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Beschreibung
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Titel: Elektronischer, eomputergestützter Unterkieferbewegunge Registrator
und Stimulator Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft ein elektronisch -mechanisches
Meß und Registriersystem, bestehend aus einer im Munde zu befestigenden Meßmechanik,
einem Meßwerterfassungs -system und einem daran angeschlossenen Tischcomputer mit
Bildschirm und Drucker oder einem XY-Plotter als Peripheriegerät.
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Dieses System ist in der zahnärztlichen Diagnostik (Gnathologiache
Funktionsanalyse) zu verwenden.
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Zweck: Nicht wenige Erkrankungen im Kiefer-Gesichtebereich verändern
im akuten Stadium und auch in der Folgezeit den Be -wegungsablauf des Unterkiefers
und die Unterkiefergrenzpositionen.
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Diese pathologischen Abweichungen im Verbindung mit anderen Befunden
sicher zu beurteilen, wird nur dann möglich sein, wenn eine genaue Kenntnis des
dreidimensionalen Unterkieferbewegungsraumes besteht. Die Erfindung dient der Feststellung
solcher atypischen Funktionsstörungen (Funktionelle Inkoordination) am menschlichen
Kauapparat. Das Gerät liefert dem Zahnarzt alle für die Funktions-, Okklusions-,
Bewegungskurvenanalyse. Diagnose und Therapie wichtigen Parameter und zwar durch
elektronische Registrierung des gesamten räumlichen Verlaufes der Unterkieferbewegung.
Da diese Darstellung mathematisch ermittelt wird, sind beliebige, für die Kiefergelenksdiagnostik
wichtige Pro -jektionen der genauen räumlichen Bewegung einzelner Punkte (z.B. Condylus,
Zähne) des Unterkiefers möglich. Ebenso lasten sich die Lokalisation der Unterkiefer-Scharnierachse,
die habituelle Okklusionsbeziehung und die Bennett'sche Lateralbewegung bestimmen.
Nach Abschluß des Registriervorganges läßt sich zu einem späteren Zeitpunkt mit
den gespeicherten Daten der gesamte Bewegungsablauf beliebig oft simuliereh.
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Literatur: A.Bauer und A.Gutowski: Gnathologie. Einführung in Theorie
und Praxis; Quintessenz-Verlag, Berlin 1975 A.Gerber: Registriertechnik für Prothetik,
Okklusionsdiagnostik, Okklusionstherapie; Condylator-Service.Zürich
Stand
der Technik: Es ist bekannt, daß für eine genaue Funktionsanalyse die Registrierung
der Unterkieferbewegung des jeweiligen Patienten unerläßlich ist.(Lit.: C.E.Stuart:
A Research Report; Scientific Press South Pasadena 1935 --- C.E.Stuart/H.Stallard:
Orale Rehabilitation and Occlusion; Postgraduate Education School of Dentistry;
University of Calif. San Francisco 1959) Dies geschieht bis heute mit Hilfe extraoraler,
vollindividueller Gesichtsbtigen (sog. Pantographen / z.B.Denar-, Lee-, Stuart-Gesichtsbogen;
sowie C.E.Stuart: Instruction for Use of Gnathological Instruments; Eigenverlag
C.E.Stuart 1973) Allen gemeinsam ist die rein mechanische Übertragung der Bewegung
einzelner, unveränderlich festgelegter Projektionspunkte Uber mehrere Schreibstiffte
auf in 3 Ebenen angeordnete Schreibplatten (Pantographie-Platten). Auch bei den
im Rahmen von wissenschaftlichen Arbeiten entwickelten, auf dem Prinzip elektronischer
Wegmessung (potentiometrisch, induktiv) beruhenden Registriergeräten, wurde von
diesem Konstruktionsprinzip (Lineare oder vergrößerte Aufzeichnung der Bewegung
eines bestimmten Punktes in den 3 Ebenen des Raumes) nicht abgegangen.
