DE102010036841A1

DE102010036841A1 - Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur sowie Messverfahren

Info

Publication number: DE102010036841A1
Application number: DE102010036841A
Authority: DE
Inventors: Weichen Liu; Erwin Keeve; Bodo Hoffmeister; German Klink
Original assignee: Charite Universitaetsmedizin Berlin
Current assignee: Charite Universitaetsmedizin Berlin
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012016635A2; WO2012016635A3

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur, wobei das Verfahren in einer computerbasierten Auswerteeinrichtung die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen von Messdaten, die mit Hilfe wenigstens eines bildgebenden Messverfahrens für eine zu bestimmende Zahnstruktur erfasste Messergebnisse repräsentieren, Erzeugen von Segmentierungsdaten aus den Messdaten, wobei das Erzeugen der Segmentierungsdaten zumindest ein Erkennen einer bei dem wenigstens einen bildgebenden Messverfahren zur Okklusionstrennung verwendeten Bisseinlage in der Okklusionsebene der Zahnstruktur umfasst, Erzeugen von Zahntopologiedaten, die eine Topologie der Zahnstruktur oder zumindest einer Teilstruktur hiervon repräsentieren, unter Verwendung der Segmentierungsdaten und Bereitstellen der Zahntopologiedaten für eine Datenausgabe.

Description

Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet der automatischen Erzeugung von Zahntopologien aus Messdaten bildgebender Messverfahren.
Hintergrund der Erfindung
Auf dem Gebiet der Zahnmedizin wird in Verbindung mit bestimmten Behandlungsmethoden zur Vorbereitung und Durchführung der Behandlung eine Zahntopologie der zu behandelnden Zahnstruktur erstellt. Hierzu gehört beispielsweise die Behandlung von Dysgnathien. Eine Operation zur Zahnbehandlung wird hierbei geplant auf Basis einer zuvor erzeugten Topologie der Zahnstruktur. Verfahren zum Erzeugen von Form- oder Strukturinformationen auf dem Gebiet der Zahnmedizin sind beispielsweise aus den folgenden Dokumenten bekannt: WO 2006/000063 A1 , WO 2008/128720 A2 und EP 1 982 652 A1 .
Geräte und Vorrichtungen, die zur Bilddatenerfassung in diesem Zusammenhang verwendet werden können, sind beispielsweise in dem Dokument DE 10 2007 054 906 A1 , DE 10 2007 057 872 A1 sowie DE 10 2008 040 947 A1 beschrieben.
Um die Zahntopologie zu bestimmen, die insbesondere zur digitalen Modellierung der Zahnoberflächen oder einer gesamten Gebissstruktur benutzt werden kann, werden üblicherweise Röntgenaufnahmen bei geschlossenem Mund des Patienten angefertigt, um auf diese Weise die cephalometrischen Verhältnisse der Landmarken am Schädel zu wahren. Hierbei tritt in der dreidimensionalen Ansicht der Bildaufnahmen ein Effekt auf, der sich als Verschmelzung der Zähne des Ober- und des Unterkiefers beschreiben lässt. Dieser Effekt führt zur teilweisen oder vollständigen Unkenntlichkeit der Okklusionsebene zwischen den Zähnen des Ober- und des Unterkiefers bei der Bilddatenauswertung. Die Okklusion ist jeglicher Kontakt zwischen den Zähnen des Ober- und des Unterkiefers. Die Kontaktpunkte liegen in der Okklusionsebene. Um den Verschmelzungseffekt der Zähne zu vermeiden, werden bei bekannten Verfahren zum Erzeugen der Zahntopologie zusätzliche Bildaufnahmen mittels Messungen erzeugt. Darüber hinaus ist die Anfertigung von Gipsmodellen notwendig.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, neue Technologien für das automatisierte Erzeugen einer Zahntopologie für eine zu bestimmende Zahnstruktur anzugeben. Die vorangehend beschriebenen Nachteile sollen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist ein Messverfahren zum Erzeugen von Messdaten für eine zu bestimmende Zahnstruktur nach dem unabhängigen Anspruch 5 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur, wobei das Verfahren in einer computerbasierten Auswerteeinrichtung die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen von Messdaten, die mit Hilfe wenigstens eines bildgebenden Messverfahrens für eine zu bestimmende Zahnstruktur erfasste Messergebnisse repräsentieren,
– Erzeugen von Segmentierungsdaten aus den Messdaten, wobei das Erzeugen der Segmentierungsdaten zumindest ein Erkennen einer bei dem wenigstens einen bildgebenden Messverfahren zur Okklusionstrennung verwendeten Bisseinlage in der Okklusionsebene der Zahnstruktur umfasst,
