DE102004006561A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen an biologischen Systemen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen an biologischen Systemen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Medizintechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie beispielsweise für Untersuchungen des Kopf-Hals-Bereichs herangezogen werden können. DOLLAR A Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine über einen zeitlichen Verlauf darstellbare Simulation möglich ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem Daten von mindestens einem biologischen Teilsystem und Daten von beispielsweise physikalischen Bedingungen in Modulen gespeichert werden, wobei die Verarbeitung der Daten entsprechend der Funktionsweise und dem Zusammenwirken der Teilsysteme und unter Berücksichtigung von räumlichen und/oder zeitlichen Veränderungen realisiert wird. DOLLAR A Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, bestehend aus Modulen mit Daten von biologischen Teilsystemen, aus Modulen mit Daten von beispielsweise physikalischen Bedingungen, aus einem Prozessor, und aus einer Darstellungseinheit, die mit den Daten eine dreidimensionale Darstellung realisiert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Bereiche der Datenverarbeitungsanlagen und der Medizintechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von physikalischen, chemischen, biologischen, physiologischen und/oder pathologischen Veränderungen an biologischen Systemen, wie sie beispielsweise im Zuge von Untersuchungen von Gelenken, der Wirbelsäule, des Kopf-Hals-Bereichs herangezogen werden können, um damit mittel- und langfristige zukünftige Veränderungen zu simulieren.
  • Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung ist weiterhin für die Diagnostik, Prognostik, Lehre, Ausbildung, Lebensdauerermittlung, Alterungssimulierung, Konstruktion, Planung, Visualisierung, Evaluierung, Referenzierung, Deskription, Materialentwicklung, Materialuntersuchung, Designoptimierung, Verringerung des Bedarfes an klinischen Studien, Prototypenzahlverringerung, Entwicklungszeitverringerung, Wirtschaftlichkeitsprüfung, Werkstoffkunde und Grundlagenforschung für biologische Systeme möglich.
  • 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.
  • Beispiel
  • 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.

Claims (18)

  1. Verfahren zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen an biologischen Systemen, bei dem 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 werden, die gespeicherten Daten in einem Prozessor verarbeitet werden, 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Daten von mindestens zwei Modulen im Prozessor verarbeitet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die verarbeiteten Daten mit Normdaten anderer Module verglichen und visualisiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten von Organen oder Organsystemen als biologische Teilsysteme aufgegliedert verarbeitet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten eines komplexen biologischen Systems mit den Daten von physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder physiologischen und/oder pathologischen Bedingungen des Gesamtsystems verarbeitet und die Simulation eines komplexen biologischen Gesamtsystems auf der Ebene der Teil- und des Gesamtsystems realisiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als physikalische und/oder chemische und/oder biologische und/oder physiologische und/oder pathologische Daten von Teilsystemen oder des Gesamtsystems CT- und/oder MRT-Daten und/oder mechanische Kenngrößen und/oder Volumeninformationen eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten des stomatognathen Gesamtsystems verarbeitet und simuliert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Daten eines oder mehrerer Teilsysteme mit der FE-Methode in einem Prozessor verarbeitet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die räumlichen und/oder zeitlichen Veränderungen in biologischen Teilsystemen oder im zu simulierenden Gesamtsystem unter Berücksichtigung des Alters, des Geschlechtes und/oder physiologischer und/oder pathologischer Belastungen und/oder iatrogener Einflüsse verarbeitet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei der 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.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Verarbeitung der Daten auf abstrahiertem, mittelwertigem oder individuellem Niveau realisiert wird.
  12. Vorrichtung zur dreidimensionalen Simulation, Analyse und Darstellung von Veränderungen an biologischen Systemen bestehend 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.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der eine Einheit zum Vergleich der im Prozessor verarbeiteten Daten mit in weiteren Modulen gespeicherten Normdaten vorhanden ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Datenmodule bereits bekannte und/oder aktuell ermittelte Daten enthalten.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Datenmodule Patientendaten enthalten.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der eine Schnittstelle vorhanden ist, die eine Kombination mit der Finite-Elemente-Methode realisiert.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Module löschbar, überschreibbar und speichermäßig erweiterbar sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Darstellungseinheit ein oder mehrere 3D-Displays und/oder holografische Vorrichtungselemente sind.
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