DE112012001645T5

DE112012001645T5 - Verfahren und System zum Verfolgen einer Kieferbewegung

Info

Publication number: DE112012001645T5
Application number: DE112012001645.9T
Authority: DE
Inventors: Mark D. Lauren
Original assignee: 4D DENTAL SYSTEMS Inc
Current assignee: 4D DENTAL SYSTEMS Inc
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2014-01-02
Also published as: US20120258431A1; WO2012142110A3; WO2012142110A2

Abstract

Es werden Verfahren geschaffen, um Kieferbewegungsdaten unter Verwendung von Photogrammmetrie-Techniken mit kleinem Winkel aufzuzeichnen und zu verwenden. Ein Verfahren wird anhand der Verwendung einer extraoralen Abbildungsvorrichtung beschrieben, um Bilder einer Textur, die auf Zahn- oder Weichgewebeoberflächen angeordnet ist, aufzunehmen. Obere und untere Textur-Oberflächenbereiche des oralen Hohlraums werden gleichzeitig abgebildet, wobei ihre Oberflächen als Funktion der Zeit abgeleitet werden, um 4D-Daten zu erzeugen. Die klinisch abgeleiteten Oberflächendaten können direkt mit der 3D-Anatomie einer Person registriert werden, was die Möglichkeit bietet, die relative Bewegung des Unterkiefers zu animieren. Eine Abbildungsvorrichtung, die für die Aufnahme von Bildgruppen mit kleinem Winkel geeignet ist, wird offenbart.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/516,868, eingereicht am 11. April 2011, die nun anhängig ist und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Aufnehmens und Modellierens einer Kieferbewegung und insbesondere auf die Erzeugung eines vierdimensionalen Modells (”4D-Modell”) des Kiefers einer Person.
Hintergrund der Erfindung
Es sind viele Verfahren offenbart worden, um die Bewegung eines menschlichen Kiefers aufzuzeichnen, einschließlich mechanischer, elektronischer, elektromagnetischer und optischer Techniken sowie Ultraschalltechniken. Moderne kommerzielle Systeme verwenden physikalische Rahmen, die getrennt am Oberkiefer und am Unterkiefer montiert werden, wobei die relative dreidimensionale Position (”3D-Position”) der Rahmen detektiert und aufgezeichnet wird. Rahmenbasierte Systeme sind weit davon entfernt, ideal zu sein, da sie schwerfällig und zeitaufwändig beim Einrichten sind und eine begrenzte Genauigkeit haben. Das Vorhandensein der Rahmen stört außerdem die natürliche Kieferbewegung einer Person.
Die Photogrammmetrie ist verwendet worden, um die Kieferbewegung außerhalb des Mundes ohne die Verwendung von Rahmen zu messen. Unter Verwendung einer zielbasierten Photogrammmetrie ist die 3D-Lokalisierung einer verhältnismäßig kleinen Anzahl von Zielen, die irgendwie an den Zähnen befestigt sind und außerhalb des Mundes positioniert sind, bestimmt worden. Im Allgemeinen wird ein Mundstück oder eine Kunststoffbefestigung verwendet, um die Abbildungsziele in Bezug auf den Unterkiefer und den Oberkiefer stationär zu halten.
Baumrind ( US-Pat. Nr. 4,836,778 ) offenbart ein rahmenbasiertes Zielsystem, das Leuchtdioden als Ziele an den Scheitelpunkten von dreieckigen Befestigungseinrichtungen verwendet, die außerhalb des Mundes durch Tragelemente, die an die Zähne geklebt sind, gehalten werden.
Neumeyer ( US-Pat. Nr. 4,859,181 ) beschreibt ein Photogrammmetrie-System, das Kunststoff-”Halteelemente” verwendet, die an den Zähnen befestigt sind, um ”Referenzelemente”, die Ziele außerhalb des Mundes enthalten, zu positionieren.
Robertson ( US-Pat.-Nr. 5,340,309 ) verwendet quaderförmige Ziele mit Fadenkreuzen, die außerhalb des Mundes gehalten werden.
Baba ( US-Pat.-Nr. 5,905,658 ) ordnet ”Messpunkte” an der Dentition an, ohne eine Struktur oder ein Verfahren zum Befestigen der ”Kieferbewegungs-Messpunkte” an den Zähnen zu spezifizieren.
Lauren ( US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0198566 ) (”Lauren”) lehrt ein Fluoreszenzverfahren, das Ziele verwendet, die auf die Zahnoberfläche aufgebracht werden. Die 3D-Zielorte werden unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung außerhalb des Mundes erhalten.
Die praktischen Anwendungen von Kieferbewegungsdaten umfassen einen verbesserten Zahnprothesen-Entwurf, die Kennzeichnung und die Analyse der Bewegung sowie die Integration abwechselnder Abbildungsmodalitäten wie etwa Röntgenstrahlen, um eine verbesserte biomedizinische Abbildungstechnik zu schaffen. Für den Prothesenentwurf können Kieferbewegungsdaten verwendet werden, um die verwendete Anatomie zu animieren; auf diese Weise kann der Entwurf die patientenspezifische Bewegung des Kiefers berücksichtigen. Dies erfordert, dass die aufgenommenen Kieferbewegungsdaten mit der erfassten 3D-Entwurfsanatomie zur Deckung gebracht werden.
Dieser Prozess des zur Deckung Bringens umfasst das Anpassen der 3D-Punktwolken der klinisch aufgenommenen Oberfläche mit der 3D-Entwurfsanatomie. Da die klinisch aufgenommene Oberfläche nur ein Bruchteil der zu animierenden Anatomie ist, ist ein genaues zur Deckung Bringen für die erfolgreiche kommerzielle Anwendung dieser Verfahren kritisch.
Aus der Perspektive der Erzeugung von 3D-Oberflächendaten, die für das zur Deckung Bringen für die Entwurfsanatomie geeignet sind, haben Kieferbewegungsverfahren des Standes der Technik spezifische Einschränkungen.
In dem Lauren-Verfahren hat das Aufstreichen von Abbildungselementen auf die Zähne eine ungleichmäßige Verteilung von Zielen auf der Oberfläche zur Folge. Obwohl eine Polygonoberfläche unter Verwendung einzelner Zielorte konstruiert werden kann, bleibt die 3D-Punktdichte unkontrolliert. Dies hat zwei Probleme zur Folge: 1) unvollständige Oberflächenmodellierung und 2) schlechtes zur Deckung Bringen für die Entwurfsanatomie.

1) Oberflächenbereiche, die keine Ziele enthalten, haben Spalte oder fehlende Abschnitte der Oberfläche zur Folge. Dies macht es unmöglich, eine vollständige und genaue Darstellung der Oberfläche zu erzeugen. Obwohl Glättungsapproximationen angewendet werden können, um die Oberflächenspalte zu füllen, führt dies im Allgemeinen zu einem zusätzlichen Fehler.
2) Ungleichmäßige Zielabstände haben ein nicht regelmäßiges 3D-Punktgitter zur Folge. Ungleichmäßige Felder aus 3D-Punktdaten können nur schwer oder aber überhaupt nicht genau für die gleichmäßigen Punktwolkendaten registriert werden, die für die Entwurfsanatomie routinemäßig erzeugt werden. Punktbasierte Oberflächenregistrierungsverfahren arbeiten am besten mit Oberflächen, die ähnliche Punktgitterdichten haben.