– Erzeugen von Zahntopologiedaten, die eine Topologie der Zahnstruktur oder zumindest einer Teilstruktur hiervon repräsentieren, unter Verwendung der Segmentierungsdaten und
– Bereitstellen der Zahntopologiedaten für eine Datenausgabe.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Messverfahren zum Erzeugen von Messdaten für eine zu bestimmende Zahnstruktur zur Verwendung in dem vorangehenden Verfahren geschaffen, welches vorsieht, mit Hilfe wenigstens eines bildgebenden Messverfahrens digitale Messdaten für die zu bestimmende Zahnstruktur zu erzeugen, bei der zur Okklusionstrennung in der Okklusionsebene eine Bisseinlage angeordnet ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur können die Oberflächenstrukturen der Zähne des Ober- und des Unterkiefers insbesondere auch im Bereich der Okklusionsebene mit genügender Auflösung erfasst werden, da der beim Stand der Technik auftretende Verschmelzungseffekt in der Okklusionsebene aufgrund der Bisseinlage zwischen den Zähnen vermieden ist. Der Begriff Zahnstruktur in der hier verwendeten Bedeutung nimmt auf die Zähne selbst Bezug und umfasst wahlweise auch angrenzende Gewebe- und Knochenbereiche, die mit den Zähnen in Verbindung stehen.
Die vorgesehene Bisseinlage verhindert ein direktes Aufeinanderliegen der Zahnoberflächen im Bereich der Okklusionsebene. Die Bisseinlage ist aufgrund seiner Materialeigenschaften, die sich von den Eigenschaften der Zahnstruktur unterscheiden, in den Bildmessdaten erkennbar, sodass die Zähne mit ihrer Oberflächenstruktur hiervon unterschieden und frei von dem bekannten Verschmelzungseffekt aus den Messdaten abgeleitet werden können. Die aus flexiblem Material gebildete Bisseinlage beeinträchtigt nicht die Kieferstellung in der Normalokklusion. Hierzu ist die flexible Bisseinlage ausreichend dünn. Beispielsweise kann eine Bissfolie zum Einsatz kommen, die zum Beispiel aus einem Silikonmaterial hergestellt ist. Da das Material der Bisseinlage sich hinsichtlich seiner Materialeigenschaften, zum Beispiel bezüglich der Materialdichte, von den Eigenschaften von Knochen und Zahngewebe unterscheidet, sind die unterschiedlichen Materialien in den Bilddaten entsprechend unterschiedlich sichtbar.
Beim Erzeugen der Zahntopologie werden die zuvor mit Hilfe eines oder mehrerer bildgebender Verfahren für die zu bestimmenden Zahnstruktur erfassten Messdaten segmentiert. Die Segmentierung von Bilddaten ist ein in der Bildanalyse als solches bekanntes Verfahren, wofür verschiedene Segmentierungsprozeduren zu Verfügung stehen. Beispielhaft kann das sogenannte „Hounsfield Scale” genannt werden. Dieses ist wohl das einfachste Werkzeug zur Segmentierung, bei dem es sich um eine Schwellwert basierte Technik handelt, die in einer Ausführung einfach nur je nach Grauwert eines Bildpunktes eine Objektzugehörigkeit definiert. Ein weiteres Beispiel ist das sogenannte Watershed-Verfahren. Es handelt sich hier um einen Graustufen basierten Algorithmus, welcher als solcher in verschiedenen Ausführungsformen bekannt ist. Grundsätzlich können beliebige Segmentierungsverfahren in Verbindung mit der Erfindung genutzt werden. Wesentlich ist, dass bei dem Erzeugen der Segmentierungsdaten die bei der Bildaufnahme verwendete Bisseinlage erkannt wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Erkennen der Bisseinlage Schritte zum Bereitstellen und zum Verarbeiten von Parameterdaten umfasst, die wenigstens eine Eigenschaft der Bisseinlage angeben. Das Bereitstellen von Parameterdaten für die Bisseinlage, beispielsweise betreffend deren Form und/oder Dicke, erleichtern wahlweise das Erkennen der Bisseinlage in den Messdaten.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Erkennen der Bisseinlage einen Schritt zum Bestimmen der Lage der Bisseinlage in der zu bestimmenden Zahnstruktur umfasst.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Erzeugen der Zahntopologiedaten einen Schritt zum Erzeugen von voxelbasierten Zahntopologiedaten umfasst. Bei dieser Ausführungsform werden die Zahntopologiedaten mit Hilfe sogenannter Voxel erzeugt, d. h. Volumenelementen, für die jeweils wenigstens ein wählbarer Parameter gleich ist. Beispielsweise verfügen die Volumenelemente eines Voxels über den gleichen Grauwert. Die Voxel bilden in ihrer Gesamtheit eine räumliche Darstellung der Zahnstruktur oder einer Teilstruktur hiervon. Ausgehend hiervon kann eine dreidimensionale Oberflächendarstellung der Zahnstruktur oder eines Teiles hiervon erzeugt werden.
