Bekannt
ist eine Methode zur dreidimensionalen Simulation von Hohlräumen mittels
eines Simulationsrechnersystemes und perspektivisch korrekter Darstellung
aller Bewegungsabläufe
auf einer Bildebene, zur Erprobung und Weiterentwicklung medizinischer
Techniken (
DE 42 25
519 A1 ).
Weiterhin
bekannt ist eine Anordnung zur prozessorientierten Animation eines
ein reales, aus funktionalen Komponenten zusammengesetzten Systems
abbildenden Simulationsmodells, dessen funktionale Modellkomponenten
entsprechend der Struktur des Komponentenaufbaus des realen Systems
in hierarchischen Ebenen miteinander verknüpft sind, mit jeweils den einzelnen
Modellkomponenten zugeordneten Funktionen zur Animation in vorgegebenen
Animationsrahmen innerhalb eines Animationsfensters, gekennzeichnet
durch eine entsprechend dem Aufbau des Simulationsmodells automatisch
gebildete Hierarchie von Darstellungen der Modellkomponenten und
eine Verknüpfung
der Darstellungen der Modellkomponenten entsprechend dieser Hierarchie
unter Einbeziehung der animationsbezogenen Kenngrößen zu einem
Gesamtbild (
DE 44 11
314 C2 ).
Ebenfalls
bekannt ist ein Gerät
und ein Verfahren zur Simulation der intraoralen Situation in Bezug
auf thermische und/oder mechanische Belastungen von Zähnen, Restaurationen
oder entsprechenden Probekörpern
im Bereich der Zahnmedizin/Zahntechnik. Das Gerät ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine mundähnliche
Kraft- und Temperaturbelastung mehrerer natürlicher und/oder zahnmedizinischer
Modelle und Materialien unter Berücksichtigung der Zahnbeweglichkeit,
der im zahnärztlichen Artikulator
einstellbaren Kiefer- und Zahnbeziehungen und einer Abgleitbewegung
der Zähne
zueinander, vorgenommen werden kann (
DE 196 14 670 A1 ).
Es
ist auch eine Vorrichtung zur Simulation einer periodischen Bewegung
mit mehreren Freiheitsgraden, insbesondere einer Bewegung im Hüftbereich
eines Menschen, bekannt, mit wenigstens einem Antrieb, einer Basis
und einer Bewegungsplattform, welche derart gelenkig miteinander
verbunden sind, dass die Bewegungsplattform eine überlagerte Bewegung
in wenigsten vier Freiheitsgraden über der Ebene der Basis ausführen kann,
wobei der wenigstens eine Antrieb derart auf eine Koppeleinrichtung
einwirkt, dass diese eine lineare Bewegung auf die Bewegungsplattform überträgt, wobei
die angetriebene erste lineare Bewegung mittels einer mit der Koppeleinrichtung
zusammenwirkenden Führungseinrichtung
eine zweite Bewegung mit Querkomponente zur ersten linearen Bewegung
bewirkt, und wobei die Vorrichtung ferner Kippeinrichtungen aufweist,
die mit dem wenigstens einen Antrieb zusammenwirken und Kippbewegungen
der Bewegungsplattform in zwei Richtungen herstellen (
DE 199 12 473 A1 ).
Bekannt
ist auch ein Verfahren zur Generierung patientenspezifischer Implantate,
bei dem aus vom Patienten vorliegenden Bilddaten zumindest des Implantat-
und Umgebungsbereiches ein virtuelles dreidimensionales Modell generiert
und das Implantat anhand von Steuerungsdaten für den operativen Einsatz beim
Patienten hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle
dreidimensionale Modell des Patienten mit realmedizinischen Referenzdaten
verglichen und aus diesen das für
den Patienten geeignetste oder das dem Modell des Patienten ähnlichste
Referenzmodell ausgewählt
oder gebildet wird, dass nach diesem Referenzmodell ein virtuelles
Implantatmodell generiert wird und dass die virtuellen Daten des
Implantatmodells als Steuerdaten für die programmgesteuerte Herstellung
des Implantates verwendet werden (
DE 199 22 279 A1 ).