Zielbasierte Verfahren erfordern außerdem, dass die Abbildung unter großen Winkeln erfolgt, was eine erhöhte Genauigkeit schafft, wenn sich der Winkel zwischen Kamerabildern 90° annähert. Dies erfordert, dass die Kameras weit voneinander beabstandet sind, was im Allgemeinen zu einer größeren und weniger ausgeglichenen Konstruktion führt, die nicht bequem getragen werden kann. Daher besteht auch ein Bedarf an einer kompakteren Abbildungseinheit.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Verfahren dieser Erfindung beseitigen diese Beschränkungen unter Verwendung eines Abbildungslösungswegs mit kleinem Winkel, der schafft: 1) die Fähigkeit, Oberflächenspalte der Abbildungselemente zu tolerieren, 2) ein gleichmäßiges Punktgitter für ein genaues zur Deckung Bringen und 3) eine praktische, tragbare Abbildungsvorrichtung.
Obwohl Abbildungselemente durch das Aufstreichen noch immer ungleichmäßig aufgebracht werden könnten, können kleine Bereiche ohne Abbildungselemente toleriert werden. Pixel auf dem Kameradetektor, die Oberflächenbereichen ohne Abbildungselemente entsprechen, empfangen noch immer eine detektierbare Lichtmenge von umgebenden Abbildungselementen. Obwohl solche Niedrigpegel-Lichtdaten für die Bestimmung von Zielorten nicht geeignet sind, geben sie dennoch Texturinformationen an, die für eine 3D-Modellierung gemäß der Erfindung nützlich sind.
Statt der Ableitung einzelner Zielorte, um eine 3D-Oberfläche zu definieren, werden Software-Algorithmen verwendet, um Texturmuster zwischen Paaren von Bildern, die unter kleinen Winkeln aufgenommen wurden, zu erkennen und zu korrelieren, um ein gleichmäßiges Punktgitter mit gesteuerter Dichte abzuleiten. Das gleichmäßige Punktgitter, das mit minimalen Spalten in den Oberflächendaten erzeugt wird, erleichtert aufgrund der Ähnlichkeit der Punktgitterdichte das genaue zur Deckung Bringen für die Entwurfsanatomie.
Die Konfiguration einer Kamera mit kleinem Winkel gemäß dieser Erfindung schafft außerdem eine kompakte, tragbare Abbildungsvorrichtung außerhalb des Mundes, die für die Verwendung in der Zahnklinik geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt Verfahren, um vierdimensionale Bewegungsdaten (”4D-Bewegungsdaten”) bequem aufzunehmen und in den dentalen computergestützten Entwurf (CAD) zu integrieren.
Zufallsmuster mikroskopischer Abbildungselemente werden auf Bereiche sowohl der oberen als auch der unteren Zähne oder von Weichgeweben des Mundes in Form von Patches aufgebracht, die sich über mehrere Zähne erstrecken können. Die Abbildungselemente ergeben auf dem Sensor der Abbildungsvorrichtung ein zufälliges optisches Muster, das als ”Oberflächentextur” bezeichnet wird. Die Textur kann sich räumlich und hinsichtlich der Intensität verändern.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden fluoreszierende Mikrokugeln verwendet, um die Textur zu schaffen. Die Mikrokugeln werden auf der Oberfläche durch einen dünnen gefärbten Film gehalten, der außerdem einen dunklen Hintergrund zwischen den Abbildungselementen bereitstellt. Auftreffendes blaues Licht bewirkt, dass die Mikrokugeln grün fluoreszieren. Ein optisches Bandpassfilter vor einer monochromen Kamera erlaubt die Abbildung der fluoreszierenden Textur als weiß gegenüber einem dunklen Hintergrund. Gleichzeitig wird das blaue Erregungslicht von dem Kamerasensor abgehalten.
Obere und untere Texturbereiche (Patches) werden extraoral unter Verwendung eines tragbaren Gestells, das drei Kameras enthält, die unter kleinen Winkeln zueinander fixiert sind, aufgenommen. Die Kameras nehmen gleichzeitig mit einer gesteuerten Rate von etwa 10 Hz auf, wobei zu jedem Zeitpunkt ein Triplett von Bildern erzeugt wird.
Die 3D-Oberflächen der oberen und unteren Patches werden aus jedem Triplett (oder jeder Gruppe) von Bildern abgeleitet und als eine Oberflächenpatchdatei gesichert. Die Verfahren dieser Erfindung verwenden bildbasierte Verfahren zum zur Deckung bringen bzw. zum Registrieren an Bildpaaren mit kleinem Winkel, um ein gleichmäßiges 3D-Punktgitter für jede Gruppe von Bildern abzuleiten. Diese Verfahren verwenden Software-Algorithmen, um Texturmuster zwischen Paaren von Bildern zu erkennen und zu korrelieren, um ein gleichmäßiges Punktmuster mit gesteuerter Dichte abzuleiten.
Oberflächenpatchdateien, die sowohl obere als auch untere texturierte Patchoberflächen enthalten, repräsentieren eine genaue 3D-Aufzeichnung der relativen Position der oberen und unteren Bögen zu einem bestimmten Zeitpunkt. Eine zeitbasierte Menge von 3D-Oberflächenpatchdateien wird aus der entsprechenden Menge von Bildtripletts, die während einer Kieferbewegungssequenz aufgenommen werden, erzeugt. Dies sind die Basisdaten, die durch das Verfahren der Erfindung erzeugt werden. Diese Daten können dann verwendet werden, um ein 4D-Modell abzuleiten und in eine CAD-Software zu integrieren.
Klinisch erfolgt die Bildaufnahme, während eine Person spezifische Kieferbewegungen ausführt. Beispielsweise können Vorschiebungsbewegungsdaten verwendet werden, um den Entwurf der anterioren Führung, die für eine geeignete posteriore Disklusion erforderlich ist, zu unterstützen. Außerdem können grundlegende Öffnungs-/Schließbewegungsdaten verwendet werden, um einen tatsächlichen Schließbogen einer Person abzuleiten, der die Sicherstellung, dass Spitzen von Zähnen in Mulden gegenüberliegender Zähne geeignet eintreten und den Boden der Mulden auf ausgeglichene Weise berühren, unterstützen kann.
Die Integration von zeitbasierten Oberflächenpatchdaten in CAD kann durch zahlreiche Verfahren, die auf dem Gebiet wohlbekannt sind, erzielt werden. Dies erfordert im Allgemeinen, dass die dynamisch aufgenommenen Oberflächenpatchdaten mit der Anatomie, die durch Digitalisieren eines Zahnabdrucks oder einer intraoralen Abtastung erzeugt wird, zur Deckung gebracht werden.
Beispielsweise kann eine der Oberflächenpatchdateien in einer Sequenz als eine Referenzposition für eine Relativbewegungsmodellierung definiert werden. Die obere und die untere Entwurfsanatomie können dann mit dieser Referenzposition zur Deckung gebracht werden. Da die Oberflächenpatchdateien eine gleichmäßige Punktdichte haben, können sie ohne weiteres mit der digitalisierten Entwurfsanatomie zur Deckung gebracht werden. Das obere Patch von einer weiteren (zweiten) Oberflächenpatchdatei in einer Sequenz kann dann mit der oberen Referenzposition zur Deckung gebracht werden. Das untere Patch in der zweiten Oberflächenpatchdatei wird aus der unteren Referenzposition verlagert. Das zur Deckung bringen der unteren Referenzposition mit dem zweiten unteren Oberflächenpatch schafft eine Transformation, um die Änderung der Position der unteren Anatomie aus ihrer Position im Referenzpunkt in ihre Position in der zweiten Oberflächenpatchdatei zu beschreiben. Wenn dieser Prozess für jede Oberflächenpatchdatei in einer Sequenz fortgesetzt wird, wird eine Menge von Transformationen erzeugt, um die inkrementelle Änderung der Position des unteren Bogens bei einer festen oberen Position zu beschreiben. Diese Transformationsdaten repräsentieren ein 4D-Modell und können ohne weiteres in CAD integriert werden, um die gewünschte Animation zu schaffen.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein bequemes Kieferverfolgungsverfahren zu schaffen, das dynamische 3D-Daten erzeugt, die ohne Weiteres in dentale CAD-Systeme integriert werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Zusammensetzung und ein zugeordnetes Anwendungsverfahren für fluoreszierende Mikrokugel-Abbildungselemente, die auf den Zähnen aufzubringen sind, um die für die Abbildung benötigte Textur bereitzustellen, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine extraorale, tragbare Abbildungsvorrichtung zu schaffen, die für die Verwendung in der Zahnklinik geeignet ist, um eine extraorale Kieferverfolgungsabbildung auszuführen. Da die Kameras für die Abbildung unter kleinem Winkel nahe beieinander positioniert sind, wird eine kompakte Abbildungsvorrichtung geschaffen.
Diese Verfahren sind nichtinvasiv und klinisch praktisch und erfordern keinerlei mechanische Befestigungseinrichtungen, die an der Person zu befestigen sind.
Beschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis des Wesens und der Aufgaben der Erfindung sollte auf die folgende genaue Beschreibung Bezug genommen werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird; es zeigen:
1A einen Ablaufplan, der ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, um 4D-Kieferbewegungsdaten zu erzeugen.
1B einen Ablaufplan, der ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, um Zahnprothesen zu entwerfen.
2 einen Ablaufplan, der ein beispielhaftes bildbasiertes Registrierungsverfahren zeigt.
3 einen Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren zum Aufbringen unterschiedlicher Texturen auf den oberen und den unteren Bogen zeigt.
4 einen Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren zum Modellieren und Verwenden der 4D-Kieferbewegungsdaten, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt werden, zeigt.
5 das approximierte Gesichtsfeld einer extraoralen Vorrichtung; der Ort des oberen und des unteren Texturpatch auf den Zähnen und des Weichgewebes ist gezeigt.
6 ein Einzelbild von fluoreszierenden Abbildungselementen im Mund einer Person, die durch eine monochrome Abbildungsvorrichtung aufgenommen werden; die Mikrokugel-Texturbilder sind weiß vor einem dunklen Hintergrund.
7 eine 3D-Oberflächenpatchdatei, die aus einer Bildgruppe zu einem einzigen Zeitpunkt abgeleitet wird.
8 die Hauptelemente der Konfiguration mit drei Kameras mit kleinem Winkel der beispielhaften Abbildungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 die Anordnung funktionaler Komponenten der Abbildungsvorrichtung von 8.
10 eine Abbildungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann als ein Verfahren 100 zum Verfolgen einer Kieferbewegung ausgeführt werden (siehe z. B. 1A). Das Verfolgen einer Kieferbewegung kann durch Aufnehmen und Aufzeichnen der vierdimensionalen Bewegung (”4D-Bewegung”) des Kiefers erreicht werden. 4D-Systeme, wie sie hier verwendet werden, sind dreidimensionale Systeme (”3D-Systeme”), die sich mit der Zeit verändern, wobei die Zeit die vierte Dimension ist.
