JP6635920B2 - バーチャル咬合器を作製するための顆状関節軸の位置の測定 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ援用、すなわち、バーチャル咬合器を製造するために、顎形状を測定する方法及びデバイスに関する。歯の修復を作り出す際に、歯列モデル並びに咬合器を使用する。コンピュータの支援（いわゆる「歯科用ＣＡＤ／ＣＡＭ」）により、例えば、セラミック修復を必要とするこれらの歯の修復を行う場合、コンピュータ援用モデルが必要である。

欧州特許第２ ２２９ ９１３ Ａ１号では、スキャナ及び電子記憶装置を用いて、歯科用モデルのコンピュータ処理可能な画像を作り出すためのデバイス及び方法を記述している。付帯する欠点は、顎が移動する可能性を考慮していない点、特に、顆状関節軸が記録されず、コンピュータ援用モデルで利用することができない点である。その結果、粉砕運動、咀嚼運動及び咬合運動をシミュレートすることができない。

また、この方法は、バーチャルモデルでの特定の既知の機械的咬合器のデータのみが提供されることが周知である。バーチャル咬合器は、機械的咬合器と同様に事前に定義が行われるため、上顎及び下顎モデルをバーチャル咬合器で使用させ得る前に、実際の上顎及び下顎モデルを機械的咬合器に適合させる方法により、アダプタ要素（例えば、石膏製）をさらに測定する必要がある。この文脈では、特に、バーチャルモデルにおいて、異なる要素（上顎モデル及び下顎モデル又は上顎用アダプタ及び下顎用アダプタ）の測定、並びに互いに対するこれらの配向により、重大な不正確さが生じる点が欠点である。

このプロセスでは、機械的咬合器寸法をデジタル化形状へ移行することは、以下のいくつかのステップで発生する。
１．機械的咬合器において、互いに対して適合する上顎モデル及び下顎モデル並びに機械的咬合器の顆状関節軸に対するアダプタ形状の配向の測定。
２．３Ｄ検出システム内で取り付けられた咬合器−等価アダプタ形状の３Ｄ検出システムに対する配向の測定。
３．咬合器−等価アダプタ形状に対する、３Ｄ検出システムに付属の上顎及び下顎モデルの撮像。

これらの２つの測定手技により、直接、咬合器形状に対する、また、結果的に顆状関節軸に対する上顎及び下顎モデルの位置が得られる。２つの測定手技は、各機械的咬合器に対して一回行う必要がある。この方法は、上述の処理連鎖にわたる誤差累積という欠点を有する。
○機械的咬合器の測定は、ユーザーによって限られた精度でのみ実施され得る場合に関与する。
○名目上の寸法を使用することにより、製造ばらつき、すなわち、特定の試験片の名目上の寸法からの逸脱が、処理連鎖に組み込まれる。
○いずれの場合においても、一般に、これにより、予想された形状が十分な正確性を有して作製されることはないため、咬合器中の切歯ピンの調整について、誤りがちなデータ依存性のコンピュータ補正を必要とする。上顎と下顎との間の比較的小さい接触域（接触点）を補正用に使用する必要があるため、この点は、重要である。接触域での誤差の影響は限定することができないか、又は加算平均又は異常値分析によって、わずかのみ制限され得る。
○３Ｄ検出システム内でのアダプタ形状の測定値は、誤りがちである。

本発明の問題点は、先行技術のコンピュータ支援歯列モデリングを改良する方法及びデバイスを呈する点である。

この問題点は、独立特許請求項の範囲の特性を有する発明によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に特徴を記述する。請求項のすべての用語は、援用によって本記述の全内容が組み込まれる。

各方法ステップは、以下にさらに詳細に記述される。これらのステップは、必ずしも示された順序で実施する必要はなく、また、記述された方法は、述べられていない追加のステップを有し得る。

問題点を解決するために、下顎及び／又は上顎に対する、ヒトの顎など、哺乳類の顎の顆状関節軸の位置を測定するために、以下のステップを含む本方法が提示される。
−閉口咬合位置で、上顎及び下顎の歯群の位置及び配向の頬側を撮像することと、
−顆状関節軸周囲で、下顎又は上顎が閉口咬合位置に対して角度１〜２０°、好ましくは、５〜１０°回転する位置において、上顎及び下顎の歯群の位置及び配向の頬側を撮像することと、
−撮像された位置及び配向から下顎及び／又は上顎の歯群に対する顆状関節軸の位置をコンピュータにより測定すること。

