Der Virtuelle Artikulator „DentCAM“Einleitung 1 1. Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung Virtuelle Welten werden in weiten Bereichen der Medizin bereits eingesetzt, um durch

Aus dem

Zentrum für Angewandte Informatik, Flexibles Lernen und Telemedizin (CIFT)

(Leiter: Prof. Dr. Bernd Kordaß)

und dem Funktionsbereich für Zahnmedizinische Propädeutik / Community Dentistry

(Leiter: Prof. Dr. Bernd Kordaß)

der Poliklinik für zahnärztliche Prothetik und Werkstoffkunde

(Direktor: Prof. Dr. Reiner Biffar)

im Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde

(Geschäftsführender Direktor Prof. Dr. Georg Meyer)

der Medizinischen Fakultät der Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald

Der Virtuelle Artikulator „DentCAM“

Evaluation und Konzepte

zur praktischen Realisierung

Inaugural-Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Zahnmedizin (Dr. med. dent.)

der Medizinischen Fakultät

der Ernst-Moritz-Arndt-Universität

Greifswald

2003

vorgelegt von:

Christian Gärtner

geboren am 27. März 1973

in Wülfrath (NRW)

Dekan: Prof. Dr. H. K. Kroemer

1.Gutachter: Prof. Dr. B. Kordaß (Greifswald)

2.Gutachter: Prof. Dr. W. B. Freesmeyer (Berlin)

(3. Gutachter:)

Tag der Disputation: Greifswald, 7. Juli 2003

Meiner Familie,

meinem Vater � und meiner Großmutter �

in Dankbarkeit.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung.......................................................................................................1

1.1 Problem- und Zielstellung..............................................................................1

1.2 Literaturübersicht: Artikulatoren in der Zahnmedizin .....................................3

1.2.1 Mechanische Artikulatorsysteme.............................................................4

1.2.2 Elektronische Artikulatorsysteme.............................................................11

1.2.3 Elektronische Registriersysteme .............................................................12

1.3 Virtuelle Realität in der Medizin.....................................................................14

1.4 Virtuelle Realität in der Zahnmedizin.............................................................18

2. Fragestellungen ............................................................................................23

3. Konzeption und Entwicklung des Virtuellen Artikulators..........................24

3.1 Funktionsumfang...........................................................................................25

3.2 Benutzeroberfläche .......................................................................................26

3.3 Datenvorbereitung und Auswertung..............................................................28

4. Material und Methode ...................................................................................31

4.1 Vorversuche ..................................................................................................32

4.1.1 3D-Laserscanner .....................................................................................32

4.1.2 Jaw-Motion-Analyser ...............................................................................36

4.2 Versuchsgruppen ..........................................................................................39

4.2.1 Prüfmessstand Simulator ........................................................................40

4.2.2 Artikulatoruntersuchung...........................................................................43

4.2.3 Probandenuntersuchung .........................................................................46

Inhaltsverzeichnis

5. Ergebnisse.....................................................................................................47

5.1 Auswertung der Vorversuche ........................................................................47

5.1.1 3D-Laserscanner .....................................................................................47

5.1.2 Jaw-Motion-Analyser ...............................................................................49

5.2 Auswertung der Versuchsgruppen ................................................................50




5.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse .........................................................56

6. Diskussion.....................................................................................................57

6.1 3D-Laserscanner...........................................................................................57

6.2 Jaw-Motion-Analyser.....................................................................................59

6.3 Versuchsgruppen ..........................................................................................61




6.4 Vergleich Virtueller Artikulator und mechanischer Artikulator........................63

6.5 Schlussfolgerung...........................................................................................65

6.6 Ausblick.........................................................................................................66

7. Zusammenfassung .......................................................................................68

8. Literaturverzeichnis ......................................................................................70

Einleitung

1

1. Einleitung

1.1 Problem- und Zielstellung

Virtuelle Welten werden in weiten Bereichen der Medizin bereits eingesetzt, um

durch neue und unkonventionelle Sichtweisen komplexe Sachverhalte und

Zusammenhänge besser als es mit herkömmlichen Techniken möglich ist,

darzustellen und zu verstehen. In der Zahnmedizin ist es üblicherweise Aufgabe

der mechanischen Artikulatoren die statische und die dynamische Okklusion,

also die Kontakte zwischen den Kauflächen und die zahngeführten

Bewegungsabläufe entlang der Kauflächen, darzustellen. Gegenüber der

tatsächlichen Situation in der Mundhöhle gibt es aber eine Reihe von werkstoff-

und verfahrenstechnisch bedingten Imponderabilien, die die Ergebnisse der

Bewegungssimulation im mechanischen Artikulator ungünstig beeinflussen

können (z.B. das individuelle Bewegungsmuster der Zahnreihen zueinander,

das spaltfreie Fügen von Registraten auf Gipsmodellen, das räumlich korrekte

schädel- bzw. gelenkbezügliche Montieren von Modellen, die Expansion des

Montage- und Modellgipses, die Verformung von Registrierträgermaterialien,

usw.). Zudem lassen sich viele biologische Faktoren, die die Eingliederung

einer zahntechnischen Arbeit entscheidend beeinflussen, auch mit hohem

Aufwand mechanisch nicht nachvollziehen. Zu den biologischen Faktoren, die

mechanisch nicht nachgeahmt werden können, zählen beispielsweise die

individuelle Variabilität der Kaufunktion, die Resilienz von Weichteilstrukturen im

menschlichen Kiefergelenk, die physiologische oder pathologische

Eigenbeweglichkeit der Zähne, die Beweglichkeit von Prothesen und die

Verbiegungen der Unterkieferspange bei Beanspruchung unter

Kaukrafteinfluss. Dementsprechend zeigen Untersuchungen von TAMAKI et al.