Bekannt
ist weiterhin ein Verfahren zur Berechnung von Strukturen mit Hilfe
der Finiten-Elemente-Methode mit den Schritten: Idealisierung der zu
berechnenden Struktur durch Volumenelemente, die die Form eines
Hexaeders, Pentaeders, einer Pyramide oder eines Tetraeders besitzen,
und Festlegung der Eck-Knotenpunkte in der idealisierten Struktur,
Zerlegung der Volumenelemente mit Hexaeder-, Pentaeder- und Pyramiden-Form
in Tetraeder, so dass die zu idealisierende Struktur nur Teilelemente
in Tetraeder-Form aufweist, Beschreibung des Verschiebungszustandes
für jedes
Tetraeder-Element durch ein vollständiges Polynom dritter Ordnung
je Koordinatenrichtung, Bestimmung des Polynom-Koeffizienten durch Zuordnung zwischen
Knotenfreiheitsgraden, Faktoren zur Beschreibung der individuellen
Tetraedergeometrie und den jeweiligen Polynom-Koeffizienten, wobei als Knotenfreiheitsgrad
für jeden
Knoten-Eckpunkt der Verschiebungsvektor und die drei Ableitungen
dieses Vektors, und der Verschiebevektor für die Flächenmitten-Knoten jedes Tetraederelementes
verwendet wird (
DE
100 33 314 A1 ).
Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass bereits physische und auch virtuelle Modelle
für die
Simulation von Veränderungen
an biologischen Strukturen eingesetzt worden sind. Dabei ändern sich
die Systemzustände
jedoch nicht in Abhängigkeit von
der Zeit oder von sich verändernden
Belastungszuständen.
Bisher bekannte Systeme sind weder zeitlich noch räumlich dynamisch,
sie bleiben trotz Veränderungen
statisch.
Ergebnisse
die aus Simulationen mit physischen Modellen gewonnen wurden, können meist einfacher
interpretiert werden. Nachteilig bei diesen ist, dass nur Teilaspekte
berücksichtigt
werden und aus methodischen Gründen
hohe Probenzahlen benötigt
werden. Dies verursacht hohen Aufwand und hohe Kosten. Der Umfang
der Aufnahmefähigkeit derartiger,
insbesondere mechanischer Simulationssysteme ist hinsichtlich Größe und Anzahl
der Prüfobjekte
begrenzt. Die Eingabemöglichkeit
von Randbedingungen in das System ist ebenso begrenzt oder wird
häufig
schon in der Planung festgelegt. Ergebnisse, die die Bedingungen
von Organismen realitätsnah
widerspiegeln, sind daher nicht zu erreichen.
Virtuelle
Modelle erfordern die Mathematisierung der zu untersuchenden Situation.
Die Lösung verschiedener
Gleichungen geben dann Kenntnis über
das Verhalten verschiedener Strukturen. Eine analytische Lösung der
Gleichungen ist für
einfache Geometrien möglich,
nicht jedoch für
komplexe, diskontinuierliche Systeme, wie sie in der Praxis vorkommen.
Für diese
Systeme sind numerische Näherungsverfahren
besser geeignet. Das bisher hierfür bestgeeignetste Verfahren
ist die Finite-Elemente-Methode
(FE-Methode). Diese Methode ist ein mathematisches Verfahren zur
Lösung
von partiellen Differentialgleichungen. Mit diesen Gleichungen kann
das Verhalten von ausgedehnten, in der Regel inhomogenen Körpern beschrieben
werden. Die Vorteile besehen in der Möglichkeit, das Konstruktionen bereits
im Entwurfsstadium untersucht und optimiert werden können, d.h.
bereits bevor sie physisch existieren. So kann die Zahl teurer Prototypen
verringert und die Entwicklungszeit reduziert werden. Dies bringt
eine Einsparung von Ressourcen mit sich. Es führt zu höherer Qualität und zu
neuen kostengünstigen
und optimierten Entwürfen.
Auch die Simulation bei Neuentwicklungen sowie das Einpassen in
die Umgebung fallen leichter. Die Nachteile bestehen darin, dass
falsche Interpretationen der Berechnungsergebnisse u.a. durch Aufbringen
unzureichender Randbedingungen oder ungenügende Abbildung des Materialverhaltes
möglich
sind. Aber auch mit der FE-Methode wird häufig keine eineindeutige Lösung gefunden,
es können
sogar u.U. falsche Aussagen produziert werden. Allerdings werden
die Modelle durch verbessere Fehlererkennung und -beseitigung (Validierung)
sicherer und glaubwürdiger.
Dies bedeutet, dass die Eingabedaten und die Validierung der Ergebnisse
entscheidend zur Qualität
des FE-Modells beitragen.
In
der Medizin bestehen zahlreiche Ansätze für physische Simulatoren (Kniegelenk,
Wirbelsäule usw.),
jedoch sind diese häufig
rein mechanistisch ausgerichtet. Anhand schematischer Versuchsaufbauten
wird unter Verwendung von Universalprüfmaschinen die mechanische
Belastung am physischen Modell simuliert.
