DE4411907A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Position und Bewegung variabler Achsen von Gelenken - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der aktuellen Position einer Drehachse und deren Bewegung bei einem Gelenk mit variabler Achsposition.

Ein Beispiel für ein solches Gelenk ist das menschliche Kiefergelenk. Jedoch werden auch in verschiedenen technischen Bereichen Drehachsen gelegentlich schwimmend, elastisch oder auch fliegend gelagert, so daß das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung auch auf solche Gegenstände anwendbar sind. Durch die vorliegende Patentanmeldung wird jedoch kein Schutz für das entsprechende Verfahren begehrt, soweit dieses Verfahren als therapeutisches oder diagnostisches Verfahren zur Anwendung am menschlichen oder tierischen Körper anzusehen ist.

Dessen ungeachtet sollen die Vorrichtung und ihre Funktionsweise, und insoweit auch das entsprechende Verfahren, anhand der Bewegungen eines menschlichen Kiefergelenkes und entsprechender, am Kopf eines Menschen anzuordnender Elemente beschrieben werden, wobei sich entsprechende Verfahrensschritte in völlig analoger Weise auch auf andere technische Bereiche übertragen lassen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Lokalisierung von aktuellen Drehachspositionen an Drehgelenken bekannt. Ein solches Verfahren besteht z. B. darin, daß an einem der Teile des Gelenkes, welches im folgenden als das bewegliche Teil bezeichnet wird, ein Bügel angebracht wird, welcher seitlich außerhalb des beweglichen und des anderen, hier als feststehend betrachteten Teiles des Gelenkes zurückgeführt wird, so daß es eine angenommene Achsposition in etwa schneidet. Ein Markierelement kann auf diesem Bügel angebracht werden, um die angenommene Position der Drehachse zu kennzeichnen. Anschließend werden die beiden Teile relativ zueinander bewegt bzw. es wird das bewegliche Teil bewegt, während das andere Teil festgehalten wird, und dabei wird in einer seitlichen Draufsicht beobachtet, ob sich das Markierelement bewegt. Nur dann, wenn das Markierelement trotz der Bewegung der beiden Teile relativ zueinander unverrückbar (abgesehen von einer Drehung um die eigene Achse) am selben Punkt stehen zu bleiben scheint, fällt seine Position offenbar auch mit der Position der Drehachse zusammen. Diese Position kann dann unterhalb des Markierelementes auf einem der beiden Teile eingezeichnet oder sonstwie gekennzeichnet werden. Dieses Verfahren ist allerdings sehr ungenau, insbesondere wenn die beiden Teile nur um relativ kleine Winkel gegeneinander verdreht werden können. Da der angenommene Drehpunkt auf jeden Fall bereits relativ nahe an der Drehachse liegt, sind kleine Drehbewegungen in diesem Nahbereich mit bloßem Auge kaum wahrnehmbar und auch mit Hilfe von Meßinstrumenten ist die tatsächliche Position des Drehpunktes bzw. der Drehachse in einer solchen Situation nur sehr ungenau zu bestimmen. Ein solches Verfahren scheitert vor allem auch dann, wenn die Drehachse nicht ortsfest ist. Die beiden vorstehend genannten Bedingungen, d. h. ortsfeste Drehachsen bei nur sehr kleinen Winkelbewegungen und eine Verschiebung oder Verkippung der Drehachse bei größeren Relativbewegungen der beiden über das Gelenk gekoppelten Teile treffen unter anderem auch auf bestimmte Untersuchungen am menschlichen Kiefergelenk zu.

Die Diagnose der Funktion und des Bewegungsablaufes des menschlichen Kiefergelenks ist für die Medizin sowohl in den Bereichen der Diagnose und Therapie von Gesichts- und Kopf­ schmerzen, der Hals-Nasen-Ohrenkrankheiten als auch insbesondere für die Zahnmedizin von großer Bedeutung.

Das Kiefergelenk verbindet den Unterkiefer mit der Schädelbasis (Abb. 1). Das Gelenk ist paarig, jeweils knapp vor dem äußeren Gehörgang gelegen. In der Schädelbasis findet sich die Gelenkgrube, die Fossa Condylaris. Der Unterkieferknochen endet in einer walzenförmigen Verdickung, dem Condylus, der in der Fossa Conylaris liegt. Zwischen Condylus und Fossa befindet sich eine bindegewebige Scheibe, der Diskus. Das gesamte Gelenk ist von einer Kapsel umschlossen, die besonders in der von der Schädelmittel abgewandten Seite stärkere Fasern zeigt. An der Kapsel ist der Diskus befestigt, überwiegend durch Faserbündel, die in den hinteren Teil der Gelenkkapsel zeigen.

Das Kiefergelenk führt bei kleinen Mundöffnungen eine Rotationsbewegung um eine horizontale Achse aus, die in etwa durch die Mitte des Condylus verläuft. Größere Mundöffnungen führen zu einer translatorischen Vorverlagerung des Gelenkkopfes. Bei seitlichen Verschiebungen des Unterkiefers, im Zusammenhang mit einer mahlenden Kaubewegung, kommt es zu einer Rotation um eine vertikale Achse in jenem Gelenk, zu dem hin die Seitwärtsbewegung gerichtet ist. Der Condylus im anderen Gelenk führt eine Translationsbewegung aus. Beim funktionsgesunden Patienten folgt der Diskus bei diesen Bewegungen dem Condylus, d. h. er bleibt in nahezu konstanter Lagebeziehung zum Gelenkkopf.

Die Bewegungen des Unterkiefers werden durch eine Vielzahl von Muskeln erreicht. Von Bedeutung ist dabei die Tatsache, daß die Summe aller im Kiefergelenk wirksamen Kraftvektoren nahe Null ist. Das Gelenk ist also nicht für die Aufnahme von Kräften angelegt. Die Beschreibung aller Muskeln würde hier zu weit führen. Besonders erwähnenswert ist lediglich der Muskel Pterygoideus lateralis, der den Condylus nach vorn zieht und mit seinen Fasern am Unterkiefer­ knochen unmittelbar unterhalb der Gelenkkapsel ansetzt.

Funktionsstörungen des Kiefergelenks zählen zu den am häufigsten vorkommenden Störungen im Bewegungsapparat des Menschen. Sie sind zu den häufigsten "Krankheiten" überhaupt zu zählen, wobei sicherlich nur einem kleinen Teil der Störungen subjektiv oder sogar objektiv Krankheitswert zukommt. Die auftretenden Störungen lassen sich zunächst nach der Symptomatik gliedern:
Patienten zeigen Gelenkgeräusche, insbesondere Knack- und Reibegeräusche; weiter kommen Schmerzsensationen vor, die vom Patienten typischerweise als in der Schläfenregion aufsteigend und im Bereich vor dem Ohr lokalisiert werden; schließlich treten Limitationen der Gelenkbewe­ gung im Sinne einer reduzierten Öffnung oder einer limitierten Rechts- oder Linkslateralbewegung auf.

Im Gelenk auftretende Geräusche sind Folge einer Veränderung der Lagebeziehung von Diskus und Condylus: Der Condylus springt vom Diskus ab oder auf den Diskus auf, wobei häufig Knackgeräusche entstehen.

Reibegeräusche gelten als Folge einer Reibung des Condylus in der Fossa ohne dazwischenlie­ genden Diskus; dieser Zustand wird von vielen Patienten wegen der Druckempfindlichkeit der Knochenhaut, des Periost, als sehr schmerzhaft beschrieben.

Potentielle Schmerzauslöser sind desweiteren Muskelverspannungen und -spasmen, die Folge von Schonhaltungen oder Bewegungen sein können, die durch Gelenkschäden vorgegeben oder bedingt sind.

Eine starke Diskusverlagerung kann schließlich dazu führen, daß der Condylus bei seiner Bewegung an den dislozierten Diskus stößt, jedoch nicht mehr auf ihn aufgleiten und damit die Bewegungsbahn nicht in gewohnter Form fortsetzen kann. Dieser Zustand wird als Limitation der Öffnungsbewegung bei Diskusdislokation beschrieben.

