DE102004002953B4

DE102004002953B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung aller Bewegungsfreiheitsgrade und Positionen des Unterkiefers bezüglich des Oberkiefers

Info

Publication number: DE102004002953B4
Application number: DE102004002953.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medical GmbH
Current assignee: Zebris Medical GmbH
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: DE102004002953A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung aller Positionen und Bewegungsfreiheitsgrade des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Patienten, mit einem am Kopf des Patienten in fester Zuordnung zum Oberkiefer zu befestigenden ersten Halter (H1), einem am Unterkiefer zu befestigenden zweiten Halter (H2) und am ersten Halter und am zweiten Halter befestigten Positions/Bewegungsmesskomponenten, die die räumlichen Positionen der Halter relativ zueinander ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halter mindestens zwei getrennte Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKO) aufweist, von denen die eine auf der linken Seite des Kopfes und die andere auf der rechten Seite des Kopfes angeordnet ist, dass der zweite Halter mindestens zwei räumlich getrennte Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKU) aufweist, von denen die eine mittels Abstandhalter (AH) der linken und die andere der rechten Seite des Kopfes zugeordnet ist, dass die Positions/Bewegungsmesskomponenten am ersten Halter und am zweiten Halter jeweils in einer festen räumlichen Relation zueinander stehen und dass die Positions-/Bewegungsmesskomponenten am ersten und zweiten Halter auf der linken und rechten Seite zur getrennten Positionsbestimmung der links- und rechtsseitigen Abschnitte des ersten und zweiten Halters ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 zur Bestimmung aller Positionen und Bewegungsfreiheitsgrade des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Patienten.
Zur Herstellung von Zahnersatz werden die Zähne des Ober- und Unterkiefers als Gipsmodelle in mechanische Bewegungssimulatoren (Artikulatoren) eingebracht. Hierbei können die Kiefer- bzw. Zahnbewegungen nachvollzogen und die prothetischen Maßnahmen überprüft und optimiert werden. Diese Bewegungen sind von Mensch zu Mensch individuell sehr verschieden und stark von der Anatomie des Kiefergelenks abhängig.
Im Bereich der Zahnheilkunde stellt die Prothetik einen wichtigen Bereich dar. Die Einsatzgebiete reichen von der Restauration einzelne Zähne bis zur Erstellung von vollständigem Zahnersatz. Darüber hinaus kommen zunehmend Implantate zum Einsatz.
Der menschliche Kiefer beinhaltet kein Scharniergelenk das nur geöffnet und geschlossen werden kann, sondern es können Kaubewegungen in allen Freiheitsgraden ausgeführt werden.
Solche individuell justierbare Artikulatoren sind am Markt verfügbar. Zur Erfassung er individuellen Kieferbewegungen sind bereits Messsysteme erhältlich. Diese arbeiten jedoch teilweise rein mechanisch, können nicht alle Freiheitsgrade der Bewegung erfassen und sind für den Patienten unkomfortabel und vom Zahnarzt aufwändig zu bedienen. Aus den genannten Gründen wurde diese Registriertechnik von den Zahnärzten bisher praktisch nicht angenommen. Zahnersatz wird deshalb fast ausschließlich durch mittelwertig eingestellte Artikulatoren erstellt.
Dies hat zur Folge, dass Zahnersatz in der Regel am Patienten eingeschliffen werden muss. Durch den verstärkten Einsatz sehr harter und schwer bearbeitbarer Keramikwerkstoffe, kommt es zunehmend zu Komplikationen mit nachhaltigen Gesichts- und Kiefergelenkbeschwerden. Darüber hinaus wird die Haltbarkeit des Zahnersatzes durch Fehlbelastungen stark reduziert.
Bei einer bekannten Vorrichtung zur Erfassung der individuellen Unterkieferbewegung DE 35 00 605 A1 bzw. US 4 673 352 A wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der Positionen und Bewegungen des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer gemessen werden. Hierbei werden an Halterungen des Ober- und des Unterkiefers vorzugsweise drei Ultraschallsender bzw. Empfänger in definierten Abständen befestigt. Durch Laufzeitmessung der Ultraschallimpulse zwischen den Sendern und Empfängern kann die räumliche Position der Halterung am Unterkiefer und damit jeder weitere virtuelle Punkt in der Bewegung verfolgt werden.
Punkte im Bereich der Kondylen und der Zähne können über Zeigerstifte angezeigt und deren Bewegung aufgezeichnet werden. Mit den dadurch gewonnen Messdaten können adjustierbare Artikulatoren programmiert werden.
