DE60201026T2

DE60201026T2 - Überwachungssystem für zahnbürstenbenutzung

Info

Publication number: DE60201026T2
Application number: DE60201026T
Authority: DE
Inventors: Guy Derek SAVILL; Robert Lindsay TRELOAR
Original assignee: Unilever NV
Current assignee: Unilever NV
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: ES2227470T3; CN1503640A; EP1379149A2; BR0208904A; WO2002083257A3; HUP0303943A3; EP1379149B1; ZA200307275B; US20020183959A1; HUP0303943A2; BR0208904B1; US6786732B2; PL201322B1; DE60201026D1; TR200402513T4; PL367135A1; CN1196429C; AU2002310983A1; ATE273637T1; GB0109444D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Gebrauchs einer Zahnbürste durch ein Individuum und zum Analysieren der so erhaltenen Daten, um einen unrichtigen Gebrauch zu erkennen.
Es ist wohlbekannt, dass viele Zahnprobleme, denen Individuen ausgesetzt sind, die regelmäßig eine Zahnbürste benutzen, mit einem mangelhaften Gebrauch der Zahnbürste verbunden sind. Selbst wenn die Zahnbürste mehrere Male jeden Tag benutzt wird, kann es zum Beispiel vorkommen, dass die Bürste infolge unrichtiger Bürstgewohnheiten mit gewissen Bereichen der Zähne nie in Berührung kommt. Eine mangelhafte Erfassung der Zähne beim Bürsten kann auch durch die Gestaltung der Zahnbürste verursacht oder zumindest verstärkt werden.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, neue und nützliche Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Gebrauchs einer Zahnbürste bereitzustellen.
In allgemeinen Worten schlägt ein erster Aspekt der Erfindung vor, dass die Position einer Zahnbürste in Bezug zur Position der Zähne eines Individuums (d. h. eines Menschen) überwacht werden sollte. Die Zahnbürste enthält einen ersten Positionssensor, und die Ausgangsgröße des Sensors wird einer Verarbeitungsvorrichtung zugeführt, die auch Daten empfängt, welche von einem zweiten Positionssensor ausgegeben werden, der in einer feststehenden Beziehung zu den Zähnen angebracht ist. Die Verarbeitungsvorrichtung vergleicht die beiden Sensorausgangsgrößen, um die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen über einen Zeitraum hinweg zu überwachen. Vorzugsweise sind zwei zweite Positionssensoren vorgesehen, jeder in einer feststehenden Beziehung zu den Zähnen von einem jeweiligen der Kiefer der Person. Vorzugsweise wird die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen der Person visuell angezeigt, zum Beispiel als Bild auf einem Bildschirm, der die Zähne und die Zahnbürste in ihren jeweiligen Positionen zeigt, oder als Bild der Zähne mit der Spur eines Punktes der Zahnbürste, der als Pfad über ihnen markiert ist. Die Anzeige kann in Echtzeit oder nachfolgend erzeugt werden.
Vorzugsweise bestimmt die Ausgangsgröße der Verarbeitungsvorrichtung die Position der Zähne in Bezug zur Zahnbürste mit einer hohen Genauigkeit, zum Beispiel bis auf einige Millimeter. Um dies möglich zu machen, muss die Position des zweiten Positionssensors in Bezug zu den Zähnen registriert werden. Dementsprechend sieht die Erfindung in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen der Position von Zähnen in Bezug zu einer positionsempfindlichen Sonde vor, die in einer feststehenden Beziehung zu den Zähnen (z. B. an einer Stelle des Kiefers) angebracht wird. Der zweite Aspekt der Erfindung schlägt vor, dass ein dritter Positionssensor während eines Zeitraums der Reihe nach auf, oder allgemeiner in einer bekannten Positionsbeziehung zu, dem (den) zweiten Positionssensor(en) und an mindestens vier Stellen auf den Zähnen (vorzugsweise mehr als 4, z. B. bis zu 200) angeordnet wird, wobei die Ausgangsgröße des dritten Positionssensors während dieser Zeit überwacht wird.
Die mindestens vier Stellen können entweder eine bekannte feststehende Beziehung zu den Zähnen aufweisen (wie vier Stellen, die tatsächlich als spezifische Punkte auf den Zähnen bekannt sind), oder sie können Stellen sein, die durch den Registrierungsvorgang bestimmt werden, wie unten beschrieben.
Vorzugsweise sollten die Stellen gleichmäßig über das zu verfolgende Merkmal verstreut sein, wobei die Erstreckung des Merkmals erfasst wird.
Man bemerke, dass bei einigen Ausführungsformen der dritte Positionssensor tatsächlich derselbe Positionssensor sein kann, der bei der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, d. h. der erste Positionssensor.
Die Ausgangsgröße des zweiten und dritten Positionssensors über diesen Zeitraum (obwohl beide normalerweise nur Veränderungen ihrer absoluten Position, nicht ihrer Position in Bezug zueinander registrieren werden) sind ausreichend, um die Position des zweiten Positionssensors in Bezug zu den Zähnen zu bestimmen.
Sobald Daten verfügbar sind, vorzugsweise aus einem Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung, welche über einen Zeitraum die Veränderung der Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen angeben, werden in einem dritten Aspekt der Erfindung diese Daten statistisch analysiert, um festzustellen, ob sie irgendein Gebrauchsmuster enthalten, das für einen mangelhaften gewohnheitsmäßigen Gebrauch bezeichnend ist. Zum Beispiel kann die Erfindung einschließen, dass für jeden Bereich der Zähne die Häufigkeit bestimmt wird, mit der er mit der Zahnbürste in Berührung kommt, und dass diese Daten mit bereits vorhandenen Informationen verglichen werden, die einen richtigen Gebrauch kennzeichnen (z. B. eine richtige Mindestberührungshäufigkeit. Dies kann ein einzelner Wert sein, der für alle Oberflächen von sämtlichen der Zähne gilt, oder ein Wert, der sich mit verschiedenen Oberflächen und/oder mit verschiedenen Zähnen verändert). Eine andere mögliche Analyse ist diejenige der Ausrichtung der Zahnbürste mit der Zeit während des Zähnebürstereignisses. In jedem Fall wird, wenn eine Diskrepanz zwischen einem richtigen Gebrauch und dem beobachteten Gebrauch bemerkt wird, ein Warnsignal emittiert, oder, bei unten erörterten Ausführungsformen, bei denen das Bürstereignis visuell angezeigt wird, könnte in der Anzeige irgendeines Zahns oder von irgendwelchen Zähnen, die nicht besucht werden, die Farbe verändert werden, oder man könnte diese Zähne aufleuchten lassen.
Obwohl Positionsinformationen für sich potentiell sehr nützlich sind, wie oben beschrieben, sind die Informationen noch nützlicher in Kombination mit anderen Informationsquellen über einen Zahnbürstengebrauch. Aus diesem Grund schlägt ein vierter Aspekt der Erfindung vor, dass eine Zahnbürste andere Sensoren tragen sollte, die für andere Faktoren als eine Position empfindlich sind, wie Drucksensoren, pH-Sensoren, usw..