Die Entwicklung der vorgenannten Schäden des Gelenks bzw. des Gelenk-Muskelkomplexes wird auf eine Vielzahl von Ursachen zurückgeführt, die innerhalb der Wissenschaft kontrovers diskutiert werden. Eine besondere Bedeutung scheint jedoch die störungsfreie Beziehung der Zähne des Oberkiefers zu den Unterkieferzähnen zu haben, woraus folgt, daß diesen Zusammenhängen auch bei Ersatz von Zähnen oder Zahngruppen, d. h. allen zahnärztlich-prothetischen Maßnahmen erhebliche Bedeutung zukommen kann.

Ebenso von Bedeutung ist die Kenntnis dieser Zusammenhänge für den Kieferorthopäden, der durch Zahnverschiebungen zum Teil nachhaltige Veränderungen der Zahnpositionen und der Zahnbögen zueinander herbeiführt sowie für den Mund-Kiefer und Gesichtschirurgen, der durch operative Maßnahmen die Position der Kiefer zueinander oftmals in erheblichem Umfang verändert.

Die Diagnose der Kiefergelenksfunktion bzw. -erkrankung fußt zunächst auf einer gründlichen Anamnese. Die klinische Befunderhebung umfaßt die Palpation (Abtastung) der wichtigsten Kaumuskeln, die Überprüfung der Bewegungskapazität, die Auskultation (Abhören) des Gelenkraumes und die Prüfung der Okklusion (Lage der Zahnreihen zueinander). Für die Vereinfachung des Vorgehens wurden standardisierte Befunderhebungsbögen entwickelt, die auch eine Erfolgskontrolle während der Therapie erlauben.

Eine besondere Bedeutung innerhalb der Befunderhebung kommt der sogenannten instrumentel­ len Funktionsanalyse zu. Es handelt sich hierbei um Verfahren, die die Bewegungen des Condylus sichtbar machen sollen. In der Praxis haben sich hier im Bereich mechanischer Registriersysteme weitgehend sogenannte Gesichtsbogen durchgesetzt. Diesen Systemen ist gemeinsam, daß zunächst der Scharnierachspunkt, d. h. die Rotationsachse des Condylus bei kleinen Öffnungs­ bewegungen ermittelt wird.

Es ist von Bedeutung, daß der Scharnierachspunkt nach vielfältigen Reihenuntersuchungen interindividuell relativ gering abweicht, er befindet sich auf der Linie zwischen Gehörgang und Orbitarand etwa 8-12 mm vor dem Tragus (Wölbung des vorderen Randes der Ohrmuschel nach innen), wodurch eine grobe Vorjustage der Gesichtsbögen möglich ist (Abb. 2).

Von der ermittelten Rotationsachse ausgehend werden die Bewegungen des Unterkiefers durch graphische Aufzeichnungssysteme sichtbar gemacht. Druckmesser, die an den Gesichtsbögen befestigt sind, messen die Bewegung nach zentral bei der Laterotrusion.

Auch bei der Translationsbewegung sind interindividuell beim funktionsgesunden Patienten relativ geringe Unterschiede festzustellen: die graphisch aufgezeichnete Bewegungsbahn entspricht etwa der Form des Schädels vor der Fossa, der sogenannten Eminentia Artikularis.

Die graphischen Aufzeichnungen ergeben in Verbindung mit den abgelesenen Werten der Druckmesser Aufschluß über den Anomalietyp, wobei auch Aussagen über den Zeitpunkt des Auftretens der Störung in der Funktionsbewegung gemacht werden können. Ein Kiefergelenk­ knacken zeigt sich beispielsweise als Stufe in der Aufzeichnungslinie.

Zu den mechanischen Aufzeichnungssystemen, die von verschiedenen Herstellern angeboten werden, kommen - in den letzten Jahren zunehmend - elektronische Registriersysteme.

Die elektronischen Registriersysteme bieten den Vorteil, daß die Gelenkbewegungen beidseits gleichzeitig erfaßt und so Asynchronitäten des Bewegungsablaufes erkannt werden können.

Weitere systembedingte Vorzüge elektronischer Registriersysteme gegenüber den graphisch­ mechanischen liegen in der einfacheren Handhabung, und der präziseren Auswertbarkeit der Meßergebnisse, z. B. durch Überlagerung oder Zoomfunktionen.

Die derzeit verfügbaren Systeme zur elektronischen Erfassung von Kiefergelenkbewegungen verwenden unterschiedliche Meßmethoden, deren Daten von einem nachgeschalteten Rechner (PC) ausgewertet werden. Die Meßeinrichtungen werden stets am Unterkiefer, d. h. an der Unterkieferzahnreihe befestigt. Als Befestigungssystem dient ein sogenannter paraokklusaler Löffel. Der paraokklusale Löffel liegt den seitlichen Konturen der Zähne, also den wangen- bzw. zungenzugewandten Seiten der Zahnreihen an, wobei die Kauflächen freibleiben, um so annähernd normale Kaufunktionen zu gewährleisten. Als Bezugssystem dient eine an der Schädelkalotte oder im Einzelfall am Oberkiefer befestigte Einheit, welche die Bewegungen der am Unterkiefer befestigten Meßeinrichtung aufnimmt.

Das Bezugssystem ist starr am Schädel fixiert, um Verschiebungen des Referenzsystems während der Messung zu verhindern. Die Befestigung des Bezugssystems geschieht in Bezug zu anatomischen Strukturen des Schädels, entweder so, daß das System direkt auf eine anatomische Referenzebene bezogen montiert wird, oder so, daß Abstand und Winkel zu einer Bezugsebene gemessen und in das nachgeordnete Auswertungssystem eingegeben werden.

Die derzeit angebotenen elektronischen Registriersysteme unterscheiden sich untereinander im Abstand der Meßeinrichtung vom Gelenk.

Die gelenkfernen Systeme sind in der Front des Gesichtes angebracht, während die gelenknahen Systeme über Arme, die aus dem Mund herausgeführt werden, Messungen an oder über dem Condylus ausführen.

Ein Punkt im Anschauungsraum ist durch drei Koordinaten definiert. Die Lage der Scharnierachse ist damit durch zwei Punkte definiert, woraus sich i.a. die Notwendigkeit der Bestimmung von sechs Koordinatenwerten ergibt. Mangels signifikanter translatorischer Bewegungskomponenten bei der Scharnierachslokalisation genügen in diesem Fall je zwei Koordinatenwerte in der Rotationsebene.

Hier ergibt sich ein prinzipbedingter Nachteil der gelenkfernen Registriersysteme: Alle Meßwerte müssen in die Gelenkregion umgerechnet werden. Diese Koordinatentransformation ist zum einen relativ aufwendig, was die nachgeordnete Datenverarbeitung angeht. Dies wäre bei den heute zur Verfügung stehenden Rechnersystemen noch hinzunehmen. Andererseits werden mit dem jeweiligen Umrechnungsfaktor auch die Meßfehler multipliziert, was zu einer nicht akzeptablen Ungenauigkeit in der Bestimmung der Lage der Scharnierachse führen kann.

Die gelenknahen Systeme benötigen die oben beschriebenen Arme, die aus dem Mund in die Gelenkregion führen, die sogenannten Gesichtsbögen.

Der prinzipbedingte Nachteil der gelenknahen Registriersysteme liegt in dem mechanischen Aufwand dieser Gesichtsbögen, verbunden mit der Forderung, daß diese Bögen bei minimalem Gewicht extrem starr sein müssen, um Ungenauigkeiten durch Eigenschwingungen auszu­ schließen. Diese mechanische Anforderung ist bei der Scharnierachslokalisation relativ unkritisch, da hier nur Öffnungsbewegungen mit einem kleinen Winkel von maximal 150 vollzogen werden müssen. Bei den Funktionsbewegungen hingegen, die das gesamte Bewegungsspektrum des Unterkiefers umfassen sollen, stellen diese Apparaturen eine erhebliche Behinderung für den Patienten dar.

