DE2950847C2 - Zahnärztliche Vorrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage und Bewegung des menschlichen Unterkiefers in bezug zur Schädelreferenzebene des Patienten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zahnärztliche Vorrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage und Bewegung des menschlichen Unterkiefers oder einzelner Unterkieferpunkte in bezug zur Schädelreferenzebene des Patienten, mit Meßwertgebern zur Lieferung speicherbarer elektrischer, die räumliche Lage des Unterkiefers anzeigender Meßwerte und mit am Unterkiefer oder seinen Zähnen und am Oberkiefer rider seinen Zähnen befestigbaren paraokkularen Schienen mit Trägern.

Nicht wenige Erkrankungen im Kiefer-Gesichtsbereich verändern im akuten Stadium und auch in der Folgezeit den Bewegungsablauf des Unterkiefers und die Unterkiefergrenzpositionen. Diese pathologischen Abweichungen in Verbindung mit anderen Befunden sicher zu beurteilen, wird nur dann möglich sein, wenn eine genaue Kenntnis des dreidimensionalen Unterkieferbewegungsraumes besteht. Die Vorrichtung dient der Feststellung solcher atypischen ί jnktionsstörungen (Funktionelle Inkoordination) am menschlichen Kauapparat. Die Vorrichtung soll dei.i Zahnarzt alle für die Funktions-.Okklusions-, Bewegungskurvenanalyse, Diagnose und Therapie wichtigen dynamische t Parameter liefern, und zwar durch elektronische Registrierung des räumlichen Verlaufes der Unterkieferbewegung.

In der deutschen zahnärztlichen Zeitung 1971, Heft 2, Seiten 167—176, wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Registrierung der Kondylenachsenpunkte und des Inzisalpunktes relativ zum Oberkiefer beschrieben. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei ihm eine Verzeichnung der wahren Gelenksbewcgungsbahn in Kauf genommen werden muß, da die Bewegung an einem geometrisch anderen Ort als gemessen aufgezeichnet und nicht dementsprechend korrigiert wird. Ähnlich wie bei den pantographischen Aufzeichnungsverfahren kommt es bei Lateralbewegungen zu sphärischen Verzeichnungen. Bei Bewegungen mit lateraler Komponente laufen in der Regel alle einzelnen Kiefergelenk- unc/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 lateraler Komponente müßte bei der pantographischen und pantograpie-ähnlichen Registrierung eine Projektionsbereinigung erfolgen.

Das bekannte Verfahren setzt auch eine Scharnierachsenlokalisation mit einem Scharnierachsenlokalisator zwecks Justage der Meßmechanik voraus. Auch läßt sich durch das Verfahlen der Interkondyiarabstand nicht

so direkt bestimmen. Dieser Nachteil gilt auch in bezug auf den Infraorbitalpunkt.

Aus der Fachzeitschrift »Dental Clinics of North America«, Band 13, Nr. 3,1969. Seiten 629—642, und durch die Fachzeitschrift »Journal of Pros. Dent«, Band 17, Nr. I, Seiten 36—48, ist eine einschlägige Meßvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen in Verbindung mit elektronischen Auswerteinrichtungen bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ebenfalls nach dem Grundgedanken gearbeitet, mit an starren, einerseits am Unterkiefcr und andererseits am Oberkiefer befestigten Haltern angeordneten Meßgeräten speicherbare elektrische Meßwerte zu erzeugen, aus denen die Bewegung des menschlichen Unterkiefers nach den drei Raumkoordinaten erfaßbar ist. Bei der Vorrichtung sind als Meßwertgeber Fotozellen vorgesehen, die an einem dem Unterkiefer zugeordneten Halter angeordnet sind und die mit an einem Halter für den Oberkiefer angeordneten Strahlungsquellen zusammenarbeiten. Dort besteht also eine optische Koppelung zwischen den beiden Haltern.

Fotozellen oder auch Fotodioden haben als Meßwertgeber jedoch grundsätzliche Nachteile. Sie machen eine absolut stabile Spannungsversorgung erforderlieh, sonst ergeben sieh bereits bei der Dekodierung der Verstellwege Fehler. Das Auflösungsvermögen der Meßgeräte ist schlecht. Will man Meßwertverfälschungen durch von der Zimmerbeleuchtung oder von der Sonne geliefertes Streulicht vermeiden, müssen teure Strahlungsquellen und entsprechend angepaßte Fotodioden eingesetzt werden, deren Strahlungsbereich außerhalb des Bereiches des sichtbaren Lichtes liegt. Die bekannte Einrichtung hat aber auch auf der mechanischen Seite den großen Nachteil, daß die Verwendung von zwei Gesichtsbögen und deren Anordnung eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Vorrichtung ergibt. Die Öffnungsbewegungen sind begrenzt und auch extreme Lateralbewegungen sind nicht mehr möglich oder nicht mehr erfaßbar. Die zwangsläufig an jeder Meßstelle am Unterkiefer-