(1997) über die Reproduzierbarkeit von okklusalen Bewegungen im

mechanischen Artikulator, dass trotz individueller Registrierung und schädel-

gelenkbezüglicher Modellmontage nur 82% der protrusiven und 90% der

laterotrusiven Kontakte, die in-vivo vorhanden waren, im Artikulator

nachvollzogen werden konnten. Nur 62% der protrusiven und 81% der

laterotrusiven Kontakte waren im Artikulator korrekt lokalisiert. Zudem erzeugte

der mechanische Artikulator neue Kontakte, die in-vivo nicht vorhanden waren.

Einleitung

2

Jedoch ist es gerade in der Okklusions- und Funktionsanalyse entscheidend,

der biomechanischen Situation des Kausystems so nahe wie möglich zu

kommen - hier sind die Möglichkeiten eines Virtuellen Artikulators weitaus

vielseitiger. Im Gegensatz zu einem mechanischen Artikulator werden die

einzelnen Parameter wie Gelenkbahnneigung, Bennett-Winkel, Sideshift usw.

nicht am Patienten ermittelt und dem Artikulator eingegeben, sondern die

exakte Bewegungsbahn des Unterkiefers am Patienten elektronisch

aufgezeichnet und als Grundlage der weiteren Berechnungen herangezogen.

Ein „Virtueller Artikulator“, also ein mittels eines Computerprogramms

simulierter Artikulator, vermag grundsätzlich sämtliche biomechanischen

Parameter des individuellen Kauorgans zu simulieren und darzustellen, sofern

geeignete individuelle Daten und Messwerte verfügbar sind. So sollten für die

Berechnung der statischen und dynamischen Okklusion keine mittelwertigen

Vorgaben herangezogen werden, sondern die exakt digitalisierten, individuellen

Bewegungsbahnen des Unterkiefers. Mit Hilfe dieser Technik ist es zudem

möglich, verschiedene, für den Funktionstherapeuten interessante Parameter,

synchron zu analysieren. So könnte z.B. die Position der Kondylen zeitgleich zu

der aktuellen Kontaktpunkteverteilung dargestellt werden. Aber auch Parameter

wie Kräfteverteilungen, Zahneigenbeweglichkeiten und Belastungen von

Suprakonstruktionen lassen sich prinzipiell, sofern geeignete Messwerte

vorhanden sind, mittels der virtuellen Realität berechnen und darstellen. Ein

weiterer großer Bereich kann unter dem Stichwort „Interaktivität“

zusammengefasst werden: So ist es denkbar, einzelne Zähne oder funktionell

zusammengefasste Zahngruppen hinsichtlich ihrer räumlichen Orientierung zu

modifizieren und die daraus resultierenden Okklusions- und Bewegungsmuster

zu berechnen. Ferner könnten kieferorthopädische Kräfte simuliert und deren

langfristige Konsequenzen in Sekundenbruchteilen berechnet und analysiert

werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Konzepte, die der Entwicklung eines „Virtuellen

Artikulators“ zugrunde liegen, zu erläutern und eine Computersoftware zu

evaluieren, mit deren Hilfe die Berechnung und Visualisierung der individuellen

Unterkieferbewegung möglich wird.

Einleitung

3

1.2 Literaturübersicht: Artikulatoren in der Zahnmedizin

Im zahnmedizinischen Sinne sind Artikulatoren Geräte, die Kiefer und

Kiefergelenke mit mechanischen Elementen nachvollziehen [BAUER und

GUTOWSKI 1978; CELENZA 1979; FUHR und REIBER 1985; KOECK 1989;

RUGH und JOHNSON 1988; SUVIN 1982]. Sie dienen zur Aufnahme von

Modellen der Zähne und der Kiefer [CELENZA 1979; HOFFMANN-AXTHELM

1992; RUGH und JOHNSON 1988], zur Sicherung der statischen

Lagebeziehungen beider Kiefer zueinander sowie zur Simulation der

dynamischen Bewegungen der Kiefergelenke und des Unterkiefers [BAUER

und GUTOWSKI 1978; CELENZA 1979; FUHR und SIEBERT 1981; FUHR und

REIBER 1985; HOFFMANN-AXTHELM 1992; KAMANN 1998; KOECK 1989;

KÖRBER 1987; LEJOYEUX 1976; RUGH und JOHNSON 1988; SUVIN 1982].

Eingesetzt werden Artikulatoren in der instrumentellen Funktionsanalyse zur

Erstellung einer Diagnose und zur Herstellung laborgefertigten Zahnersatzes in

der Zahntechnik [KÖRBER 1987; LEJOYEUX 1976; MEYER und MOTSCH

1987; RUGH und JOHNSON 1988; SUVIN 1982]. Zudem etablieren sich

moderne Artikulatoren zunehmend in Forschung und Lehre zur Simulation der

menschlichen Kiefergelenke, zur Darstellung der komplexen individuellen

Parametrisierbarkeit der biodynamischen Bewegungsmuster und zur

Überprüfung und Visualisierung von statischen und dynamischen

Okklusionsmustern.

Die Entwicklung von Artikulatoren weist eine etwa 150-jährige Geschichte auf,

während der eine Vielzahl von Geräten mit unterschiedlichen Funktions- und

Bauweisen entwickelt wurden. Die genaue Anzahl aller Entwicklungen und

deren Varianten ist heute nicht sicher zu bestimmen. Ein gewisser Überblick

kann u.a. aus den entsprechenden Arbeiten von BLOMBERG et al. (1961),

CROUSSILAT (1971), LANG (1970), LEJOYEUX (1976), MITCHELL und

WILKIE (1978) sowie REHM (1951) entnommen werden.