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Lit.:K.H.Körber: Elektronische Registrierung der Unterkieferbewegung;
Dtsch. zahnärztl. Z. 2, 167-176 1971) M.Heners: Ein elektronisches Verfahren zur
Registrierung von sagittalen Grenzbewegungen des Unterkiefers; Dtsch.
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zahnärztl. Z. 28, 532-540 (1973) Salomon JA; Waysenson BD: Computer-Monitored
Radionuclide Tracking of Three-Dimensional Mandibular Movements.
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Part I+II; The Journal of Prosthetic Dentistry , March, April 1979,
Volume 41, No. 3,4 Mit Ausnahme der in Handel berfindlichen TMJ-, DENAR-, LEE-,
und Stuart- Gesichtsbögen
existieren nur wenige, für oben erwähnte experimentelle Untersuchungen entwickelte
Prototypen, die für eine Verwendung durch den praktizierenden Zahnarzt nicht vorgesehen
sind. Das Studium der Kinematographic von Unterkieferbewegung und die Ermittlung
biologischer Toleranzen dieser Bewegungen standen im Vordergrund bei der Entwicklung
dieser Prototypen.
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Kritik am Stand der Technik: Die rein mechanische Aufzeichnung von
meist nur 3 Aufzeichnungipunkten (Inzisalpunkt, rechtes und linkes Rlefergelenk)
ermöglicht keine beliebige Auswahl des Aufzeichnungspunktes. Weitere Nachteile der
pantographischen Gesichtsbögen: Relativ große, schwere, unhandliche Meßmechanik.
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Zeitraubende, komplizierte Anpassung des Gesicbtsbogens an die stets
unterschiedlichen Patientenverhältnisse. psychische Belastung für den Patienten1
da die Bewegungsbahnen sehr oft nachgefahren werden müssen. Hohe Anforderungen an
den Zahnarzt in Bezug auf Erfahrung, besonderer Fachkenntnis und Zeit (1,5 Std.
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für eine Registrierung und Programmierung des Artikulatora), Außerdem
impliziert die Anordnung der Schreibstifte / Schreibplatten (plan, außerhalb des
Kiefergelenke) einen nicht unerheblichen geometrischen Projektionsfehler. Bei reiner
Protrusion (Vorschubbewegung) erfolgt in den sagittalen Ebenen eine Aufzeichnung
ohne projektionstechnischen Fehler. Auf den frontalen und horizontalen Platten wie
in allen Ebenen bei Lateralbevegungen (Seitwärtsbewegung) kommt es zu sphärischen
Verzeichnungen.
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Es ist nicht einfach, diese zu deuten, da bei allen Bewegungen die.
Achsen rotieren und sich ständig verändern. Bei Bewegungen mit lateraler Komponente
laufen in der Regel alle einzelnen Kiefergelenk und Okklusal-Führungen in räumlichen
Kurven ab, wobei jeder einzelnen Führung oder Bewegungsspur eines jeden Punktes
eigene Bewegungsebenen mit entsprechenden Rotationsachsen und -zentren zuzuordnen
sind. Für alle Darstellungen von Kieferbewegungen mit lateral er Komponente müßte
bei der pantographischen Registrierung eine Projektionsbereinigung erfolgen. (Auszugsweise
zitiert aus: D.Kubein, W.Krüger und V.Stachniss: Die Repantographie; Zahnärztl.
Welt 3,101-108 (1979)) Weitere Lit.: R.Veber: Die dreidimensionale Kondylenbahnregistrierung
und ihre Konsequenzen, Schweiz. Mschr. Zahnheilk. 65, 499-542 (1953). Bei rein mechanischer
Aufzeichnung, wie im Falle der oben erwähnten Pantographen, muß man sich mit diesen
Verprojektionen begnügen. Es sei denn, man entwickelt ein völlig neues Aufzeichnungssystem,
das in oder Lage ist.