seiligen Gcsichlsbogen erforderlichen mehreren und offenbar matrizenarlig angeordneten Fotozellen erlauben keine stufeniose Anzeige und damit Erfassung der Relativbewegung von Unterkiefer und Oberkiefer, wie sie sich Jeweils auf eine mit Fotozelle besetzte Ebene projiziert darstellt Eier Ablauf der Unterkieferbewegung läßt sich also zwangsläufig nur in groben, durch die unvermeidliche Rasterung der Blendenfenster und Anordnung der Fotozellen in den Fotozellen-Matrizen bedingten Schritten erfassen. Beide obengenannten entgegengehaltene Verfahren beeinträchtigen zudem durch ihr hohes Gewicht die Registrierung derart, daß die physiologischen Belastungstoleranzen nachweisbar überschritten werden.

Mit der bekannten Vorrirhtung ist es ebenfalls nicht möglich, einzelne interressierende Punkte des Schädels (z. B. der infraorbitale Referenzpunkt) und des Unterkiefers nach ihrer räumlichen Lage zu der Schädelbezugsebene zu erfassen, da keine Koordinatenbestimmungsmechanik vorgesehen ist. ι ο

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es dem Zahnarzt ermöglicht ist, auf einfache Weise, genau und schnell die Unterkieferbewegung bezüglich einer genauen Darstellung mit Computerhilfe und bei freier Wahl der Projekticnspunkte des Unterkiefers zu erfassen, zu registrieren und dementsprechend zu simulieren, wobei sich durch den Aufbau der Vorrichtung eine verzeichnungsfreie, geometrisch eindeutige Projektion der Kiefergelenkbahnen erreichen lassen muß. Außerdem soll die Vorrichtung alle für die Programmierung eines halb- oder volljustierbaren Artikulator erforderlichen Einstellungsparameler liefern können sowie eine umfassende Kiefergclenksdiagnostik ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Träger über ein Gelenkgestänge mechanisch miteinander verbunden sind, die Meßwertgeber als Drehpotentiometer ausgebildet sind, die jeweils zwischen einzelnen Gestängeteilen angeordnet sind und zum Teil in Gelenken des Gelenkgestänges angeordnet sind, und daß das Gelenkgestänge in einen Oiierteil und in einen Unterteil gegliedert ist, die kardanisch miteinander gekoppelt sind. Hierbei kann das Gelen.xgestänge vorteilhafterweise sieben Drehpotentiometer aufweisen und können die beiden Gelenkgestängeteile über zwei Kardangelenke und eine kardanisch ausgebildete Stabführung miteinander verbunden sein. Der erfindungsg?- mäß ausgebildeten Vorrichtung läßt sich wahlweise ein zusätzliches Meßgerät zuordnen, das auf einem der Träger befestigbar ist und in einem auf beliebige Schädelreferenz- oder Unterkieferpunkte zwecks Erfassung von deren Raumkoordinaten ausrichtbaren Stylus endet.

Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten störungsanfälligen und sowohl in der Meßwerterfassung als auch in der Meßwertaufbereitung aufwendigen bekannten Vorrichtungen ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung betriebssicher und erlaubt eine einfache und sichere Auswertung der Meßdaten. Die verwendeten Drehpotentiometer liegen heute in sehr kleinen Ausführungsformen handelsüblich vor, so daß das Gelenkgestänge mit den Drehpotentiometern eine relativ gewichtsarme Vorrichtung ergibt. Die an den Drehpotentiometern erfaßten Meßwerte lassen sich durch die einfache Digitalisierung des gelieferten Spannungswertes leicht aufbereiten und in einer nachgeschalteten elektronischen Einrichtung problemlos verarbeiten. Eine Meßwertumwandlung, wie bei der vorbekannten Vorrichtung mit elektrooptischen Meßwertgebern, entfällt.

