WO2014106519A1

WO2014106519A1 - Messanordnung und verfahren zur opto-elektronischen erfassung der relativbewegung zwischen ober- und unterkiefer einer person

Info

Publication number: WO2014106519A1
Application number: PCT/EP2013/003670
Authority: WO
Inventors: Stefan SPIERING
Original assignee: Tionis E.K., Inhaber Dr. Stefan Spiering
Priority date: 2013-01-02
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-07-10
Also published as: DE102013000012B4; DE102013000012A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung (1) zur opto-elektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen dem Oberkiefer und dem Unterkiefer einer Person (20). Die Messanordnung weist eine erste Halterung (11a) zur Aufnahme eines ersten Referenzkörpers (5a) und eine zweite Halterung (11b) zur Aufnahme eines zweiten Referenzkörpers (5b), und eine opto-elektronischen Messeinrichtung auf, die in einem vorbestimmten Abstand zu einem von den Referenzkörpern (5a, 5b) aufgespannten Messbereich (7) angeordnet ist, und mit der die Lage und Orientierung der Referenzkörper (5a, 5b) relativ zueinander optisch erfassbar ist. In der opto-elektronischen Messeinrichtung sind zumindest zwei Kameras (2) zur Erfassung der Relativbewegungen von Unterkiefer zu dem Oberkiefer realisiert. Die erste Halterung (11a) und die zweite Halterung (11b) sind derart ausgebildet, dass die Referenzkörper (5a, 5b) nur an einer Gesichtshälfte (22) seitlich eines Mundes (23) der Person (20) anordenbar sind. Ferner ist der erste Referenzkörper (5a) in Bezug zu der optoelektronischen Messeinrichtung fest und der zweite Referenzkörper (5b) in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung beweglich angeordnet. Zur exakten Erfassung im Raum haben die Referenzkörper (5a, 5b) eine dem Messbereich (7) zuwendbare Oberseite (16) mit einer Vielzahl an zueinander abgestuften Kreissegmenten (17).

Description

MESSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR OPTO-ELEKTRONISCHEN ERFASSUNG DER RELATIVBEWEGUNG ZWISCHEN OBER- UND

UNTERKIEFER EINER PERSON

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur optoelektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen Ober- und Unterkiefer einer Person. Bewegungen des menschlichen Kiefergelenks dienen Zahnärzten und

Zahntechnikern zur Beurteilung der natürlichen Okklusion, d. h. dem Schließen der Kiefer, sowie der Gelenkfunktion, um Zahnersatz und Zahnpositionierung zu optimieren. Ferner können dadurch bestimmte Krankheitsbilder oder stressbedingte Zahnverstellungen etwa durch Knirschen oder Pressen, diagnostiziert werden. Gerade bei Letzterem können enorme Kräfte auftreten, die auf Kiefer und Gelenke einwirken und zu krankhaften Funktionsund Strukturveränderungen im stomatognathen System, d. h. der anatomischen Gesamtheit von Zahn-, Mund- und Kiefersystem, führen können. Bisher werden die Seitenbewegungen der Zahnflächen von den Eckzähnen bis zu den Seitenzähnen durch sukzessives oder sequenzielles Belasten bestimmt. Manchmal können Zahnführungsflächen jedoch nicht durch standardisierte Okklusionshilfen gestaltet werden, weshalb individuelle Kauflächen gestaltet werden müssen. Auch die dynamischen Aspekte der Auswir- kung bei Beißkräften sind zu respektieren.

Es sind mechanische Bewegungssimulatoren im Einsatz, die jedoch lediglich aufzeigen können, wo ein mechanisches Modell unzureichend ist und in welchem Ausmaß und an welchen Stellen zahnmedizinische Restauratio- nen, wie zum Beispiel Kronen, Brücken und Prothesen in der Mundhöhle aufwendig nachkorrigiert werden müssen. Hierzu sind virtuelle Artikulatoren

BESTÄTIGUNGSKOPIE in der Entwicklung, bei denen die Zahnreihen in eingescannter Form auf einem Computerbildschirm sichtbar gemacht werden und mittels derer dynamische Bedingungen und Auswirkungen dargestellt und umgesetzt werden können.

Ferner sind Vorrichtungen bekannt, die auf einer Bewegungserfassung unter zu Hilfenahme mehrerer Ultraschallsensoren basieren, wobei die Ultraschallsensoren mit Hilfe von Gesichtsbögen an der Person befestigt werden müssen. Dabei kann sowohl ein virtueller als auch ein mechanischer Artiku- lator zur Unterstützung von Zahntechniklaboren als auch zur Funktionsanalyse verwendet werden. Diese Aufzeichnungen erfolgen in der Regel mit einer Schallgeschwindigkeit von 50 Hz und einer Aufzählung von 0,1 mm, wobei eine Verkabelung der Person nicht zu vermeiden ist.

Eine solche Vorrichtung ist in der WO 2012/016832 A1 beschrieben, bei der an einem Unterkiefer eine Halterung zur Aufnahme eines korrespondierenden Empfangs- bzw. Sendeeinheit des Messsystems befestigt wird. Die Person muss eine erste Halterung in Form eines Stirnbandes, sowie eine zweite und dritte Halterung mittels einer Gebissschiene an ihrem Unterkiefer befestigen. Das Messsystem ist als Ultraschallmesssystem mit Ultraschallsende- bzw. -empfangseinheit und einer Auswerteeinheit zum Verarbeiten der empfangenen Ultraschallsignale realisiert. Hieraus können aus den Bewegungen des Unterkiefers verbundene und durch die Empfangseinheit er- fasste Positionsänderungen erste Messergebnisse einer ersten Bewegungskomponente und durch zeitabhängige Messung ein dynamisches Abbild der Bewegung des Unterkiefers generiert werden.