Weiter unterscheiden sich die elektronischen Systeme in ihrer Art die Meßwerte aufzunehmen. Die berührungslos messenden Systeme arbeiten elektrostatisch, elektromagnetisch, induktiv oder mit Ultraschall. Die nicht berührungslos messenden Systeme arbeiten mit Widerstandsfolien oder mit Potentiometern, wobei auch hier prinzipbedingte Störeinflüsse bei der Messung durch mechanische Interferenzen angenommen werden müssen.

(Siehe auch: R. Burckhardt Elektronische Registriermethoden zur Aufzeichnung der Unter­ kieferbewegungen Möglichkeiten und Grenzen; ZMK 1/92 S. 6-14, Spitta Verlag Balingen).

Gegenüber dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der aktuellen Position einer Drehachse und ihrer Bewegung entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 16 zu schaffen, welche eine einerseits einfache, andererseits jedoch hochgenaue Bestimmung der Achsposition und ihrer Bewegung ermöglichen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Markierelement an dem zweiten, beweglichen Teil im Gesichtsfeld einer Videokamera, jedoch im Abstand, und zwar in einem möglichst großen Abstand von der erwarteten Drehachse fixiert wird, daß das zweite (bewegliche) Teil relativ zu dem ersten (festen) Teil um die Achse gedreht wird, während die Videokamera, die vorzugsweise relativ zu dem ersten (festen) Teil ruht, zumindest aber einen genau definierten Bewegungszustand relativ zu diesem Teil hat, die Bewegung des Markier­ elementes erfaßt, aufzeichnet, wobei aus der von dem Markierelement bei kleinen Winkeln zurückgelegten Kreisbahn auf die Lage des Mittelpunktes dieser Kreisbahn zurückgerechnet werden kann.

Bezüglich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Markierelementträger zur Befestigung an dem beweglichen Teil vorgesehen ist, weiterhin eine Videokamera vorgesehen ist und das Markierelement so an dem Markierelementträger angebracht ist, daß es sich eindeutig im Abstand zur Drehachse und gleichzeitig innerhalb des Gesichtsfeldes der Videokamera befindet.

Bevorzugte Varianten der Erfindung betreffen die Ausgestaltung der Markierelemente, um deren Position bzw. Bahn möglichst genau zu bestimmen.

So ist es z. B. bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren, die wesentlich auf der Verwendung einer Videokamera beruhen, zweckmäßig und sinnvoll, wenn die Markierelemente zweidimensional ausgedehnt und scharf konturiert sind. Grundsätzlich kann die Form derartiger Markierelemente weitgehend beliebig sein, es ist jedoch günstig, wenn die äußeren Konturen der Markierelemente nicht ausschließlich aus rechtwinklig zueinander verlaufenden Linien bestehen, sondern beispielsweise durch Kreisscheiben gebildet werden. Bezüglich der äußeren Kontur kann man für jedes beliebige Flächenelement einen festen Punkt dieses Elementes eindeutig definieren, z. B. den Flächenschwerpunkt, den Kreuzungspunkt zweier oder mehrerer sich kreuzender Linien des Elementes etc. Im Falle einer Kreisscheibe bietet sich als fest und eindeutig definierter Punkt deren Mittelpunkt an. Die Position des Mittelpunktes einer ausgedehnten Kreisscheibe (mit bekanntem Durchmesser) läßt sich mit Hilfe einer Videokamera, welche das Gesichtsfeld als Matrix aufzeichnet, wesentlich genauer angeben als die Position eines kleineren Punktes oder Fleckes, der beispielsweise gerade die Größe eines Pixels der Matrix hat.

Üblicherweise bestehen die elektronischen, bildempfindlichen Elemente einer Videokamera aus sogenannten CCD-Elementen (Charge-Coupled Device). Dies ist im allgemeinen eine rechtwinklig angeordnete Matrix aus typischerweise mehreren 100 000 Pixeln oder Einzelelementen, deren elektrischer Ladungszustand sich beim Auftreffen von Photonen ändert, wobei diese Ladungs­ änderung elektronisch gespeichert und umgesetzt werden kann in Bildinformationen, im einfachsten Fall binär als Hell-/Dunkelschema. Jedem Pixel bzw. Feld dieser Matrix entspricht in der Realität ein Flächenelement des Gesichtsfeldes der Kamera, d. h. das Gesichtsfeld, welches im Prinzip beliebig groß sein kann, wird einfach entsprechend der Zahl der Matrixelemente der Videokamera in gleichgroße Flächenbereiche oder genauer gesagt Winkelausschnitte aufgeteilt. Das Auflösungsvermögen der Videokamera entspricht dem Pixelabstand, wobei im folgenden des besseren Verständnisses wegen zwischen den "Objektpixeln" im Gesichtsfeld der Kamera bzw. auf der Oberfläche eines Gegenstandes und den "Matrixpixeln" auf der lichtempfindlichen Matrixoberfläche der Kamera unterschieden werden soll. Mit anderen Worten, es können verschiedene Objekte nur dann als unterschiedlich von der Kamera erfaßt bzw. "aufgelöst" werden, wenn ihre Größe bzw. ihr Abstand auf dem Objekt größer ist als ein Objektpixelabstand, so daß sie dementsprechend auch auf zwei verschiedenen Matrixpixeln abgebildet werden können. Trotz dieser Beschränkung der Auflösung auf die Pixelgröße ist es jedoch möglich, einen bestimmten Punkt eines ausgedehnteren Gegenstandes, z. B. den Mittelpunkt einer Kreisscheibe, erheblich genauer anzugeben als nur auf eine Pixelgröße.

Dies soll anhand eines anschaulichen Beispiels verdeutlicht werden. Dabei wird angenommen, daß schwarze Flächen auf einem weißen Hintergrund erfaßt werden und daß eine Änderung des Ladungszustandes eines Matrixpixels jeweils dann stattfindet, wenn die auf diesen Matrixpixel abgebildete Fläche von einer Bedeckung von mehr als 50% schwarz auf weniger als 50% schwarz wechselt und umgekehrt. Stellt man sich nun zunächst einen kleinen, punktförmigen Fleck in der Größe eines Objektpixels vor und bewegt diesen auf der Objektoberfläche, so ändern entsprechend der Bewegung dieses kleinen Objektpunktes nacheinander benachbarte Matrixpixel ihren Ladungszustand, mit anderen Worten, während zu einem bestimmten Zeitpunkt t₀ der Punkt durch den Matrixpixel k abgebildet wird, so wird nach einer Verschiebung des Punktes um einen Objektpixelabstand zu einem Zeitpunkt t₁ der betreffende Punkt durch den Nachbarpixel k + 1 abgebildet. Beim Verschieben des Punktes von der einen Objektpixelfläche auf die benachbarte Objektpixelfläche nimmt zunächst die Bedeckung des ersten Objektpixels ab und unterschreitet schließlich 50%, so daß das zugehörige Matrixpixel seinen Ladungszustand in der einen Richtung ändert, während bei dem benachbarten Pixel die Bedeckung auf über 50% zunimmt, so daß das benachbarte Matrixpixel seinen Ladungszustand in der anderen Richtung ändert. Damit wird der Punkt an einer Stelle lokalisiert, welche nunmehr dem Matrixpixel k + 1 entspricht, so daß auch eine genauere Angabe eines Flächenschwerpunktes dieses kleinen Objektpunktes nicht möglich ist.