Neben dem für die zeitweise Befestigung an den Kiefern oder deren Zähnen und für eine möglichst geringe Irritation des Patienten und eine unerwünschte Beeinträchtigung der Bewegungsmuster wichtigen geringen Gewicht und der geringen räumlichen Ausdehnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt der weitere sehr wichtige Vorteil vor, daß die Kieferbewegung durch die Drehwinkelgeber stufenlos erfaßt wird und damit in einem Computer auch exakt rechnerisch und graphisch ausgewertet werden kann. Die räumliche Unterkieferbewegung läßt sich allgemein gültig, also ohne Beschränkung e<if bestimmte Unterkieferpunkte, erfassen und mathematisch bestimmen. Darüber hinaus können bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung mit Hilfe des erwähnten zusätzlichen Meßgerätes aber auch beliebig wählbare Unterkieferpunkte in ihrer räumlichen Bewegung dargestellt werden. Da die Herstellung des Zahnersatzes durch den Zahntechniker mit Hilfe von Bewegungssimulatoren (Artikulatoren) erfolgt, müssen alle Angaben zur Programmierung dieser Artikulator^ auf eine einheitliche Schädelbezugs·;bene, die sich international eingeführt hat, ausgerichtet sein. Diese schädelbezogene Ausrichtung ist nur durch die Bestimmung der Lage des rechten und linken Kiefergelenkes sowie des Infraorbitalpunktes möglich. Letzterer läßt sich bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung mit Hilfe des erwähnten Zusatzgerätes sicher ermitteln. Mit den vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren lassen sich diese drei Referenzpuni;*e nicht bestimmen, geschweige denn so bestimmen, daß die Werte ebenfalls direkt in den auswertenden Computer eingegeben werden können.

Die mit der Vorrichtui.g erzielbare erheblich kürzere Registrierzeit gegenüber bekannten Meßverfahren ergibt sowohl eine geringere physische als auch psychische Belastung für den Patienten während des Registriervorganges. Die relativ gewichtsarme Vorrichtung läßt sich ra^ch anlegen und erleichtert dadurch eine regelmäßige Überprüfung der Therapieerfolge bei langwierigen Behandlungsfällen. Der Computer erlaubt beliebige Projektionen und Vergrößerungen interessanter Kurvenabschnitte durch einfache mathematische Manipulationen. Die eingesetzten Drehpotentiometer sind im Vergleich mit kapazitiven, induktiven, magnetischen oder optischen Signalgebern störungsunempfindlicher. Eine Vorjustierung oder Anpassung an individuelle Patientenverhältnisse vordem Registrierungsbeginn ist nicht erforderlich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnung eo näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematisierte perspektivische Darstellung des am Patienten ansetzbaren Teils der zahnärztlichen Vorrichtung;

F i g. 2 eine Seitenansicht des in F i g. 1 dargestellten Teils der zahnärztlichen Vorrichtung;

F i g. 3 eine Aufsicht auf die zahnärztliche Vorrichtung; F i g. 4 eine Vorderansicht der zahnärztlichen Vorrichtung;

F i g. 5 ein Gelenkdiaj^ramm der zahnärztlichen Vorrichtung;

Fig.6 eine schematische Darstellung der Schnittstelle des Datenerfassungssystems, das der zahnärztlichen

Vorrichtung nachgeschaltet ist.

Die in der Zeichnung dargestellte zahnärztliche Vorrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage und Bewegung des menschlichen Unterkiefers oder einzelner Unterkieferpunkte in bezug zur Schädelreferenzebenc des Patienten besteht aus einem mit dem Oberkiefer eines Patienten verbindbaren Oberteil 10 und einem mit dem Unterkiefer des Patienten verbindbaren Unterteil 11. Die Befestigung des Oberteiles und des Unterteiles JO, J1 erfolgt jeweils mittels zweier paraokklusären Schienen 12,13, die bei dem in Fig. I gezeigten Ausführungsfall jeweils zu einem Schienenbügel miteinander verbunden sind und die mit einem physiologisch verträglichen, spröden Cyano-Acrylat-Kleber vorübergehend an die buccalen Zahnflächen angeklebt werden können. Bei teilbezahntem oder zahnlosem Gebiß wird anstelle der paraokklusären Schienen ein modifizierter Funktionslöffei verwendet.

Die paraokklusären Schienen 12,13 sind jeweils über einen als Trägerstange 14 oder 15 ausgebildeten Träger mit dem Oberteil 10 bzw. dem Unterteil 11 der Vorrichtung lösbar verbunden. Das Oberteil 10 ist mit einem Steg 16, der in einer Schraubklcmmstclle 17 endet, auf die Trägerstange 14 aufgeschoben. In gleicher Weise ist ein Winkclsteg 18 auf der Trägerstange 15 verankerbar.