Das Verfahren zum Erzeugen der digitalen Zahntopologie für die Zahnstruktur kann in seinen unterschiedlichen Ausgestaltungen mit einer digitalen Volumentomografie (DVT) ausgeführt werden, also eines dreidimensionalen, zahnärztlichen Tomografie-Verfahrens. Ähnlich der Computertomografie oder der Magnetresonanztomografie ermöglicht die digitale Volumentomografie das Erzeugen von Schnittbildern. In einer Ausführungsform besitzt ein bei dem Verfahren genutzter digitaler Volumentomograph eine um 180 oder 360 Grad rotierbare Röntgenröhre und einen CCD-Detektor, der die gemessene Strahlung in Bilddaten umwandelt. Bei der Erzeugung der Bilddaten rotieren Röntgenröhre(n) und Detektor um den fixierten Patienten. Hierbei wird pro Grad je ein zweidimensionales Summations-Einzelbild erstellt. Die erfassten Bilddaten können dann im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Erzeugen der digitalen Zahntopologie ausgewertet werden.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm für ein Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur unter Verwendung einer Bisseinlage beim vorangehenden Erfassen von Bilddaten,
2 eine schematische Darstellung einer Bisseinlage,
3 eine perspektivische Darstellung zum Einsatz einer Bisseinlage bei Röntgenaufnahmen und
4 eine perspektivische Darstellung einer 3D-Rekonstruktion einer Zahnstruktur.
Nachfolgend wird anhand von Ausführungsbeispielen ein Verfahren zum Erzeugen einer Zahntopologie für eine Zahnstruktur unter Bezugnahme auf die Blockdarstellung in 1 erläutert.
Bei dem Verfahren werden in einem Schritt 10 zunächst Messdaten mit Hilfe eines oder mehrerer bildgebender Verfahren für die zu bestimmende Zahnstruktur erfasst. Hierbei können beispielsweise Röntgenaufnahmen gemacht werden. Aber auch die Computertomographie oder die digitale Volumentomographie können alternativ oder ergänzend verwendet werden. In einem Schritt 20 werden die bereitgestellten Messdaten dann gefiltert.
Im nächsten Schritt 30 wird geprüft, ob es sich um Messdaten für eine Messdatenerfassung unter Verwendung einer Bisseinlage handelt. Die Bisseinlage, für die 2 eine beispielhafte Ausführungsform zeigt, ist zum Beispiel als eine Bissfolie aus einem Silikonmaterial ausgeführt. Gemäß 2 verfügt die Bisseinlage über ein U-förmiges Bisselement 21 sowie ein Halter- oder Griffelement 22. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Bisseinlage eine Dicke von etwa einem Millimeter auf. Allgemein ist die Bisseinlage aus einem flexiblen Material, welches konfiguriert ist, sich beim Zusammendrücken der Zähne des Ober- und des Unterkiefers zu verformen und an die Oberflächenstruktur der Zähne anzupassen, sodass die Kieferstellung in der Normalokklusion nicht beeinträchtigt ist.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zu bestimmenden Zahnstruktur 31, bei der zwischen den Zähnen des Ober- und des Unterkiefers 32, 33 eine Bissfolie 34 angeordnet ist.
Gemäß 1 wird in einem nächsten Schritt 40 die Lage der Bisseinlage aus den bereitgestellten Messdaten ermittelt. Zu diesem Zweck werden in einem Schritt 50 Parameterdaten für die bei den Bildaufnahmen verwendete Bisseinlage bereitgestellt und verarbeitet. In einem Schritt 60 werden Koordinaten und Geometrie der Bisseinlage ermittelt.