Bei größeren Objekten exakt bekannter Geometrie ist aber dennoch eine genauere Angabe des Flächenschwerpunktes möglich. Nimmt man hierzu beispielsweise eine Kreisscheibe an, deren Durchmesser ein Vielfaches des normalen Objektpixelabstandes entspricht und stellt man sich weiterhin die Pixel als regelmäßige Anordnung kleiner Quadrate, wie z. B. bei kariertem Papier, vor, so ist festzustellen, daß der Rand einer solchen Kreisscheibe die einzelnen Objektpixelflächen bzw. Karos unter verschiedenen Positionen und Winkeln schneidet. Weiter innen liegende Pixel (= Karos) sind vollständig bedeckt und die ungeschnittenen, außerhalb des Randes der Kreisscheibe liegenden Karos bleiben unbedeckt. Die vom Rand geschnittenen Pixelfelder bzw. Karos sind teilweise zu mehr und teilweise zu weniger als 50% bedeckt, so daß die ent­ sprechenden Matrixpixel teilweise den Zustand "dunkel" und teilweise den Zustand "hell" einnehmen. Bei einer im Verhältnis zu den Objektpixeln großen Kreisscheibe ist es dabei unvermeidlich, daß die Grenzlinie hell/dunkel bei einem Teil der Objektpixel dicht an der 50% Grenze verläuft, bei welcher die Matrixpixel von dem einen in den anderen Zustand kippen. Eine geringfügige Verschiebung der gesamten Kreisscheibe in einer Richtung reicht dann also aus, um auf der einen Seite einen Teil der Matrixpixel von dem Zustand "dunkel" in den Zustand "hell" kippen zu lassen, während auf der gegenüberliegenden Seite, d. h. in Richtung der Verschiebung, einige Pixel von dem Zustand "hell" in den Zustand "dunkel" kippen. Damit sind diese beiden geringfügig verschobenen Positionen der Kreisscheiben eindeutig unterscheidbar. Mit Hilfe eines geeigneten Computerprogrammes, welches auch in einem Chip fest integriert sein kann, kann man dann bei gegebenem Durchmesser der Kreisscheibe aus der Anordnung der Pixel im "Dunkel"-Zustand eine Position der Kreisscheibe bzw. des Kreisscheibenmittelpunktes mit einer Genauigkeit bzw. einer Fehlergrenze angeben, die weit unterhalb des Pixelabstandes liegt.

Aufgrund dieser Tatsache sind zweidimensional ausgedehnte Markierelemente für das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt. Es versteht sich dabei, daß es wesentlich nur auf die Konturen der Markierelemente ankommt und daß außerdem diese Konturen unter möglichst verschiedenen Winkeln die im allgemeinen rechtwinklige Pixelanordnung schneiden. Hierdurch kann man sicherstellen, daß sie die vorgenannte Bedingung erfüllen, daß bei Betrachtung einer Verschiebung in beliebiger Richtung jeweils eine gewisse Anzahl von Pixeln knapp unterhalb bzw. knapp oberhalb einer 50% Bedeckung liegt, so daß sich bereits eine geringfügige Verschiebung in einer beliebigen Richtung auf das in der Videokamera erzeugte Pixelbild auswirkt.

Diese Bedingung wird ohne weiteres erfüllt durch eine Kreisscheibe, die aber auch durch einen Kreisring ersetzt werden kann, da es letztlich auf die innen liegenden Punkte nicht ankommt, die bei einer kleinen Verschiebung ihren Ladungszustand nicht ändern, während jedoch die am Rand gelegenen Pixel auf Verschiebungen empfindlich reagieren. Die Markierelemente könnten jedoch auch Sternform, Dreieckform oder Sechseckform haben, ohne daß die Genauigkeit bei der Berechnung des Flächenschwerpunktes oder auch irgendeines anderen eindeutig definierten Punktes des Markierelementes spürbar beeinträchtigt würde. Zur Erzielung einer hinreichenden Genauigkeit sollte jedoch das Markierelement mindestens 50, besser noch mehr als 70 Pixel abdecken bzw. einschließen. Bei einer CCD-Kamera mit üblicher Auflösung, einer Objektivbrenn­ weite von 90 mm und einem Objektabstand von einem Meter hat sich eine Fläche des Markierelementes von 5 mm² als ausreichend erwiesen, vorzugsweise sollten bei den vorgenannten Kamerawerten die Markierelemente eine Fläche von mindestens 20 mm² aufweisen. So werden beispielsweise Kreisflächen mit einem Kreisdurchmesser zwischen 4 und 8 mm für das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung besonders bevorzugt, wobei es, wie bereits erwähnt, nicht darauf ankommt, ob es sich dabei um schwarze oder weiße Kreisflächen handelt oder ob nur der Rand des Kreises als Ring dargestellt wird. Entscheidend ist lediglich, daß die Kontur eines solchen Kreises bekannt und sehr scharf ist, wobei im Falle eines Kreisringes die Breite der den Ring definierenden Linie selbstverständlich mindestens so groß sein muß, daß sie einen Objektpixel zu mehr als 50% bedecken kann.

Die Zahl der von einem solchen Markierelement abgedeckten bzw. eingeschlossenen Pixel hat einen statistischen Einfluß auf die Genauigkeit der Bestimmung des Schwerpunktes oder eines sonstigen ausgezeichneten Punktes des Markierelementes, wobei der Zuwachs an Genauigkeit oberhalb von 70 bis 80 Pixeln in der Praxis nur noch gering ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren sollte die Videokamera bezüglich der zu vermessenden Gegenstände und insbesondere bezüglich der Markierelemente einen solchen Abstand haben, daß ihr Gesichtsfeld eine Größe von mindestens 4×6 cm² hat, vorzugsweise sollte das Gesichtsfeld in der Größenordnung von 5×8 cm² liegen.

Ein solches Gesichtsfeld reicht ohne weiteres aus, um beispielsweise am menschlichen Kiefer gleichzeitig die Lage der Scharnierachse als auch die Kieferbewegung, zumindest um kleine Winkel, zu erfassen, wenn an einem paraokklusalen Löffel ein kurzer, etwas nach hinten in Richtung der Gelenkachse weisender Bogen befestigt wird, welcher die Markierelemente trägt.

Für sogenannte gelenkferne Messungen jedoch, bei welchen Markierelemente zur Vermeidung einer unkontrollierten Beeinflussung der Gelenkbewegungen an einem sehr kleinen, leichten und wenig störenden Markierelementträger in Lippennähe eines Patienten angebracht werden sollten, wird ein Kameragesichtsfeld von etwa 10×16 cm² bevorzugt. Mit einer hochauflösenden Kamera können jedoch sowohl die gelenknahen als auch die gelenkfernen Messungen in derselben Kameraeinstellung, d. h. bei großem Gesichtsfeld, mit der erforderlichen Genauigkeit vor­ genommen werden.

Dabei sollte außerdem zur Aufnahme der kleinen Kiefergelenkbewegungen die Vorrichtung so ausgestaltet sein, daß die Achse der Videokamera in etwa parallel zu der erwarteten Gelenkachse angeordnet werden kann, um den Parallaxenfehler, der zwar bei entsprechender Ausgestaltung der Vorrichtung ohne weiteres korrigiert werden kann, von vornherein gering zu halten. Für die Erfassung von Translationsbewegungen unter Verschiebung bzw. Verkippung der Scharnierachse ist jedoch unabhängig hiervon auch eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart vorgesehen, daß die Achse der Videokamera in etwa senkrecht zur erwarteten Gelenkachse angeordnet werden kann. Im allgemeinen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Kiefergelenkvermessung eine Kopfstütze und/oder einen Stirnring bzw. ein Stirnband auf, wobei die relative Lage einer Scharnierachse bezüglich dieser Kopfstütze oder bezüglich eines Stirnringes oder Stirnbandes weitgehend festliegt, so daß auch die Anordnung der Kamera bezüglich der Kopfstütze, des Stirnringes oder Stirnbandes insoweit festliegt. Zweckmäßigerweise sind Videokamera und Kopfstütze (üblicherweise an einem zahnärztlichen Behandlungsstuhl) oder dergleichen so aufgestellt und/oder befestigt, daß ihre relative Lage während einer Messung unverändert bleibt und auch keinen Erschütterungen ausgesetzt ist. Es reicht im allgemeinen aus, wenn die Kopfstütze oder dergleichen im wesentlichen ortsfest angeordnet und die Videokamera relativ hierzu in einem Abstand von typischerweise 1 m oder auch weniger auf einem Stativ oder dergleichen aufgestellt wird. Eine Kopfstütze definiert dabei im allgemeinen die hintere Anlagefläche eines Kopfes, ein Stirnring bzw. ein Stirnband sind in der Draufsicht von oben mehr oder weniger elliptisch mit einer Längsachse, welche senkrecht zur Scharnierachse verläuft und einer kleinen Achse, die in etwa parallel zur Scharnierachse verläuft. Die Lage der Videokamera läßt sich daher auch bezüglich etwaiger Kopfstützen oder -ringe eindeutig definieren mit Bezug auf die vorgenannten Ellipsenachsen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Markierelemente, vorzugsweise mindestens zwei Markierelemente an dem beweglichen Teil des Gelenkes und auch an dem das ortsfeste Bezugssystem definierenden Teil des Gelenkes vorgesehen. Dabei können z. B. die relativen Abstände der Markierelemente an einem der Gelenkteile genau bekannt sein, wobei die Markierelemente des beweglichen Gelenkteiles im allgemeinen in einer anderen Axialebene liegen, bezogen auf die Gelenkachse, als die Markierelemente des ortsfesten Bezugssystems. Alternativ kann auch der Abstand dieser Axialebenen bekannt sein. Auf diese Weise lassen sich aufgrund der Änderung der scheinbaren Abstände zwischen diesen Markierelementen bei unterschiedlichen Blickrichtungen etwaige Parallaxenfehler relativ einfach korrigieren, indem man einfache geometrische Beziehungen zwischen Dreiecken ausnutzt, die durch die Markierelemente und die Lage der Kamera definiert werden.