Nachteilig bei der Verwendung von Ultraschallsensoren ist grundsätzlich deren Begrenzung der Schallwellenlänge. Da mehrere Sensoren pro Seite ein- zusetzen und diese nicht alle in Kiefergelenknähe anzubringen sind, ergeben sich bei der Transformation der Gelenkfernenwerte auf das Kieferge- lenk weitere Ungenauigkeiten aufgrund der Fehlerfortpflanzung.

Um dieses Problem zu umgehen, sind Verfahren zur Erfassung der Kieferbewegungen mittels an der Person befestigbarer Referenzpunkte bekannt. Dabei werden Kameras in einem bestimmten Abstand zu der Person aufgestellt, wie u. a. aus der DE 3807578 C2 und der DE 3636671 A1 bekannt sind. Es werden jeweils Messbereiche durch drei Referenzpunkte aufgespannte Messdreiecke bzw. Messtetraeder an einer oberen und unteren Zahnreihe der Person befestigt. Um die Erfassung möglichst genau zu ges- talten, werden weitere Messpunkte am Gesicht der Person befestigt oder vorbestimmt.

Ferner ist aus der EP 263316 B1 ein Verfahren zur zweidimensionalen Bestimmung der Relativbewegung der Kiefer zueinander bekannt, in dem das vorbenannte Prinzip angewendet wird.

Zwar werden im vorgenannten Stand der Technik die Verwendung von umständlichen Gesichtsbögen vermieden, jedoch behindert die Befestigung der Referenzpunkte die Person in ihren Kaubewegungen; die vorgenannten La- ge- und Positionseinrichtungen sind schwer und unangenehm zu tragen. Kieferbewegungen erschweren sich dadurch und sind nicht mehr realistisch erfassbar.

Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, die Kieferbewegungen mit- tels opto-elektronischer Messsysteme unter der Zuhilfenahme unterschiedlicher Referenzpunkte aufzunehmen. Dazu beschreibt die DE 10 2009 055 848 A1 ein Verfahren zur Erfassung der Korrektur der Bewegung an Kiefergelenken, bei dem mit einer die Kieferstellung und Kieferbewegung messtechnisch aufzeichnenden Erfassungseinrichtung eine Bestimmung der Scharnieraktion der Kiefergelenksbewegung im ruhenden Zustand des Kiefergelenks durchgeführt werden. Dazu werden ein Gesichtsbögen, der an dem Unterkiefer befestigt wird, und ein C-Bogen, in dem mehrere Spezialkameras jeweils mit Datenverarbeitungseinheiten verbunden sind und der sich über den Kopf der Person spannt, verwendet. Der Gesichtsbögen kann sowohl peri- als auch para-okklusal am Unterkiefer befestigt werden und weist an seinen beiden Enden kodierte, grafische Muster auf, die bei angelegtem Gesichtsbögen in Kiefergelenksnähe positioniert sind und auf deren Basis die Auswertung erfolgt. Es ist jedoch ein ausgedehnter mechanischer Trägerarm notwendig, der die Messtechnik aufnimmt. Der Gesichtsbögen ist gerade bei langen Sitzungen unangenehm zu tragen, da das Gewicht die Kieferbewegung der Person merklich beeinflusst.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 44 11 907 A1 bekannt. Es werden zwei miteinander verbundene Gesichtsbögen verwendet, die das System an der Person fixieren und Referenzpunkte an dem Kiefergelenk sowie an der Mitte der Zahnreihen definieren. Die Referenzpunkte werden mittels zweier Videokameras aufgenommen, wobei eine Videokamera frontal und eine weitere Videokamera seitlich zur Person aufgestellt ist. Nachteilig ist dabei die Verwendung umfangreicher Fixierungssysteme. Zwar messen diese Verfahren gelenknah, jedoch nicht kabel- oder berührungslos. Eine Bewegungs- analyse ist aufgrund der mechanisch festgelegten Messebenen nur eingeschränkt möglich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messanordnung bereitzustellen, die die dynamische Verfolgung und Modellierung des Verhaltens der beiden Kiefer relativ zueinander bei verschiedenen Bewegungen erlaubt und dabei einfach und komfortabel einzusetzen ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des un- abhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das eine komfortable dabei jedoch einfache und exakte Erfassung von Kieferbewegungen zu ermöglichen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die Unteransprüche beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Messanordnung zur opto- elektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen dem Oberkiefer und dem Unterkiefer einer Person weist eine erste Halterung zur Aufnahme eines ersten Referenzkörpers und eine zweite Halterung zur Aufnahme eines zweiten Referenzkörpers auf. Ferner ist eine opto-elektronische Messeinrichtung vorgesehen, die in einem vorbestimmten Abstand zu einem von den Referenzkörpern aufgespannten Messbereich angeordnet wird und mit der die Lage und die Orientierung der Referenzkörper relativ zueinander optisch erfasst werden kann. Hierzu weist die opto-elektronische Messeinrichtung zwei Kameras zur Erfassung der Relativbewegungen von Unterkiefer zu Oberkiefer auf. Die erste und die zweite Halterung sollen derart ausgebil- det sein, dass die Referenzkörper nur an einer Gesichtshälfte seitlich eines Mundes der Person angeordnet werden, wobei der erste Referenzkörper in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung fest und der zweite Referenzkörper in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung beweglich angeordnet sein kann. Schließlich können die Referenzkörper eine dem Messbereich zuwendbare Oberseite haben, die mehrere zueinander abgestufte Kreissegmente aufweist.

