WO2022144462A2 - Vorrichtung und verfahren zur positionierung oder befestigung einer messeinrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur positionierung oder befestigung einer messeinrichtung Download PDF

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WO2022144462A2
WO2022144462A2 PCT/EP2022/050077 EP2022050077W WO2022144462A2 WO 2022144462 A2 WO2022144462 A2 WO 2022144462A2 EP 2022050077 W EP2022050077 W EP 2022050077W WO 2022144462 A2 WO2022144462 A2 WO 2022144462A2
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head
frame
measuring
relative
headgear
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PCT/EP2022/050077
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English (en)
French (fr)
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WO2022144462A3 (de
Inventor
Johannes Landgraf
Markus LOHSE
Bartholomäus RUDAK
Original Assignee
Forstgarten International Holding Gmbh
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Publication date
Application filed by Forstgarten International Holding Gmbh filed Critical Forstgarten International Holding Gmbh
Publication of WO2022144462A2 publication Critical patent/WO2022144462A2/de
Publication of WO2022144462A3 publication Critical patent/WO2022144462A3/de

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/04—Measuring instruments specially adapted for dentistry
    • A61C19/045—Measuring instruments specially adapted for dentistry for recording mandibular movement, e.g. face bows

Definitions

  • the technology described relates to the determination of movements and/or relative movements of bodies and/or body parts or of relative positions between bodies and/or body parts.
  • a device is specified, in particular for fastening a measuring device, preferably on the head or skull of test persons or patients, for determining spatial positions, orientations and/or movements.
  • the device described here facilitates a particularly stable and at the same time simple attachment relative to the bone of the skull and consequently the upper jaw.
  • 6D relative position The generally six-dimensional relative position (hereinafter: 6D relative position) of the two articulation partners (e.g. upper and lower jaw) determines the details of the (jaw) articulated movement and the exact position of the contact areas.
  • the generalized six-dimensional absolute position (hereinafter also 6D position) of the upper jaw and/or lower jaw in space is often only indirectly important, for example when it is used to determine the relative position and/or the relative movement. Any apparent absolute position is anyway to be understood relative to the reference system of the 6D space.
  • the 6D coordinates for 6D (relative) position include spatial (relative) position (e.g. in three Cartesian coordinates) and angular or rotational (relative) position (e.g. in three Euler angles).
  • Measuring the movement and/or position of the teeth requires either acquiring the teeth directly or acquiring the bony area of the jaw in which the teeth (including natural teeth and dentures), whose movement or position is to be measured are anchored. Mapping the bony area of the jaw is not trivial because it is covered by skin and gliding layers that can move to a significant extent relative to the bone and relative to the teeth. Immediate detection of the movement of the teeth is of course not trivial either. While bone screws are currently used in brain surgery or in spinal body surgery to fix markers immovably relative to the bony parts of the body, this is generally not a viable option in the context of dental and/or orthodontic applications because it would injure the patient.
  • the demands on the precision of the metrological detection are at least as high.
  • the precision requirements for detecting the relative position are typically fifty micrometers, i.e. five hundredths of a millimeter, or more precise. Such precision is required in order to ultimately facilitate a correspondingly precise detection or determination of the contact surfaces of the teeth or the dental prosthesis (eg crown and/or implant).
  • This is of great importance in practice because an optimally fitting and/or also functionally optimally shaped denture is to be manufactured to an increasing extent on the basis of digitally recorded or determined jaw movements and/or tooth positions. This can only succeed optimally if the relative positions of the teeth can be recorded as precisely as possible.
  • motion artefacts should be excluded as far as possible, expediently all.
  • Movement artifacts arise in particular when the markers to be detected, for example bodies and/or surfaces and/or patterns, which should be firmly connected relative to a bony body part, are in reality relative to the body part to be detected, for example the skull bone move.
  • the position and movement of the marker or the group of markers is then precisely recorded, but this recorded position and movement does not correspond to the actual position and movement of the body part to be recorded. It is particularly difficult to determine the position of the teeth in the upper jaw if the position of the teeth in the lower jaw is to be determined at the same time.
  • the inaccuracy here is that the position of the skull (bones) is usually to be recorded in order to infer the position of the upper jaw, which is firmly connected to the skull.
  • the detection of the skull position and skull movement is often not accurate enough, especially without a special device, because mimic movements and chewing movements massively move and/or deform the externally detectable body surface on the skull.
  • the externally detectable body surface on the cranium or the scalp can move relative to the cranial bone and thus to the upper jaw, in particular as a result of the masticatory muscle activity or facial expressions.
  • a problem to be solved is the attachment of measuring devices and/or aids, in particular to the skull of a subjects.
  • the relative movement between the marking elements to be detected or detectable patterns and the body parts to be indirectly detected, in particular the skull and/or the upper jaw, should preferably be as small as possible.
  • the measuring device when the measuring device is attached to the head (invasive or preferably non-invasive), the measuring device or the associated markers are not necessarily positioned correctly to be able to be detected with a detection device, especially together with Markers on another part of the body, such as the lower jaw, the markers should ideally be detectable on both parts of the body in a detection range of a single detection device.
  • markers that are technically recognized by capturing devices (e.g. sensors or cameras).
  • the markers are either glued directly to the skin or they are fixed to the skull using head-worn devices such as eyeglass frames or head straps.
  • the known fixation devices are afflicted with a large number of artifacts in terms of measurement technology. They record the 6D position of the support points or the fastening device on these support points, which, however, moves relative to the skull and unintentionally shifts during the measurement, as explained above. Therefore, the measured movement and relative position does not precisely match the actual movement and relative position. The deviations range from a few hundred micrometers to a few thousand micrometers (see above). This is often insufficient or suboptimal for precise dental technology, biomechanical or oral surgery applications.
  • More sophisticated measuring devices attach markers to fixtures that rest on areas of the skull that are approximately, but only apparently, stable in position, such as the bridge of the nose or the glabella and ear canal.
  • This allows, for example, a three-point support to be displayed, on the bridge of the nose, right ear and left ear (similar to the support points of a spectacle frame).
  • a mechanically sufficiently dimensionally and/or positionally stable device with this three-point support will follow the three support areas in space.
  • the bridge of the nose and the ear canal move mimicically and during the chewing movement relative to the cranial bone on closer inspection, the precise, stable connection to the cranial bone and the upper jaw is not really given. Movement artifacts also occur here.
  • Electrodes JMA Other measuring devices attach the cameras or other sensors to a holding device that rests on the bridge of the nose, comparable to a large eyeglass frame.
  • An adjustable head harness is most commonly used at the top for support to prevent the frame from sagging relative to the head.
  • the problem with this simplified holder is that the temporal muscles, which are responsible for the movement of the lower jaw and for the powerful biting, are located on the side above the ear. Muscle thickness, thickness, and shape change with jaw movement and contraction. In the case of lateral chewing movements, in particular, there are clear movement artifacts because the muscles on the right and left contract and deform differently and the contact areas consequently shift relative to the cranial bone. This results in apparent movements of the lower jaw, although only the muscles are tensed without relative movement.
  • a problem to be solved is to provide an improved device, such as for head mounting. Furthermore, an associated method should be specified.
  • a metrologically, preferably highly precise, attachment for devices on the head of a subject or patient should be provided, which preferably does not require penetrating screws and is attached to the head non-invasively.
  • the device attached to the head should preferably, in particular despite the non-invasive attachment, allow the detection of the 6D positions and the 6D movement of the skull without disturbing artefacts.
  • the proposed device is intended to serve, in particular in conjunction with a highly precise device for detecting the movements of the lower jaw or the dental arch in the lower jaw, to record the relative movements of the upper jaw and lower jaw or the associated teeth with a high degree of precision, preferably not previously possible.
  • the device should preferably make it easier for the measuring device of the device to be brought into a certain position relative to another device, for example to make markers of measuring devices on both devices with a single detection device, for example a single camera, detectable .
  • the fastening device with the head support elements facilitates, for example, possibly in cooperation with the further support element, a stable, non-invasive fastening of the head frame relative to the skull or the upper jaw and consequently a low-artifact position or movement determination, since the measuring device can be held in a stable position relative to the skull .
  • the measuring device relative to a measuring device of another The device can be suitably positioned on another part of the body, for example attached to the lower jaw, in order to be able to create a defined positional relationship between the measuring devices of the devices, which facilitates reliable tracking of the relative positions of the body parts, for example the skull/upper jaw and lower jaw.
  • the adjusting device can also be helpful in bringing the measuring device into a suitable position relative to a detection device.
  • Device for attachment to the head of a subject for example the head of a human being, such as a patient or subject, and/or for detecting positions and/or movements of the skull of the subject and/or for detecting positions and/or movements relative to the skull of the subject
  • the device comprising: a headgear for attaching the device to the subject's head, and optionally a measuring device which is mechanically connected to the headgear, preferably permanently, or can be connected to the headgear, the headgear having an attachment device for Attachment of the headgear to the head, the attachment device preferably comprising at least two headrest elements, by means of which the headgear can rest on the head, the headrest elements being set up for contact with head areas on different sides of the head (left or right) and/or behind the ears and are trained, and / or wherein the Be fastening device has at least one (further) support element, for example a front support element, with which the head frame can bear against the head, for example on a front side of the head.
  • a first headrest element can rest on a first side of the head, for example on the left, and a second headrest element can rest on a second side of the head, for example on the right.
  • the measuring device can provide the functionality of the device for movement or position tracking.
  • the headgear may provide the attachment functionality for attaching the device to the head.
  • the fastening device can fasten the device to the head in a stable position.
  • the measuring device comprises a measuring frame, the measuring frame preferably being configured to extend on different sides of the head when the measuring device is connected to the head frame.
  • the measuring frame can comprise a transverse element and side elements as a measuring carrier, which are connected via the transverse element.
  • the measuring device has one or a plurality of measuring units.
  • the side elements can each carry at least one measuring unit, which is connected to the measuring carrier. 4. Device according to the preceding aspect, wherein two measuring units are arranged on different head sides (left and right respectively) when the measuring device is connected to the head frame.
  • the respective measuring unit or at least one of the measuring units is or comprises an active measuring unit, for example a sensor unit or a camera unit with at least one or precisely one camera.
  • the respective measuring unit can be used as a detection device for another measuring device, which is preferably worn on a part of the body.
  • the respective measuring unit or at least one of the measuring units is or comprises an active or passive measuring unit, for example a marker arrangement with one or a plurality of active or passive markers, the measuring unit having a detection device , such as a sensor or camera device, can be detected.
  • markers are optically detectable markers, for example with a camera.
  • the measuring unit advantageously facilitates movement or position tracking.
  • attachment device is designed for non-invasive attachment of the headgear to the head.
  • the fastening device is designed for the non-positive fastening of the head frame on the head, for example for a press fit on the head.
  • the fastening device is adjustable in such a way that the head support elements rest in certain areas of the human head when the head frame is fastened to the head.
  • the configuration can preferably be adapted to different head shapes and different head regions, for example by means of movable head support elements.
  • the head areas are chosen or selectable (preferably because of the configuration of the device, in particular the head frame, for example the fastening device and there the head support elements) that in the respective head area between the scalp and the Cranial bones no or few muscles are arranged, especially no or few muscles that are relevant to the movement of the temporomandibular joint and/or facial expressions and/or are stressed when the lower jaw moves relative to the upper jaw or when there are mimic facial movements.
  • the head support elements can bear against the head in areas of the head in which there is little relative movement between the head and the cranial bone. This supports low-artefact motion tracking.
  • the head areas are offset backwards (away from the face) and upwards (away from the neck) with respect to the ear, for example backwards by 2 cm or more and/or upwards by 2 cm or more or, for example, backwards by 3 cm or more and/or upwards by 3 cm or more.
  • the head areas left or right side of the head relative to the auditory canal, in particular relative to the entrance of the auditory canal, backwards (in the direction away from the face) and/or upwards (in the direction away from the neck), for example 2 cm or more backwards and/or 2 cm or more upwards or for example 3 cm or more backwards and/or 3 cm or more upwards.
  • the head frame has a carrier, the head support elements and/or the (additional) support element being connected to the carrier.
  • the head support elements are movably connected to the carrier and are preferably displaceable along the carrier or pivotable relative to the carrier, and/or wherein the (further) support element is connected to the carrier, preferably movably, for example pivotable relative to the carrier and/or in a different plane than the headrest elements.
  • the device has a pressing device which comprises, for example, one or a plurality of spring elements, wherein the pressing device is preferably set up to To press head support elements to the associated head area, with the respective
  • Head support element is pressed with a pressing force on the associated head area.
  • the wearer can apply the opposing force to the respective pressing force.
  • the head areas and/or the head support elements are designed, selected and/or arranged (in particular when the device is in the state on the head) that the two surface normals to the cranial bone (the respective surface normal can, for example in the center of the contact surface between the head support element and the associated head area) span an angle (force angle) in the head areas that is less than 180° and less than or equal to one of the following values: 175°, 170°, 165°, 160°, 155° .
  • the pressing force vectors can span the stated force angle.
  • the head areas and/or the head support elements are designed, selected and/or arranged (in particular when the device is in the state on the head) that the two surface normals to the skull bone (the surface normal can be in the center point of the contact surface between the head support element and the head area perpendicular to the cranial bone) span an angle (force angle) in the head areas that is greater than 90° and preferably greater than or equal to one of the following values: 100°, 110°, 120°, 130°, 135°, 140°, 145°, 150°.
  • the pressing force vectors can span the stated force angle.
  • the pressing device is designed to position the head support elements on the right and left on the head with a pressing force that does not damage the scalp and is less than or equal to 100 Newtons (preferably less than or equal to one of the following values: 95 N, 90 N, 85 N, 80 N, 75 N, 70 N) mainly towards each other.
  • the adjusting device is designed such that the measuring device can be brought into different positions and/or inclinations or orientations relative to the headgear when the measuring device is connected to the headgear and is preferably held firmly there or is, in particular fixed there.
  • the measuring frame is connected to the head frame via the adjusting device, in particular permanently or detachably.
  • the adjustment device comprises a joint, for example a swivel joint.
  • measuring frame and/or the head frame has two free ends which preferably point away from the front of the head, in particular in the applied state.
  • the base of the U may be connected to the headstock.
  • the base of the U of the headframe and the base of the U of the measuring frame may be aligned with one another, for example parallel, particularly in the donned state of the device.
  • Device for attachment to the head of a subject for example the head of a human being, such as a patient or test person, and/or for detecting positions and/or movements of the skull of the subject and/or for detecting positions and/or movements relative to the subject's skull
  • the device comprising: a headgear for attaching the device to the subject's head, and a measuring device which is mechanically connected to the headgear, preferably permanently, or can be connected to the headgear, the headgear having an optional attachment device for Attachment of the headgear to the head, wherein the measuring device is mechanically connected or can be connected to the headgear via an adjusting device, and wherein the adjusting device is designed such that the measuring device, when the measuring device is connected to the headgear, in different positions and / or inclinations or orientations relative to the head fges
  • the adjusting device facilitates an adjustment of the relative position of the measuring device/head frame, in particular when the device is placed on the head.
  • a system comprising: an apparatus according to any preceding aspect; and a further measuring device intended for attachment to a body part other than the device, for example the lower jaw, the other body part being movable relative to the skull.
  • the further measuring device comprises a measuring unit, wherein the measuring unit of the device and the measuring unit of the further measuring unit are designed in such a way that: the measuring units are arranged in a detection range of a common detection device, for example in the field of view of a camera ; or one of the measuring units, preferably that of the device, is a detection device, for example a camera, for the other of the measuring units, wherein the other of the measuring units is or can be arranged in the detection range of one of the measuring units, in particular when the measuring devices are in the applied state.
  • a detection system comprising: an apparatus or system according to any preceding aspect; and a detection device for tracking the position of the respective measuring device.
  • the attachment device being adaptable in such a way that the head support elements rest in certain areas of the human's head, the head areas being determined in such a way that in the respective head area between the scalp and no or few muscles are arranged on the cranial bone, in particular no or few muscles that are relevant for the movement of the temporomandibular joint and/or that are stressed during a movement of the lower jaw relative to the upper jaw, and with the head support elements being inside before the device is attached to the head the The device can be positioned so that it rests against the specific areas of the head when the device is attached to the human head.
  • a method for detecting movements of a skull or the upper jaw wherein a head frame, preferably one of a device according to one of the preceding aspects, is positioned with support elements on the head in such a way that the head support elements lie on the right and left side behind and above the ears in the Areas that have no or almost no musculature and in addition a measuring frame is positioned relative to the head frame by means of an adjustment device which adjustably connects the head frame and measuring frame, and then the movement of the measuring frame is used to either detect the movement of the measuring frame itself or to Using the measuring frame as an active measuring frame to detect the relative movement of a second measuring frame, which is observed by the active measuring frame.
  • a device for detecting positions, movements and relative movements comprising a head frame and a measuring frame, the head frame comprising at least two support elements that rest on the right and left in the narrow periphery of the non-muscularly covered head areas above and behind the ears and by at least one front edition are supported.
  • the headgear comprises an adjustment device that adjustably mechanically connects the measurement gantry to the headgear.
  • the head frame comprises spring elements configured to predominantly press the support elements right and left in position on the head against each other with a non-scalp damaging force of up to 100 Newtons.
  • the measuring frame comprises a combination of markings that can be detected optically or by radiation and/or wherein the position and/or inclination of the measuring frame can be adjusted relative to the head frame.
  • the measuring frame is coupled to a head frame and can be adjusted relative to the head frame and preferably comprises a camera system which consists of or comprises two or more cameras.
  • the mechanical adjustment element or the adjustment device between the head frame and the measuring frame comprises a hinged joint.