Desweiteren
ist die Simulation von Arbeitsabläufen unter Verwendung von FE-Modellen üblich (Endoskopie,
Anästhesie,
Deformationen von Organen), sowie die Untersuchung zellbiologischer
und mikrozirkulatorischer Aspekte. Speziell in der Zahnmedizin gibt
es ebenfalls zahlreiche Ansätze
und Veröffentlichung
zu Teilgebieten oder konkreten Fragestellungen, die mit Hilfe der
FE-Methode gelöst
wurden. Bekannte spezielle Anwendungen der FE-Methode für Simulationen
im Kopf-Hals-Bereich sind
a) Die Simulation des
Verhaltens des Unterkiefers unter Belastung.
Eine
Variante besteht dabei in der anisotropen Materialmodellierung für den menschlichen
Unterkiefer und dient zur Abschätzung
des Einflusses individueller knöcherner
Struktur auf das makroskopische Materialverhalten (Kober et al.,
Proceedings AAA '97,
Darmstadt 28./29.10.1997).
Eine
weitere Variante besteht in der in-vitro-Untersuchung zu Dehnungsmessungen
an explantierten Unterkiefern unter verschiedenen Belastungen, wobei
dreidimensionale computertomographische Daten mit den simulierten
in-vitro-Daten verglichen werden (Meyer et al., Deutsche Zeitschrift
für Mund-,
Kiefer- und Gesichtschirurgie 4 (2000) S. 14–20).
b) Systeme zur Operationsplanung.
Eine
derartige Möglichkeit
ist eine haptisch-visuelle Benutzerschnittstelle für kiefernchirurgische
Operationsplanung (3-D-Segmentierung von Kiefernknochen mit Kraftrückkopplung).
Mit Hilfe dieses vollständig
computergestützten
Systems ist die interaktive Bestimmung der benötigten Knochensegmente, die
stereoskopische 3D-Visualisierung, die Bereitstellung von virtuellen
Werkzeugen, die Bereitstellung von Informationen über innere
Strukturen, die haptische Wahrnehmbarkeit von Werkzeugcharakteristiken,
die Zuordenbarkeit von Kraftparametern beim Sägen und Bohren proportional
zur Knochendicke und Konsistenz durch Kraftrückkoppelung und dreidimensionale
Segmentierungen möglich (Schulz
et al., Bildverarbeitung für
die Medizin 1999, S. 167–171).
Ebenso
sind computergestützte
3D-Verfahren bei Schädeloperationen
bekannt, bei denen die zweidimensionalen computertomographischen
Daten zu dreidimensionalen Daten verarbeitet werden und eine virtuelle
Modellation von Schädel-Implantaten
nach Vergleich mit Referenzschädeln
durchgeführt
wird (Linss et al., Ann Anat. 185 (2003) 3, S. 247–251).
c) Die Simulation von
Muskelfunktionen.
Bekannt
ist ein FE-Methode-basierter Mimikgenerator für animierte anthropomorphe
Avatare, der als Prototyp eines Editors für menschliche Gesichtsausdrücke eingesetzt
wird, der die anatomisch ermittelten Daten und die Gesichtsanatomie
bei der Simulation zur Definition der Muskelgruppen berücksichtigt
(Koch et al., ETH Zürich,
Institut für
Informationssysteme, Computer Graphics Reasearch Group, Abschlussbericht
1997).
Ebenfalls
besteht die Möglichkeit
der Erstellung und Anpassung von Muskelgittern zur Einbettung von
virtuellen Muskeln. Dabei werden Muskelfasern in das Muskelgitter
eingefügt,
Muskeln an Haut- und Knochenregionen oder andere Muskeln angeknüpft und
die Muskeln befestigt (Volker Blanz, Thomas Vetter, A morphable
model for the synthesis of 3D faces, Proceedings of the 26th annual
conference on Computer graphics and interactive techniques, p.187–194, July
1999).
Eine
weitere Möglichkeit
ist die online-FE-Modellierung, bei der eine individuelle, biomechanisch
quantifizierte FE-Modellierung basierend auf 3D-computertomografischen Daten des Unterkiefers
unter Einbeziehung von Muskelansätzen
und Kraftvektoren durchgeführt
wird (Gigabit-Testbed Süd-Berlin, Projekt 1.4 „CAFCAS", Nutzung breitbandiger
Kommunikationsinfrastrukturen zur iterativen, Qualitätskontolle
und -verbesserung am Beispiel der Planung und Simulation komplexer
Operationen im Mund-Kiefer-Gesichtsbereich,
(C A F C A S – Computertomography
with Artefact Elimination and Finite, Element Modelling in Cybernavigational
Assisted Surgery), Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie,
Technische Universität
München (TUM)).