Der Kiefer einer Person besitzt einen oberen Bogen und einen unteren Bogen. Jeder Bogen kann Weichgewebe und mehrere Zähne enthalten. Eine Textur wird auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des oberen Bogens und auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des unteren Bogens aufgebracht. Die Oberflächenbereiche mit aufgebrachter Textur können als ein ”texturierter Oberflächenbereich” oder ein ”Patch” bezeichnet werden. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann eine Textur irgendeine Behandlung sein, die auf eine Oberfläche angewendet wird und ein im Allgemeinen zufälliges optisches Muster zur Folge hat, das durch einen Bildsensor detektiert werden kann. Beispiele von Texturen umfassen fluoreszierende oder farbige Polymer-Mikrokugeln, Lumineszenzmaterialien, gedruckte Muster, die auf den Mund übertragen werden, und Komponenten, die eine Textur ergeben, etwa Sand oder projizierte optische Muster, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein. Typische Fluoreszenzfarbstoffe, die mit Texturen verwendet werden, umfassen ohne Einschränkung Fluorescein, Fluorescein-Isothiocyanat sowie Nilrot.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Textur, die fluoreszierende Polymer-Mikrokugeln enthält (beispielsweise jene, die von Polysciencis, Inc., Warrington, PA., erhältlich sind) auf den einen oder die mehreren Oberflächenbereiche aufgebracht 103. Die Mikrokugeln können einen Durchmesser von etwa 5 bis 100 Mikrometer haben. Der Oberflächenbereich jedes Bogens kann eine Zahnoberfläche, eine Weichgewebeoberfläche oder eine Kombination aus Zahn- und Weichgewebeoberflächen sein.
5 zeigt ein Beispiel, in dem eine Textur auf die Oberflächenbereiche 340 des oberen Bogens und auf Oberflächenbereiche 360 des unteren Bogens in einem Gesichtsfeld 320 einer Abbildungsvorrichtung aufgebracht sind. Oberflächenbereiche werden anhand von Faktoren wie etwa: 1) in der zu animierenden Anatomie vorhanden, 2) eine Krümmung aufweisend und 3) für die Abbildung ohne weiteres zugänglich, ausgewählt.
Die Textur kann auf die Oberflächenbereiche als eine flüssige Zusammensetzung aufgebracht 103 werden. Solche Zusammensetzungen können eine Trägersubstanz wie beispielsweise einen Alkohol enthalten. Das Verfahren 100 kann den Schritt des Wartens, dass die Textur trocknet und/oder härtet, umfassen. Solche flüssigen Zusammensetzungen können durch Aufstreichen (oder Auftragen von Farbe), Sprühen oder dergleichen aufgebracht werden. Die Textur kann als ein Festkörper, beispielsweise eine granulare Zusammensetzung, konfiguriert sein. Die Textur kann andere Formate einschließlich Wasserübertragungs-Abziehbilder enthalten. Solche Abziehbilder werden typischerweise als ein (trockenes) Abziehbild auf einem Obertragungssubstrat (z. B. Papier usw.) verkauft. Das Abziehbild wird dann von dem Substrat und auf den Oberflächenbereich des Bogens unter Verwendung von Wasser und/oder einem Abziehbild-Klebstoff übertragen. Der Abziehbild-Klebstoff kann wasserlöslich sein.
Die auf den einen oder die mehreren Oberflächenbereiche des oberen Bogens aufgebrachte Textur 131 kann eine andere optische Charakteristik haben als die Textur, die auf den einen oder die mehreren Oberflächenbereiche des unteren Bogens aufgebracht wird 133 (siehe z. B. 3). Beispielsweise kann die Textur des oberen Bogens eine andere Farbe haben als die Textur des unteren Bogens.
In einer beispielhaften Ausführungsform werden fluoreszierende Mikrokugeln verwendet, um die Textur zu schaffen, wobei die Mikrokugeln grünes Licht aussenden, wenn sie mit blauem Licht erregt werden. In einer solchen Ausführungsform ermöglicht ein grünes optisches Bandpassfilter vor einer monochromen Digitalkamera, dass die Textur durch die Kamera als weiß gegenüber einem dunklen Hintergrund detektiert wird. 6 zeigt ein Bild, das mit einer solchen Kamera von einem oberen 404 und von einem unteren 406 Patch (d. h. mit aufgebrachter Textur) und von einem benachbarten Zahn 402 ohne aufgebrachte Textur, wo ersichtlich ist, dass sie in Reaktion auf auftreffendes blaues Licht fluoreszieren, erhalten wird.
Das Verfahren 100 umfasst ferner das Erhalten 104 einer zeitbasierten Menge von Bildgruppen, wobei jede Bildgruppe wenigstens zwei Bilder eines interessierenden Bereichs enthält, die gleichzeitig unter kleinen Winkeln aufgenommen wurden. Die Bilder jeder Bildgruppe werden gleichzeitig erhalten (104) und jedes Bild jeder Bildgruppe wird längs einer optischen Achse 104 erhalten, die zu einer optischen Achse, die verwendet wird, um ein weiteres Bild in derselben Bildgruppe zu erhalten, einen Winkel von weniger als 30° bildet. Als solche werden die Bilder jeder Bildgruppe als einen ”kleinen Winkel” zueinander bildend bezeichnet.
In einer Ausführungsform umfasst jede Bildgruppe drei Bilder (ein ”Triplett” von Bildern oder ein ”Bildtriplett”). Beispielsweise kann das Triplett von Bildern von drei Kameras, die unter festen, kleinen Winkeln zueinander positioniert sind (wie später beschrieben wird) erhalten werden 104. Die Kameras werden so ausgelöst, dass die Bilder der Bildgruppe (Triplett) gleichzeitig erhalten werden 104.
Jede Bildgruppe wird unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung wie beispielsweise der in 9 gezeigten Abbildungsvorrichtung 700 (die eine Kamerakonfiguration hat, die geeignet ist, um ein Bildtriplett zu erhalten) erhalten 104.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst jedes Bildtriplett drei Bilder, die als zwei Bildpaare mit kleinem Winkel angesehen werden können (wobei ein Bild der zwei Bildpaare den beiden Paaren gemeinsam ist). Die beiden Bildpaare werden unter Verwendung von drei Digitalkameras erhalten 104, die unter festen, kleinen Winkeln zueinander positioniert sind, wie beispielsweise in 8 gezeigt ist. Die Kameras erhalten die Bilder einer Bildgruppe gleichzeitig, wobei sie im Lauf der Zeit Bildgruppen erhalten und dadurch ein Bildtriplett für jedes Zeitinkrement erhalten 104. In einer solchen Ausführungsform werden zwei Bildpaare mit kleinem Winkel zwischen Kameras 602 und 604 sowie zwischen Kameras 602 und 606 für die bildbasierte Registrierung verwendet, wie später genauer beschrieben wird. Der Winkel 624 zwischen den Kameras 604 und 606 ist in dieser beispielhaften Ausführungsform zu groß, um verwendet zu werden.
Die zeitbasierte Menge von Bildgruppen wird während der Bewegung des Kiefers erhalten 104, so dass sich die relativen Bogenpositionen, die von jeder Bildgruppe aufgenommen werden, entsprechend der Kieferbewegung verändern. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck ”Position” in der gesamten Offenbarung als breit interpretiert werden sollte, um sich auf den relativen Ort eines Objekts im Raum sowie auf die Orientierung des Objekts zu beziehen. Die Abbildungsbeziehung kann Bildgruppen mit einer regelmäßigen Frequenz – einer ”Abtastrate” – aufnehmen. Die Abtastrate einer beispielhaften Abbildungsvorrichtung kann 5–20 Hz oder mehr betragen. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Abtastrate ungefähr 10 Hz. Die Intervalle zwischen Proben (Bildgruppen) müssen nicht regelmäßig sein.
Das Verfahren 100 umfasst ferner das Verwenden 106 einer bildbasierten Registrierung, um wenigstens zwei dreidimensionale Punktgitter der Oberflächenbereiche, die eine Textur haben, zu erzeugen. Typischerweise wird ein dreidimensionales Punktgitter für jedes Bildpaar mit kleinem Winkel erzeugt.
Wenn bildbasierte Registrierungsverfahren verwendet werden und ein gemeinsames Texturmerkmal in dem Paar von Bildern ermittelt (lokalisiert) wird 150, wird eine 3D-Lokalisierung für dieses gemeinsame Texturmerkmal berechnet 153. Die 3D-Lokalisierung wird unter Verwendung von a priori-Informationen über die Abbildungsvorrichtung einschließlich beispielsweise der Position und der Orientierung der Abbildungsvorrichtung relativ zueinander berechnet. Auch hier werden weitere Informationen wieder später angegeben. Die 3D-Lokalisierungen der gemeinsamen Texturmerkmale, die als eine Menge von Koordinaten für jedes gemeinsame Texturmerkmal aufgezeichnet werden können, werden in einer elektronischen Datei zusammengefügt 156, um das dreidimensionale Punktmuster für ein Bildpaar zu erzeugen. Die Datei umfasst mehrere Koordinatenorte, die die texturierten Oberflächenbereiche der Bögen repräsentieren. Dieser Prozess wird für jede der Bildgruppen in der Weise wiederholt 159, dass ein dreidimensionales Punktgitter für jede Bildgruppe erzeugt wird. Auf diese Weise wird ein dreidimensionales Punktgitter für die verschiedenen relativen Bogenpositionen erzeugt, die in der zeitbasierten Menge von Bildgruppen aufgezeichnet sind. Die Gitter, die durch die Bildpaare mit kleinem Winkel in jeder Bildgruppe erzeugt werden, werden zu einem einzigen Punktgitter kombiniert (gemischt) 162 und können als eine Oberflächenpatchdatei gesichert werden. Zeitbasierte dreidimensionale Punktgitter definieren gemeinsam ein 4D-Modell der Positionen des oberen und des unteren Bogens für die gesamte Kieferbewegung der Person. Somit kann von den Punktgittern gesagt werden, dass sie die Orte dreidimensionaler Positionen repräsentieren, die von den Oberflächen der Bögen während der Kieferbewegung durchlaufen werden. Die erzeugte Reihe zeitbasierte dreidimensionaler Punktgitter kann als ein vierdimensionales Modell (4D-Modell) der Kieferbewegung angesehen werden.
Eine zeitbasierte Menge von Oberflächenpatchdateien wird erzeugt, die eine Aufzeichnung der relativen 3D-Positionen des oberen und des obere Bogens enthält. Diese Daten können dann die Basis für mehrere Anwendungen bilden, etwa das Ableiten eines 4D-Modells der Kieferbewegung und eine Integration in CAD.