これによって、具体的には、例えば、特定の機械的咬合器又は任意のアダプタ要素の寸法又はそれらの配置など、専門的知識を所有する必要なく、個人の状況に適合する顆状関節軸の位置の測定が可能になる。頬側撮像は、患者又は例えば、機械的咬合器内で調節されたリアルモデルにおいて直接実施してもよい。原則として、すべての触覚又は光学測定技法、若しくはおそらくＸ線又は超音波技法が、撮像技術として使用され得る。

さらに、問題点を解決するために顎及び付随する歯列用のバーチャル咬合器を作製する方法が提案され、その方法は以下のステップを有する。
−上顎の歯群のバーチャルモデルを撮像することと、
−下顎の歯群のバーチャルモデルを撮像することと、
−下顎及び／又は上顎のバーチャルモデルの歯群に対して、上述のとおり、顎の顆状関節軸の位置を測定することと、
−下顎及び上顎のバーチャルモデル、その互いに相対する位置、並びに顆状関節軸の相対する位置からバーチャル咬合器を作製すること。

そのままの状態でコンピュータの援用により製造のみ行われるため、例えば、セラミック要素を用いるなど、こうしたバーチャル咬合器により、質の高い歯の修復の生成が大幅に改良される。また、本文脈において、顆状関節軸を考慮に入れたバーチャル咬合器により、咀嚼動作及び咬合動作のシミュレーションが可能になり、具体的には、生成される歯の修復形状の形成及び適応が大幅に簡素になる。

従来技術の説明に記述されている誤差は、本発明の方法によって回避される。残存している誤差源としての頬側の位置合わせは、関与する表面測定間の距離が、大きく最小化されるため、比較的わずかな影響を有する。さらに、個々の測定誤差は、計算的に識別させることができ、それらの影響を制限させ得る。上顎と下顎との間の位置は、上顎及び下顎内において多画像積分と同じ精度により測定される。

原則として、すべての触覚及び／又は光学測定技法を、歯群のバーチャルモデルを記録するための測定方法として使用することができる。有利にも、Ｂｅｓｌ［１］及びＢｌａｉｓ［２］によってまとめられている光計測学の表面測定システムが使用される。この文脈では、バーチャルモデルを記録することとは、常に、既存の測定方法によって画像が作成され、コンピュータがこのデータからバーチャルモデルを算出することを意味する。例えば、ロボットアームによる撮像デバイスの自動制御は可能であり、この方法は、コンピュータによって制御される完全自動化方法で遂行され得る。

引用された方法の１つの有利な発展形態では、上顎及び下顎の歯群の位置及び配向、並びに／又は上顎及び下顎の歯群のバーチャルモデルは、表面三角測量法によって撮像される。この方法は、健康、正確性及び実行しやすさに影響がないため、特に有利である。

さらに、問題点は、
−上顎及び下顎の歯群の位置及び配向の頬側撮像を行う撮像手段と、
−閉口咬合位置で、撮像手段を用いて撮影した、上顎及び下顎の歯群の位置及び配向の頬側画像、及び
−撮像手段を用いて撮影した、下顎又は上顎が顆状関節軸周囲で、閉口咬合位置に対して角度１〜２０°（すなわち、わずかに開口している）、好ましくは角度５〜１０°回転する位置において、上顎及び下顎の歯群の位置及び配向の頬側画像から、下顎の歯群に対する、顆状関節軸の位置をコンピュータにより測定するための手段と、を含む下顎及び／又は上顎の歯群に対する顎の顆状関節軸の位置を測定するためのデバイスによって解決される。

また、本発明の有利な発展形態により、
−上顎及び下顎の歯群の三次元の撮像のための手段と、
−上顎及び下顎の歯群の三次元画像から始まって、上顎及び下顎の歯群のバーチャルモデルを算出する手段と、
−下顎及び／又は上顎のバーチャルモデルの歯群に対して、顎の顆状関節軸の位置を測定するための上述の手段と、
−下顎及び上顎のバーチャルモデル、その互いに相対する位置、並びに顆状関節軸の相対する位置からバーチャル咬合器を算出する手段と、を有する顎及び付随する歯列用のバーチャル咬合器を作製するためのデバイスが提供される。

上顎及び下顎の歯群の三次元の撮像のための手段と顆状関節軸の位置の測定に有用な撮像手段とは、同一であってもよい。

更なる詳細及び特徴は、従属特許請求の範囲と共に、以下の好ましい例示的実施形態の説明に見出される。それぞれの特徴は、それら自体によって又は単独で互いに組み合わせて、実現され得る。この問題点を解決する可能性は、例示的実施形態で制限されるものではない。例えば、範囲は、必ず、引用されていないすべての中間値及び考え得るすべての部分間隔を含む。