In
der Zahnmedizin sind auch Ansätze
zur Simulation in stomatognathen Systemen in Kombination mit der
FE-Methode bekannt. Diese beschäftigen sich
mit
- – der
Analyse der Spannungsverteilungen in zahnärztlichen Restaurationen in
Abhängigkeit von
verschiedenen Präparationsformen,
Befestigungen am Zahnstumpf und Art und Konstruktionsdesign der
Restauration (Pospiech et al., Deutsche Zahnärztl. Z. 54 (1999) S. 366–371),
- – der
Analyse der Überlebensdauer
von zahnärztlichen
Restaurationen (Fischer et al., J. Dent. Res. 82 (2003) 3, S. 238–242),
- – der
Frakturfestigkeit und Rissanalyse zahnärztlicher Restaurationen (Pidaparti
et al., J. Biomed. Mater. Res. 29 (1995) 3, S. 309–314),
- – der
Analyse der Zahnbewegungen (kiefernorthopädische Ansätze) (Qian et al., Am. J. Orthod.Dentofacial
Orthop. 120 (2001) 3 S. 272–279),
- – der
Analyse der Unterkieferverformung und/oder des Kieferngelenkes bei
Belastung (Meyer et al., J. Craniomaxillofac Surg. 28 (2000) 5,
S. 278–286),
- – der
Analyse der Grenzflächen
zwischen Zahnimplantatoberfläche
und Kiefernknochen (Geng et al., J. Prosthet. Dent. 85 2001) 6 S.
585–598).
Die
bisher bekannten FE-Lösungen
sind bezüglich
weiterer Fragestellungen nicht offen und betrachten ein eingeschränktes Untersuchungsgebiet. Messfelder
oder Restaurationsgrößen sind
in ihrer Größe begrenzt,
d.h. es wird nicht das gesamte stomatognathe System betrachtet.
Als weitere Vorrichtungen zur Simulation von Teilaspekten des stomatognathen
Systems sind eine Apparatur zur Simulation des Kauorganes (Regensburger
Kausimulator) und ein Virtueller Artikulator (Univ. Greifswald,
DentCAM) bekannt:
Mit der Apparatur zur Simulation des Kauorganes (Regensburger
Kausimulator) kann eine standardisierte Simulation der thermomechanischen
Belastungsparameter und eine Bewertung zahnmedizinischer Konstruktionen
und Materialien realisiert werden. Dabei werden die Kaukraft, die
thermische und hydrolytische Belastung im Mundmilieu, die Mahlbewegungen
der tragenden Höcker
unter Zahnkontakt und die Beweglichkeit des Zahnhalteapparates natürlicher
Pfeiler berücksichtigt.
Die Kaubelastung und Dauer der thermischen und hydrolytischen Belastungen
sind frei einstellbar. Die Prüfung
von mechanischen Eigenschaften, der Qualität des Verbundes bei Mehrstoffverbundsystemen,
Randspaltanalysen im Rasterelektronenmikroskop, Farbpenetrations-
oder Verschleißuntersuchungen
(Scannen oder Oberflächenrauhigkeitsuntersuchungen)
können
nach der Kausimulation durchgeführt
werden.
Mit
dem virtuellen Artikulator werden Gipsmodelle digitalisiert und
die Bewegungsmuster des Unterkiefers auf der Basis von Laufzeitmessungen von
Ultraschallimpulsen aufgezeichnet. Die berechneten Kontaktpunkte
können
wie ein Film in Dynamik betrachtet werden, wobei synchron die Gelenkbahnen
berechnet und angezeigt werden. Zudem wird ein spezielles Registrat
zur Referenzierung der Kieferpositionen mit einer laserscanoptimierten
Paste in Interkuspidation direkt am Patienten genommen. Der virtuelle
Artikulator eignet sich als Instrumentarium zur Analyse der komplexen,
dynamischen Verhältnisse
in der Okklusion und kann für
die Diagnostik zeitbasierter (Kauzyklus) okklusaler Belastungen
bei Restaurationen und Suprastrukturen eingesetzt werden. Das virtuelle
Modell bleibt allerdings statisch. Die Software DentCAM hat eine
sehr hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Der Nachweis erfolgte durch
Vergleich der zentrischen Kontaktpunktmuster von mehreren Artikulatorfällen, die
nach der herkömmlichen
Methode ermittelt worden sind, im Vergleich zur Ermittlung mit dem
virtuellen Artikulator.