Als Achse der Videokamera kann man dabei die Achse einer Objektivlinse ansehen bzw. die Verbindung des Objektivmittelpunktes mit dem Zentrum des Gesichtsfeldes.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Varianten und der dazugehörigen Figuren, wobei wiederum ohne Beschränkung allgemeinerer Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf das beanspruchte Verfahren, hier lediglich beispielhaft die Untersuchung eines menschlichen Kiefergelenkes dargestellt wird. Es zeigen:

Fig. 1 die Anatomie eines menschlichen Kiefergelenkes,

Fig. 2 die Seitenansicht eines menschlichen Kopfes mit eingezeichneter Lage der Scharnierachse,

Fig. 3 Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die am Kopf und am Unterkiefer befestigt sind,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 bei leicht geöffnetem Mund eines Patienten,

Fig. 5 die Projektion der Scharnierachse auf einen Artikulator mit den möglichen Drehbewegungen um die Artikulator- (= Schamier-) -Achse, und

Fig. 6 die an einem Kopf befestigte Vorrichtung zusammen mit einer angedeuteten Videokamera.

In Fig. 1 ist die Lage der Achse 1 eines menschlichen Kiefergelenkes durch ein Kreuz gekennzeichnet. Die Achse verläuft in dieser Darstellung senkrecht zur Papierebene und das Zentrum des Kreuzes markiert den Durchstoßpunkt der Achse 1 durch die Papierebene. Die Gelenkgrube 2 wird in der Fachsprache als "Fossa Condylaris" bezeichnet. Der Unterkiefer­ knochen 3 endet in einer walzenförmigen Verdickung 3′, die als "Condylus" bezeichnet wird und die in der Gelenkgrube liegt. Zwischen Condylus und Fossa befindet sich eine Bindegewebs­ scheibe, der Diskus 4. Außerdem ist das gesamte Gelenk von einer Kapsel umschlossen und der Diskus 4 ist an der Kapsel befestigt. Wie man erkennt, kann sich gemäß der Darstellung in Fig. 1 der Condylus 3′ in der Gelenkgrube 2 um kleine Winkel drehen, ohne daß sich die Lage der Achse 1 verändern muß. Bei größeren Winkeln jedoch ist, unter anderem auch aufgrund der Verbindung zwischen Diskus und Kapsel eine Translationsbewegung der Achse, d. h. eine Verschiebung der durch das Kreuz markierten Lage der Achse in der Papierebene, unaus­ weichlich. Für eine Behandlung etwaiger pathologischer Veränderungen des Kiefergelenkes und/oder des Kauapparates insgesamt, ist die Kenntnis der genauen Lage der Achse 1 von großer Bedeutung. In Fig. 2 ist veranschaulicht, wo in etwa die Scharnierachse an einem menschlichen Kopf lokalisiert werden kann.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Seitenansicht eines menschlichen Kopfes mit einer durch ein Kreuz gekennzeichneten Lage der Scharnierachse 1, wobei jedoch an dem in Fig. 3 dargestellten Kopf ein Stirnband oder Stirnring 14 befestigt ist, an welchem wiederum eine Platte bzw. ein Markierungshalter 8 angebracht sind. Auf der Platte 8 sind insgesamt drei Markierungs­ elemente 6 in Form schwarzer Kreisflächen angeordnet, welche ein ortsfestes Bezugssystem definieren.

An dem paraokklusalen Löffel 10, der in Fig. 3 nur andeutungsweise zu erkennen ist und der so am Unterkiefer bzw. den Zähnen des Unterkiefers befestigt ist, daß er ein Zubeißen und Schließen der Zahnreihen nicht behindert, ist ein rückwärts in etwa auf die Achse 1 gerichteter Bogen 5 befestigt, an welchem wiederum mit Hilfe eines Markierelementträgers 9 Markierelemente 7 angeordnet sind. Der paraokklusale Löffel 10 und der Gesichtsbogen 5 sollten zwar relativ steif ausgeführt und starr am Unterkiefer fixiert sein, können jedoch aus sehr leichten und wenig störenden Materialien aufgebaut sein, da der Bogen lediglich die Markierelemente tragen muß. Beispielsweise könnten der paraokklusale Löffel 10 und der Bogen 5 aus Kunststoff oder auch aus einem (im Mundraum vorzugsweise beschichteten) Leichtmetall bestehen. Im Gegensatz hierzu sind bei bekannten Systemen der Stirnring 14 oder entsprechende Teile bzw. daran befestigte Platten oder dergleichen ebenso wie der Gesichtsbogen 5 mit Meßwertaufnehmern bestückt, welche die Bewegung des Unterkiefers relativ zum übrigen Kopf erfassen sollen. Hierin liegt ein wesentlicher Unterschied der vorliegenden Erfindung begründet, bei welcher keinerlei Meßwertaufnehmer und dergleichen am Kopf des Patienten angebracht werden müssen, sondern lediglich Markierelemente relativ zum Kopf bzw. der Gelenkgrube einerseits und andererseits relativ zum Unterkiefer fixiert werden müssen.

Der Markierelementträger 9 besteht aus einem in etwa V-förmigen und im wesentlichen ebenen, steifen Material und kann z. B. aus einem Blech oder einer Kunststoffplatte ausgestanzt oder in dieser Form gegossen oder gespritzt sein. An den Enden und im Verbindungsbereich der beiden V-Schenkel ist jeweils ein Markierelement 7 im Abstand zur Drehachse 1 angeordnet, wobei die Abstände der Markierelemente 7 zur vermuteten Lage der Drehachse 1 näherungsweise gleich sind und die Sicht auf den Kopf bzw. die Haut des Patienten im Bereich der Achse 1 aufgrund der V-Form des Markierelementträgers 9 freigegeben ist. Die Anordnung der Markierelemente 7 in in etwa gleichem Abstand um die erwartete Achse 1 herum ist zwar nicht zwingend erforderlich, kann jedoch bei gegebenem Gesichtsfeld zu einer günstigen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Gesichtsfeldes und einer statistischen Verbesserung der Meßergebnisse beitragen. Bei kleinen Auslenkungswinkeln bewegen sich die Markierelemente 7 entlang kurzer Kreisbogen­ abschnitte um die Achse 1 herum, wobei anschaulich gesprochen ein von dem Kreisbogen ausgehender, in das Zentrum gerichteter Radiusvektor ermittelt wird und der Schnittpunkt der verschiedenen Radiusvektoren von den drei Markierelementen 7 das Zentrum 1 der Drehbewe­ gung definiert. Bei der hier gewählten Anordnung der drei Markierelemente 7 um die Scharnier­ achse 1 herum kann die Lagebestimmung eines solchen Schnittpunktes verständlicherweise genauer erfolgen, als wenn die Markierelemente 7 dicht beieinander lägen und damit die Radiusvektoren zur Ermittlung des Mittelpunktes sich nur unter kleinen Winkeln schneiden würden.

Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 3, wobei jedoch der Patient den Mund leicht geöffnet hat, was sich in einer, hier etwas übertrieben dargestellten, Verdrehung des Markierelementträgers 9 relativ zu der Platte 8 um die Scharnierachse 1 widerspiegelt.

Die Erfassung der Relativbewegungen geschieht kopffern in der Videokamera, wobei diese Relativbewegungen außerdem noch in Videoechtzeit, d. h. mit einer kaum wahrnehmbaren Zeitverzögerung von z. B. 40 Millisekunden, registriert werden und unmittelbar auf einem Monitor verfolgt werden können. Das Meßsystem bzw. der Meßwertaufnehmer besteht im wesentlichen aus einer CCD-Matrixkamera, deren Ausgangssignal digitalisiert zwischengespeichert wird. Dieser Kamera ist eine Rechnereinheit nachgeschaltet und sie kann gegebenenfalls mit einem kamerasynchronen Infrarotblitz ausgestattet sein, der zum Einsatz kommt, sofern sich im Zusammenhang mit der visuellen Auflösung von Sprüngen und anderen pathologischen Unstetigkeiten in der Bewegungsbahn ergibt, daß extrem kurze Shutterzeiten für eine genaue Auflösung erforderlich sind. Mit entsprechenden Algorithmen wird aus der Lage der Markier­ elemente und der erfaßten Bewegungsbahn das Rotationszentrum bezüglich des ortsfesten Kopfsystems berechnet.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß der Kopfring und der paraokklusale Löffel mit allen daran befestigten Teilen sehr leichtgewichtig, klein und wenig störend ausgeführt werden können und damit einen minimalen bzw. vernachlässigbaren Einfluß auf die Gelenkfunktion haben. Größere Apparaturen und Meßwertaufnehmer, die am Kopf eines Patienten befestigt werden, haben dagegen häufig den Nachteil, daß sie die von dem Patienten absichtlich auszuführende Kieferbewegung behindern oder zumindest wesentlich beeinflussen, so daß die normale Kieferbewegung nicht stattfindet, was unter Umständen zu einer Fehldiagnose führen kann. Die Markierelemente 6 und 7 sind so angeordnet, daß die ihnen zuzuordnenden Ortsvektoren linear unabhängig sind. Außerdem sind insbesondere die Markierelemente 7, die am Gesichtsbogen 5 bzw. dem daran befestigten Markierelementträger 9 angeordnet sind, bewußt im Abstand von der Kieferachse 1 angeordnet. Die in Form von Kreisscheiben ausgeführten Markierelemente 6, 7 haben einen Durchmesser zwischen etwa 4 und 8 mm, wobei eine weitere Vergrößerung dieser Scheiben und eine damit verbundene Erhöhung der Genauigkeit ihrer Ortsbestimmung nicht mehr sinnvoll erscheint, weil die Genauigkeit bei der Berechnung der Bahnen der Markierelemente insgesamt auch durch die Wiederholgenauigkeit der Bewegung begrenzt ist. Die Abstände der Scheiben untereinander und zum Rotationszentrum werden mittelbar über die Größe des Bildfeldes beschränkt. Diese ist wiederum abhängig von den Genauigkeitsanforderungen (Abstands- und Winkelauflösung), die an das System gestellt werden. In der Praxis hat sich ein Gesichtsfeld mit den Maßen 4×6 bzw. 5×8 cm² für die gelenknahe, und von 10×16 cm² für die gelenkferne Messung als zweckmäßig erwiesen.

Um beide Seiten gleichzeitig vermessen zu können, werden zwei Kameras eingesetzt, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Kopfes angeordnet und auf handelsüblichen Stativen befestigt werden. Diese bedürfen relativ zueinander keiner besonderen Ausrichtung, da das System sich selbst auf das ortsfeste Bezugssystem einstellt.

Zunächst wird die Vorrichtung und ihre Wirkungsweise anhand der Bestimmung der Achsposition eines Kiefergelenkes beschrieben.

Der Patient sitzt in einem normalen zahnärztlichen Behandlungsstuhl, wobei sein Kopf fest in der Kopfhalterung liegen sollte. Er wird aufgefordert, seinen Kopf während der Messung nicht ruckartig zu bewegen (Störquellenreduktion) und seinen Mund langsam zu öffnen und zu schließen. Hier ist darauf zu achten, daß die Mundöffnung einen Schneidekantenabstand von 15 mm bzw. 10 Grad nicht übersteigt und daß die Schließbewegung sanft erfolgt, d. h. daß die Zahnreihen beim Schließen nicht hart aufeinanderschlagen.

Es ist nur eine Öffnungs- und Schließbewegung für die Messung erforderlich. Die Bewegung sollte sinnvollerweise vor der Messung mit dem Patienten geübt werden (Abb. 3 u. 4). Für das Verständnis des Vorgehens ist es wichtig, daß zur Lokalisierung der Scharnierachse die Angabe ihrer Koordinaten in der (x,y)-Ebene genügt. Lateralbewegungen des Condylus (z-Koordinate) sind erst bei größeren Öffnungsbewegungen relevant.

Aus den visuell aufgezeichneten, konzentrischen Bewegungen der Flächenschwerpunkte der am Unterkiefer fixierten Scheiben relativ zu jenen, die das Bezugssystem definieren, wird nun - mit den nachfolgend diskutierten Verfahren - auf den Kieferdrehpunkt geschlossen, der als Start- und Bezugspunkt der sich anschließenden und - vom zahnmedizinischen Standpunkt aus betrachtet - eigentlich bedeutsameren Verfolgung der Drehpunktsbahn bei großen Kieferöffnungen zugrunde gelegt wird.

Experimentelle Untersuchungen an Artikulatoren mit "N=3" Kreisbogenscheiben (Abb. 5) haben gezeigt, daß bei einer Auflösung von ungefähr 0,1 mm pro Bildpunkt (Pixel) und einem Scheibendurchmesser von 3,0 mm mit einem Vertrauen von 99,99% eine rechnerische Lokalisationsgenauigkeit in der Größenordnung von 0,1 mm für den Drehpunkt erzielt werden kann. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang die Kompensation des systematischen Parallaxenfehlers bei der Messung, der durch von Null verschiedene Kamerarotationswinkel verursacht wird, sofern gleichzeitig die Kreisbogenscheibe und die Referenzscheiben auf unterschiedlich tiefen Ebenen liegen.

Um die Reproduzierbarkeit und zeitunkritische Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, werden die das Koordinatensystem definierenden Punkte auf der Kunststoffschablone bezogen auf eine in der Anatomie gebräuchliche und in der Zahnheilkunde weit verbreitete Bezugsebene, die sogenannte Frankfurter Horizontale. Die Frankfurter Horizontale ist definiert als Verbindungs­ linie zwischen dem unteren Rand der knöchernen Augenhöhle, der Orbita, als vorderem Punkt und dem knöchernen Gehörgang, dem Porus Acusticus, als hinterem Punkt.

Obwohl es bei der Festlegung der Frankfurter Horizontalen zu Ungenauigkeiten kommt, können die Ergebnisse mit hinnehmbarer Toleranz auf diese Referenzebene umgerechnet werden.

Die Scharnierachse stellt eine reproduzierbare Position des Condylus dar, die - mit Hilfe ihrer graphischen Darstellung im Videolivebild - auf die Schläfe des Patienten übertragen werden kann.