In einer Ausführungsform, die in 1B dargestellt ist, kann ein Verfahren 110 ferner einen Schritt des Verwendens 111 der Oberflächenpatchdateien, um eine Zahnprothese zu entwerfen, umfassen. Zahnprothesen, die nur anhand einer einzigen dreidimensionalen Position des Kiefers einer Person entworfen werden, erfordern oftmals die manuelle Umkonfiguration, um gegenseitige Störungen von Zähnen aufgrund der einzigartigen Kieferbewegung der Person zu berücksichtigen. Durch Animieren dreidimensionaler Modelle der Person anhand dieser tatsächlichen Kieferbewegung der Person kann der größte Teil der Umkonfiguration (nicht die gesamte Umkonfiguration) einer Prothese, die unter Verwendung der Animation entworfen wird, beseitigt werden.
Abbildungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung kann als eine Abbildungsvorrichtung 80 ausgeführt sein, um eine zeitbasierte Menge von Bildgruppen von Bögen während der Kieferbewegung zu erhalten (siehe z. B. 10). Die Abbildungsvorrichtung 80 umfasst einen Rahmen 82, an dem eine erste Abbildungseinrichtung 84 befestigt ist. Die erste Abbildungseinrichtung 84 kann Bilder in einem ersten Gesichtsfeld aufnehmen. Das erste Gesichtsfeld ist im Allgemeinen um eine optische Achse 88 zentriert, die typischerweise zu einer Abbildungsebene der ersten Abbildungseinrichtung 84 senkrecht ist. Die erste Abbildungseinrichtung 84 ist an dem Rahmen 82 an einem ersten Ort 86 befestigt.
Die Abbildungsvorrichtung 80 umfasst ferner eine zweite Abbildungseinrichtung 83, die an dem Rahmen 82 an einem zweiten Rahmenort 89 befestigt ist, der sich in einem festen Abstand von dem ersten Ort 86 befindet. Die zweite Abbildungsvorrichtung 83 kann Bilder in einem zweiten Gesichtsfeld aufnehmen. Das Gesichtsfeld der zweiten Abbildungseinrichtung 83 ist im Allgemeinen um eine optische Achse 85 zentriert. Die Abbildungseinrichtungen 84, 83 sind in der Weise orientiert, dass das erste Gesichtsfeld und das zweite Gesichtsfeld in dem interessierenden Bereich überlappen. In dieser Konfiguration sind die Abbildungseinrichtungen 84, 83 außerdem in der Weise positioniert, dass der Winkel 91, der durch ihre jeweiligen optischen Achsen 88, 85 gebildet wird, kleiner als etwa 30° ist. Auf diese Weise sind die Abbildungseinrichtungen 84, 83 für eine bildbasierte photogrammetrische Modellierung mit kleinem Winkel konfiguriert. In einer Ausführungsform sind die optischen Achsen 88, 85 der Abbildungseinrichtungen 84, 83 im Allgemeinen parallel, weshalb sie relativ zueinander keinen Winkel bilden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird eine parallele Konfiguration von optischen Achsen 88, 85 mit 0° bezeichnet und als im Schutzbereich der Erfindung liegend angesehen.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind geeignete Abbildungseinrichtungen 84, 83 Kameras, die Linsen und eine Computerschnittstelle, z. B. eine Kommunikationsschnittstelle mit universellem seriellem Bus (”USB-Kommunikationsschnittstelle”) besitzen. In dieser Ausführungsform sind drei Kameras, die unter kleinen Winkeln relativ zueinander an dem Rahmen der Abbildungsvorrichtung montiert sind, konfiguriert, um gleichzeitig Bildtripletts mit einer Abtastrate bis zu ungefähr 20 Hz erhalten (obwohl höhere Raten möglich sind). Die Kameras sind mit Linsen versehen, die in einem Arbeitsabstand von etwa 10 cm von der Vorderseite der Kameralinse fokussiert sind. Eine beispielhafte Vorrichtung dieser Ausführungsform stellt ein Gesichtsfeld von ungefähr 40 mm × 50 mm bereit. Für eine erhöhte Genauigkeit kann eine Vorrichtung mit vier (oder mehr) Kameras verwendet werden.
Der Abstand zwischen Abbildungseinrichtungen 84, 83 und die kleinen Winkel zwischen den optischen Achsen 88, 85 erlauben kompakte Vorrichtungen mit geringem Gewicht, die ohne weiteres tragbar sind.
Die Abbildungsvorrichtung 80 kann ferner eine Lichtquelle 81 umfassen, die an dem Rahmen 82 befestigt ist. Die Lichtquelle 81 ist konfiguriert, um Licht (eine Beleuchtung) für einen interessierenden Bereich bereitzustellen. Das Licht der Lichtquelle 81 kann im Allgemeinen so gerichtet sein, dass es die Gesichtsfelder der Abbildungseinrichtungen 84, 83 beleuchtet. Die Abbildungsvorrichtung 80 kann ferner ein oder mehrere optische Filter 87 enthalten. Die optischen Filter 87 können konfiguriert sein, um Licht bei einer eine Fluoreszenz erregenden Frequenz zu dämpfen, damit es die Abbildungseinrichtungen 84, 83 nicht erreicht. Es kann ein optisches Filter 87 vorhanden sein, das dazu dient, Licht für alle Abbildungseinrichtungen 84, 83 zu filtern, alternativ kann jede Abbildungseinrichtung 84, 83 ein jeweiliges optisches Filter 87 haben.
In Ausführungsformen, in denen die Abbildungsvorrichtung 80 konfiguriert ist, um Bildmengen von fluoreszierenden Gegenständen zu erhalten, stellt die Lichtquelle 81 Licht mit einer Erregungsfrequenz bereit und sendet der fluoreszierende Gegenstand Licht mit einer Emissionsfrequenz aus. Die optischen Filter 87 können konfiguriert sein, um Licht mit der Erregungsfrequenz aus dem Licht, das die Abbildungseinrichtungen 84, 83 erreicht, zu dämpfen. In einer weiteren Ausführungsform sind die optischen Filter 87 konfiguriert, um nur Licht mit der Emissionsfrequenz (ungefähr) durchzulassen. Weitere Einzelheiten werden in der folgenden beispielhaften Ausführungsform angegeben.
Beispielhafte Ausführungsform
8 veranschaulicht die Beziehung zwischen drei Digitalkameras einer beispielhaften Abbildungsvorrichtung 600. Eine mittige Digitalkamera 602, eine linke Digitalkamera 604 und eine rechte Digitalkamera 606 sind gezeigt. Die optischen Achsen der drei Kameras sind bei 610, 612 bzw. 608 gezeigt. Die optischen Achsen 610, 612, 608 verlaufen durch die Mitte des Abbildungssensors jeder Digitalkamera. Der Winkel 616 zwischen der mittleren und der linken Kamera 602, 604 ist kleiner als 30°, ebenso wie der Winkel 614 zwischen der mittleren und der rechten Kamera 602, 606. Im Ergebnis können Bildpaare, die durch diese Paare von Kameras (Mitte-Links; Mitte-Rechts) erzeugt werden, verwendet werden, um die beiden 3D-Punktgitter gemäß den Verfahren dieser Erfindung zu bestimmen. Der Winkel 624 zwischen der linken und der rechten Kamera 604, 606 ist größer als 30°. Obwohl daher ein drittes Paar von Bildern eine erhöhte Genauigkeit durch Ausgabe eines weiteren 3D-Punktgitters schaffen könnte, ist das Bildpaar, das durch die linke und die rechte Kamera 604, 606 erzeugt wird, für die Verfahren dieser Erfindung nicht geeignet.
Ein Winkel 622 zwischen einer rechten Mittellinie 618 (zwischen der mittleren und der rechten Kamera 602, 606) und einer linken Mittellinie 620 (zwischen der mittleren und der linken Kamera 602, 604), der einen Winkel 622 zwischen den beiden verwendbaren Paaren von Bildern repräsentiert, kann größer als 30° sein. Eine erhöhte Genauigkeit kann unter Verwendung zusätzlicher Bildpaare erzielt werden, solange der Winkel zwischen jedem Bild irgendeines Paars verwendbar ist (d. h. kleiner als 30° ist).
In einer Ausführungsform sind die optischen Achsen 608, 610, 612 im Allgemeinen parallel und bilden daher relativ zueinander keinen Winkel. In dieser Offenbarung wird eine solche parallele Konfiguration von optischen Achsen als 0° bezeichnet und als im Schutzumfang der Erfindung liegend angesehen.
9 veranschaulicht eine Frontansichtkonfiguration einer selbstenthaltenden Abbildungsvorrichtung 700, die eine Kunststoffumschließung 701 besitzt. Die Linsen der drei Digitalkameras 602, 604, 606 sind gezeigt. Fünf blaue LEDs 702 werden verwendet, um Erregungslicht für fluoreszierende Texturen (die in Übereinstimmung mit den hier offenbarten Verfahren aufgebracht werden) bereitzustellen. Drei Laserdioden 704 schaffen Ausrichtstrahlenbündel, um einen Anwender bei der Positionierung der Abbildungsvorrichtung 700 zu unterstützen. Ein Druckknopf 706 wird verwendet, um beide Laserdioden 704 und die blauen LEDs 702 einzuschalten. Sobald die Abbildungsvorrichtung 700 von dem Anwender positioniert worden ist, wird der Druckknopf 708 verwendet, um mit der Aufzeichnung von Bildtripletts zu beginnen. Anzeigelicht 710 leuchtet, um zu zeigen, dass die Einheit für die Aufnahme bereit ist, ferner leuchtet ein Anzeigelicht 712 während der Aufzeichnung.
In einer Ausführungsform ist die Abbildungsvorrichtung 700 konfiguriert, um Bildtripletts mit einer Rate von bis zu ungefähr 20 Hz zu erhalten (obwohl höhere Raten möglich sind). Die Kameras 602, 604, 606 sind jeweils mit Linsen versehen, die an einer Position auf der jeweiligen optischen Achse 608, 610, 612 in einem Abstand von etwa 10 cm von der Vorderseite der jeweiligen Kamera fokussiert sind. Eine beispielhafte Abbildungsvorrichtung dieser Ausführungsform stellt ein Gesichtsfeld von etwa 40 mm × 50 mm bereit. Eine Vorrichtung mit vier (oder mehr) Kameras kann für eine erhöhte Genauigkeit verwendet werden.
Der Abstand zwischen den Abbildungsvorrichtungen und die kleinen Winkel zwischen den optischen Achsen ermöglichen kompakte Vorrichtungen mit geringem Gewicht, die ohne weiteres getragen werden können. Wenn Bilder texturierter Oberflächenbereiche erhalten werden, sollten die drei Kameras einen geeignet großen Überlappungsbetrag zwischen ihren Gesichtsfeldern besitzen.
In Ausführungsformen, in denen die Abbildungsvorrichtung konfiguriert ist, um Bildgruppen eines fluoreszierenden Gegenstands aufzunehmen, stellt die Lichtquelle 702 Licht mit einer Erregungsfrequenz bereit und sendet der fluoreszierende Gegenstand mit einer Emissionsfrequenz Licht aus. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Abbildungseinrichtungen mit optischen Bandpassfiltern versehen, die nur Fluoreszenzwellenlängen (Emissionswellenlängen) durchlassen. Im Fall einer Abbildung einer Textur anhand von Fluorescein können die optischen Filter beispielsweise Wellenlängen von 500 bis 600 nm durchlassen. Auf diese Weise wird blaues Erregungslicht, das von einer Lichtquelle bereitgestellt wird, blockiert und nur von der Textur ausgesendetes grünes Licht wird abgebildet. Außerdem können Ausrichtungslaserdioden 704 rotes Licht bei 623 nm aussenden, das durch das optische Filter ebenfalls blockiert werden kann.
Wenn Abbildungsvorrichtungen verwendet werden, die nur monochrom detektieren, hat die fluoreszierende Textur, die wie oben beschrieben beleuchtet und gefiltert wird, ein Bild mit einer weißen Textur vor einem dunklen Hintergrund zur Folge.
Nichtbeschränkendes Beispiel einer Abbildungsvorrichtung