is Das Oberteil 10 weist sieben Präzisions-Drehpotentiometer 19/1 — 19/7 auf. Zwei der Drchpotcniiomctcr 19/1, 19/2 sind mit ihren Wellen am Ende eines den Steg 16 kreuzenden Querstc^cs 20 befestigt, ein weiteres Drchpotenliomctcr 19/3 sitzt am Ende eines weiteren einseitigen Qiiersteges 21 mit seiner Welle 22 parallel zum Steg 16 angeordnet. Am Gehäuse der beiden Drehpotentiometer 19/1 und 19/2 sind jeweils ein weiteres Drehpotentiometer 19/4 und 19/5 so befestigt, daß ihre Drehachsen senkrprht »ii rli>n Drehachsen <Jcr Po'cn'.iometer 19/1 und 19/2 verlaufen. Die Drehachse des Potentiometers 19/4 ist über einen Lenker 23 mit der Achse eines Drehpotentiometers 19/6, und die Drehachse des Drehpotentiometers 19/5 ist über einen Lenker 24 mit der Drehachse eines Drehpotentiometers 19/7 verbunden. Die Gehäuse der beiden Drehpotentiometer 19/6 und 19/7 sind über Stäbe 25 und 26 und jeweils ein Kardangelenk 27 und 28 mit einem mit dem Winkelsteg 18 verbundenen Quersteg 29 des Unterteiles 11 verbunden.

Das im wesentlichen aus dem Winkelsteg 18 und dem Quersteg 29 bestehende Unterteil J1 ist noch durch ein am tragstangenfernen Ende des Winkelsteges 18 angeordnetes Kardangelenk 30 und einen dort gelagerten, mit seinem einen Ende an der Welle 22 des Drehpotentiometerü 19/3 angelenkten Stab 31 mit dem Oberteil 10 gekoppelt. Der Stab 31 ist im Kardangelenk 30 verschiebbar gelagert. In der Aufsicht der Fig.3 sind das Oberteil 10 und das Unterteil 11 gesondert nebeneinander, nämlich an den Drehpotentiometern 19/6 und 19/7 sowie an der Welle 22 des Drehpotentiometers 19/3 voneinander getrennt, dargestellt.

Die Drehpotentiometer 19 messen sieben Winkel, durch welche die Lage des Unterk-efers zum Oberkiefer während einer Bewegung der Kiefer erfaßt wird. Die sieben Winkel bedeuten von Drchpc-tentiometern gelieferte sieben einzelne Widerstandswerte, die mittels einer in Fig.6 schematisch im Blockschaltbild gezeigten elektronischen Auswert.schaltung abgefragt und verwertet werden. Das Datcncrfassungssystem 40 weist einen

J5 Analog-Eingangsteil 41 mit sieben Eingängen 42 auf, von denen jeder mit einem der sieben Drehpotentiometer 19, hier beispielsweise mit dem Drehpotentiometer 19/1, verbunden ist. Die Drehpotcntiomeicr sind an eine Präzisionsspannungsquelle angeschlossen. Der Drehpotentiome«erabgriff 43 ist mit einer Ausgangskiemmc 44 verbunden, weiche jeweils mit einem Ausgang 42 des Analog-Eingangsteiles 41 verbunden ist.

Der Analog-Eingangsteil 41 ist über einen Verstärker 45 mit einem Analog/Digital-Wandler 46 verbunden.

über welchen die von den Drehpotentiometern 19 gelieferten Signale verschlüsselt auf die Eingänge eines handelsüblichen Mikrocomputers 47 gegeben werden. Die von den sieben einzelnen Drehpotentiometern 19/1 —19/7 gelieferten Widerstandswerte werden zyklisch mit einer wählbaren Frequenz von 10—500 Hz durch ein integriertes 7-Kanal, 12-Byte auflösendes, dem Analog/Digital-Wandler 46 nachgeschaltetes Meßwerterfassungssystem 48 abgefragt und dem Computer 47 zur weiteren Verarbeitung über einen 16 oder 8-Bit Daten-Bus übertragen. Das räumliche Bewegungsfeld der Vorrichtung kann entsprechend der Speicherkapazität des verwendeten Mikrocomputers aufgelöst werden, wobei keinerlei Beschränkungen in bezug auf den Ablauf, die Beschleunigung und die Geschwindigkeit der Bewegung besteht.

