DE102007051719A1

DE102007051719A1 - Schichtaufnahmen zur Implantatplanung

Info

Publication number: DE102007051719A1
Application number: DE102007051719A
Authority: DE
Inventors: Niels Hanssen; Frank BÜLLESFELD
Original assignee: SICAT GmbH and Co KG
Current assignee: SICAT GmbH and Co KG
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-07
Also published as: US20100296716A1; WO2009056399A3; JP2011501991A; EP2203891A2; WO2009056399A2

Abstract

Verfahren zur Erstellung und Präsentation von Schichtbildern, die aus einem Satz von Volumendaten generiert werden, wobei die Volumendaten mit einem tomographischen Aufnahmegerät, beispielsweise mit einem "cone beam CT" Gerät, aufgenommen sind und den Kieferbereich eines Patienten repräsentieren, wobei den Volumendaten Planungsdaten zugeordnet sind, welche die Lage eines in den Kiefer einzusetzenden und eine Implantatachse aufweisenden Implantats beschreiben, wobei ein an eine Panoramakurve oder eine Panoramafläche angepasstes Koordinatensystem definiert wird, das von den rechtwinklig aufeinanderstehenden Vektoren u, v, w aufgespannt wird, wobei für die Erstellung und Präsentation eines Schichtbildes eine Darstellungsebene gewählt wird, die ein durch die Planungsdaten beschriebenes Implantat schneidet und wobei die Darstellungen in die Implantatachse gekippt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung und Präsentation von Schichtbildern, die aus einem Satz von Volumendaten generiert werden, wobei die Volumendaten mit einem tomographischen Aufnahmegerät, beispielsweise mit einem „cone beam CT" Gerät, aufgenommen sind und den Kieferbereich eines Patienten repräsentieren, wobei den Volumendaten Planungsdaten zugeordnet sind, welche die Lage eines in den Kiefer einzusetzenden und eine Implantatachse aufweisenden Implantats beschreiben, wobei ein an eine Panoramakurve angepasstes Koordinatensystem definiert wird, das von den rechtwinklig aufeinanderstehenden Vektoren u, v, w aufgespannt wird, wobei für die Erstellung und Präsentation eines Schichtbildes eine Darstellungsebene gewählt wird, die ein durch die Planungsdaten beschriebenes Implantat schneidet.
Um beim Einsatz von Zahnimplantaten einen ausreichenden Halt zu gewährleisten und um dabei die umgebende Anatomie best möglich zu schonen, ist die Lage der zukünftigen Implantate im Kieferknochen von entscheidender Bedeutung. Um diese genau zu bestimmen, werden im Vorfeld virtuelle Planungen an den Volumendaten vorgenommen, aus denen sich die Planungsdaten ergeben. Nachdem die Planung der Implantate abgeschlossen ist, muss diese in der Praxis umgesetzt werden.
Um dem operierenden Arzt die praktische Umsetzung zu ermöglichen, können beispielseise anhand der Planungsdaten Bohrschablonen erstellt werden, die dann bei der Behandlung auf den entsprechenden Kieferbereich aufgesetzt werden und dem Arzt bei der anzufertigenden Bohrung die Freiheitsgrade einschränken. Die Herstellung solcher Bohrschablonen ist verhältnismäßig aufwendig, so dass der Arzt sich häufig entschließt, die Bohrung „freihändig" anhand ihm vorliegender aus der Planung generierter Schnittbilder vorzunehmen. Dabei orientiert er sich zunächst besonders gern an einer Panoramaprojektion, die ihm den nötigen Überblick verschafft.