Lichtquelle: blaue LED, 450 nm.
Kameras: 2 Megapixel, monochrom, digital
Linse: Brennweite 16 mm
Optische Filter: 500–600 nm-Bandpassfilter (z. B. jene, die von Semrock Inc., Rochester, NY, erhältlich sind)
Gesichtsfeld: ungefähr 40 × 50 mm im Arbeitsabstand
Arbeitsabstand (zur Bildebene): 10 cm.

Ein großes Abbildungsvolumen dieser beispielhaften Vorrichtung ist ein weiteres nützliches Merkmal dieser Erfindung. Das Abbildungsvolumen ist der 3D-Bereich des Raums, der abgebildet werden kann und der ungefähr die X- und die Y-Abmessungen im Arbeitsabstand, multipliziert mit der Gesamttiefe des Feldes in der (axialen) Z-Richtung, umfasst. Das effektive Abbildungsvolumen ist ausreichend groß, um sowohl die oberen als auch die unteren Zähne aufzunehmen, wenn der Mund geöffnet ist.
Das 40 × 50 mm-Gesichtsfeld ermöglicht, Bilder von offenen Stellungen des Mundes zu erhalten. Der Betrieb mit f/11 schafft eine Feldtiefe von ungefähr ±25 mm im Arbeitsabstand. Dies erlaubt, Bilder von Bereichen des Bogens mit einer Krümmung zu erhalten, etwa von Positionen senkrecht zu den Eckzähnen. Das große Abbildungsvolumen erlaubt außerdem, Bilder von der Vorderseite des Mundes zu erhalten, um seitliche Kieferbewegungen besser aufzunehmen.
Ein Ausrichtsystem wie etwa ein Laserausrichtsystem kann verwendet werden, um den Anwender bei der Positionierung der Einheit in Bezug auf die Patches zu unterstützen. Laser, die in einem solchen System verwendet werden, können rote Strahlung bei 635 nm, die von dem Kamera-Bandpassfilter blockiert wird, aussenden.
Obwohl im Allgemeinen in Photogrammmetrie-Anwendungen monochrome Kameras verwendet werden, könnten auch Farbabbildungseinrichtungen verwendet werden. Farbkameras bieten die Möglichkeit, obere und untere Texturen unter Verwendung verschiedener Farben zu unterscheiden. Dies kann für eine automatisierte Datenverarbeitung von Vorteil sein.
Die Kameras können gleichzeitig ausgelöst werden, um Bildtripletts mit etwa 10 Hz zu erhalten. Daten können von der Abbildungsvorrichtung beispielsweise über USB, drahtlos und dergleichen übertragen werden.
Beispielhaftes Verfahren – Erzeugung von 4D-Daten
Textur
Die Textur wird als eine zufällige optische Textur auf einem Abbildungssensor angesehen, die durch eine angewandte Oberflächenbehandlung auf einem Bereich des Mundraums erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform können fluoreszierende Mikrokugeln auf den Zähnen als Teil einer Zusammensetzung, die für eine Aufstreichanwendung geeignet ist, aufgebracht werden. Die Zusammensetzung enthält eine biokompatible, flüchtige Trägerkomponente, z. B. Ethanol.
Die Zusammensetzung enthält ferner ein Polymer, das mit dem Träger gemischt ist. Geeignete gelöste Polymersubstanzen enthalten biokompatible Polymere wie etwa Polyvinylpyrrolidon (PVP), Zellulose-Derivate, Polyvinylalkohol und Polyethylenglykol.
Die Merkmale der Textur können räumlich und hinsichtlich der Intensität variieren. Irgendein Abbildungselement, das ein feines zufälliges Muster auf einem Abbildungsmuster schaffen kann, kann geeignet sein.
Mikrokugel-Trägerzusammensetzung
Das Erhalten von Bildern des Zahnschmelzes weist besondere Schwierigkeiten auf, da Zahnschmelz fluoresziert. Wenn Zahnschmelz durch ultraviolettes oder blaues Licht erregt wird, emittiert er stark im gelben/grünen Bereich. Ein nützliches Merkmal des Trägers ist die Farbe. Ein Farbfilm schafft einen dunklen Hintergrund für die Abbildung der Abbildungselemente. Der dunkle Hintergrund schafft den hohen Kontrast, der erforderlich ist, um eine geeignete optische Textur zu erzeugen. Die Fluoreszenzverfahren dieser Erfindung funktionieren ohne Farbfilm auf Zahnschmelz nicht gut. Für die Fluoreszenzverfahren dieser Erfindung kann der Film schwarz, rot oder blau sein oder andere Farben haben, die den Kontrast zwischen den Abbildungselementen und dem Hintergrund bei Betrachtung durch die Abbildungseinrichtungen erhöhen.
Nichtbeschränkende, beispielhafte Trägerzusammensetzung:

5% Polyvinylpyrrolidon in 90%-igem Ethanol
1% Erioglaucin – blaue Farbe
0,2% Natriumdodecylsulfat

Konzentration im Abbildungselement (Mikrokugel) ungefähr 10000/ml
Der Farbfilm stellt die folgenden Funktionen bereit:

1. Er absorbiert das von den Kügelchen ausgesendete grüne Licht, was für die Kugeln gegenüber dem Hintergrund einen Kontrast schafft;
2. Er absorbiert die Fluoreszenzemission von dem darunterliegenden Zahnschmelz. Blaues auftreffendes Licht tritt in den Zahnschmelz am Umfang des Patch ein und bewirkt, dass der Zahnschmelz unter dem Patch fluoresziert.
3. Er hält auftreffendes blaues Licht davon ab, in die Zahnschmelzoberfläche zwischen den Kügelchen in dem Patch einzudringen.
4. Er reflektiert keinerlei grünes Licht, das von den blauen Kügelchen zurück zu den Kameras ausgesendet würde. Alle Kügelchen senden einen kleinen Bruchteil von Licht mit breitem Spektrum einschließlich Grün aus, wodurch der Kontrast zwischen dem Hintergrund und den Kügelchen verringert werden kann.

Der Träger kann eine Formel haben, damit er ausreichend flüchtig ist, um so einen Film in einer kurzen Zeitdauer (z. B. weniger als 10 Sekunden) zu bilden. Die Zusammensetzung kann ausreichend viskos sein, um ein Fließen während der Trocknungsperiode minimal zu machen.
Das Verfahren schafft dadurch ohne Störung durch die Zahndurchlässigkeit eine Abbildung fluoreszierender Mikrokugeln, die auf der Zahnoberfläche angeordnet sind. Die aufgenommenen Bilder können in Echtzeit an einen Computer übertragen werden, um gespeichert und weiterverarbeitet zu werden.
Mikrokugel-Aufbringungsverfahren
5 zeigt ein typisches Gesichtsfeld 320 (40 × 50 mm) für die Abbildungsvorrichtung in einer Ausführungsform. Ein oberes Patch 340 und ein unteres Patch 360 sind ebenfalls gezeigt. Jedes Patch 340, 360 erstreckt sich etwa über die Hälfte des Zahnfleischbereichs zu der okklusalen Spitze der Zähne. Dies vermeidet die Überlappung der Patches 340, 360, wenn die Zähne jedes Bogens zusammen sind. Die Patches 340, 360 können sich auf das Weichgewebe über einen gleichen Abstand erstrecken. Dieses Anwendungsschema schafft eine erhebliche Krümmung für das Patch für eine verbesserte Registrierung. Im Allgemeinen werden Texturen auf Oberflächenbereiche mit Krümmung wie etwa den Zahnfleischbereich aufgebracht.
Ein nicht störender Backenretraktor kann verwendet werden, um die Lippen während der Aufbringung der Texturen voneinander entfernt zu halten.
Eine flache Nylonbürste kann verwendet werden, um die Zusammensetzung auf die Zähne oder das Weichgewebe aufzubringen. Wenn die Zusammensetzung aufgebracht wird, verdampft der Träger und lässt die Mikrokugeln zurück, die auf dem Oberflächenbereich unter einem dünnen Polymerfilm gefangen sind. Wenn der Träger verdampft, setzen sich die Abbildungselemente durch die Schwerkraft ab, um effektiv einen direkten Kontakt mit dem Oberflächenbereich zu ergeben.
Die Person kann so positioniert sein, dass die Oberflächenbereiche, die verwendet werden sollen, im Allgemeinen horizontal sind, wenn die Textur aufgebracht wird. Dies schafft einen guten Zugang für die Beschichtung und schafft eine Schwerkraftkomponente in Richtung zum Gesicht der Oberflächenbereiche. Nach dem Trocknen des Films beispielsweise in ungefähr 10 Sekunden kann die Person in eine normale, aufrechte Stellung zurückgebracht werden.
Mikrokugeln werden in einer Konzentration aufgebracht, um eine effektive Textur zu ergeben, die im Allgemeinen 50–75% der gesamten theoretischen Bereichsabdeckung beträgt. Außerdem können nicht abbildende Abbildungselemente, die für die Abbildungseinrichtungen nicht sichtbar sind, hinzugefügt werden, um eine gleichmäßigere Verteilung sichtbarer Abbildungselemente in dem Bereich zu schaffen. Diese nicht sichtbaren Abbildungselemente können nicht fluoreszierend sein und/oder einen anderen Durchmesser haben und/oder auf andere Weise für die Abbildungseinrichtungen nicht sichtbar sein.
In einigen Ausführungsformen können Texturen nur auf dem Weichgewebe angeordnet werden. Weichgewebe schafft einen natürlichen dunkleren Hintergrund, was die Verwendung von Zusammensetzungen für die Kügelchen ohne Farbe ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung können die Abbildungselemente, die auf den oberen Bogen aufgebracht werden, eine andere Farbe als jene haben, die auf den unteren Bogen aufgebracht werden. Die Verwendung von Farbabbildungseinrichtungen mit derart verschieden gefärbten Abbildungselementen bietet einen Weg, um während der Bildanalyse zwischen der oberen und der unteren Dentition zu unterscheiden, was eine automatische Datenverarbeitung verbessern kann.
Die Patches werden auf der zu animierenden Anatomie angeordnet. 4D-Aufnahmen von mehr als einem Bereich des Mundes können erhalten werden, wobei die Ergebnisse koordiniert und kombiniert werden.
In einer Ausführungsform kann die Textur auf einen vorderen Backenzahn, einen Eckzahn und einen seitlichen Schneidezahn aufgebracht werden. Bilder können von einem Aspekt im Allgemeinen senkrecht zu den Eckzähnen erhalten werden. Dies schafft ein Feld mit großer Abmessung in senkrechten Richtungen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Textur als gedruckter, wasserübertragbarer Film aufgebracht werden, der Abbildungselemente enthält, die in einem vorgeschriebenen Muster gedruckt sind. Solche Abbildungselemente können gedruckte kleine Punkte (z. B. mit einem Durchmesser im Bereich von 0,001 bis 0,005 Zoll) sein, die ein Zufallsmuster haben. Das gedruckte Muster kann fluoreszierend sein. Der Hintergrund kann außerdem schwarz oder gedrucktes Schwarz sein, um den Kontrast des Musters zu verbessern.
Klinische Abbildung
6, 400, zeigt ein einzelnes Bild (ein Bild eines Tripletts von Bildern) mit fluoreszierenden Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 35 Mikrometer im Mund wie beschrieben. Ein Zahn 402 außerhalb des Patchbereichs ist aufgrund der Fluoreszenz des Zahnschmelzes sichtbar. Das obere Patch 404 und das untere Patch 406 zeigen die Zufallstextur, die durch die Abbildungselemente bereitgestellt wird.
Die Hauptschritte in einer klinischen Abbildung umfassen ohne Einschränkung:

1. Verwenden eines Backenretraktors, um die Lippen voneinander beabstandet zu halten;
2. Aufbringen einer Textur auf die orale Anatomie;
3. Erhalten von Bildern und Bildgruppen; und
4. Abwaschen der Textur unter Verwendung von Wasser.

