DE19827788C2

DE19827788C2 - Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens

Info

Publication number: DE19827788C2
Application number: DE19827788A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dirksen; Gert Von Bally; Friedhelm Bollmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: DE19827788A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur reproduzierbaren dreidimen sionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens anhand mit einem opti schen topometrischen Sensor vermessener (digitalisierter) Kiefermodelle und bezieht sich auf eine auf der Basis der phasenmessenden Profilometrie arbeitende rechnergesteuerte Messvorrichtung (1, 2, 3) mit einer Halte- und Messplatte (7) zur Aufnahme von in einem Artikulator schädelgerecht ausgerichteten, gesockelten Kiefermodelle (4, 5) sowie auf das auf den digitalen Datensatz anzuwendende Verfahren, um ein reproduzierbares Auffinden zahnmedizinisch relevanter Merkmale zur präzisen quantitativen Ermittlung und Visuali sierung von Unterschieden dieser Merkmale bei zu vergleichenden Modellen zu erreichen.

Die Anfertigung von Gipsmodellen nach Abdrucknahme ist in der Zahnheilkunde eines der wichtigsten Hilfsmittel zur Erfassung und Dokumentation des aktuellen Kieferzustandes. Insbesondere im Bereich der Kieferorthopädie dienen sie der Dokumentation des Behand lungsverlaufs, wozu speziell die Erfassung von Lageveränderungen einzelner Zähne ge hört.

Die bislang hierfür eingesetzten Techniken umfassen hauptsächlich - neben einfachen pho tografischen Techniken - mechanische Messgeräte wie Messzirkel, Messplatten oder me chanische Abtastvorrichtungen. Schwierigkeiten entstehen dadurch, dass nur relativ wenige Messwerte erfasst werden können, da die Verfahren zeitaufwendig und zusätzlich nur recht ungenau sind. Aus diesen Gründen bleiben die Messungen i. A. auch auf Abstände und zweidimensionale Größen beschränkt. Bekannt sind hier auch mechanische Digitalisierge räte, die mit einer manuell geführten Abtastnadel einzelne Raumkoordinaten bestimmen. Das gravierendste Problem besteht jedoch in der mangelhaften Reproduzierbarkeit bei der Erfassung definierter Messpunkte an den Zähnen, da ihre Festlegung, etwa beim Anlegen der Messinstrumente, auf einfacher visueller Inspektion beruht und entsprechende Unsi cherheitsfaktoren beinhaltet.

Mittlerweile sind aktive optische topometrische Verfahren wie die phasenmessende Profi lometrie verfügbar (s. z. B. Bollmann et al. in der Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (1997)), die mittels Projektion von Lichtmustern auf den Untersuchungsgegenstand und der rech nergestützten photogrammetrischen Auswertung der entsprechenden digitalisierten Kame rabilder die Erfassung großer dreidimensionaler Datenmengen in kürzester Zeit erlauben, die in digitalisierter Form für die weitere Auswertung zur Verfügung stehen. Die gewonne nen Datensätze ermöglichen aber ohne weitere Maßnahmen nicht den direkten Vergleich unterschiedlicher, digitalisierter Modelle, da lediglich gerätebezogene Koordinatenwerte, die zudem keine charakteristischen Messpunkte auszeichnen, vorliegen.

