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Verfahren und system für auf inkrementale weise bewegende zähne

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DE69818045T2
DE69818045T2 DE1998618045 DE69818045T DE69818045T2 DE 69818045 T2 DE69818045 T2 DE 69818045T2 DE 1998618045 DE1998618045 DE 1998618045 DE 69818045 T DE69818045 T DE 69818045T DE 69818045 T2 DE69818045 T2 DE 69818045T2
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DE
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Muhammad Chishti
Brian Freyburger
Apostolos Lerios
Richard Ridgley
Kelsey Wirth
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Align Technology Inc
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    • A61C7/08Mouthpiece-type retainers or positioners, e.g. for both the lower and upper arch
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    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • A61C13/0003Making bridge-work, inlays, implants or the like
    • A61C13/0004Computer-assisted sizing or machining of dental prostheses
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    • A61C7/002Orthodontic computer assisted systems
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    • A61C9/004Means or methods for taking digitized impressions
    • A61C9/0046Data acquisition means or methods
    • A61C9/008Mechanical means or methods, e.g. a contact probe moving over the teeth

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf das Gebiet der Kieferorthopädie bezogen. Genauer gesagt, ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und System für die inkrementale bzw. schrittweise Bewegung der Zähne aus einer anfänglichen Zahnanordnung in eine schließliche Zahnanordnung bezogen.
  • [0002]
    Das neu Positionieren der Zähne aus ästhetischen und anderen Gründen wird herkömmlich durch das Tragen einer üblicherweise so bezeichneten "Zahnspange" erreicht. Zahnspangen weisen eine Vielfalt von Vorrichtungen, derart wie Halter, Bogendrähte, Ligaturen und O-Ringe auf. Das Anbringen der Vorrichtungen an die Zähne eines Patienten ist ein langwieriges und zeitaufwändiges Unternehmen, das viele Termine bei dem behandelnden Kieferorthopäden erfordert. Folglich beschränken herkömmliche Kieferorthopädie-Behandlungen die Patienten-Kapazität eines Kieferorthopäden und machen kieferorthopädische Behandlung ziemlich kostspielig.
  • [0003]
    Vor dem Befestigen der Zahnspange an den Zähnen eines Patienten wird zumindest ein Termin üblicherweise bei dem Kieferorthopäden, Zahnarzt und/oder Röntgenlabor vorgesehen, so dass Durchleuchten und fotografische Aufnahmen der Zähne und der Kieferanordnung des Patienten vorgenommen werden können. Ebenfalls während dieses vorbereitenden Termins oder möglicherweise bei einem späteren Termin wird üblicherweise ein Alginat-Abdruck der Zähne des Patienten angefertigt. Dieser Abdruck sieht ein Modell der Zähne des Patienten vor, das der Kieferorthopäde in Verbindung mit den Durchleuchtungen und fotografischen Aufnahmen verwendet, um einen Behandlungsplan zu formulieren. Der Kieferorthopäde kann dann üblicherweise einen oder mehrere Termine vorsehen, während welchen die Zahnspange an die Zähne des Patienten angebracht wird.
  • [0004]
    Bei dem Termin, während dem die Zahnspange zuerst angebracht wird, werden die Zahnoberflächen anfänglich mit einer schwachen Säure behandelt. Die Säure optimiert die Hafteigenschaften der Oberflächen der Zähne für Halter und Bänder, die mit diesen verbunden werden müssen. Die Halter und Bänder dienen als Anker für andere Vorrichtungen, die später hinzugefügt werden müssen. Nach dem Säureschritt werden die Halter und Bänder an den Zähnen des Patienten zementiert, wobei ein geeignetes Bindungsmaterial verwendet wird. Es werden kann Kraft bewirkende Vorrichtungen hinzugefügt, bis der Zement angeordnet ist. Aus diesem Grund ist es für den Kieferorthopäden üblich, einen späteren Termin vorzusehen, um sicherzustellen, dass die Halter und Bänder gut mit den Zähnen verbunden sind.
  • [0005]
    Die die Hauptkraft bewirkende Vorrichtung bei einer herkömmlichen Zahnspangenanordnung ist der Bogendraht. Der Bogendraht ist flexibel und wird mittels Schlitzen in den Haltern an den Haltern angebracht. Der Bogendraht verbindet die Halter miteinander und übt Kräfte auf diese aus, um die Zähne im Laufe der Zeit zu bewegen. Gewundene Drähte oder elasthomerische O-Ringe werden üblicherweise verwendet, um die Anbringung des Bogendrahtes an die Halter zu verstärken. Die Anbringung des Bogendrahtes an die Halter ist im Stand der Technik der Kieferorthopädie als "Ligatur" bekannt und Drähte, die bei diesem Verfahren verwendet werden, werden "Ligaturen" genannt. Die elastomerischen O-Ringe werden "Plastiken" bzw. „Kunststoffe" genannt.
  • [0006]
    Nachdem der Bogendraht an der Verwendungsstelle ist, werden periodische Termine mit dem Kieferorthopäden erforderlich, während denen die Zahnspange des Patienten durch das Installieren eines unterschiedlichen Bogendrahtes, der unterschiedliche Kraft bewirkende Eigenschaften hat, oder durch Ersetzen oder Befestigen der bestehenden Ligaturen eingestellt wird. Üblicherweise werden diese Termine alle drei oder sechs Wochen vorgesehen.
  • [0007]
    Wie das Vorstehende veranschaulicht, ist der Gebrauch herkömmlicher Zahnspangen ein langwieriges und zeitaufwändiges Verfahren und erfordert viele Besuche in der Praxis des Kieferorthopäden. Außerdem ist aus der Sichtweise des Patienten der Gebrauch der Zahnspange unansehnlich, unbequem, verkörpert ein Risiko der Infektion und macht Bürsten, Zahnseidenbehandlung und andere Zahnhygieneverfahren schwierig.
  • [0008]
    Aus diesen Gründen würde es wünschenswert sein, alternative Verfahren und Systeme zum Repositionieren der Zähne vorzusehen. Derartige Verfahren und Systeme sollten wirtschaftlich sein und sollten insbesondere den Zeitumfang verringern, der bei den Kieferorthopäden beim Planen und Betreuen jedes einzelnen Patienten erforderlich ist. Die Verfahren und Systeme sollten ebenfalls akzeptabler für den Patienten sein, insbesondere weniger sichtbar, weniger unbequem, weniger zu Infektionen geneigt, und mehr mit der täglichen Zahnhygiene vereinbar sein. Wenigstens einige dieser Aufgaben werden durch die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung bewältigt werden, die nachstehend beschrieben wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • [0009]
    Zahnpositioniereinrichtung zum zu Ende führen kieferorthopädischer Behandlung ist von Kesling in der amerikanischen Zeitschrift für Kieferorthopädie, Gesichts- und Kieferchirurgie (Am. J. Orthod. Oral. Surg.), 31: 297–304 (1945), und 32: 285–293 (1946), beschrieben. Der Gebrauch von Silikon-Positioniereinrichtungen für die umfassende kieferorthopädische Neuausrichtung der Zähne eines Patienten ist durch Warunek u. a. (1989) der Zeitschrift für klinische Kieferorthopädie (J. Clin. Orthod.), 23: 694–700, beschrieben. Durchsichtige Kunststoffhalteeinrichtungen zum Fertig stellen und Beibehalten der Zahnpositionen sind handelsüblich von Raintree Essix, Inc., New Orleans, Louisiana 70125, und Tru-Tain Plastics, Rochester, Minnesota 55902, erhältlich. Die Herstellung kieferorthopädischer Positioniereinrichtungen ist in den US-Patenten Nrn. 5,186,623; 5,059,118; 5,055,039; 5,035,613; 4,856,991; 4,798,534; und 4,755,139 beschrieben.
  • [0010]
    Andere Veröffentlichungen, die die Herstellung und den Gebrauch von Zahnpositioniereinrichtungen beschreiben, sind bei Kleemann und Janssen (1996), J. Clin. Orthodon., 30: 673–680; Cureton (1996) J. Clin. Orthodon., 30: 390–395; Chiappone (1980), J. Clin. Orthodon., 14: 121–133; Shilliday (1971), Am. J. Orthodontics, 59: 596–599; Wells (1970), Am. J. Orthodontics, 58: 351–366; und Cottingham (1969), Am. J. Orthodontics, 55: 23–31 enthalten.
  • [0011]
    Kuroda u. a. (1996), Am. J. Orthodontics, 110: 365–369, beschreibt ein Verfahren zum Laser-Scannen bzw. Laser-Abtasten eines Gips-Zahnabgusses, um ein digitales Bild des Abgusses zu erzeugen. Siehe ebenfalls US-Patent Nr. 5,605,459.
  • [0012]
    US-Patente Nrn. 5,533,895; 5,474,448; 5,454,717; 5,447,432; 5,431,562; 5,395,238; 5,368,478; und 5,139,419, die an Ormco Corporation abgetreten sind, beschreiben Verfahren zum Manipulieren digitaler Bilder von Zähnen zum Gestalten kieferorthopädischer Vorrichtungen.
  • [0013]
    US-Patent Nr. 5,011,405 beschreibt ein Verfahren für die digitale Bildaufbereitung eines Zahnes und das Bestimmen der optimalen Halterpositionierung für kieferorthopädische Behandlung. Laser-Scannen bzw. Laser-Abtasten eines modellierten Zahnes, um ein dreidimensionales Modell zu erzeugen, ist in US-Patent Nr. 5,338,198 beschrieben. US-Patent Nr. 5,452,219 beschreibt ein Verfahren zum Laser-Scannen eines Zahnmodells und Bearbeiten eines Zahnabdruckes bzw. einer Zahnform. Digitale Computermanipulation von Zahnkonturen ist in den US-Patenten Nrn. 5,607,305 und 5,587,912 beschrieben. Rechnergestützte digitale Bildaufbereitung des Kiefers ist in den US-Patenten Nrn. 5,342,202 und 5,340,309 beschrieben. Andere Patente von Interesse beinhalten die US-Patente Nrn. 5,549,476; 5,382,164; 5,273,429; 4,936,862; 3,860,803; 3,660,900; 5,645,421; 5,055,039; 4,798,534; 4,856,991; 5,035,613; 5,059,118; 5,186,623; und 4,755,139.
  • [0014]
    Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
  • [0015]
    Offenbart sind verbesserte Verfahren und Systeme zum Repositionieren der Zähne von einer anfänglichen Zahnanordnung zu einer schließlichen Zahnanordnung. Das Repositionieren wird mit einem System erreicht, das eine Serie bzw. Reihe von Vorrichtungen aufweist, die aufgebaut sind, um die Zähne in einer Kavität aufzunehmen und individuelle Zähne inkremental bzw. schrittweise in einer Serie von wenigstens drei aufeinander folgenden Schritten zu repositionieren, wobei diese üblicherweise wenigstens vier aufeinander folgende Schritte enthält, oft wenigstens zehn Schritte enthält, manchmal wenigstens fünfundzwanzig Schritte enthält und gelegentlich vierzig oder mehr Schritte enthält. Am meisten werden die Verfahren und Systeme, die Zähne von zehn bis fünfundzwanzig nachfolgenden Schritten repositionieren, obwohl komplexe Fälle, die viele der Zähne des Patienten einbeziehen, vierzig oder mehr Schritte erfordern können. Die aufeinander folgende Anwendung einer Anzahl derartiger Vorrichtungen ermöglicht jeder Vorrichtung, so aufgebaut zu sein, um individuelle Zähne in kleinen Inkrementen bzw. Schritten zu bewegen, und zwar typischerweise weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, und bevorzugter weniger als 0,5 mm. Diese Beschränkungen beziehen sich auf die maximale lineare Translation bzw. Schiebung irgendeines Punktes an einem Zahn als ein Ergebnis des Verwendens einer einzelnen Vorrichtung. Die Bewegungen, die durch die aufeinander folgenden Vorrichtungen vorgesehen werden, werden natürlich gewöhnlich nicht dieselben für irgendeinen speziellen Zahn sein. Folglich kann ein Punkt an einem Zahn mit einem speziellen Abstand als ein Ergebnis der Verwendung einer Vorrichtung bewegt werden, und danach mit einem unterschiedlichen Abstand und/oder in eine unterschiedliche Richtung durch eine spätere Vorrichtung bewegt werden.
  • [0016]
    Die individuellen Vorrichtungen werden bevorzugt eine polymere Schale aufweisen, welche die zahnaufnehmende Kavität hat, die darin ausgebildet ist, und zwar üblicherweise durch das Formen, wie dies nachstehend beschrieben wird. Jede individuelle Vorrichtung wird so aufgebaut sein, dass ihre zahnaufnehmende Kavität eine Geometrie entsprechend einer Zwischen- oder Endzahnanordnung hat, die für diese Vorrichtung beabsichtigt ist. Das heißt, wenn eine Vorrichtung zum ersten Mal von dem Patienten getragen wird, werden bestimmte der Zähne relativ zu einer unverformten Geometrie der Vorrichtungskavität fehlausgerichtet sein. Die Vorrichtung ist jedoch ausreichend flexibel, um die fehlausgerichteten Zähne aufzunehmen oder sich an diese anzupassen, und wird ausreichende Elastizitätskraft gegen derart fehlausgerichtete Zähne aufbringen, um die Zähne in die Zwischen- oder Endanordnung zu repositionieren, wie dies für diesen Behandlungsschritt gewünscht wird.
  • [0017]
    Das offenbarte System enthält wenigstens eine erste Vorrichtung, die eine Geometrie hat, die ausgewählt ist, um die Zähne eines Patienten von der anfänglichen Zahnanordnung zu einer ersten Zwischenanordnung zu repositionieren, wo individuelle Zähne inkremental bzw. schrittweise repositioniert werden. Das System wird ferner wenigstens eine Zwischenvorrichtung aufweisen, die eine wahlweise Geometrie hat, um die Zähne von der ersten Zwischenanordnung zu einer oder mehreren aufeinander folgenden Zwischenanordnungen voranschreitend zu repositionieren. Das System wird ferner noch eine schließliche Vorrichtung aufweisen, die eine Geometrie hat, die ausgewählt ist, um Zähne von der letzten Zwischenanordnung zu der gewünschten schließlichen Zahnanordnung voranschreitend zu repositionieren. In einigen Fällen wird es wünschenswert sein, die schließliche Vorrichtung oder verschiedene Vorrichtungen auszubilden, um die schließliche Zahnposition "überzukorrigieren", wie dies nachstehend ausführlicher erörtert wird.
