einer Transformationseinrichtung 130 zugeführt, die auch mit dem 3D-Sensor 110 verbunden ist. Die Transformationseinrichtung ist dabei ausgebildet, die Transformation vom Sensorkoordinatensystem ins Artikulatorkoordinatensystem unter Berücksichtigung der Positionierdaten der Einrichtung 120 auszuführen.
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Nachdem die Objektdaten in dem gewünschten Koordinatensystem vorliegen, werden diese Daten einer Ausgabeeinrichtung 140 zugeleitet, die diese transformierten Objektdaten in einem geeigneten Format der Peripherie zur Verfügung stellt. In einer Ausführungsform werden die transformierten Objektdaten in einem computerlesbaren Format von der Einrichtung 140 zur Verfügung gestellt, so dass eine unmittelbare Weiterverarbeitung der transformierten Objektdaten erfolgen kann, wie dies auch zuvor bereits erläutert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Erfassung von Kiefermodellen mit 3D-Sensorik mit Hilfe eines modifizierten 3D-Sensors für Kiefermodelle bereit gestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der 3D-Sensor so modifiziert ist, dass er einen Artikulatorsockel aufweist, welcher artikulierte Kiefermodelle aufnehmen kann, und dass räumliche Transformationen zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem Artikulatorkoordinatensystem hergestellt werden. Ferner werden die Koordinaten der Kiefermodelle im Artikulatorkoordinatensystem ausgegeben.