Zur Markierung des ermittelten Scharnierachspunktes am Patienten wird der Gesichtsbogen entfernt. Der Behandler führt einen Markierungsstift an die Schläfe des Patienten und findet den zu markierenden Punkt über das Videobild, in das der Rechner das ermittelte Rotationszentrum einblendet, wobei das Koordinatensystem am Kopf des Patienten befestigt bleiben muß.

Die Markierung an der Schläfe des Patienten ist für die nachfolgenden Arbeitsschritte nicht notwendig, sie dient jedoch, auch für den Patienten, einer Veranschaulichung des Vorganges.

Nach Feststellung der Rotationsachse können, vor allem im Rahmen einer gelenkfernen Messung und bei größeren Öffnungswinkeln, nun auch die Translationsbewegungen optisch verfolgt und im Rechner ausgewertet werden. Die Translationsbewegungen sind sowohl in der x,y- als auch in ihrer z-Koordinate zu erfassen. Daher sollte eine weitere Videokamera den Patienten von vorn kontrollieren, um Abweichungen in der frontalen Ebene aufzeichnen zu können.

Um die Bahnverfolgung von zeitaufwendigen und den Patienten belastenden Justagen (Scheibe auf Drehpunkt) zu befreien, soll diese von beliebigen Scheibenpositionen im Bildfeld ausgehend möglich und auf den Drehpunkt transformierbar sein.

An dem paraokklusalen Löffel, den der Patient ebenso wie das Referenzsystem nach Abnahme des Gesichtsbogens noch trägt, ist ein Markierungsträger befestigt, der über die Lippen nach vorn reicht (im Gegensatz zu dem nach hinten weisenden Gesichtsbogen bei der Achslokalisation) und nach vorn und zu beiden Seiten hin sichtbare Markierungen.

Bei der beschriebenen Messung handelt es sich also um eine gelenkferne Messung, was den wesentlichen Vorteil bietet, daß der Patient bei den jetzt auszuführenden komplexen Bewegungen ein möglichst geringes Gewicht zu tragen hat. Überdies werden durch den einzelnen Markierungs­ träger Differenzen zwischen den Bezugspunkten für die Messungen der Kameras vermieden.

Die ermittelten Daten werde im Rechner abgespeichert und dann ähnlich wie bei den bereits verfügbaren Systemen auf dem Bildschirm in Fenstern abgerufen.

Aus den hier dargestellten Daten kann beispielsweise die Justage eines Artikulators patientenbe­ zogen erfolgen (Fig. 5). Alle mit den herkömmlichen System üblichen diagnostischen Vorgehens­ weisen sind hier ebenso möglich.

Wesentlich ist jedoch die Ergänzung der Diagnostik durch die Betrachtung des Patienten während der Messung. Die Informationen der Videokameras werden auf Videoband aufgezeichnet, so daß der Patient in Funktion beobachtet werden kann, während die Meßergebnisse eingeblendet werden.

Der entscheidende Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß Meßergebnisse nicht abgekoppelt vom Patienten betrachtet und analysiert werden, sondern daß der Patient während der Messung sichtbar und beurteilbar bleibt. Dies erhöht auch erheblich den Umfang der meß- und erfaßbaren Funktionen.

Bei den derzeit verfügbaren Meßverfahren können definierte und vom Behandler vorgegebene Bewegungen ausgeführt und im PC graphisch dargestellt werden. Unberücksichtigt bleiben bei diesen Verfahren alle visuellen Kontrollen der Kaumuskulatur sowie der mimischen Muskulatur, was insbesondere bei sogenannten Parafunktionen (d. h. willkürlichen oder unwillkürlichen Fehlbewegungen), wie etwa Knirschen, Lippenbeißen, viscerales Schlucken etc., von großer diagnostischer Bedeutung ist.

Ein weiterer Vorteil der Neuentwicklung liegt in der unproblematischen Ankoppelbarkeit ergänzender Meßverfahren wie etwa der Elektromyographie oder der akustischen Aufzeichnung der Gelenkgeräusche.

Die Bewegung des Unterkiefers ist im allgemeinen eine Überlagerung aus einer rotatorischen und einer translatorischen Komponente. In der Praxis kommt es auf die Kenntnis der mittleren Bewegungskomponente an, die in der jeweiligen Öffnungsphase dominiert. Bei kleinen Öffnungs­ winkeln (α 15°) ist dies eine Rotation. Darüber hinaus wird die Öffnungsbewegung zunehmend translativ. Dementsprechend gliedert sich die Problemstellung und der Meßprozeß in zwei Abschnitte:

• 1. Gelenkachsenlokalisation bei kleinen Öffnungswinkeln und
• 2. Gelenkachsenbewegung, ausgehend von beliebigen Startpunkten, bei großen Öffnungswinkeln.

Das speziell im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelte, iterative Kamerakalibrierungsver­ fahren geht von der Kenntnis von nur 3 Eichpunktkoordinaten im Bild und in der Realität aus und benutzt Abbildungsgleichungen, die sich ergeben, wenn Parallelität zwischen der Bezugspunkt­ ebene und der Projektionsebene angenommen wird. Die Kenntnis der inneren Kameraparameter "Brennweite" und "radiale Verzeichnungen" ist vorausgesetzt. Damit ergibt sich zwischen den Koordinaten des realen Bezugssystems und den Koordinaten der Kamera für den J-ten Eichpunkt (J = 0, 1, 2) die folgende Transformationsbeziehung:

Unbekannt sind die Komponenten "r₁" und "t^k" der Rotationsmatrix bzw. des Translationsvektors.

Nach Umformung der Kamera- in die unverzeichneten Targetkoordinaten ergibt sich die lineare Iterationsvorschrift (m-ter Iterationsschritt):

wobei "b" die Brennweite der verwendeten Optik bezeichnet und der hochgestellte Index "u" die unverzeichneten Kameratargetkoordinaten. Die Startwerte "r₁" ergeben sich für z_j ^K0 = t_z ^K0 nach Norminierung auf das Abbildungsverhältnis "t_z ^K0/b".

Die betreffenden Koordinaten und ihre zeitliche Entwicklung werden jeweils den Mittelpunkten der die Maklerelemente bildenden Kreisscheiben zugeordnet. Damit sind aus den bekannten Bahnen der Kreisbogenscheiben bzw. deren Mittelpunkte eindeutige Rückschlüsse auf die Lage der Gelenkachse 1 und deren Bewegung möglich.

Insbesondere können die sich daraus ergebenden Parameter auch an einem Artikulator 11 eingestellt werden, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Dadurch kann mit hoher Genauigkeit, aufgrund der präzisen Einstellung des Artikulators mit Hilfe der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gefundenen Daten, am Artikulator die Wirkung etwaiger Gebißkorrekturen oder sonstiger chirurgischer oder kosmetischer Maßnahmen sehr genau simuliert werden. Die möglichst präzise Nachbildung der Gelenkfunktionen des Patienten im Artikulator ermöglicht die Herstellung von Zahnersatz mit hochgenauer funktioneller Kauflächengestaltung. Darüber hinaus ist die Simulation von Bewegungen des Kiefergelenkes möglich, Fehlkontakte der Zähne und damit Überbelastun­ gen werden sichtbar.