  • a system comprising an external detection system and a combination of head mount and measuring mount according to any of the preceding aspects and a second measuring mount attached directly or indirectly to the lower jaw.
  • a headgear/measuring rig combination system wherein the measuring rig comprises an active camera system and a second measuring rig directly or indirectly attached to the lower jaw, the second measuring rig comprising optically detectable markings.
  • a method for detecting movements of a skull or the upper jaw wherein a head frame, preferably a device according to one of the preceding aspects, is adjusted or positioned with support elements in such a way that the rear support elements lie on the right and left side behind and above the ears in the (Head) areas that have no or almost no musculature and the measuring frame is positioned relative to the head frame by means of an adjustment device that adjustably connects the head frame and measuring frame, and then the movement of the measuring frame is used to either record the movement of the measuring frame itself or to use an active measuring gantry to detect the relative movement of a second measuring gantry observed by the first active measuring gantry.
  • a device for detecting movement of a body part, in particular the temporomandibular joint preferably comprises a head frame and a measuring frame or measuring device, it being possible for the head frame and measuring frame to be mechanically connected by an adjusting element or an adjusting device.
  • the headgear preferably comprises a cross-connection and side parts on the right and left (side parts and cross-connection can be parts of a carrier of the headgear).
  • the side parts can carry the support elements.
  • the position and/or orientation of the support elements of the head frame can be individually adjusted. This allows the head frame to be adapted to different head sizes and head shapes.
  • the measuring frame can be designed as a passive measuring frame with markings or as an active measuring frame with sensors or cameras.
  • the head frame preferably comprises at least two support elements (head support elements), which are located on the right and left in the narrow vicinity of the areas of the skull that are not covered by muscles, above and behind the ears rest against the head and are supported by at least one front support.
  • the distance from the auditory canal and/or the ear is preferably at least 2 cm upwards and at least 2 cm backwards.
  • the distance above the auditory canal and/or the ear is particularly preferably at least 3 cm and behind the auditory canal and/or the ear is at least 3 cm.
  • a further bearing element can be provided for bearing on a front region of the head, for example on the bridge of the nose.
  • the head frame expediently comprises the mechanical adjusting device which mechanically connects the measuring frame to the head frame in an adjustable manner.
  • the position and/or the spatial orientation of the measuring frame relative to the head can preferably still be adjusted when the head frame is already attached to the head.
  • the rear support elements of the headgear are predominantly symmetrical and form a force angle alpha in the applied state (on the head) which is less than 180 degrees, preferably less than 170 degrees. More preferably, the force angle is less than one hundred and sixty degrees.
  • the resulting force of the support forces (or pressing forces with which the support elements are pressed against the head, in particular relative to a carrier of the headgear) in these two support elements on the right and left therefore points backwards.
  • the size results from the force angle and the tracking force.
  • the contact force (or pressing force) is preferably adjustable, either by an adjustable distance between the support elements, for example elastically or spring-mounted, or by support elements projecting to different distances inwards from the head frame towards the middle of the head.
  • the headgear preferably includes spring members designed to bias the right and left support members into position on the head with a non-scalp damaging force of up to one hundred Newtons predominantly against each other.
  • the spring elements can provide some or all of the bearing or pressing force.
  • the force is preferably between one and fifty Newtons, particularly preferably between three and thirty Newtons.
  • the position and/or inclination of the measurement frame which is fastened to the head frame by means of the adjusting device, can be adjusted relative to the head frame.
  • the measuring frame preferably comprises a combination of active or passive markings that can be detected optically or by radiation, with these being detected by an external system.
  • the measuring frame which is attached to the head frame, can comprise a camera system consisting of two or more cameras. The cameras are designed to capture markings of a second measuring frame that moves relative to the first measuring frame. The cameras of the camera system are preferably arranged on different sides of the head.
  • the mechanical adjustment element or the adjustment device between the head frame and the measuring frame can comprise a hinged joint that allows rotary adjustment movements. It can also allow for axial translation. Alternatively, a ball joint can be used or other lockable connections.
  • the proposed combination of head frame and (first) measuring frame preferably forms part of a system which also has a second measuring frame which can be fastened or is fastened directly to the lower jaw or to the dental arch of the lower jaw.
  • the measuring frame can include an active camera system.
  • the second measuring frame which can be fastened or is fastened directly or indirectly to the lower jaw, preferably comprises markings that are arranged in the field of view of the camera system and can be optically detected by the camera system. The relative position or movement between the skull/upper jaw and lower jaw can thus be tracked via the camera system.
  • the measuring frame can include one or more passive measuring units, for example optically detectable markers.
  • the system can be part of a detection system which, in addition to the system, also has a separate detection device, i.e. not connected to the head frame or the second measuring frame, e.g. comprising one or a plurality of cameras.
  • a separate detection device i.e. not connected to the head frame or the second measuring frame, e.g. comprising one or a plurality of cameras.
  • the relative position or movement between the skull/upper jaw and lower jaw can be tracked by the detection device by observing the measuring units on the two measuring frames.
  • a head frame with support elements for example one of the devices proposed above, can be positioned in such a way that the rear support elements on the right and left lie laterally behind and above the ears on the head in the areas who have no or almost no musculature.
  • the measuring frame for example one of the devices proposed above, can be positioned relative to the head frame by means of an adjusting device which adjustably connects the head frame and measuring frame. The movement of the measuring gantry can then be used to either detect the movement of the measuring gantry itself or, with the aid of an active measuring gantry, to detect the relative movement of a second measuring gantry which is observed by the active measuring gantry.
  • FIG. 1 illustrates the state of the art of how head-mounted systems for motion detection have hitherto been attached to the upper and lower jaw;
  • FIG. 2 illustrates a situation in which a headrest rests on the head in an area that is not particularly positionally stable relative to the skull.
  • FIG. 3 illustrates the head with individually defined areas that are suitable as support areas because they have little or no musculature there.
  • FIG. 4 schematically shows the head frame with the transverse element and side element(s) and support element(s) in position on the head.
  • FIG. 5 schematically shows the head frame with ring element and support elements in position on the head.
  • FIG. 6 shows the head frame with the transverse element and side parts in position on the head with the connecting element and the measuring frame attached.
  • FIG. 7 shows the head frame with transverse elements and support elements and connecting element and measuring frame attached to the head and another measuring frame attached to the lower jaw for detecting the movement of the upper jaw and lower jaw.
  • FIG. 8 shows a device with an active measuring device.
  • Figure 9 shows a top plan view of a head mounted device.
  • Figure 10 shows a top plan view of a head mounted device.
  • FIG. 11 illustrates steps of a method.
  • FIG. 1 shows the state of the art (Klett, DE 10 2006 004 197 A1, see the description above) of how the artefacts of the head movement have been avoided up to now. In the picture you can see a headrest 93 which reduces the movement of the head.
  • FIG. 2 shows a solution in which the headrest 45 is positioned laterally over the ear.
  • the contact surface 45 / head lies exactly in the area 4 of the head (see also FIG. 3) which is very productive for movement artifacts because there are many muscles.
  • the headgear here comprises a robust, spectacle-like temple with spring hinges and side parts or bars 42 which run backwards just above the ear 6 .
  • Number 8 denotes the eye.
  • Number 7 marks the position of the auditory canal, which is also not suitable as a support because it moves relative to the skull when chewing and speaking, purely mimic movements and extensive jaw movements. The auricle is also unsuitable as a support.
  • a headband 47 is also drawn in, which can somewhat reduce, but not prevent, the disruptive relative movement between the skull and the headgear.
  • Numeral 43 shows schematically a transverse element that connects the two side parts 42. This is where the disturbing movement artefacts occur during chewing movements etc. This results in apparent movements in the cameras 48 or markers 48 which are observed by a camera lead to apparent movements.
  • FIG. 3 shows the head 1 with its individually defined areas 16, which are particularly suitable as contact areas for or contact with a head frame, because the head has no or very little musculature there.
  • 5 denotes the musculature, 3 the upper jaw and 2 the lower jaw.
  • the upper dental arch 13 is firmly connected to the skull 1.
  • the lower jaw 2 moves the lower dental arch 12.
  • the masticatory muscles 5 start at the top of the skull in the area of the temporal bone. For this reason, area 4 is not suitable as a support location for the support elements of the headgear.
  • the appropriate area 16 is further (e.g. 2 cm or 3 cm or more from the ear, e.g.
  • ear canal or pinna above the ear and at the same time further back on the lateral occiput (e.g. 2 cm or 3 cm or more from the ear, e.g. the ear canal or pinna).
  • Musculature also rests directly on the back of the head 9 and the scalp shifts significantly, for example due to facial expressions or strong movements of the lower jaw. Since the apex 17 is comparatively quiet in the upper area, a headband that is routed over the apex from left to right can support the precision. Marked with 11 is the nasal bone, which also has little musculature, here too with individual differences.
  • the nasal bone can therefore be used as a front support area/contact surface for a support element of the headgear.
  • the frontal bone or the front temporal bone is also suitable as a front contact area.
  • FIG 4 shows schematically the head frame 20 with transverse element 25 and side element (s) 23, 21 and support elements 22 right and left in position 16 on the head or skull 1.
  • Transverse element and side elements can form the support of the head frame.
  • the proposed support area 16 is hit or occupied very centrally here. It is individually more or less far above the ear and more or less far behind the ear, but can be easily distinguished from area 4 with the disruptive masticatory muscles by touch.
  • the nose pad 24 front support element
  • the deck 24 may be pivotally connected to the cross member connecting side members on the different sides of the head (see also Figure 9).
  • the head frame is U-shaped here.
  • FIG. 5 schematically shows the head frame 20 in the embodiment with the ring element 26 and the support elements 22 in position 16 on the head or skull 1.
  • a nose pad is chosen here as a support.
  • the head ring 26 may have a deformation, not shown, to provide space for a headrest (see item 93 in Figure 1) if such may be helpful, for example around the head relative to a sensing device such as a Restrict or fix the camera in motion.
  • a headrest on an external measuring or detection system, see 93 in FIG. 1 is not required, but can be provided.
  • the head ring 26 can act as a support for the headgear. It can completely or only partially encircle the head. A positionally stable fastening can be achieved more easily with a closed ring, since a closed ring is more resistant to deformation than an open ring.
  • FIG. 6 shows the head frame 20 with the transverse element 25 and side element(s) 23, 21 and support elements 22 in position 16 on the skull 1 or on the head.
  • the connecting element or adjusting element 29 (adjusting device) is coupled and the measuring frame 30 with its transverse element 31 and the side elements 32 as well as marker elements 33 shown by way of example, e.g. optically detectable markers, are fastened to it.
  • the measuring frame can be U-shaped.
  • the head frame can be annular or U-shaped. Alternatively, completely different marker elements and/or different geometries of the measuring frame can also be used.
  • the measurement frame can be pivotable relative to the head frame. The associated pivot axis can run parallel to the transverse element 31 and/or lie in front of the face or the nasal bone 11 .
  • FIG. 7 shows the head frame 20 coupled to the measuring frame 30, again with the
  • Another measuring frame 40 is attached to the lower jaw 2, with transverse element 41 and side elements 42, and preferably marker elements 43 on the right and left as an exemplary embodiment.
  • the measuring frame can be U-shaped.
  • the (upper) first measuring frame 30 is used to record the position and movement of the upper jaw 3
  • the (lower) second measuring frame 40 is used to record the position and movement of the lower jaw 2.
  • the measuring gantry with the measuring devices or markers can be suitably positioned relative to the second measuring gantry 40, for example so that the markers 33 and 43 are relatively close together and can be captured by a camera, for example.
  • FIG. 8 shows a further embodiment with an active measuring frame 50 with a camera system 53 which is fixed to the head frame 20 via the adjustment element 29 . Since the head frame, particularly in the areas 16, rests with the support elements 22 on the rear side head, ie clearly outside the area 4 above the ear causing the problem, the movement artefacts due to muscle movement are excluded or at least significantly reduced. The position of the cameras can nevertheless be selected by the adjustment element or the adjustment device 29 such that the camera system 50 now carried on the head frame 20 can observe and accurately record the movement of the lower second measuring frame 40 . This allows a particular freedom of movement for the test person or patient during the measurement, for example since fixing relative to the detection device as in FIG. 1 can be omitted.
  • Figure 9 shows the head frame 20 from above in an embodiment with elastic spring bars 23 on the right and left and the support elements 22 that can be positioned on them along the bars 21, preferably displaceably.
  • the support elements touch the head in area 16.
  • the contact force acts primarily vertically to the surface in the contact area.
  • the force vectors are at an angle to one another, for example at 160° or 155°.
  • the resulting reaction force Fr e.g. at least 5% of the sum of the pressing forces with which the support elements 22 are pressed against the head, for example up to 100 N, as explained above
  • the front pad applies the opposite reaction force -Fr, i.e.
  • the two adjustment elements 29 shown here as an example preferably allow a hinge movement of the transverse element 31 of the measuring frame 30. However, they do not transmit any bending forces to the transverse element 31.
  • the measuring frame 30 thus remains undistorted and almost free of forces, with the exception of gravity and low torsional forces. This allows a marker system or alternatively a camera system to be used in a precisely calibrated manner without being geometrically distorted.
  • the pressing forces can be realized via spring elements that load the support elements inward relative to the carrier or the side elements of the head frame.
  • FIG. 10 shows the head frame 20 from above in an alternative embodiment with a head ring 26.
  • the support elements 22 are articulated so that they can adapt to the curvature of the head. They can be pushed in more or less far towards the middle of the head as required.
  • Elastic elements and/or elements that can be fixed in variable positions relative to the ring ensure appropriate support forces.
  • the measuring frame is coupled to the head frame 20 via adjusting elements 29, the adjusting elements allowing a hinge movement and/or an axial lateral movement, for example. however, only with an adjustment force, which must expediently be greater than the forces normally acting on the adjustment device/adjustment elements while being worn.
  • the relative position between the measuring frame and the head frame is secured and fixed in all relevant cases.
  • active camera systems 50 with cameras 53 can also be used. The cameras attached in this way form an (artifact-free) head-mounted camera system for measuring the relative movement of the lower and upper jaw against each other.
  • Figure 11 schematically shows the procedure for attaching, adjusting and using the head-mounted device with head frame 20 and measuring frame 30. This is used either for (artefact-free) recording of the movement of the skull relative to an external camera system or for recording the movement of the second measuring frame 40 of the lower jaw relative to the head-mounted camera system 50.
  • the adjustable headgear is positioned at step 140 against the non-muscle-packed areas 16 of the skull.
  • the coupled measuring frame 30 with marker elements 33 or with cameras 53 is then aligned. Then the position can be corrected again. From now on, the connection between the head frame and the measuring frame remains unchanged and the head frame remains fixed in position on the head. Since the musculature does not run in the area 16 of the head, the disturbing movement artefacts during the measurement are excluded or at least significantly reduced.
  • An advantageous feature of the device is the position and/or adjustability of the rear headrest elements.
  • the rear headrest elements are designed and arranged in such a way that they can rest in the (skin-covered) area of the lateral occiput or head. In particular, this is a comparatively small area of the head on the right and left above the ears and at the same time clearly behind the ears, i.e. towards the back of the head, which has very little or no muscles under the scalp.
  • the fastening device can be adjusted within the required adjustment range in order to cover the inter-individual variability, for example anatomically caused.
  • the contact pressure on the right and left is adjusted, preferably approximately symmetrically, in such a way that there is no tangentially sliding relative movement of the contact pads. This can be done using elastic elements, in particular using spring hinges or elastic bending rods.
  • the support in the front head area is either supported by a pad on the nasal bone and positioned stably relative to the skull, or by a Resting on the forehead in one or more areas of the forehead that do not move relative to the skull during motion capture.
  • different contact areas and contact elements can be provided for different detection tasks.
  • the contact areas of the device on the subject's head are different than conventionally, in particular the rear head (support) areas are not on the ears or in or above the ears but are significantly further back.
  • the movement artefacts that occur earlier are thus ruled out, or the risk of such artefacts is significantly reduced.
  • the contact areas near the ears or even in the ears themselves were like a face bow, which had led to motion artifacts.
  • Head frame on the skull or head is a skull frame on the skull or head
  • the at least three supporting elements of the device are connected by at least one connecting element or a carrier and can together form the so-called head frame.
  • the head frame encloses the head on at least three sides, for example on only three sides in a U-shape or on four sides as a closed or open ring.
  • the transverse connection can be provided on the side of the forehead or on the face.
  • the front support element can rest on the bridge of the nose or on the forehead, as already described above.
  • the marking elements, signal elements or pattern elements are attached to the head frame, preferably directly or indirectly, and their position and movement are measured using a measuring frame that is attached to the head frame, for example.
  • the head frame is stably fixed relative to the skull by means of the support elements and possibly by additional fastening elements (suitably non-invasive) and does not move or does not move significantly relative to the cranial bone during the motion detection because there is little or no head musculature under the support elements. Consequently, a 6D motion measurement or 6D position measurement of the headgear accurately captures the 6D motion of the patient's or subject's skull and/or maxilla.
  • the so-called head frame has a relative to the head frame, for example in the 6D relative position, for example in all 6 degrees of freedom or only in a limited number of degrees of freedom (for example 5, 4, 3, 2, or 1 degree of freedom), adjustable marker frame (as a measuring frame or measuring device) attached.
  • the head frame can be positioned precisely and individually on the head and, at the same time, the marker frame can be suitably positioned for the measurement technology, particularly if it is already connected to the head frame. After setting the 6D relative position between the head frame and the marker frame, this relative position is fixed during the position or motion detection.
  • the detected movement of the marker gantry accurately describes the movement of the head gantry. So the movement of the marker frame is clearly linked to the movement of the skull or the upper jaw.