Eine tragbare Abbildungsvorrichtung wird in einem Abstand von etwa 4 Zoll verwendet, um die Patches abzubilden. Die klinische Abbildung umfasst das Aufnehmen einer zeitbasierten Menge von Bildgruppen der Patches. Das Auslösen der Kameras beispielsweise mit 10 Hz erzeugt zehn Bildgruppen pro Sekunde oder, sobald verarbeitet, zehn 3D-Kieferpositionen pro Sekunde. Jedes einzelne Bild nimmt sowohl das obere als auch das untere Patch auf. Die Menge von Bildgruppen kann über etwa 10–15 Sekunden erhalten werden.
Bei Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die klinische Kieferbewegungsabbildung mit voneinander beabstandet gehaltenen Lippen ausgeführt, wobei die Verfahren dieser Erfindung die natürliche Kieferbewegung kaum oder nicht stören. Aufgenommene klinische Kieferbewegungen können umfassen: Randbewegungen, Zufallsaktionen, Kauzyklen, Zusammenbeißen und Öffnen/Schließen. Die Bewegungen, die aufzunehmen sind, könne von der spezifischen Anwendung abhängen.
In einer beispielhaften Anwendung, in der ein neuer Prothesenzahn entworfen werden soll, können beispielhafte Kieferbewegungen umfassen:

1. Vorschieben – diese Daten können verwendet werden, um den Entwurf der anterioren Führung zu unterstützen, die erforderlich ist, um die Disklusion der posterioren Zähne sicherzustellen.
2. Öffnen/Schließen – ein tatsächlicher Schließbogen kann erhalten und verwendet werden, um sicherzustellen, dass der entworfene Zahn auf die gegenüberliegende Mulde in der Nähe des Bogens auf ausgeglichene Weise trifft.
3. Zufällige Kaubewegung – diese Bewegung kann verwendet werden, um eine dynamische Oberfläche zu erzeugen, die den Ort von Positionen, die entgegenwirkende Zähne einnehmen, darstellen. Der Entwurf eines neuen Zahns gegenüber dieser Oberfläche gewährleistet, dass der Zahn nicht stört, wenn er im Mund angeordnet wird.

Ableiten von Oberflächenpatchdateien
Eine Oberflächenpatchdatei ist eine digitale 3D-Dartellung, die sowohl obere als auch untere Patches (siehe beispielsweise 7) enthält. Diese Daten umfassen die relativen 3D-Positionen der Bögen zu einem einzigen Zeitpunkt.
Kommerziell erhältliche Photogrammmetrie-Software (z. B. PhotoModeler von EOS Systems, Vancouver, BC Kanada) kann verwendet werden, um die Textur in den Patchbildern zu analysieren und um 3D-Oberflächenpatchdateien genau zu erzeugen. PhotoModeler^TM ist eine Software, die verwendet wird, um eine Photogrammmetrie an mehreren Photographien desselben Feldes, das unter verschiedenen Winkeln aufgenommen wird, auszuführen.
Das Erzeugen eines 3D-Punktgitters aus der Gruppe von Bildern erfordert die Kennzeichnung des optischen und des physikalischen Systems. Der Prozess kann in zwei Schritten betrachtet werden. Die folgenden Aktionen können durch die PhotoModeler^TM-Software ausgeführt werden:
1. Systemeinrichtung

a. Kamerakalibrierung – die einzelnen Abbildungseinrichtungen (z. B. Kameras usw.) werden kalibriert, um Linsenkorrekturparameter abzuleiten, die verwendet werden, um Bilder für eine genaue Unterpixelmarkierung einzustellen.
b. Kameraorientierung – der Ort jedes Bildsensors gemeinsamer Merkmale der Bilder wird identifiziert. In einer Ausführungsform kann die Software automatisch solche Merkmale als ”SmartPoints^TM” (EOS Systems) identifizieren. Es können etwa 300 SmartPoints^TM identifiziert werden. Diese Punkte werden verwendet, um die Orientierung der Kameras im 3D-Raum zu erhalten.
c. Skala – kann hinzugefügt werden, indem eine Bildgruppe erhalten wird, die ein Kalibrierungsziel enthält, das eine Menge bekannter Abstände besitzt. Der Abstand zwischen den Kameras kann dann unter Verwendung von PhotoModeler^TM bestimmt werden. Diese Werte sind für jede Dreifachkamera-Abbildungsvorrichtung eindeutig. Die Abstände zwischen den Kameras können dann verwendet werden, um das bereits orientierte System zu skalieren.

2. Dichte Oberflächenmodellierung
Die dichte Oberflächenmodellierung (”DSM”) ist eine Menge von bildbasierten Suchalgorithmen, die nach Pixel-Pegel-Gruppierungen der Textur suchen, die zwischen einem Paar von Bilder mit kleinem Winkel ähnlich aussehen. Dies kann auf eine regelmäßige gitterartige Weise geschehen, wobei mehrere 3D-Orte berechnet werden. DSM kann verwendet werden, um gleichmäßige Oberflächenmessungen zu erhalten, die bei anderen Techniken wie etwa einer punktbasierten Photogrammmetrie nicht praktisch wären.
Sobald die Systemeinrichtung geeignet definiert worden ist, kann DSM ausgeführt werden. Der DSM-Algorithmus verwendet Paare von Bildern, um ein Punktgitter abzuleiten. Im Voraus definierte Bereiche eines Bildes werden unter Verwendung eines n × m-Patch der Abbildungstechnik aus gepaarten Bildern nach übereinstimmenden Orten durchsucht. Übereinstimmungen werden optimiert und auf einer Unterpixelebene erneut berechnet. Die übereinstimmenden Orientierungen auf dem Abbildungssensor einer Kamera werden dann verwendet, um 3D-Punktorte (als ein Punktgitter) unter Verwendung der Kameraposition von Skalierungsinformationen zu erzeugen.
Für eine Dreifachkamera-Abbildungsvorrichtung, die in dieser Offenbarung beschrieben wird, werden zwei Bildpaare mit kleinem Winkel verwendet: eines zwischen der mittleren und der linken Kamera und ein zweites zwischen der mittleren und der rechten Kamera. Die zwei Punktgitter, die aus den zwei Paaren von Bildern erzeugt werden, werden miteinander zur Deckung gebracht und zu einem einzigen Punktgitter, das einen definierbaren Punktabstand hat, vermischt. Das endgültige Punktgitter der oberen und unteren texturierten Oberflächenbereiche kann dann als eine Oberflächenpatchdatei in einem Dateiformat, wie es auf dem Gebiet bekannt ist, gesichert werden.
Wie oben beschrieben, kann eine aufgenommene Kieferbewegungssequenz durch eine Menge von Oberflächenpatchdateien repräsentiert werden. Jede 3D-Oberflächenpatchdatei in einer Sequenz kann als ein einzelner ”Rahmen” ähnlich dem zweidimensionalen Bildrahmen einer gewöhnlichen Videosequenz angesehen werden. Wenn mit 8 Hz abgetastet wird, würde eine Dreifachkamera-Abbildungsvorrichtung drei gleichzeitige Bilder pro Bildgruppe (Abtastwert) und acht Bildgruppen pro Sekunde, also insgesamt 24 Bilder pro Sekunde, erzeugen. Eine klinische Zehnsekunden-Sequenz (240 Kamerabilder) kann achtzig 3D-Positionen enthalten.
Diese Daten ergeben eine genaue Aufzeichnung der relativen Position der Bögen zu Zeitpunkten und sind für das zur Deckung bringen in einer anderen Oberflächenanatomie, die durch bekannte Mittel erhalten wird, geeignet.
Modellierung
Die Manipulation von zeitbasierten 3D-Datenmengen ist auf dem Gebiet wohlbekannt. Hier wird ein Beispiel eines Modellierungsverfahrens für die Verwendung der Oberflächenpatchdateien, die durch diese Erfindung erzeugt werden, angegeben.
Referenzposition
In einer Ausführungsform ist eine der Oberflächenpatchdateien in einer Sequenz als ein ”Referenzrahmen” definiert, um Ausdrücke einer relativen Bewegung abzuleiten. Irgendeine 3D-Oberflächenpatchdatei in einer Bewegungssequenz kann als eine Referenz dienen.
Entwurfsanatomie
Eine Entwurfsanatomie oder vollständigere 3D-Modelle der oralen Anatomie ist die Anatomie, die für den Entwurf einer besonderen Zahnprothese erforderlich ist. Die Entwurfsanatomie enthält die Oberfläche, die darunter liegt und sich von den oberen und unteren Textur-Oberflächenbereichen erstreckt. Diese Daten werden typischerweise als 3D-Punktgitterdateien unter Verwendung wohlbekannter Verfahren wie etwa einer intraoralen 3D-Abtastung oder einer Abtastung von Zahngüssen oder -abdrücken erhalten. Solche Dateien besitzen im Allgemeinen einen gleichmäßigen Punktabstand. Die Oberflächenpatchdateien, die durch die Verfahren dieser Erfindung erzeugt werden, liegen in der Entwurfsanatomie.
Ableitung von Ausdrücken, um eine Bewegung zu kennzeichnen
Die obere und die untere Entwurfsanatomie kann mit einer Referenzrahmen-Oberflächenpatchdatei zur Deckung gebracht werden, um einen verbesserten Referenzrahmen zu erzeugen. Dies geschieht, um den maximal nutzbaren Oberflächenbereich der nachfolgenden Registrierungen, die verwendet werden, um das 4D-Modell aufzubauen, zu erzeugen.
Die oberen Oberflächenpatchdaten in einem weiteren Rahmen (Rahmen n) werden dann mit den erweiterten oberen Daten in dem verbesserten Referenzrahmen zur Deckung gebracht. Die oberen Daten im Rahmen n stimmen nun mit den entsprechenden oberen Daten des Referenzrahmens überein und die unteren Daten sind aus der Position der entsprechenden erweiterten unteren Daten des Referenzrahmens ”verlagert”. Diese Verlagerung kann als eine Transformationsfunktion ausgedrückt werden, die durch zur Deckung bringen der unteren Referenzdaten mit den verlagerten unteren Daten (Rahmen n) aus einem weiteren Zahnrahmen abgeleitet wird. Die Transformation, die dadurch für den Rahmen n erzeugt wird, drückt die Koordinatensystemverschiebung aus, die erforderlich ist, um die unteren Daten aus ihrer Position im Referenzrahmen in ihre Position im Rahmen n zu bewegen.
Das Wiederholen dieser Schritte für die verbleibenden Rahmen in einer 4D-Sequenz erzeugt eine Menge von Transformationen, die die inkrementelle Änderung der Position des unteren Rahmens in Bezug auf einen festen oberen Rahmen für die Sequenz beschreiben. Diese zeitbasierten Transformationsdaten bilden auch ein 4D-Modell. Die Transformationen können dann verwendet werden, um die Entwurfsanatomie zu animieren. Andere mathematische Schemata und technische Lösungswege können verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Da die Oberfläche, die aus den Mikrokugeln abgeleitet wird, direkt neben der wahren oralen Oberfläche liegen kann, kann die Entwurfsanatomie in Schalen gebildet sein, um das zur Deckung bringen der Oberflächenpatchdateien zu unterstützen. Alternativ können die Oberflächenpatchdateien um einen ähnlichen Betrag geschrumpft werden.
Die inkrementelle Verlagerung der oberen und unteren Bögen von einem Zeitpunkt zum Nächsten ist gewöhnlich im Vergleich zu der Größe der Patches nicht groß. Daher können nach dem zur Deckung bringen des Referenzrahmens mit der Entwurfsanatomie für die Bestimmung einer Transformation die verbleibenden Oberflächenpatchdateien in einer Sequenz automatisch zur Deckung gebracht und analysiert werden.
Animation der Entwurfsanatomie
Die Menge von Transformationen, die für eine besondere Bewegungssequenz abgeleitet werden, kann verwendet werden, um die Entwurfsanatomie zu animieren. Die Transformationen und die Entwurfsanatomie können in CAD integriert werden, um eine patientenspezifische Bewegung bereitzustellen. Die Animation und die Anzeige kann durch viele verschiedene Mittel erreicht werden und dennoch im Schutzbereich dieser Erfindung liegen.
Integration in CAD
Wenn ein neuer Zahn entworfen wird, kann beispielsweise der neue Zahn gegenüber seiner gegenüberliegenden Entwurfsanatomie animiert werden. Die CAD-Werkzeuge, die verwendet werden, um die neuen Zähne zu formen, können dann verwendet werden, um den Zahn anhand des Kontakts und der Störungen, die während der Animation beobachtet werden, zu entwerfen.
In anderen Ausführungsformen können die Oberflächenpatchdateien zur Deckung gebracht und verwendet werden, um anatomische 3D-Daten, die durch andere Abbildungsarten wie beispielsweise Röntgenstrahlen, Ultraschall oder Magnetresonanzabbildung erzeugt werden, zu animieren.
Andere beispielhafte Anwendungen
Anwendungen umfassen den Entwurf irgendeiner prothetischen oder oralen Anwendung, die die Okklusion der Zähne erfordert, etwa Kronen, Brücken, künstliche Gebisse und entfernbare orale Vorrichtungen. Andere Anwendungsbereiche umfassen diagnostische und chirurgische Anwendungen.
Für einen verbesserten Kronenentwurf kann sich die orale Entwurfsanatomie auf die Anatomie beziehen, die dem Entwurf eines neuen Zahns (neuer Zähne), benachbarter Zähne und gegenüberliegender Zähne zugeordnet ist. Beispielsweise schafft das Animieren der okklusalen Oberfläche der gegenüberliegenden Zähne ein Verfahren zum Erzeugen einer dynamischen Oberfläche (ähnlich einer Zufallskaubewegung), die den geometrischen Ort der gegenüberliegenden Zahnpositionen repräsentiert. Das Entwerfen von Kronen gegenüber dieser dynamischen Oberfläche verringert die Störungen, wenn die Krone in den Mund eingepasst wird.
Spezifische Kieferbewegungen wie etwa Kauzyklen, Öffnen/Schließen und Randbewegungen können verwendet werden, um die Okklusion während des Entwurfs eines neuen Zahns zu optimieren.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere besondere Ausführungsformen beschrieben worden ist, können selbstverständlich andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geschaffen werden, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche und ihre vernünftige Interpretation eingeschränkt sein.