In solchen Artikulatoren kann die Bewegung von Gipsmodellen der Zähne naturgetreu nachvollzogen werden. Problem:
Dabei sind allerdings die Distanzen zwischen den Messsensoren und den zur Artikulatorprogrammierung und zur Funktionsanalyse benötigten Kondylenpunkte der Kiefergelenke sehr groß. Dies führt über entsprechenden Hebeleffekte zu einer Erhöhung der Messfehler bzw. zu sehr hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit der Sensorik. Darüber hinaus müssen die Zeigerstifte zum Anzeigen der Kondylenpunkte sehr lang sein, was wiederum hohe Anforderungen an die mechanische Genauigkeit stellt. Es müssen unter Umständen für unterschiedliche Punkte, z. B. auf der Zahnoberfläche und im Bereich der Kondylen, verschieden lange Taststifte bereitgehalten werden.
Bei der Verwendung der Ultraschallmesstechnik können Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit durch die Atemluft auftreten.
Als einschlägiger Stand der Technik wird hiermit die DE 3500605 A1 , die CH 658178 A , die EP 0 263 316 A1 und die US 4 447 207 A genannt, die sämtlich Anordnungen bzw. Verfahren der oben beschriebenen Art offenbaren.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Messgenauigkeit an den entscheidenden virtuellen Punkten insbesondere im Bereich des Kiefergelenks bezüglich der gemessenen Bewegungsbahnen und Raumpositionen zu verbessern. Darüber hinaus soll die Eingabe virtueller Punkte mittels Taststift vereinfacht und in der Genauigkeit verbessert werden.
Die Kondylenpunkte der beiden Seiten sollen hierbei nicht getrennt voneinander vermessen werden, sondern auch andere beliebige Punkte beispielsweise auf der Zahnfläche in einem globalen Koordinatensystem analysiert werden können. Lösung:
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Abstände der Sensoren zu den Kondylen der Kiefergelenke klein ist und damit eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden kann. Bei Verwendung der Ultraschallmesstechnik wird die Atemluft nicht direkt, in den Messraum eingebracht. Die spezielle Ausgestaltung der Unterkiefersensorik über Abstandhalter erlaubt die einfache Befestigung eines kurzen Taststiftes.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt 1. die Anordnung einer Messanordnung auf der Basis eines Systems zur Erfassung der Laufzeiten von Ultraschallimpulsen.
An einem unverrückbar am Kopf angebrachten Halter H1 sind auf der linken und rechten Kopfseite die Empfangskomponenten E1L–E4L und E1R–E4R in Form von Ultraschallmikrofonen befestigt. Es können aber ebenso Ultraschallsender oder die Sende – oder Empfangskomponenten anderer Positions-/Bewegungsmesseinrichtungen sein wie beispielsweise die kleiner optischer Kameras, Lasermesseinrichtungen oder Magnetfeldsensoren.
Ein zweiter Halter H2 ist mit dem Unterkiefer fest verbunden. Dies geschieht vorzugsweise durch eine Befestigung an den Zähnen des Unterkiefers. Mit diesem Halter H2 ist ein Abstandshalter AH fest oder montierbar verbunden, der die Trennung zwischen den beiden Komponenten zur Bewegungsmessung gewährleistet. Am Abstandshalter AH ist die linke und rechte Bewegungsmesskomponente befestigt. In einer besonderen Ausführungsform besteht diese aus jeweils zwei Ultraschallsendern. Es können dies auch Ultraschallempfänger oder beispielsweise optisch erfassbare Markierungspunkte in Form von reflektierenden Markern oder Leuchtdioden sein.
In einer anderen Ausführungsform sind jeweils drei dieser Merkmale auf jeder Seite als flaches Dreieck in horizontaler Ebene angeordnet. Dies erlaubt eine vollständige Erfassung aller Freiheitsgrade der Messvorrichtung jeder Körperseite. Ebenso können die Sensoren aber auch in einer sagittalen oder frontalen Ebene angeordnet sein, wobei die Sensoren der Messkomponenten bezüglich des Oberkiefers vorzugsweise in der gleichen Ebene angeordnet sind. Die dargestellten bevorzugte Ausführungsform kommt jedoch mit zwei Markierungen auf jeder Seite aus, was zu einer Reduzierung der Baugröße des gesamten Unterkiefersensors führt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der gesamte Unterkiefersensor aus einem starren Körper mit bekannten Relationen der Einzelkomponenten besteht. Zur Anpassung der Messsensorik an die Kopfform kann es von Vorteil sein, die beiden Komponenten BKO bezüglich des Oberkiefers von ihrem Abstand her variabel bzw. einstellbar zu gestatten. Sind diese vorzugsweise in einer Ebene zu verstellen, so kann über eine Kalibrierungsmessung zwischen der Sensorik des Oberkiefers zur Sensorik des Unterkiefers ein globales Koordinatensystem definiert werden. Sind die Positions-/Bewegungsmesskomponenten am Halter H1 in fester Relation zueinander angeordnet, so kann gegebenenfalls auf eine Kalibrierungsmessung verzichtet werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel geben die Schallsender S1R bis S2R und S1L bis S2L nacheinander Ultraschallimpulse ab, die von den Empfängern E1R bis E4R und E1L bis E4L empfangen werden. Aus den Schalllaufzeiten können durch Triangulation die dreidimensionalen Positionen der Punkte S1R und S2R bezüglich der rechten Empfängereinheit BKO und der Punkte S1L und S2L bezüglich der linken Empfängereinheit BKO bestimmt werden.