  • Adjustment device between head frame and marker frame is
  • the head frame is connected to the marker frame by a mechanically lockable adjustment device, with the marker frame preferably being fixed in the adjustment device by static friction during the movement or position detection.
  • the measuring frame includes a fixed marker combination as a particularly optically detectable marker system that can be observed and measured using a camera system, for example from different spatial directions, in order to detect the position and movements of the skull and thus the upper jaw.
  • a camera system for example from different spatial directions
  • this can result in the detection of the relative movement between the upper jaw and the lower jaw or the relative movement between the upper and lower dental arches of the dentition.
  • the lower jaw also needs a measuring frame attached to it.
  • An external recording system can now record both measuring frames and their relative movement.
  • Recording device e.g. camera system, on measuring frame:
  • the measuring frame comprises an arrangement of at least one camera, preferably two or three cameras, which are fixed in a stable manner relative to the skull of the subject or patient via the measuring frame.
  • the adjustable measuring frame allows precise positioning of the cameras relative to a measuring frame of the lower jaw. In this embodiment, no external detection system is required, rather the detection system is carried by the headgear.
  • the integration of cameras into a measuring frame is a technical task that can be solved by all means.
  • the proposed attachment of the measuring frame to a head frame with a special choice of the head (support) areas now makes it possible to eliminate the movement artifacts that would have resulted from the unwanted relative movements between the camera system and the skull with the conventional solution.
  • the head frame is first of all precisely adapted to the anatomy of the patient or test person using the setting options, for example adjustable support elements.
  • Individually adapted head (support) areas are selected that do not or not significantly shift relative to the skull bone during the movement (task). This can be ensured by scanning and visual inspection.
  • the adjustable (support) elements of the head frame are used to adjust the contact force, in particular of the rear head support elements on the right and left, appropriately.
  • the individual adjustment of the relative position of the marker frame attached to the head frame to the head frame takes place via a preferably smooth-running and yet positionally stable adjusting device.
  • the adjustment takes place in such a way that the position of the head frame relative to the skull only changes insignificantly, and after the marker frame has been adjusted relative to the head frame, the head frame and marker frame assume a fixed position relative to the skull. Since the head (support) areas can now be individually adjusted so that the support elements rest where there is no muscle under the skin, this fixed relative position between the marker frame and the skull remains during the movement tasks and during the position and movement recording. This means that the earlier artifacts are now excluded.
  • Head frame with springy side parts with or without headband
  • the headgear includes a cross-link connecting a right side panel to a left side panel.
  • the head frame can be U-shaped.
  • the right and the left side part each carry at least one, preferably adjustable, support element.
  • the respective support element can be adjustable in position along the carrier.
  • the (adjustable) support elements are preferably arranged predominantly symmetrically and point towards the head.
  • the head frame has spring-loaded elements that are preferably adjustable in the rest position and/or the spring force. The position and/or alignment of the support element on the side part can also be adjusted.
  • the support elements on the right and left preferably point towards each other, but particularly preferably form an angle in that they point more towards the center of the head, ie are aligned somewhat from the back to the front towards the nose.
  • the headgear with the support elements sits on the individually selected areas of the head on the right and left, for example clearly above and clearly behind the ear, and presses, for example with elastic force, predominantly vertically against the contact surface on the head, i.e. against the head rest area.
  • the counterforce is applied by the at least one front support element.
  • a nose pad that is slightly slanted on the nasal bone.
  • one or more bands can be used for stabilization. If necessary, a slightly elastic but flexible band runs over the head, preferably almost vertically on the right and left and transversely at the top. In the most preferred In this case, the headrest elements are set geometrically in such a way that this headband can be dispensed with.
  • Headgear with ring element with or without headband
  • the headgear comprises a ring member (support) connecting or having the right and left portions of the headgear.
  • the ring element surrounds the head in large areas or completely.
  • the ring element can be predominantly horizontal.
  • the ring element can be made with locally different heights and/or with locally different inclinations, e.g. to allow free access to markers or to supports for the head.
  • the ring element can, for example, lead further upwards at the side or keep the area of a headrest free at the back.
  • the at least two rear (head) support elements are attached to this ring element, preferably adjustable, and preferably also the at least one front support element. The support elements can be moved and/or pivoted.
  • the support elements can be designed in such a way that the distance by which they protrude (inwards) beyond the carrier can be adjusted, for example via a screw connection.
  • the support elements are expediently individually adjustable and the ring element can thus be individually positioned such that the support areas, particularly on the side of the back of the head, are located where there is little or no musculature, in order to eliminate or reduce movement artefacts.
  • a nose support or at least one forehead pad or temple pad can be used at the front, also expediently on areas of the skull that have little or no musculature.
  • the contact pressure is preferably individually adjustable, for example by varying spring tension or a screw device.
  • one or more bands can be used for stabilization.
  • a slightly elastic but flexible band runs over the head, preferably almost vertically on the right and left and transversely at the top.
  • the headrest elements are geometrically set in such a way that this headband can be dispensed with.
  • an adjustable marker frame is fastened to the head frame as a measuring frame via an adjustment device with a hinge function or with another joint function.
  • This adjustability allows the positioning of the marker frame relative to the fixed head frame and at the same time in a suitable position relative to the marker detection device and, if necessary, relative to a mandibular measuring device.
  • the measuring frame comprises a transverse element and two side elements, and at least the side elements carry marker bodies with markings. These marker bodies can be measured in terms of their position and movement.
  • the side elements can reach into the area of the temporomandibular joint. Then metrological recording devices can record the movements and positions in the vicinity of the temporomandibular joint with the highest precision.
  • the adjustment device between the head frame and the marker frame can be used to suitably position the marker frame, for example for special measurement tasks, particularly if the head frame is already individually correctly positioned in the support areas. This results in a certain individual position constraint for the head frame. Without the adjustment device between the head frame and the marker frame, either the individual position constraint would be transferred to the position constraint of the marker system, which would lead to restrictions would. Or the individually correct, artefact-free position of the pads on the head could not be set.
  • the adjusting device is therefore very helpful in order to be able to set the position on the head (ie select the head support areas) in such a way that no muscles lead to movement artifacts in particular, and also to be able to adapt the position of the marker frame to the metrological requirements as well as possible.
  • the headgear can contain additional attachments for support elements, in particular for an adjustable headband which runs from right to left over the crown.
  • damping elements are possible which are suitable for removing vibration energy from the head frame and/or measuring frame.
  • the head frame includes a cross bar as a cross connection between the right and left side part or element.
  • Two symmetrical side parts or elements can be attached to the right and left leading to the rear of the crossbar.
  • the distance between the side parts is preferably adjustable, but it can also be fixed, in particular if the distance between the headrest elements and the side part can be adjusted or selected in order to adapt the head frame to the head size.
  • the side parts on the right and left preferably comprise spring rods made of very elastic, hardly plastically deformable material, such as carbon fiber composite material in particular.
  • the spring rods run predominantly in the plane formed by the at least three support elements, with the front support (nose support) preferably being adjustable in height relative to this plane and at a distance from the crossbar.
  • the lateral rear contact areas on the right and left of the head are preferably higher than the transverse element/the transverse bar. Consequently, the side elements or parts of the headgear or the spring bars point obliquely upwards and run above the ears well behind the ears.
  • the support elements are fastened to the side elements/parts or spring rods. Preferably they are in the form of small bowl or dish shaped head pads with a (releasable) fastener allowing them to be adjusted along the side member.
  • the rear support elements are preferably set more or less far away from the transverse element or transverse rod on the right and left. This can be done with a sliding element and clamping screw or by inserting it into spaced transverse bores.
  • the inclination of the plane through the spring bar or bars and crossbar results from the individual position of the nasal bone support and the head support areas on the right and left and is more or less steep. It is usually between ten degrees and thirty degrees, preferably between 15 degrees and 25 degrees.
  • the length of the side parts is preferably sufficient to lead to the side of the head almost to the back. This is suitable in order to be able to position the head rests far enough back and far enough up on the right and left, because most people have the area with no or very little musculature there at the back and up there.
  • Hinge clamps for attaching the measuring frame to the head frame: While the measuring frame is conventionally fixed to the head, the device with measuring frame and head frame now has an adjustable mechanical connection (expediently via the adjusting device).
  • the connection is helpful in order to be able to fulfill both requirements at the same time: firstly, the appropriate positioning of the headgear relative to the individually built head of the subject and secondly, the positioning of the measuring frame relative to the headgear, for example relative to a detection device of a measuring system.
  • the adjustment element or the adjustment device consists of a hinged connection with (only) one rotational degree of freedom and optionally a further, for example lateral, translational degree of freedom. Only one rotational degree of freedom is also possible.
  • the axis of rotation can run parallel to the main direction of extension of the transverse element. Both adjustment movements (rotation and translation) are secured, preferably by static friction, as soon as the movement detection is running. Nevertheless, the adjustment of the relative position between the head frame and the measuring frame is possible with simple means, for example by light manual force, without changing the position of the head frame or deforming it. Additional adjustment options may be available on the headgear, in particular an adjustability of the distance between the side parts or elements on the right and left and/or an adjustment of the angle of attack and/or the position of the front support element (the nose pad) relative to the transverse element and relative to the plane through the transverse element and the right and left side parts or elements.
  • the ring element can be adjusted either inclined with the nose pad in front or more horizontally with the front pad in the region of the frontal bone and/or temporal bone.
  • an adjustment device or an adjustment element is preferably attached to the head frame in order to suitably position the measuring frame.
  • a hinge element is also preferably used in this solution in order to be able to adjust the inclination of the measuring frame as simply as possible.
  • the spring bars generate the contact pressure or pressing force of the headrests on the right and left depending on the bending of the spring bars.
  • the head rests are too close together, i.e. narrower than the distance between the head rest areas on the right and left. Due to the expansion of the spring bars, the headrests are pressed against the scalp when they are in place, without injuring the scalp.
  • the static friction force between the head support on the right and left and the head is preferably sufficient to compensate for the proportionate gravity of the head frame, including the measuring frame, pointing vertically downwards.
  • the head frame rests either on the bridge of the nose or on the forehead or temple pads, which also compensate for vertical gravity.
  • the front support elements compensate for the resultant force pointing backwards, which results from the superimposition of the support forces on the right and left, because the head supports are positioned at an angle and not parallel.
  • the headgear comprises an adjustable mechanical connection to at least one camera system.
  • the camera system can be adjusted by means of or Adjusting device are positioned relative to the head frame.
  • the head frame is preferably configured in such a way that it rests on the areas of the head that are not biomechanically moved by muscles, in particular on the right and left above and behind the ears in the area of the bony attachment of the fascia and the thin tendon plates.
  • the measuring frame now has the active function of motion detection.
  • a relative movement between the measuring frame and the skull would be very disruptive.
  • the head frame must not slip relative to the cranial bone, not even during longer measurements.
  • the mechanical devices used for this correspond to those used above for the marker-occupied measuring frames.
  • the marking devices which are attached to the head frame by means of a marker frame, can in turn be a spatially stable arrangement of markings, in particular markings on a sufficiently stable frame which does not deform during the detection of positions and movements.
  • the head frame itself can also contain markings or sensors, so that any relative movements between the head frame and the marker frame can be tracked for control purposes.
  • the head may have other markings in other places. This allows one to track relative movements between these head and face areas and the headgear.
  • the head frame can carry cameras which in turn observe a marker system which is attached to a body part which is moved relative to the head, in particular the lower jaw or the dental arch.
  • further support elements can be provided in the rear head area in order to create additional stability for special motion detection tasks.
  • the headrests which can come into physical contact, are preferably made of biocompatible material.
  • the head support elements expediently do not penetrate the body tissue in the applied state. They exert a preferentially adjustable pressure on the scalp which results in the position being fixed relative to the scalp and the scalp itself not moving relative to the head.
  • the device described may be a head mounted device. Marker systems on the measuring frame and the further measuring frame can expediently be distinguished.
  • the methods described herein are not to be construed as limited to methods of surgical or therapeutic treatment of the human or animal body and diagnostic methods performed on the human or animal body.

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Abstract

Es wird eine Vorricutng zur Befestigung am Kopf eines Subjekts und ein assoziiertes Verfahren angegeben.

Description

Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Positionierung oder Befestigung einer Messeinrichtung
Technisches Gebiet
Die beschriebene Technologie bezieht sich auf die Ermittlung von Bewegungen und/oder Relativbewegungen von Körpern und/oder Körperteilen bzw. von Relativpositionen zwischen Körpern und/oder Körperteilen. Angegeben wird eine Vorrichtung, insbesondere zum Befestigen einer Messeinrichtung, bevorzugt am Kopf oder Schädel von Probanden bzw. Patienten, zur Ermittlung von räumlichen Positionen, Orientierungen und/oder Bewegungen. Die hier beschriebene Vorrichtung erleichtert eine besonders stabile und zugleich einfache Befestigung relativ zum Knochen des Schädels und folglich dem Oberkiefer.
Hintergrund
Es gibt unterschiedliche Technologien zur Erfassung von Bewegungen bzw. Relativbewegungen von Körperteilen, wie z.B. der Bewegung des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer. Solche Messungen werden beispielsweise unternommen, um die Relativbewegungen der Zähne eines Probanden zu ermitteln oder die Kontaktpositionen der Zahnreihen von Ober- und Unterkiefer zu ermitteln. Dabei ist eine hohe Präzision der Erfassung der Relativbewegung zwischen Ober - und Unterkiefer von besonderer Bedeutung. Die im Allgemeinen sechsdimensionale Relativposition (im Folgenden: 6D-Relativposition) der beiden Artikulationspartner (z.B: Ober- und Unterkiefer) bestimmt nämlich die Details der (kiefer)gelenkigen Bewegung und die genaue Position der Kontaktbereiche. Die verallgemeinert gesagt sechsdimensionale Absolutposition (im Folgenden auch 6D-Position) von Oberkiefer und/oder Unterkiefer im Raum ist dabei oftmals nur indirekt von Bedeutung, zum Beispiel dann, wenn sie benutzt wird, um die Relativposition und/oder die Relativbewegung zu ermitteln. Jede scheinbare Absolutposition ist ohnehin relativ zum Bezugssystem des 6D Raumes zu verstehen. Die 6D-Koordinaten für die 6D- (Relativ)Position umfassen die (relative) Raumposition (z.B. in drei kartesischen Koordinaten) und die (relative) Winkel- oder Drehposition (z.B. in drei Euler Winkeln).
Die Messung der Bewegung und/oder der Position der Zähne (eine der bevorzugten Anwendungen der vorgeschlagenen Technologie) setzt voraus, dass man entweder die Zähne direkt erfasst oder dass man den knöchernen Kieferbereich erfasst, in dem die Zähne (umfassend natürliche Zähne und Zahnersatz), deren Bewegung oder Position gemessen werden soll, verankert sind. Die Erfassung des knöchernen Kieferbereiches ist nicht trivial, weil er von Haut und Gleitschichten bedeckt ist, die sich in erheblichem Umfang relativ zum Knochen und relativ zu den Zähnen bewegen können. Eine unmittelbare Erfassung der Bewegung der Zähne ist selbstverständlich auch nicht trivial. Während man aktuell in der Gehirnchirurgie oder auch in der Wirbelkörperchirurgie Knochenschrauben verwendet, um Marker unverrückbar relativ zu den knöchernen Körperteilen zu befestigen, ist dies im Umfeld der dentalmedizinischen und/oder kieferorthopädischen Anwendung im Regelfall kein gangbarer Weg, weil es den Patienten verletzen würde. Gleichwohl sind im Umfeld der dentalmedizinischen und/oder kieferorthopädischen Anwendung von Bewegungsmessungen und/oder Positionsmessungen die Anforderungen an die Präzision der messtechnischen Erfassung mindestens ebenso hoch. Die Anforderungen an die Präzision in der Erfassung der Relativposition liegen bei typisch fünfzig Mikrometern, also fünf Hundertsteln Millimeter, oder genauer. Eine derartige Präzision ist erforderlich, um letztlich eine entsprechend genaue Erfassung oder Bestimmung der Kontaktflächen der Zähne oder des Zahnersatzes (z.B. Krone und/oder Implantat) zu erleichtern. Von großer Bedeutung ist dies in der Praxis, weil in zunehmendem Maße anhand von digital erfassten oder bestimmten Kieferbewegungen und/oder Zahnpositionen ein optimal passender und/oder auch funktionell optimal geformter Zahnersatz gefertigt werden soll. Dies kann nur dann optimal gelingen, wenn die Erfassung der Relativpositionen der Zähne möglichst präzise erfolgen kann. Zu diesem Zweck sollten, zweckmäßigerweise alle, Bewegungsartefakte möglichst ausgeschlossen werden. Bewegungsartefakte ergeben sich insbesondere, wenn die zu detektierenden Marker, zum Beispiel Körper und/oder Flächen und/oder oder Muster, die relativ zu einem knöchernen Körperteil fest verbunden sein sollten, sich in Realität relativ zu dem zu erfassenden Körperteil, zum Beispiel dem Schädelknochen, bewegen. Dadurch wird dann zwar der Marker bzw. die Gruppe der Marker in ihrer Position und Bewegung genau erfasst, diese erfasste Position und Bewegung entspricht jedoch nicht der tatsächlichen Position und Bewegung des zu erfassenden Körperteils. Besonders schwierig ist die Erfassung der Position der Zähne des Oberkiefers, wenn gleichzeitig die Position der Zähne des Unterkiefers erfasst werden soll. Hier besteht die Ungenauigkeit darin, dass meist die Position des Schädel(knochen)s erfasst werden soll, um daraus auf die Position des Oberkiefers zu schließen, der ja fest mit dem Schädel verbunden ist. Die Erfassung der Schädelposition und Schädelbewegung gelingt aber in der Regel, insbesondere ohne besondere Vorrichtung, oft nicht genau genug, weil mimische Bewegungen und Kaubewegungen die von außen erfassbare Körperoberfläche am Schädel massiv bewegen und/oder verformen. Die von außen erfassbare Körperoberfläche am Schädel oder die Kopfhaut kann sich relativ zum Schädelknochen und damit zum Oberkiefer bewegen, insbesondere durch die Kaumuskelaktivität oder die Mimik. So bewegen sich zum Beispiel bei seitlichen Kaubewegungen die Positionen außen am Schädel direkt am Gehörgang um mehrere hundert bis maximal ca. dreitausend Mikrometer und die Positionen oberhalb der Ohren infolge der muskulären Aktivität ebenfalls um mehrere hundert bis maximal ca. 3000 Mikrometer. Da es aber manchmal, etwa für dentalmedizinische oder kieferorthopädische Anwendungen, um Präzisionsanforderungen von mindestens 50 Mikrometer geht, sind einfache Befestigungen, die an den oben genannten scheinbar prädestinierten Auflagebereichen des Kopfes eines Probanden ansetzen, aus messtechnischer Sicht für Messungen, etwa solch mit der genannten Präzision, nicht gut geeignet. Aus ähnlichem Grund ist auch die Erfassung der sichtbaren Gesichtszüge und der anatomischen Merkmale des Probanden selbst auch nur in den allerseltensten Fällen geeignet, um daraus auf die Position des Schädels mit geforderter Genauigkeit zu schließen. Was für ein 3D-Motion-Tracking im 3D-Filmgeschäft ausreichen mag, das ist also für die präzise Erfassung von 6D-Relativpositionen in der Biomechanik, in der Dentalmedizin oder in der Kieferorthopädie nicht genau genug. Hier besteht Verbesserungspotential.