  • [0018]
    Wie dies nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können die Systeme am Beginn der Behandlung geplant und alle individuellen Vorrichtungen hergestellt werden, und die Vorrichtungen können folglich dem Patienten als eine einzige Packung oder System zur Verfügung gestellt werden. Die Reihenfolge, in der die Vorrichtungen zu verwenden sind, wird genau bezeichnet (z. B. durch aufeinander folgende Nummerierung), so dass der Patient oder die Patientin die Vorrichtungen über seine oder ihre Zähne in einer Häufigkeit positionieren kann, die durch den Kieferorthopäden oder anderen Behandlungsfachmann vorgeschrieben wird. Im Gegensatz zu Zahnspangen braucht der Patient nicht jedes Mal den Behandlungsfachmann aufzusuchen, wenn eine Einstellung bei der Behandlung vorgenommen wird. Während die Patienten üblicherweise ihre Behandlungsfachleute periodisch aufsuchen wollen, um sicherzustellen, dass die Behandlung gemäß dem ursprünglichen Plan verläuft, wird die Notwendigkeit beseitigt, den Behandlungsfachmann jedes Mal aufzusuchen, wenn eine Einstellung vorgenommen werden muss, was ermöglicht, die Behandlung in viel mehr, aber kleineren aufeinander folgenden Schritten auszuführen, während dennoch die Zeit verringert wird, die durch den Behandlungsfachmann mit dem individuellen Patienten verbracht wird. Außerdem verbessert die Möglichkeit, polymere Schalenvorrichtungen zu verwenden, welche bequemer, weniger sichtbar und durch den Patienten entfernbar sind, außerordentlich die Willigkeit, das Wohlergehen und die Zufriedenheit des Patienten.
  • [0019]
    Gemäß einem offenbarten Verfahren werden die Zähne eines Patienten durch Anordnen einer Serie bzw. Reihe inkrementaler bzw. schrittweiser Positionseinstellungsvorrichtungen in dem Mund des Patienten von einer anfänglichen Zahnanordnung zu einer schließlichen Zahnanordnung repositioniert. Zweckmäßigerweise werden die Vorrichtungen nicht befestigt und der Patient kann die Vorrichtungen zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens einsetzen und ersetzen bzw. wieder einsetzen. Die erste Vorrichtung der Serie bzw. Reihe wird eine Geometrie haben, die für das Repositionieren der Zähne von der anfänglichen Zahnanordnung zu einer ersten Zwischenanordnung ausgewählt ist. Nachdem die erste Zwischenanordnung bevorsteht oder erreicht ist, werden eine oder mehrere zusätzliche (Zwischen-)Vorrichtungen aufeinander folgend an den Zähnen eingesetzt, wo derartige zusätzliche Vorrichtungen Geometrien haben, die ausgewählt sind, um Zähne von der ersten Zwischenanordnung durch aufeinander folgende Zwischenanordnungen) voranschreitend repositionieren. Die Behandlung wird durch Anordnen bzw. Einsetzen einer schließlichen Vorrichtung in den Mund des Patienten fertig gestellt, wo die schließliche Vorrichtung eine Geometrie hat, die ausgewählt ist, um die Zähne von der letzten Zwischenanordnung zu der schließlichen Zahnanordnung voranschreitend zu repositionieren. Die schließliche Vorrichtung oder verschiedene Vorrichtungen in der Serie können eine Geometrie oder Geometrien haben, die ausgewählt sind, um die Zahnanordnung überzukorrigieren, das heißt eine Geometrie haben, welche (wenn völlig erreicht) die individuellen Zähne über die Zahnanordnung hinaus bewegen würde, die als die "schließliche" ausgewählt worden ist. Derartige Überkorrektur kann wünschenswert sein, um möglichen Rückfall auszugleichen, nachdem das Repositionierverfahren beendet worden ist, das heißt, um etwas Bewegung der individuellen Zähne zurück in Richtung ihrer vorkorrigierten Positionen zu ermöglichen. Überkorrektur kann ebenfalls vorteilhaft sein, um den Anteil der Korrektur zu beschleunigen, das heißt durch Erhalten einer Vorrichtung mit einer Geometrie, die über eine gewünschte Zwischen- oder schließliche bzw. Endposition hinaus positioniert ist, werden die individuellen Zähne in Richtung der Position mit einem größeren Anteil verlagert werden. In derartigen Fällen kann die Behandlung beendet werden, bevor die Zähne die Positionen erreichen, die durch die schließliche Vorrichtung oder Vorrichtungen definiert sind. Das Verfahren wird üblicherweise das Anordnen bzw. Einsetzen von wenigstens zwei zusätzlichen Vorrichtungen aufweisen, oft das Einsetzen von wenigstens zehn zusätzlichen Vorrichtungen, manchmal das Einsetzen von wenigstens fünfundzwanzig zusätzlichen Vorrichtungen und gelegentlich das Einsetzen von wenigstens vierzig oder mehr zusätzlichen Vorrichtungen aufweisen. Aufeinander folgende Vorrichtungen werden ersetzt werden, wenn sich die Zähne entweder der vorgegebenen Endanordnung für diese Behandlungsstufe nähern (innerhalb einer vorausgewählten Toleranz) oder dieses erreicht haben, und zwar üblicherweise in einem Intervall in dem Bereich von 2 Tagen bis 20 Tagen, gewöhnlich in einem Intervall in dem Bereich von 5 Tagen bis 10 Tagen ersetzt zu werden.
  • [0020]
    Oft kann es wünschenswert sein, die Vorrichtungen zu einem Zeitpunkt zu ersetzen, bevor die "End"-Zahnanordnung der Behandlungsstufe tatsächlich erreicht ist. Es wird erkannt werden, dass, indem die Zähne nach und nach repositioniert werden und sich der Geometrie nähern, die durch eine spezielle Vorrichtung definiert wird, die Repositionierkraft an den individuellen Zähnen außerordentlich vermindert wird. Folglich kann es möglich sein, die gesamte Bearbeitungszeit durch Ersetzen einer früheren Vorrichtung durch die aufeinander folgende Vorrichtung zu verringern, und zwar zu einem Zeitpunkt, wenn die Zähne nur teilweise durch die frühere Vorrichtung repositioniert worden sind. Folglich kann der FDDS tatsächlich eine Überkorrektur der schließlichen Zahnposition verkörpern. Dies beschleunigt sowohl die Behandlung und kann den Rückfall eines Patienten ausgleichen.
  • [0021]
    Im Allgemeinen kann der Übergang zu der nächsten Vorrichtung auf der Grundlage einer Anzahl von Faktoren geschehen. Am einfachsten können die Vorrichtungen nach einer vorherbestimmten Aufstellung oder in einem festgelegten Zeitintervall (das heißt Anzahl der Tage für jede Vorrichtung) ersetzt werden, und zwar bestimmt bei dem Beginn auf der Grundlage einer geschätzten oder üblichen Reaktion des Patienten. Alternativ kann die tatsächliche Reaktion des Patienten in Betracht gezogen werden, z. B. kann ein Patient zu der nächsten Vorrichtung fortschreiten, wenn dieser Patient nicht länger von einer gegenwärtigen Vorrichtung Druck an seinen Zähnen empfindet, das heißt die Vorrichtung, die er getragen hat, passt leicht über die Zähne des Patienten und der Patient oder die Patientin erfährt geringen oder keinen Druck oder Unbehagen an seinen oder ihren Zähnen. In einigen Fällen kann es bei Patienten, deren Zähne sehr schnell reagieren, für einen behandelnden Fachmann möglich sein, zu entscheiden, eine oder mehrere Zwischenvorrichtungen zu überspringen, das heißt die Gesamtanzahl der verwendeten Vorrichtungen unterhalb der Anzahl, die zu Beginn bestimmt worden ist, zu verringern. Auf diese Weise kann die gesamte Behandlungszeit für einen bestimmten Patienten verringert werden.
  • [0022]
    Ebenfalls offenbart sind Verfahren, die das Repositionieren der Zähne aufweisen, wobei sie Vorrichtungen verwenden, die polymere Schalen aufweisen, die Kavitäten haben, die geformt sind, um Zähne aufzunehmen und flexibel zu repositionieren, um eine schließliche Zahnanordnung zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung sieht Verbesserungen für derartige Verfahren vor, welche zu Beginn der Behandlung das Bestimmen der Geometrien für wenigstens drei der Vorrichtungen aufweisen, welche aufeinander folgend von einem Patienten getragen werden müssen, um Zähne von einer anfänglichen Zahnanordnung zu der schließlichen Zahnanordnung zu repositionieren. Bevorzugt werden zu Beginn wenigstens vier Geometrien, oft wenigstens zehn Geometrien, häufig wenigstens fünfundzwanzig Geometrien und manchmal vierzig oder mehr Geometrien bestimmt. Üblicherweise weichen die Zahnpositionen, die durch die Kavitäten bei jeder aufeinander folgenden Geometrie bestimmt werden, von jenen ab, die durch die frühere Geometrie definiert ist, und zwar mit nicht mehr als 2 mm, bevorzugt nicht mehr als 1 mm und oft nicht mehr als 0,5 mm, wie dies vorstehend definiert ist.
  • [0023]
    Ebenfalls sind Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Datensatzes offenbart, die eine schließliche Zahnanordnung darstellen. Die Verfahren weisen das zur Verfügung stellen eines anfänglichen Datensatzes auf, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, und ein visuelles Bild wird auf Grund des anfänglichen Datensatzes dargestellt. Das visuelle Bild wird dann manipuliert, um individuelle Zähne in dem visuellen Bild zu repositionieren. Ein schließlicher digitaler Datensatz wird dann erzeugt, der die schließliche Zahnanordnung mit repositionierten Zähnen darstellt, wie sie in dem visuellen Bild zu beobachten sind. In geeigneter Weise kann der anfängliche digitale Datensatz durch herkömmliche Techniken zur Verfügung gestellt werden, einschließlich dem Digitalisieren der Röntgenbilder, Bilder die durch Computer-Tomographie (CAT-Abtastungen) erzeugt werden, Bilder die durch Kernspin-Resonanztomographie (MRT) erzeugt werden und dergleichen. Bevorzugt sind die Bilder dreidimensionale Bilder und die Digitalisierung kann durch das Verwenden herkömmlicher Technologien erreicht werden. Üblicherweise wird der anfängliche digitale Datensatz durch Erzeugen eines Gipsabdruckes der Zähne des Patienten (vor der Behandlung) durch herkömmliche Techniken erzeugt. Der so hergestellte Gipsabdruck kann dann gescannt werden, wobei ein Laser oder andere Scanausrüstung verwendet wird, um eine hochauflösende digitale Darstellung des Gipsabdruckes der Zähne des Patienten zu erzeugen. Die Anwendung des Gipsabdruckes ist bevorzugt, weil sie den Patient nicht Röntgenstrahlen aussetzt oder den Patient der Unannehmlichkeit einer MRT-Abtastung unterwirft.
  • [0024]
    Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Wachsbiss ebenfalls von dem Patienten erhalten, wobei Standardverfahren verwendet werden. Der Wachsbiss ermöglicht Gipsabdrücke von der oberen und unteren Zahnreihe eines Patienten, um relativ zueinander in der zentrischen Okklusionsposition angeordnet zu werden. Das Paar Abdrücke wird dann gescannt, um Informationen zu der relativen Position des Kiefers in dieser Position zur Verfügung zu stellen. Diese Informationen werden dann in den IDDS für beide Bögen aufgenommen.
  • [0025]
    Wenn der digitale Datensatz gewonnen wurde, kann ein Bild dargestellt werden und an einem geeigneten Computersystem manipuliert werden, das mit computergestützter Gestaltungssoftware ausgerüstet ist, wie dies ausführlicher nachstehend beschrieben wird. Die Bildmanipulation wird üblicherweise aufweisen das Festlegen der Grenzen von zumindest einigen der einzelnen Zähne und das Veranlassen der Bilder der Zähne, sich relativ zu dem Kiefer und anderen Zähnen zu bewegen, und zwar durch Manipulation des Bildes über den Computer. Verfahren zum Erfassen der Zahnhöckerinformationen für die Zähne werden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die Bildmanipulation kann völlig subjektiv erfolgen, das heißt der Anwender kann die Zähne einfach in einer ästhetisch und/oder therapeutisch gewünschten Weise repositionieren, und zwar nur auf der Grundlage der Beobachtung des Bildes. Alternativ könnte das Computersystem mit Regeln und Algorithmen versehen werden, welche den Anwender beim Repositionieren der Zähne unterstützt. In einigen Fällen wird es möglich sein, Regeln und Algorithmen zur Verfügung zu stellen, welche die Zähne in einer völlig automatischen Weise, das heißt ohne Eingreifen des Anwenders, repositionieren. Wenn die einzelnen Zähne repositioniert worden sind, wird ein schließlicher Datensatz, der die gewünschte schließliche Zahnanordnung darstellt, erzeugt und gespeichert.
  • [0026]
    Ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen der schließlichen Zahnanordnung besteht für den Behandlungsfachmann darin, die schließlichen Zahnpositionen darzustellen bzw. zu definieren, z. B. durch Schreiben einer Vorschrift. Die Verwendung von Vorschriften zum Darstellen bzw. Definieren der gewünschten Ergebnisse kieferorthopädischer Verfahren ist im Stand der Technik gut bekannt. Wenn eine Vorschrift oder andere schließliche Bestimmung zur Verfügung gestellt wird, kann dann das Bild manipuliert werden, um der Vorschrift zu entsprechen. In einigen Fällen würde es möglich sein, Software zur Verfügung zu stellen, die die Vorschrift auswerten könnte, um das schließliche Bild und folglich den digitalen Datensatz zu erzeugen, der die schließliche Zahnanordnung darstellt.