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räumliche Kurven zu zeichnen bzw. zu gravieren. Dies würde jedoch
die Meßmechanik weiter verkomplizieren.
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Aufgrund der genannten Nachteile sowie des hohen Preises dieser Pantographen,
werden sie von nur sehr wenigen praktizierenden Zahnärzten verwendet, und sind auch
deshalb umstritten.
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Auf«be: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle Nachteile,
die bisher die Unterkieferbewegungsregistrierung mit Pantographen mit sich brachte,
auszuschalten. Sie soll dem Zahnarzt ermöglichen, den Bewegungsverlauf des Unterkiefers
einfach, sicher, fehlerfrei, hinreichend genau und vor alle. schnell zu registrieren.
Die anschließende Programmierung der halb- oder vollindividuellen Artikulatoren
soll dadurch ebenfalls vereinfacht werden.
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Lösung: Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
räumliche Bewegungsverlauf des Unterkiefers während der Registrierung mathematisch
erfaßt wird. Die Unterkieferbewegung wird auf den fixen Oberkiefer bezogen und in
einem räumlichen Koordinatensystem dargestellt. Die Projektion einzelner, beliebig
auswählbarer Punkte erfolgt durch Koordinatentransformation.
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Mathematische Formeln siehe Anlage 3.
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Die Registrierung der Bewegung erfolgt mit Hilfe einer an den Zahnreihen
des Ober- und Unterkiefers befestigten elektronischen Meßmechanik. Hierbei werden
vier paraokklusäre Schienen <zwei am Oberkiefer und zwei am Unterkiefer) mit
einem physiologisch verträglichen, spröden Cyano-Acrylat-Kleber vorübergehend an
die buccalen Zahnflächen angeklebt und über eine Trägerstange mit der zweiteiligen
Meßmechanik verbunden. Bei teilbezahntem oder zahnlosem Gebiß verwendet an einen
modifizierten Funktionslöffel.
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Das Oberteil der Meßmechanik ist über den Träger und die Schienen
fest mit dem Oberkiefer verbunden und trägt sieben Präzisions-Drehpotentiometer
(s.B. Novotechnik Dinopot P 2500). Das Unterteil, das wiederum fest mit dem Unterkiefer
verbunden ist, ist an drei Punkten durch Miniatur-Kardangelenke beweglich mit dem
Oberteil verbunden. Siehe Zeichnung I und II Die Potentiometer messen sieben Winkel,
durch die die Lage des Unterkiefers zum Oberkiefer während der Bewegungsregistrierung
festgelegt ist. Die sieben einzelnen Widerstandswerte (=Winkel) werden zyklisch
mit einer wählbaren Frequenz'von 10 - 500 Hz durch ein integriertes 7-Xanal, 12-Bit
auflösendes Meßwerterfassungssystem (z.B. Analog evices AD 363) abgefragt und dem
Tischrechner (z.B. Commodore CBM 3001 mit 24K-Byte RAM) zur weiteren Verarbeitung
über einen 16 oder 8-Bit Daten-Bus übertragen. Das räumliche Bewegungsfeld kann
durch max. 1000 Punkte aufgelöst werden, wobei keinerlei Beschränkungen in Bezug
auf den Ablauf, Beschleunigung und Geschwindigkeit der Bewegung be-
Nach
einer anfänglichen Initialisierung des Systems in Ruheposition (z.B. in der maximalen
Interkuspitation der Zahnreihen), bei der der Widerstandswert (=Winkel) der einzelnen
Potentiometer als Ausgangowert gespeichert wird, erfolgt die eigentliche Registrierung
der Unterkieferbewegungen unter Führung durch die Hand des Zahnarztes. Besonders
interessante, pathologische Bewegungsbahnen können zwecks genauerer Erfassung der
Bewegung mehrmals registriert werden. Nach beendeter Abspeicherung des Bewegungsraumes
und vor allem der Unterkiefergrenzbewegungen, errechnet der Tischcomputer den räumlichen
Verlauf der Bewegungse kurven. Hierbei werden auch die Scharnierachsen-Lokalisation,
der Interkondylarabstand, Bennett-Winkel, Bennett'sche Lateralbewegung und die Gelenkbahnneigung
ermittelt. Mit Hilfe eines zusätzlichen. auf die Befestigungsschienenträger zu steckenden
Meßgerätes, bei dem ein Stylus auf den zu projezierenden Punkt (z.B.Inzisalpunkt,
einzelne Zähne) gehalten werden muß, ermittelt der Rechner die für die Koordinaten
transformationen erforderlichen XYZ-Koordinaten des zu projezierenden Punktes. Die
Das stellung der errechneten Werte erfolgt durch eine hoch auflösende Grafik auf
dem Bildschirm des Rechners, einem Fernsehgerät oder Monitor. Ein angeschlossener
Drucker oder XY-Plotter kann eine Kopie der dargestellten Bewegungskurven und Werte
erstellen. Alle für eine spätere Simulation der registrierten Unterkieferbewegungen
wichtigen mathematischen Parameter werden auf einer Magnetbandkassette aufgezeichnet.