例示的実施形態を、概略的に図に示す。特に、
閉口咬合位置のヒト頭蓋骨の側面図である。 わずかに開いた顎を有するヒト頭蓋骨の側面図である。

本発明による方法の好ましい実施形態では、上顎及び下顎の歯のバーチャルモデルが最初に記録される。表面三角測量法により、構造化照明を用いてこれらのモデルを撮像する光学３Ｄ測定システムが使用される。コンピュータは、これらの画像からバーチャルモデルを算出する。次に、同じ撮像方法を用いて、少なくとも２つの頬側画像が作成される。図１Ａ及び図１Ｂは、これらの画像において、頭蓋骨１００の側面図を示す。下顎１１０は、側頭下顎関節部を介して顆（関節頭部）１２０によって、頭蓋骨残部に連結され、また、この関節上で回転し得る（過度の単純化）。しかし、上顎及び下顎の正確な形状は、この見地において役割を果たすものではなく、特に、問題となっているのは、歯列、すなわち、下顎の歯群１３０及び上顎の歯群１４０の位置及び配向のモデリングである。

第一に、頬側撮像は、図の左側に示すように、閉口咬合位置で行われる。その後、別の頬側撮像が、顎をわずかに開いた状態で行われ、その開口状態は、顆状関節軸１５０上で典型的には角度５〜１０°下顎を回転させることによって得られる。これを、図の右側に示す。この撮像データは、Ｂｅｓｌ ａｎｄ ＭｃＫａｙの方法［３］を用いて記録される。登録されたデータから、コンピュータは、バーチャルモデルでの顆状関節軸の位置を算出し、任意の所定の咬合器のデータに依存するというよりも、処理が行われる定義に正確に適合するバーチャル咬合器を使用することができる。計算は、好ましくは、四次元法に基づく。位置合わせから四元数への公知の回転マトリックスの再計算は、原理上は固有ベクトル問題から算出され得るが、しかし、症例ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｇ．ｉｎｆｏ．ｈｉｒｏｓｈｉｍａ−ｃｕ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍｉｙａｚａｋｉ／ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ／ｔｅｃｈｅ５２．ｈｔｍｌ及びｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ．ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ．ｅｄｕ／〜ｇｅｗａｎｇ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｄａｒｔｈ／ｓｔｕｆｆ／ｑｕａｔ＿ｆａｑ．ｈｔｍｌ内のＱ５５）によって数多くの定義を用いたアルゴリズムが使用される。相対配向の並進要素は、回転軸に沿った転位上でのプロセスにおいてマッピングされる。

記述された例示的実施形態の多数の変化形態及び発展形態が実現可能である。このため、例えば、大きく異なる（３−Ｄ）測定及び撮像方法を使用することができる。

さらに、当業者に周知の異なる位置合わせ方法も使用することができる。さらに、位置合わせは、例えば、以下のように異なるように行うことができる。
−切開面で一緒に位置合わせした二つの頬側画像から顆状関節軸を測定する。
−上顎及び下顎のデータを用いて、切開面で位置合わせした二つの頬側画像から顆状関節軸を測定する。

さらに、バーチャル咬合器の特徴は、所望の使用に対して、これによって、本発明の本質部分を変更することなく、多くの方法で変化させることができる。

用語
咬合器
側頭下顎関節部の運動をシミュレートするデバイス。この点を達成するには、上顎及び下顎の歯列弓の石膏モデルが、咬合器の咬合部に取り付けられる。顎の互いに対する動きをシミュレートすることができ、これは、歯科修復物、部分又は完全補綴物又はリテイナーの作製に必須である（出典：ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ａｒｔｉｋｕｌａｔｏｒ）。

頬側：
頬の側（ラテン語「ｂｕｃｃａ」、頬）。

歯列
歯列は、脊椎動物の歯群全体を示す。これは、消化連鎖の開始であり、上顎及び下顎内の歯列弓（切歯、犬歯及び臼歯）により、食べ物を圧縮し、引き裂き、かつ、分解する。（出典：ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｇｅｂｉｓｓ）

顎
顎は、ほとんどの脊椎動物によって、食べ物の消費のために使用される顔面頭蓋骨の部分であり、このため、通常、歯群を有する。上顎（ラテン語Ｍａｘｉｌｌａ）及び下顎（ラテン語Ｍａｎｄｉｂｕｌａ）から構成される。歯群は、釘植（歯槽骨関節）によって歯槽内（歯槽骨）で固定される。哺乳類では、下顎は、側頭下顎関節で側頭骨に移動可能に取り付けられる。このため、上顎及び下顎は、間接的に互いに連結されている。哺乳類では、上顎は不動であり、哺乳類では、咀嚼筋系によって下顎のみが移動される。
（出典：ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｋｉｅｆｅｒ＿（Ａｎａｔｏｍｉｅ））

側頭下顎関節の顆状関節軸
下顎骨は、蹄鉄型下顎骨体（corpus mandibulae）から構成され、そこから両側で上行枝（下顎枝）が伸びる。２つの更なる付属体は、上行枝から延在する。そのローラー状関節頭（下顎頭または関節顆）による下顎顆頭部プロセス（又は下顎関節部プロセス）により、側頭下顎関節の可動部を形成する。顆状関節軸には、２つの関節頭（関節顆）を貫通して走行している軸線が指定される。開閉するとき、下顎は、軸上の頭蓋骨の残部に対して回転し、その小さい角度を維持する。

閉口咬合位置
閉口咬合位置は、最大歯尖部間（ラテン語では、尖＝鋭先端）を示す。これは、下顎歯群と上顎歯郡との間に最大数の分岐接触点がある下顎の位置である。

三角測量法
三角形内の角度を正確に測定することによって、光学的に距離を測定する幾何学的方法である。ビーム方向及びカメラと光源との間の距離が公知であれば、オブジェクトの表面点からカメラまでの距離を測定することができる。カメラと光源との間の線並びに２つのビーム（オブジェクトからのビーム及びオブジェクトへのビーム）が三角形を形成する。本方法を用いて、オブジェクトの全表面の三次元検出（測定）を実現することができる。表面の三角測量法では、測定されるオブジェクトは、異なるストリップ幅パターンを用いて、光源によって連続的に照射される。オブジェクト表面は、計算によりそこから再構築され得る。更なる情報は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｎｉ−ｓｔｕｔｔｇａｒｔ．ｄｅ／ｉｔｏ／ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ／ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ＿３ｄ／Ｓｔｒｅｉｆｅｎｐｒｏｊｅｋｔｉｏｎ／及びｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｎｉ−ｓｔｕｔｔｇａｒｔ．ｄｅ／ｉｔｏ／ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ／ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ＿３ｄ／ＤＳＦＰ／にて見出すことができる。

引用文献
引用特許文献
欧州特許第２ ２２９ ４６６ Ａ１号、
引用非特許文献
［１］Ｐ．Ｊ．Ｂｅｓｌ：「Ａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒａｎｇｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ」Ｉｎ Ｊ．Ｌ．Ｃ．Ｓａｎｚ（編）：「Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ」ｐ．１〜６３，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８９。
［２］Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｂｌａｉｓ：「Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ２０ ｙｅａｒｓ ｏｆ ｒａｎｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ，１３（１）：２３１〜２４０，Ｊａｎ．２００４。
［３］Ｐ．Ｊ．Ｂｅｓｌ ＆ Ｎ．Ｄ．ＭｃＫａｙ：「Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３−Ｄ Ｓｈａｐｅｓ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．２，Ｆｅｂ．１９９２。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｇ．ｉｎｆｏ．ｈｉｒｏｓｈｉｍａ−ｃｕ．ａｃ．ｊｐ／〜ｍｉｙａｚａｋｉ／ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ／ｔｅｃｈｅ５２．ｈｔｍｌ（最終アクセス日２０１３年７月２日）、
Ｑ５５（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ．ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ．ｅｄｕ／〜ｇｅｗａｎｇ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ｄａｒｔｈ／ｓｔｕｆｆ／ｑｕａｔ＿ｆａｑ．ｈｔｍｌ、最終アクセス日２０１３年７月２日）。

Claims (5)