  • [0027]
    Ebenfalls sind Verfahren zum Erzeugen mehrerer digitaler Datensätze offenbart, die eine Serie bzw. Reihe einzelner Zahnanordnungen darstellt, die von einer anfänglichen Zahnanordnung zu einer schließlichen Zahnanordnung voranschreiten. Derartige Verfahren weisen das Vorsehen eines digitalen Datensatzes auf, der eine anfängliche Zahnanordnung (die gemäß einer der vorstehend dargelegten Techniken erreicht werden kann) darstellt. Ein digitaler Datensatz, der eine schließliche Zahnanordnung darstellt, wird ebenfalls zur Verfügung gestellt. Ein derartiger schließlicher digitaler Datensatz kann durch die vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt werden. Mehrere der aufeinander folgenden digitalen Datensätze werden dann auf der Grundlage des anfänglichen digitalen Datensatzes und des schließlichen digitalen Datensatzes erzeugt. Üblicherweise werden die aufeinander folgenden digitalen Datensätze durch die Be stimmung von Positionsunterschieden zwischen ausgewählten einzelnen Zähnen in dem anfänglichen Datensatz und in dem schließlichen Datensatz und durch Interpolieren der Unterschiede erzeugt. Derartige Interpolation kann über so viele einzelne Stufen ausgeführt werden, wie dies gewünscht wird, üblicherweise wenigstens drei, oft wenigstens vier, öfter wenigstens zehn, manchmal wenigstens fünfundzwanzig und gelegentlich vierzig oder mehr. Viele Male wird die Interpolation lineare Interpolation für einige oder alle der Positionsunterschiede sein. Alternativ kann die Interpolation nichtlinear sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die nichtlineare Interpolation automatisch durch den Computer berechnet, wobei Weg-Zeit-Plan- und Kollisionserkennungstechniken verwendet werden, um Störungen zwischen einzelnen Zähnen zu vermeiden. Die Positionsunterschiede werden den Zahnbewegungen entsprechen, wo die maximale lineare Bewegung eines Punktes an einem Zahn 2 mm oder weniger beträgt, üblicherweise 1 mm oder weniger beträgt und oft 0,5 mm oder weniger beträgt.
  • [0028]
    Oft wird der Anwender bestimmte Ziel-Zwischenzahnanordnungen spezifizieren, die als "Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen" bezeichnet werden, welche direkt in die dazwischen liegenden digitalen Datensätze aufgenommen werden. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung bestimmen dann aufeinander folgende digitale Datensätze zwischen den Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen in der vorstehend beschriebenen Weise, z. B. durch lineare oder nichtlineare Interpolation zwischen den Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen. Die Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen können durch einen Anwender bestimmt werden, z. B. das individuelle Manipulieren eines sichtbaren Bildes an dem Computer, der zum Erzeugen der digitalen Datensätze verwendet wird, oder alternativ können sie durch den Behandlungsfachmann als eine Vorschrift in derselben Weise wie die Vorschrift für die schließliche Zahnanordnung zur Verfügung gestellt werden.
  • [0029]
    Ferner sind Verfahren offenbart, welche für das Herstellen mehrerer dentaler inkrementaler bzw. schrittweiser Positionseinstellungsvorrichtungen zur Verfügung gestellt werden. Die Verfahren weisen das Vorsehen eines anfänglichen digitalen Datensatzes, eines schließlichen digitalen Datensatzes und das Erzeugen mehrerer aufeinander folgender digitaler Datensätze auf, die das Ziel aufeinander folgender Zahnanordnungen darstellen, und zwar im Allgemeinen wie gerade beschrieben. Die dentalen Vorrichtungen werden dann auf der Grundlage von zumindest einigen der digitalen Datensätze hergestellt, die die aufeinander folgenden Zahnanordnungen darstellen. Bevorzugt weist der Herstellungsschritt das Steuern einer Herstellungsmaschine auf der Grundlage der aufeinander folgenden digitalen Datensätze auf, um aufeinander folgende Positivmodelle der gewünschten Zahnanordnungen zu erzeugen. Die dentalen Vorrichtungen werden dann als Negative der Positivmodelle erzeugt, wobei herkömmliche Positiv-Druck- oder Unterdruck-Herstellungstechniken verwendet werden. Die Herstellungsmaschine kann eine Stereolithographie- oder ähnliche Maschine umfassen, welche auf selektives Härten eines Volumens eines nicht gehärteten polymeren Harzes angewiesen ist, wobei ein Laser abscannt, um das Harz auf der Grundlage des digitalen Datensatzes selektiv zu einer Form zu härten. Andere Herstellungsmaschinen, welche bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnten, enthalten Werkzeugmaschinen und Wachsablagerungsmaschinen.
  • [0030]
    Verfahren sind für das Herstellen einer dentalen Vorrichtung offenbart, die das Vorsehen eines digitalen Datensatzes aufweisen, der eine modifizierte Zahnanordnung für einen Patienten darstellt. Eine Herstellungsmaschine wird dann verwendet, um ein Positivmodell der modifizierten Zahnanordnung auf der Grundlage des digitalen Datensatzes zu erzeugen. Die dentale Vorrichtung wird dann als ein Negativ des Positivmodells erzeugt. Die Herstellungsmaschine kann eine Stereolithographie- oder andere Maschine sein, wie dies vorstehend beschrieben ist, und das Positivmodell wird durch herkömmliche Druck- oder Unterdruck-Formtechniken erzeugt.
  • [0031]
    Weitere Verfahren zum Herstellen einer dentalen Vorrichtung können das Vorsehen eines ersten digitalen Datensatzes aufweisen, der eine modifizierte Zahnanordnung für einen Patienten darstellt. Ein zweiter digitaler Datensatz wird dann aus dem ersten digitalen Datensatz erzeugt, wo der zweite Datensatz ein Negativmodell der modifizierten Zahnanordnung darstellt. Die Herstellungsmaschine wird dann auf der Grundlage des zweiten digitalen Datensatzes gesteuert, um die dentale Vorrichtung zu erzeugen. Die Herstellungsmaschine wird üblicherweise auf selektives Härten eines nicht gehärteten Harzes angewiesen sein, um die Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtung weist üblicherweise eine polymere Schale auf, die eine Kavitätsform hat, um Zähne von einer anfänglichen Zahnanordnung zu der modifizierten Zahnanordnung aufzunehmen und flexibel zu repositionieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • [0032]
    1A stellt den Kiefer eines Patienten dar und stellt eine allgemeine Angabe zur Verfügung, wie Zähne durch die Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bewegt werden können.
  • [0033]
    1B stellt einen einzelnen Zahn aus 1A dar und definiert, wie die Abstände der Zahnbewegung bestimmt werden.
  • [0034]
    1C stellt den Kiefer von 1A zusammen mit einer inkrementalen bzw. schrittweisen Positionseinstellungsvorrichtung dar, welche gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist.
  • [0035]
    2 ist ein Blockschema, das die Schritte der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen eines Systems inkrementaler bzw. schrittweiser Positionseinstellungsvorrichtungen darstellt.
  • [0036]
    3 ist ein Blockschema, das die Schritte zum Manipulieren eines anfänglichen digitalen Datensatzes darlegt, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, um einen schließlich digitalen Datensatz gemäß einer gewünschten schließlichen Zahnanordnung zu erzeugen.
  • [0037]
    4A ist ein Ablaufplan, der ein Radierwerkzeug für die Verfahren hierin darstellt.
  • [0038]
    4B stellt das Volumen des Raumes dar, welcher durch das Programm von 4A radiert bzw. gelöscht worden ist.
  • [0039]
    5 ist ein Ablaufplan, der ein Programm zum Anpassen hochauflösender und niedrigauflösender Bestandteile bei der Manipulation von Datensätzen von 3 darstellt.
  • [0040]
    6A ist ein Ablaufplan, der ein Programm zum Ausführen der "Erfassungs"-Stufe des Zahnhöcker-Erfassungsalgorithmus darstellt.
  • [0041]
    6B ist ein Ablaufplan, der ein Programm zum Ausführen der "Zurückweisungs"-Stufe des Zahnhöcker-Erfassungsalgorithmus darstellt.
  • [0042]
    7 stellt das Verfahren zum Erzeugen mehrerer dazwischen liegender digitaler Datensätze dar, welche zum Erzeugen der Einstellvorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • [0043]
    8A ist ein Ablaufplan, der die Schritte darstellt, die durch den Weg-Zeit-Algorithmus ausgeführt werden.
  • [0044]
    8B ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Ausführen der "Sichtbarkeits"-Funktion gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • [0045]
    8C ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Ausführen der "Kinder"-Funktion gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • [0046]
    8D ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Ausführen des Schrittes 128 von 8A des Weg-Zeit-Planes darstellt.
  • [0047]
    9A ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Ausführen der rekursiven Kollisionserprobung während der Kollisionserkennung darstellt.
  • [0048]
    9B ist ein Ablaufplan, der die Knotenspaltung darstellt, die während der Kollisionserkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
  • [0049]
    9C ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Vorsehen zusätzlicher Bewegungsinformationen für das Kollisionserkennungsverfahren darstellt.
  • [0050]
    10 stellt alternative Verfahren zum Erzeugen mehrerer Vorrichtungen gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung dar, die digitale Datensätze verwenden, die die Gestaltungen der dazwischen liegenden und schließlichen Vorrichtung darstellen.
  • [0051]
    11 ist ein vereinfachtes Blockschema eines Datenverarbeitungssystems, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgenommen hat.
  • BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [0052]
    Systeme und Verfahren werden für inkrementales bzw. schrittweises Bewegen der Zähne beschrieben, wobei mehrere einzelne Vorrichtungen verwendet werden, wo jede Vorrichtung aufeinander folgend einen oder mehrere der Zähne des Patienten mit relativ kleinen Werten bewegt. Die Zahnbewegungen werden jene sein, die normalerweise mit kieferorthopädischer Behandlung verbunden sind, einschließlich Translation bzw. Schiebung in allen drei orthogonalen Richtungen relativ zu einer vertikalen Mittellinie, Drehung der Zahnmittellinie in den zwei kieferorthopädischen Richtungen ("Wurzelachsenfehlstellung" und "Drehmoment"), ebenso gut wie Drehung um die Mittellinie.
  • [0053]
    Unter Bezugnahme nun auf 1A, enthält ein typischer Kiefer 100 sechzehn Zähne 102. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, zumindest einige dieser Zähne von einer anfänglichen Zahnanordnung zu einer schließlichen Zahnanordnung zu bewegen. Um zu verstehen, wie die Zähne bewegt werden können, ist eine willkürliche Mittellinie (CL) durch einen der Zähne 102 gezogen. Mit Bezug zu dieser Mittellinie (CL) können die Zähne in den orthogonalen Richtungen bewegt werden, die durch Achsen 104, 106 und 108 dargestellt sind (wobei 104 die Mittellinie ist) Die Mittellinie kann um die Achse 108 (Wurzelachsenfehlstellung) und 104 (Drehmoment) herum gedreht werden, wie dies jeweils durch Pfeile 110 und 112 bezeichnet wird. Außerdem kann der Zahn um die Mittellinie gedreht werden, wie dies durch Pfeil 114 dargestellt wird. Folglich können alle möglichen Freiformbewegungen des Zahnes ausgeführt werden. Bezugnehmend nun auf 1B, wird das Ausmaß irgendeiner Zahnbewegung, die durch die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung erreicht wird, durch Bedingungen der maximalen linearen Translation bzw. Schiebung irgendeines Punktes P an einem Zahn 102 definiert. Jeder Punkt Pi wird sich einer kumulativen Translation bzw. Schiebung unterziehen, indem dieser Zahn in irgendeiner der orthogonalen oder Drehrichtungen bewegt wird, die in 1A definiert sind. Das heißt, während der Punkt üblicherweise einem nichtlinearen Weg folgen wird, wird es einen linearen Abstand zwischen irgendeinem Punkt bei dem Zahn geben, wenn dieser wenigstens zweimal während der Behandlung bestimmt wird. Folglich kann sich ein willkürlicher Punkt P1 tatsächlich einer wirklichen Seite-an-Seite-Verschiebung unterziehen, wie dies durch Pfeil d1 bezeichnet wird, während ein zweiter willkürlicher Punkt P2 entlang eines bogenförmigen Weges wandern kann, was in einer schließlichen Translation bzw. Schiebung d2 resultiert. Viele Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Bedingungen der maximal zulässigen Bewegung eines Punktes Pi definiert, die durch die Verfahren bei irgendeinem speziellen Zahn bewirkt wird. Derartige maximale Zahnbewegung ist wiederum als die maximale lineare Translation bzw. Schiebung dieses Punktes Pi an dem Zahn definiert, der sich in irgendeinem Behandlungsschritt der maximalen Bewegung für diesen Zahn unterzieht.
  • [0054]
    Unter Bezugnahme nun auf 1C, wird das System gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere inkrementale bzw. schrittweise Positionseinstellungsvorrichtungen aufweisen. Die Vorrichtungen sind dazu bestimmt, um inkrementales bzw. schrittweises Repositionieren einzelner Zähne in dem Kiefer zu bewirken, wie dies im Allgemeinen vorstehend beschrieben ist. Im weitesten Sinne können die Verfahren der vorliegenden Erfindung irgendwelche der bekannten Positioniereinrichtungen, Rückhalteeinrichtungen oder andere abnehmbare Vorrichtungen verwenden, welche zum Fertigstellen und Beibehalten der Zahnpositionen in Verbindung mit herkömmlicher kieferorthopädischer Behandlung bekannt sind. Die Systeme der vorliegenden Erfindung werden im Gegensatz zu der Vorrichtung und den Systemen des Standes der Technik mehrere derartige Vorrichtungen zur Verfügung stellen, die dazu bestimmt sind, von einem Patienten aufeinander folgend getragen zu werden, um das schrittweise Zahnrepositionieren zu erreichen, wie dies hier beschrieben ist. Eine bevorzugte Vorrichtung 100 wird eine polymere Schale aufweisen, die eine geformte Kavität hat, um die Zähne von einer Zahnanordnung zu einer nachfolgenden Zahnanordnung aufzunehmen und flexibel zu repositionieren. Die polymere Schale wird bevorzugt, aber nicht notwendig über alle vorhandenen Zähne in dem Ober- oder Unterkiefer gepasst. Oft wird nur ein bestimmter Zahn bzw. werden bestimmte Zähne repositioniert, während andere der Zähne einen Grundlagen- oder Ankerbereich zum Halten der Repositioniervorrichtung an der Verwendungsstelle zur Verfügung stellen, indem sie die flexible Repositionierkraft gegen den Zahn oder die Zähne aufbringen, die zur repositionieren sind. Bei komplexen Fällen werden jedoch viele oder die meisten der Zähne an irgendeinem Punkt während der Behandlung repositioniert werden. In derartigen Fällen können die Zähne, welche bewegt werden, ebenfalls als ein Grundlagen- oder Ankerbereich zum Halten der Repositioniervorrichtung dienen. Außerdem können die Gummis und/oder die Palette als ein Ankerbereich dienen, wobei folglich allen oder nahezu allen der Zähne ermöglicht wird, gleichzeitig repositioniert zu werden.