Die Messanordnung ist vorteilhaft mobil und kann einfach in jeder Praxis aufgebaut werden. Sie kann schnell neben die bzw. vor der Person in Posi- tion gebracht werden und nimmt wenig Platz ein. Sie ergänzt die Diagnosemöglichkeiten und dient vor allem der Beurteilung der Gelenkfunktion und der Okklusion.

Die Erfindung sieht dabei bevorzugt vor, dass einer der Referenzkörper zylindrisch, bevorzugt kreiszylindrisch ist. Die geometrische Grundform kann quadratisch oder rechteckig sein, je nach Anwendung der Messanordnung. Vorteilhaft können ein oder mehrere Kreissegment(e) des Referenzkörpers zu einem benachbarten Kreissegment um eine Stufenhöhe in einem Bereich von 0,1 bis 1 ,0 mm abgestuft sein; bevorzugt kann eine Höhe von 0,5 mm ausgebildet sein. Die Abstufungen der Kreissegmente zueinander dienen der Erfassung der Orientierung im Raum. Der Referenzkörper kann zur besseren Positionierung auf einer Plastikauflage befestigt sein und selbst aus einem Kunststoff bestehen. Es sind jedoch auch andere Materialien, wie zum Beispiel ein Leichtmetall zur Fertigung der Referenzkörper möglich. Die Referenzkörper sind besonders leicht und dadurch angenehm zu tragen.

Dabei kann jedes Kreissegment des Referenzkörpers ein Muster aufweisen, wobei eines oder mehrere Muster Orientierungsmuster sein können. Grundsätzlich sind zwei Mustertypen vorgesehen, zum Einen das Orientierungsmuster, zum Anderen ein Positionierungsmuster. Die Muster weisen eine hohe Anzahl an geometrischen Kennzeichnungen, wie Endpunkte, Schnittpunkte und Kanten mit hohem Schwarz-Weiß-Kontrast auf. Sie ermöglichen so den Einsatz von stabilen und präzisen merkmalsbasierten Erkennungsalgorithmen. Die Ausrichtung der Orientierungsmuster, die einmalig auf jedem Referenzkörper vorhanden sind, ermöglicht eine Unterscheidung von Ober- zu Unterkiefer durch eine diametrale Anordnung der Zylinder zueinander.

Die Erfindung sieht ferner vor, dass der erste Referenzkörper mittels einer als Brille mit einem Ausleger ausgebildeten ersten Halterung an der Gesichtshälfte angeordnet sein kann. Alternativ kann die erste Halterung auch als Bügel ausgebildet sein. Der Ausleger kann verstellt werden, wobei er mit einem ersten Ende an einem Gestell der Brille und an einem zweiten Ende mit dem ersten Referenzkörper verbunden sein kann. Durch Befestigungsmittel, wie sie dem Fachmann bekannt sind, etwa zwei kleine Platten und einer oder mehrerer Schrauben oder Nieten, kann der Ausleger an dem Gestell der Brille - auch verschieblich entlang des Gestells - befestigt werden. Der Ausleger kann so verstellt werden, dass der erste Referenzkörper oberhalb des Mundes seitlich auf der Höhe des Oberkiefers angelegt werden kann. Die Brille kann zum Schutz der Augen der Person abgedunkelte Brillengläser aufweisen, und ihn somit vor einer Beleuchtungseinheit der optoelektronischen Erfassungseinrichtung schützen. Diese Halterung ist beson- ders leicht zu tragen und bietet eine komfortable Möglichkeit den ersten Referenzkörper an dem Gesicht der Person anzubringen und zu justieren. Die Justierung erfolgt schnell von Hand und kann einfach nachgebessert werden, sollte die Positionierung einmal nicht optimal sein. Um den zweiten Referenzkörper beweglich mit dem Unterkiefer zu verbinden, kann vorgesehen sein, dass die zweite Halterung eine Brücke zur Befestigung des zweiten Referenzkörpers an dem Unterkiefer sein kann, wobei die Brücke sich über eine Zahnreihe des Unterkiefers und eines angrenzenden Teils der Lippe wölben kann. Die Brücke kann somit einfach eingehängt werden, und kann aus einem haut- und schleimhautfreundlichen Material, bevorzugt aus einem Kunststoff, hergestellt sein. Hierbei sollte in Rücksprache mit der Person auf einen komfortablen Sitz geachtet werden. Dazu kann die Brücke ergonomisch individuell angepasst werden oder in einem gewissen Maße flexibel sein, so dass sie in Form gebogen werden kann.

Die Person kann mittels der leicht und komfortabel zu tragenden Halterungen sein Kiefergelenk natürlich und ohne Störungen bewegen. Eine Verwendung eines Gesichtsbogens entfällt völlig. Die erste Halterung kann zudem an eine herkömmliche Sonnenbrille angebracht werden, was die Halte- rungen insgesamt kostengünstig macht. Die opto-elektronische Messeinrichtung kann vorrangig zur Analyse von schnellen Kaubewegungen zwei oder mehr zueinander synchronisierte Kameras aufweisen, wobei die Kameras Hochgeschwindigkeitskameras sein können. Es sollte eine Bildrate von wenigstens 50 fps bis maximal 210 fps erreicht werden; es sind auch andere Kameratypen mit einer ähnlichen Bildrate oder einer höheren Bildrate verwendbar. Hiermit können Kaubewegungen dynamisch korrekt ausgewertet werden. Die Messung kann gelenknah erfolgen, wodurch Fehler in der Achsenbestimmung minimiert werden können. Ferner kann die Messung durch die Kameras berührungsfrei ohne Ver- kabelung der Person erfolgen.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kameras niederfrequent arbeitende Kameras sind, falls nicht explizit Kaubewegungen zu untersuchen sind. Die Messanordnung kann dadurch kosten- günstig den jeweiligen Anforderung angepasst realisiert werden.