Anhand dieser gespeicherten Patientendaten kann mit Hilfe einer digital gesteuerten
lopierfräse der Gelenkblockeinsatz für die Programierung volle individueller Artikulatoren
hergestellt werden (vgl. LEE-Artikulatorsystem).
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Weitere techn. Daten: Oberteil- und Unterteilträger sind aus Aluminium
und jeweils aus einem Stück gefertigt.
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Gewicht der Meßmechanik ca. 250g (ohne paraokklusäre Schienen) Theoretische
Auflösung des Systems: 20 Mikrometer Toleranzbestimmende Teile der Mechanik: Axial-
und Radialepiel der verwendeten Drehpotentiometer. (siehe Datenbltt) Es wurden Exemplare
mit eingeengter Toleranz verwendet
Weitere Ausgestaltung der Erfindung:
Flexibilität der Erfindungsbenutzung: Die Registrierung kann nicht nur vom Zahnarzt.
sondern auch von einer Hilfskraft (z.B. Zahnarsthelferin) durchgeführt werden. Dem
Zahntechniker gibt die Erfindung die Möglichkeit anhand der gespeicherten Patientendaten
die Abdruckmodelle schädelbezuglich einzuartikulieren und bei Bedarf einen individuellen
Artikulator zu programmierer. Zahntechnische Laborbetriebe können mit Hilfe einer
durch einen Tischrechner gesteuerten Kopierfräse anhand eingeschickter Magnetbandkasseten
(Patientendaten) die Gelenkblockeinsätze für die Programmierung vollindividueller
Artikulatoren herstellen.
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Erzielbare Vorteile: Verfahren der elektronischen Meßtechnik bieten
gegenüber den mechanischen Apparaten (Pantographlcche Gesichtsbögen) die Vorteile
einer physikalisch einwandfreien bzw.
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analogen/digitalen Wiedergabe des zu messenden Bewegungsvorganges.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich aus durch: Aufzeichnung und
Speicherung entfernt vom Meßort.
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Relative Unabhängigkeit von Beschleunigung und Geschwindigkeit des
Registriervorganges.
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Hinreichend rückwirkungsfreies Messen durch sehr niedrige Kontaktkräfte.
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Kleine, leichte und schnell zu adaptierende Meßmechanik.
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Unverfälschtes Aufzeichnen der Bewegung mit Hilfe einer nahezu trägheitslosen
Registrierung.
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Beliebige Projektion und Vergrößerung interessanter Kurvenabschnitte
durch mathematische Manipulationen.
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Möglichkeit der Datenspeicherung zwecks späterer Simulationen.
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Berechnung wichtiger Parameter wie Bennett-Winkel, Bennott'sche Lateralbewegung,
Gelenkbahnneigungen, Fischer-Winkel, Scharnierachsen -Lokallaation, Retrale Kontaktposition.