In einem globalen Koordinatensystem, das sich vorzugsweise auf die Sensorik bezüglich des Oberkiefers bezieht, kann jeder virtuelle Punkt in der Bewegung verfolgt werden.
In einer besonderen Ausführungsform sind am Sensor des Unterkiefers Vorrichtungen PH vorgesehen, mit denen ein Taststift P verbunden werden kann. Aus der bekannten Relation der Spitze des Taststiftes zu den Markierungspunkten, können Positionen am Kopf oder an den Zähnen des Patienten eingegeben und zu weiteren Berechnungen und zur Bewegungskontrolle herangezogen werden. Auch kann hiermit ein virtuelles Koordinatensystem definiert werden. Die Ultraschallsender werden über eine Zuleitung ZL gespeist. Selbstverständlich sind kabellose Messkomponenten beispielsweise über Funk realisierbar.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung aller Positionen und Bewegungsfreiheitsgrade des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Patienten, mit einem am Kopf des Patienten in fester Zuordnung zum Oberkiefer zu befestigenden ersten Halter (H1), einem am Unterkiefer zu befestigenden zweiten Halter (H2) und am ersten Halter und am zweiten Halter befestigten Positions/Bewegungsmesskomponenten, die die räumlichen Positionen der Halter relativ zueinander ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halter mindestens zwei getrennte Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKO) aufweist, von denen die eine auf der linken Seite des Kopfes und die andere auf der rechten Seite des Kopfes angeordnet ist, dass der zweite Halter mindestens zwei räumlich getrennte Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKU) aufweist, von denen die eine mittels Abstandhalter (AH) der linken und die andere der rechten Seite des Kopfes zugeordnet ist, dass die Positions/Bewegungsmesskomponenten am ersten Halter und am zweiten Halter jeweils in einer festen räumlichen Relation zueinander stehen und dass die Positions-/Bewegungsmesskomponenten am ersten und zweiten Halter auf der linken und rechten Seite zur getrennten Positionsbestimmung der links- und rechtsseitigen Abschnitte des ersten und zweiten Halters ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions/Bewegungsmesskomponenenten (BKO, BKU) nach dem Prinzip der optischen Positionsbestimmung durch Kameras oder durch Abtastung mit Laserlicht oder anderen optischen Verfahren ausgebildet sind und/oder reflektierende oder aktiv leuchtende Markierungspunkte oder optisch empfindliche Messflächen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKO, BKU) nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen ausgebildet sind, wobei die Komponenten aus Ultraschallsendern (S1R, S2R, S1L, S2L) oder -empfängern (E1R–E4R/E1L–E4L) bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions-/Bewegungsmesskomponenten (BKU) am zweiten Halter (H2) mit jeweils zwei in einer exakt definierten Position untereinander und zwischen der linken und rechten Seite stehenden Markierungsmerkmalen gebildet sind, die vorzugsweise aus reflektierenden oder aktiv leuchtenden Markern oder aus Ultraschallsendern oder -empfängern bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halter (H2) neben den Markierungspunkten Vorrichtungen (PH) aufweist, an denen ein Zeigestift (P) zur Bestimmung definierter Punkte am Kopf oder an den Zähnen angebracht werden kann.
Verfahren zur Bestimmung aller Positionen und Bewegungsfreiheitsgrade des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Patienten, mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKO, BKU) am ersten und zweiten Halter (H1, H2) in festem zeitlichen Bezug zueinander betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das globale Koordinatenmesssystem aus einer bekannten Relation der Positions/Bewegungsmesskomponenten (BKO) des ersten Halters (H1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das globale Koordinatenmesssystem durch eine Kalibrierungsmessung zwischen den in bekannter Relation stehenden Bewegungsmesskomponenten (BKU) des zweiten Halters (H2) und den in unbekannter Relation stehenden, vorzugsweise in einer Ebene angeordneten Positions/Bewegungskomponenten, des ersten Halters (H1) bestimmt wird.