Zur Aufnahme einer Kaubewegung ist eine Frequenz von mindestens 120 Hz erforderlich, um eine genaue und realistische Wiedergabe zu bekommen. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras kann eine Mes- sung mit etwa 200 Hz erlauben, womit eine exakte Abbildung der Bewegungsabläufe ermöglicht werden kann. Die Ortsauflösung kann bei 70 μιτι liegen, womit eine höhere Auflösung als bspw. mit Ultraschallsensoren erreicht werden kann. Die Auflösung der Messanordnung kann einfach durch Skalieren der vorhandenen Hardware in einem Bereich von 30 μιη bis 150 μιτι angepasst werden. Werden höher auflösende Hochgeschwindigkeitskameras verwendet, oder durch die Wahl von Objektiv und Beleuchtung das Bildfeld und der Arbeitsabstand verkleinert, kann mit einer entsprechend höheren Ortsauflösung gemessen werden. Die Messanordnung ist dadurch flexibel und für verschiedene Aufgaben und Umgebungen geeignet.

In einer Weiterbildung der Verbindung kann vorgesehen sein, dass die Ka- mera mittels eines Stativs fest installiert sind, wobei ihre optischen Achsen einen Schnittwinkel in einem Bereich von 10° bis 50°, bevorzugt von 30° zueinander bilden. Die Kameras sind dabei derart zueinander gedreht angeordnet, dass sich ein gemeinsamer Erfassungsbereich ergibt, der bei Einhal- ten eines vorbestimmten Abstands zu der Person sich mit dem durch die Referenzkörper aufgespannten Messbereich überlappen kann. Hierdurch kann eine besonders exakte Erfassung der Kieferbewegung erfolgen.

Ferner können die Kameras eine zu ihrer Linse fest angeordnete Beleuch- tung aufweisen, wobei die Beleuchtung mit einer Blitzeinheit zur Erzeugung von Lichtimpulsen bzw. eines oder mehrerer Blitze verbunden ist. In einer Ausführungsform ist die Beleuchtung eine LED-Beleuchtung, in Form eines Rings, die konzentrisch um die Kameralinse herum angeordnet werden kann. Durch die gepulste und mit der Aufnahme synchronisierte Beleuch- tung ist die Messanordnung unabhängig von Raumlicht und erzeugt durch sehr kurze Belichtungszeiten von kleiner gleich 100 ps scharfe Abbildungen der bewegten Muster.

Um die von den Kameras aufgenommenen Daten schnell und einfach zu verarbeiten, kann der opto-elektronischen Messeinrichtung eine Datenverarbeitungseinheit zugewiesen sein, die über Kabel mit den Kameras elektrisch verbunden sein kann. Die Datenverarbeitungseinheit kann vorteilhaft ein herkömmlicher Rechner oder auch ein mobiler PC sein. In einer Weiterbildung der Erfindung können die Komponenten der Messanordnung auch drahtlos miteinander kommunizieren. Die Messanordnung als solche kann klein und mobil gehalten sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur opto-elektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen einem Ober- und einem Unterkiefer der Person verwendet die beschriebene Messanordnung. In einem ersten Schritt a) erfolgt ein Anbringen der ersten Halterung und der zweiten Halterung an die Person. Dabei können die Halterungen derart justiert werden, dass die Referenzkörper an der Gesichtshälfte seitlich des Mundes der Person angeordnet werden können. Die Fixierung der Referenzkörper ist sowohl in Richtung Gesichtsmitte als auch in Gelenknähe möglich. Hiernach kann die op- to-elektronische Messeinrichtung in dem vorbestimmten Abstand aufgestellt werden (Schritt b)), so dass der Messbereich, der durch die Referenzkörper aufgespannt wird, mit dem Erfassungsbereich der Kameras überlappen kann. Dann kann in Schritt c) die Lage und Orientierung der Referenzkörper in einer oder mehreren Achsrichtung(en) in einem vorbestimmten Zeitinter- vall erfasst werden und in Schritt d) eine Relativbewegung des Oberkiefers zu dem Unterkiefer aus den optisch erfassten Messsignalen mittels der Datenverarbeitungseinheit bestimmt werden.

Vorteilhaft kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den simultan aufgenommenen Kamerabildern unter der zu Hilfenahme von Triangulationsverfahren verschiedene Perspektiven ausgeleuchtet und die räumliche Lage der zwei Referenzkörper zueinander bestimmt werden. Die Bewegungen des Kiefergelenks können bei jeder Bildaufnahme als relative Lageränderung beider Referenzkörper zueinander erfasst und verarbeitet werden. Die gesamte Bewegung ergibt sich somit als Abfolge von Lagen bzw. Positionen des festen Körpers in einem Referenzsystem mit sechs Freiheitsgraden, wobei drei auf Translation und drei auf Rotation entfallen. Das Referenzsystem, d. h., der eigentliche Messbereich wird durch den Referenzkörper an dem Oberkiefer festgelegt und mittels des zweiten Referenzkörpers aufgespannt. Die Befestigung der Referenzkörper erfolgt wie oben beschrieben an dem menschlichen Kopf über mechanische Ausleger, die die Referenzkörper in der Nähe des Mundbereichs positionieren können. Der mechanische Ausleger kann sowohl an der linken als auch an der rechten Gesichtshälfte der Person angebracht werden. Die Messung auf einer Kör- perseite ist für die Bewegungsaufnahme des gesamten stomatognathen Systems ausreichend. Vorteilhaft können die in Schritt c) erfassten Relativbewegungen der Referenzkörper in Schritt d) mittels der Datenverarbeitungseinheit durch bekannte Triangulationsverfahren ermittelt werden. Dazu können derzeit verfügbare Programmmodule verwendet werden. Vorteilhaft können kinematische Invarianten in Form von momentanen Schraubachs-Parametern bestimmt und weiterverarbeitet werden.