  • [0055]
    Die polymere Vorrichtung 100 von 1C ist bevorzugt aus einer dünnen Folie von einem geeigneten elastomeren Polymer ausgebildet, derart wie Tru-Tain 0,76 mm (0,03 in.), thermogeformtes Dentalmaterial, Tru-Tain Plastics, Rochester, Minnesota 55902. Üblicherweise werden keine Drähte oder andere Einrichtungen zum Halten der Vorrichtung an der Stelle oberhalb der Zähne vorgesehen. In einigen Fällen wird es jedoch wünschenswert oder notwenig sein, einzelne Anker an Zähnen mit entsprechenden Behältern oder Öffnungen an der Vorrichtung 100 vorzusehen, so dass die Vorrichtung eine Aufwärtskraft an den Zähnen aufbringen kann, was bei der Abwesenheit eines derartigen Ankers nicht möglich sein würde. Spezifische Verfahren zum Herstellen der Vorrichtungen 100 werden nachstehend beschrieben.
  • [0056]
    Unter Bezugnahme nun auf 2, wird das gesamte Verfahren zum Herstellen der inkrementalen bzw. schrittweisen Positionseinstellungsvorrichtungen für die anschließende Verwendung bei einem Patienten, um die Zähne des Patienten zu repo sitionieren, beschrieben. Als ein erster Schritt wird ein digitaler Datensatz erhalten, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, nachstehend als IDDS bezeichnet. Der IDDS kann in einer Vielzahl von Wegen erhalten werden. Zum Beispiel können die Zähne des Patienten gescannt bzw. abgetastet oder abgebildet werden, wobei gut bekannte Technik verwendet wird, derart wie Röntgenstrahlen, dreidimensionale Röntgenstrahlen, computertomographische Bilder oder Datensätze, Magnetresonanzbilder usw. Verfahren zum Digitalisieren derartiger herkömmlicher Bilder, um Datensätze zu erzeugen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind gut bekannt und in der Patent- und medizinischen Literatur beschrieben. Üblicherweise wird sich jedoch die vorliegende Erfindung zuerst auf das Erhalten eines Gipsabdruckes der Zähne des Patienten durch gut bekannte Techniken stützen, derart wie diese bei Graber beschriebene, Orthodontics: Principle and Practice, Second Edition, Saunders, Philadelphia, 1969, S. 401–415. Nachdem der Zahnabguss erhalten worden ist, kann er digital gescannt bzw. abgetastet werden, wobei ein herkömmlicher Laser-Scanner oder anderes Bereichserfassungssystem verwendet wird, um den IDDS zu erzeugen. Der Datensatz, der durch das Bereichserfassungssystem erzeugt worden ist, kann natürlich in andere Formate umgewandelt werden, um mit der Software kompatibel zu sein, welche zum Manipulieren der Bilder innerhalb des Datensatzes verwendet wird, wie dies nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Allgemeine Techniken zum Erzeugen von Gipsabdrücken der Zähne und Erzeugen digitaler Modelle, die Laser-Scantechniken verwenden, sind z. B. in US-Patent Nr. 5,605,459 beschrieben.
  • [0057]
    Es gibt eine Vielzahl von Bereichserfassungssystemen, die im Allgemeinen dadurch kategorisiert werden, ob das Verfahren der Erfassung Kontakt mit dem dreidimensionalen Gegenstand erfordert. Ein Bereichserfassungssystem des Kontakttyps verwendet eine Sonde, die mehrere Freiheitsgrade der Translation und/oder Rotation hat. Durch Aufzeichnen der physikalischen Verlagerung der Sonde, während sie quer über die Probe- bzw. Musteroberfläche gezogen wird, wird eine computerlesbare Darstellung des Probegegenstandes erzeugt. Eine Bereichserfas sungsvorrichtung des Nicht-Kontakt-Typs kann entweder ein System des reflektierenden Typs oder des durchsichtigen Typs sein. Es ist eine Vielzahl reflektierender Systeme in Gebrauch. Einige dieser reflektierenden Systeme verwenden nichtoptisch einfallende Energiequellen, derart wie Kurzwellenradar oder Sonar. Andere verwenden optische bzw. Lichtenergie. Diese Systeme des Nicht-Kontakt-Typs, die durch reflektierte optische Energie arbeiten, enthalten ferner spezielle Geräteausstattung, die aufgebaut ist, um das Ausführen bestimmter Messtechniken zu ermöglichen (z. B. Bildaufbereitungsradar, Triangulation und Interferometrie).
  • [0058]
    Ein bevorzugtes Bereichserfassungssystem ist ein optischer, reflektierender Scanner des Nicht-Kontakt-Typs. Scanner des Nicht-Kontakt-Typs werden bevorzugt, weil sie schon an sich zerstörungsfrei sind (das heißt sie beschädigen nicht den Probegegenstand), wobei sie im Allgemeinen durch eine höhere Erfassungsauflösung gekennzeichnet sind und eine Probe in einer relativ kurzen Zeitdauer scannen bzw. abtasten. Ein derartiger Scanner ist das Cyberware-Modell 15, das von Cyberware, Inc., Monterey, California, hergestellt wird.
  • [0059]
    Entweder Scanner des Nicht-Kontakt-Typs oder des Kontakt-Typs können ebenfalls eine Farbkamera enthalten, die, wenn sie mit den Scanmöglichkeiten synchronisiert bzw. abgestimmt wird, eine Einrichtung zum Erfassen einer Farbdarstellung des Probegegenstandes in digitalem Format zur Verfügung stellt. Die Bedeutung dieser weiteren Möglichkeit zum Erfassen nicht lediglich der Form des Probegegenstandes, sondern ebenfalls seiner Farbe, wird nachstehend erörtert.
  • [0060]
    Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ebenfalls ein Wachsbiss von einem Patienten erhalten. Der Wachsbiss ermöglicht das Scannen bzw. Abtasten der relativen Positionen der oberen und unteren Zahnreihe in zentrischer Okklusion. Dies wird üblicherweise zuerst durch das Anordnen des unteren Abdruckes vor dem Scanner, wobei die Zähne nach oben gerichtet sind, dann das Anordnen des Wachsbisses an dem Oberteil des unteren Abdruckes und schließlich durch Anord nen des oberen Abdruckes an dem Oberteil des unteren Abdruckes erreicht, wobei die Zähne nach unten gerichtet sind, wobei sie auf dem Wachsbiss ruhen. Ein zylindrisches Scannen ist dann für den unteren und oberen Abdruck in ihren relativen Positionen erforderlich. Die gescannten Daten stellen ein digitales Modell von mittlerer Auflösung zur Verfügung, das einen Gegenstand darstellt, der aus einer Kombination der Bögen des Patienten besteht, die in demselben relativen Aufbau wie in dem Mund positioniert sind.
  • [0061]
    Das digitale Modell wirkt wie eine Schablone, die die Anordnung der zwei einzelnen digitalen Modelle (eines per Bogen) führt. Genauer gesagt, wird beim verwenden der Software, z. B. der CyberWare-Ausrichtungssoftware, jeder digitale Bogen wiederum zu dem abgescannten Paar ausgerichtet. Die einzelnen Modelle werden dann relativ zueinander entsprechend der Bögen in dem Mund des Patienten positioniert.
  • [0062]
    Die Verfahren werden sich auf das Manipulieren des IDDS an einem Computer oder Workstation stützen, der bzw. die eine geeignete graphische Benutzerschnittstelle (GUI) und Software hat, die zum Ansehen und Modifizieren der Bilder geeignet ist. Spezifische Aspekte der Software werden nachstehend ausführlich beschrieben. Während sich die Verfahren auf Computer-Manipulation der digitalen Daten stützen, weisen die Systeme der vorliegenden Erfindung mehrere dentale Vorrichtungen auf, die inkremental bzw. schrittweise abweichende Geometrien haben, die durch nicht-computer-gestützte Techniken erzeugt werden können. Zum Beispiel können Gipsabdrücke, die, wie vorstehend beschrieben, erhalten werden, geschnitten werden, wobei Messer, Sägen oder andere Schneidwerkzeuge verwendet werden können, um das Repositionieren der einzelnen Zähne innerhalb des Abgusses zu ermöglichen. Die losgelösten Zähne können dann durch weiches Wachs oder anderes verformbares Material an der Stelle gehalten werden und mehrere Zwischen-Zahnanordnungen können dann vorbereitet werden, wobei ein derartig modifizierter Gipsabdruck der Zähne des Patienten verwendet wird. Die un terschiedlichen Anordnungen können im Allgemeinen verwendet werden, um Sätze bzw. Reihen mehrerer Vorrichtungen vorzubereiten, wie dies nachstehend beschrieben wird, wobei Druck- und Unterdruck-Formtechniken verwendet werden. Während derartige manuelle Erzeugung der Vorrichtungssysteme der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen viel weniger bevorzugt sind, werden so erzeugte Systeme innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung kommen.
  • [0063]
    Unter Bezugnahme wieder auf 2, werden, nachdem der IDDS erhalten worden ist, die digitalen Informationen in den Computer oder andere Workstation für die Manipulation eingegeben. Bei der bevorzugten Annäherung werden einzelne Zähne und andere Bestandteile "geschnitten", um ihr einzelnes Repositionieren oder Entfernen aus den digitalen Daten zu ermöglichen. Nach dem "Freimachen" der Bestandteile, wird der Anwender oft einer Vorschrift oder anderen geschriebenen Beschreibung folgen, die durch den Behandlungsfachmann vorgesehen wird. Alternativ kann der Anwender sie auf der Grundlage der sichtbaren Erscheinung oder durch Anwenden von Regeln und Algorithmen repositionieren, die in dem Computer programmiert sind. Wenn der Anwender mit der schließlichen Anordnung zufrieden ist, wird die schließliche Zahnanordnung in einen schließlichen digitalen Datensatz (FDDS) aufgenommen.
  • [0064]
    Auf der Grundlage sowohl des IDDS und des FDDS werden mehrere entsprechend dazwischen liegende digitale Datensätze (INTDDSs) erzeugt.
  • [0065]
    3 stellt eine charakteristische Technik zum Manipulation des IDDS dar, um den FDDS in dem Computer zu erzeugen. Üblicherweise werden die Daten aus dem digitalen Scanner in einer hochauflösenden Form sein. Um die Computerzeit zu verringern, die erforderlich ist, um Bilder zu erzeugen, wird ein paralleler Satz des digitalen Datensatzes erzeugt, der den IDDS bei einer niedrigen Auflösung darstellt. Der Anwender wird die niedrigauflösenden Bilder manipulieren, während der Computer den hochauflösenden Datensatz aktualisieren wird, wenn dies notwendig ist. Der Anwen der kann ebenfalls das hochauflösende Modell sehen/manipulieren, wenn das zusätzliche Detail, das in dem Modell zur Verfügung gestellt wird, brauchbar ist. Der IDDS wird außerdem in eine viereckige bzw. vierfache Datenstruktur (quad edge data structure) umgeformt, wenn sie nicht bereits in dieser Form vorhanden ist. Eine viereckige Datenstruktur ist eine topologische Standard-Datenstruktur, die in "Primitives for the Manipulation von General Subdivisions and the Computation of Voronoi Diagrams", ACM Transactions of Graphics, Band 4, Nr. 2, April 1985, S. 74–123, definiert ist. Andere topologische Datenstrukturen, derart wie die Winged-Edge-Datenstruktur, könnten ebenfalls verwendet werden.
  • [0066]
    Als ein anfänglicher Schritt, während das dreidimensionale Bild des Kiefers, einschließlich der Zähne, des Zahnfleisches und anderen Mundgewebes des Patienten betrachtet wird, wird der Anwender üblicherweise den Aufbau tilgen, welcher für die Bildmanipulation und/oder schließliche Herstellung einer Vorrichtung nicht notwendig ist. Diese unerwünschten Abschnitte des Modells können entfernt werden, wobei ein Radierwerkzeug verwendet wird, um einen fundierten Modellabzug auszuführen. Das Werkzeug wird durch eine Graphikbox verkörpert. Der zu radierende Umfang (die Dimensionen, die Position und Ausrichtung der Box) werden durch den Anwender bestimmt, wobei die GUI verwendet wird. Üblicherweise werden unerwünschte Abschnitte fremde Gummibereiche und die Basis bzw. Grundlage des ursprünglich gescannten Abdruckes enthalten. Eine andere Anwendung für dieses Werkzeug besteht darin, die Extraktion bzw. das Herausziehen von Zähnen und das "Herunterschleifen" von Zahnoberflächen zu simulieren. Dies ist erforderlich, wenn zusätzlicher Raum in dem Kiefer für die schließliche Positionierung eines zu bewegenden Zahnes erforderlich ist. Der Behandlungsfachmann kann wählen, um zu bestimmen, welche Zähne geschliffen und/oder welche Zähne extrahiert werden. Das Schleifen ermöglicht dem Patienten, seine Zähne zu behalten, wenn nur ein kleiner Wert eines Raumes erforderlich ist. Üblicherweise werden Extraktion und Schleifen natürlich nur in der Behandlungsplanung verwendet, wenn die Zähne des gegenwärtigen Patienten zu extrahieren und/oder zu schleifen sind, bevor das Repositionieren gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung eingeleitet wird.
  • [0067]
    Das Entfernen unerwünschter und/oder unnötiger Abschnitte des Modells erhöht die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und verbessert die visuelle Anzeige. Unnötige Abschnitte enthalten diese, die nicht für die Erzeugung der Zahnrepositioniervorrichtung erforderlich sind. Das Entfernen dieser unerwünschten Abschnitte verringert die Komplexität und die Größe des digitalen Datensatzes, was folglich die Manipulationen der Datensätze und anderer Vorgänge beschleunigt.
  • [0068]
    Nachdem der Anwender das Radierwerkzeug positioniert und dessen Größe festlegt und der Software vorschreibt, die unerwünschten Abschnitte zu radieren, werden alle Dreiecke innerhalb der Box, die durch den Anwender bestimmt werden, entfernt und die Grenzdreiecke werden modifiziert, um eine glatte, lineare Grenze zu hinterlassen. Die Software tilgt alle Dreiecke innerhalb der Box und klammert alle Dreiecke, welche die Grenze der Box kreuzen. Dies erfordert das Erzeugen neuer Eckpunkte an der Grenze der Box. Die Löcher, die in dem Modell an den Flächen der Box erzeugt werden, werden erneut zu Dreiecken ausgebildet und geschlossen, wobei die neu erzeugten Eckpunkte verwendet werden.