Einleitung

4

1.2.1 Mechanische Artikulatorsysteme

In der Literatur sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Einteilung von

Artikulatorsystemen beschrieben worden. Die Einteilungen basieren u.a. auf

folgenden Kriterien:

• Prinzip der dominierenden Führungsfläche

• Existenz einer Gelenkführung

• Aufbau der Gelenkmechanik

• räumliche Orientierung der Führungsflächen

• Anordnung von Referenzebenen

• Justierbarkeit der mechanischen Parameter.

Bezüglich des Prinzips der dominierenden Führungsfläche (Führungsprinzip)

werden gelenkbezüglich arbeitende Artikulatoren und die so genannten

Kaubahnträger voneinander unterschieden [FUHR und SIEBERT 1981;

KÖRBER 1987]. Gelenkbezogene Artikulatoren sind mit künstlichen Gelenken,

die den menschlichen Kiefergelenken ähnlich sind, ausgestattet. Sie arbeiten,

bedingt durch eine posteriore Führung des beweglichen Artikulatorteils,

entsprechend dem Prinzip der Gelenkdominanz, d.h. im posterioren Bereich

dominiert die Führungsfunktion der Kiefergelenke. Bei solchen Artikulatoren

spielt auch die Front-Eckzahn-Führung eine entscheidende Rolle

Abb. 1 Historische Artikulatoren (v.l.n.r.): Bonwill, Christensen und Gysi-Dreipunkt.

Einleitung

5

[CROUSSILAT 1971; FUHR und SIEBERT 1981; LEJOYEUX 1976; MITCHELL

und WILKIE 1978; RUGH und JOHNSON 1988]. Zu den gelenkbezogenen

Geräten werden (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) u.a. die Evans-, Bonwill-,

Walker-, Grittmann-, Christensen-, Parfitt-, Gysi-“Simplex”-, Gysi-“Dreipunkt”-,

Gysi-“Adaptable”-, Gysi-“Truebyte”-, Aspelund-, Andresen-, Hanau-Kinoscope-,

Wriendt-, McCollum-“Gnathoscope”-, Dentatus ARH-, Stuart-, Condylator-,

Whip-Mix-, Denar D5A-, TMJ-, SAM 1-, SAM 2-, SAM 3-, Panadent-,

Gnathomat-, Artex T-, Artex TS-, Artex N-, Artex AN-, Artex Reference-, Stratos

200-, Protar I- und Protar II-Artikulatoren gezählt (siehe auch Abbildung 1). Die

künstlichen, mechanischen Gelenke bestehen aus einem führenden und einem

geführten Gelenkteil. Beide wurden in unterschiedlichen Ausführungen

entwickelt. So kann z.B. der führende Gelenkteil die Form eines Führungsstiftes

(Bonwill-, Christensen-Artikulator), einer Führungsfläche (Condylator, Bayer

Contact) oder einer künstlichen Gelenkpfanne (Whip-Mix-, SAM-Artikulator)

annehmen. Der geführte Gelenkteil besitzt entsprechend die Form eines

Führungsringes, eines Doppelkonus oder einer Kondylarkugel bzw.

Kondylarstiftes.

Die Mechanik der klassischen Kaubahnträger wird in ihrem Bewegungsfreiraum

durch die Führungsfunktion der Kauflächenmorphologie bestimmt. Die

Führungsfacetten der Zähne werden dabei als Führungselemente der

Okklusion verwendet [FUHR und SIEBERT 1981]. Einige Kaubahnträger (z.B.

die von Luce, Fehr, u.a.) können aber auch als kaubahnbezogene Artikulatoren

bezeichnet werden; ebenso besitzen Artikulatoren wie der Schröder-Rumpel,

Schröder-Trebitsch oder der Gnathomat eine „freischwingende Achse“, die

optional eine zusätzliche Gelenkführung ermöglicht [HUGGER 1993; IVOCLAR

AG 1993]. Solche kaubahnbezogenen Artikulatoren können mittels der

„Graviermethode“ eingesteuert werden [RUGH und JOHNSON 1988]: Die von

den Kauflächen vorgegebenen Bewegungsfreiräume werden mittels

unterschiedlich geformter Stifte in napfartige, z.B. mit thermoplastischer Masse

(in einigen Literaturstellen ist auch die Verwendung von Amalgam beschrieben

[POSSELT 1962]) beschickte Strukturen „eingraviert“; das derart geformte

Relief dient nach dem Aushärten der Masse als Führungsfläche für die Stifte

Einleitung

6

des Artikulators. Sofern bei diesen Artikulatoren Ober- und Unterteil gelenkartig

verbunden sind, entsprechen diese den Gelenkartikulatoren. Diese „Gelenke“

lassen sich jedoch mechanisch entkoppeln, so dass eine Führung

ausschließlich durch die von den Kauflächen vorgegebene Einschränkung der

Bewegungsfreiheit erfolgen kann. Diese Artikulatoren können sowohl als

gelenkbezogene als auch als kaubahnbezogene Artikulatoren eingesetzt

werden [FUHR und SIEBERT 1981; HUGGER 1993].

In die Gruppe der gelenklosen Artikulatoren gehören auch die elektronisch

gesteuerten Artikulatoren (Gnathic Replicator, ROSY). Diese Artikulatoren

besitzen weder eine Gelenkführung noch eine Führung durch einen Inzisalstift.

Der bewegliche Teil ist „freischwebend“ aufgehängt und wird durch Schritt- oder

Servomotoren angetrieben. Die Berechnung der Bewegungsbahnen und die

Ansteuerung der Motoren werden durch entsprechende Computerprogramme

übernommen, daher ist auch die „Wiedergabe“ elektronisch registrierter

Bewegungsmuster möglich [EDINGER 1992, 1999; GIBBS et al. 1982].