Neben der Lokalisierung der Scharnierachse 1 bei kleinen Auslenkungen ist auch die Vorderansicht des Patienten und seiner Kieferbewegungen bei größeren Öffnungswinkeln für eine Diagnose krankhafter Veränderungen und für die Auswahl der erforderlichen Therapiemaßnahmen von erheblicher Bedeutung. Fig. 6 zeigt zwei Videokameras 12, 12′, von denen die rechts dargestellte Kamera 12 unter anderem für die Scharnierachsenlokalisation bei kleinen Öffnungswinkeln vorgesehen ist, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, und die darüber hinaus auch eine Achsverschiebung bei größeren Öffnungswinkeln erfassen kann. Die Kamera 12′, welche gegenüber der Kamera 12 um etwa 90° um eine vertikale Achse verdreht angeordnet ist und so das Gesicht des Patienten von vorn erfaßt, ist in erster Linie für die Erfassung von (seitlichen) Kieferbewegungen bei größeren Öffnungswinkeln vorgesehen. Dabei kann die Kamera 12′ auch mit der Kamera 12 identisch sein und die entsprechenden Videoaufnahmen können dann nacheinander aufgezeichnet werden. Es können jedoch auch beide Kameras gleichzeitig vorhanden sein und ein und denselben Öffnungsvorgang simultan erfassen. Bei größeren Öffnungswinkeln weicht die Bewegung des Unterkiefers im allgemeinen von einer reinen Rotationsbewegung um eine gedachte Scharnier­ achse 1 ab und es ergeben sich in der Vorderansicht auch seitliche Verschiebungen des Unterkiefers während der Öffnungsbewegung, die damit zu erklären sind, daß sich die Lage der Scharnierachse in jedem der beiden Kiefergelenke verschiebt und daß darüber hinaus diese Verschiebung auf beiden Seiten des Kopfes nicht synchron und/oder nicht in gleichem Maß und/oder nicht in der gleichen Richtung erfolgt.

Zur Erfassung dieser seitlichen Bewegung ist an einem in Fig. 6 verdeckten paraokklusalen Löffel noch ein weiterer Markierelementträger 9′ vorgesehen, der die Form eines trapezartig abgewinkelten Blechstreifens hat, welcher an seiner der Kamera 12′ zugewandten Vorderfläche und auch an der der Kamera 12 zugewandten Seitenfläche Markierelemente 13 aufweist. Dabei kann im übrigen der Gesichtsbogen 5 auch vollständig entfallen, wenn störende Einflüsse auf die normale Kieferbewegung soweit wie möglich ausgeschaltet werden sollen.

Durch Änderung des Kameraabstandes und/oder Austauschen der Kameraoptik kann dabei das Gesichtsfeld der seitlich aufnehmenden Kamera 12 auch so vergrößert werden, daß sowohl die Scharnierachse 1 bzw. deren Durchstoßpunkt auf der Hautoberfläche des Patienten, als auch die Markierelemente 13 auf dem Markierelementträger 9′ in das Gesichtsfeld der Kamera 12 fallen.

Claims (22)

1. Verfahren zur Bestimmung der Drehachse eines Gelenkes mit variabler Achsposition sowie deren Verschiebung, wobei die Position der Achse z. B. vom Drehwinkel und/oder anderen Parametern, wie einer bestimmten Belastung abhängt, wobei eines der relativ zueinander beweglichen Teile eines Gelenkes ein ortsfestes Koordinatensystem vorgibt, während das andere Teil um die - nicht notwendigerweise ortsfeste - Gelenkachse gedreht wird, um die aktuelle Position und Bewegung der Achse zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Markierelement an dem zweiten, beweglichen Teil (2) im Gesichtsfeld einer Videokamera (3) fixiert wird, daß das zweite Teil (2) relativ zu dem ersten Teil (1) um die Achse (4) gedreht wird, während die Videokamera (3), welche einen genau definierten Bewegungszustand relativ zu dem ersten Teil (1) hat, und vorzugsweise relativ zu diesem ruht, die Bewegung des Markierelementes erfaßt, aufzeichnet, die mindestens teilweise als Kreisbogen ausgewertet wird, wobei aus dem Kreisbogen die Lage von dessen Mittelpunkt als Position der Gelenkachse bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Markierelement ein zweidimensional ausgedehntes Markierelement (5) mit scharfen Randkonturen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement eine einfache geometrische Form hat, z. B. ein Dreieck, Quadrat, Sechseck, Ellipse oder Kreis ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement (5) eine Fläche von mindestens 5 mm², vorzugsweise mindestens 20 mm² hat.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement eine Kreisfläche mit einem Durchmesser zwischen 3 und 8 mm ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Videokamera (3) und Markierelement (5) so angeordnet werden, daß der gesamte Bewegungsweg der Markierelemente (5) sowie das Zentrum der Drehbewegung der Markierelemente im Gesichtsfeld der Videokamera liegen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesichtsfeld der Videokamera im Abstand des nächstgelegenen Markierungselementes (5) mindestens 4×6 cm², vorzugsweise mindestens 5×7 cm² beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Videokamera (3), definiert durch die Verbindungslinie Objektiv-Zentrum des Gesichtsfeldes, in etwa parallel zu der erwarteten Achse des Gelenkes angeordnet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Markierelemente, und zwar mindestens zwei oder drei jeweils an dem das ortsfeste Bezugssystem definierenden Teil und vorzugsweise auch an dem relativ hierzu beweglichen Teil angebracht sind, wobei die relativen Abstände der Markierelemente der beiden Teile in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Gelenkes genau bekannt sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens ein Markierelement an dem beweglichen und dem das ortsfeste Bezugssystem definierenden Teil im Vergleich zu den übrigen Markierelementen in einer anderen Axialebene bezüglich der Drehachse des Gelenkes angeordnet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parallaxenfehler aufgrund einer Verkippung der Kameraachse relativ zur Drehachse des Gelenkes unter Berücksich­ tigung der bekannten Abstände der Markierelemente und der in die Bildebene projizierten Abstände durch Umrechnung der Koordinaten in eine parallaxenfreie Darstellung korrigiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Bahnen der mehreren Markierelemente jeweils Drehpunktkoordinaten berechnet werden, wobei der endgültige Drehpunkt durch Mittelung unter Minimierung der Varianz der Drehpunktkoordinaten berechnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der Drehpunktkoordinaten in mitgeführten Koordinatensystemen erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einblendung des errechneten Drehzentrums in das Videobild erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitkoordination durch ein kamerasynchrones Blitzlicht erzeugt wird.

16. Vorrichtung zur Lokalisierung der aktuellen Position einer Drehachse sowie deren Verschiebung bei einem Gelenk mit variabler Achsposition, wobei die Position der Achse z. B. vom Drehwinkel und/oder anderen Parametern, wie einer Belastung abhängt, insbesondere zur Bestimmung der Drehachse und deren Bewegung bei einem Kiefergelenk, mit optischen Aufzeichnungsmitteln und Markierelementen und mit einem Markierelementträger für das Anbringen der Markierelemente an einem beweglichen Teil des Gelenkes, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Aufzeichnungsmittel eine Videokamera vorgesehen ist, daß mindestens zwei Markierelemente vorgesehen sind, von denen eines ein ortsfestes Bezugssystem definiert, während das andere Markierelement über den Markierelementträger an dem relativ beweglichen Teil im Gesichtsfeld der Videokamera, jedoch im Abstand zu der erwarteten Drehachse angeordnet ist, so daß das Markierelement (5) während der Relativbewegung des zweiten Teiles eine Rotations- und gegebenenfalls eine Translationsbewegung ausführt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als ortsfestes Bezugssystem ein am Schädel einer Person befestigbares Teil, z. B. in Form eines Stirnbandes oder Helmes vorgesehen ist, an welchem ein erstes Markierelement befestigt ist und daß der Markierelementträger ein paraokklusaler Löffel ist, von welchem gegebenenfalls ein in Richtung eines oder beider Ohren geführter Bogen ausgeht, an welchem mindestens ein weiteres Markierelement angebracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement ein zweidimensional flächiges Element von vorzugsweise einfacher geometrischer Form, wie z. B. Dreieck, Quadrat, Sechseck oder Ellipse ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierelement eine Kreisfläche mit einem Durchmesser zwischen 3 und 8 mm ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierelemente scharf konturiert sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Markierelemente jeweils an dem ortsfesten und an dem beweglichen Teil angeordnet sind, wobei mindestens eines der jeweils mehreren Markierelemente in einer anderen axialen Ebene befindet, als die übrigen Markierelemente an diesem Teil.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Videokamera vorgesehen ist, welche der ersten Videokamera gegenüberliegend auf der anderen Seite des Gelenkes oder unter 90° abgewinkelt, das heißt mit der Videokameraachse in etwa senkrecht zur erwarteten Gelenkachse angeordnet ist.