Nachteilig
bei beiden Vorrichtungen ist, dass nur einzelne am Kauvorgang beteiligte
Strukturen betrachtet werden können.
Weiterhin können
die Untersuchungen mit diesen Vorrichtungen nur an statischen Systemen
vorgenommen werden, die in einer singulären Belastungssituation untersucht
werden.
Aufgabe
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von physikalischen,
chemischen, biologischen, physiologischen und/oder pathologischen
Veränderungen
an biologischen Systemen ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit deren Hilfe eine weitgehend umfassende und über einen
zeitlichen Verlauf darstellbare Simulation komplexer Strukturen
von biologischen Systemen möglich
ist.
Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen
an biologischen Systemen werden Daten von mindestens einem biologischen Teilsystem
eines zu simulierenden Gesamtsystems und Daten von physikalischen
und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder physiologischen und/oder
pathologischen Bedingungen des zu simulierenden Gesamtsystems in
Modulen gespeichert, die gespeicherten Daten in einem Prozessor
verarbeitet, wobei die Verarbeitung der Daten entsprechend der Funktionsweise
und dem Zusammenwirken der biologischen Teilsysteme des zu simulierenden
Gesamtsystems und unter Berücksichtigung
von räumlichen
und/oder zeitlichen Veränderungen
von einem oder mehreren Teilsystemen oder des Gesamtsystems realisiert
wird und die verarbeiteten Daten in einer Darstellungseinheit dreidimensional
dargestellt werden.
Vorzugsweise
werden die Daten von mindestens zwei Modulen im Prozessor verarbeitet,
die verarbeiteten Daten mit Normdaten anderer Module verglichen
und visualisiert. Daten von Organen oder Organsystemen werden vorteilhafterweise
zur Verarbeitung in biologische Teilsysteme aufgegliedert.
Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn Daten eines komplexen biologischen
Systems mit den Daten von physikalischen und/oder chemischen und/oder
biologischen und/oder physiologischen und/oder pathologischen Bedingungen
des Gesamtsystemes verarbeitet werden und die Simulation eines komplexen
biologischen Gesamtsystems auf der Ebene der Teil- und des Gesamtsystems
realisiert wird.
Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn physikalische und/oder chemische und/oder
biologische und/oder physiologische und/oder pathologische Daten
von Teilsystemen oder des Gesamtsystems und CT- und/oder MRT- Daten
und/oder mechanische Kenngrößen und/oder
Volumeninformationen eingesetzt werden.
Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn Daten der Teilsysteme mit der FE-Methode
in einem Prozessor verarbeitet werden.
Und
auch von Vorteil ist es, wenn die räumlichen und/oder zeitlichen
Veränderungen
in biologischen Teilsystemen oder im Gesamtsystem berücksichtigt
werden, die durch das Altern, das Geschlecht und/oder physiologische
und/oder pathologische Belastungen und/oder iatrogene Einflüsse hervorgerufen
werden.
Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn die Verarbeitung der Daten in Abhängigkeit
von der Anzahl der berücksichtigten
Teilsysteme und/oder der Fragestellung und/oder der Anzahl an physikalischen
und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder physiologischen
und/oder pathologischen Bedingungen auf unterschiedlichem Niveau
realisiert wird, wobei besonders vorteilhafterweise die Verarbeitung
der Daten auf abstrahiertem, mittelwertigem oder individuellem Niveau
realisiert wird.
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen
an biologischen Systemen besteht aus Modulen mit Daten von biologischen
Teilsystemen innerhalb des zu simulierenden Gesamtsystems, aus Modulen
mit Daten von physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder
physiologischen und/oder pathologischen Bedingungen des zu simulierenden
Gesamtsystems, aus einem Prozessor, der die Daten von mindestens zwei
Modulen entsprechend der Funktionsweise und dem Zusammenwirken der
biologischen Systeme und unter Berücksichtigung von räumlichen
und/oder zeitlichen Veränderungen
von einem oder mehreren Teilsystemen oder des Gesamtsystems verarbeitet, und
aus einer Darstellungseinheit, die mit den verarbeiteten Daten aus
mindestens zwei Modulen eine dreidimensionale Darstellung realisiert.
Vorteilhafterweise
ist eine Einheit zum Vergleich der im Prozessor verarbeiteten Daten
mit in weiteren Modulen gespeicherten Normdaten vorhanden.
Von
Vorteil ist auch, wenn die Datenmodule bereits bekannte und/oder
aktuell ermittelte Daten, insbesondere Patientendaten, enthalten.
Weiterhin
von Vorteil ist es, wenn eine Schnittstelle vorhanden ist, die eine
Kombination mit der Finite-Elemente-Methode realisiert.