Im Falle des freihändigen Operierens muss dem Arzt jedoch eine möglichst genaue Darstellung der Anatomie und des darin einzusetzenden Implantates zur Verfügung gestellt werden. Dafür sind einerseits Darstellungen bekannt, die dem Arzt Schnitte präsentieren, die an einem globalen rechtwinkligen (x, y, z)-Koordinatensystem orientiert sind. Eine einzelne Schicht entlang einer der Hauptachsen enthält jedoch zu wenig Information, um die Lage des Implantates gut beurteilen zu können. Zwar bietet eine volumetrische 3-D Ansicht der Anatomie mit den Implantaten eine relativ gute Abschätzung der Orientierung der Implantate relativ zueinander, die Lage der Implantate in Relation zum Knochen und dem Nervenkanal ist für den Arzt jedoch nur grob ersichtlich.
Um die Darstellung zu verbessern wurde ein Koordinatensystem eingeführt, das sich der gebogenen Anatomie des Kiefers anpasst. Dieses anatomieangepasste Koordinatensystem (p, q, r) folgt mit seiner p-Koordinate dem kurvenförmigen Verlauf des Kiefers entlang einer vorher definierten Panoramakurve. Während die r-Koordinate der vertikalen z-Koordinate des (x, y, z)-Koordinatensystems entspricht, steht die q-Koordinate senkrecht auf p und r. Aus transversalen Schnittansichten (TSA), die senkrecht zur Panoramakurve verlaufen, kann nunmehr die Neigung eines Implantats in bukkal-oraler Richtung beurteilt werden. Und aus lateralen Schnittansichten (LSA), die tangential zur Panoramakurve verlaufen, kann die Neigung eines Implantats in mesial-distaler Richtung beurteilt werden.
Problemtisch bei der bekannten Vorgehensweise ist jedoch die Beurteilung der Lage geplanter Implantate, die sowohl in mesial-distaler als auch in bukkal-oraler Richtung gekippt sind. In diesen Fällen, die zu den häufigsten zählen, ist jeweils nur ein schiefer Anschnitt des Implantates in der transversalen (lateralen) Schicht sichtbar. Ein weiterere Nachteil ist, dass durch den schiefen Anschnitt keine der möglichen Positionen der transversalen (lateralen) Schichten gemäß der p-Koordinate (q-Koordinate) eine herausragende Stellung hat. Dieser Tatsache wird oft dadurch begegnet, dass dem Arzt eine Folge von transversalen (lateralen) Schnitten gemäß der p-Koordinate (q-Koordinate) für ein Implantat präsentiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, das sich einfach umsetzen lässt und das eine für den behandelnden Arzt aussagekräftige Darstellung eines geplanten Implantats respektive dessen Eingriffskanals im Verhältnis zur umgebenden Anatomie des Kiefers gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, das Koordinatensystem derart zu transformieren, dass dem Arzt aussagekräftige Schichtbilder durch den Kiefer präsentiert werden können, die sich einerseits an der Panoramakurve oder gegebenenfalls an einer Panoramafläche ausrichten und die andererseits jeweils parallel zur Implantatachse sind, die eine Symmetrieachse bildet. Zur Umsetzung des Verfahrens wird eine der Lage des geplanten Implantats angepasste Kippung der ansonsten vertikal ausgerichteten transversalen oder lateralen Schicht durchgeführt, so dass die Implantatachse in diesen beiden Schichten zu liegen kommt. Dabei ist ein wesentlicher Punkt der dieser Erfindung zugrunde liegenden Konstruktion, dass die beiden Schichten unabhängig voneinander gekippt werden. Auf diese Weise ist für den Arzt der gesamte Querschnitt des Implantates aus beiden der ihm vorliegenden Ansichten ersichtlich. Dabei beruht die Erfindung auch wesentlich darauf, dass das Implantat als Implantatachse eine Symmetrieachse aufweist, wie es insbesondere bei zylindrischen Implantaten der Fall ist.