Eine weitere gebräuchliche Einteilung geht auf BERGSTRÖM (1950) zurück. Er

unterteilte die Artikulatoren anhand der Anordnung der kondylären

Führungsflächen in „Arcon“-Artikulatoren und „Non-Arcon“- oder „Condylar“-

Artikulatoren. Bei den Arcon-Artikulatoren ist die künstliche Gelenkpfanne

(= Führungsfläche) zum Artikulatoroberteil fixiert, die Kondylarkugeln zum

Unterteil des Artikulators. Die Non-Arcon-Artikulatoren sind genau

entgegengesetzt konstruiert, d.h. bei dieser Artikulatorkategorie ist die

Führungsfläche am Unterteil, die Kondylarkugeln (bzw. die Gelenkwalze) am

Oberteil des Artikulators angebracht. Historische Beispiele für Non-Arcon-

Artikulatoren sind die Gysi- und Schröder-Rumpel-Artikulatoren in Abbildung 2.

Einleitung

7

DERKSEN und VAN HAERINGEN (1958) stellten fest, dass die Anordnung der

vorderen inzisalen Führungsfläche von nicht minder großer Bedeutung ist. Auch

in der Inzisalführung von Gelenkartikulatoren kann jeweils der eine Teil zum

Oberteil, der andere zum Unterteil des Artikulators montiert werden. Nach

Abbildung 3 ergeben sich somit vier unterschiedliche Artikulatortypen

[DERKSEN und VON HAERINGEN 1958; DIETER 1984] und deren

Kombinationen:

a) Typ I-Artikulatoren: kondyläre und inzisale Führungsflächen sind zum

Oberteil fixiert (z.B. SAM 2, SAM 3, Artex Reference)

b) Typ II-Artikulatoren: kondyläre und inzisale Führungsflächen sind zum

Unterteil fixiert (z.B. Hanau H, Dentatus ARH, Condylator)

c) Typ III-Artikulatoren: kondyläre Führungsflächen sind zum Unterteil, die

inzisale Führungsfläche ist zum Oberteil fixiert (z.B. Wriendt)

d) Typ IV-Artikulatoren: kondyläre Führungsflächen sind zum Oberteil, die

inzisale Führungsfläche ist zum Unterteil fixiert (z.B. Stuart, Whip-Mix,

SAM 1, Panadent)

Abb. 2 Historische Artikulatoren: Gysi (links) und Schröder-Rumpel (rechts).

Einleitung

8

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal für Artikulatoren ergibt sich in der

Ausrichtung bezüglich unterschiedlicher Referenzebenen:

• „Camper‘sche-Ebene-Artikulatoren“

• „Frankfurter-Horizontale-Artikulatoren“

• „Achs-Orbital-Ebene-Artikulatoren“

• „Gesichtsmitten-Horizontale-Artikulatoren“

• „Kauebene-Artikulatoren“

Historisch wurde die Camper’sche Ebene als Referenzebene favorisiert (z.B.

Bonwill-Artikulator, Gysi-Artikulatoren, Hanau-Artikulator, Condylator). Beim

Gebrauch von vielen teil- bzw. volljustierbaren Artikulatoren wird heutzutage die

Lage des Oberkiefers (überwiegend mittels eines Gesichtsbogens) zur

Frankfurter Horizontalebene ermittelt [FUHR und SIEBERT 1981]. Diese am

Patienten dargestellte Ebene wird durch den tiefsten Punkt der linken

Orbitaunterkante und die beiden Porion-Punkte bestimmt.

Die Achs-Orbital-Ebene, als eine weitere mögliche Referenzebene, weicht von

der Frankfurter Horizontalen nur geringfügig in den beiden dorsalen

Abb. 3 Kombinationsmöglichkeiten inzisaler und kondylärer Führungsflächen

[DERKSEN und VAN HAERINGEN 1958].

Einleitung

9

Referenzpunkten ab. Es werden anstelle der beiden Porion-Punkte die arbiträr

oder individuell bestimmten Achsenpunkte verwendet.

Eine ungewöhnliche Referenzebene wird beim Artex-System vorgeschlagen:

Die Gipsmodelle werden in Bezug auf eine „Gesichtsmitten-Horizontale“

einartikuliert. Diese entspricht einer Ebene, die durch die beiden

Gelenkachsenpunkte und durch einen Punkt 42 mm kranial der Mitte der

Inzisalkanten von Zahn 11 und 21. Diese Ebene soll im Artikulator parallel zur

Okklusionsebene verlaufen [GIRRBACH DENTAL 1993; GIRRBACH 1991].

Eine weitere Einteilung bezieht sich auf die Justierbarkeit der Artikulatoren,

bzw. auf die Möglichkeit des Einstellens unterschiedlicher Werte für einige oder

alle individuellen Steuerelemente der künstlichen Gelenksysteme (siehe

Tabelle 1). Man kann wie folgt unterscheiden:

• Okkludatoren

• Mittelwertartikulatoren

• justierbare Artikulatoren:

o kaubahnbezogene Artikulatoren

o teiljustierbare Artikulatoren:

� einige Steuerelemente lassen sich auf individuelle Werte

einstellen (z.B. Whip-Mix-, SAM 1-, Dentatus ARH-

Artikulator)

o volljustierbare Artikulatoren:

� quasi alle Parameter lassen sich einstellen (z.B. Stuart-

Artikulator)

Einleitung

10

Der Übergang zwischen Teil- und Volljustierbarkeit ist fließend. Eine

Zusammenstellung gängiger Artikulatorsysteme mit unterschiedlichen

Einstellungsmöglichkeiten gibt Tabelle 1 wieder.