Anatomische Merkmale im Zahnbogen, die im Prinzip ein hinreichend hohes Maß an Sta bilität aufweisen, um quantitative Vergleiche zu erlauben, sind die Höckerspitzen der Sei tenzähne bzw. die Spitzen der Eckzähne. Allerdings hängt die exakte Position des lokal höchsten Punktes von der mehr oder wenig stark ausgeprägten Neigung des Modells - ent sprechend der tatsächlichen Lage des Kiefers im Schädel - ab.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen direkten quantitativen Ver gleich der in einem anatomischen Koordinatensystem angegebenen dreidimensionalen Da tenpunkte optisch vermessener Kiefermodelle sowie ein reproduzierbares Auffinden cha rakteristischer Messpunkte im Zahnbogen - ohne die Notwendigkeit einer fehlerträchtigen manuellen Selektion - zur Verfolgung der Lageveränderung einzelner Zähne zu ermögli chen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 eine Vorrichtung, und des Anspruchs 3 ein Verfahren betreffend.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine computergesteuerte topometrische Messvorrichtung (1, 2, 3), auf der Grundlage der phasenmessenden Profilometrie, die sich eines drehbaren Messtisches (12) bedient, der mit einer abnehmbaren, mechanisch präzise repositionierbaren Halte- und Messplatte (7) für gesockelte, einartikulierte Kiefermodelle (4, 5) versehen ist, wirkt in Verbindung mit einem Datenverarbeitungsverfahren, angewandt auf die digitalisierten, kalibrierten Daten, mit dem die Positionen von Höckerspitzen als cha rakteristischem, invarianten Merkmal halbautomatisch und - durch numerische Korrektur der mittleren räumlichen Modellneigung, bestimmt anhand zweier gegenüberliegender Mo larenhöcker und einer Frontzahnschneidekante - unabhängig von Lage und Neigungswin kel des Modells bestimmt werden können. Dabei ist die bezeichnete Halte- und Messplatte (7) kameraseitig mit Messmarken (9) zur optischen Messung der Rotationsbewegung versehen, die für die optische Gesamtsystemkalibrierung durch eine baugleiche Platte mit einem Kalibriermarkenfeld ausgetauscht werden kann, durch welches ein Koordinatensys tem festgelegt wird, das die gleiche Orientierung wie das im Artikulator gesockelte Modell (4, 5) hat und dessen Ursprung mit dem Sockelmittelpunkt übereinstimmt.

Die Erfindung erlaubt demnach die optische Vermessung unter Übertragung der schädel bezüglichen Orientierung von in einem Artikulator entsprechend ausgerichteten und mit handelsüblichen Sockeln versehenen Kiefermodellen in das Koordinatensystem des topo metrischen Messgerätes sowie - durch die nach Korrektur der Modellneigung bestimmten Raumkoordinaten der Höckerspitzen - einen direkten dreidimensionalen Vergleich dieser Größen bei verschiedenen Modellen.

Mit dieser Erfindung, die sich insbesondere für die Dokumentation und Verlaufskontrolle kieferorthopädischer Korrekturmaßnahmen eignet, wird durch Erhöhung der Messgenauig keit gegenüber konventionellen manuellen Messtechniken und durch Einbeziehung der räumlichen Komponente bei vergleichenden Untersuchungen zur Lage der Zähne anhand von Kiefermodellen eine Verbesserung und Ausweitung der Möglichkeiten der medizini schen Diagnostik erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläu tert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Übersichtszeichnung eines mit zwei Kameras und einem Projektor arbei tenden topometrischen Messsystems auf der Basis der phasenmessenden Profi lometrie,

Fig. 2 eine Detailansicht des Drehtisches mit der Halte- und Messplatte für gesockelte Kiefermodelle.

Zu Fig. 1

Die gesamte Messvorrichtung besteht aus einem Projektor (1) zur Generierung von Strei fenmustern, die auf das zu vermessende Kiefermodell (4) abgebildet werden, zwei Video kameras (2) für die aktive und passive photogrammetrische Erfassung des Messvolumens sowie einem Rechner (3) für die Steuerung des Systems, die Digitalisierung der Videoda ten und die Auswertung der Daten.