  • [0069]
    Das Sägewerkzeug wird verwendet, um die einzelnen Zähne (oder möglicherweise Gruppen von Zähnen) zu definieren, um bewegt zu werden. Das Werkzeug trennt das gescannte Bild in einzelne Graphikbestandteile, die der Software ermöglichen, die Zähne oder andere Bestandteilbilder unabhängig von bleibenden Abschnitten des Modells zu bewegen. Bei einem Ausführungsbeispiel definiert das Sägewerkzeug einen Weg zum Schneiden des Graphikbildes durch Anwenden von zwei kubischen B-Kurvenlineal-Krümmungen, die in dem Raum liegen, möglicherweise zu parallelen Ebenen genötigt, entweder offen oder geschlossen. Eine Reihe von Linien verbindet die zwei Krümmungen und zeigt dem Anwender den allgemeinen Schneidweg. Der Anwender kann die Kontrollpunkte an den kubischen B- Kuvenlinealen, die Dicke des Sägeschnittes und die Anzahl der verwendeten Radiereinrichtungen bearbeiten, wie dies nachstehend beschrieben wird.
  • [0070]
    Bei einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Zähne durch Verwenden der Säge als eine "Entkern"-Vorrichtung getrennt, wobei die vorstehend genannten Zähne mit vertikalen Sägeschnitten geschnitten werden. Die Krone des Zahnes ebenso gut wie das Zahnfleischgewebe unmittelbar unterhalb der Krone werden von dem Rest der Geometrie getrennt und als eine einzelne Einheit, bezogen auf einen Zahn, behandelt. Wenn dieses Modell bewegt wird, bewegt sich das Zahnfleischgewebe relativ zu der Krone, wobei eine erste Anweisungsannäherung in der Weise erzeugt wird, dass sich das Zahnfleisch innerhalb eines Mundes des Patienten umformt.
  • [0071]
    Jeder Zahn kann ebenfalls von dem ursprünglich zurecht gemachten Modell getrennt werden. Zusätzlich kann durch das Aufschneiden der Kronen der Zähne eine Basis aus dem original zurecht gemachten Modell erzeugt werden. Das resultierende Modell wird als eine Basis bzw. Grundlage zum Bewegen der Zähne verwendet. Dies erleichtert die schließliche Herstellung einer physikalischen Form von dem geometrischen Modell, wie dies nachstehend beschrieben wird.
  • [0072]
    Dicke: Wenn ein Schnitt ausgeführt wird, um einen Zahn zu trennen, wird der Anwender üblicherweise wünschen, dass der Schnitt so dünn wie möglich ist. Der Anwender kann jedoch wünschen, einen dickeren Schnitt zu erzeugen, z. B. wenn die umgebenden Zähne heruntergeschliffen werden, wie dies vorstehend beschrieben ist. Graphisch erscheint der Schnitt als eine Krümmung bzw. Kurve, die durch die Dicke des Schnittes an einer Seite der Krümmung begrenzt ist.
  • [0073]
    Anzahl der Radiereinrichtungen: Ein Schnitt besteht aus mehreren Radiereinrichtungsboxen, die nebeneinander als eine stückweise lineare Annäherung des Krümmungsweges des Sägewerkzeuges angeordnet sind. Der Anwender wählt die An zahl der Radiereinrichtungen, welche die Verfeinerung der erzeugten Krümmung bestimmen – je größer die Anzahl der Abschnitte ist, umso genauer wird das Schneiden der Krümmung folgen. Die Anzahl der Radiereinrichtungen ist graphisch durch die Anzahl paralleler Linien gezeigt, die die zwei kubischen B-Kurvenlineal-Krümmungen verbinden. Sobald ein Sägeschnitt vollständig spezifiziert ist, wendet der Anwender den Schnitt auf das Modell an. Der Schnitt wird als eine Abfolge von Radierungen ausgeführt. Ein bevorzugter Algorithmus ist in 4A dargelegt. 4B zeigt eine einzelne Radieriteration des Schnittes, wie dieser in dem Algorithmus für eine B-Kurvenlineal-Krümmung mit offenem Ende beschrieben ist. Für einen vertikalen Schnitt werden die Krümmungen mit PA[O] und PA[S] mit demselben Punkt geschlossen und PB[O] und PB[S] sind derselbe Punkt.
  • [0074]
    Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Software automatisch das Sägewerkzeug in einen Satz bzw. Reihe von Radierwerkzeugen auf der Grundlage einer Glättemessung aufteilen, die durch den Anwender eingegeben wird. Die Säge wird anpassungsfähig unterteilt, und zwar bis zu einem Fehler metrischer Messungen der Abweichung von der idealen Darstellung zu der annähernden Darstellung, der kleiner ist als ein Grenzwert, der durch die Glätteeinstellung spezifiziert ist. Der bevorzugt verwendete metrische Fehler vergleicht die lineare Länge der unterteilten Krümmung mit der Bogenlänge der idealen Kurvenlinealkrümmung. Wenn die Differenz größer als ein Grenzwert ist, der aus der Glätteeinstellung berechnet wurde, wird ein Unterteilungspunkt entlang der Kurvenlinealkrümmung hinzugefügt.
  • [0075]
    Ein Vorschaumerkmal kann ebenfalls in der Software vorgesehen werden. Das Vorschaumerkmal zeigt visuell einen Sägeschnitt an, und zwar als die zwei Oberflächen, die gegenüber liegende Seiten des Schnittes verkörpern. Dies erlaubt dem Anwender, den schließlichen Schnitt in Betracht zu ziehen, bevor er für den Modelldatensatz angewendet wird.
  • [0076]
    Nachdem der Anwender alle gewünschten Schneidvorgänge mit dem Sägewerkzeug vervollständigt hat, sind mehrere graphische Festkörper vorhanden. Jedoch hat an diesem Punkt die Software nicht bestimmt, welche Dreiecke der viereckigen Datenstruktur zu welchen Bestandteilen gehören. Die Software wählt einen willkürlichen Ausgangspunkt in der Datenstruktur und durchläuft die Datenstruktur, wobei sie angrenzende Informationen verwendet, um alle der Dreiecke zu finden, die zueinander angebracht werden, wobei ein einzelner Bestandteil identifiziert wird. Dieser Prozess wird wiederholt, indem mit dem Dreieck begonnen wird, dessen Bestandteil noch nicht bestimmt ist. Wenn die gesamte Datenstruktur durchlaufen wurde, sind alle Bestandteile identifiziert worden.
  • [0077]
    Für den Anwender scheinen alle durchgeführten Änderungen für das hochauflösende Modell gleichzeitig bei dem niedrigauflösenden Modell aufzutreten und umgekehrt. Es besteht jedoch keine Eins-zu-Eins-Wechselbeziehung zwischen den unterschiedlichen Auflösungsmodellen. Deshalb "passt" der Computer die hochauflösenden und die niedrigauflösenden Bestandteile so gut er es kann an, und zwar ausgesetzt den definierten Beschränkungen. Der Algorithmus wird in 5 beschrieben.
  • [0078]
    Zahnhöckererfassung: Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Software die Möglichkeit zur Verfügung, Zahnhöcker auf einem Zahn zu erfassen. Zahnhöcker sind zugespitzte Vorsprünge an der Kaufläche eines Zahnes. Zahnhöckererfassung kann entweder ausgeführt werden, bevor oder nachdem die Schneidphase ausgeführt worden ist. Der Algorithmus, der für die Zahnhöckererfassung verwendet wird, ist aus zwei Stufen zusammengesetzt: (1) "Erfassungs"-Stufe, während der ein Satz bzw. eine Reihe von Punkten an dem Zahn als Kandidaten für Zahnhöckerstandorte bestimmt wird; und (2) "Zurückweisungs"-Stufe, während der Kandidaten aus dem Satz von Punkten zurückgewiesen werden, wenn sie nicht eine Reihe von Kriterien erfüllen, die mit Zahnhöckern verbunden sind.
  • [0079]
    Ein bevorzugter Algorithmus für die "Erfassungs"-Stufe ist in 6A dargelegt. Bei der Erfassungsstufe wird ein möglicher Zahnhöcker als eine "Insel" auf der Oberfläche des Zahnes betrachtet, mit dem Kandidaten-Zahnhöcker an dem höchsten Punkt der Insel. "Höchst" wird bezüglich des Koordinatensystems des Modells gemessen, aber könnte gerade so leicht bezüglich des örtlichen Koordinatensystems von jedem Zahn gemessen werden, wenn die Erfassung nach der Schneidphase der Behandlung ausgeführt wird.
  • [0080]
    Der Satz bzw. die Reihe von allen möglichen Zahnhöckern wird durch Ansehen aller örtlichen Maxima an dem Zahnmodell bestimmt, die innerhalb eines spezifischen Abstandes von dem Oberteil der Grenzbox des Modells bestehen. Zuerst wird der höchste Punkt an dem Modell als der ersten Kandidaten-Zahnhöcker bezeichnet. Eine Ebene wird durch diesen Punkt geführt, und zwar senkrecht zu der Richtung, entlang der der höchste Punkt gemessen wird. Die Ebene wird dann durch einen kleinen vorherbestimmten Abstand entlang der Z-Achse abgesenkt. Als Nächstes werden alle Eckpunkte, die mit dem Zahn verbunden sind und welche oberhalb der Ebene und an einigen verbundenen Bestandteilen sind, mit dem Kandidaten-Zahnhöcker als Zahnhöcker vereinigt. Dieser Schritt wird auch als der "Flutfüll"-Schritt bezeichnet. Von jedem Kandidaten-Zahnhöckerpunkt wird äußeres "Fluten" ausgeführt, wobei jeder Scheitelpunkt an dem Modell in dieser Angelegenheit als "Teil von" dem entsprechenden Kandidaten-Zahnhöcker inspiziert wird. Nachdem der Flutfüllschritt vollständig ist, wird jeder Scheitelpunkt an dem Modell geprüft. Irgendein Scheitelpunkt, der oberhalb der Ebene ist und nicht durch irgendeine der Flutfüllungen inspiziert wurde, wird der Liste der Kandidaten-Zahnhöcker hinzugefügt. Diese Schritte werden wiederholt, bis die Ebene einen spezifischen Abstand gewandert ist.
  • [0081]
    Während dieser iterativen Annäherung kann mehr Zeit verbraucht werden als bei einer örtlichen Maximumsuche, wobei die vorstehend beschriebene Annäherung zu einer kürzeren Liste der Kandidaten-Zahnhöcker führt. Weil die Ebene bei jedem Schritt einen begrenzten Abstand abgesenkt wird, können sehr kleine örtliche Maxima übersprungen werden, die wegen geräuschvoller Daten auftreten können.
  • [0082]
    Nach der "Erfassungs"-Stufe fährt der Zahnhöckererfassungsalgorithmus mit der "Zurückweisungs"-Stufe fort. Ein bevorzugter Algorithmus für die "Zurückweisungs"-Stufe ist in 6B dargelegt. Bei dieser Stufe werden die örtlichen Geometrien um jeden der Zahnhöcker-Kandidaten herum analysiert, um zu bestimmen, ob sie "nicht-zahnhöcker-ähnliche Merkmale" besitzen. Zahnhöcker-Kandidaten, die "nicht-zahnhöcker-ähnliche Merkmale" zeigen, werden von der Liste der Zahnhöcker-Kandidaten entfernt.
  • [0083]
    Verschiedene Kriterien können verwendet werden, um die "nicht-zahnhöckerähnlichen Merkmale" zu identifizieren. Gemäß einem Test wird die örtliche Krümmung der Oberfläche um den Zahnhöcker-Kandidaten verwendet, um zu bestimmen, ob der Kandidat nicht-zahnhöcker-ähnliche Merkmale besitzt. Wie dies in 6B dargestellt ist, wird die örtliche Krümmung der Oberfläche um den Zahnhöcker-Kandidaten herum angenähert und dann analysiert, um zu bestimmen, ob sie zu groß (sehr zugespitzte Oberfläche) oder zu klein (sehr flache Oberfläche) ist, wobei in diesem Fall der Kandidat von der Liste der Zahnhöcker-Kandidaten entfernt wird. Konservative Werte werden für die minimalen und maximalen Krümmungswerte verwendet, um sicherzustellen, dass echte Zahnhöcker nicht durch Fehler zurückgewiesen werden.
  • [0084]
    Gemäß einem alternativen Test wird eine Messung der Glätte auf der Grundlage der durchschnittlichen Senkrechten in einem Bereich um den Kandidaten-Zahnhöcker herum berechnet. Wenn die durchschnittliche Senkrechte von der Senkrechten an dem Zahnhöcker mit mehr als einem spezifizierten Wert abweicht, wird der Kandidaten-Zahnhöcker zurückgewiesen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Abweichung eines Senkrechten-Vektors N von der Zahnhöcker-Senkrechten CN durch die Formel angenähert: 1 – Abs(N*CN),welche 0 bei keiner Abweichung und 1 ist, wenn N und CN senkrecht sind.
  • [0085]
    Wenn die Zähne getrennt worden sind, kann der FDDS aus dem IDDS erzeugt werden. Der FDDS wird durch Befolgen der Vorschrift des Kieferorthopäden erzeugt, wobei die Zähne in ihre schließliche Ordnung bewegt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Vorschrift in einen Computer eingegeben, welcher die schließliche Position der Zähne algorithmisch berechnet. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Anwender die Zähne durch unabhängiges Manipulieren eines oder mehrerer Zähne in ihre schließlichen Positionen bewegen, während die Beschränkungen der Vorschrift erfüllt werden. Es sollte erkannt werden, dass verschiedene Kombinationen der vorstehend beschriebenen Techniken ebenfalls verwendet werden können, um die schließliche Zahnposition zu erreichen.