Und
ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Module löschbar, überschreibbar und speichermäßig erweiterbar
sind.
Und
weiterhin vorteilhafterweise ist es, wenn die Darstellungseinheit
ein oder mehrere 3D-Displays und/oder holografische Vorrichtungselemente sind.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
beispielsweise das Verhalten von Organen und/oder Organsystemen
wie dem stomatognathen System als Teil- oder Gesamtsystem unter
Berücksichtigung
ihrer physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder
physiologischen und/oder pathologischen Bedingungen und der Variationsbreite dieser
Bedingungen simuliert, analysiert und dargestellt werden. Dabei
können
erfindungsgemäß auch räumliche
und/oder zeitliche Veränderungen,
wie beispielsweise der Einfluss von artifiziellen Strukturen oder
der konkreten Belastungen beim Kauen oder des Alterns, berücksichtigt
werden. Aus Ergebnissen der verarbeiteten Daten können Analysen
und Darstellungen abgeleitet werden. Aufgrund der Ergebnisse können beispielsweise
Aussagen über
die Veränderung
eines stomatognathen Systems eines konkreten Patienten in Abhängigkeit
von seinem Gesundheitszustand und den zu erwartenden Belastungssitutationen über einen
längeren
Zeitraum gemacht werden. Diese können
für die
Planung der unmittelbaren oder mittelfristigen Therapie des Patienten
herangezogen werden.
Weiterhin
ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise die Untersuchungen von Materialien für Zahnersatz
oder künstliche
Gelenke über
einen zeitlichen Verlauf unter Berücksichtigung der jeweiligen
zu erwartenden Belastungssituation eines Patienten möglich. Aufgrund
der erreichten Ergebnissen könnten
die Materialeigenschaften gezielter beeinflußt und verändert werden, ohne dass diese Phase
der Materialtestung an den Patienten direkt realisiert werden müsste.
Ebenfalls
ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in Forschung
und Lehre der biologischen Teil- oder Gesamtsysteme aufgrund der
dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung einfacher
vermittelbar. Medizinische Eingriffe und in den Körper eingebrachte
artifizielle Strukturen werden unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der Vorrichtung in ihrer Wirkung auch über einen längeren Zeitraum vorhersehbar.
Ebenfalls können
klinische Studien optimiert und wirtschaftlicher gestaltet werden,
beispielsweise durch Verkleinerung des Studienumfanges aufgrund
vorgeschaltetem Ausschlusses nichtfunktionierender Ansätze oder
durch frühere
Eliminierung von Materialien mit unzureichenden Eigenschaften.
Insgesamt
kann das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung zur Entwicklung neuer Materialien eingesetzt
werden. Artifizielle Strukturen können computergestützt entwickelt,
gestaltet und modifiziert werden. Beispielsweise kann das Design von
Zahnersatz im Hinblick auf die Unterkieferverformung mit dem Ziel
der Verbesserung der Passgenauigkeit des Zahnersatzes optimiert
werden. Ebenfalls sind Lebensdaueranalysen von natürlichen
und artifiziellen Strukturen möglich.
Das
physikalische und/oder chemische und/oder biologische und/oder physiologische und/oder
pathologische Verhalten biologischer Strukturen und das Verhalten
artifizieller Strukturen, beispielsweise von Zahnersatz sind unter
der Bedingung des Kauvorganges mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
simulierbar, analysierbar und darstellbar. Gleiches gilt für Alterungsprozesse
von natürlichen
und artifiziellen Strukturen. Dadurch wird eine Prognose für die Entwicklung
artifizieller Strukturen möglich.
Weiterhin wird die aktuellen Situation des jeweiligen Individuums
insbesondere im Hinblick auf die zeitlichen Veränderungen simulierbar, analysierbar
und darstellbar (lernendes System).
Die
im Verfahren einsetzbaren Daten können beispielsweise durch radiologische
Verfahren ermittelt worden sein, wie:
Projektionsverfahren:
Film-Folie-Radiographie (FFR), Digitale Luminiuzenzradiographie
(DLR), Digitale Selenradiographie (DSR), Bildverstärker (BVR), Digitale
Bildverstärker,
Digitale Subtraktionsangiographie (DAS), Thermographie,
Schnittbildverfahren:
Ultraschall (US), Computertomographie (CT), Optical Coherence Tomographie (OCT),
Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT), Biomagnetographie (MEG, MKG),
Nuklearmedizinische
Verfahren: Projektions-Szintigraphie, Electrical Impedance Tomographie
(EIT), Emissions-Computer-Tomographie (ECT), Single-Emmisions-Computer-Tomographie
(SPECT), Positronen-Emmissions-Computer-Tomographie (PET),
oder
durch andere Verfahren, wie:
Osteodensitometrie mit Doppelphotonenabsorptionstechnik
(DPX) oder computertomographisch (QCT), Endoskopie, Sialongraphie,
Phlebographie, Arthroskopie, Elektroenzephalographie (EEG), Digitale
Subtraktionsangiographie.