Ferner kann eine Datenvernetzung vorgesehen sein, wobei ermittelte und verarbeitete Daten direkt an ein CAD/CAM-System übertragen werden können, so dass Modifikationen von bereits bestehenden Modellen mittels aktueller Messungen eingearbeitet werden können.

Vorteilhaft kann mit dem vorbeschriebenen Verfahren sowohl die Beurtei- lung der Gelenkfunktion als auch der Zahnokklusion festgestellt werden und damit einem Arzt gute Diagnosefunktionen zur Verfügung stellen. Die vorgestellte Messanordnung liefert die Bewegungsvorgabe für einen virtuellen Ar- tikulator und kann damit zur Beurteilung von kieferorthopädischen Maßnahmen, Planung für die zahnärztliche Prothetik, wie zur Herstellung von Zahn- ersatz, Planung von Implantaten und in der plastisch-rekonstruktiven Chirurgie verwendet werden. Ferner ist die Analyse für die Funktionsdiagnostik und die Funktionsstörungen, sowie die Entwicklung für das Design künstlicher Zähne und Kauflächen, maßgebend. Auch kann eine Simulation die virtuelle Erprobung von Restaurationsmaterialien und deren Indikationen be- reitgestellt werden.

Das Verfahren kann sehr einfach verwendet werden, wobei es schnell und umfassend informiert. Auch zur zahnärztlichen und zahntechnischen Ausbildung über die komplexen Zusammenhänge im Kausystem und die Auswir- kung von Behandlungsmaßnahmen können durch die Erfindung simuliert, vermessen und begutachtet werden. Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Die Figuren in der Beschreibung dienen dabei dem Besseren Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Messanordnung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Referenzkörpers,

Fig. 3 ein Positionsmuster,

Fig. 4 ein Orientierungsmuster, und

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Kamerabildes bei geschlossenem Mund, und

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Kamerabildes bei geöffnetem

Mund. Die in Fig. 1 dargestellte Messanordnung 1 weist eine opto-elektronische Messeinrichtung mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras 2 auf. Die beiden Kameras 2 arbeiten mit einer Bildrate von 210 fps und sind jeweils mit einer eigenen Beleuchtung 3 versehen, die im Bereich der Kameralinse angeordnet ist. Die Beleuchtung 3 weist jeweils eine LED-Ringleuchte auf, die einen Lichtspot von in etwa 80 mm Durchmesser in einem Erfassungsbereich 6 beleuchtet. Der Erfassungsbereich 6 entspricht dem zusammengesetzten Sichtfeld oder auch field of view (FOV) der beiden Kameras 2 und bezeichnet den überlappenden Bereich im Bildwinkel jeder Kamera 2, innerhalb dessen Ereignisse oder Veränderungen wahrgenommen und aufgezeichnet werden können. Die Kameras 2 sind auf einem Stativ 4 fest installiert und in einem Winkel von etwa 10° jeweils zueinander gedreht. Das Stativ 4 hebt die Kameras 2 auf eine gemeinsame Höhe von ca. 1,20 m, was der Höhe eines Kopfes einer sitzenden Person 20 entspricht. Das Stativ 4 kann in der Höheneinstel- lung verändert werden und so der körperlichen Statur der Person 20 ange- passt werden. Um eine exakte Aufnahme zu ermöglichen, sitzt die Person 20 in seitlicher Position zu den Kameras 2, wobei ein Abstand in etwa 300 mm beträgt.

Über elektrische Leitungen 8 sind die Kameras 2 und ferner auch die Beleuchtung 3 mit einer Blitzeinheit 9 verbunden. Die Datenaufnahme und Datenauswertung erfolgt auf einer Datenverarbeitungseinheit 10, die der Blitzeinheit 9 und den Kameras 2 nachgeordnet sind. Die Datenverarbeitungseinheit 10 ist dabei ein handelsüblicher portabler PC (Laptop) und mit einer entsprechenden Soft- und Hardware ausgestattet, so dass Bewegungen von 30 sec bei einer Aufnahmefrequenz von 210 Hz mit einer Auflösung von in etwa 70 μηι in allen drei Raumrichtungen aufgezeichnet werden kann.

Mittels der Blitzeinheit 9 und der Beleuchtung 3 werden Lichtimpulse mit ei- ner Pulsdauer von 100 μβ durchgeführt, wodurch die Messanordnung unabhängig vom jeweiligen Raumlicht ist und auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen verwendet werden kann.