Ein zu lösendes Problem ist die, zweckmäßigerweise hochgradig, präzise und vorzugsweise dennoch nicht invasive Befestigung von Messeinrichtungen und/oder Hilfsmitteln insbesondere am Schädel eines Probanden. Bevorzugt soll die Relativbewegung zwischen den zu erfassenden Markierungselementen bzw. erfassbaren Mustern und den indirekt zu erfassenden Körperteilen, insbesondere dem Schädel und/oder dem Oberkiefer, möglichst gering sein.
Ein weiteres zu lösendes Problem besteht darin, dass, wenn die Messeinrichtung am Kopf befestigt ist (invasiv oder mit Vorzug nicht invasiv), die Messeinrichtung oder die zugehörigen Marker nicht notwendigerweise korrekt positioniert sind, um mit einer Erfassungsvorrichtung erfasst werden zu können, insbesondere zusammen mit Markern an einem anderen Körperteil, etwa dem Unterkiefer, wobei die Marker idealerweise an beiden Körperteilen in einem Erfassungsbereich einer einzigen Erfassungsvorrichtung erfassbar sein sollen.
Die meisten Technologien zur Erfassung von 6D-Positionen benutzen Marker, die technisch über Erfassungsvorrichtungen (beispielsweise Sensoren oder Kameras) erkannt werden. Die Marker werden entweder direkt auf die Haut aufgeklebt oder sie werden über kopfgetragene Vorrichtungen wie Brillengestelle oder Kopfgurte am Schädel fixiert. Die bekannten Fixationsvorrichtungen sind messtechnisch mit einer Vielzahl von Artefakten behaftet. Sie erfassen nämlich die 6D-Position der Auflagepunkte bzw. der Befestigungsvorrichtung auf diesen Auflagepunkten, die sich aber relativ zum Schädel bewegt und während der Messung ungewollt verschiebt, wie oben dargelegt worden ist. Deshalb stimmt die gemessene Bewegung und die gemessene Relativposition nicht präzise mit der tatsächlichen Bewegung und der tatsächlichen Relativposition überein. Die Abweichungen liegen bei einigen hundert Mikrometern bis zu einigen tausend Mikrometern (siehe oben). Für präzise dentaltechnische, biomechanische oder kieferchirurgische Anwendungen ist dies oft unzureichend oder suboptimal.
DE 10 2006 004 197 Al (Klett) benutzt optische Marker, die aus geometrischen Mustern bestehen, die von Kamerasystemen erfasst werden. Diese Marker werden über Befestigungsvorrichtungen am Unterkiefer des Probanden befestigt, z.B. mit para-okklusalen Halteelementen, die den Kontaktbiss nicht behindern. In der einfachsten Form wird der Kopf und damit der Oberkiefer des Probanden bzw. Patienten relativ zum Kamera-Messsystem festgeklemmt und dann wird angenommen, dass sich der Kopf und der Oberkiefer nicht relativ zum Messsystem bewegt. Die Annahme der Nichtbewegung des Kopfes ist natürlich während der Kaubewegung und beim Zubeißen nicht wirklich korrekt und folglich kommt es zu Bewegungsartefakten.
Weiter entwickelte Messvorrichtungen befestigen Marker an Befestigungsvorrichtungen, die an annähernd, aber nur scheinbar positionsstabilen Bereichen des Schädels aufliegen, wie dem Nasenrücken oder der Glabella und dem Gehörgang. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Dreipunktauflage darstellen, auf Nasenrücken, rechtem Ohr und linkem Ohr (ähnlich den Auflagepunkten eines Brillengestells). Eine mechanisch ausreichend form- und/oder positionsstabile Vorrichtung mit dieser Dreipunkt- Auflage wird den drei Auflagebereichen im Raum folgen. Da sich aber Nasenrücken und Gehörgang bei genauer Betrachtung mimisch und bei der Kaubewegung relativ zum Schädelknochen verlagern, ist die präzise stabile Verbindung zum Schädelknochen und zum Oberkiefer nicht wirklich gegeben. Auch hier kommt es also zu Bewegungsartefakten.
Andere Messvorrichtungen (Zebris JMA) befestigen die Kameras oder andere Sensoren an einer Haltevorrichtung, die mit einem großen Brillengestell vergleichbar vom auf dem Nasenrücken aufliegen. Oben wird meist zur Unterstützung ein anpassungsfähiger Kopfgurt verwendet, um ein Absinken des Gestells relativ zum Kopf zu vermeiden. Die Problematik bei dieser vereinfachten Halterung ist, dass sich seitlich über dem Ohr die Schläfenmuskulatur befindet, die für die Bewegung des Unterkiefers und für das kraftvolle Zubeißen zuständig ist. Die Dicke, Uage und Form der Muskulatur verändert sich bei Kieferbewegung und bei Anspannung. Insbesondere bei seitlichen Kaubewegungen kommt es folglich zu deutlichen Bewegungsartefakten, weil sich die Muskulatur Rechts und Uinks unterschiedlich anspannt und verformt und folglich die Auflagebereiche sich relativ zum Schädelknochen verlagern. Dadurch kommt es scheinbaren Bewegungen des Unterkiefers wenngleich ohne Relativbewegung nur die Muskulatur angespannt wird.
Aufgabenstellung
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung, etwa zur Befestigung am Kopf, anzugeben. Ferner soll ein assoziiertes Verfahren angegeben werden.
Es soll insbesondere eine messtechnisch, vorzugsweise hochgradig, präzise Befestigung für Vorrichtungen am Kopf eines Probanden oder Patienten bereitgestellt werden, die bevorzugt ohne penetrierende Schrauben auskommt und nicht-invasiv am Kopf befestigt wird. Die am Kopf befestigte Vorrichtung soll bevorzugt, insbesondere trotz der nicht-invasiven Befestigung, ohne störende Artefakte die Erfassung der 6D-Positionen und der 6D-Bewegung des Schädels erlauben. Die vorgeschlagene Vorrichtung soll insbesondere im Zusammenwirken mit einer hochgradig präzisen Vorrichtung zur Erfassung der Bewegungen des Unterkiefers bzw. des Zahnbogens im Unterkiefer dazu dienen, die Relativbewegungen von Oberkiefer und Unterkiefer bzw. der zugehörigen Zähne mit hoher, vorzugweise bisher nicht möglicher, Präzision zu erfassen.
Alternativ oder ergänzend soll die Vorrichtung bevorzugt erleichtern, dass die Messeinrichtung der Vorrichtung in eine bestimmte Position relativ zu einer anderen Vorrichtung gebracht werden kann, zum Beispiel um Marker von Messeinrichtungen an beiden Vorrichtungen mit einer einzelnen Erfassungsvorrichtung, zum Beispiel einer einzigen Kamera, erfassbar zu machen.
Zusammenfassung vorgeschlagener Lösungen
Die oben genannte(n) Augabe(n) wird(werden) durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der vorstehenden und auch der nachfolgenden Beschreibung. Die vorliegenden Offenbarung enthält jedoch ggf. auch weitere, derzeit nicht beanspruchte Lösungen. Die Offenbarung ist also nicht als durch die Patentansprüche beschränkt anzusehen
Die in den Ansprüchen definierten Lösungen haben eine Reihe von Vorteilen. Die Befestigungsvorrichtung mit den Kopfauflagementen erleichtert beispielsweise, ggf. im Zusammenwirken mit dem weiteren Auflageelement, eine lagestabile nicht invasive Befestigung des Kopfgestells relativ zum Schädel bzw. dem Oberkiefer und folglich eine artefaktarme Positions- oder Bewegungsbestimmung, da die Messeinrichtung lagestabil relativ zum Schädel gehalten werden kann. Über die Verstellvorrichtung kann die Messeinrichtung relativ zu einer Messeinrichtung einer anderen Vorrichtung an einem anderen Körperteil, etwa am Unterkiefer befestigt, geeignet positioniert werden, um eine definierte Lagebeziehung zwischen den Messeinrichtungen der Vorrichtungen schaffen zu können, die eine verlässliche Verfolgung der Relativpositionen der Körperteile, beispielsweise Schädel/Oberkiefer und Unterkiefer erleichtert. Auch kann die Verstellvorrichtung dazu hilfreich sein, die Messeinrichtung in eine geeignete Position relativ zu einer Erfassungsvorrichtung zu bringen.
Im Folgenden wird ein Satz von Aspekten angegeben. Die Aspekte sind nummeriert, um die Bezugnahme auf Merkmale von einzelnen Aspekten in anderen Aspekten zu erleichtern. Jeder der Aspekte kann - auch in unabhängiger Form nur mit den dort genannten Merkmalen oder einem Teil davon - zum Gegenstand eines Patentanspruchs gemacht werden. Die Aspekte sind:
1. Vorrichtung zur Befestigung am Kopf eines Subjekts, zum Beispiel dem Kopf eines Menschen, etwa eines Patienten oder Probanden, und/oder zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen des Schädels des Subjekts und/oder zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen relativ zum Schädel des Subjekts, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Kopfgestell zur Befestigung der Vorrichtung am Kopf des Subjekts, und optional eine Messeinrichtung, die mit dem Kopfgestell, vorzugsweise permanent, mechanisch verbunden ist oder mit dem Kopfgestell verbindbar ist, wobei das Kopfgestell eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Kopfgestells am Kopf aufweist, wobei die Befestigungsvorrichtung bevorzugt mindestens zwei Kopfauflageelemente umfasst, mittels derer das Kopfgestell an dem Kopf anliegen kann, wobei die Kopfauflageelemente für den Kontakt mit Kopfbereichen auf verschiedenen Kopfseiten (links bzw. rechts) und/oder hinter den Ohren eingerichtet und ausgebildet sind, und/oder wobei die Befestigungsvorrichtung mindestens ein (weiteres) Auflageelement, beispielsweise ein vorderes Auflageelement, aufweist, mit dem das Kopfgestell an dem Kopf anliegen kann, zum Beispiel an einer Vorderseite des Kopfes.
Mit anderen Worten kann ein erstes Kopfauflageelement an einer ersten Kopfseite, zum Beispiel links, und ein zweites Kopfauflageelement an einer zweiten Kopfseite, zum Beispiel rechts, anliegen. Die Messeinrichtung kann die Funktionalität der Vorrichtung für die Bewegungs- oder Positionsverfolgung bereitstellen. Das Kopfgestell kann die Befestigungsfimktionalität für die Befestigung der Vorrichtung am Kopf bereitstellen. Die Befestigungsvorrichtung kann die Vorrichtung lagestabil am Kopf befestigen.
2. Vorrichtung nach Aspekt 1, wobei die Messeinrichtung ein Messgestell umfasst, wobei das Messgestell bevorzugt dazu ausgebildet ist, sich auf verschiedenen Seiten des Kopfes zu erstrecken, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist.
Das Messgestell kann eine Querelement und Seitenelemente als Messträger umfassen, die über das Querelement verbunden werden.
3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Messeinrichtung eine oder eine Mehrzahl von Messeinheiten aufweist.
Die Seitenelemente können je zumindest eine Messeinheit tragen, die mit den Messträger verbunden ist. 4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei zwei Messeinheiten auf verschiedenen Kopfseiten (links bzw. rechts) angeordnet sind, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die jeweilige Messeinheit oder zumindest eine der Messeinheiten eine aktive Messeinheit ist oder eine solche umfasst, beispielsweise eine Sensoreinheit oder eine Kameraeinheit mit mindestens einer oder genau einer Kamera.
Die jeweilige Messeinheit kann als Erfassungsvorrichtung für eine andere, vorzugsweise an einem Körperteil getragene Messeinrichtung verwendet werden.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die jeweilige Messeinheit oder zumindest eine der Messeinheiten eine aktive oder passive Messeinheit ist oder eine solche umfasst, beispielsweise eine Markeranordnung mit einem oder einer Mehrzahl von aktiven oder passiven Markern, wobei die Messeinheit mit einer Erfassungsvorrichtung, etwa einer Sensor- oder Kameravorrichtung, erfassbar ist.
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die Marker optisch, beispielsweise mit einer Kamera, erfassbare Marker sind.
Die Messeinheit erleichtert mit Vorteil die Bewegungs- oder Positionsverfolgung.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Befestigungsvorrichtung zur nicht-invasiven Befestigung des Kopfgestells am Kopf ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Befestigungsvorrichtung zur kraftschlüssigen Befestigung des Kopfgestells am Kopf ausgebildet ist, zum Beispiel für einen Klemmsitz am Kopf.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Befestigungsvorrichtung so anpassbar ist, dass die Kopfauflageelemente in bestimmten Kopfbereichen des Menschen aufliegen, wenn das Kopfgestell am Kopf befestigt ist.
Die Konfiguration kann bevorzugt an verschiedene Kopfformen und verschieden liegende Kopfbereiche angepasst werden, beispielsweise durch bewegliche Kopfauflageelemente.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche so gewählt oder wählbar sind (vorzugsweise wegen der Konfiguration der Vorrichtung, insbesondere des Kopfgestells, zum Beispiel der Befestigungsvorrichtung und dort der Kopfauflageelemente), dass in dem jeweiligen Kopfbereich zwischen der Kopfhaut und dem Schädelknochen keine oder wenig Muskeln angeordnet sind, insbesondere keine oder wenig Muskeln, die fur die Bewegung des Kiefergelenks und/oder die Gesichtsmimik relevant sind und/oder die bei einer Bewegung des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer oder bei mimischen Gesichtsbewegungen beansprucht werden.
Damit können die Kopfauflageelemente in Kopfbereichen an dem Kopf anliegen, in denen wenig Relativbewegung zwischen Kopfhaupt und Schädelknochen stattfmden wird. Dies unterstützt eine artefaktarme Bewegungsverfolgung.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche (linke bzw. rechte Kopfseite), insbesondere für die Anlage der Kopfauflageelemente, bezüglich des Ohrs nach hinten (weg vom Gesicht) und nach oben (weg vom Hals) versetzt sind, beispielsweise um 2 cm oder mehr nach hinten und/oder 2 cm oder mehr nach oben oder beispielsweise um 3 cm oder mehr nach hinten und/oder 3 cm oder mehr nach oben.
In diesen Kopfbereichen ist es mit Vorteil am wahrscheinlichsten eine geringe oder keine Belegung mit Muskeln zwischen Kopfhaut und Schädelknochen vorzufmden.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche (linke bzw. rechte Kopfseite) bezüglich des Gehörgangs, insbesondere bezüglich des Eingangs des Gehörgangs, nach hinten (in die Richtung weg vom Gesicht) und/oder nach oben (in die Richtung weg vom Hals) versetzt sind, beispielsweise um 2 cm oder mehr nach hinten und/oder 2 cm oder mehr nach oben oder beispielsweise um 3 cm oder mehr nach hinten und/oder 3 cm oder mehr nach oben.
In diesen Kopfbereichen ist es mit Vorteil am wahrscheinlichsten eine geringe oder keine Belegung mit Muskeln zwischen Kopfhaut und Schädelknochen vorzufmden.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Kopfgestell einen Träger aufweist, wobei die Kopfauflageelemente und/oder das (weitere) Auflageelement mit dem Träger verbunden sind.
15. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei der Träger ringförmig und/oder umfangsmäßig geschlossenen ist oder der Träger U-förmig ist.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfauflageelemente beweglich mit dem Träger verbunden sind und bevorzugt entlang des Trägers verschiebbar oder relativ zum Träger verschwenkbar sind, und/oder wobei das (weitere) Auflageelement mit dem Träger verbunden ist, vorzugsweise beweglich, beispielsweise relativ zum Träger schwenkbar und/oder in einer anderen Ebene als die Kopfauflageelemente hegt.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Vorrichtung eine Andrückeinrichtung aufweist, die beispielsweise eines oder eine Mehrzahl von Federelementen umfasst, wobei die Andrückeinrichtung bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Kopfauflagelemente an den zugehörigen Kopfbereich anzudrücken, wobei das jeweilige
Kopfauflageelement mit einer Andrückkraft an den zugehörigen Kopfbereich angedrückt wird.