Eine Zahnbürste, wie im ersten und vierten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, macht im Allgemeinen eine Einrichtung zur Übertragung ihrer Daten (z. B. zur Verarbeitungsvorrichtung) erforderlich. Obwohl dies innerhalb des Umfangs der Erfindung mittels einer Elektronik- oder Optikfaser erfolgen kann, schlägt ein sechster Aspekt der Erfindung vor, dass eine Zahnbürste drahtlose Datenübertragungseinrichtungen trägt, wie einen Sender für elektromagnetische (vorzugsweise Radio-) Wellen. Schallwellen könnten für diesen Zweck ebenfalls geeignet sein, obwohl sie vorzugsweise bei einer Frequenz vorliegen sollten, die für Menschen unhörbar ist. Die Verarbeitungsvorrichtung wird mit einer entsprechenden drahtlosen Signalempfangsvorrichtung versehen. In ähnlicher Weise sind die Positionssensoren (speziell der erste Positionssensor) vorzugsweise Vorrichtungen mit eigener Energieversorgung, was bedeutet, dass sie die gesamte, für ihren Betrieb benötigte Leistung aus ihren Bewegungen aufgrund von Bewegungen des Menschen erzeugen.
Obwohl die Erfindung oben hauptsächlich in Bezug auf Verfahren beschrieben worden ist, können sämtliche ihrer Merkmale alternativ in Begriffen einer entsprechenden Vorrichtung ausgedrückt werden, die angeordnet ist, um die Erfindung zu erleichtern. Außerdem kann die bei den Verfahren der Vorrichtung durchgeführte Analyse von Computer-Software durchgeführt werden, die in einem Computerprogrammprodukt vorhanden ist, das von einer Computervorrichtung lesbar ist, um zu bewirken, dass die Computervorrichtung die Verarbeitung durchführt.
Der Begriff "Position" von zwei Objekten "in Bezug zueinander" wird in diesem Dokument so verwendet, dass er den translatorischen Abstand und die Abstandsrichtung von zwei Objekten (insgesamt 3 Freiheitsgrade) einschließt. Jedoch wird vorzugsweise jegliche hier genannte Messung der Position von einer logisch getrennten Messung der Ausrichtung der beiden Objekte in Bezug zueinander (weitere 3 Freiheitsgrade) begleitet. Zum Beispiel ist die Messung der "Position" einer Zahnbürste in Bezug zu Zähnen, d. h. eine Messung des dreidimensionalen Orts eines imaginären Mittelpunkts der Zahnbürste in einem durch die Zähne definierten Bezugssystem, von einer Messung des Winkels der Ausrichtung der Zahnbürste um diesen Mittelpunkt begleitet. Während die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen zeigt, ob sich die Zahnbürste nahe bei einem gegebenen Zahn befindet, und in welcher Richtung sie im Abstand von dem Zahn angeordnet ist, stellt somit die Ausrichtung der Zahnbürste dar, in welche Richtung eine beliebige gegebene Seite der Zahnbürste (z. B. die Oberseite des Borstenkopfs der Zahnbürste) im Bezugssystem der Zähne weist.
In ähnlicher Weise ist jeder in diesem Dokument verwendete "Positionssensor" vorzugsweise nicht nur dahingehend wirksam, Veränderungen seiner absoluten Position zu messen, sondern ist vorzugsweise auch dahingehend wirksam, Veränderungen seiner Ausrichtung zu messen. Eine Reihe von Sensoren sind für diese Aufgabe bekannt, wie der von der Ascension Technology Corporation, P. O. Box 527, Burlington, VT 05402, USA vertriebene Minibird-Sensor, der nur etwa 5 mm Durchmesser besitzt.
Ein Sensor soll sich in einer feststehenden Positionsbeziehung entweder zur oberen oder unteren Gruppe von Zähnen befinden, wenn seine Position und Ausrichtung in Bezug zu diesen Zähnen feststehend ist.
Es gibt auch Arten von Sensoren, die nur für ihre Position im Raum empfindlich sind; sie besitzen keine intrinsische Ausrichtung, die gemeldet werden kann. Solche Drei-Freiheitsgrad-Sensoren können bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ebenfalls verwendet werden, da die Ausgangsgröße aus Kombinationen von drei solchen Sensoren, das zu verfolgende Merkmal, verwendet werden kann, um fehlende Ausrichtungsinformationen zu berechnen. Die Sensoren müssen genau im bekannten Versatz zueinander angebracht werden. Der optimale Versatz wird von der Geometrie des Objekts abhängen, das gerade verfolgt wird.
Die oben erörterten verschiedenen Aspekte der Erfindung, sowie ihre bevorzugten Merkmale, sind frei kombinierbar, wie aus der nachfolgenden nicht-einschränkenden Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersichtlich wird.
1 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Gebrauch;
2 zeigt die Definition eines bei der Analyse verwendeten Parameters;
3 zeigt den Registrierungsvorgang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5, die aus den 5(a) und 5(b) besteht, zeigt einen Registrierungsvorgang, um bekannte Punkte auf einer Gruppe von Zähnen mit der entsprechenden Gruppe von Punkten von Modellzähnen in Entsprechung zu bringen;
6, die aus den 6(a) bis (d) besteht, zeigt vier Bilder eines Registrierungsvorgangs, um eine große Gruppe von unbekannten Punkten auf einer echten Zahnbürste mit der entsprechenden Gruppe von Modellzahnbürstenpunkten in Entsprechung zu bringen; und
7, die aus den 7(a) bis (d) besteht, zeigt vier Bilder, die unter Verwendung einer Position der Spur einer Zahnbürste über eine Gruppe von Zähnen erhalten wurden.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, angewandt bei einer Person 1, die eine Zahnbürste 3 betätigt. Zwei Positionssensoren 5, 7 sind auf dem Kopf der Person in feststehender Beziehung zu den Zähnen des Ober- bzw. Unterkiefers der Person angebracht. Die Anbringung kann zum Beispiel mittels eines löslichen Klebers oder unter Verwendung von einem Stück Klebeband erfolgen. Die Auswahl der Stelle auf dem Kopf der Person bestimmt, wie zuverlässig die Positionssensoren 5, 7 die Position der Zähne der Person registrieren.
Die Ausgangsgröße der Positionssensoren 5, 7 bei dieser Ausführungsform wird elektronisch über jeweilige Leitungen 9, 11 zu einer Schnittstelleneinheit 13 übertragen, welche diese Daten in ein Format umwandelt, das zur Eingabe in eine Berechnungsvorrichtung 14, wie einen PC, geeignet ist, der einen Bildschirm 16 zum Anzeigen der Ergebnisse des Verfahrens aufweist.
Der Sensor 7 ist starr am Kopf der Person befestigt, so dass der Sensor im Prinzip an einer beliebigen Stelle auf dem Oberkopf platziert werden kann, obwohl man die beste Auflösung erhalten wird, indem man ihn so nahe wie möglich am Oberkiefer befestigt. Wir haben gefunden, dass der Nasenrücken ein guter Bereich ist. Der Sensor 5 wird typischerweise in der Mitte des Kinns befestigt.
Die Positionierung von beiden dieser Kiefersensoren ist ein Kompromiss zwischen:

(a) einer Notwendigkeit, die Sensoren so robust wie möglich zu befestigen
(b) einer Notwendigkeit, die Sensoren so nahe bei den Kiefern wie möglich zu befestigen
(c) einer Notwendigkeit, so wenig invasiv wie möglich zu sein.

Beide dieser Sensoren 5, 7 werden einfach unter Verwendung von Heftpflaster befestigt. Man bemerke, dass es wegen des von uns angewandten Registrierungsvorgangs, der anschließend beschrieben wird, über die durch (a), (b) und (c) angegebenen weiten Einschränkungen hinaus keine Notwendigkeit gibt, die Sensoren immer an genau derselben Stelle auf jeder Person zu befestigen, oder an irgendeinem speziellen visuellen Orientierungspunkt auf dem Gesicht zu befestigen.
Das System schließt weiter einen Positionssensor 12 ein, der auf der Zahnbürste 3 angebracht wird. Idealerweise sollte er so nahe wie möglich am Ende des Griffs befestigt werden, so dass er minimal invasiv ist. Wiederum gibt es keine Notwendigkeit, dass er für jede Person an derselben Stelle auf jeder Zahnbürste befestigt wird. Die Zahnbürste 3 schließt eine Datenübertragungsvorrichtung ein, um vom Positionssensor 12 ausgegebene Daten unter Verwendung einer Leitung 17 zur Schnittstelleneinheit 13 zu übertragen.
Das System schließt weiter eine Sendereinheit 19 ein, die ein bekanntes Gleichstrom-Magnetfeld erzeugt, das allgemein als 21 dargestellt ist. Die Positionssensoren 5, 7, 14 bestimmen ihre jeweiligen Ausrichtungen und Positionen in Bezug zu diesem Magnetfeld.
Die Sensoren 5, 7, 14 werden ausgewählt, um Bewegungen des Ober- und Unterkiefers und der Zahnbürste mit guter Auflösung über den gesamten Zeitraum des Zahnbürstereignisses zu erfassen.
Diese Sensoren müssen klein sein (z. B. bis zu 10 mm maximaler Durchmesser), imstande, ihre Position und Ausrichtung mit einer Geschwindigkeit auszugeben, die schnell genug ist, um das Zähnebürstereignis mit einer ausreichenden Auflösung über den gesamten Zeitraum des Bürstens zu verfolgen, und so minimal invasiv wie möglich, so dass eine Störung des Zähnebürstvorgangs minimiert wird.
Zusätzlich wird beim Registrierungsvorgang ein vierter Sensor 25 (in 2 dargestellt) verwendet, der Teil einer Sonde ist, und wird unten beschrieben.
Die Positionssensoren, für deren Verwendung wir uns entschieden haben, sind Minibird-Sensoren. Ein Minibird-Sensor ermittelt seine Position und Ausrichtung, indem er ein Gleichstrom-Magnetfeld erfasst, in diesem Fall dasjenige, das von der Sendereinheit 19 erzeugt wird.
Der Minibird-Sensor ist ausgewählt worden, weil er der kleinste ist, der mit ausreichender Auflösung und Aufnahmegeschwindigkeit erhältlich ist, und ursprünglich zur Verwendung in chirurgischen Umgebungen entwickelt worden ist. Jedoch könnte jeglicher Sensor mit Anbindung oder Fernübertragung verwendet werden, wenn er die geforderte Auflösung und Aufnahmegeschwindigkeit besitzt und ausreichend nicht-invasiv ist.
Die Positions- und Ausrichtungsinformationen, die jeder Sensor 5, 7, 14 zurück übermittelt, werden gemeinsam als der Status des Sensors bezeichnet. Diese Statusinformationen werden in Bezug zu einer Gruppe von kartesischen Koordinatenachsen-Systemen zurückübermittelt, von denen jeweils eines mit jedem Sensor und dem Sender verbunden und dazu feststehend ist. Jedes Achsensystem (nachfolgend als eine Basis bezeichnet) ist im Allgemeinen nicht mit irgendeinem anderen System ausgerichtet. Wir definieren jede Basis (sagen wir die Basis S, die mit einem Sensor S verbunden ist, der einer der Sensoren 5, 7, 14 ist) durch drei Einheitsvektoren {e₁ ^S, e₂ ^S, e₃ ^S}, so dass für eine Gruppe von echten Werten {x₁ ^S, x₂ ^S, x₃ ^s} jeglicher Vektor Q in der Basis ausgedrückt werden kann als Q = x1 Se1 S + x2 Se2 S + x3 Se3 S (1).
In ähnlicher Weise definieren wir in Bezug zur Sendereinheit 19 eine "Senderbasis" unter Verwendung von Einheitsvektoren {e₁ ^T, e₂ ^T, e₃ ^T}.
Jede Basis S ist in Bezug zum entsprechenden Positionssensor stationär, bewegt sich jedoch in Bezug zur Senderbasis, während sich dieser Sender in Bezug zur Sendereinheit 19 bewegt.
Beim Erfassen des Magnetfelds 21 erzeugen die Sensoren 5, 7, 14 zwei Informationen, die gemeinsam die Sensorgeschwindigkeit definieren.

(a) Der Versatz des Ursprungs der Basis S gegenüber dem Ursprung der Senderbasis im 3D-Raum wird bezeichnet als: XST = {X1 S, X2 S, X3 S} (2) Dies definiert die translatorische Position des Sensors.
(b) Die Drehung M^ST der Sendorbasis in Bezug zur Senderbasis im 3D-Raum ist gegeben durch: eS = MST·eT (3)wobei M^ST eine 3 × 3-Matrix ist, die aus den drei Winkeln (d. h. drei Freiheitsgraden) aufgebaut ist, die benötigt werden, um eine Drehung zu beschreiben. Dies definiert die Sensorausrichtung.

Die Ausgangsgröße aller drei Sensoren ist ihr zeitabhängiger Zustand bzw. "Status". Man bemerke, dass dies nicht eigentlich der "Status" (d. h. die Position und Ausrichtung) der Zahnoberflächen oder des Endes der Zahnbürste im Mund ist, die das sind, was wir letztlich benötigen.
Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Systems weist drei Phasen auf:

(1) Eine Registrierungsphase, welche die Rohbewegungs-Verfolgungsdaten aufnimmt, die während der Registrierung erfasst werden, und die Rohdaten unter Verwendung (a) von zuvor erzeugten 3D-Polygonmodellen der oberen und unteren Zähne und der Zahnbürste, sowie (b) von Daten, aus denen die Position des Sondensensors genau registriert wird, in Positionen (einschließlich Ausrichtungen) der tatsächlichen Zähne- und Zahnbürstenoberflächen umwandelt. Man bemerke, dass diese Phase keine Verfolgungsdaten von den eigentlichen Zahnbürsten verwendet.
(2) Eine Erfassungsphase, in der Zähnebürsten durchgeführt wird und die Ausgangsgröße der Positionssensoren erfasst wird.
(3) Eine Analysephase, die Informationen aus den registrierten Daten gewinnt, welche die vom Zahnbürstenkopf in verschiedenen Bereichen des Mundes verbrachte Zeit kennzeichnet. Diese Informationen können, so wie es zweckmäßig ist, unter Verwendung von mehreren Visualisierungsarten (Balkendiagramme, Iso-Oberflächen, Raumvolumenbildaufbereitungen, Linien- und Oberflächeneinfärbung) angezeigt werden.

Während aller Phasen werden in breitem Umfang Visualisierungs- bzw. Sichtbarmachungstechniken angewandt, die 3D-Polygonmodelle der Zahnbürste und des Ober- und Unterkiefers verwenden, um den Benutzer durch den Registrierungsvorgang zu leiten, virtuelle Darstellungen der Zahnbürsten-/Kieferbewegungen zu erzeugen und die aufgezeichneten Daten visuell zu untersuchen.
Sämtliche der Komponenten sind in eine einzige Anwendung integriert, die auf dem Computer 14 läuft, mit einer Windowsbasierenden intuitiven Personenschnittstelle. Wir werden nun die Phasen nacheinander erörtern:
(1) Die Registrierungsphase
Das Ziel des Registrierungsvorgangs ist es, die räumliche Beziehung zwischen der Position und Ausrichtung von jedem Sensor und der Position und Ausrichtung der Oberflächen von Merkmalen zu bestimmen, welche sie verfolgen sollen. Man rufe sich ins Gedächtnis zurück, dass die Sensoren so starr wie möglich an etwas befestigt sind, das sich in derselben Weise bewegt, wie das Merkmal, dessen Spur sie verfolgen sollen, jedoch nicht notwendigerweise direkt an diesem Merkmal.

• Im Fall der Zahnbürste ist der Sensor 12 direkt am Ende des Zahnbürstengriffs 3 befestigt – jedoch würden wir gerne die Bewegung des Zahnbürstenkopfs verfolgen.
• Im Fall des Oberkiefers ist der Sensor 7 am Nasenrücken befestigt, der deutlich starr mit dem Oberkiefer verbunden ist – jedoch ist er nicht der Oberkiefer.
• Im Fall des Unterkiefers, wo der Sensor 5 an der Mitte des Kinns befestigt ist, gelten ähnliche Kommentare wie beim Oberkiefer, mit dem Eingeständnis, dass der Sensor hier immer weniger gut befestigt sein wird, da die Haut in diesem Bereich flexibler ist.