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Schnelle und automatische Bewegungskurvenanalyse.
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Möglichkeit der computergestützten Kiefergelenksdiagnostik (Gelenkkompression,
Vergleich gesundes - geschädigtes Gelenk) Feststellung der habituellen Okklusionsbeziehung
(schon während der Registrierung ) und ausgeprägter Frtihkontakte einzelner Zähne.
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Überprüfung von Behandlungserfolgen, -konzepten, geräten.
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Bestimmung der Kieferrelation ohne Bißnahme.
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Erheblich kürzere Registrierzeit und damit geringerer Zeitaufwand
für den Zahnarzt (15 min. gegenüber 90 min. bei den herkömmlichen Methoden. Diese
Zeiten schließen die Programmierung des individuellen Artikulatore ein.) Damit verbunden
ist auch eine geringere physische und psychische Belastung für den Patienten während
der Registrierung.
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Rasche Adaption des Systems ermöglicht eine regelmäßige Überprüfung
der Therapieerfolge bei langwierigen Behandlungen.
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Die Erfindung erlaubt das Studium von Artikulations- und Kaubewegungen
am Patienten. (Bei Verwendung eines schnelleren Rechners sind sogar Echtzeit-Darstellungen
der Unterkieferbewegungen während der Registrierung möglich) Peripheriegeräte wie
Drucker, XY-Plotter, Monitoren, Plattenspeicher und Kopierfräsen sind direkt an
das System anschließbar.
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Die Erfindung ist durch das zusätzliche, oben beschriebene Meßgerät
zur Bestimmung der XYZ-Koordinaten eines beliebigen Punktes, mit nahezu jedem Artikulatorsystem
zu verwenden.
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Sie bietet darüberhinaus die Voraussetzung für die Entwicklung eines
prinzipiell neuen Artikulators. (Bißnahme für die Einartikulierung der Arbeitsmodelle
nicht mehr erforderlich) Einfache und schnell zu erlernende Bedienung des Systems.
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Hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit durch Verwendung integrierter
elektronischer Bauelemente.
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Ausführungsbeispiel: Ein Ausführungebeispiel ist in den Zeichnungen
dargestellt. Die Anordnung der sieben Präzisions.Drehpotentiometer (1 - 7) ist aus
den Zeichnungen I, II, III zu ersehen. Das Blockschaltbild (-Anlage 4-) zeigt den
Aufbau der Schnittstelle.
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Den Hauptbestandteil stellt ein integriertes 16-Kanal, 12-Bit Meßwerterfassungssystem
(AD 363) dar. Die Übertragung auf den 8-Bit, bidirektionellen Daten-Bus des Rechners
erfolgt durch zwei Schaltkreise SN74LS257 (Vier 2 zu 1 Datenselektoren/Multiplexer
mit Tri-State Ausgängen). Als Kontroll-Logik dienen XOR-Gatter und Inverter. Bereichsjustierung
und Signalverstärkung erfolgen durch einen 10-Datenverstärker (AD 521). Als Tischcomputer
wird ein Commodore CBM 3001 mit 24K-Byte Arbeitsspeicher verwendet.
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Das Programm ist größtenteils in der Programmiersprache BASIC geschrieben,
enthält aber auch in Maschinensprache geschriebene Unterprogramme.
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ANLAGE 3 DIE 3 PUNKTE, DIE DIE UNTERKIEFEREBENE AUFSPANNEN, WERDEN
WIE FOLGT BESTIMMT: LINKER PUNKT RECHTER PUNKT
BEDINGUNGEN FÜR DEN VORDEREN, DRITTEN PUNKT DER EBENE:
Z= (X+1) TAN C (1) (X-XL)2+(Y-YL)2+(Z-ZL)2-G2=0 (2) (X-XR)2+(Y-YR)2+(Z-ZR)2-G2=0
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