Claims

Verfahren zum Verfolgen einer Kieferbewegung, wobei der Kiefer einen oberen Bogen und einen unteren Bogen besitzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen einer Textur auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des oberen Bogens und einen oder mehrere Oberflächenbereiche des unteren Bogens; Erhalten einer Menge von wenigstens zwei Bildgruppen der aufgebrachten Textur unter Verwendung einer extraoralen Abbildungseinrichtung, wobei die Bilder jeder Bildgruppe gleichzeitig erhalten werden und jedes Bild jeder Bildgruppe längs einer optischen Achse erhalten wird, die einen Winkel von weniger als 30° in Bezug auf eine optische Achse bildet, die verwendet wird, um ein weiteres Bild derselben Bildgruppe zu erhalten, und wobei jede Bildgruppe während der Kieferbewegung zu einer anderen Zeit erhalten wird; und Verwenden einer bildbasierten Registrierung, um eine zeitbasierte Menge von wenigstens zwei dreidimensionalen Punktgittern der aufgebrachten Textur zu erzeugen, wobei jedes Punktgitter unter Verwendung einer Bildgruppe der Menge von Bildgruppen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Bildgruppe drei Bilder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Verwendens der erzeugten zeitbasierten Menge von dreidimensionalen Punktgittern, um eine Zahnprothese zu entwerfen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Textur mehrere Abbildungselemente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abbildungselemente fluoreszierende Mikrokugeln sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Textur unter Verwendung eines wasserübertragbaren Abziehbildes aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildgruppen mit einer Rate von etwa 10 Hz erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens der zeitbasierten Menge von wenigstens zwei dreidimensionalen Punktgittern die folgenden Unterschritte umfasst: Durchsuchen von zwei Bildern aus einer Bildgruppe, um gemeinsame Texturmerkmale zu lokalisieren, wobei jedes Texturmerkmal ein Abschnitt des Paars von Bildern ist, der entsprechende Texturen besitzt; Berechnen eines dreidimensionalen Ortes jedes gemeinsamen Texturmerkmals; und Zusammenfügen der dreidimensionalen Orte, um ein dreidimensionales Punktgitter, das den zwei durchsuchten Bildern entspricht, zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei jede Bildgruppe mehr als zwei Bilder enthält und das Verfahren ferner die folgenden Unterschritte umfasst: Wiederholen der Unterschritte nach Anspruch 8, bis jedes Bild der Bildgruppe wenigstens einmal durchsucht worden ist; Mischen der 3D-Punktgitter, um ein einziges 3D-Punktgitter zu erzeugen, das der Bildgruppe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufbringens einer Textur die folgenden Unterschritte umfasst: Aufbringen einer Textur mit einer ersten optischen Eigenschaft auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des oberen Bogens; und Aufbringen einer Textur mit einer zweiten optischen Eigenschaft auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des untere Bogens, wobei sich die zweite optische Eigenschaft von der ersten optischen Eigenschaft unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die optische Eigenschaft Farbe ist.
Vorrichtung zum Erhalten von zwei oder mehr Bildgruppen mit kleinem Winkel eines Abschnitts eines Kiefers, die umfasst: einen Rahmen; eine erste elektronische Abbildungseinrichtung, die an dem Rahmen an einem ersten Rahmenort befestigt ist, wobei der erste Bildsensor ein optisches Filter besitzt und so orientiert ist, dass ein Bild längs einer ersten optischen Achse erhalten wird; eine zweite elektronische Abbildungseinrichtung, die an dem Rahmen an einem zweiten Ort befestigt ist, wobei der zweite Bildsensor ein zweites optisches Filter besitzt und so orientiert ist, dass ein Bild längs einer zweiten optischen Achse erhalten wird; wobei sich der erste Rahmenort und der zweite Rahmenort in einem festen Abstand voneinander befinden und die Abbildungseinrichtungen in der Weise konfiguriert sind, dass die erste optische Achse und die zweite optische Achse einen Winkel von weniger als 30° zueinander bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die elektronischen Abbildungseinrichtungen in der Weise orientiert sind, dass die erste optische Achse und die zweite optische Achse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner wenigstens eine Lichtquelle umfasst, die an dem Rahmen befestigt ist und konfiguriert ist, um Licht für einen Bereich von Interesse bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die optischen Filter konfiguriert sind, um die Lichtmenge von der Lichtquelle, die die entsprechenden Abbildungseinrichtungen erreicht, zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner einen an dem Rahmen befestigten Bereichsfinder umfasst.