Nach einer anfänglichen Initialisierung des Systems in Ruheposition (z. B. in der maximalen Interkuspitation der Zahnreihen), bei welcher der jeweils einem bestimmten Drehwinkel entsprechende Widerstandswert der

so einzelnen Drehpotentiometer als Ausgangswert gespeichert wird, erfolgt die eigentliche Registrierung der freien oder Mnter Führung durch die Hand des Zahnarztes erfolgenden Unterkieferbewegungen. Besonders interessante, pathologische Bewegungsbahnen können zwecks genauerer Analyse der Bewegung mehrmals registriert werden. Nach beendeter Abspeicherung des Bewegungsraumes und vor allem der Unterkiefergrenzbewegungen errechnet der Computer 47 den räumlichen Verlauf der Bewegungskurven. Hierbei werden auch die Scharnierachsen-Lokalisation, der Interkondylarabstand. Bennett-Winkel, Bennetsche Lateralbewegung und die beidseitige Gelenkbahnneigung ermittelt.

Die Darstellung der errechneten Werte erfolgt durch eine hoch auflösende Graphik auf dem Bildschirm des Computers, ode. eines Monitors. Ein angeschlossener Drucker oder ΛΎ-Plotter kann eine Kopie der dargestellten Bewegungkurven und Werte erstellen. Alle für eine spätere Simulation der registrierten Unterkieferbewegungen wichtigen Daten und mathematischen Parameter werden auf einem Massenspeicher archiviert Anhand dieser gespeichenen Patientendaten kann mit Hilfe einer digital gesteuerten Kopierfräse der Gelenkblockeinsatz für die Programmierung vollindividueller Artikulatoren hergestellt werden.
Das Gelenkgestänge der Vorrichtung kann gewichtsarm aus Aluminium bestehen.
Die Vorrichtung kan ein zusätzliches, auf die Trägerstange 14 aufsetzbares Meßgerät aufweisen, das ebenfalls

b5 aus einem Gelenkgestänge mit Drehwinkelgebern besteht und einen Stylus aufweist, der auf einen zu projizierenden Punkt (z. B. Infraorbitalpunkt. Inzisalpunkt, auf einzelne Zähne o. dgl.) gehalten wird. Aus den sich dabei ergebenden Werten der Drehwinkelgeber ermittelt der Computer 47 die für eine Koordinatentransformation erforderlichen XVZ-Koordinaten des zu projizierenden Punktes.

~J\J OT/

F i g. 5 zeigt ein Diagramm mit den für die Bestimmung der räumlichen Lage und Bewegung des Unterkiefers erfaßten Winkeln sowie den Bezugspunkten und Bezugsstrecken der Vorrichtung. Drei Punkte, welche die Unterkieferebene bestimmen, werden wie folgt ermittelt:

Linker Punkt ui (27)

/ D + 2SS1NGL/2SIN (GL/2 + BL)

2SSINGL/2 SINALCOS (GL/2 + BL) \ 2SSINGL^COSALCOSfGZy.' + IiL) (I)

Rechter Punkt »«(28)
Bedingung für den vorderen, dritten Punkt der Ebene:
i/r(30)

/ - D- 2WSINGR/2SIN (GRI2 + IiK) 2B SI NG R/2 COS (G R/2 + URINAL \2SSINGR/2COS(C/?/2+ ßtfjCOSAL •V«
Zh

(i)

ΙΤΔ Μ Γ

(X-XL)¹ + (Y- YL)² + (Z-ZLf -G² = O
(X-XRf + (Y- YRf + (Z-ZRf-G¹ = O

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

(Ο (2) (3)

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zahnärztliche Vorrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage und Bewegung des menschlichen Unterkiefers oder einzelner Unterkieferpunkte in bezug zur Schädelreferenzebene des Patienten, mit Meßwertgebern zur Lieferung speicherbarer elektrischer, die räumliche Lage des Unterkiefers anzeigender Meßwerte und mit am Unterkiefer oder seinen Zähnen und am Oberkiefer oder seinen Zähnen befestigbaren paraokklusären Schienen mit Trägern, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (14,15) über ein Gelenkgestänge (16—31) mechanisch miteinander verbunden sind, die Meßwertgeber als Drehpotentiometer (19/1—19/7) ausgebildet sind, die jeweils zwischen einzelnen Gestängeteilen (z. B. 23, 25) angeord; st sind und zum Teil in den Gelenken des Gelenkgestänges angeordnet sind, und daß das Gelenkgestänge in einen Oberteil (10) und in einen Unterteil (11) gegliedert ist, die kardanisch miteinander gekoppelt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gelenkgestängeteile (10, 11) über zwei Kardangelenke (27,28) und eine kardanisch ausgebildete Stabführung (30,31) miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkgestänge (16—31) sieben Drehpotentiometer (19/1 —19/7) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zusätzlich anordenbares Meßgerät aufweist, das auf einem der Träger (14,15) befestigbar ist und in einem auf beliebige Schädelöder Unterkieferpunkte zwecks Erfassung von deren Raumkoordinaten ausrichtbaren Stylus endet.