An der Person 20 sind ferner zwei Referenzkörper 5a, 5b angeordnet, die zur Erfassung der Kieferbewegungen der Person 20 dienen. Die Referenzkörper 5a, 5b sind im Wesentlichen kreiszylinderförmig mit sechs zueinander abgestuften Kreissegmenten 17 auf ihrer Oberseite 16, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Referenzkörper 5a, 5b sind auf einer Plastikauflage 5c befestigt, die abgenommen werden kann. Sie weisen einen Durchmesser von 20 mm auf; je nach Anwendung sind jedoch auch andere Durchmessergrößen möglich. Zur besseren Orientierung im Raum sind benachbarte Kreisseg- mente 17 zueinander abgestuft, wobei sie sich jeweils um eine Stufenhöhe von 0,5 mm unterscheiden. Die Abstufung kann hierbei aufeinanderfolgend um eine 0,5 mm Erhöhung oder auch abwechselnd nach oben und unten ausgebildet sein. In der Fig. 2 sind jeweils drei Kreissegmente 17 auf der gleichen Höhe. Dies erleichtert die Orientierung und Feststellung der Lage im Raum.

Eines der Kreissegmente 17 weist ein Orientierungsmuster 18, wie es auch in Fig. 4 dargestellt, auf, welches dazu dient, die Rotation des Referenzkör- pers 5a, 5b im Raum zu bestimmen. Die restlichen fünf Kreissegmente 17 weisen sogenannte Positionsmuster 19 (siehe Fig. 3) auf, womit die Lage der Referenzkörper 5a, 5b im Raum bestimmt werden können.

Die Form der Orientierungs- und Positionierungsmuster 18, 19 kann über ihre Verästelung und musterförmigen Anordnung von Längs- und Querstrichen mittels einer rechnerischen Auswertung auf der Datenverarbeitungseinheit 10 im aufgenommenen Bild erkannt und verarbeitet werden. Solche Muster sind dem Fachmann hinreichend bekannt, jedoch bewirkt die hier dargestellte Form eine besonders hochgenaue Bestimmung der Position. Die Muster weisen in sich einen hohen schwarz-weiß Kontrast sowie zahlreiche Kantenmerkmale auf, wie bestimmte Eckpunkte oder scharf abgegrenzte Kanten. Sie sind auf den Referenzkörpern 5a, 5b zueinander räumlich versetzt angeordnet und erzeugen somit ein räumliches Gesamtmuster. In Fig. 5 und 6 ist jeweils eine schematische Ansicht eines Kamerabildes bei geschlossenem als auch bei geöffnetem Mund zu sehen. Erkennbar in Fig. 5 ist die erste Halterung 11a, sowie eine zweite Halterung 11b.

Die erste Halterung 11a ist im Wesentlichen als Brille ausgebildet und weist einen Ausleger 12 auf, dessen erstes Ende 12a an einem Gestell 13 befestigt ist. Mittels einer Befestigung 12c, die aus zwei das Gestell 13 umfassen- de Plättchen, bspw. aus Metall oder Kunststoff, und entsprechenden Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben oder Nieten aufgebaut ist, kann der Ausleger 12 sicher an dem Gestell 13 befestigt werden. Der Ausleger 12 besteht aus einem leichten Metall oder Kunststoff und kann verstellt werden. Hierzu ist er zu einem gewissen Maße biegsam und flexibel. Möglich ist bspw. die Verwendung eines dünnen, segmentierten Rohrs, das abschnittsweise gebogen werden kann.

An einem zweiten Ende 12b des Auslegers 12 ist der erste Referenzkörper 5a befestigt. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der erste Referenzkörper 5a mittels des Auslegers 12 so an der Person 20 justiert, dass er oberhalb eines Mundes 23, in Höhe eines Oberkiefers anliegt. Dadurch, dass der erste Referenzkörper 5a der Bezugspunkt für den aufzuspannenden Messbereich 7 bildet, und keiner Bewegung unterworfen ist, kann diese einfache Festle- gung mittels des Auslegers 12 erfolgen.

Der zweite Referenzkörper 5b ist an der zweiten Halterung 11b befestigt, die aus einer Brücke 15 gebildet ist, die über einen ausgesuchten Zahn einer unteren Zahnreihe 24 und einen benachbarten Teil der Unterlippe 25 ge- spannt ist. Der Zahn der Zahnreihe 24 wird, ohne die Okklusion der oberen und unteren Zahnreihe zueinander zu stören, teilweise umfasst, wodurch der zweite Referenzkörper 5b fest mit dem Unterkiefer verbunden ist. Zur besseren Halterung kann diese Brücke 15 aus einem selbsthärtenden Kunststoff hergestellt sein, der haut- bzw. schleimhautfreundlich ist. Die Brücke wird anhand eines zur Person passenden Zahnmodells individuell vorbereitet, so dass die Brücke 15 über den Zahn 24 und die angrenzende Lippe 25 per Hand leicht festgeklemmt werden kann. Im Querschnitt zeigt die Brücke 15 einen U-förmigen Schnitt (figurativ nicht dargestellt). Sie wird individuell gefertigt, um einen korrekten Sitz zu gewährleisten. Sie kann auf- grund ihrer geringen Ausdehnung so zwischen den geschlossenen Lippen der Person hindurchgeführt werden, dass die Lippenmuskulatur nicht behin- dert oder zur Seite gedrückt wird. Dadurch ist ein natürlicher Schlussbiss möglich. Die Brücke 15 kann an die Plastikauflage 5c des zweiten Referenzkörpers 5b angeklemmt oder in anderer Weise lösbar verbunden sein; die Brücke 15 und die Plastikauflage 5c sind damit als Wegwerfartikel aus- gestaltet.