Der Träger kann die Gegenkraft zur jeweiligen Andrückkraft aufbringen.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche und/oder die Kopfauflageelemente so ausgebildet, gewählt und/oder angeordnet sind (insbesondere im am Kopf angelegten Zustand der Vorrichtung), dass die beiden Oberflächennormalen zum Schädelknochen (die jeweilige Oberflächenormale kann zum Beispiel in dem Mittelpunkt der Kontaktfläche zwischen Kopfauflageelement und zugehörigem Kopfbereich verlaufen) in den Kopfbereichen einen Winkel (Kraftwinkel) aufspannen, der kleiner 180° und kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 175°, 170°, 165°, 160°, 155°.
Die Andrückkraftvektoren können den genannten Kraftwinkel aufspannen.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche und/oder die Kopfauflageelemente so ausgebildet, gewählt und/oder angeordnet sind (insbesondere im am Kopf angelegten Zustand der Vorrichtung), dass die beiden Oberflächennormalen zum Schädelknochen (die Oberflächenormale kann zum Beispiel in dem Mittelpunkt der Kontaktfläche zwischen Kopfauflageelement und Kopfbereich senkrecht zum Schädelknochen verlaufen) in den Kopfbereichen einen Winkel (Kraftwinkel) aufspannen, der größer 90° und bevorzugt größer oder gleich einem der folgenden Werte ist: 100°, 110°, 120°, 130°, 135°, 140°, 145°, 150°.
Die Andrückkraftvektoren können den genannten Kraftwinkel aufspannen.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Andrückeinrichtung ausgebildet ist, um die Kopfauflageelemente rechts und links in Position am Kopf mit einer nicht die Kopfhaut schädigenden Andrückkraft von kleiner oder gleich 100 Newton (bevorzugt kleiner oder gleich einem der folgenden Werte: 95 N, 90 N, 85 N, 80 N, 75 N, 70 N) vorwiegend aufeinander zu zu drücken.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Kopfbereiche und/oder die Kopfauflageelemente so ausgebildet, gewählt und/oder angeordnet sind, dass die aus den Andrückkräften (Auflagekräfte) in den Kopfbereichen resultierende Kraft nach hinten zeigt und/oder die resultierende Kraft mindestens 5% der Summe der Beträge der Andrückkräfte beträgt.
Dies kann über die gewinkelte Anordnung der Andrückkraftvektoren bzw. der Kopfauflageelemente im getragenen Zustand erreicht werden.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die resultierende Kraft das (weitere) Auflageelement an den Kopf andrückt, insbesondere an die Vorderseite. 23. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Messeinrichtung über eine Verstellvorrichtung mit dem Kopfgestell mechanisch verbunden ist.
24. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die Verstellvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Messeinrichtung in verschiedene Positionen und/oder Neigungen oder Orientierungen relativ zum Kopfgestell gebracht werden kann, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist, und dort bevorzugt fest gehalten ist oder wird, insbesondere dort fixiert ist.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell mit dem Kopfgestell über die Verstellvorrichtung, insbesondere permanent oder lösbar, verbunden ist.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Position des Messgestells relativ zum Kopfgestell anpassbar ist, insbesondere, wenn das Messgestell mit dem Kopfgestell verbunden ist.
27. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Verstellvorrichtung ein Gelenk, zum Beispiel ein Schwenkgelenk, umfasst.
28. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell relativ zum Kopfgestell schwenkbar ist.
29. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Kopfgestell in den Bereichen außerhalb der (Kopf)Auflageelemente durchweg vom Kopf beanstandet ist.
30. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell und/oder das Kopfgestell zwei freie Enden aufweist, die bevorzugt von der Kopfvorderseite weg weisen, insbesondere im angelegten Zustand.
31. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell U-förmig ist.
Die Basis des U kann mit dem Kopfgestell verbunden sein.
32. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Kopfgestell U-förmig ist.
Die Basis des U des Kopfgestells und die Basis des U des Messgestells können aneinander ausgerichtet sein, beispielsweise parallel, insbesondere im angelegten Zustand der Vorrichtung. 33. Vorrichtung zur Befestigung am Kopf eines Subjekts, zum Beispiel dem Kopf eines Menschen, etwa eines Patienten oder Probanden, und/oder zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen des Schädels des Subjekts und/oder zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen relativ zum Schädel des Subjekts, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Kopfgestell zur Befestigung der Vorrichtung am Kopf des Subjekts, und eine Messeinrichtung, die mit dem Kopfgestell, vorzugsweise permanent, mechanisch verbunden ist oder mit dem Kopfgestell verbindbar ist, wobei das Kopfgestell eine optionale Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Kopfgestells am Kopf aufweist, wobei die Messeinrichtung über eine Verstellvorrichtung mit dem Kopfgestell mechanisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Verstellvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Messeinrichtung, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist, in verschiedene Positionen und/oder Neigungen oder Orientierungen relativ zum Kopfgestell gebracht werden kann und dort fest gehalten ist, insbesondere fixiert ist.
Die Verstellvorrichung erleichtert eine Anpassung der Relativposition Messeinrichtung/Kopfgestell, insbesondere im am Kopf angelegten Zustand der Vorrichtung.
34. System mit: einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte; und einer weiteren Messeinrichtung, die zur Befestigung an einem anderen Körperteil als die Vorrichtung vorgesehen ist, zum Beispiel dem Unterkiefer, wobei der andere Körperteil relativ zum Schädel beweglich ist.
35. System nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die weitere Messeinrichtung eine Messeinheit umfasst, wobei die Messeinheit der Vorrichtung und die Messeinheit der weiteren Messeinheit derart ausgebildet sind, dass: die Messeinheiten in einem Erfassungsbereich einer gemeinsamen Erfassungsvorrichtung, zum Beispiel im Sichtfeld einer Kamera angeordnet sind; oder eine der Messeinheiten, vorzugsweise die der Vorrichtung, eine Erfassungsvorrichtung, zum Beispiel eine Kamera, für die andere der Messeinheiten ist, wobei die andere der Messeinheiten im Erfassungsbereich der einen der Messeinheiten angeordnet oder anordenbar ist, insbesondere im angelegten Zustand der Messeinrichtungen.
36. Erfassungssystem, umfassend: eine Vorrichtung oder ein System nach einem der vorhergehenden Aspekte; und eine Erfassungseinrichtung zur Verfolgung der Position der jeweiligen Messeinrichtung.
37. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte zur Befestigung am Kopf eines Menschen, wobei die Befestigungsvorrichtung so anpassbar ist, dass die Kopfauflageelemente in bestimmten Kopfbereichen des Menschen aufliegen, wobei die Kopfbereiche so bestimmt sind, dass in dem jeweiligen Kopfbereich zwischen der Kopfhaut und dem Schädelknochen keine oder wenig Muskeln angeordnet sind, insbesondere keine oder wenig Muskeln, die für die Bewegung des Kiefergelenks relevant sind und/oder die bei einer Bewegung des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer beansprucht werden, und wobei vor der Befestigung der Vorrichtung am Kopf die Kopfauflageelemente innerhalb der Vorrichtung so positioniert werden, dass sie an den bestimmten Kopfbereichen anliegen, wenn die Vorrichtung am Kopf des Menschen befestigt wird.
38. Verfahren zur Erfassung von Bewegungen eines Schädels oder des Oberkiefers, wobei ein Kopfgestell, vorzugsweise eines einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Aspekte, mit Auflageelementen so am Kopf positioniert wird, dass die Kopfauflageelemente rechts und links seitlich hinter und über den Ohren anliegen in den Bereichen, die keine oder fast keine Muskulatur aufweisen und zudem ein Messgestell relativ zum Kopfgestell mittels einer Verstellvorrichtung positioniert wird, die Kopfgestell und Messgestell einstellbar verbindet, und anschließend die Bewegung des Messgestells benutzt wird, um entweder die Bewegung des Messgestells selbst zu erfassen oder um mit Hilfe des Messgestells als aktivem Messgestell die Relativbewegung eines zweiten Messgestells zu erfassen, das vom aktiven Messgestell beobachtet wird.
Im Folgenden wird ein Satz von Aspekten angegeben. Die Aspekte sind nummeriert, um die Bezugnahme auf Merkmale von einzelnen Aspekten in anderen Aspekten zu erleichtern. Jeder der Aspekte kann - auch in unabhängiger Form nur mit den dort genannten Merkmalen oder einem Teil davon - zum Gegenstand eines Patentanspruchs gemacht werden. Die Aspekte sind:
1. Vorrichtung zur Erfassung von Positionen, Bewegungen und Relativbewegungen, umfassend ein Kopfgestell und ein Messgestell, wobei das Kopfgestell mindestens zwei Auflageelemente umfasst, die im engen Umkreis der nicht muskulär bedeckten Kopfbereiche ober und hinter den Ohren rechts und links aufliegen und durch mindestens eine vordere Auflage unterstützt sind.
2. Vorrichtung gemäß Aspekt 1, wobei das Kopfgestell eine Verstellvorrichtung umfasst, die das Messgestell mit dem Kopfgestell einstellbar mechanisch verbindet.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die hinteren Auflageelemente des Kopfgestells einen Winkel Alpha kleiner 170 Grad bilden und die resultierende Kraft der Auflagekräfte in diesen Auflageelementen rechts und links nach hinten zeigt und (betragsmäßig) mindestens 5% der Summe der Beträge der Auflagekräfte beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Kopfgestell Federelemente umfasst, die gestaltet sind, um die Auflageelemente rechts und links in Position am Kopf mit einer nicht die Kopfhaut schädigenden Kraft von bis zu 100 Newton vorwiegend gegeneinander zu drücken.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell eine Kombination optisch oder strahlungstechnisch erfassbarer Markierungen umfasst und/oder wobei das Messgestell relativ zum Kopfgestell in Position und/oder Neigung verstellt werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell an ein Kopfgestell gekoppelt ist und relativ zum Kopfgestell verstellt werden kann und mit Vorzug ein Kamerasystem umfasst, das aus zwei oder mehr Kameras besteht oder diese umfasst. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das mechanische Verstellelement oder die Verstellvorrichtung zwischen Kopfgestell und Messgestell ein Schamiergelenk umfasst.
8. System mit einem externen Erfassungssystem sowie einer Kombination aus Kopfgestell und Messgestell nach einem der vorhergehenden Aspekte sowie einem zweiten Messgestell, das direkt oder indirekt am Unterkiefer befestigt ist.
9. System mit einer Kombination aus Kopfgestell und Messgestell nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Messgestell ein aktives Kamerasystem umfasst und einem zweiten Messgestell, das direkt oder indirekt am Unterkiefer befestigt ist, wobei das zweite Messgestell optisch erfassbare Markierungen umfasst.
10. Verfahren zur Erfassung von Bewegungen eines Schädels oder des Oberkiefers, wobei ein Kopfgestell, vorzugweise einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Aspekte, mit Auflageelementen so angepasst oder positioniert wird, dass die hinteren Auflageelemente rechts und links seitlich hinter und über den Ohren anliegen in den (Kopf)Bereichen, die keine oder fast keine Muskulatur aufweisen und zudem das Messgestell relativ zum Kopfgestell mittels einer Verstellvorrichtung positioniert wird, die Kopfgestell und Messgestell einstellbar verbindet, und anschließend die Bewegung des Messgestells benutzt wird, um entweder die Bewegung des Messgestells selbst zu erfassen oder um mit Hilfe eines aktiven Messgestells die Relativbewegung eines zweiten Messgestells zu erfassen, das vom ersten aktiven Messgestells beobachtet wird.
Weitere Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen der vorgeschlagenen Lösungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Merkmale, die oben und im Folgenden in Kombination mit weiteren Merkmalen beschrieben sind, sind auch als unabhängig von den weiteren Merkmalen offenbart anzusehen aber auch als in Kombination mit weiteren Merkmalen, insbesondere auch Merkmalen aus verschiedenen Aspekten, Ausfuhrungsformen oder Ausführungsbeispielen, offenbart anzusehen, es sei denn die sich aus der Kombination ergebende Lösung ist offenkundig nicht funktionsfähig. Gleiches gilt für die Merkmale der Patentansprüche.
Vorrichtung
Eine Vorrichtung zur Bewegungserfassung eines Körperteils insbesondere des Kiefergelenks umfasst bevorzugt ein Kopfgestell und ein Messgestell oder Messeinrichtung, wobei Kopfgestell und Messgestell durch ein Verstellelement oder eine Verstellvorrichtung mechanisch verbunden sein können. Das Kopfgestell umfasst bevorzugt eine Querverbindung und Seitenteile rechts und links (Seitenteile und Querverbindung können Teile eines Trägers des Kopfgestells sein). Die Seitenteile können die Auflageelemente tragen. In einer bevorzugten Ausführung ist das Kopfgestell in der Lage und/oder Ausrichtung der Auflageelemente individuell einstellbar. Damit kann das Kopfgestell an unterschiedliche Kopfgrößen und Kopfformen angepasst werden. Das Messgestell kann als passives Messgestell mit Markierungen oder als aktives Messgestell mit Sensoren oder Kameras ausgeführt sein.
Bevorzugt umfasst das Kopfgestell mindestens zwei Auflageelemente (Kopfauflageelemente), die im engen Umkreis der nicht muskulär bedeckten Schädelbereiche ober und hinter den Ohren rechts und links am Kopf anliegen und durch mindestens eine vordere Auflage unterstützt sind. Der Abstand vom Gehörgang und/oder dem Ohr nach oben ist bevorzugt mindestens 2 cm und nach hinten mindestens 2 cm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand über dem Gehörgang und/oder dem Ohr mindestens 3cm und hinter dem Gehörgang und/oder dem Ohr mindestens 3 cm. Ein weiteres Auflageelement kann für die Auflage an einem vorderen Bereich des Kopfes, beispielsweise auf dem Nasenrücken, vorgesehen sein.
Das Kopfgestell umfasst zweckmäßigerweise die mechanische Verstellvorrichtung, die das Messgestell mit dem Kopfgestell einstellbar mechanisch verbindet. Dadurch kann die Position und/oder die Raumorientierung des Messgestells relativ zum Kopf bevorzugt auch dann noch eingestellt werden, wenn das Kopfgestell bereits am Kopf befestigt ist.
Die hinteren Auflageelemente des Kopfgestells stehen sich vorwiegend symmetrisch gegenüber und bilden dabei im angelegten Zustand (am Kopf) einen Kraftwinkel Alpha , der kleiner ist als hundertachtzig Grad, bevorzugt kleiner als hundertsiebzig Grad. Besonders bevorzugt ist der Kraftwinkel kleiner als hundertsechzig Grad. Die resultierende Kraft der Auflagekräfte (oder Andrückkräfte, mit denen die Auflageelement an den Kopf gedrückt werden, insebsondere relativ zu einem Träger des Kopfgestells) in diesen beiden Auflageelementen rechts und links zeigt damit nach hinten. Die Größe ergibt sich aus dem Kraftwinkel und der Auflagekraft. Die Auflagekraft (oder Andrückkraft) ist bevorzugt einstellbar, entweder durch einen verstellbaren Abstand der, beispielsweise elastisch oder federnd gelagerten, Auflageelemente oder durch unterschiedlich weit vom Kopfgestell nach innen zur Kopfmitte ragende Auflageelemente.
Das Kopfgestell umfasst mit Vorzug Federelemente, die gestaltet sind, um die Auflageelemente rechts und links in Position am Kopf mit einer nicht die Kopfhaut schädigenden Kraft von bis zu hundert Newton vorwiegend gegeneinander zu drücken. Die Federelemente können einen Teil oder die gesamte Auflage- oder Andrückkraft bereitstellen. Bevorzugt liegt die Kraft zwischen ein und fünfzig Newton, besonders bevorzugt zwischen drei und dreißig Newton.
Das mittels der Verstellvorrichtung am Kopfgestell befestigte Messgestell kann relativ zum Kopfgestell in Position und/oder Neigung verstellt werden.
Das Messgestell umfasst bevorzugt eine Kombination optisch oder strahlungstechnisch erfassbarer aktiver oder passiver Markierungen, wobei diese durch ein externes System erfasst werden. Alternativ oder ergänzend kann das Messgestell, das am Kopfgestell befestigt ist, ein Kamerasystem umfassen, das aus zwei oder mehr Kameras besteht. Die Kameras sind ausgebildet, um Markierung eines zweiten Messgestells zu erfassen, das sich relativ zum ersten Messgestell bewegt. Die Kameras des Kamerasystems sind bevorzugt auf verschiedenen Seiten des Kopfes angeordnet.
Das mechanische Verstellelement bzw. die Verstellvorrichtung zwischen Kopfgestell und Messgestell kann ein Schamiergelenk umfassen, das rotatorische Verstellbewegungen erlaubt. Es kann auch axiale Translation erlauben. Alternativ kann ein Kugelgelenk verwendet werden oder andere feststellbare Verbindungen.
System Die vorgeschlagene Kombination aus Kopfgestell und (erstem) Messgestell bildet bevorzugt Teil eines Systems das weiterhin ein zweites Messgestell aufweist, das direkt am Unterkiefer befestigbar oder befestigt ist oder am Zahnbogen des Unterkiefers.
Das Messgestell, kann ein aktives Kamerasystem umfassen. Das zweite Messgestell, das direkt oder indirekt am Unterkiefer befestigbar oder befestigt ist, umfasst bevorzugt im Sichtfeld des Kamerasystems angeordnete mit dem Kamerasystem optisch erfassbare Markierungen. Über das Kamerasystem kann so die Relativposition bzw. -bewegung zwischen Schädel/Oberkiefer und Unterkiefer verfolgt werden. Alternativ zu einem aktiven Kamerasystem kann das Messgestell eine oder mehrere passive Messeinheit umfassen, beispielsweise optisch erfassbare Marker.