In einem Schritt 70 werden sodann an die Okklusionsebene angrenzende Zahnstrukturen der Zähne des Ober- und des Unterkiefers analysiert und segmentiert.
Im Schritt 80 wird sodann eine Segmentierungsmaske erstellt.
Im Schritt 90 wird gemäß 1 die zuvor erstellte Segmentierungsmaske geprüft, um festzustellen, ob sie vorgegebenen Prüfkriterien genügt.
Wird die Segmentierungsmaske gemäß den vorgegebenen Prüfkriterien als ausreichend eingestuft, wird im Schritt 100 eine voxelbasierte oder oberflächenbasierte Zahntopologie der zu bestimmenden Zahnstruktur oder eines Teilbereiches hiervon ermittelt. Im Schritt 110 werden dann die Zahntopologiedaten für eine Ausgabe bereitgestellt. Die digitalen Zahntopologiedaten können in Schritten 120 und 130 für eine Herstellung der Operationssplinte und/oder einen 3D-Druck des Zahntopologiemodells verwendet werden.
Gemäß 1 ist in einem Schritt 140 eine Feinjustierung des Parametersatzes für die Segmentierungsmaske vorgesehen, wenn diese bei der Prüfung im Schritt 80 als nicht den vorgegebenen Parametern genügend eingestuft wird. Im Schritt 150 wird dann ein vordefinierter, optimierter Parametersatz aus einer Datenbank für dynamisch gewählte Algorithmen bereitgestellt.
4 zeigt beispielhaft eine 3D-Rekonstruktion aus den mit Hilfe des zuvor beschriebenen Verfahrens erzeugten Zahntopologiedaten.
Das vorangehend an Ausführungsbeispielen beschriebene Verfahren zum automatischen Erzeugen einer Zahntopologie ermöglicht einen neuartigen Prozess zur computerbasierten Erzeugung der Zahntopologie. Es erlaubt eine optimierte Vorbereitung eines operativen Eingriffs an der zuvor untersuchten Zahnstruktur. Die gegenüber bekannten Verfahren optimierten Zahntopologiedaten unterstützen eine computerbasierte Planung als auch eine CAD-basierte Modellierung im Zusammenhang mit der Zahnbehandlung. Manuelle Arbeitsschritte werden weiter minimiert.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/000063 A1 [0002]
WO 2008/128720 A2 [0002]
EP 1982652 A1 [0002]
DE 102007054906 A1 [0003]
DE 102007057872 A1 [0003]
DE 102008040947 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Zahntopologie für eine Zahnstruktur, wobei das Verfahren in einer computerbasierten Auswerteeinrichtung die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen von Messdaten, die mit Hilfe wenigstens eines bildgebenden Messverfahrens für eine zu bestimmende Zahnstruktur erfasste Messergebnisse repräsentieren, – Erzeugen von Segmentierungsdaten aus den Messdaten, wobei das Erzeugen der Segmentierungsdaten zumindest ein Erkennen einer bei dem wenigstens einen bildgebenden Messverfahren zur Okklusionstrennung verwendeten Bisseinlage in der Okklusionsebene der Zahnstruktur umfasst, – Erzeugen von Zahntopologiedaten, die eine Topologie der Zahnstruktur oder zumindest einer Teilstruktur hiervon repräsentieren, unter Verwendung der Segmentierungsdaten und – Bereitstellen der Zahntopologiedaten für eine Datenausgabe.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erkennen der Bisseinlage Schritte zum Bereitstellen und Verarbeiten von Parameterdaten umfasst, die wenigstens eine Eigenschaft der Bisseinlage angeben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erkennen der Bisseinlage einen Schritt zum Bestimmen der Lage der Bisseinlage in der zu bestimmenden Zahnstruktur umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Zahntopologiedaten einen Schritt zum Erzeugen von voxelbasierten Zahntopologiedaten umfasst.
Messverfahren zum Erzeugen von Messdaten für eine zu bestimmende Zahnstruktur zur Verwendung in einem Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei dem Messverfahren mit Hilfe wenigstens eines bildgebenden Messverfahrens digitale Messdaten für die zu bestimmende Zahnstruktur erzeugt werden, bei der zur Okklusionstrennung in der Okklusionsebene eine Bisseinlage angeordnet ist.