Zu Fig. 2

Das Kiefermodell (4) ist mit Gips auf einem handelsüblichen, zweiteiligen Sockel (5) schä delgerecht ausgerichtet und fixiert. Der untere Sockelteil ist - ausgerichtet über zwei Führungsstifte (6) - auf der Halte- und Messplatte (7), die mit zwei entsprechenden Boh rungen (8) versehen ist, befestigt. Neben der Auflagefläche des Sockels befinden sich 4 kreisförmige Markierungen (9) für die photogrammetrische Erfassung des aktuellen Dreh winkels. Die Halte- und Messplatte (7) ist an der Unterseite mit zwei Führungsstiften in Form von Kegelpassungen (10) versehen, die eine Entnahme und ein passgenaues Wieder einsetzen in die entsprechenden Bohrungen (11) eines Drehtischtellers (12) erlauben.

Literatur

F. Bollmann, D. Dirksen, J. Koslow, V. Saulin, G von Bally Koordinatenerfassung mittels computerunterstützter Profilometrie für zahnmedizinische Modellanalysen Dtsch Zahnärztl Z 52, 105-108 (1997).

Claims

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens mit einem optischen topometrischen Sensor und einer auf einem Drehtisch (12) angebrachten, auswechselbaren Halte- und Messplatte (7) zur Aufnahme von in einem Artikulator schädelgerecht ausgerichteten, gesockelten Kiefermodellen (4, 5), dadurch ge kennzeichnet, dass die auswechselbare Halte- und Messplatte (7) für die optische Gesamt kalibrierung durch eine zweite, baugleiche Systemkalibrierplatte austauschbar ist, die ein photogrammetrisches Kalibriermarkenfeld aufweist, welches ein Koordinatensystem fest legt, das die gleiche Orientierung wie das im Artikulator gesockelte Kiefermodell hat und dessen Ursprung mit dem Sockelmittelpunkt übereinstimmt.

2. Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der kamerazugewandten Seite der Halte- und Messplatte (7) kreisförmige Messmarken (9) neben dem Sockel (5) des Kiefermodells angebracht sind, die zur photogrammetrischen Erfassung des aktuellen Rotationswinkels des Drehtisches (12) geeignet und dergestalt angeordnet sind, dass sie ein Koordinatensystem definieren, welches die gleiche Orientierung wie ein Sockel auf der Bodenplatte eines zahnmedizinischen Artikulators besitzt und dessen Ursprung mit dem Sockelmittelpunkt übereinstimmt.

3. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein Da tenverarbeitungsverfahren, mit dem anhand des gemessenen, digitalen Koordinatensatzes die räumliche Position der Höckerspitzen als Messpunkte halbautomatisch bestimmt wer den, indem aus den digitalisierten Koordinaten mehrerer Teilmessungen mit unterschiedli chen - mittels der in Anspruch 2 beschriebenen Messmarken (9) photogrammetrisch be stimmten - Rotationswinkeln des Drehtisches (12) ein Tiefenbild berechnet wird, anhand dessen näherungsweise die Neigung der Kauebene des Kiefermodells - bezogen auf die Halte- und Messplatte (7) - durch Markierung der Position zweier gegenüberliegender Ba ckenzähne und einer Schneidezahnkante mit einer Zeigevorrichtung am Bildschirm be rechnet wird.

4. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des in Anspruch 3 beschriebenen Tiefenbildes und der durch die drei markierten Punkte definierten Nei gungswinkel ein neigungskorrigiertes Tiefenbild berechnet wird, dergestalt, dass die zuvor markierten Bildpunkte jetzt gleiche Tiefenwerte aufweisen.

5. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung charakteristischer Messpunkte des Zahnbogens nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Positio nen der Höckerspitzen der Seitenzähne sowie der Eckzahnspitzen anhand eines aus den gemessenen Koordinaten berechneten und nach Anspruch 4 neigungskorrigierten Tiefen bildes bestimmt werden, indem mit einer Zeigevorrichtung am Bildschirm ein Suchfeld um die geschätzte Position der jeweiligen Spitze markiert und mit Hilfe eines Suchalgorithmus der lokal höchste Punkt oder - falls mehr als ein Bildpunkt den maximalen Höhenwert aufweisen - der Schwerpunkt dieser Bildpunkte als genauere Position dieser Spitze errech net wird.