  • [0086]
    Das bevorzugte Verfahren zum Erzeugen des FDDS bezieht das Bewegen der Zähne in einer spezifizierten Folge ein. Zuerst werden die Mittelpunkte jedes der Zähne zu einem Standardbogen ausgerichtet. Dann werden die Zähne gedreht, bis ihre Wurzeln in der geeigneten vertikalen Position sind. Als Nächstes werden die Zähne um ihre vertikale Achse in die geeignete Ausrichtung gedreht. Die Zähne werden dann von der Seite beobachtet und vertikal in ihre geeignete vertikale Position geschoben bzw. übertragen. Schließlich werden die zwei Bögen zueinander angeordnet und die Zähne geringfügig bewegt, um sicherzustellen, dass der obere und untere Bogen geeignet miteinander in Eingriff sind. Das Eingreifen des oberen und unteren Bogens miteinander wird sichtbar gemacht durch den Kollisionserfassungsalgorithmus, wobei die Kontaktpunkte der Zähne in Rot hervorgehoben werden.
  • [0087]
    Nachdem die Zähne und andere Bestandteile angeordnet oder entfernt worden sind, so dass die schließliche Zahnanordnung erzeugt worden ist, ist es notwendig, einen Be handlungsplan zu entwickeln, wie dies in 7 dargestellt ist. Der Behandlungsplan wird schließlich die Serie bzw. Reihe der INTDDSs und FDDS erzeugen, wie dies vorstehend beschrieben ist. Um diese Datensätze zu erzeugen, ist es notwendig, die Bewegung der ausgewählten einzelnen Zähne von der anfänglichen Position zu der schließlichen Position über eine Serie bzw. Reihe aufeinander folgender Schritte zu definieren oder darzustellen. Außerdem kann es notwendig werden, andere Merkmale zu den Datensätzen hinzuzufügen, um gewünschte Merkmale bei den Behandlungsvorrichtungen zu erzeugen. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dem Bild Wachsstücke hinzuzufügen, um Kavitäten oder Aussparungen für spezielle Zwecke zu definieren. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, einen Raum zwischen der Vorrichtung und speziellen Bereichen der Zähne oder des Kiefers beizubehalten, um die Entzündung durch die Gummis zu verringern, wobei periodontale Probleme vermieden werden, um eine Kappe und dergleichen zu ermöglichen. Zusätzlich wird es oft notwendig sein, einen Behälter oder eine Öffnung vorzusehen, der oder die dazu bestimmt ist, einen Anker unterzubringen, welcher an einem Zahn anzuordnen ist, um das Manipulieren des Zahnes in einer Weise zu ermöglichen, die den Anker erfordert, z. B. relativ zu dem Kiefer angehoben zu werden.
  • [0088]
    Einige Verfahren zum Herstellen der Zahnrepositioniervorrichtungen erfordern, dass die gesonderten repositionierten Zähne und andere Bestandteile in einer einzigen kontinuierlichen Struktur zusammengeschlossen werden, um die Herstellung zu ermöglichen. In diesen Fällen werden "Wachsstücke" verwendet, um getrennte bzw. losgelöste Bestandteile der INTDDSs anderweitig anzubringen. Diese Stücke werden dem Datensatz unterhalb der Zähne und oberhalb des Gummis hinzugefügt, so dass sie nicht die Geometrie der Zahnrepositioniervorrichtungen beeinflussen. Die Anwendungssoftware ist für eine Vielzahl von Wachsstücken vorgesehen, die zu dem Modell hinzuzufügen sind, einschließlich Boxen und Kugeln mit einstellbaren Abmessungen. Die Wachsstücke, die hinzugefügt werden, werden durch die Software als zusätzliche Stücke der Geometrie, die mit allen anderen Geometrien identisch sind, behandelt. Folglich können die Wachsstücke während des Behandlungsweges ebenso gut wie die Zähne und andere Bestandteile repositioniert werden. Das bevorzugte Verfahren des Trennens der Zähne, wobei vertikales Entkernen verwendet wird, wie dies vorstehend beschrieben ist, beseitigt die Notwendigkeit für die meisten dieser "Wachsstücke".
  • [0089]
    Bei dem Herstellungsverfahren, das sich auf die Erzeugung des Positivmodells stützt, um die Repositioniervorrichtung herzustellen, wird das Hinzufügen eines Wachsstückes zu dem graphischen Modell eine Positivform erzeugen, die dieselbe hinzugefügte Wachsstück-Geometrie hat. Weil die Form ein Positiv der Zähne ist und die Vorrichtung ein Negativ der Zähne ist, wird, wenn die Vorrichtung über der Form ausgebildet wird, die Vorrichtung ebenfalls um das Wachsstück herum ausgebildet, das der Form hinzugefügt worden ist. Wenn sie in den Mund des Patienten eingepasst wird, wird die Vorrichtung folglich einen Raum zwischen der inneren Kavitätsoberfläche der Vorrichtung und den Zähnen des Patienten oder Gummis ermöglichen. Zusätzlich kann das Wachsstück verwendet werden, um eine Aussparung oder Öffnung innerhalb der Vorrichtung auszubilden, die mit einem Anker in Eingriff ist, der an den Zähnen ausgebildet ist, um die Zähne in Richtungen zu bewegen, was nicht anderweitig erreicht werden könnte.
  • [0090]
    Zusätzlich zu derartigen Wachsstücken kann ein einzelner Bestandteil, üblicherweise ein Zahn, maßstäblich in ein kleineres oder größeres Format verändert werden, was in einer hergestellten Vorrichtung resultiert, die jeweils einen festeren oder loseren Sitz hat.
  • [0091]
    Die Behandlungsplanung ist extrem flexibel im Definieren der Bewegung der Zähne und anderer Bestandteile. Der Anwender kann die Anzahl der Behandlungsstufen ändern, ebenso gut wie den Weg und die Geschwindigkeit der Bestandteile einzeln steuern.
  • [0092]
    Anzahl der Behandlungsstufen: Der Anwender kann die Anzahl der gewünschten Behandlungsstufen von dem anfänglichen zu den Zielzuständen der Zähne ändern. Irgendeinem Bestandteil, das nicht bewegt wird, wird unterstellt, ortsfest zu bleiben, und somit wird angenommen, dass seine schließliche Position dieselbe ist wie die anfängliche Position (ebenso für alle Zwischenpositionen, sofern nicht ein oder mehrere Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen für diesen Bestandteil definiert werden).
  • [0093]
    Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen: Der Anwender kann ebenfalls "Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen" durch Auswählen eines Zwischenzustandes spezifizieren und Änderungen der Bestandteilposition(en) bewirken. Sofern sie nicht anderweitig angewiesen wird, interpoliert die Software automatisch linear zwischen allen anwenderspezifizierten Positionen (einschließlich der anfänglichen Position, aller Schlüssel- bzw. Lösungs- oder Ergebnisrahmenpositionen und der Zielposition). Zum Beispiel, wenn nur eine schließliche Position für ein spezielles Bestandteil definiert ist, wird jede nachfolgende Stufe nach der anfänglichen Stufe einfach das Bestandteil eines gleichen linearen Abstandes und Drehung (spezifiziert durch ein Quaternion) näher zu der schließlichen Position zeigen. Wenn der Anwender zwei Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen für das Bestandteil spezifiziert, wird es sich linear von der anfänglichen Position durch unterschiedliche Stufen zu der Position "bewegen", die durch den ersten Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen definiert ist. Es wird sich dann, möglicherweise in einer unterschiedlichen Richtung, linear zu der Position bewegen, die durch den zweiten Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen definiert ist. Schließlich wird es sich, möglicherweise in noch einer anderen Richtung, linear zu der Zielposition bewegen.
  • [0094]
    Der Anwender kann ebenfalls nichtlineare Interpolation zwischen den Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen spezifizieren. Eine Kurvenlineal-Krümmung wird verwendet, um die Interpolationsfunktion in einer herkömmlichen Weise zu spezifizieren.
  • [0095]
    Diese Vorgänge können unabhängig von jedem Bestandteil ausgeführt werden, so dass ein Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen für ein Bestandteil nicht einen anderen Bestandteil beeinflussen wird, sofern nicht der andere Bestandteil ebenfalls durch den Anwender in diesem Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen bewegt wird. Ein Bestandteil kann entlang einer Krümmung zwischen Stufen 3 und 8 beschleunigt werden, während sich ein anderes linear von Stufe 1 zu 5 bewegt und dann plötzlich die Richtung ändert und sich entlang eines linearen Weges zu Stufe 10 verlangsamt. Diese Flexibilität ermöglicht eine große Freiheit in der Handlungsweise beim Planen der Behandlung eines Patienten.
  • [0096]
    Bei einem Ausführungsbeispiel bestimmt die Software auf der Grundlage des IDDS und des FDDS den Behandlungsweg automatisch. Dies wird üblicherweise durch das Verwenden eines Weg-Zeit-Plan-Algorithmus erreicht, der den Anteil bestimmt, mit dem sich jeder Bestandteil, das heißt ein Zahn entlang eines geraden Weges von der anfänglichen Position zu der schließlichen Position bewegt. Der Weg-Zeit-Plan-Algorithmus, der von der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bestimmt den Behandlungsweg, während "Rundreisen" vermieden werden, was der Ausdruck ist, der von Kieferorthopäden verwendet wird, um das Bewegen eines Zahnes entlang eines Abstandes zu bezeichnen, der größer als der absolut notwendige ist, um die Zähne gerade zu richten. Derartige Bewegung ist höchst unerwünscht und hat mögliche negative Nebenwirkungen auf den Patienten. Um "Rundreisen" zu vermeiden, plant oder stuft der Weg-Zeit-Plan-Algorithmus die Bewegungen aller Zähne ein, indem sie auf den kürzesten geradlinigen Weg zwischen der anfänglichen und der schließlichen Position gedrängt werden, während alle Störungen zwischen separaten Zähnen vermieden werden.
  • [0097]
    Der Weg-Zeit-Plan-Algorithmus verwendet eine wahlfreie bzw. direkte Suchtechnik, um einen ungehinderten Weg durch einen Aufbauraum zu finden, der mögliche Behandlungspläne beschreibt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Algorithmus zum Planen der Bewegung zwischen zwei benutzer-definierten umfassenden Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen wird nachstehend beschrieben. Die Planung über ein Zeitintervall, das die Zwischen-Schlüssel- bzw. -Lösungsrahmen enthält, wird durch Aufteilen des Zeitintervalls in Sub-Intervalle erreicht, die Zwischen-Schlüssel- bzw. – Lösungsrahmen nicht enthalten, wobei jedes dieser Intervalle unabhängig plant und dann die resultierenden Pläne verknüpft.
  • [0098]
    Ablaufplan 120 in 8A stellt einen vereinfachten Weg-Zeit-Plan-Algorithmus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 8A gezeigt ist, bezieht der erste Schritt 122 den Aufbau der "Aufbauraum"-Beschreibung ein. Ein "Aufbau" in diesem Zusammenhang bezieht sich auf einen vorgegebenen Satz der Positionen all der Zähne, die für Bewegung in Betracht gezogen werden. Jede dieser Positionen kann auf vielfache Weise beschrieben werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Positionen durch eine affine bzw. Neigungsumgestaltung, um die Änderung bei der Lage zu spezifizieren, und eine drehende Umgestaltung beschrieben, um die Änderung bei der Ausrichtung eines Zahnes von seiner anfänglichen Position zu seiner schließlichen Position zu spezifizieren. Die Zwischenpositionen von jedem Zahn werden durch ein Paar Zahlen beschrieben, die spezifizieren, inwieweit die Lage und die Ausrichtung zwischen den zwei Endpunkten zu interpolieren sind. Ein "Aufbau" besteht folglich aus zwei Zahlen für jeden zu bewegenden Zahn und der "Aufbauraum" bezieht sich auf den Raum aller derartiger Zahlenpaare. Folglich ist der Aufbauraum ein kartesischer Raum, und zwar irgendeine Lage, in der interpretiert bzw. ausgelegt werden kann, wie die Positionen aller Zähne zu spezifizieren sind.
  • [0099]
    Die affine bzw. Neigungsumgestaltung, die die Bewegung jedes Zahnes von seiner Anfangsposition zu seiner Endposition beschreibt, wird in seine Translations- und Rotationsbestandteile aufgelöst bzw. zerlegt; diese Umgestaltungen werden unabhängig mit skalaren Parametern interpoliert, die als zwei Dimensionen des Aufbauraumes betrachtet werden. Der gesamte Aufbauraum besteht folglich aus zwei Dimensionen pro bewegtem Zahn, wobei alle von diesen gleichwertig während der nachfolgenden Suche behandelt werden.
  • [0100]
    Der Aufbauraum wird aus "Freiraum" und "blockiertem Raum" gebildet. "Freier" Aufbau ist jener, der zulässige, physikalisch realisierbare Positionen der Zähne verkörpert bzw. darstellt, während "blockierter" Aufbau jener ist, welcher dies nicht erfüllt. Um zu bestimmen, ob ein Aufbau frei oder blockiert ist, wird ein Modell für die Positionen der Zähne erzeugt, das den Aufbau beschreibt. Ein Kollisionserfassungsalgorithmus wird dann angewendet, um zu bestimmen, ob sich irgendwelche der Geometrien, die die Zahnoberflächen beschreiben, schneiden. Wenn es keine Blockierungen gibt, wird der Raum frei betrachtet; anderweitig ist er blockiert. Der Kollisionserfassungsalgorithmus wird nachstehend ausführlicher erörtert.
  • [0101]
    Bei Schritt 124 ist eine "Sichtbarkeits"-Funktion V(s1, s2) definiert, die zwei Vektoren in dem Aufbauraum beansprucht, und zwar "s1" und "s2" als Eingabe und Rückkehr eines wahren oder falschen Booleschen Wertes. Die Sichtbarkeitsfunktion kehrt als ein wahrer Wert zurück, wenn, und nur wenn, ein gerader Linienweg, der s1 und s2 verbindet, völlig durch einen freien und unblockierten Bereich des Aufbauraumes geht. Ein bevorzugter Algorithmus für die Sichtbarkeitsfunktion ist in 8B dargelegt. Die Sichtbarkeitsfunktion wird näherungsweise durch das Testen des Zahnmodells auf Beeinträchtigungen bei diskret abgetasteten Punkten entlang der Linie s1–s2 berechnet. Techniken, derart wie frühe Beendigung bei Störung oder Wählen der Reihenfolge der Abtastpunkte bei rekursivem Unterteilen des zu testenden Intervalls können angewendet werden, um die Effizienz der Sichtbarkeitsfunktion zu erhöhen.