Das System kann Teil eines Erfassungssystems sein, das neben dem System noch eine gesonderte, also nicht mit dem Kopfgestell oder dem zweiten Messgestell verbundene, Erfassungsvorrichtung, z.B. eine oder eine Mehrzahl von Kameras umfassend, aufweist. Durch die Erfassungsvorrichtung kann über Beobachtung der Messeinheiten an den beiden Messgestellen die Relativposition bzw. -bewegung zwischen Schädel/Oberkiefer und Unterkiefer verfolgt werden.
Verfahren
In einem Verfahren zur Erfassung von Bewegungen eines Schädels oder des Oberkiefers, kann ein Kopfgestell mit Auflageelementen, zum Beispiel einer der oben vorgeschlagenen Vorrichtungen, so positioniert werden, dass die hinteren Auflageelemente rechts und links seitlich hinter und über den Ohren am Kopf anliegen in den Bereichen, die keine oder fast keine Muskulatur aufweisen. Zudem kann das Messgestell, zum Beispiel einer der oben vorgeschlagenen Vorrichtungen, relativ zum Kopfgestell mittels einer Verstellvorrichtung positioniert werden, die Kopfgestell und Messgestell einstellbar verbindet. Anschließend kann die Bewegung des Messgestells benutzt werden, um entweder die Bewegung des Messgestells selbst zu erfassen oder um mit Hilfe eines aktiven Messgestells die Relativbewegung eines zweiten Messgestells zu erfassen, das vom aktiven Messgestell beobachtet wird.
Weitere Merkmale, Aspekte, Ausführungsbeispiele und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Figuren.
Kurzbeschreibung der Figuren
Figur 1 illustriert Stand der Technik, wie kopfgetragene Systeme zur Bewegungserfassung an Oberkiefer und Unterkiefer bisher befestigt wurden;
Figur 2 illustriert eine Situation, in der eine Kopfauflage in einem relativ zum Schädel nicht besonders lagestabilen Bereich am Kopf anliegt.
Figur 3 illustriert den Kopf mit individuell ausgeprägten Bereichen, die als Auflagebereiche geeignet sind, weil sie keine oder sehr wenig Muskulatur dort aufweisen.
Figur 4 zeigt schematisch das Kopfgestell mit Querelement und Seitenelement(en) sowie Auflageelement(en) in Position am Kopf.
Figur 5 zeigt schematisch das Kopfgestell mit Ringelement und Auflageelementen in Position am Kopf. Figur 6 zeigt das Kopfgestell mit Querelement und Seitenteilen in Position am Kopf mit Verbindungselement und befestigtem Messgestell.
Figur 7 zeigt das Kopfgestell mit Querelementen und Auflageelementen und Verbindungselement sowie Messgestell am Kopf befestigt und ein weiteres Messgestell am Unterkiefer befestigt zur Bewegungserfassung von Oberkiefer und Unterkiefer.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung mit einer aktiven Messeinrichtung.
Figur 9 zeigt eine Aufsicht von oben auf eine am Kopf besfestigte Vorrichtung. Figur 10 zeigt eine Aufsicht von oben auf eine am Kopf befestigte Vorrichtung. Figur 11 illustriert Schritte eines Verfahrens.
Figurenbeschreibung und Ausführungsbeispiele
Gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es sei angemerkt, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit verschiedenen Figuren beschrieben sind, auch miteinander kombiniert werden können.
Figur 1 zeigt den Stand der Technik (Klett, DE 10 2006 004 197 Al, siehe die Beschreibung weiter oben) wie bislang die Artefakte der Kopfbewegung vermieden wurden. Im Bild sieht man eine Kopfstütze 93 die die Bewegung des Kopfes reduziert.
Figur 2 zeigt eine Lösung, bei der die Kopfauflage 45 seitlich über dem Ohr positioniert ist. Die Kontaktfläche Auflage 45 / Kopf liegt genau im Bereich 4 des Kopfes (siehe auch Figur 3) der für Bewegungsartefakte sehr ergiebig ist, weil dort viele Muskeln hegen. Das Kopfgestell umfasst hier einen robusten brillenartigen Bügel mit Federschamieren und Seitenteilen oder -Stäben 42, die knapp über dem Ohr 6 nach hinten verlaufen. Der Kopfbereich 16, der aufgrund geringer oder keiner Muskelbelegung sehr gut als Kontaktfläche zu einem oder als Auflagebereiche für ein Kopfgestell geeignet wäre, hegt weiter oben und weiter hinten. Ziffer 8 kennzeichnet das Auge. Ziffer 7 kennzeichnet die Position des Gehörgangs, der auch nicht als Auflage geeignet ist, weil er sich beim Kauen und Sprechen, rein mimischen Bewegungen und bei ausladenden Kieferbewegungen relativ zum Schädel bewegt. Die Ohrmuschel ist als Auflage ebenfalls ungeeignet. Eingezeichnet ist auch ein Kopfband 47, das die störende Relativbewegung zwischen Schädel und Kopfgestell etwas mindern aber nicht verhindern kann. Ziffer 43 zeigt schematisch ein Querelement, das die beiden Seitenteile 42 verbindet. Hier treten bei Kaubewegungen etc. die störenden Bewegungsartefakte auf. In den Kameras 48 entstehen dadurch Scheinbewegungen oder Marker 48, die von einer Kamera beobachtet werden, führen zu Scheinbewegungen.
Figur 3 zeigt den Kopf 1 mit seinen individuell ausgeprägten Bereichen 16, die als Auflagebereiche für oder Kontaktfläche zu einem Kopfgestell besonders geeignet sind, weil der Kopf dort keine oder sehr wenig Muskulatur aufweist. 5 kennzeichnet die Muskulatur, 3 den Oberkiefer und 2 den Unterkiefer. Der obere Zahnbogen 13 ist fest mit dem Schädel 1 verbunden. Der Unterkiefer 2 bewegt den unteren Zahnbogen 12. Die Kaumuskulatur 5 setzt oben am Schädel im Bereich des Schläfenbeins an. Deshalb ist der Bereich 4 nicht als Auflageort für die Auflageelemente der Kopfgestells geeignet. Der geeignete Bereich 16 liegt weiter (z.B. 2 cm oder 3 cm oder mehr vom Ohr, z.B. dem Gehörgang oder der Ohrmuschel entfernt) über dem Ohr und zugleich weiter hinten am seitlichen Hinterhaupt (z.B. 2 cm oder 3 cm oder mehr vom Ohr, z.B. dem Gehörgang oder der Ohrmuschel entfernt). Direkt am Hinterhaupt 9 liegt auch Muskulatur an und die Kopfhaut verschiebt sich stark, beispielsweise aufgrund der Gesichtsmimik oder starken Unterkieferbewegungen . Da der Scheitel 17 im oberen Bereich vergleichsweise ruhig ist, kann ein Kopfband das über den Scheitel von links nach rechts geführt ist die Präzision unterstützen. Mit 11 gekennzeichnet ist das Nasenbein, das auch wenig Muskulatur trägt, auch hier mit individuellen Unterschieden. Das Nasenbein kommt also als vorderer Auflagebereich/Kontaktfläche für ein Auflageelement des Kopfgestells in Frage. Weiterhin eignet sich, zum Beispiel für besondere Aufgaben, auch das Stirnbein oder das vordere Schläfenbein als vorderer Auflagebereich.
Figur 4 zeigt schematisch das Kopfgestell 20 mit Querelement 25 und Seitenelement(en) 23, 21 sowie Auflageelementen 22 rechts und links in Position 16 am Kopf oder Schädel 1. Querelement und Seitenelemente können den Träger des Kopfgestells bilden. Der vorgeschlagene Auflagebereich 16 ist hier sehr zentral getroffen oder belegt. Er liegt individuell mehr oder weniger weit über dem Ohr und mehr oder weniger weit hinter dem Ohr, lässt sich aber durch Tasten sehr gut vom Bereich 4 mit der störenden Kaumuskulatur abgrenzen. Die Nasenauflage 24 (vorderes Auflageelement) ist so gestaltet, dass sie vorwiegend nur auf dem muskelfreien Bereich 11 des Nasenbeins aufliegt. Die Auflage 24 kann schwenkbar mit dem Querelement, die Seitenelemente auf den verschiedenen Kopfseiten verbindet, verbunden sein (siehe auch Figur 9). Das Kopfgestell ist hier u-förmig ausgebildet.
Figur 5 zeigt schematisch das Kopfgestell 20 in der Ausführungsform mit Ringelement 26 und den Auflageelementen 22 in Position 16 am Kopf oder Schädel 1. Erneut ist hier als Abstützung vome eine Nasenauflage gewählt. Hinten im Bereich 9 am Hinterkopf kann der Kopfring 26 eine nicht gezeichnete Verformung aufweisen, um den Raum für eine Kopfstütze (siehe Ziffer 93 in Figur 1) zu schaffen, falls eine solche hilfreich sein kann, etwa um den Kopf relativ zu einer Erfassungsvorrichtung wie einer Kamera in der Bewegung einzuschränken oder zu fixieren. Bei der Variante mit aktiven Kameras im Messgestell 20, die am Kopfring 26 befestigt sind, ist eine Kopfstütze (an einem externen Mess- oder Erfassunssystem, siehe 93 in Figur 1) nicht erforderlich, kann jedoch vorgesehen sein. Der Kopfring 26 kann als Träger des Kopfgestells fungieren. Er kann den Kopf vollständig oder nur teilweise umlaufen. Eine lagestabile Befestigung kann mit einem geschlossenen Ring einfacher erreicht werden, da ein geschlossener Ring stabiler gegenüber Verformungen ist als ein offener Ring.
Figur 6 zeigt das Kopfgestell 20 mit Querelement 25 und Seitenelement(en) 23, 21 sowie Auflageelementen 22 in Position 16 am Schädel 1 bzw. am Kopf. Angekoppelt ist das Verbindungselement bzw. Verstellelement 29 (Verstellvorrichtung) und daran befestigt ist das Messgestell 30 mit seinem Querelement 31 und den Seitenelementen 32 sowie beispielhaft gezeigten Markerelementen 33, z.B. optisch erfassbare Marker. Das Messgestell kann u-förmig ausgeführt sein. Das Kopfgestell kann ringförmig oder u-förmig ausgeführt sein. Es können alternativ auch ganz andere Markerelemente und/oder andere Geometrien des Messgestells verwendet werden. Das Messgestell kann relativ zum Kopfgestell schwenkbar sein. Die zugehörige Schwenkachse kann parallel zu dem Querelement 31 verlaufen und/oder vor dem Gesicht oder dem Nasenbein 11 liegen.
Figur 7 zeigt das Kopfgestell 20 mit dem angekoppelten Messgestell 30, wobei erneut die
Auflageelemente am Kopf in Position 16 angebracht sind und folglich nicht von der Muskulatur verlagert werden. Am Unterkiefer 2 ist ein weiteres Messgestell 40 befestigt, mit Querelement 41 und Seitenelementen 42, sowie mit Vorzug Markerelementen 43 rechts und links als Ausfuhrungsbeispiel. Das Messgestell kann u-förmig sein. Das (obere) erste Messgestell 30 dient zur Erfassung von Position und Bewegung des Oberkiefers 3, das (untere) zweite Messgestell 40 dient zur Erfassung von Position und Bewegung des Unterkiefers 2. Daraus ergibt sich die Relativbewegung zwischen Oberkiefer 3 und Unterkiefer 2. Durch die Beweglichkeit des Messgestells 30 relativ zum Kopfgestell kann das Messgestell mit den Messeinrichtungen oder Markern relativ zu dem zweiten Messgestell 40 geeignet positioniert werden, zum Beispiel so dass die Marker 33 und 43 relativ nahe zusammen sind und zum Beispiel von einer Kamera erfasst werden können.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem aktiven Messgestell 50 mit einem Kamerasystem 53, das über das Verstellelement 29 am Kopfgestell 20 fixiert ist. Da das Kopfgestell, insbesondere in den Bereichen 16, mit den Auflageelementen 22 am hinteren Seitenhaupt aufliegt, also deutlich außerhalb des störungsverursachenden Bereichs 4 über dem Ohr, sind insbesondere die Bewegungsartefakte durch Muskelbewegung ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert. Die Position der Kameras kann durch das Verstellelement oder die Verstellvorrichtung 29 dennoch so gewählt werden, dass das nun am Kopfgestell 20 getragene Kamerasystem 50 die Bewegung der unteren zweiten Messgestells 40 beobachten und genau erfassen kann. Dies erlaubt eine besondere Bewegungsfreiheit des Probanden oder Patienten bei der Messung, etwa da eine Fixierung relativ zu der Erfassungsvorrichtung wie in Figur 1 entfallen kann.
Figur 9 zeigt das Kopfgestell 20 von oben in einem Ausführungsbeispiel mit elastischen Federstäben 23 rechts und links und den darauf entlang der Stäbe 21, vorzugsweise verschiebbar, positionierbaren Auflageelementen 22. Die Auflageelemente berühren den Kopf im Bereich 16. Die Auflagekraft (Andrückkraft) wirkt vorwiegend senkrecht zur Oberfläche im Auflagebereich. Die Kraftvektoren sind zueinander gewinkelt, beispielsweise mit 160° oder 155°. Die resultierende Reaktionskraft Fr (beispielsweise mindestens 5% der Summe der Andrückkräfte, mit denen die Auflageelemente 22 an den Kopf angedrückt werden, beispielsweise bis zu 100 N, wie weiter oben erläutert) zeigt nach hinten und zieht das Kopfgestell folglich nach hinten zur Stirn. Die vordere Auflage (auf dem Nasenbein) bringt die entgegen gerichtete Reaktionskraft -Fr auf, d.h. die Nasenauflage 24 drückt vektoriell nicht nur nach unten, sondern auch nach hinten. Die hier beispielhaft gezeigten zwei Verstellelemente 29 erlauben bevorzugt eine Schamierbewegung des Querelements 31 des Messgestells 30. Sie übertragen aber keine Biegekräfte auf das Querelement 31. Damit bleibt das Messgestell 30 unverzerrt und nahezu kräftefrei, mit Ausnahme der Schwerkraft und geringer Torsionskräfte. Damit lässt sich ein Markersystem oder alternativ ein Kamerasystem genau kalibriert anwenden, ohne dass es sich geometrisch verzerrt. Die Andrückkräfte können über Federelemente realisiert werden, die die Auflagelemente relativ zu dem Träger bzw. den Seitenelementen des Kopfgestells nach innen belasten.
Figur 10 zeigt das Kopfgestell 20 von oben in einer alternativen Ausführung mit Kopfring 26. Hier sind die Auflageelemente 22 gelenkig gelagert, damit sie sich der Kopfkrümmung anpassen können. Sie lassen sich nach Bedarf mehr oder weniger weit zur Kopfmitte hin einschieben. Elastische Elemente und/oder in variablen Positionen relativ zum Ring fixierbare Elemente sorgen für angemessene Auflagekräfte. Auch in dieser Figur ist das Messgestell über Verstellelemente 29 an das Kopfgestell 20 angekoppelt, wobei die Verstellelemente beispielhaft eine Schamierbewegung und/oder eine axiale Seitenbewegung erlauben, jedoch nur mit Verstellkraft, die zweckmäßigerweise größer sein muss als die während des Tragens auf die Verstellvorrichtung/die Verstellelemente normalerweise wirkenden Kräfte. Ohne Ausübung einer Kraft größer oder gleich der Verstellkraft ist die Relativposition zwischen Messgestell und Kopfgestell in allen relevanten Fällen gesichert und fixiert. An Stelle der (passiven) Markerelemente 33, beispielsweise 2D-Muster, können auch aktive Kamerasysteme 50 mit Kameras 53 verwendet werden. Die so befestigten Kameras bilden ein (artefaktfreies) kopfgetragenes Kamerasystem zur Messung der Relativbewegung des Unterkiefers und des Oberkiefers gegeneinander.
Figur 11 zeigt schematisch die Vorgehensweise zur Anbringung, Einstellung und Verwendung der kopfgetragenen Vorrichtung mit Kopfgestell 20 und Messgestell 30. Dies dient wahlweise zur (artefaktfreien) Erfassung der Bewegung des Schädels relativ zu einem externen Kamerasystem oder der Erfassung der Bewegung des zweiten Messgestells 40 des Unterkiefers relativ zum kopfgetragenen Kamerasystem 50. Das anpassbare Kopfgestell wird in Schritt 140 an die nicht mit Muskulatur bepackten Bereiche 16 des Schädels positioniert. Das angekoppelte Messgestell 30 mit Markerelementen 33 bzw. mit Kameras 53 wird danach ausgerichtet. Dann kann die Position nochmals korrigiert werden. Von nun an bleibt die Verbindung zwischen Kopfgestell und Messgestell unverändert und das Kopfgestell hält unverändert fixiert die Position am Kopf. Da die Muskulatur nicht im Bereich 16 des Kopfes verläuft, sind die störenden Bewegungsartefakte während der Messung ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert.
Im Folgenden werden weitere Merkmale und Ausführungsbeispiele beschreiben, die mit den oben beschriebenen Merkmalen und auch miteinander kombiniert werden können oder als Alternative der obigen Beschreibungen Anwendung finden können.