Was wir brauchen, ist die Position und Ausrichtung von jedem echten Punkt auf der Zahnbürste und Kieferoberfläche zu berechnen, während sie sich bewegen (anfänglich in der Senderbasis), wenn der Status der Positionssensoren in der Senderbasis gegeben ist.
Der Registrierungsvorgang, den wir vorschlagen, um dieses Problem zu lösen, befreit uns davor, die Sensoren genau an einer speziellen Stelle befestigen zu müssen, und macht es auf diese Weise praktisch, die gewünschten Messungen vorzunehmen.
Um eine Registrierung zu erzielen, verwenden wir zwei weitere Merkmale des Systems aus 1:

• Eine kalibrierte Registrierungssonde
• Realistische Computermodelle in voller Größe vom Ober- und Unterkiefer von jeder untersuchten Person, sowie von der Zahnbürste.

Die Registrierungssonde ist in 2 dargestellt und besteht aus einem vierten Positionssensor 25, der an einer dünnen Stange 27 befestigt ist, die einen mit Q bezeichneten Endpunkt aufweist. Der Sensor 25 und das Ende Q weisen einen Vektorversatz L auf. Anders als die Positionierung der anderen Sensoren 5, 7, 14 in Bezug zu den Kiefern und dem Kopf der Bürste muss die Position und Ausrichtung dieses Sensors 25 in Bezug zum Ende der Sonde Q genau konstruiert oder kalibriert werden. Es ist die einzige externe Registrierung, die von der Ausführungsform benutzt wird, so dass alle Messungen, die während des Zähnebürstereignisses vorgenommen werden, von der Genauigkeit der Sonde abhängen. Die Ausgangsgröße des Sensors 25 wird über eine Leitung 25 der Einheit 13 und dann dem Computer 14 zugeführt.
Der Versatz L wird vom Ursprung der Sondensensorbasis bis zum Ende der Sonde Q in einem Bezugssystem der Sonde gemessen, das Sondenbasis genannt wird.
Unter Verwendung von Gleichung (2) und (3) kann die Position Q^T des Sondenendpunkts Q in der Senderbasis dann geschrieben werden als QT = MPT·L + XPT (4)wobei M^PT eine Rotationsmatrix ist, welche die Ausrichtung der Sonden- und Senderbasis in Bezug zueinander kodiert. Alle Größen auf der rechten Seite werden entweder vom Bewegungssensor ausgegeben oder sind durch Konstruktion bekannt.
Das Ober- und Unterkiefermodell der untersuchten Person erhält man einige Zeit vor der Datenerfassung bzw. Datenaufnahme. Sie werden konstruiert, indem man zuerst wie bei einem normalen Dentalverfahren Abgüsse von den Zähnen jeder Person herstellt. Diese Abgüsse werden dann unter Verwendung einer Laser-Abtasttechnik abgetastet, um die Oberflächengestalt als Punktwolke in 3 Dimensionen genau zu aufzunehmen. Aus der Punktwolke wird dann ein polygonales Gitter konstruiert, und so wird ein polygonales Modell des Zahnabgusses in voller Größe erzeugt.
Der Registrierungsvorgang besteht aus zwei Schritten

• Unter Verwendung des Sondensensors bestimmen wir "Registrierungspunkte" – Punkte auf den echten interessierenden Merkmalen, deren Position und Ausrichtung genau bekannt ist, sowohl im Laborsystem und im System des am interessierenden Merkmal befestigten Sensors.
• Bestimmung der entsprechenden Punkte auf dem passenden 3D-Modell des Objekts und somit Berechnung der optimalen Transformation (Rotation und Translation), um eines in das System des anderen zu bringen.

Wir betrachten diese Schritte unten; wenn diese Registrierung abgeschlossen ist, sollte es möglich sein, die Bewegung der Zahnbürste und der Kiefer relativ und absolut (d. h. in Bezug zur Senderbasis) genau nachzuahmen.
Wir bestimmen die Registrierungspunkte, indem wir das jeweilige interessierende Merkmal mit der Sonde berühren. In Abhängigkeit von dem Registrierungsverfahren, das wir verwenden, muss entweder eine kleine Anzahl (z. B. etwa vier bis sechs) von sorgfältig ausgewählten Punkten identifiziert und mit der Sonde gewählt werden, oder man erhält eine größere Anzahl von Punkten (z. B. über 200), indem man mit der Sonde aufs Geratewohl über das Oberflächenmerkmal streicht. In jedem Fall erhält man schließlich die beste Registrierung, wenn die Registrierungspunkte so gleichförmig wie möglich über das interessierende Merkmal verstreut sind. Der Vorgang ist in 3 schematisch dargestellt, in der ein gewisses interessierendes Merkmal als Punkt N bezeichnet ist, und das Ende Q der Registrierungssonde im Kontakt mit dem Punkt N dargestellt ist.
Der in 3 als S markierte Sensor kann jeder der beiden Positionssensoren 5, 7 sein, welcher dieser zwei Sensoren in der Tat auch immer mit dem Punkt N verbunden ist (das heißt in einer festen Positionsbeziehung mit dem Punkt N steht). Da der Endpunkt Q der Sonde im Sendersystem aus (4) bekannt ist, muss auch die Position des Registrierungspunkts N zu dem Zeitpunkt, in dem sie zusammenfallen, in diesem System bekannt sein: NT = MPT·L + XPT (5)
Angenommen, wir betrachten nun den Sensor S, der in einer feststehenden Positionsbeziehung mit diesem Merkmal N befestigt ist. Unter Verwendung von (2, 3) können wir einen beliebigen Punkt mit einer im Sendersystem im System dieses Sensors gemessenen Position und Ausrichtung ausdrücken. So können wir die im Sendersystem (5) bereits bekannte Position des Registrierungspunkts im Bezugssystem des an dem Merkmal befestigten Sensors ausdrücken: XS = ΔST·[(MPT·L + XPT) – XST] (5)wobei Δ^ST·(M^ST)^–1
Dieser Ausdruck gibt die Position/Ausrichtung von einem Punkt auf dem interessierenden Merkmal in Bezug zu dem starr an diesem Merkmal befestigten Sensor im System dieses Sensors an. Diese Größe muss daher zeitunabhängig sein – unabhängig von einer Merkmalsbewegung.
Man bemerke, dass es deshalb keine Rolle spielt, falls sich das Merkmal, das gerade registriert wird, während des Registrierungsvorgangs bewegt – weil in diesem Fall die Bewegung vom Merkmalssensor verfolgt und in (6) über die Ausdrücke Δ^ST und X^ST berücksichtigt wird. Somit ist die Registrierung unempfindlich gegenüber Bewegungen der Person – ein entscheidendes Erfordernis, wenn man das Experiment so minimal invasiv wie möglich machen möchte.
Die Ausgangsgröße des Schrittes des Registrierungsvorgangs ist daher eine kleine Gruppe von Punkten auf der Oberfläche von jedem Merkmal, deren Position in Bezug zum Merkmalssensor genau bekannt ist.
Was wir wissen möchten, ist im Allgemeinen die Position von jedem Punkt auf der Oberfläche von jedem Merkmal in Bezug zum Merkmalssensor. In der Praxis ist es ausreichend, die Positionen eines Gitters von Punkten auf der Merkmalsoberfläche zu betrachten, wobei das Gitter ausreichend fein ist, so dass es bei der interessierenden Auflösung für die Gestalt des Merkmals repräsentativ ist.
Im Prinzip könnte man dieses Gitter erhalten, indem man die Sonde sehr genau über die gesamte Zähneoberfläche streicht und der oben angegebenen Vorgehensweise folgt. Jedoch wäre dies äußerst zeitaufwendig, für die Person und den Experimentator unbequem und es ist unwahrscheinlich, dass ein sehr regelmäßiges Gitter von Punkten erzeugt würde, da sehr leicht Fehler gemacht würden.
Der Ansatz, dem wir bei dieser Anwendung folgen, besteht darin, eine Gruppe von realistischen Computermodellen von jedem der Merkmale zu verwenden, die in geeigneter Weise mit dem Merkmalssensor ausgerichtet werden. Wenn wir das Merkmalsmodell auf jedes Merkmal abbilden könnten, so dass die Ausrichtung und Position des Modells in der Merkmalssensorbasis genau die gleiche wie für das Merkmal selbst ist, dann werden die Positionen der echten Merkmalsoberfläche durch die Position der Modellgitterpunkte (innerhalb der Sensorbasis) angegeben. Dies sind genau die Punkte, die wir dann benötigen.
Die Computermodelle werden erzeugt, indem die Gestalt der interessierenden Merkmale unter Verwendung einer makroskopischen Erfassungs- bzw. Aufnahmetechnik, wie einer Laserabtastung, erfasst werden. Die Zahnbürste wird direkt abgetastet. Um die Ober- und Unterkiefer genau zu erfassen, werden unter Verwendung von üblichen Dentaltechniken Gipsabgüsse hergestellt und diese Abgüsse abgetastet. Die Ausgangsgröße ist in jedem Fall eine Punktwolke – eine Masse von Punkten, deren Umhüllende die Merkmalsgestalt abbildet. Diese Punktwolke wird dann in ein Gitter überführt, um eine Gruppe von Polygonen zu erzeugen, deren Ecken wir als diejenige Gruppe von Oberflächenpunkten nehmen, die ausreicht, um die Gestalt zu umhüllen. Vergleiche zum Beispiel das Bild eines Kiefermodells unten.
Die Koordinaten, welche die Eckpunkte beschreiben, sind selbstverständlich noch auf eine andere Basis bezogen – diejenige, die beim Aufbau des Gitters verwendet wird (die Modellbasis M). Wir finden daher die Transformation T zwischen der Modellbasis des Merkmals und der Sensorbasis des Merkmals. Diese Transformation kann als [X^MF, M^MF] geschrieben werden, und ist in 4 dargestellt. Da alle Objekte als starr angesehen werden, besteht diese Transformation aus einer Gruppe von Translationen X^MF, um die Achsenursprungspunkte zur Übereinstimmung zu bringen, und dann Drehungen M^MF, um die Koordinatenachsen miteinander auszurichten.
Man betrachte die oben gefundenen registrierten Punkte N. Wenn die jeweiligen entsprechenden Punkte auf der Modellgeometrie genau gefunden werden könnten, dann könnten wir versuchen, die optimale Drehung und Translation zu finden, welche die einen in die anderen transformieren würde. Vorausgesetzt, die Registrierungspunkte sind ausreichend repräsentativ, dann sollte dies die beste Abschätzung für [X^MF, M^MF] sein. Da das Modell und die Merkmale beide starr sind, sollte eine Anwendung dieser Transformation auf jeden Punkt des Modells ihn in die geforderte Ausrichtung bringen.
Der wichtigste Punkt besteht darin, die Modellpunkte zu finden, die den bereits ermittelten Registrierungspunkten entsprechen. Dies ist ein Beispiel eines ganz allgemeinen Problems in der Roboterliteratur, das Oberflächen- oder Gestaltabgleich genannt wird.
Für dieses Problem gibt es zwei grundlegende Ansätze.