  • [0102]
    Bei Schritt 126 von 8A wird eine "Kinder"-Funktion C(s) definiert, deren Eingabeparameter "s" ein Vektor in dem Aufbauraum ist und der einen Satz Vektoren "sc" in den Aufbauraum zurücksendet. 8C stellt einen vereinfachten Ablaufplan dar, der die Schritte veranschaulicht, die zum Berechnen der Kinderfunktion C(s) folgen. Jeder Vektor innerhalb des Satzes sc erfüllt die Eigenschaft, dass V(s, sc) wahr ist und dass jedes seiner Bestandteile größer als oder gleich dem entsprechenden Bestandteil "s" ist. Dies bedeutet, dass irgendein Zustand, der durch einen derartigen Vektor dargestellt wird, von "s" erreichbar ist, ohne irgendeiner Beeinträchtigung zu begegnen und ohne Ausführen irgendeiner Bewegung, die nicht in der Richtung ist, die durch die Behandlung vorgeschrieben wird. Jeder Vektor des Satzes "sc" wird durch Abweichen bzw. Stören jedes Bestandteiles von "s" durch irgendeinen zufälligen positiven Wert erzeugt. Die Sichtbarkeitsfunktion V(s, sc) wird dann berechnet und "s" zu dem Satz "sc" addiert, wenn die Sichtbarkeitsfunktion zu einem wahren Booleschen Wert zurückkehrt. Zusätzlich wird für jeden derartig erzeugten Vektor ein Zeiger für seinen Vorgänger "s" für späteren Gebrauch aufgezeichnet.
  • [0103]
    Nachdem der Aufbauraum definiert worden ist, wird in Schritt 128 ein Weg-Zeit-Plan zwischen einem anfänglichen Zustand "sanf" und einem schließlichen Zustand "ssehl" ausgeführt. 8D stellt einen bevorzugten Ablaufplan zum Ausführen des Schrittes 128 dar, der in 8A dargestellt ist. Wie in 8D dargestellt ist, ist bei Schritt 128a ein Satz der Zustände "W" definiert, um anfänglich nur den anfänglichen Zustand sanf zu enthalten. Als Nächstes wird in Schritt 128b die Sichtbarkeitsfunktion aufgerufen, um zu bestimmen, ob V(s, ssehl) für zumindest einen Zustand si in W wahr ist. Wenn die Sichtbarkeitsfunktion bei Schritt 128c zu einem falschen Booleschen Wert zurückkehrt, wird der Satz von Zuständen "W" durch die Vereinigung von C(sc) für alle si in W ersetzt. Schritte 128b und 128c werden wiederholt, bis V(sc, ssehl) zu einem wahren Booleschen Wert für irgendein si zurückkehrt, das zu W gehört.
  • [0104]
    Bei Schritt 128d wird für jedes si, für das V(sc, ssehl) wahr ist, ein ungehinderter Weg Pi aus si zu sanf durch Verfolgen des Vorgängerzeigers zurück zu sanf aufgebaut. Bei Schritt 128e wird der Weg von sanf zu ssehl dann durch Verknüpfen der Wege Pi mit dem schließlichen Schritt von si zu ssehl aufgebaut. Wenn es mehrere Wege von sanf zu ssehl gibt, wird die Gesamtlänge jedes Weges in Schritt 128f berechnet. Schließlich wird dann in Schritt 128g der Weg mit der kürzesten Länge als der schließliche Weg gewählt. Die Länge des gewählten Weges entspricht der Gesamtzeit und den Stufen, die für einen Behandlungsplan erforderlich sind.
  • [0105]
    Der resultierende schließliche Weg besteht aus einer Serie Vektoren, wobei jeder von ihnen eine Gruppe von Werten der Interpolationsparameter der Translations- und Rotationsbestandteile der Umgestaltungen der Bewegungszähne darstellt. Zusammengenommen bilden diese einen Zeitplan der Zahnbewegung, der Zahn-zu-Zahn-Störungen vermeidet.
  • [0106]
    Kollisionserfassungsalgorithmus: Der Kollisions- oder Störungserfassungsalgorithmus, der von der vorliegenden Erfindung verwendet wird, steht auf der Grundlage der Algorithmen, die in dem SIGGRAPH-Artikel, Stefan Gottschalk u. a. (1996), "OBBTree: A Hierarchical Structure for Rapid Interference Detection", beschrieben sind. Der Inhalt des SIGGRAPH-Artikels wird hier durch Bezugnahme einbezogen.
  • [0107]
    Der Algorithmus dreht sich um eine rekursive Sub-Division bzw. Unterteilung des Raumes, der durch einen Gegenstand besetzt ist, der in einer Binärbaum-ähnlichen Weise aufgebaut ist. Dreiecke werden verwendet, um die Zähne in dem DDS darzustellen. Jeder Knoten des Baumes ist auf eine ausgerichtete Begrenzungsbox (OBB) bezogen und enthält eine Untermenge von Dreiecken, die bei dem Vorgänger des Knotens erscheinen. Die Nachfolger eines Vorgängerknotens enthalten zwischen ihnen all die Dreiecksdaten, die in dem Vorgängerknoten gespeichert sind.
  • [0108]
    Die Begrenzungsbox eines Knotens ist so ausgerichtet, dass sie fest um alle die Dreiecke in dem Knoten passt. Blattknoten bei dem Baum enthalten idealerweise ein einziges Dreieck, aber können möglicherweise mehr als ein Dreieck enthalten. Das Erfassen der Kollisionen zwischen zwei Gegenständen bezieht das Bestimmen ein, ob sich die OBB-Bäume der Gegenstände schneiden. 9A stellt einen Ablaufplan dar, der eine vereinfachte Version eines rekursiven Kollisionstestes darstellt, um zu überprüfen, ob sich ein Knoten "N1" eines ersten Gegenstandes mit Knoten "N2" eines zweiten Gegenstandes schneidet. Wenn sich die OBBs der Wurzelknoten der Bäume überlappen, werden die Nachfolger der Wurzeln auf Überlappung überprüft. Der Algorithmus setzt sich in einer rekursiven Weise fort, bis die Blattknoten erreicht sind. An diesem Punkt wird eine robuste Dreiecksüberschneidungsroutine angewendet, um zu bestimmen, ob die Dreiecke an den Blättern in eine Kollision einbezogen werden.
  • [0109]
    Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Verbesserungen für den Kollisionserfassungsalgorithmus vor, der in dem SIGGRAPH-Artikel beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung ein einzigartiges Verfahren des Aufbauens von OBB-Bäumen in einer trägen Weise vor, um Speicher und Zeit einzusparen. Dieser Denkansatz stammt von der Beobachtung, dass es Teile des Modells gibt, die niemals in eine Kollision einbezogen werden und folglich der OBB-Baum für derartige Teile des Modells nicht berechnet zu werden braucht. Die OBB-Bäume werden durch Aufteilen der inneren Knoten des Baumes ausgedehnt, wenn es während des rekursiven Kollisionsbestimmungsalgorithmus notwendig ist, wie dies in 9B dargestellt ist.
  • [0110]
    Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Dreiecke in dem Modell, welche nicht für Kollisionsdaten erforderlich sind, ebenfalls spezifisch von der Überlegung ausgeschlossen werden, wenn ein OBB-Baum aufgebaut wird. Wie dies in 9C dargestellt ist, werden zusätzliche Informationen für den Kollisionsalgorithmus vorgesehen, um Gegenstände in Bewegung zu spezifizieren. Bewegung kann auf zwei Niveaus betrachtet werden. Gegenstände können begrifflich als "beweglich" in einem allgemeinen Sinn gefasst werden, oder sie können als "beweglich" relativ zu anderen Gegenständen begrifflich gefasst werden. Die zusätzlichen Informationen verbessern die Zeitdauer, die für die Kollisionserfassung benötigt wird, und zwar durch Vermeiden von Wiederberechnung der Kollisionsinformationen zwischen Gegenständen, welche in Ruhe relativ zueinander sind, weil sich der Zustand der Kollision zwischen derartigen Objekten nicht ändert.
  • [0111]
    Die Software der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls einbezogen werden, und der Anwender kann an irgendeinem Punkt ein "Film"-Merkmal verwenden, um automatisch die Bewegung von anfänglichen zu Zielzuständen zu animieren. Dies ist zum Sichtbarmachen der gesamten Bestandteilbewegung während des gesamten Behandlungsverfahrens hilfreich.
  • [0112]
    Vorstehend wurde beschrieben, dass die bevorzugte Benutzerschnittstelle für die Bestandteilidentifikation eine dreidimensionale interaktive GUI ist. Eine dreidimensionale GUI ist ebenfalls für die Bestandteil-Manipulation bevorzugt. Eine derartige Schnittstelle versieht den Behandlungsfachmann oder Anwender mit sofortiger und bildlicher Wechselwirkung der digitalen Modellbestandteile. Es ist bevorzugt gegenüber Schnittstellen, die nur einfache Befehle auf niedrigem Niveau zum Anweisen des Computers ermöglichen, um einen speziellen Abschnitt zu manipulieren. Mit anderen Worten wird eine GUI, die für Manipulation angepasst ist, gegenüber einer Schnittstelle bevorzugt, die nur Anweisungen der Art empfängt, z. B.: "Versetze diesen Bestandteil mit 0,1 mm nach rechts" . Derartige Befehle von niedrigem Niveau sind für die Feineinstellung brauchbar, aber wenn sie die einzige Schnittstelle wäre, würde das Verfahren der Bestandteilmanipulation eine ermüdende und zeitaufwändige Wechselwirkung werden.
  • [0113]
    Vor oder während des Manipulationsverfahrens können ein oder mehrere Zahnbestandteile mit Schablonenmodellen der Zahnwurzeln vergrößert werden. Die Manipulation eines vergrößerten Zahnmodells mit einer Wurzelschablone ist z. B. bei Situationen brauchbar, wo der Zusammenprall von Zähnen unterhalb der Gummilinie betroffen ist. Diese Schablonenmodelle könnten z. B. eine digitalisierte Darstellung der Röntgenaufnahmen von den Zähnen des Patienten aufweisen.
  • [0114]
    Die Software ermöglicht ebenfalls das Hinzufügen von Anmerkungen zu den Datensätzen, die Text und/oder die Nummer der Reihenfolge der Vorrichtung aufweisen können. Die Anmerkung wird als ausgebuchteter bzw. geprägter Text (das heißt es ist 3D-Geometrie) hinzugefügt, so dass er auf dem gedruckten Positivmodell erscheinen wird. Wenn die Anmerkung an einem Teil des Mundes angeordnet werden kann, der durch eine Repositioniervorrichtung abgedeckt wird, aber für die Zahnbewegung unwichtig ist, kann die Anmerkung an der bzw. an den gelieferten Repositioniervorrichtung bzw. Repositioniervorrichtungen erscheinen.
  • [0115]
    Die vorstehend beschriebene Bestandteilidentifikations- und Bestandteilmanipulationssoftware ist so gestaltet, um mit einer Vervollkommnung entsprechend des Ausbildungsniveaus des Anwenders zu arbeiten. Zum Beispiel kann die Bestandteilmanipulationssoftware einen Computerbediener unterstützen, dem kieferorthopädische Ausbildung fehlt, und zwar durch Vorsehen der Rückmeldung bezüglich zulässiger und unerlaubter Manipulationen der Zähne. Andererseits kann ein Kieferorthopäde, der größeres Fachkönnen bei intraoraler Physiologie und Zahnbewegungsdynamik hat, die Bestandteilidentifikations- und Manipulationssoftware als ein Hilfsmittel verwenden und die Anzeige abschalten oder anderweitig ignorieren.
  • [0116]
    Wenn die Zwischen- und schließlichen Datensätze erzeugt worden sind, können die Vorrichtungen hergestellt werden, wie dies in 10 dargestellt ist. Bevorzugte Herstellungsverfahren werden eine Rapid-Prototyping-Vorrichtung 200, derart wie eine Stereolithographie-Maschine, verwenden. Eine besonders geeignete Rapid-Prototyping-Maschine ist Modell SLA-250/50, die von 3D System, Valencia, California, erhältlich ist. Die Rapid-Prototyping-Maschine 200 wird selektiv ein flüssiges oder nicht gehärtetes Harz in einem dreidimensionalen Aufbau härten, der von dem verbleibenden, nicht gehärteten Harz getrennt, gewaschen und direkt entweder als die Vorrichtung oder indirekt als eine Form zum Herstellen der Vorrichtung verwendet werden kann. Die Prototyping-Maschine 200 wird die einzelnen digitalen Datensätze aufnehmen und einen Aufbau entsprechend zu jeder der gewünschten Vorrichtungen erzeugen. Im Allgemeinen wird es bevorzugt, weil die Rapid-Prototyping-Maschine 200 ein Harz verwenden kann, das nichtoptimale mechanische Eigenschaften hat und welches im Allgemeinen nicht für den Gebrauch des Patienten akzeptabel ist, die Prototyping-Maschine zum Herstellen der Formen zu verwenden, welche in der Wirkung Positiv-Zahnmodelle von jeder aufeinander folgenden Stufe der Behandlung sind. Nachdem die Positiv-Modelle vorbereitet worden sind, kann eine herkömmliche Druck- oder Unterdruck-Formmaschine verwendet werden, um die Vorrichtungen aus einem geeigneteren Material herzustellen, derart wie dentales 0,76 mm (0,03 Inch) Thermoformmaterial, das von Tru-Tain Plastics, Rochester, Minnesota 55902, erhältlich ist. Geeignete Druckformausrüstung ist unter dem Handelsnamen BIOSTAR von Great Lakes Orthodontics, Ltd., Tonawanda, New York 14150, erhältlich. Die Formmaschine 250 stellt jede der Vorrichtungen direkt aus dem positiven Zahnmodell und dem gewünschten Material her. Geeignete Unterdruckformmaschinen sind von Raintree Essix, Inc. erhältlich.
  • [0117]
    Nach der Herstellung werden mehrere Vorrichtungen, die das System der vorliegenden Erfindung aufweisen, bevorzugt alle zu einer Zeit an den Behandlungsfachmann geliefert. Die Vorrichtungen werden in irgendeiner Weise, typischerweise der Reihe nach nummeriert, und zwar direkt auf die Vorrichtungen oder auf Aufkleber, Beutel oder andere Gegenstände, die an jeder Vorrichtung befestigt sind oder die diese umschließen, um ihre Reihenfolge der Verwendung zu bezeichnen. Optional können geschriebene Anweisungen das System begleiten, die darstellen, dass der Patient die einzelnen Vorrichtungen in der Reihenfolge zu tragen hat, die auf den Vorrichtungen oder sonst wo an der Verpackung markiert ist. Die Verwendung der Vorrichtungen in einer derartigen Weise wird die Zähne des Patienten zu der schließlichen Zahnanordnung voranschreitend repositionieren.