Veränderbare oder verstellbare Auflagebereiche am Kopf:
Ein vorteilhaftes Merkmal der Vorrichtung ist die Position und/oder die Verstellbarkeit der hinteren Kopfauflageelemente. Die hinteren Kopfauflageelemente sind so gestaltet und angeordnet, dass sie im (hautbedeckten) Bereich des seitlichen Hinterhauptes oder -kopfes aufliegen können. Das ist insbesondere ein jeweils vergleichsweise kleiner Bereich des Kopfes rechts und links oberhalb der Ohren und zugleich deutlich hinter den Ohren, also zum Hinterkopf hin, der sehr wenig oder gar keine Muskulatur unter der Kopfhaut trägt. Dort liegen Auflageelemente, beispielsweise Auflagepolster, auf der Kopfhaut und/oder auf Haaren oder auf einer Zwischenlage, die den Kopf bedecken kann. Die genaue Position dieser Auflageelemente, die sich bevorzugt für eine Bewegungs- oder Positionserfassung ohne Bewegungsartefakte eignen, kann individuell am Probanden oder Patienten ertastet werden. Da die genaue Lage der geeigneten Auflagepositionen oder Kopfbereiche am Kopf von Patient zu Patient deutlich variieren kann, ist die Befestigungsvorrichtung im erforderlichen Einstellbereich verstellbar, um die, beispielsweise anatomisch bedingte, interindividuelle Variabilität abzudecken. Der Auflagedruck rechts und links ist, bevorzugt angenähert symmetrisch, so eingestellt, dass es zu keiner tangential abgleitenden Relativbewegung der Auflagepolster kommt. Dies kann über elastische Elemente erfolgen, insbesondere über Federschamiere oder elastische Biegestäbe.
Weiteres Merkmal ist die Auflage im vorderen Kopfbereich. Dort ist die Vorrichtung entweder über eine Auflage auf dem Nasenbein abgestützt und stabil relativ zum Schädel positioniert, oder durch eine Abstützung auf der Stirn in einem oder mehreren Bereichen der Stirn, die sich während der Bewegungserfassung nicht relativ zum Schädel bewegen. Für unterschiedliche Erfassungsaufgaben können entsprechend unterschiedliche Auflagebereiche und Auflageelemente vorgesehen sein.
In der Gesamtschau hegen die Auflagebereiche der Vorrichtung am Kopf des Probanden anders als herkömmlich, insbesondere die hinteren Kopf(auflage)bereiche liegen nicht an den Ohren oder in oder über den Ohren sondern sind deutlich weiter hinten. Damit sind die früher auftretenden Bewegungsartefakte ausgeschlossen oder das Risiko für solche Artefakte ist erheblich verringert. Im Vergleich dazu waren in herkömmlichen Lösungen die Auflagebereiche in der Nähe der Ohren oder sogar in den Ohren selbst wie bei einem Gesichtsbogen, was zu Bewegungsartefakten geführt hatte.
Kopfgestell am Schädel bzw. Kopf:
Die mindestens drei Auflageelemente der Vorrichtung sind durch mindestens ein Verbindungselement oder einen Träger verbunden und können zusammen das sogenannte Kopfgestell bilden. Das Kopfgestell umfasst den Kopf auf mindestens drei Seiten, beispielsweise auf nur drei Seiten in U-Form oder auf vier Seiten als geschlossener oder offener Ring. Es besteht eine Querverbindung zwischen der rechten und der linken Seite des Kopfgestells, wobei die Querverbindung mit Vorzug mindestens ein vorderes Auflageelement trägt. Die Querverbindung kann auf der Seite des Vorderkopfes oder des Gesichts vorgesehen sein. Das vordere Auflagelement kann auf dem Nasenbein oder der Stirn anliegen, wie weiter oben bereits beschrieben.
Am Kopfgestell sind, bevorzugt direkt oder indirekt, die Markierungselemente, Signalelemente oder Musterelemente angebracht, die messtechnisch in ihrer Position und Bewegung erfasst werden, beispielsweise über ein Messgestell, das am Kopfgestell befestigt ist. Das Kopfgestell wird mittels der Auflageelemente und möglicherweise durch zusätzliche Befestigungselemente (zweckmäßigerweise nicht invasiv) stabil relativ zum Schädel befestigt und bewegt sich während der Bewegungserfassung nicht oder nicht wesentlich relativ zum Schädelknochen, weil unter den Auflageelementen keine oder nur sehr wenig Kopfmuskulatur vorhanden ist. Folglich erfasst eine 6D-Bewegungsmessung oder 6D- Positionsmessung des Kopfgestells exakt die 6D-Bewegung des Schädels und/oder des Oberkiefers des Patienten oder Probanden.
Markergestell am Kopfgestell:
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist am sogenannten Kopfgestell ein relativ zum Kopfgestell, zum Beispiel in der 6D-Relativposition, beispielsweise in allen 6 Freiheitsgraden oder nur in einer beschränkten Anzahl an Freiheitsgraden (beispielsweise 5, 4, 3, 2, oder 1 Freiheitsgrad), verstellbares Markergestell (als Messgestell oder Messeinrichtung) angebracht. Dadurch kann einerseits das Kopfgestell individuell genau richtig am Kopf positioniert werden und gleichzeitig kann das Markergestell für die Messtechnik geeignet positioniert werden, insbesondere, wenn es bereits mit dem Kopfgestell verbunden ist. Nach Einstellung der 6D-Relativposition zwischen Kopfgestell und Markergestell wird diese Relativposition während der Positions- bzw. Bewegungserfassung fixiert.
Folglich beschreibt die erfasste Bewegung des Markergestells exakt die Bewegung des Kopfgestells. Also ist die Bewegung des Markergestells eindeutig an die Bewegung des Schädels bzw. der Oberkiefers gekoppelt.
Verstellvorrichtung zwischen Kopfgestell und Markergestell:
In der bevorzugten Ausführung ist das Kopfgestell durch eine mechanisch feststellbare Verstellvorrichtung mit dem Markergestell verbunden, wobei das Markergestell bevorzugt während der Bewegungs- oder Positionserfassung durch Haftreibung in der Verstellvorrichtung fixiert ist.
Markersystem auf Messgestell:
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Messgestell eine fixe Markerkombination als insbesondere optisch erfassbares Markersystem, die mittels eines Kamerasystems zum Beispiel aus verschiedenen Raumrichtungen beobachtet und messtechnisch erfasst werden kann, um Position und Bewegungen des Schädels und damit des Oberkiefers zu erfassen. In Kombination mit einer Erfassung der Position und Bewegungen des Unterkiefers kann sich daraus die Erfassung der Relativbewegung zwischen Oberkiefer und Unterkiefer bzw. der Relativbewegung zwischen den Zahnbögen des Gebisses oben und unten ergeben. Zur Erfassung der Bewegung des Unterkiefers benötigt auch der Unterkiefer ein daran befestigtes Messgestell. Ein externes Erfassungssystem kann nun beide Messgestelle und deren Relativbewegung erfassen.
Erfassungsvorrichtung, beispielsweise Kamerasystem, auf Messgestell:
In einer Ausführungsform umfasst das Messgestell eine Anordnung aus mindestens einer Kamera, bevorzugt zwei oder drei Kameras, die über das Messgestell stabil relativ zum Schädel des Probanden oder Patienten fixiert sind. Durch die Positionierung der hinteren seitlichen Auflageelemente rechts und links derart, dass die geeigneten Kopfbereiche mit den Kopfauflageelementen der Vorrichtung in Kontakt gebracht werden, ergibt sich die stabile und damit für die Positions- oder Bewegungsbestimmung artefaktfreie mechanische Ankopplung des Kopfgestells an den Schädel. Das einstellbare Messgestell erlaubt die genaue Positionierung der Kameras relativ zu einem Messgestell des Unterkiefers. In dieser Ausführungsform ist kein externes Erfassungssystem erforderlich, das Erfassungssystem wird vielmehr vom Kopfgestell getragen. Angesichts des technischen Fortschrittes kleiner Kamerasysteme ist die Integration von Kameras in ein Messgestell eine durchaus lösbare technische Aufgabe. Die vorgeschlagene Befestigung des Messgestells an einem Kopfgestell mit besonderer Wahl der Kopf(auflage)bereiche ermöglicht nun, die Bewegungsartefakte zu eliminieren, die sich bei herkömmlicher Lösung durch die ungewollten Relativbewegungen zwischen Kamerasystem und Schädel ergeben hätten.
Bewegungserfassung artefaktfrei:
Für eine präzise Bewegungserfassung wird das Kopfgestell zunächst mittels der Einstellungsmöglichkeiten, beispielsweise durch verstellbare Auflageelemente, genau an die Anatomie des Patienten oder Probanden angepasst. Dies betrifft die genaue Einstellung für die Kopf(auflage)bereiche seitlich rechts und links im hinteren Kopfbereich und vorzugsweise die Einstellung fur den mindestens einen vorderen Kopf(auflage)bereich, z.B. am Nasenbein, Schläfe(n) oder Stirn. Individuell angepasst werden Kopf(auflage)bereiche gewählt, die sich während der Bewegung(saufgabe) nicht oder nicht signifikant relativ zum Schädelknochen verlagern. Dies kann durch Abtastung und durch visuelle Kontrolle sichergestellt werden. Technisch werden hierzu die einstellbaren (Auflage)Elemente des Kopfgestells benutzt, um auch die Auflagekraft insbesondere der hinteren Kopfauflageelemente rechts und links angemessen einzustellen. Nach Fixierung des Kopfgestells erfolgt über eine, vorzugsweise leichtgängige und doch, positionsstabile Verstellvorrichtung die individuelle Einstellung der Relativposition des am Kopfgestell befestigten Markergestells zum Kopfgestell. Die Verstellung erfolgt so, dass sich die Relativposition des Kopfgestells zum Schädel allenfalls nur noch unwesentlich ändert und nach der Einstellung des Markergestells relativ zum Kopfgestell nehmen Kopfgestell und Markergestell relativ zum Schädel eine fixe Position ein. Da nun die Kopf(auflage)bereiche individuell genau so eingestellt werden können, dass die Auflageelemente dort aufliegen, wo keine Muskulatur unter der Haut vorhanden ist, bleibt diese fixierte Relativposition zwischen Markergestell und Schädel während der Bewegungsaufgaben und während der Positions- und Bewegungserfassung bestehen. Dies bedeutet, dass die früheren Artefakte nun ausgeschlossen sind. Wenn nun gleichzeitig zur Erfassung der Schädelposition und Schädelbewegung auch eine Erfassung der Unterkieferposition und der Unterkieferbewegung erfolgt, so ergibt sich daraus artefaktfrei die Relativposition und Relativbewegung zwischen Oberkiefer und Unterkiefer mit höchster Präzision (siehe weiter oben). Ohne die genaue Einstellung der individuellen Auflagebereiche am hinteren Seitenhaupt war das bisher nicht möglich. Damit ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung erstmals eine Erfassung von Relativposition und Relativbewegung von Unterkiefer und Oberkiefer ohne die bisher störenden Bewegungsartefakte .
Kopfgestell mit federnden Seitenteilen mit oder ohne Kopfband:
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Kopfgestell ein Querverbindungselement, das ein rechtes Seitenteil mit einem linken Seitenteil verbindet. Das Kopfgestell kann u-förmig sein. Das rechte und das linke Seitenteil tragen jeweils mindestens ein, vorzugsweise verstellbares, Auflageelement. Das jeweilige Auflageelement kann in der Position entlang des Trägers einstellbar sein. Die (verstellbaren) Auflageelemente sind bevorzugt vorwiegend symmetrisch angeordnet und zeigen zum Kopf hin. Das Kopfgestell verfügt über federnd wirkende Elemente, die bevorzugt in Ruheposition und/oder Federkraft einstellbar sind. Bevorzugt ist auch die Position und/oder Ausrichtung des Auflageelements am Seitenteil einstellbar. Die Auflageelemente rechts und links zeigen bevorzugt vorwiegend aufeinander zu, bilden aber besonders bevorzugt einen Winkel, indem sie mehr zur Mitte des Kopfes zeigen, also etwas von hinten nach vome zur Nase hin ausgerichtet sind. Im angelegten Zustand sitzt das Kopfgestell mit den Auflageelementen auf den individuell gewählten Bereichen des Kopfes rechts und links, beispielsweise jeweils deutlich oberhalb und deutlich hinter dem Ohr, und drückt, zum Beispiel mit elastischer Kraft, vorwiegend senkrecht gegen die Auflageoberfläche auf dem Kopf also gegen den Kopfauflagebereich. Die, zum Beispiel aus den gewinkelt zueinander verlaufenden Andrückkräften, resultierende Kraft der hinteren Auflageelemente rechts und links zeigt am Kopfgestell nach hinten. Die Gegenkraft wird durch das mindestens eine vordere Auflageelement aufgebracht. Bevorzugt wir dazu eine leicht schräg auf dem Nasenbein aufliegende Nasenauflage verwendet. Zusätzlich können eines oder mehrere Bänder zur Stabilisierung verwendet werden. Falls erforderlich verlauft ein wenig elastisches, aber biegsames Band, bevorzugt rechts und links fast vertikal und oben transversal über den Kopf. Im besonders bevorzugten Fall sind die Kopfauflageelemente geometrisch so eingestellt, dass auf dieses Kopfband verzichtet werden kann.
Kopfgestell mit Ringelement mit oder ohne Kopfband:
In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das Kopfgestell ein Ringelement (Träger), das die rechten und linken Bereiche des Kopfgestells verbindet oder diese aufweist. Das Ringelement umfasst den Kopf in weiten Bereichen oder vollständig. Das Ringelement kann vorwiegend horizontal liegen. Das Ringelement kann mit lokal unterschiedlichen Höhen und/oder mit lokal unterschiedlichen Neigungen ausgeführt sein, z.B. um den freien Zugang zu Markierungselementen oder zu Abstützungen für den Kopf zu erlauben. So kann das Ringelement seitlich z.B. weiter nach oben führen oder hinten den Bereich einer Kopfstütze frei halten. An diesem Ringelement sind die mindestens zwei hinteren (Kopf)Auflageelemente, vorzugsweise einstellbar, befestigt und mit Vorzug auch das mindestens eine vordere Auflageelement. Die Auflageelemente können verschoben und/oder verschwenkt werden. Die Auflageelemente können so ausgebildet sein, dass die Strecke mit der sie (nach innen) über den Träger hinaus ragen einstellbar ist, beispielsweise über eine Schraubverbindung. Die Auflageelemente sind zweckmäßigerweise individuell einstellbar und das Ringelement ist damit individuell so positionierbar, dass die Auflagebereiche, insbesondere am seitlichen Hinterhaupt, dort hegen, wo keine oder sehr wenig Muskulatur vorhanden ist, um die Bewegungsartefakte auszuschließen oder zu verringern. Vorne kann eine Nasenstütze oder mindestens eine Stimauflage oder Schläfenauflage verwendet werden, zweckmäßigerweise ebenfalls an Schädelbereichen, die keine oder nur sehr wenig Muskulatur tragen. Der Auflagedruck ist bevorzugt individuell einstellbar, beispielsweise über variierende Federspannung oder eine Schraub Vorrichtung. Zusätzlich können eines oder mehrere Bänder zur Stabilisierung verwendet werden. Falls erforderlich verlauft ein wenig elastisches, aber biegsames Band, bevorzugt rechts und links fast vertikal und oben transversal über den Kopf. Im besonders bevorzugten Fall sind die Kopfauflageelemente geometrisch so eingestellt, dass auf dieses Kopfband verzichtet werden kann.
Markergestell am Kopfgestell:
In einer bevorzugten Ausführung ist am Kopfgestell über eine Verstellvorrichtung mit Schamierfünktion oder mit anderer Gelenksfünktion ein verstellbares Markergestell als Messgestell befestigt. Diese Verstellbarkeit erlaubt die Positionierung des Markergestells relativ zum fixierten Kopfgestell und gleichzeitig in geeigneter Position relativ zur Marker-Erfassungsvorrichtung und bei Bedarf relativ zu einer Unterkiefer-Messeinrichtung. In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst das Messgestell ein Querelement und zwei Seitenelemente und zumindest die Seitenelemente tragen Markerkörper mit Markierungen. Diese Markerkörper können messtechnisch erfasst werden in ihrer Position und ihrer Bewegung. Die Seitenelemente können seitlich bis in den Bereich des Kiefergelenks reichen. Dann können messtechnische Erfassungsvorrichtungen mit höchster Präzision die Bewegungen und Positionen im Umfeld des Kiefergelenks erfassen. Die Verstellvorrichtung zwischen Kopfgestell und Markergestell kann benutzt werden, um das Markergestell, etwa für besondere Messaufgaben, geeignet zu positionieren, insbesondere wenn gleichzeitig das Kopfgestell bereits individuell korrekt in den Auflagebereichen positioniert ist. Daraus ergibt sich ein gewisser individueller Positionszwang für das Kopfgestell. Ohne die Verstellvorrichtung zwischen Kopfgestell und Markergestell würde sich entweder der individuelle Positionszwang auf einen Positionszwang des Markersystems übertragen, was zu Einschränkungen führen würde. Oder aber es könnte die individuell korrekte artefaktfreie Position der Auflagen am Kopf nicht eingestellt werden. Die Verstellvorrichtung ist also sehr hilfreich, um sowohl die Auflageposition am Kopf so einstellen zu können (d.h. die Kopfauflagebereiche auszuwählen), dass insbesondere keine Muskulatur zur Bewegungsartefakten fuhrt, als auch die Position des Markergestells den messtechnischen Anforderungen möglichst gut entsprechend anpassen zu können.
Zusätzliche mechanische Elemente am Kopfgestell:
Das Kopfgestell kann zusätzlich zu den Halterungen für die hinteren und/oder vorderen Auflageelemente weitere Halterungen für Auflageelemente enthalten, insbesondere für ein einstellbares Kopfband, das von rechts nach links über den Scheitel führt. Alternativ oder zusätzlich sind Dämpfungselemente möglich, die geeignet sind, Schwingungsenergie aus dem Kopfgestell und oder Messgestell heraus zu nehmen.