(1) Verwende die Sonde, um eine kleine Anzahl (z. B. 4 bis 6) von Registrierungspunkten an spezifischen Positionen N in feststehender Beziehung zum Sensor S zu wählen (z. B. feststehende Punkte auf den Zähnen). Wähle die entsprechenden Positionen (mit dem Auge unter Verwendung einer visuellen Anzeige des Kiefermodells und der Computermaus) auf dem Computermodell aus, womit die Entsprechungen manuell festgelegt werden. Wir werden dies den "Bekannte-Entsprechung-Ansatz" nennen.
(2) Verwende die Sonde, um eine Reihe von Punkten zu wählen, die ausreichen, um das Merkmal zu umreißen, mache jedoch keinen Versuch, die Entsprechungen wie in (1) a priori zu bestimmen. Wir werden dies den "Unbekannte-Entsprechung-Ansatz" nennen.

In jedem Fall sind die mathematischen Ansätze zur Lösung der geforderten Transformationen unter Verwendung der gegebenen Informationen in der Abhandlung "Closed-form solution of absolute orientation using unit quanternions" von Berthold K. P. Horn, J. Opt. Soc. Am. A, 4(4) April 1987 erörtert, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Wir werden die Prinzipien und die Anwendung auf diese Ausführungsform unten umreißen.
(1) Lösung für den Bekannte-Entsprechungen-Ansatz
Im Wesentlichen wollen wir die Transformation, welche die Punkte aneinander angleicht. Der erste Schritt dabei besteht darin, ein Kriterium zu finden, das eine "gute" Angleichung kennzeichnet.
Um dies zu tun, ist festzuhalten, dass wenn die Angleichung gut ist, sich das Modell und das Merkmal (richtig) überlappen werden und der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf null zugehen sollte. Je enger die Entsprechung ist, um so kleiner ist dieser Abstand, jedoch ist es unwahrscheinlich, dass er jemals null beträgt, weil Messungen immer nur mit einer gewissen Genauigkeit vorgenommen werden. Dies führt uns dazu, die Registrierung unter Verwendung eines Kriteriums des kleinsten Abstands (d_mes) zu charakterisieren, der gleich der Quadratwurzel des mittleren quadratischen Abstands zwischen den zwei Gruppen von Punkten ist. Angenommen es gibt N_r Registrierungspunkte, wobei der i-te Registrierungspunkt durch einen Vektor R^r _i und der entsprechende Modellpunkt durch R^m _i gegeben ist, dann ist d_mes gegeben durch
wobei
der Absolutwert der Differenz zwischen den eingeschlossenen Vektoren ist. Der Wert von d_mes tendiert zu null, wenn das Modell und die Wirklichkeit übereinstimmen, und in der Praxis sehen wir die Registrierung als erfolgreich an, wenn d_mes kleiner als ein ausgewählter Toleranzwert ist.
Vielleicht der einfachste Weg zur Anwendung dieses Kriteriums besteht darin, systematisch alle möglichen Kombinationen von [X^MF, M^MF] in einem gequantelten Raum zu durchsuchen, wobei jedes Mal das Abstandsmaß ausgewertet wird, und schließlich als die gewünschte Lösung diejenige Transformation zu akzeptieren, die das kleinste Abstandsmaß aufweist. M^MF ist eine 3 × 3-Matrix mit nur drei Freiheitsgraden, so dass die Suche nach dem besten M^MF nur eine Suche in einem dreidimensionalen Raum ist. Im Allgemeinen haben wir gefunden, dass es am besten ist, X^MF vor M^MF zu optimieren. Dies ist der Rohe-Gewalt-Ansatz, und selbst bei sorgfältigem Ordnen der Versuchstransformationen kann er viele Iterationsschritte dauern, und es ist nicht sicher, dass man die beste Lösung findet.
Glücklicherweise ist dieser iterative Ansatz nicht erforderlich, weil es, wie in dem oben genannten Artikel von Horn et al. beschrieben, für diese Situation eine Geschlossene-Form-Lösung gibt, die ausdrücklich die optimale Transformation angibt, welche das Abstandsmaß minimiert.
Trotz der Tatsache, dass nur die minimale Anzahl von Registrierungs-/Entsprechungspunkten verwendet wird, und trotz des offensichtlichen Fehlers, der dadurch entsteht, dass man die Punkte auf dem Modell und dem Merkmal visuell aneinander angleichen muss, können mit einiger Praxis einige gute Registrierungen erzielt werden. Dies ist in 5(a) und (b) dargestellt.
Obwohl dieses Verfahren viel schneller und bequemer als die Verwendung der Sonde zur Erfassung des gesamten Gitters ist, bleibt es ziemlich zeitaufwendig, die entsprechenden Punkte mit dem Auge zu finden. Beim normalen Vorgehen kann es die ungeübte Person und nicht der Experimentator sein, der die Entsprechung unter Verwendung der Sonde festlegen muss, was das Verfahren weiter kompliziert. Sämtliche dieser Faktoren tragen bei der Verwendung der Ausführungsform zum Gesamtfehler bei.
(2) Lösung für den Unbekannte-Entsprechungen-Ansatz
Bei dem Unbekannte-Entsprechung-Ansatz schlagen wir einen iterativen Nächstliegender-Punkt-Algorithmus vor, der aus dem oben erörterten Artikel von Horn et al. stammt. Um die bei dem Bekannte-Entsprechung-Ansatz eingeführten Fehler zu bekämpfen, kann die Geschlossene-Form-Lösung zu einer iterativen Lösung erweitert werden, die eine Suche nach den Modellpunkten, welche den Registrierungspunkten entsprechen, einschließt. Dies vermeidet die Notwendigkeit, die entsprechenden Punkte mit dem Auge auszuwählen und die damit verbundene Ungenauigkeit. Die Schritte des iterativen Verfahrens sind wie folgt:

(a) Streiche mit dem Sondensensor über die Zähne, um eine Gruppe von Registrierungspunkten (eine Anzahl N_r + 1) aufzunehmen. Es müssen ausreichend Punkte aufgenommen werden, so dass eine vernünftige Beprobung der Merkmalsgeometrie vorhanden ist, jedoch ist sicherlich kein feines Gitter von Punkten erforderlich (z. B. sind gewöhnlich 200 über die Merkmalserstreckungen verstreute Punkte ausreichend). Wir führen dann eine gewisse grundlegende Koordinatentransformation durch, so dass Modell- und Registrierungspunkte beide in ihrer Schwerpunktsdarstellung vorliegen.
(b) Verwende für jeden Registrierungspunkt (i) als die erste Schätzung des entsprechenden Modellpunkts einfach denjenigen Modellpunkt, der dem Registrierungspunkt am nächsten liegt. Der Abstand zwischen einem Registrierungspunkt i und dem Modellpunkt j ist dabei gegeben durch dij = |Rri – RMi | (8)für j = 0, 1, ... N_r + 1
(c) Wir wählen den Wert von j, der d_ij minimiert, als den Index des gewünschten Modellpunkts. Diese Schätzung wird fast mit Gewissheit nicht zu der tatsächlichen Gruppe von entsprechenden Punkten führen – sie dient nur dazu, den iterativen Prozess voranzutreiben.
(d) Berechne wie beim Bekannte-Entsprechung-Ansatz die optimale Transformation für diese Entsprechung und wende diese Transformation an den Registrierungspunkten an.
(e) Berechne das Abstandsmaß (7) nach dieser Transformation. Wenn errechnet wird, dass dieses mehr als ein gewünschter Wert beträgt oder sich seit der vorangehenden Iteration um mehr als einen gegebenen Wert verändert hat, dann führe die Schritte (b) bis (e) wieder für die neue Position der Transformationspunkte aus.
(f) Wenn das Abstandsmaß zufriedenstellend ist, dann ist die akkumulierte Transformation die gewünschte Transformation.

Vorausgesetzt die ausgewählten Registrierungspunkte sind ein vernünftiges Maß der Gestalt, die angeglichen werden soll, dann kann dies eine erfolgreiche Strategie sein, wobei die Gestalt in einer kleinen Anzahl von Iterationen angeglichen wird. Ergebnisse davon sind in 6 dargestellt.
Man bemerke, dass bei der bevorzugten Ausführungsform eine Bedienungsperson des Systems imstande ist, auszuwählen, welcher von dem Bekannte-Entsprechung-Ansatz und dem Unbekannte-Entsprechung-Ansatz verwendet wird. Die Ausgangsgröße des Registrierungsvorgangs ist eine Gruppe von Modellen, die genau mit den Merkmalssensoren ausgerichtet sind, so dass die Bewegungen und Oberflächenpositionen der echten Merkmale nachgeahmt werden.
Man bemerke, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen Registrierungsvorgang beschränkt ist, wie oben beschrieben. Tatsächlich können beide der beschriebenen Verfahren durch Techniken, wie Vorverarbeitung, innerhalb des Umfangs der Erfindung verbessert werden, wie für den Fachmann ersichtlich wird, um sie unempfindlicher oder schneller zu machen. Insbesondere für den Unbekannte-Entsprechungen-Fall haben wir gefunden, dass eine Feinjustierung der Ausgangsbedingungen dazu beiträgt, sicherzustellen, dass die iterativen Prozesse tatsächlich zum echten globalen Minimum konvergieren.
Eine alternative Technik innerhalb des Umfangs der Erfindung besteht außerdem darin, die geometrische Darstellung der Zähne der echten Person durch eine Geometrie einer gattungsgemäßen Gruppe von Zähnen zu ersetzen, welche wir unter Verwendung der Sondensensordaten verformen, bis sie "passen". Dies ermöglicht es uns, für viele Anwendungen die Aufnahme von individuellen Zahngeometrien wegzulassen, was der zeitaufwendigste und teuerste Teil des oben beschriebenen Verfahrens ist.
Die obige Beschreibung zeigt, wie die Sonde benutzt werden kann, um die Beziehung der Zähne und Positionssensoren in Bezug zu einem beliebigen gegebenen System, z. B. dem Sendersystem, zu erhalten. Ein ähnliches Verfahren wird durchgeführt, um die Position der Zahnbürste in diesem System festzustellen. Um Eingabedaten zu erhalten, die dem abgetasteten Zähnemodell entsprechen, kann die Zahnbürste in einer ähnlichen Weise abgetastet werden, oder alternativ kann man das 3D-Modell aus CAD-Daten erhalten. Die Position und Ausrichtung des auf der Zahnbürste 3 angebrachten Positionssensors 12 kann dann in der Sondenbasis gefunden werden, indem man die Spitze Q mit der den Positionssensor 12 tragenden Zahnbürste in Berührung bringt, wenn sich die beiden in einer bekannten Ausrichtung in Bezug zueinander befinden. Danach reichen die Ausgangsgröße des Positionssensors 12 und des Sensors 25 aus, um die Bewegungen der Zahnbürste (zum Beispiel des Kopfs der Zahnbürste) im Sendersystem zu verfolgen, durch eine Transformation ähnlich derjenigen, die oben in Bezug auf 2 beschrieben worden ist.
2. Die Erfassungsphase
In dieser Phase wird der Akt des Zähnebürstens (das "Zähnebürstereignis") erfasst. Die Person wird ermuntert, ihre Zähne in einer so natürlichen Weise wie möglich zu bürsten, sie muss ihren Kopf nicht stillhalten. Die Auflösung der Erfassung wird durch die Ausgabegeschwindigkeit der Positionssensoren gesteuert. Während dieses Vorgangs müssen sämtliche der im Gebrauch befindlichen Positionssensoren in Bezug zu den Objekten, die sie verfolgen, in derselben Position bleiben, und dies muss dieselbe Position sein, die bei der Berechnung der Registrierung verwendet wird.
Wenn die Grafikleistung des steuernden Computers ausreichend ist, dann kann es möglich sein, das Zähnebürstereignis, entweder für den Beobachter oder die Person, sichtbar zu machen und zu analysieren, während es stattfindet. Dies würde eine Reihe von Veränderungen an der grundlegenden Ereigniserfassung ermöglichen, zum Beispiel wäre es möglich, die Person visuell anzuleiten, einen Teil ihrer Zähne zu bürsten, der bis dahin beim Bürstvorgang nicht gut besucht wurde.
Sämtliche der Positionssensordaten (zusammen mit sämtlichen der Registrierungsdaten) werden für eine anschließende Auswertung und Analyse auf einem Datenträger gespeichert.
3. Die Analysephase
Die Bewegungsdaten werden benutzt, um eine Berechnung der vom Zahnbürstenkopf in verschiedenen Bereichen der Mundhöhle verbrachten Zeit vorzunehmen. Um dies zu tun