Beispielsweise
können
die Daten der stomatognathen Teilsysteme Zahnkrone, Zahnwurzel,
Desmodont, Knochen, Muskeln, Haut, Schleimhaut und Kiefergelenk
des stomatognathen Gesamtsystems eines Patienten eingegeben und
erfindungsgemäß verarbeitet
werden und anschließend
Verallgemeinerungen und ein verallgemeinertes Modell entwickelt werden.
Ausgehend von solch einem verallgemeinerten Modell kann dann durch
Modulveränderungen
in den Daten einzelner Teilsysteme das Modell auf einen anderen
Patienten individualisiert werden.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden beispielsweise auch Ober- und Unterkiefer gemeinsam betrachtet
und ihre Wirkung aufeinander berücksichtigt.
Ebenfalls sind keine Grenzen bezüglich
des Messfeldes und der Restaurationsgröße durch die Visualisierung
vorgegeben. Aufgrund der Möglichkeit
des Einsatzes einer Vielzahl an Modulen und der Variation ihres
Zusammenwirkens handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und Vorrichtung um ein hochgradig komplexes System, welches zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten
bietet. Aus dieser Analyse können
Verbesserungsmöglichkeiten
für herkömmliche
Artikulatoren abgeleitet werden, optional auch auf eine Beschreibung
als dynamisches Modell für
virtuelle Artikulatoren, um die methodischen Nachteile bisheriger
Ansätze
(Starrkörperansatz)
zu überwinden.
Die Daten können
aber auch aus mechanischen oder elektronischen Artikulatoraufzeichnungen
entnommen werden oder Digitalisierdaten, physikalische und/oder
chemische und/oder biologische Werkstoffkenndaten biologischer oder
artifizieller Strukturen oder anthropologische und anatomische Daten über Muskeln,
Knochen, Sehnen, Haut, Schleimhaut, Weichgewebe, Hohlräume, Gelenke,
Zähne,
Nerven, Gefäße und Organe
sein, sowie Daten über
Kräfte
und ihre Wirkungsrichtungen und auch bereits vorhandene Daten von
Untersuchungen an bekannten Vorrichtungen oder Modellen. Insbesondere
bei stomatognathen Systemen sind die Daten der Teilsysteme Zahnstrukturen,
Zahnfleisch, periodontales Ligament, Knochen, Schleimhaut, Bindegewebe,
Haut, Muskeln, Sehnen, Gelenke, Knorpel, Ligamente, Nerven, Gefäße, Speicheldrüsen, neuromuskuläre Steuerung, Reflexbögen, Hohlräume, Septen,
Sinnesorgane zu ermitteln und zu verarbeiten.
Im
weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die
Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen des stomatognathen
Systems in Abhängigkeit
von der zahnärztlichen
Therapie basiert auf Daten der Teilsysteme des stomatognathen Systems.
Teilsysteme sind die Zähne
bestehend aus Zahnkrone, Zahnwurzel, und Pulpa, der Zahnhalteapparat,
die knöchernen
Strukturen des Ober- und Unterkiefers und der Gelenkgrube des Kiefergelenkes,
die Gelenkstrukturen des Kiefergelenkes, die Muskulatur des stomatognathen
Systems sowie Haut und Schleimhaut und die vorab nicht genannten Weichgewebe.