Tab. 1 Einteilung der Justierbarkeit heute gängiger Artikulatorsysteme [SZENTPÉTERY 2000].

1 2 3 4 5 6 7 8

Artex AN A x x x x

Artex Reference A x x x x x

Artex TS nA x x x

Denar D5A A x x x x x x x

Denar Mark II A x x x

Dentatus ARA A x x x x

Dentatus ARH nA x x x

Panadent A x x x

Protar II A x x x x x

SAM II A x x x x x

Stuart A x x x x x x

Whip-Mix A x x x

1 Führungsflächen (Arcon / non-Arcon) 2 einstellbarer Interkondylarabstand 3 einstellbare horizontale Kondylenbahnneigung 4 gewölbte Kondylenbahn

5 einstellbarer Bennet-Winkel 6 einstellbarer Immediat-Sideshift 7 einstellbare Inzisalbahnneigung 8 Führung des Laterotrusionskondylus möglich

Einleitung

11

1.2.2 Elektronische Artikulatorsysteme

Eine neuartige Gruppe bilden solche Artikulatoren, die durch elektronische

Komponenten ergänzt werden.

• Der CPS-PC-Artikulator ist ein mechanischer Artikulator, dessen

Gelenkbewegungen durch elektronische Sensoren registriert und in einer

Computersoftware ausgewertet werden. Er eignet sich für die Einstellung

und für den Vergleich verschiedener zahngeführter Gelenkpositionen, so

kann er in der Diagnostik und Therapie von Kiefergelenkstörungen sowie

in der Kieferorthopädie angewendet werden [RB DENTAL ELEKTRONIK

1999]. Als Arbeitsartikulator in der Zahntechnik ist er nur für das

Aufwachsen zentrischer Okklusionsfelder geeignet, die Berücksichtigung

exzentrischer Bewegungen muss anschließend in einem volljustierbaren

Artikulator erfolgen [RB DENTAL ELEKTRONIK 1999]. In diesem Sinne

ist dies weder ein vollständiger mechanischer Artikulator noch ein echter

elektronischer Artikulator.

• Auch die Roboterartikulatoren (z.B. „Gnathic Replicator“ von Gibbs und

„ROSY“ von Edinger) gehören zu den elektronischen Artikulatoren. Die

elektronisch registrierten Kaubewegungen des Patienten lassen sich

mechanisch, durch elektronisch gesteuerte Schrittmotoren simulieren

[EDINGER et al. 1992, 1995; GIBBS et al. 1982].

Die Geschichte der Artikulatoren ist auch die Geschichte der

Registriermethoden, mit denen man die Artikulatoren einsteuert. Beispiele für

einige Messverfahren werden im nächsten Kapitel erläutert.

Einleitung

12

1.2.3 Elektronische Registriersysteme

Elektronische Registriersysteme dienen einer Umwandlung der Bewegungen

des Unterkiefers in auswertbare elektrische Signale. Moderne Systeme

erlauben eine computergestützte Auswertung und Weiterverarbeitung.

Das gelenkfern arbeitende ECRS-System (Elektronisches Computergestütztes

Registrier System [FREESMEYER und LUCKENBACH 1987], vorgestellt 1983)

wird durch acht Drehpotentiometer und zwei Linearpotentiometern als

Messwertgeber über Gestänge und Gelenke mit an den oberen und unteren

Schneidezähnen paraokklusal fixierten Schienen verbunden. Die über die

Potentiometer gemessenen Spannungswerte werden digitalisiert und mittels

spezieller Software in Winkelwerte umgerechnet, aus denen die

Raumkoordinaten ermittelt werden. Mittels einer CAD/CNC-Frässtation können

aus den Messdaten Kunststoffboxen für die Programmierung eines

mechanischen Artikulators gefräst werden.

Das SAS-System [MEYER und DAL RI 1985] wird auf einen Axiographen

montiert und ermittelt die Messgeberposition mittels spezieller

Widerstandsfolien, die gelenknah und senkrecht zueinander angeordnet sind.

Am Unterkieferbogen sind gelenknah zwei Wegaufnehmer derart angebracht,

dass deren Position relativ zu den Widerstandsfolien ermittelt werden kann. Die

so gewonnenen Messdaten werden in einem speziellen Computerprogramm

weiter verarbeitet und linearisiert, so dass eine entsprechende Darstellung und

Analyse am Bildschirm ermöglicht wird.

Das CADIAX-System ist ein gelenknah arbeitendes Messsystem, das 1988 an

den mechanischen SAM-Axiographen gekoppelt wurde [SLAVICEK 1988].

Ähnlich dem SAS-System nehmen zwei sagittal angebrachte Widerstandsfolien

jeweils einen Messtaster mit je zwei Messspitzen auf. Die zwei Messspitzen

ermöglichen zudem eine Bestimmung von rotativen Elementen, so dass dieses

System sechs Freiheitsgrade aufweist.

Einleitung

13

Der String-LR-Recorder [OHLROGGE 1982] arbeitet als optisches

Messsystem: Durch Aussenden und Empfangen von Lichtimpulsen, deren

Intensität und Laufzeitdifferenzen zur Ermittlung der Sensorposition

ausgewertet werden, ist auch eine gelenknahe Anwendung möglich. 1992 folgte

das weiterentwickelte Modell String-Condylocomp-LR 3.