(a) wird unter Verwendung der während der Registrierungsphase gefundenen Parameter die gesamte Zahnbürstenbewegungsabfolge (für einen repräsentativen Punkt auf dem Zahnbürstenkopf) getrennt und unabhängig auf die Basis des Oberkiefers und des Unterkiefers transformiert.
(b) Für jeden Punkt in der Bewegungsabfolge wird der zur Bürstseite des Zahnbürstenkopfs nächstliegende Ober- und Unterkieferpunkt separat bestimmt. Ein Vergleich zwischen diesen beiden Gruppen von Abständen wird vorgenommen und verwendet, um festzustellen, zu welchem Kiefer hin die Zahnbürste bei jedem aufgezeichneten Zeitschritt gerichtet ist.
(c) Die Daten für jeden Kiefer werden nun getrennt behandelt. Eine geometrische Schablone, die zuvor unter Verwendung einer gewissen anderen Software erzeugt und getrennt aus einer Datei geladen worden ist, wird benutzt, um den "Raum" des Kiefers in Bereiche zu unterteilen. Das Bewegungssignal wird dann durch den Kieferraum verfolgt und für jeden Schritt der Bereich, zu dem es gehört, aufgezeichnet, und der von diesem Schritt eingenommene Zeitanteil akkumuliert, wobei man Sorgfalt walten lässt, um mit der Situation, wo der Bewegungsschritt eine Bereichsgrenze überquert, richtig umzugehen. Die Schablone kann zwei- oder dreidimensional sein; für die meisten Anwendungen wird im Allgemeinen mittels einer zweidimensionalen Schablone eine ausreichende Genauigkeit erzielt. Der Punkt auf der Zahnbürste, der gewählt worden ist, um die Zahnbürstenbewegung darzustellen, wird durch die Art des Zähnebürstexperiments bestimmt. Jeder im Polygonmodell der Zahnbürste dargestellte Punkt ist verfügbar und kann auf diese Weise analysiert werden.

Die Ausgangsgröße ist die in jedem Bereich verbrachte Zeit, wie in 7 dargestellt.
Dies wird getrennt für jeden Kiefer durchgeführt, wobei in jedem Fall nur der passende Teil des Bewegungssignals verwendet wird.
Die geometrische Schablone kann:

• unter Verwendung von bereits in die Ausführungsform geladenen Daten über die individuellen Zahngeometrien und Kieferausdehnungen automatisch aufgebaut werden,
• unter Verwendung von irgendeiner anderen Software erzeugt und separat geladen, oder
• unter Verwendung der Maus interaktiv gezeichnet werden.
(c) Diese Daten werden dann als Balkendiagramm dargestellt, das für jede Person den Prozentsatz der in jedem Bereich verbrachten Gesamtzeit und die in jedem Bereich verbrachte Absolutzeit zeigt.
(d) Die Analyseausgangsgrößen werden dann in einer Datei gespeichert, die mit den entsprechenden Erfassungs- und Registrierungsdaten verknüpft ist. Die Daten liegen vorzugsweise in einem Format vor, das es erlauben würde, sie mit einer konventionellen Dentalakte für die Person zu kombinieren.

Ein bevorzugtes Merkmal der Analysephase besteht darin, dass sie eine Berechnung und Visualisierung der Ausrichtung des Zahnbürstenkopfs (z. B. durch Anzeige der ungebogenen Borstenlängsrichtung) für jeden Punkt in der Zahnbürstenbewegungserfassung einschließt.
Ein wichtiges Merkmal der Ausführungsform ist die Verwendung von Visualisierungskomponenten, um den Benutzer durch den Versuchsablauf zu leiten und die resultierenden Daten zu untersuchen. Um von den Daten aus dem auf der Zahnbürste angebrachten Positionssensor Gebrauch zu machen, ist es wichtig, imstande zu sein, sichtbar zu machen, was bei allen Stadien des Vorgangs abläuft, da wir darauf abzielen, die Bewegung der Zahnbürste in Bezug zum Kiefer und den Zahnoberflächen innerhalb der Mundhöhle zu verstehen. Daher ist es wichtig, in der Lage zu sein, Daten im Zusammenhang zu sehen und mit ihnen in Interaktion zu treten. Dementsprechend schlägt die Erfindung neuartige Visualisierungstechniken vor, die zu den folgenden Zeiten angewandt werden:

• Während der Registrierung: Um eine visuelle Überprüfung der Genauigkeit des Registrierungsvorgangs zu erhalten, um den Vorgang der Auswahl von entsprechenden Punkten zu unterstützen, und um das Stadium nachzuvollziehen, in dem sich der Prozess gerade befindet.
• Während der Bewegungserfassung: Wahlweise kann eine Visualisierung des Zähnebürstvorgangs erzeugt werden, indem man die 3D-Modelle mit den Bewegungsverfolgungsdaten animiert, während sie aufgenommen werden. Das Erfordernis, etwas Computerzeit damit zu verbringen, die visuelle Anzeige zu aktualisieren, hat insofern einen Nachteil, als sie die maximal mögliche Erfassungsgeschwindigkeit etwas verringert. Visualisierungen wie diese könnten verwendet werden, um den Zahnbürstvorgang zu untersagen, zum Beispiel könnte ein bestimmter Zahn anders als der Rest eingefärbt und der Person die Anweisung gegeben werden, "die Farbe wegzubürsten".
• Visualisierungen nach der Verarbeitung: Die Bewegungsverfolgungsdaten werden auf einem Datenträger gespeichert und können zusammen mit dem Merkmalsmodellen verwendet werden, um Offline-Bewegungsbilder bzw. Animationen des Zähnebürstereignisses zu erzeugen. Animationen können in der Senderbasis oder in einer beliebigen der Positionssensorbasen erzeugt werden. Zum Beispiel ist es nützlich (und für die nachfolgende Analyse wesentlich), dass man imstande ist, die Daten in jeder Kiefersensorbasis sichtbar zu machen – dies ist die Basis, in welcher der Kiefer stationär ist, was es einfach macht, den kleinsten Abstand von einem beliebigen gegebenen Punkt auf der Zahnbürste vom Kiefer zu berechnen. In der Analysekomponente werden mehrere Visualisierungen verwendet (in der Basis, in welcher der Kiefer stationär ist), um zu veranschaulichen, zu welchen Bereichen verschiedene Teile der Zahnbürstenbewegungen gehören, wie weit jeder Teil des Kiefers von der Zahnbürste entfernt ist, usw..

Um diese Visualisierungen durchzuführen, machen wir Gebrauch von World Toolkit, einer Echtzeit-/Realitätssimulations-Softwarebibliothek (kommerziell). Diese weist die für die interaktive Visualisierung erforderliche Leistungsfähigkeit auf, zusammen mit eingebauten Komponenten, welche die Bewegungssensoren automatisch aufrufen bzw. abfragen.
Obwohl eine ausreichende Visualisierung unter Verwendung einer konventionellen zweidimensionalen Bildschirmanzeige erzielt werden kann, wie oben beschrieben, kann eine verbesserte Visualisierung erzielt werden werden, indem man von Realitätssimulations-Verfahren (VR) Gebrauch macht. Speziell gestatten uns derartige Verfahren:

(1) Sehr viel realistischere visuelle Darstellungen (z. B. Stereoansicht, Eintauchdarstellungen usw.) zu erzeugen. Dies gibt der Person eine viel bessere Vorstellung von den betroffenen räumlichen Beziehungen.
(2) Die Leistungsfähigkeit interaktiver Grafik zu nutzen, um neuartige Arten von Zähnebürstexperimenten zu schaffen, die mit traditionellen Szenarien nicht möglich sind.