Wesentlicher Punkt der Erfindung ist die Einführung eines Koordinatensystems, das auf den Achsen u, v und w basiert. Während das (x, y, z)-System ein globales, kartesisches, nicht-kieferangepasstes Koordinatensystem ist, dessen Ursprung irgendwo im Raum, z. B. in der Mitte des Kopfs liegt, wobei die z-Achse der vertikalen Körperachse entspricht und die (x, y)-Ebene den Körper horizontal schneidet, ist das (u, v, w)-System ein lokales, kieferangepasstes Koordinatensystem. Dabei bedeutet „lokal", dass das (u, v, w)-System immer bezüglich eines Referenzpunktes definiert ist. Während nur ein einziges globales (x, y, z)-System und ein einziges globales (p, q, r)-System existiert, gibt es unendlich viele (u, v, w)-Systeme, nämlich zu jedem Refernzpunkt eines. Der Ursprung dieses (u, v, w) Koordinatensystems liegt im Referenzpunkt und damit irgendwo im Raum, insbesondere irgendwo auf der Implantatachse. Die u-Achse soll dann der Tangentialen im Lotpunkt des Referenzpunktes an die Panoramakurve durch den Referenzpunkt und die v-Achse der Orthogonalen zu der Panoramakurve durch den Referenzpunkt entsprechen. Die w-Achse entspricht der z-Achse.
Im Übrigen sei zur Terminologie angemerkt, dass eine transversale Schicht die Panoramakurve orthogonal schneidet, während eine laterale Schicht tangential zur Panoramakurve verläuft.
Erfindungsgemäß wird die transversale Schicht um die v-Achse respektive die laterale Schicht um die u-Achse gekippt, so dass die dazu senkrechte bukkal-orale Kippung respektive die mesial-distale Kippung als Winkel zwischen der Implantatachse und der Senkrechten innerhalb der Schicht erkennbar wird, wenn die Darstellung der Schichten – wie es vorteilhaft ist – in einem dem Patienten entsprechenden Koordinatensystem mit horizontaler Basisebene und vertikaler Körperachse dargestellt wird. Ganz generell hilft die erfindungsgemäße Vorgehensweise nicht nur bei der Umsetzung der Planung, sondern auch schon bei der Planung der Implantate, da einer solchen Darstellung besonders gut anzusehen ist, wie das Implantat im Verhältnis der umgebenden Anatomie angeordnet ist. Damit lassen sich eventuelle Planungsfehler, wie das Eindringen des Implantats in kritische Bereiche, wesentlich besser als bislang vermeiden.
Erfindungsgemäß wird die Anpassung automatisch durch einen Computer durchgeführt, der bei der Umsetzung folgende Schritte durchführt, wobei zu unterscheiden ist, ob eine transversale und/oder eine laterale Schicht dargestellt werden soll: Im ersten Fall wird zunächst die orthogonal auf der Panoramakurve oder der Panoramafläche stehende v Achse konstruiert, der die Implantatachse schneidet, wobei der Schnittpunkt einen Referenzpunkt bildet. In den meisten Fällen, in denen die Panoramafläche durch die sich in der Vertikalen erhebende Panoramakurve gebildet wird, kommt es auf das Gleiche raus, egal ob die Panoramakurve oder die Panoramafläche die Grundlage zur Konstruktion der v-Achse bildet. Einen Unterschied macht es im Falle von Panoramaflächen, die Verwerfungen in der Vertikalen aufweisen. Der so auf der Implantatachse konstruierte Referenzpunkt wird als Ursprung des Koordinatensystems gewählt. Nun wird eine durch den Referenzpunkt verlaufende w-Achse derart definiert, dass die Implantatachse in der v, w-Ebene liegt. Die v, w-Ebene, die eine erste Basisebene bildet, wird also gewissermaßen um die v Achse rotiert. Als Darstellungsebene wird dem Arzt nun diese erste Basisebene oder eine dazu parallele Ebene auf dem Bildschirm dargestellt. Ergänzend oder im Rahmen des „Reporting" erfolgt die Ausgabe beispielsweise über einen Drucker
Anhand dieser entsprechend der Implantatachse gekippten transversalen Schnitte kann der Arzt nun optimal die Lage des Implantats im Kiefer erkennen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schnitte in Bezug auf die körperbezogene Horizontale dargestellt werden, so dass dem Arzt der Kippwinkel des Implantats ersichtlich ist. Wenn mehrere transversale Darstellungsebenen ermittelt werden, können diese z. B. auf einer gemeinsamen Gesamtübersicht dargestellt werden. Für den Arzt ist jedoch vor allem die zentrale Darstellungsebene besonders interessant. In dieser „implantatausgerichteten TSA" ist die bukkal-orale Neigung des Implantats gut erkennbar. Alternativ dazu gibt es auch die interaktive Darstellung auf dem Bildschirm, bei der man die Darstellungsebene interaktiv parallel verschieben kann.