HANSEN entwickelte 1980 das Ultraschallsystem MT-1602 [PRÖBSTER 1990]:

Über die Laufzeit von Ultraschallimpulsen werden die Abstände zwischen drei

Ultraschallsendern eines paraokklusal montierten Unterkiefer-Attachments und

drei Ultraschallempfängern im Kopfgestell ermittelt. Anhand dieser Messdaten

werden die kartesischen Koordinaten des Senderzentrums und dessen

Rotationswinkel ermittelt. Das System ermöglicht die koordinierte Darstellung

eines beliebigen Punktes im Raum.

Als Weiterentwicklung des MT-1602 brachte die Firma Zebris (D-Isny) 1997 den

Jaw-Motion-Analyser (JMA) heraus [BRUNNER 1999]. Drei

Miniaturschallsender im Mess- und Zeigesensor senden zu 4

Ultraschallempfängern im Kopfteil der Apparatur Ultraschallwellen aus, deren

Laufzeitmessung eine genaue Angabe beliebiger Punkte des Objektes mittels

einer speziellen Software (WinJaw) ermöglicht.

Das USR-Ultraschallsystem [EDINGER 1992] arbeitet ebenso wie der JMA

mittels Laufzeitmessungen von Ultraschallwellen und kann über die Software

ROSY einen Roboter-Artikulator schrittmotorisch ansteuern.

Neben den optisch- und ultraschallbasiert arbeitenden Systemen sind in der

Literatur eine Vielzahl weiterer Verfahren beschrieben (fotografische,

thermografische und magnetische Verfahren), die sich aber hinsichtlich

Praktikabilität und Genauigkeit nicht zur Ansteuerung eines Virtuellen

Artikulators eignen. Im Zusammenhang mit bildgebenden Verfahren, wie z.B.

der Kernspintomographie und der klinischen Funktionsanalyse, stellen jedoch

sämtliche Systeme zur Aufzeichnung von Unterkieferbewegungen ein wichtiges

diagnostisches Hilfsmittel dar [KORDAß et al. 1992].

Einleitung

14

1.3 Virtuelle Realität in der Medizin

Unter dem Begriff „Virtual Reality“ (VR) ist die Gesamtheit der möglichst dem

realen Leben angepassten, von Computern künstlich erzeugten und somit

steuer- bzw. manipulierbaren Sinneseindrücken (dreidimensionales Sehen,

Hören, Ertasten, usw.) zu verstehen - mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten

in der Medizin. Vor allem der Fachbereich der Chirurgie könnte von der VR

aufgrund der direkten Implementierbarkeit bildgebender Verfahren unter

Berücksichtigung der Anatomie in großem Maße profitieren. Mit neuartigen

Visualisierungsmethoden und der Simulation dynamischer Vorgänge können

etablierte Methoden effizienter geplant, trainiert und eingesetzt werden. Mit

Einführung von digitalen bildgebenden Systemen wurde die VR in der Medizin

etabliert. Bildgebende Systeme haben sich im klinischen Betrieb bewährt und

diesen in vielen Bereichen stark beeinflusst, wenn nicht gar revolutioniert.

Abb. 4 VR in der Medizin: Lehre und Ausbildung, Operationsplanung,

Operationsunterstützung und Teleoperationen (Illustration).

Einleitung

15

An VR-Systeme wird grundsätzlich die Anforderung gestellt, den Benutzer in

eine virtuelle Umgebung zu integrieren. Nach BURDEA und COIFFET (1994)

sollte jede VR-Umgebung durch Immersion, Interaction und Imagination zu

definieren sein:

• Immersion (engl. für „eintauchen“): Dem Benutzer soll durch seine

Sinneseindrücke das Gefühl einer möglichst vollständigen Integration in

die virtuelle Umgebung gegeben werden. Zum aktuellen Stand der

Technik beschränken sich diese Sinneseindrücke auf die visuellen,

akustischen und haptischen Sinne.

• Interaction (engl. für „Interaktion“): Der Benutzer kann mit einer virtuellen

Umgebung interagieren und virtuelle Objekte verändern bzw. benutzen.

Neben Standardeingabegeräten (Tastatur, Maus und Joystick) kommen

zum Zweck der Interaktion vermehrt spezialisierte Datenhandschuhe,

Head-Tracking-Systeme, Sprachsteuerungen und

Gestenerkennungssysteme zum Einsatz.

• Schließlich soll durch Imagination beim Benutzer das Gefühl, Teil einer

virtuellen Welt zu sein, gefördert werden. Die Imagination ist sehr stark

von der Qualität der Immersion und Interaktion abhängig.

Breiten Einzug haben VR-Systeme im Bereich Training und Ausbildung

gefunden: Das System Voxel-Man in Abbildung 5 [LEMKE et al. 1995] war

Abb. 5 VoxelMan (links) und „Visible Human Project“ (rechts).

Einleitung

16

ursprünglich als anatomischer Atlas zur 3D-Visualisierung des menschlichen

Schädels konzipiert. Es beinhaltet jedoch Komponenten, die es erlauben,

Eingriffe zu simulieren, Organe zu segmentieren und Bestrahlungsplanungen

vorzunehmen. Diese Daten können derart aufbereitet werden, dass es den

Anforderungen an eine VR-Anwendung genügt.

1986 wurde durch die National Library of Medicine das „Visible Human Project“

initiiert [ACKERMAN 1991]. Ziel dieses Projekts war es, die vollständige

Anatomie eines Mannes und einer Frau in einer bis dato unerreichten Qualität

digital zu erfassen und zu visualisieren. Der Leichnam eines zum Tode

verurteilten Mannes wurde tiefgefroren, um ein transversales Abtragen ca.