Ein Verfahren zur Erfassung der Relativbewegung zwischen den beiden Kiefern der Person 20 läuft in folgender Weise ab: Zunächst wird die erste Halterung 11 a und die zweite Halterung 1 1 b an die Person 20 in der in Fig. 5 und 6 dargestellten Weise angebracht. Damit werden die Referenzkörper 5a, 5b über die Brille bzw. über die Kunststoffbrücke 15 an den Kiefern der Person 20 positioniert. Die beiden Halterungen 1 1a, 1 1 b werden dabei so angeordnet, dass die Referenzkörper 5a, 5b nur an einer Gesichtshälfte 22 seitlich des Mundes 23 angeordnet sind.

Hiernach wird die opto-elektronische Messeinrichtung in dem vorbestimmten Abstand, d. h. in etwa 300 mm Entfernung zu der Person 20 aufgestellt. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Kamerastativ 4 an die Person 20 herangetragen wird; es ist jedoch auch möglich eine feste Installation der ge- samten Messanordnung 1 vorzusehen, wobei die Person 20 auf einen Drehstuhl oder ähnlichem zu sitzen kommt.

Im Bild der Kameras 2 werden beide Referenzkörper 5a, 5b bei geschlossenem Mund 23 in die Mitte des Bildes angeordnet. Um zu erreichen, wird der Ausleger 12 an der ersten Halterung 1 1 a durch Biegen so justiert, dass der erste Referenzkörper 5a seitlich einer Oberlippe auf der Höhe des Oberkiefers anliegt (siehe Fig. 5). Ferner kann die Brücke 15 der zweiten Halterung 1 1 b durch Biegen und Klemmen so justiert werden, dass der zweite Referenzkörper 5b seitlich einer Unterlippe auf der Höhe des Unterkiefers anlie- gen kann. Die Referenzkörper 5a, 5b spannen dann, wie in Fig. 5 dargestellt, einen virtuellen Messbereich 7 auf. Sind die Referenzkörper 5a, 5b in der Mitte des Bildes, überlappt der Erfassungsbereich 6 der Kameras 2 vollständig mit diesem Messbereich 7, siehe hierzu auch Fig. 1. Je nach verwendeter Kamera kann es notwendig sein, Anpassungen vorzunehmen. Dies kann einfach durch einfaches Verändern des Abstandes Stativ-Person oder des Winkels zu der Person 20 erfolgen, so dass Messbereich 7 und Erfassungsbereich 6 erneut einander überlappen. Die Auflösung der Messanordnung 1 beträgt mit den hier beschriebenen Komponenten ca. 70 μηη, jedoch kann die Auflösung durch die Wahl der Kameras, der Optik sowie der Beleuchtung beliebig skaliert und der neuesten Kameratechnologie an- gepasst werden.

Nach Ausrichten der Person 20 in der Messanordnung 1 kann die Person innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, so zum Beispiel 30 Sekunden Kieferbewegungen, wie z. B. Kaubewegungen oder einfaches Öffnen und Schließen des Mundes 23 ausführen. Ferner sind auch andere Bewegungen wie Beiß-, Press- oder Knirschbewegungen möglich. Wie im Vergleich von Fig. 5 zu Fig. 6 zu sehen ist, bewegt sich der erste Referenzkörper 5a nahezu nicht von seiner vorbestimmten Position. Hingegen der zweite Referenzkörper 5b vollführt die Bewegung des Unterkiefers und zeichnet somit des- sen Bewegung nach. Für eine exaktere Bestimmung können auch längere Zeitintervalle von mehreren Minuten gewählt werden. Die Kiefer sollte mindestens jedoch einen vollständigen natürlichen Bewegungszyklus ausführen, was nur wenige Sekunden in Anspruch nehmen muss. Gleichzeitig werden fortlaufende Bildaufnahmen des Erfassungsbereichs 6 durchgeführt und mittels der Referenzkörper 5a, 5b bei jeder Bildaufnahme die relativen Lageänderungen beider Referenzkörper 5a, 5b zueinander er- fasst. Die Kameraaufnahmen werden hierbei nahezu simultan aufgenommen und durch Lichtimpulse der Blitzeinheit 9 unterstützt. Zum Schutz vor den Lichtimpulsen sind Brillengläser 14 der ersten Halterung 11a abgedunkelt. Zur Auswertung der gemessenen Signale ist auf der Datenverarbeitungseinheit 10 eine Software implementiert, die die Relativbewegungen des Unterkiefers zu dem Oberkiefer aus dem optisch erfassten Messsignalen er- fasst. Hierzu werden dem Fachmann bekannte Triangulationsverfahren verwendet.

Natürliche Kieferbewegungen einschließlich schneller Kaubewegungen werden nahezu in Echtzeit erfasst, als digitale Daten weiterverarbeitet und mit- tels eines Monitors an dem PC dargestellt. Die Daten können an einem Monitor begutachten und für eine weitere Bearbeitung verwendet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Messanordnung

2 Kamera

3 Beleuchtung

4 Stativ

5a, 5b Referenzkörper

6 Erfassungsbereich

7 Messbereich

8 Elektrische Leitungen

9 Blitzeinheit

10 Datenverarbeitungseinheit

11a Erste Halterung

11b Zweite Halterung

12 Ausleger

13 Gestell

14 Brillengläser

15 Brücke

16 Oberseite Referenzkörper

17 Kreissegmente

18 Orientierungsmuster

19 Positionierungsmuster

20 Person

22 Gesichtshälfte

23 Mund

24 Zahnreihe

25 Lippe

Claims

ANSPRÜCHE

1. Messanordnung (1) zur optoelektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen Oberkiefer und Unterkiefer einer Person (20) mit einer ersten Halterung (11a) zur Aufnahme eines ersten Referenzkörpers (5a) und einer zweiten Halterung (11 b) zur Aufnahme eines zweiten Referenzkörpers (5b), und einer opto-elektronischen Messeinrichtung, die in einem vorbestimmten Abstand zu einem von den Referenzkörpern (5a, 5b) aufgespannten Messbereich (7) angeordnet ist, und mit der die Lage und Orientierung der Referenzkörper (5a, 5b) relativ zueinander optisch erfassbar ist, wobei die opto-elektronische Messeinrichtung zumindest zwei Kameras (2) zur Erfassung der Relativbewegungen von Unterkiefer zu dem Oberkiefer aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die erste Halterung (11a) und die zweite Halterung (11b) dazu ausgebildet sind, dass die Referenzkörper (5a, 5b) nur an einer Gesichtshälfte (22) seitlich eines Mundes (23) der Person (20) anordenbar sind,