Federstäbe mit einstellbarer Neigung:
In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst das Kopfgestell einen Querstab als Querverbindung zwischen rechtem und linkem Seitenteil oder -element. Zwei symmetrische Seitenteile oder -elemente können rechts und links nach hinten führend am Querstab befestigt sein. Bevorzugt ist der Abstand der Seitenteile einstellbar, er kann aber auch fix vorgegeben sein, insbesondere wenn der Abstand der Kopfauflageelemente vom Seitenteil einstellbar oder wählbar ist, um das Kopfgestell an die Kopfgröße anzupassen. Die Seitenteile rechts und links umfassen bevorzugt Federstäbe aus sehr elastischem kaum plastisch deformierbarem Material wie insbesondere Carbonfaser-Verbundwerkstoff. Die Federstäbe laufen vorwiegend in der Ebene, die durch die mindestens drei Auflageelemente gebildet wird, wobei die vordere Auflage (Nasenauflage) bevorzugt in der Höhe relativ zu dieser Ebene und im Abstand vom Querstab einstellbar ist. Im angelegten Zustand liegen die seitlichen hinteren Auflagebereiche rechts und links am Kopf bevorzugt höher als das Querelement/der Querstab. Folglich zeigen die Seitenelemente oder -teile des Kopfgestells bzw. die Federstäbe schräg nach oben und verlaufen oberhalb der Ohren bis deutlich hinter die Ohren. An den Seitenelementen/-teilen bzw. Federstäben sind die Auflageelemente befestigt. Bevorzugt haben sie die Form kleiner schalenförmiger oder tellerförmiger Kopfpolster mit einem (lösbaren) Befestigungselement, mit dem sie entlang des Seitenelements verstellt werden können. Zur Anpassung an unterschiedliche Kopfgrößen werden die hinteren Auflageelemente bevorzugt rechts und links mehr oder weniger weit vom Querelement oder Querstab entfernt eingestellt. Dies kann mit Schiebeelement und Klemmschraube erfolgen oder durch Einsetzen in beabstandete Querbohrungen. Die Schrägneigung der Ebene durch Federstab oder -Stäbe und Querstab ergibt sich aus der individuellen Lage der Nasenbeinauflage und der Kopfauflagebereiche rechts und links und ist mehr oder weniger steil. Meist hegt sie zwischen zehn Grad und dreißig Grad, bevorzugt zwischen 15 Grad und 25 Grad. Die Länge der Seitenteile reicht bevorzugt aus, um am Kopf seitlich bis fast nach hinten zu führen. Dies ist geeignet, um die Kopfauflagen rechts und links ausreichend weit hinten und ausreichend weit oben positionieren zu können, denn die meisten Menschen haben dort hinten und dort oben den Bereich mit keiner oder sehr wenig Muskulatur.
Schamierklemmen zur Befestigung des Messgestells am Kopfgestell: Während herkömmlich das Messgestell fix am Kopf befestigt wird, weist die Vorrichtung mit Messgestell und Kopfgestell nun eine einstellbare mechanische Verbindung (zweckmäßigerweise über die Verstellvorrichtung) auf. Die Verbindung ist hilfreich, um beide Anforderungen gleichzeitig erfüllen zu können: erstens die geeignete Positionierung des Kopfgestells relativ zum individuell gebauten Kopf des Probanden und zweitens die Positionierung des Messgestells relativ zum Kopfgestell, etwa relativ zu einer Erfassungsvorrichtung eines Messsystems. Im besonders bevorzugten Fall besteht das Verstellelement oder die Verstellvorrichtung aus einer Schamierverbindung mit (nur) einem Rotationsfreiheitsgrad und optional einem weiteren, beispielsweise seitlichen, Translationsfreiheitsgrad. Auch nur ein rotatorischer Freiheitsgrad ist möglich. Die Rotationsachse kann parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Querelements verlaufen. Beide Verstellbewegungen (Rotation und Translation) sind, bevorzugt durch Haftreibung, gesichert, sobald die Bewegungserfassung läuft. Gleichwohl ist die Einstellung der Relativposition zwischen Kopfgestell und Messgestell mit einfachen Mitteln möglich, z.B. durch leichte Handkraft, ohne dabei die Position des Kopfgestells zu ändern oder es zu deformieren. Zusätzliche Eistellungsmöglichketen können am Kopfgestell vorhanden sein, insbesondere eine Einsteilbarkeit des Abstandes der Seitenteile oder -elemente rechts und links und/oder eine Einstellung des Anstellwinkels und/oder der Position des vorderen Auflageelements (der Nasenauflage) relativ zum Querelement und relativ zur Ebene durch das Querelement und das bzw. die Seitenteile oder -elemente rechts und links.
Im alternativen Fall der Verwendung eines Kopfgestells mit Ringelement kann das Ringelement entweder geneigt eingestellt werden mit Nasenauflage vorne oder eher waagrecht mit der vorderen Auflage im Bereich von Stirnbein und/oder Schläfenbein. Auch hier ist am Kopfgestell bevorzugt eine Verstellvorrichtung bzw. ein Verstellelement angebracht, um das Messgestell geeignet zu positionieren. Auch in dieser Lösung wird bevorzugt ein Schamierelement verwendet, um die Einstellung der Neigung des Messgestells möglichst einfach vornehmen zu können.
Haltekraft und Schwerkraft im Kopfgestell:
Die Federstäbe erzeugen die Anpress- oder Andrückkraft der Kopfauflagen rechts und links je nach Biegung der Federstäbe. Im entspannten Zustand liegen dabei die Kopfauflagen zu nahe zusammen, also enger als der Abstand der Kopfauflagebereiche rechts und links. Durch das Aufdehnen der Federstäbe werden die Kopfauflagen im angelegten Zustand gegen die Kopfhaut gedrückt, ohne dass dadurch die Kopfhaut verletzt wird. Die Haftreibungskraft zwischen Kopfauflage rechts und links und Kopf reicht bevorzugt aus, um die vertikal nach unten weisende anteilige Schwerkraft des Kopfgestells samt Messgestell zu kompensieren. Vorne liegt das Kopfgestell zudem entweder auf dem Nasenrücken oder auf Stirn oder Schläfenauflagen auf, die ebenso die vertikale Schwerkraft kompensieren. Zudem kompensieren die vorderen Auflageelemente die nach hinten zeigende resultierende Kraft, die sich aus der Überlagerung der Auflagekräfte rechts und links ergibt, weil die Kopfauflagen schräg und nicht parallel gestellt sind.
Ausführungsbeispiel mit Kameras am Kopfgestell:
Das Kopfgestell umfasst in einer weiteren Ausführungsform eine einstellbare mechanische Verbindung zu mindestens einem Kamerasystem. Das Kamerasystem kann mittels Verstellelement oder Verstellvorrichtung relativ zum Kopfgestell positioniert werden. Das Kopfgestell ist mit Vorzug so konfiguriert, dass es an den biomechanisch nicht durch Muskulatur bewegten Kopfbereichen aufliegt, insbesondere rechts und links oberhalb und hinter den Ohren im Bereich des knöchernen Ansatzes der Faszien und der dünnen Sehnenplatten. Das Messgestell hat nun die aktive Funktion der Bewegungserfassung. Auch hier würde eine Relativbewegung zwischen Messgestell und Schädel empfindlich stören. Insbesondere darf das Kopfgestell relativ zum Schädelknochen nicht verrutschen, auch nicht bei länger dauernden Messungen. Die dafür verwendeten mechanischen Vorrichtungen entsprechen denen, die oben bei den markerbesetzten Messgestellen benutzt wurden. Falls die Kameras zusätzliche Masse und zusätzliche Kräfte bedeuten, muss alles entsprechend robuster ausgeführt werden, das vorgeschlagene Prinzip ist jedoch das selbe. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung sind inzwischen sehr leichte und stromsparende Kamerasysteme verfügbar, so dass Kamerasysteme im Vergleich zu passiven Markersystemen als Teil des Messgestells in Bezug auf die vorgeschlagene Technologie kaum einen mechanischen Unterschied bedeuten.
Weitere Ausführungsbeispiele:
Die Markierungseinrichtungen, die mittels Markergestell am Kopfgestell angebracht sind, können ihrerseits eine räumlich stabile Anordnung von Markierungen sein, insbesondere Markierungen auf einem ausreichend stabilen Gestell, das sich während der Erfassung von Positionen und Bewegungen nicht deformiert.
Das Kopfgestell selbst kann ebenfalls Markierungen oder Sensoren enthalten, dadurch kann man zu Kontrollzwecken allfällige Relativbewegungen zwischen Kopfgestell und Markergestell verfolgen.
Der Kopf kann an anderen Stellen weitere Markierungen tragen. Damit kann man Relativbewegungen zwischen diesen Kopf- und Gesichtsbereichen und dem Kopfgestell verfolgen.
Das Kopfgestell kann Kameras tragen, die ihrerseits ein Markersystem beobachten, das an einem relativ zum Kopf bewegten Körperteil befestigt ist, insbesondere am Unterkiefer oder am Zahnbogen.
Im hinteren Kopfbereich können zusätzlich zu den beiden Auflageelementen rechts und links weitere Auflageelemente vorgesehen sein, um für besondere Bewegungserfassungsaufgaben zusätzliche Stabilität zu schaffen.
Die Kopfauflagen, die in Körperkontakt kommen können, sind bevorzugt aus biokompatiblem Material gefertigt.
Die Kopfauflageelemente durchdringen das Körpergewebe zweckmäßigerweise nicht im angelegten Zustand. Sie üben einen bevorzugt einstellbaren Druck auf die Kopfhaut aus, die dazu führt, dass die Position relativ zur Kopfhaut festgelegt ist und dass die Kopfhaut selbst sich nicht relativ zum Kopf bewegt.
Die beschriebene Vorrichtung kann eine kopfgetragene Vorrichtung sein. Markersysteme am Messgestell und dem weiteren Messgestell sind zweckmäßigerweise unterscheidbar.
Rein vorsorglich sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Verfahren nicht als auf Verfahren zur chirurgischen oder therapeutischen Behandlung des menschlichen oder tierischen Körpers und Diagnostizierverfahren, die am menschlichen oder tierischen Körper vorgenommen werden, beschränkt anzusehen sind.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Befestigung am Kopf eines Subjekts, zum Beispiel dem Kopf eines Menschen, etwa eines Patienten oder Probanden, und zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen des Schädels des Subjekts und/oder relativ zum Schädel des Subjekts, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Kopfgestell zur Befestigung der Vorrichtung am Kopf des Subjekts, und eine Messeinrichtung, die mit dem Kopfgestell, vorzugsweise permanent, mechanisch verbunden ist oder mit dem Kopfgestell verbindbar ist, wobei das Kopfgestell eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Kopfgestells am Kopf aufweist, wobei die Befestigungsvorrichtung mindestens zwei Kopfauflageelemente umfasst, mittels derer das Kopfgestell an dem Kopf anliegen kann, wobei die Kopfauflageelemente für den Kontakt mit Kopfbereichen auf verschiedenen Kopfseiten (links bzw. rechts) und hinter den Ohren eingerichtet und ausgebildet sind, und wobei die Befestigungsvorrichtung mindestens ein weiteres Auflageelement, beispielsweise ein vorderes Auflageelement, aufweist, mit dem das Kopfgestell an dem Kopf anliegen kann, zum Beispiel an einer Vorderseite des Kopfes.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung ein Messgestell umfasst, wobei das Messgestell dazu ausgebildet ist, sich auf verschiedenen Seiten des Kopfes zu erstrecken, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinrichtung eine oder eine Mehrzahl von Messeinheiten aufweist, wobei zwei Messeinheiten auf verschiedenen Kopfseiten (links bzw. rechts) angeordnet sind, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist, und wobei die jeweilige Messeinheit eine Markeranordnung mit einem oder einer Mehrzahl von Markern umfasst oder die jeweilige Messeinheit eine Kameraeinheit mit zumindest oder genau einer Kamera umfasst.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsvorrichtung zur nicht-invasiven Befestigung des Kopfgestells am Kopf ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopfbereiche so gewählt oder wählbar sind, dass in dem jeweiligen Kopfbereich zwischen der Kopfhaut und dem Schädelknochen keine oder wenig Muskeln angeordnet sind, insbesondere keine oder wenig Muskeln, die für die Bewegung des Kiefergelenks und/oder die Gesichtsmimik relevant sind und/oder die bei einer Bewegung des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer oder bei mimischen Gesichtsbewegungen beansprucht werden.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopfbereiche (linke bzw. rechte Kopfseite) bezüglich des Ohrs nach hinten (weg vom Gesicht) und nach oben (weg vom Hals) versetzt sind, beispielsweise um 2 cm oder mehr nach hinten und/oder 2
27 cm oder mehr nach oben oder beispielsweise um 3 cm oder mehr nach hinten und/oder 3 cm oder mehr nach oben.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kopfgestell einen Träger aufweist, wobei die Kopfauflageelemente mit dem Träger verbunden sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Kopfauflageelemente beweglich mit dem Träger verbunden sind und bevorzugt entlang des Trägers verschiebbar sind, und/oder wobei das weitere Auflageelement mit dem Träger verbunden ist, vorzugsweise beweglich, beispielsweise relativ zum Träger schwenkbar und/oder in einer anderen Ebene als die Kopfauflageelemente.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Andrückeinrichtung aufweist, die beispielsweise eines oder eine Mehrzahl von Federelementen umfasst, wobei die Andrückeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Kopfauflagelemente an den zugehörigen Kopfbereich anzudrücken, wobei das jeweilige Kopfauflageelement mit einer Andrückkraft an den zugehörigen Kopfbereich angedrückt wird, und wobei die Kopfbereiche und/oder die Kopfauflageelemente so ausgebildet oder angeordnet sind, dass die beiden Oberflächennormalen zum Schädelknochen in den Kopfbereichen einen Winkel (Kraftwinkel) aufspannen, der kleiner 180° und kleiner oder gleich einem der folgenden Werte ist: 175°, 170°, 165°, 160°, 155°.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kopfbereiche und/oder die Kopfauflageelemente so ausgebildet oder gewählt sind, dass die aus den Andrückkräften (Auflagekräfte) in den Kopfbereichen resultierende Kraft nach hinten zeigt und die resultierende Kraft mindestens 5% der Summe der Beträge der Andrückkräfte beträgt, und wobei die resultierende Kraft das weitere Auflageelement an den Kopf andrückt, insbesondere an die Vorderseite.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung über eine Verstellvorrichtung mit dem Kopfgestell mechanisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Verstellvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Messeinrichtung, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist, in verschiedene Positionen und/oder Neigungen oder Orientierungen relativ zum Kopfgestell gebracht werden kann und dort fest gehalten ist.
12. Vorrichtung zur Befestigung am Kopf eines Subjekts, zum Beispiel dem Kopf eines Menschen, etwa eines Patienten oder Probanden, und zur Erfassung von Positionen und/oder Bewegungen des Schädels des Subjekts und/oder relativ zum Schädel des Subjekts, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Kopfgestell zur Befestigung der Vorrichtung am Kopf des Subjekts, und eine Messeinrichtung, die mit dem Kopfgestell, vorzugsweise permanent, mechanisch verbunden ist oder mit dem Kopfgestell verbindbar ist, wobei das Kopfgestell eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Kopfgestells am Kopf aufweist, wobei die Messeinrichtung über eine Verstellvorrichtung mit dem Kopfgestell mechanisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Verstellvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Messeinrichtung, wenn die Messeinrichtung mit dem Kopfgestell verbunden ist, in verschiedene Positionen und/oder Neigungen oder Orientierungen relativ zum Kopfgestell gebracht werden kann und dort fest gehalten ist.
13. System mit: einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer weiteren Messeinrichtung, die zur Befestigung an einem anderen Körperteil als die Vorrichtung vorgesehen ist, zum Beispiel dem Unterkiefer, der relativ zum Schädel beweglich ist.
14. Erfassungssystem, umfassend: eine Vorrichtung oder ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und eine Erfassungseinrichtung zur Verfolgung der Position der jeweiligen Messeinrichtung.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Befestigung am Kopf eines Menschen, wobei die Befestigungsvorrichtung so anpassbar ist, dass die Kopfauflageelemente in bestimmten Kopfbereichen des Menschen aufliegen, wobei die Kopfbereiche so bestimmt sind, dass in dem jeweiligen Kopfbereich zwischen der Kopfhaut und dem Schädelknochen keine oder wenig Muskeln angeordnet sind, insbesondere keine oder wenig Muskeln, die für die Bewegung des Kiefergelenks relevant sind und/oder die bei einer Bewegung des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer beansprucht werden, und wobei vor der Befestigung der Vorrichtung am Kopf die Kopfauflageelemente innerhalb der Vorrichtung so positioniert werden, dass sie an den bestimmten Kopfbereichen anliegen, wenn die Vorrichtung am Kopf des Menschen befestigt wird.
16. Verfahren zur Erfassung von Bewegungen eines Schädels oder des Oberkiefers oder relativ zum Schädel oder Oberkiefer, wobei ein Kopfgestell, vorzugsweise eines einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Auflageelementen so am Kopf positioniert wird, dass die Kopfauflageelemente rechts und links seitlich hinter und über den Ohren anliegen in den Bereichen, die keine oder fast keine Muskulatur aufweisen und zudem ein Messgestell relativ zum Kopfgestell mittels einer Verstellvorrichtung positioniert wird, die Kopfgestell und Messgestell einstellbar verbindet, und anschließend die Bewegung des Messgestells benutzt wird, um entweder die Bewegung des Messgestells selbst zu erfassen oder um mit Hilfe des (aktiven) Messgestells die Relativbewegung eines zweiten Messgestells zu erfassen, das vom (aktiven) Messgestell beobachtet wird.
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