Das Folgende ist eine kurze Beschreibung, wie die Ausführungsform in einem echten Dentalversuch benutzt wird, um zum Beispiel festzustellen, ob eine bestimmte Zahnbürste beim Erreichen verschiedener Teile des Mundes wirkungsvoller ist.

(1) Eine gewisse Zeit vor dem Versuch werden Computermodelle vom Ober- und Unterkiefer jeder Person erzeugt und die Zahnbürste besorgt, die verwendet werden soll, und Einverständnis über die statistische Auslegung des Versuchs erzielt. Jegliche für den Versuch benötigte rechtliche Dokumentation wird fertiggestellt.
(2) Wenn die Reihe an eine gegebene Person kommt:
(a) werden die Sensoren an den vorgesehenen Stellen am Ober- und Unterkiefer und am Ende der Zahnbürste dieser Person (an dem vom Bürstenkopf am weitesten entfernten Ende) befestigt.
(b) Das Registrierungsverfahren wird benutzt, um Geometrien mit Positionssensoren zur Ausrichtung zu bringen, wobei der Sondensensor verwendet wird. Für jede Person muss derjenige Teil des Sondensensors, der in den Mund eintritt, entweder sterilisiert oder die Sonde in einer solchen Weise hergestellt werden, dass dieser Teil für jede Person austauschbar ist.
(c) Die Person wird dann gebeten, ihre Zähne in der normalen Weise zu bürsten, je nach Situation kann der Person die Echtzeitrückmeldung ihres Zähnebürstens gezeigt werden, oder nicht. Alle erfassten Daten werden auf einem Datenträger gespeichert.
(d) Am Ende des Zahnbürstereignisses werden die Sensoren abgenommen und die Person entfernt sich.
(e) Dieser Vorgang wird für jede Person wiederholt.
(f) Alle Daten werden dann zusammengebracht und die Analyse vorgenommen, sowie falls erforderlich jegliche der anderen Visualisierungen nach der Aufnahme.

Obwohl die Erfindung oben in Bezug auf eine einzige Ausführungsform beschrieben worden ist, sind innerhalb des Umfangs der Erfindung viele Veränderungen möglich, wie für einen Fachmann ersichtlich wird. Zum Beispiel kann die Erfindung sowohl bei einer Zahnbürste, die eine Handzahnbürste ist, und bei einer Zahnbürste, die eine elektrische Zahnbürste ist, angewandt werden.
Es ist sogar möglich, die vorliegende Erfindung in anderen Zusammenhängen als der Verfolgung einer Zahnbürste zu verwenden, um die Position eines beliebigen Ausstattungsgegenstands in Bezug zum menschlichen Körper zu überwachen. Zum Beispiel könnte die Erfindung angewandt werden, um einen elektrischen Rasierapparat in Bezug zur Haut einer Person, die sich rasiert, zu verfolgen.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Position einer Zahnbürste in Bezug zu Zähnen einer Person, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Zahnbürste mit einem ersten Positionssensor, wobei der erste Positionssensor zumindest für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; Bereitstellen eines zweiten Positionssensors in einer feststehenden Positionsbeziehung zu den Zähnen, wobei der zweite Positionssensor für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; Übertragen der Ausgangsgröße des ersten Positionssensors und des zweiten Positionssensors zu einer Verarbeitungsvorrichtung; und wobei die Verarbeitungsvorrichtung die zwei Sensorausgangsgrößen vergleicht, um die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen über einen Zeitraum hinweg zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei zweite Positionssensoren vorgesehen sind, jeder in einer feststehenden Beziehung zu den Zähnen von einem jeweiligen Kiefer der Person.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, einschließend einen weiteren Schritt eines Anordnens eines dritten Positionssensors der Reihe nach in einer bekannten Positionsbeziehung zum zweiten Positionssensor und mindestens vier Stellen auf oder in feststehender Beziehung zu den Zähnen, wobei das Verfahren ein Vergleichen der Stellen mit den entsprechenden Positionen eines Computermodells einschließt, um eine Transformation zwischen einem Bezugssystem des Computermodells und dem Bezugssystem des zweiten Positionssensors abzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Entsprechung zwischen den Stellen und jeweiligen Stellen im Computermodell bekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter einschließend ein Ableiten der Entsprechung zwischen den Stellen und jeweiligen Stellen im Computermodell.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, weiter einschließend ein visuelles Anzeigen der Position der Zahnbürste in Bezug zur Mundgeometrie der Person.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Position der Zahnbürste in Bezug zur Mundgeometrie während eines Bürstvorgangs in Echtzeit angezeigt wird.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, einschließend ein visuelles Anzeigen einer Aufzeichnung der früheren Bahnbewegung der Zahnbürste in Bezug zur Mundgeometrie des Benutzers für die Person während des Bürstvorgangs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem man die Mundgeometrie der Person durch rechnerische Verformung eines generischen Computermodells einer Mundgeometrie entsprechend gemessenen Abstandsparametern des Mundes der Person erhält.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, weiter einschließend ein statistisches Analysieren der überwachten Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen, um den Zahnbürstengebrauch zu untersuchen.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die Zahnbürste weiter mindestens einen physikalischen Sensor umfasst, wie einen Drucksensor und/oder einen pH-Sensor.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die Zahnbürste drahtlose Datenübertragungseinrichtungen einschließt und die Verarbeitungsvorrichtung entsprechende Datenempfangseinrichtungen einschließt.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem mindestens einer der Positionssensoren eine Vorrichtung mit eigener Energieversorgung ist.
Verfahren zum Trainieren einer Person, um ihren Zahnbürstengebrauch zu verbessern, umfassend ein Überwachen ihres Zahnbürstengebrauchs durch ein Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, ein Erkennen von potentiellen Gebrauchsverbesserungen und ein Anzeigen dieser Verbesserungen für die Person.
System zur Überwachung der Position einer Zahnbürste in Bezug zu Zähnen einer Person, wobei das System umfasst: eine Zahnbürste mit einem ersten Positionssensor, wobei der erste Positionssensor zumindest für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; einen zweiten Positionssensor zur Befestigung in einer feststehenden Positionsbeziehung zu den Zähnen, wobei der zweite Positionssensor für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die angeordnet ist, um die Ausgangsgröße des ersten Positionssensors und des zweiten Positionssensors zu empfangen und um die zwei Sensorausgangsgrößen zu vergleichen, um die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen über einen Zeitraum hinweg zu überwachen.
Computerprogramm-Produkt, das von einer Computerverarbeitungsvorrichtung lesbar ist: um es der Computerverarbeitungsvorrichtung zu ermöglichen: erste Daten zu empfangen, welche die Ausgangsgröße eines auf einer Zahnbürste angeordneten ersten Positionssensors darstellen, wobei der erste Positionssensor zumindest für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; und zweite Daten zu empfangen, welche die Ausgangsgröße eines in feststehender Positionsbeziehung zu den Zähnen einer Person befestigten zweiten Positionssensors darstellen, wobei der zweite Positionssensor für Veränderungen der Position und Ausrichtung empfindlich ist; und zu bewirken, dass die Computerverarbeitungsvorrichtung die zwei Sensorausgangsgrößen vergleicht, um die Position der Zahnbürste in Bezug zu den Zähnen über einen Zeitraum hinweg zu überwachen.