1 mm dünner Schichten zu ermöglichen. Nach jedem Schnitt wurde eine

Fotografie angefertigt. Mittels dieser etwa 180 Fotografien und zusätzlicher CT-

und MRT-Aufnahmen wurde ein dreidimensionaler Datensatz errechnet. Dieser

Datensatz diente als Grundlage zur weiteren Segmentierung in einzelne

Organe und funktionell-anatomische Gruppen. Wie in Abbildung 5 dargestellt,

lassen sich beliebige Schnitte und Ansichten aus diesen Datensätzen

generieren.

BERLAGE et. al. stellten 2001 ein System zur virtuellen Planung und Simulation

von minimal-invasiven Bypass-Operationen an den Herzkranzgefäßen vor. Als

Grundlage dienen dabei CT-Schichtaufnahmen des Herzens, die rechnerisch

zu 3D-Datensätzen transformiert wurden. Mittels Force-Feedback-Apparaturen,

die neben der eigentlichen Steuerung der virtuellen Endoskope auch einen

taktilen Eindruck der virtuell durchgeführten Operation im Gewebe vermitteln,

kann eine Operation in einer VR-Umgebung durchgeführt und trainiert werden.

Einleitung

17

LEE et al. präsentierten 2001 ein System zur virtuellen Endoskopie der oberen

Atemwege. CT- oder MRT-Aufnahmen der Atemwege werden derart

aufbereitet, dass eine fotorealistische, farbige Darstellung der Weichgewebe

möglich wird und mittels eines virtuellen Endoskops gescreent werden können.

Routinemäßige Untersuchungen des anatomischen Verlaufs der Luftwege

sollen mit diesem System nicht-invasiv und ohne Sedierung durchgeführt

werden können.

Als Trainings- und präoperatives Planungssystem in der zahnmedizinischen

Implantologie stellten SEIPEL et al. 1998 ein System vor, das ein virtuelles

Implantieren zu Schulungszwecken ermöglichen soll (Abbildung 6). Zudem

können CT-Aufnahmen zur Darstellung und präoperativen Planung einer

optimalen Implantatposition herangezogen werden.

Abb. 6 VR-Implantatplanung in der Zahnheilkunde [SEIPEL 1998].

Einleitung

18

1.4 Virtuelle Realität in der Zahnmedizin

In der modernen Zahnmedizin werden zunehmend computergestützte

Verfahren und Technologien zur Optimierung diagnostischer und

therapeutischer Maßnahmen eingesetzt. REIBERG entwickelte 1997 eine

Software zur Modellation und Animation des menschlichen Kiefers (MAJA –

Modeling and Animating the Human Jaw). Der 3D-Datensatz eines

menschlichen Schädels wurde in 89 virtuelle Teile, die sich gezielt hinsichtlich

ihrer anatomischen Parameter verändern lassen, differenziert. Reale, mit dem

String-Condylocomp gemessene Bewegungsdaten des Unterkiefers lassen sich

in das System einbringen. Anhand dieser Daten wird der virtuelle Unterkiefer

animiert und annähernd fotorealistisch dargestellt (Abbildung 7).

Der Simulator ROSY in Abbildung 7 [EDINGER 2003] ist als mechanischer

Artikulator aufgrund seines schrittmotorischen Antriebs in der Lage, zuvor

aufgezeichnete Unterkieferbewegungen oder berechnete Bewegungsbahnen

nachzuvollziehen. Die Systemsoftware kann zur Analyse der statischen und

dynamischen Okklusion herangezogen werden. Anwendung findet dieses

System aus Soft- und Hardware beispielsweise in der Funktionsdiagnostik und

Abb. 7 MAJA-System (links) und ROSY-System (rechts).

Einleitung

19

in der Herstellung von Okklusionsschienen. Eine Testversion kann im Internet

heruntergeladen werden. 1

SZENTPÉTERY stellte 2000 eine Software vor, die die Bewegung eines

Artikulators unter Berücksichtigung der resultierenden Okklusion

dreidimensional berechnen und visualisieren kann. Anhand typischer

Parameter, wie z.B. die Kondylenbahnneigungen, wird die Bewegungsfreiheit

eines Artikulators in allen sechs Freiheitsgraden mathematisch ermittelt und

dargestellt (Abbildung 8). Eine Demoversion der Software kann im Internet

heruntergeladen werden. 2

Testversionen im Internet (Stand 27.3.2003): 1 http://home.snafu.de/dr-edinger/rosydown.htm 2 http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/habil-online/00/00H136/of_index.htm 3 http://dochost.rz.hu-berlin.de/dissertationen/medizin/mertens-frank/html

Abb. 8 Software-Artikulator [SZENTPÉTERY 2000].

Einleitung

20

Die Software „VirtSet“ [MERTENS 2000] ermöglicht ein virtuelles Setup der

Zahnstellung im kieferorthopädischen Bereich. Neben der Umstellung einzelner

Zähne und Zahngruppen unter Berücksichtigung der Okklusion können

Frontzähne zur Verringerung ihrer mesio-distalen Dimension virtuell gestripped

werden. Das Ergebnis eines virtuellen Setups kann, wie in Abbildung 9

dargestellt, annähernd fotorealistisch unter Berücksichtigung der

Gingivaverhältnisse visualisiert werden. Eine Demoversion der Software kann

im Internet heruntergeladen werden. 3 (Seite 19)

Auch der Bereich der Aus- und Weiterbildung erfährt zunehmend die

Unterstützung durch entsprechende Simulations- und Analysesysteme.

Das Dentsim-System (Fa. DenX, Israel-Jerusalem) in Abbildung 10 ermöglicht

das Beschleifen künstlicher Zähne als Kombination aus realer und virtueller

Welt [URBANKOVA und LICHTENTHAL 2002; WELK et al. 2000]. Dabei wird

die räumliche Position und Orientierung des zahnärztlichen Winkelstücks

bezüglich eines speziellen Phantomkopfes optoelektronisch ermittelt und mit

der Position, der als 3D-Datensätze vorliegenden künstlichen Zähne,

verrechnet. Somit kann der Proband am realen Trainingszahn präparieren,

während die Software den Substanzabtrag berechnet und virtuell darstellt.