Eine zweite Basisebene kann konstruiert werden, indem eine die Implantatachse in einem Referenzpunkt schneidende u Achse gesucht wird, die parallel ist zur Tangentialen an die Panoramakurve, wobei die Tangentiale insbesondere durch den Schnittpunkt des Lotes des Referenzpunktes auf die Panoramakurve hindurch verläuft. Nun wird die w-Achse des Koordinatensystems so definiert, dass die Implantatachse in der u, w-Ebene liegt. Die u, w-Ebene, die eine zweite Basisebene bildet, wird also um die u Achse rotiert. Als Darstellungsebene wird dem Arzt nun diese zweite Basisebene oder eine dazu parallele Ebene präsentiert.
Anhand eines derart gekippten lateralen Schnittes kann der Arzt besonders gut die Lage des Implantats im Verhältnis zu den benachbarten Zähnen erkennen. In dieser „implantatausgerichteten LSA" ist die mesial-distale Neigung des Implantats gut erkennbar. Wie oben schon angedeutet, können dem Arzt wiederum z. B. eine oder mehrere TSA zusammen mit mindestens einer LSA in einem gemeinsamen Bild dargestellt werden. Auch eine Draufsicht kann in diesem gemeinsamen Bild gezeigt sein. Dabei ist es vorteilhaft, die Ansichten auf dem Bildschirm und/oder auf dem Drucker darzustellen und die jeweiligen Schnittlinien mit den anderen Darstellungsebenen darin anzuzeigen. Analog zur TSA gibt es auch bei der LSA die interaktive Darstellung auf dem Bildschirm, bei der man die Darstellungsebene interaktiv parallel verschieben kann.
Es kann vorteilhaft sein, dem Arzt die Möglichkeit zu geben, die Darstellung um die Implantatachse zu rotieren. Das Rotieren um die Implantatachse ist im Kontext der interaktiven Darstellung ein wichtiger Aspekt der Erfindung. So kann der Arzt z. B. im Rahmen der Endkontrolle die Darstellungsebene einmal komplett um das Implantat rotieren, um sich zu vergewissern, dass das Implantat wirklich in allen Richtungen, also nicht nur in den beiden ausgezeichneten Richtungen orthogonal und tangential zur Panoramakurve, gut im Knochen sitzt.
Nach der Erfindung kann eine Drehung um die Implantatachse vorgenommen werden, wobei der Kippwinkel bzgl. des Bezugssystems stets erkennbar bleibt. Dazu werden die Achsen u und v – vor dem Kippen der Darstellungsebene in die Implantatachse – in dem gewünschten Drehwinkel um die Achse w gedreht. Der Vorteil des Erkennens des Kippwinkels überwiegt dabei den Nachteil des sich leicht bewegenden Implantats deutlich. Falls das Implantat z. B. in der TSA um 10° gekippt ist und in der LSA um 20°, dann kippt das Implantat während der Drehung von der TSA in die LSA leicht von 10° auf 20°.
Alternativ dazu kann die Darstellungsebene am Ende der Konstruktion derart in sich gedreht werden, dass das Implant stets vertikal ausgerichtet ist. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass das Implantat bei der Drehung „ruhig" im Bild bleibt und der Arzt sich somit bei der Drehung auf den Bereich um das Implantat konzentrieren kann. Nachteilig ist jedoch, dass die wichtige Information über die Kippung gegenüber dem Bezugssystem verloren geht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Dabei zeigen:
1 Ebenen im kieferangepassten Koordinatensystem,
2 die Konstruktion einer gekippten transversalen Ebene sowie einer gekippten lateralen Ebene und
3 einen Planungsreport.