1. 下顎及び／又は上顎の歯群（１３０、１４０）に対する顎の顆状関節軸（１５０）の位置を測定する方法であって、
   ａ）前記上顎及び前記下顎の歯群の口腔内での位置及び配向の頬側撮像を行い、閉口咬合位置における頬側画像を生成することと、
   ｂ）前記顆状関節軸の周囲で前記閉口咬合位置に対して、前記下顎又は前記上顎を角度１〜２０°だけ回転させる位置における、前記上顎及び前記下顎の歯群の口腔内での位置及び配向の頬側撮像を行い、複数の回転された位置における複数の頬側画像を生成することと、
   ｃ）前記閉口咬合位置及び前記回転された位置における前記上顎及び前記下顎の歯群の頬側画像に基づいて、撮像された位置及び配向からの前記下顎及び／又は前記上顎の歯群に対する前記顆状関節軸の位置をコンピュータにより測定することであって、前記頬側撮像は光学測定技法又はＸ線測定技法を用いて行われることと、
   を含む、方法。
2. 顎及びその付随する歯列用のバーチャル咬合器を作製する方法であって、
   ａ）閉口咬合位置及び複数の回転された位置において、上顎の歯群（１４０）のバーチャルモデルの頬側撮像を行うことと、
   ｂ）前記閉口咬合位置及び前記複数の回転された位置において、下顎の歯群（１３０）のバーチャルモデルの頬側撮像を行うことと、
   ｃ）前記閉口咬合位置及び前記複数の回転された位置において、前記上顎及び前記下顎の歯群のバーチャルモデルの頬側画像に基づいて、前記下顎及び／又は前記上顎の歯群のバーチャルモデルに対して、前記顎の顆状関節軸（１５０）の位置を測定することであって、前記複数の回転された位置が、前記顆状関節軸の周囲で前記閉口咬合位置に対して、前記下顎又は前記上顎を角度１〜２０°だけ回転させる位置であることと、
   ｄ）前記下顎及び前記上顎の歯群のバーチャルモデル、これらの互いに相対する位置、及び前記下顎及び／又は前記上顎の歯群に対する前記顆状関節軸（１５０）の位置から前記バーチャル咬合器を作製することであって、前記頬側撮像は光学測定技法又はＸ線測定技法を用いて行われることと、
   を含む、方法。
3. 前記上顎及び前記下顎の歯群の位置及び配向、並びに／又は前記上顎及び前記下顎の歯群のバーチャルモデルは、表面三角測量法によって撮像されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 下顎及び／又は上顎の歯群に対して、顎の顆状関節軸の位置を測定するデバイスであって、
   ａ）閉口咬合位置及び複数の回転された位置において、前記上顎及び前記下顎の歯群の口腔内での位置及び配向の頬側撮像を行う撮像手段であって、前記頬側撮像は光学測定技法又はＸ線測定技法を用いて行われる、撮像手段と、
   ｂ）前記閉口咬合位置及び前記複数の回転された位置において、前記上顎及び前記下顎の歯群の頬側画像に基づいて、前記下顎及び／又は前記上顎の歯群に対する前記顆状関節軸の位置をコンピュータにより測定する測定手段であって、前記顆状関節軸の位置は、
   ｂ１）前記撮像手段の支援により撮像された閉口咬合位置での前記上顎及び前記下顎の歯群の位置及び配向の頬側画像、及び
   ｂ２）前記撮像手段の支援により撮像された、前記顆状関節軸の周囲で前記閉口咬合位置に対して、前記下顎又は前記上顎を角度１〜２０°だけ回転させる位置における、前記上顎及び前記下顎の歯群の位置及び配向の頬側画像
   から測定される、測定手段と、
   を含む、デバイス。
5. 顎及び付随する歯列用のバーチャル咬合器を作製するデバイスであって、
   ａ）上顎及び下顎の歯群の三次元の頬側撮像のための第一の手段であって、前記頬側撮像は光学測定技法又はＸ線測定技法を用いて行われる、第一の手段と、
   ｂ）前記上顎及び前記下顎の歯群の三次元画像から始まって、前記上顎及び前記下顎の歯群のバーチャルモデルを算出する第二の手段と、
   ｃ）閉口咬合位置及び複数の回転された位置において、前記上顎及び前記下顎の歯群の頬側画像に基づいて、前記下顎及び／又は前記上顎の歯群のバーチャルモデルに対して、前記顎の顆状関節軸の位置を測定するための第三の手段であって、前記複数の回転された位置が、前記顆状関節軸の周囲で前記閉口咬合位置に対して、前記下顎又は前記上顎を角度１〜２０°だけ回転させる位置である、第三の手段と、
   ｄ）前記下顎及び前記上顎の歯群のバーチャルモデル、互いに対するこれらの位置合わせ、及び前記下顎及び／又は前記上顎の歯群に対する前記顆状関節軸の位置から前記バーチャル咬合器を算出する第四の手段と、
   を有する、デバイス。

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