- der erste Referenzkörper (5a) in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung fest und der zweite Referenzkörper (5b) in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung beweglich ist, und

- die Referenzkörper (5a, 5b) eine dem Messbereich (7) zuwendbare Oberseite (16) haben, die eine Vielzahl an zueinander abgestuften Kreissegmenten (17) aufweist.

2. Messanordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Referenzkörper (5a, 5b) zylindrisch, bevorzugt kreiszylindrisch ist.

3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2

dadurch gekennzeichnet, dass

- zumindest ein Kreissegment (17) des Referenzkörpers (5a, 5b) zu ei- nem benachbarten Kreissegment (17) um eine Stufenhöhe in einem Bereich von 0,1 mm bis 1 ,0 mm, bevorzugt um 0,5 mm abgestuft ist, und/oder

- jedes Kreissegment (17) des Referenzkörpers (5a, 5b) ein Muster aufweist, wobei zumindest ein Muster ein Orientierungsmuster (18) ist.

Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Referenzkörper (5a) mittels einer als Brille mit einem Ausleger (12) ausgebildeten ersten Halterung (11a) an der Gesichtshälfte (22) angeordnet ist, wobei der Ausleger (12) verstellbar und mit einem ersten Ende (12a) an einem Gestell (13) der Brille und an einem zweiten Ende (12b) mit dem ersten Referenzkörper (5a) verbunden ist.

Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

die zweite Halterung (11b) eine Brücke (15) zur Befestigung des zweiten Referenzkörpers (5b) an dem Unterkiefer ist, wobei die Brücke (15) sich über eine Zahnreihe (24) des Unterkiefers und eines angrenzen Teils der Lippe (25) wölbt.

Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die Kameras (2) der opto-elektronischen Messeinrichtung Hochgeschwindigkeitskameras sind, deren Bildrate zumindest 210 fps erreicht.

Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Kameras (2) mittels eines Stativs (4) fest installiert sind, wobei ihre optischen Achsen einen Schnittwinkel in einem Bereich von 10° bis 50°, bevorzugt von 30° zueinander bilden, und - die Kameras (2) derart zueinander gedreht angeordnet sind, dass sich ein gemeinsamer Erfassungsbereich (6) ergibt, der bei Einhalten eines vorbestimmten Abstands zu der Person (20) sich mit dem durch die Referenzkörper (5a, 5b) aufgespannten Messbereich (7) überlappt.

8. Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine Kamera (2) der zumindest zwei Kameras eine zu ihrer Linse fest angeordnete Beleuchtungseinrichtung (3) aufweist, wobei die Beleuchtungseinrichtung (3) mit einer Blitzeinheit (9) zur Erzeugung zumindest eines Lichtimpulses verbunden ist.

9. Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die opto-elektronischen Messeinrichtung eine Datenverarbeitungseinheit (10) zum Verarbeiten von Signalen der Kameras (2) aufweist.

10. Verfahren zur opto-elektronischen Erfassung der Relativbewegung zwischen dem Oberkiefer und dem Unterkiefer einer Person (20) unter Verwendung der Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte

a) Anbringen der ersten Halterung (11a) und der zweiten Halterung (11 b) an die Person (20), dabei Anordnen und Justieren der ersten und zweiten Halterung (11a, 11 b) derart, dass die Referenzkörper (5a, 5b) nur an einer Gesichtshälfte (22) seitlich eines Mundes (23) der Person (20) angeordnet werden,

b) Aufstellen der opto-elektronischen Messeinrichtung in dem vorbestimmten Abstand, so dass der Messbereich (7), der durch die Referenzkörper (5a, 5b) aufgespannt wird, mit dem Erfassungsbereich (6) der Kameras (2) überlappt, wobei der erste Referenzkörper (5a) in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung fest und der zweite Referenzkörper (5b) in Bezug zu der opto-elektronischen Messeinrichtung beweglich ist,

c) Ausführen Lassen von Kieferbewegungen durch die Person (20), dabei optisch Erfassen der Lage und Orientierung der Referenzkörper (5a, 5b) in zumindest einer Achsrichtung in einem vorbestimmten Zeitintervall,

d) Ermitteln einer Relativbewegung des Unterkiefers zu dem Oberkiefer aus den optisch erfassten Messsignalen mittels der Datenverarbeitungseinheit (10).

11. Verfahren nach Anspruch 10,

wobei in Schritt a) der Ausleger (12) an der ersten Halterung (11a) derart justiert wird, dass der erste Referenzkörper (5a) seitlich einer Oberlippe (25a) auf der Höhe des Unterkiefers (21a) anliegt, und dass die Brücke (15) der zweiten Halterung (11b) derart justiert wird, dass der zweite Referenzkörper (5b) seitlich einer Unterlippe (25b) auf der Höhe des Unterkiefers (21 b) anliegt.