In 1 ist eine Ebene 1 dargestellt, die zunächst in dem durch die Vektoren x, y und z aufgespannten globalen 3D-Ursprungskoordinatensystem definiert ist. Manuell oder automatisch wird in der Ebene 1 eine Panoramakurve 2 festgelegt, die dem Verlauf des Kiefers folgt. Innerhalb des Ursprungskoordinatensystems wird zu einem Referenzpunkt, der in dieser Abbildung ausnahmsweise auf der Panoramakurve 2 liegt, erfindungsgemäß ein kieferangepasstes und über die Achsen u, v, w aufgespanntes Koordinatensystem definiert, wobei die w Achse zunächst vertikal ausgerichtet ist und der ursprünglichen z-Richtung entspricht. Die v Achse steht orthogonal (transversal) auf der Panoramakurve 2, während u dazu tangential (lateral) ist.
In 1a ist eine konventionelle transversale Schicht 3 und eine dagegen gekippte und um die Achse v rotierte transversale Schicht 4 dargestellt. In 1b ist entsprechend eine konventionelle laterale Schicht 5 und eine degegen gekippte und um die Achse u rotierte laterale Schicht 6 dargestellt.
Die Achsen sind auch in 2 dargestellt, in der auch das zylindrische Implantat 7 mit seiner Symmetrieachse 8 ersichtlich ist. Ausgehend von der Panoramakurve 9 wird eine orthogonal auf der Panoramakurve stehende v-Achse 10 gesucht, welche die Implantatachse 8 in einem Referenzpunkt 11 schneidet. Der Referenzpunkt 11 wird als Ursprung des neuen Koordinatensystems gewählt. Nun wird eine durch den Referenzpunkt verlaufende w' Achse so definiert, dass die Implantatachse 8 in der v, w' Ebene liegt. Das geschieht, indem die zunächst vertikale w-Achse um die v-Achse um einen Winkel α gekippt wird und zur w' Achse wird.
Im Fall der Konstruktion der gekippten lateralen Ebene schneidet die u Achse 14 die Implantatachse 15 in einem Referenzpunkt 16 und parallel zur Tangentialen 17 an die Panoramakurve 9 im Lotpunkt des Referenzpunktes auf die Panoramakurve. Nun wird die w Achse 18 des Koordinatensystems so gekippt (w' Achse 19), dass die Implantatachse 15 in der u, w' Ebene liegt. Das geschieht, indem der zunächst vertikale w-Vektor um den u-Vektor um einen Winkel β gekippt wird und zum Vektor w' wird.
In 3, die einen „Planungsreport" des zylindrischen Implantats Nr. 36 zeigt, ist in der Mitte unten in der Darstellung der gekippte transversale Schnitt durch die Implantatachse dargestellt, der die Basisebene bildet. Dabei erfolgt die Darstellung in dem am Patienten orientierten Koordinatensystem, das eine Vertikale aufweist. Zur Basisebene parallele Schnitte sind in den Darstellungen links und rechts von der Darstellung der Basisebene gezeigt.
Links oben ist der gekippte laterale Schnitt durch die Implantatachse dargestellt. Rechts oben ist eine Draufsicht dargestellt, in der das Implantat Nr. 36, sowie die laterale Schicht und die transversalen Schichten 20 angedeutet sind.
Die Kippung des Implantats in bukkal-oraler Richtung (und damit die Kippung der LSA) ist in der zentralen TSA erkennbar. Die Kippung des Implantats in mesial-distaler Richtung (und damit die Kippung der TSAs) ist in der LSA erkennbar.