Jedes dieser Teilsysteme bildet ein Modul. Das zu simulierende Gesamtsystem
bildet die Grundstruktur. Die Grundstruktur umfasst dabei die 3D-Daten
des zu simulierenden Gesamtsystems, bestehend aus den Daten eines
durchschnittlichen gesunden Probanden. Dieser ist vollbezahnt, 30
Jahre alt, männlich
und 75 kg schwer. Weiterhin werden für diese Grundstruktur Daten
der physiologischen Variationsbreite für einen vollbezahnten männlichen, 30-jährigen Patienten
gespeichert. Die Daten der Grundstruktur werden zusammen mit den
Daten der Module der Teilsysteme gespeichert. Die Module „Zahn" werden differenziert
in die Submodule „Schneidezahn", „Eckzahn", „Prämolar" und „Molar". Die Daten jedes
der zusammen 28 Zahnmodule sind mit den Daten eines der 28 Module „Zahnhalteapparat" verknüpft. Die
Daten der 28 verknüpften
Submodule sind wiederum mit Daten der Module „Oberkiefer" bzw. „Unterkiefer" verknüpft. Die
Daten der räumliche
Position der Module „Oberkiefer" und „Unterkiefer" sind wiederum mit
den Daten der räumlichen
Position der 28 Module „Zahn" und des Moduls „Kiefergelenk" verknüpft. Die
Daten der Module „Oberkiefer" und „Unterkiefer" sind weiterhin mit
den Daten der Module der einzelnen Muskeln des stomatognathen Systems
sowie den Daten der Module der Weichgewebe verknüpft. Letztgenannte sind wiederum
mit den Modulen „Schleimhaut" und „Haut" verknüpft. Verknüpfungen
der 3D-Daten basieren auf den Kontaktflächen der einzelnen Module miteinander.
Die 3D Daten werden aus Computertomogrammen, Magnetresonanztomogrammen
und Digitalisierdaten vom Knochen oder anatomischen Modellen gewonnen.
Zusammen mit den 3D-Daten der einzelnen Module werden physikalische
Daten (Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit),
chemische Daten (chemische Zusammensetzung, typische chemische Reaktionen
in dem Teilsystem) biologische Daten (spezifische Gewebefunktionen),
physiologische Daten (Kräfte
und Kraftvektoren der Muskulatur) und pathologischen Daten (pathologische
Veränderungen
der vorgenannten Eigenschaften, Änderungen
der 3D-Daten) gespeichert. Zusätzlich
zu den Daten des durchschnittlichen gesunden Probanden werden die
Daten eines Patienten (Alter, Geschlecht, Zahnzahl, Lockerung, Knochenabbau,
Muskeltonus, Knochendichte usw.) in den entsprechenden Einzelmodule
gespeichert. In einem Prozessor werden die resultierenden 3D-Veränderungen
in einzelnen individuellen Modulen berechnet sowie die resultierenden
Veränderungen
in den verknüpften
individuellen Modulen sowie dem individuellen Gesamtsystem berechnet
und in einem Datenspeicher gespeichert. Dabei werden die Volumendaten
des Ober- und Unterkiefers aus CT- oder MRT-Daten des Patienten gewonnen.
Die 3D-Daten der Module der knöchernen
Strukturen ändert
sich somit weg vom „Standardpatienten" hin zur individuellen
Patientensituation, wobei das Gesamtmodul dieser, in Abhängigkeit
von Art und Umfang der in die Einzelmodule eingespeisten Daten in
bester Näherung
der realen Patientensituation entspricht. Alternativ können aus
bereits in den einzelnen Modulen vorhandenen Daten auch solche gewählt werden,
die der individuellen Patientensituation am besten entsprechen.
Unterschiedliche zahnärztliche
Restaurationen (Kronen, Brücken
und herausnehmbare Prothesen) werden mit den entsprechenden Einzelmodulen „Zahn", „Schleimhaut" usw. verknüpft. Die
berechnete Belastungssimulation über
die Zeit zeigt als Ergebnis 3D-Veränderungen in Abhängigkeit
von der zahnärztlichen
Restauration. Die 3D-Darstellungseinheit berechnet aus der Simulation
der Veränderungen
eine Visualisierung der 3D- Veränderungen über die
Zeit. Als Ergebnis kann die am besten geeignete Versorgungsform
für den
individuellen Patientenfall gewählt
werden Ebenso können
zur Werkstoffprüfung
den verknüpften
Einzelmodulen an der entsprechenden Kontaktfläche ein Werkstoffmodul verknüpft werden,
in welchem Werkstoffkenndaten gespeichert sind. Die Kontaktfläche für eine zahnmedizinische
Restauration ist dabei das Untermodul Zahn->Krone. Einer virtuellen Restauration werden die
Eigenschaften „Vollkeramik" (oder „Kunststoff" oder „Titan" usw.) zugeordnet.
Im Gesamtmodul werden nun physiologische oder unphysiologische Belastungen über die
Zeit simuliert. Als Ergebnis dieser virtuellen Alterung ist die
Bestimmung der voraussichtliche Überlebenszeit,
d.h. die Zeit im Sinne von Belastungszyklen, die vergeht, bis es
zu einem Versagen der Restauration kommt. Die Zahl der Belastungszyklen
bis zum Versagen wird anhand von vorhandenen klinischen Vergleichsergebnissen
in konkrete Zeitangaben umgewandelt.