  • [0118]
    11 ist ein vereinfachtes Blockschema eines Datenverarbeitungssystems 300, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Das Datenverarbeitungssystem 300 enthält üblicherweise wenigstens einen Rechner 302, der mit einer Anzahl peripherer Vorrichtungen über Bus-Subsystem 304 in Verbindung steht bzw. kommuniziert. Diese peripheren Vorrichtungen enthalten üblicherweise ein Speicherungs-Subsystem 306 (Speicher-Subsystem 308 und Kartei-Speicherungs-Subsystem 314), einen Satz von Benutzerschnittstelle-Eingabe- und -Ausgabeeinrichtungen 318 und eine Schnittstelle zu äußeren Netzwerken 316, einschließlich des zugeschalteten öffentlichen Fernsprechnetzes. Diese Schnittstelle ist schematisch als "Modem- und Netzwerkschnittstelle"-Block 316 gezeigt und ist über Kommunikationsnetzwerkschnittstelle 324 mit entsprechenden Schnittstelleneinrichtungen in anderen Datenverarbeitungssystemen gekoppelt. Datenverarbeitungssystem 300 könnte ein Terminal oder ein einfacher Personal-Computer oder ein hochwertiger Personal-Computer, Workstation oder Großrechner sein.
  • [0119]
    Die Benutzerschnittstellen-Eingabeeinrichtungen enthalten üblicherweise eine Tastatur und können ferner ein Zeigegerät und einen Scanner enthalten. Das Zeigegerät kann ein indirektes Zeigegerät, derart wie eine Maus, Rollkugel, Touchpad bzw. Berührungsfeld oder Graphiktablett, oder ein direktes Zeigegerät, derart wie ein Berührungsbildschirm sein, der in der Anzeige eingebaut ist. Andere Typen von Benutzerschnittstellen-Eingabeeinrichtungen, derart wie Spracherkennungssysteme, sind ebenfalls möglich.
  • [0120]
    Benutzerschnittstellen-Ausgabeeinrichtungen enthalten üblicherweise einen Drucker und ein Anzeige-Subsystem, welches eine Anzeigesteuerung und eine Anzeigeeinrichtung aufweist, die mit der Steuerung gekoppelt sind. Die Anzeigeeinrichtung kann eine Kathodenstrahlröhre (CRT), eine Flachbildschirmvorrichtung, derart wie eine Flüssigkristallanzeige (LCD) oder eine Projektionsvorrichtung sein. Das Anzeige-Subsystem kann ebenfalls nicht sichtbare Anzeige, derart wie Tonausgabe, sein.
  • [0121]
    Das Speicherungs-Subsystem 306 behält die grundlegende Programmierung und die eingerichteten Daten bei, die die Funktionalität der vorliegenden Erfindung vorsehen. Die Softwaremodule, die vorstehend erörtert worden sind, werden üblicherweise in dem Speicherungs-Subsystem 306 gespeichert. Das Speicherungs-Subsystem 306 weist üblicherweise das Speicher-Subsystem 308 und das Kartei-Speicherungs-Subsystem 314 auf.
  • [0122]
    Das Speicher-Subsystem 308 enthält üblicherweise eine Anzahl von Speichern, einschließlich eines Direktzugriffsspeichers (RAM) 310 zum Speichern der Anweisungen und Daten während des Programmablaufes, und einen Festwertspeicher (ROM) 312, in dem die festgelegten Anweisungen gespeichert sind. In dem Fall der Macintoshkompatiblen Personal-Computer würde der ROM Abschnitte des Bediensystems enthalten; in dem Fall von IBM-kompatiblen Personal-Computern würde dieser das BIOS (Basisdatenaustauschsystem) enthalten.
  • [0123]
    Das Karteispeicherungs-Subsystem 314 sieht beständige (permanente) Speicherung für Programm und Datenbestände vor und enthält üblicherweise wenigstens ein Festplattenlaufwerk und wenigstens ein Diskettenlaufwerk (mit verbundenen entfernbaren Medien). Es kann ebenfalls andere Laufwerke geben, derart wie ein CD-ROM-Laufwerk und optische Laufwerke (alle mit ihren verbundenen entfernbaren Medien). Zusätzlich kann das System Laufwerke des Typs mit entfernbaren Medienkassetten enthalten. Die entfernbaren Medienkassetten können z. B. Festplattenkassetten sein, derart wie diese, die von Syquest und anderen verkauft werden, und flexible Plattenkassetten, derart wie diese, die von Iomega verkauft werden. Ein oder mehrere Laufwerke können an einem entfernten Einsatzort gelegen sein, derart wie bei einem Server an einem lokalen Datennetz oder bei einer Website des World Wide Web des Internets.
  • [0124]
    In diesem Zusammenhang wird der Begriff "Bus-Subsystem" allgemein verwendet, um irgendeinen Mechanismus zu enthalten, um die verschiedenen Bestandteile und Subsysteme miteinander kommunizieren zu lassen, wie dies beabsichtigt ist. Mit der Ausnahme der Eingabeeinrichtungen und der Anzeige erfordern die anderen Bestandteile nicht, an demselben physikalischen Ort zu sein. Folglich könnten z. B. Abschnitte des Karteispeicherungssystems über verschiedene lokale oder weiträumige Datennetzmedien, einschließlich Telefonleitungen, verbunden werden. In ähnlicher Weise erfordern die Eingabeeinrichtungen und die Anzeige nicht, an demselben Ort wie der Rechner zu sein, obwohl es erwartet wird, dass die vorliegende Erfindung am häufigsten in dem Zusammenhang von PCs und Workstations eingebaut wird.
  • [0125]
    Bus-Subsystem 304 ist schematisch als ein einziger Bus gezeigt, aber ein typisches System hat eine Anzahl von Bussen, derart wie ein örtlicher Bus und ein oder mehrere externe Busse (z. B. ADB, SCSI, ISA, EISA, MCA, NuBus oder PCI), ebenso gut wie serielle und parallele Anschlüsse. Netzwerkverbindungen werden üblicherweise durch eine Vorrichtung, derart wie ein Netzwerkadapter, an einem dieser externen Busse oder einem Modem an einem seriellen Anschluss eingerichtet. Der Client- bzw. Kundencomputer kann ein Desktop-System oder ein transportierbares System sein.
  • [0126]
    Der Scanner 320 ist für das Scannen der Abgüsse der Zähne des Patienten zuständig, die entweder von dem Patienten oder von einem Kieferorthopäden erhalten werden, und stellt die gescannten digitalen Datensatzinformationen dem Datenverarbeitungssystem 300 für weitere Verarbeitung zur Verfügung. In einer dezentralisierten Umgebung kann der Scanner 320 an einem entfernten Einsatzort gelegen sein und gescannte digitale Datensatzinformationen zu dem Datenverarbeitungssystem 300 über Netzwerkschnittstelle 324 übermitteln.
  • [0127]
    Die Herstellungsmaschine 322 stellt dentale Vorrichtungen auf der Grundlage dazwischen liegender und schließlicher Datensatzinformationen her, die von dem Datenverarbeitungssystem 300 erhalten werden. Bei einer dezentralisierten Umgebung kann die Herstellungsmaschine 322 an einem entfernten Einsatzort gelegen sein und die Datensatzinformationen von dem Datenverarbeitungssystem 300 über Netzwerkschnittstelle 324 empfangen bzw. aufnehmen.
  • [0128]
    Das Vorstehende ist eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Deshalb sollte die vorstehende Beschreibung nicht als Beschränkung des Schutzbereiches der Erfindung aufgenommen werden, die durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.

Claims (26)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines digitalen Datensatzes, der eine schließliche Zahnanordnung darstellt, wobei das Verfahren aufweist: ein anfänglicher digitaler Datensatz wird zur Verfügung gestellt, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt; ein visuelles Bild aufgrund des anfänglichen Datensatzes wird dargestellt; das visuelle Bild wird manipuliert, um individuelle Zähne in dem visuellen Bild zu repositionieren; und ein schließlicher digitaler Datensatz wird erzeugt, der die schließliche Zahnanordnung mit repositionierten Zähnen darstellt, wie sie in dem Bild zu beobachten sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zur Bereitstellung eines digitalen Datensatzes, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, das Abtasten eines dreidimensionalen Modells von Zähnen eines Patienten umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Manipulationsschritt aufweist: Grenzen von zumindest einigen der einzelnen Zähne werden festgelegt; und zumindest einige der Zahngrenzen werden relativ zu den anderen Zähnen in einem Bild auf der Grundlage des digitalen Datensatzes bewegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, um mehrere digitale Datensätze zu erzeugen, die eine Serie von diskreten Zahnanordnungen darstellen, die von einer anfänglichen zu einer schließlichen Anordnung voranschreiten, wobei das Verfahren ferner aufweist: mehrere aufeinanderfolgende digitale Datensätze werden auf der Grundlage der bereitgestellten digitalen Datensätze erzeugt, wobei die mehreren der digitalen Datensätze eine Serie bzw. Reihe von aufeinanderfolgenden Zahnanordnungen darstellen, die von der anfänglichen Zahnanordnung zu der schließlichen Zahnanordnung voranschreiten.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines digitalen Datensatzes, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, das Scannen eines dreidimensionalen Modells von Zähnen eines Patienten umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines digitalen Datensatzes, der eine schließliche Zahnanordnung darstellt, aufweist: Grenzen über zumindest einige der einzelnen Zähne werden festgelegt; und zumindest einige der Zahngrenzen werden relativ zu Zähnen in einem Bild auf der Grundlage des digitalen Datensatzes bewegt, um den schließlichen Datensatz zu erzeugen.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt zum Erzeugen mehrerer aufeinanderfolgender digitaler Datensätze umfasst, das Positionsunterschiede zwischen dem anfänglichen Datensatz und dem schließlichen Datensatz bestimmt werden und die Unterschiede interpoliert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Interpolationsschritt eine lineare Interpolation umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Interpolationsschritt eine nicht lineare Interpolation umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner aufweist, das einer oder mehrere Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen zwischen der anfänglichen Zahnanordnung und der schließlichen Zahnanordnung festgelegt werden und zwischen den Schlüssel- bzw. Lösungs- oder Ergebnisrahmen interpoliert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, das ferner aufweist, das Vorrichtungen auf der Grundlage von zumindest einigen der erzeugten digitalen Datensätze hergestellt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zur Bereitstellung eines digitalen Datensatzes, der eine anfängliche Zahnanordnung darstellt, das Abtasten bzw. Scannen eines dreidimensionalen Modells von Zähnen eines Patienten umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zur Bereitstellung eines digitalen Datensatzes, der eine schließliche Zahnanordnung darstellt, umfasst: Grenzen von zumindest einigen der einzelnen Zähne werden festgelegt; und zumindest einige der Zahngrenzen werden relativ zu den anderen Zähnen in einem Bild auf der Grundlage des digitalen Datensatzes bewegt, um den schließlichen Datensatz zu erzeugen.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Erzeugen von mehreren aufeinanderfolgenden digitalen Datensätzen die Bestimmung von Positionsunterschieden zwischen dem anfänglichen Datensatz und dem schließlichen Datensatz und die Interpolation zwischen den Unterschieden umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Interpolationsschritt eine lineare Interpolation umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Interpolationsschritt eine nicht lineare Interpolation umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner aufweist die Festlegung von einem oder mehreren Schlüssel- bzw. Lösungsrahmen zwischen der anfänglichen Zahnanordnung und der schließlichen Zahnanordnung und das Interpolieren zwischen den zwei Schlüssel- bzw. Lösungs- oder Ergebnisrahmen.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Herstellungsschritt umfasst: eine Herstellungsmaschine wird auf der Grundlage der aufeinanderfolgenden digitalen Datensätze gesteuert, um aufeinanderfolgende positive Modelle der aufeinanderfolgenden Zahnanordnungen herzustellen; und die dentale Vorrichtung wird als ein Negativ des positiven Modells erzeugt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt zum Steuern umfasst: ein Volumen eines nicht gehärteten polymeren Harzes wird bereitgestellt; und ein Laser scannt ab, um das Harz auf der Grundlage des digitalen Datensatzes selektiv zu einer Form zu härten, um das Positivmodell zu erzeugen.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Erzeugungsschritt das Modellieren bzw. Darstellen am Modell der Vorrichtung über das Positivmodell umfasst.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, das ferner umfasst: eine Herstellungsmaschine wird auf der Grundlage des schließlichen digitalen Datensatzes oder einem der mehreren aufeinanderfolgenden digitalen Datensätze gesteuert, um ein Positivmodell einer modifizierten Zahnanordnung zu erzeugen; und eine dentale Vorrichtung wird als ein Negativ des Positivmodells erzeugt.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt zum Steuern umfasst: ein Volumen eines nicht gehärteten polymeren Harzes wird bereitgestellt; ein Scanner scannt ab bzw. tastet ab, um das Harz auf der Grundlage des digitalen Datensatzes selektiv zu einer Form zu härten, um das Positivmodell zu erzeugen.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Herstellungsschritt das Darstellen der Vorrichtung am Modell über das Positivmodell umfasst.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, das ferner aufweist: ein zweiter digitaler Datensatz wird aus dem schließlichen digitalen Datensatz oder einem der mehreren aufeinanderfolgenden digitalen Datensätze erzeugt, wobei der zweite Datensatz ein Negativmodell einer modifizierten Zahnanordnung darstellt; und eine Herstellungsmaschine wird auf der Grundlage des zweiten digitalen Datensatzes gesteuert, um eine dentale Vorrichtung zu erzeugen.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt zum Steuern das selektive härten eines nicht gehärteten Harzes umfasst, um die Vorrichtung zu erzeugen und die Vorrichtung von dem verbleibenden flüssigen Harz zu trennen.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Vorrichtung eine polymere Schale bzw. einen polymeren Mantel aufweist, der eine Kavität hat, die geformt ist, um Zähne von einer anfänglichen Zahnanordnung zu der modifizierten Zahnanordnung aufzunehmen und flexibel zu repositionieren.
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