Nachfolgend seien noch einmal die Schritte der Konstruktion dargestellt:

1. Im ersten Schritt wird ein Referenzpunkt auf der Implantatachse gewählt.
2. Im zweiten Schritt wird das Lot vom Referenzpunkt auf die Panoramakurve gefällt.
3. Im dritten Schritt werden die Achsen u, v und w wie folgt festgelegt: Die u-Achse ist parallel zur Tangentialen an die Panoramakurve durch den Lotpunkt Die v-Achse ist die Orthogonale zu der Panoramakurve durch den Referenzpunkt (und somit durch den Lotpunkt) Die w-Achse entspricht der z-Achse
4. Im vierten Schritt werden gegebenenfalls die u-Achse und die v-Achse um die w-Achse gedreht.
5. Im fünften Schritt wird gekippt: TSA: Die (v, w)-Ebene wird um die v-Achse gekippt, bis die Implantatachse in der (v, w)-Ebene liegt LSA: Die (u, w)-Ebene wird um die u-Achse gekippt, bis die Implantatachse in der (u, w)-Ebene liegt
6. Im sechsten Schritt wird gegebenenfalls die Darstellungsebene „in sich" gedreht TSA: Die (v, w)-Ebene wird um die u-Achse gedreht, bis die w-Achse der Implantatachse entspricht LSA: Die (u, w)-Ebene wird um die v-Achse gedreht, bis die w-Achse der Implantatachse entspricht

Claims

Verfahren zur Erstellung und Präsentation von Schichtbildern, die aus einem Satz von Volumendaten generiert werden, wobei die Volumendaten mit einem tomographischen Aufnahmegerät, beispielsweise mit einem „cone beam CT" Gerät, aufgenommen sind und den Kieferbereich eines Patienten repräsentieren, wobei den Volumendaten Planungsdaten zugeordnet sind, welche die Lage eines in den Kiefer einzusetzenden und eine Implantatachse aufweisenden Implantats beschreiben, wobei ein an eine Panoramakurve oder eine Panoramafläche angepasstes Koordinatensystem definiert wird, das von den rechtwinklig aufeinanderstehenden Vektoren u, v, w aufgespannt wird, wobei für die Erstellung und Präsentation eines Schichtbildes eine Darstellungsebene gewählt wird, die ein durch die Planungsdaten beschriebenes Implantat schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Fall der v Vektor orthogonal auf der Panoramafläche und/oder der Panoramakurve steht und die Implantatachse in einem Referenzpunkt schneidet, wobei der Referenzpunkt als Ursprung des Koordinatensystems gewählt wird, wobei der durch den Referenzpunkt verlaufende w-Vektor so gekippt wird, dass die Implantatachse in der v, w-Ebene liegt, wobei die v, w-Ebene eine erste Basisebene bildet und wobei eine zur ersten Basisebene parallele Darstellungsebene gewählt wird, dass in einem zweiten Fall der u Vektor die Implantatachse in einem Referenzpunkt schneidet und parallel zur Tangentialen an die Panoramakurve im Lotpunkt des Referenzpunktes auf der Panoramakurve ist, wobei der w-Vektor des Koordinatensystems so gekippt wird, dass die Implantatachse in der u, w-Ebene liegt, wobei die u, w-Ebene eine zweite Basisebene bildet und wobei eine zur zweiten Basisebene parallele Darstellungsebene gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem derart um die u-Achse gedreht wird, dass die w-Achse der Implantatachse entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koordinatensystem derart um die v-Achse gedreht wird, dass die w-Achse der Implantatachse entspricht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisebene als Darstellungsebene gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Präsentation auf einem 2D-Ausgabemedium die w-Achse vertikal und die u- bzw. v-Achse horizontal aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zu einer der beiden Basisebenen parallele Darstellungsebenen ermittelt und dargestellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehung um die Implantatachse vorgenommen wird, indem die Achsen u und v vor dem Kippen der Darstellungsebene in die Implantatachse in dem gewünschten Drehwinkel um die w Achse gedreht werden.