Somit lassen sich kontrollierte Szenarien programmieren (z.B.

Pulpaverletzungen) und komplexe Trainingsprogramme durchführen.

Abb. 9 Computerprogramm „VirtSet“ [MERTENS 2000].

Einleitung

21

VON SCHROETER entwickelte 1999 eine Software zur computergestützten

Modellation funktioneller Kauflächen mit dem Ziel, morphologisch und

funktionell optimale Kauflächendatensätze zu berechnen (Abbildung 11).

Das Cerec-3-System in Abbildung 12 (Fa. Sirona, D-Bensheim) ist das bislang

einzige chairside-CAD/CAM-System zur Herstellung von keramischem

Zahnersatz (Inlays, Kronen, Brücken, Veneers). Mittels eines intraoralen 3D-

Scanners lassen sich unter Umgehung einer klassischen Abformung präparierte

Zahnstümpfe und deren Nachbarzähne digitalisieren. Zudem können

Abb. 10 Dentsim (Fa. DenX, Israel-Jerusalem).

Abb. 11 Software zur funktionellen Kauflächenmodellation [VON SCHROETER 1999].

Einleitung

22

herkömmliche Modelle extraoral eingescannt werden. Die Cerec-Software

erlaubt mit wenigen Arbeitsschritten eine individuelle, funktionsoptimierte

Konstruktion des Zahnersatzes am Bildschirm und übergibt den fertigen

Datensatz einer speziellen Fräsmaschine. Aus vorgesinterten Keramikrohlingen

wird innerhalb weniger Minuten der entsprechende Zahnersatz gefräst und

kann unmittelbar eingegliedert werden.

Abb. 12 Cerec 3 (Fa. Sirona, D-Bensheim): Cerec-Computersystem (oben) und Benutzeroberfläche „Cerec-3D“; Cerec-Fräseinheit mit 3D-Laserscanner (unten).

Einleitung

23

2. Fragestellungen

Das Ziel dieser Arbeit war es, einen „Virtuellen Artikulator“ zu entwickeln, also

eine Computersoftware mit deren Hilfe die Berechnung und Visualisierung der

individuellen Unterkieferbewegung möglich wird und auf deren Grundlage die

statische und dynamische Okklusion berechnet und dargestellt werden kann.

Ferner sollte der Virtuelle Artikulator für zukünftige Optimierungen derart

erweitert werden, dass sämtliche, zumindest aber viele Faktoren des

menschlichen Kauorgans berücksichtigt und nachempfunden werden können.

So wäre es beispielsweise denkbar, die Eigenbeweglichkeit der Zähne

messtechnisch zu erfassen und im Virtuellen Artikulator unter simulierter

Belastung auszuwerten.

Die folgenden Fragestellungen sollen im Rahmen der vorliegenden Arbeit

bearbeitet werden:

1. Kann eine Computer-Software entwickelt werden, die zur

Analyse und Simulation eines individuellen (Kau-)

Bewegungsmusters einschließlich der Berechnung und

Visualisierung der statischen und dynamischen Okklusion

herangezogen werden kann?

2. Verfügen die vorhandenen Mess- und Digitalisierungssysteme

zur Erfassung der individuellen Bewegungsmuster und der

Bezahnung über eine ausreichende Genauigkeit und

Auflösung?

3. Lässt sich eine signifikante Übereinstimmung der statischen

und dynamischen Okklusion im virtuellen und mechanischen

Artikulator bzw. zwischen Realität (Probanden) und virtueller

Realität (Virtueller Artikulator) feststellen?

Einleitung

24

3. Konzeption und Entwicklung des Virtuellen Artikulators

Die Entwicklung des Virtuellen Artikulators „DentCAM“ verfolgte mehrere Ziele:

1. Es sollte eine Software entwickelt werden, die es ermöglicht, das

komplexe Zusammenspiel von individueller Kiefergelenkbewegung und

der damit verbundenen dynamischen Okklusion zu visualisieren.

2. Zudem sollten Funktionen implementiert werden, die die erweiterten

Möglichkeiten der Computertechnologie im Vergleich zur herkömmlichen

Funktions- und Okklusionsanalyse verdeutlichen sollen.

3. Zugleich wurde ein Mehrgewinn an Information, Funktionalität und

Bedienkomfort angestrebt.

Abb.13 Benutzeroberfläche des Virtuellen Artikulators „DentCAM 3.0“. Der

Bildschirm wurde nach ergonomischen Gesichtspunkten in vier Bereiche untergliedert: Kontaktpunkteverteilung bei Ober- und Unterkiefer (links), 3D-Ansicht (alternativ: Schnittbilder, Editierungsmodus, etc.) (rechts oben) und Projektionen der Kiefergelenkbahnen (rechts unten).

Einleitung

25

3.1 Funktionsumfang

Der Virtuelle Artikulator „DentCAM“ in Abbildung 13 ermöglicht in seiner

Grundfunktion die Berechnung sowohl der statischen als auch der dynamischen

Okklusion zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Dabei wird nicht ein herkömmlicher

mechanischer Artikulator derart simuliert, dass die üblichen individuellen

Parameter wie horizontale Kondylenbahnneigung, Bennetwinkel oder Sideshift

bekannt sein müssen. Die Simulation der Bewegung im Virtuellen Artikulator

basiert auf individuellen, mit Hilfe von elektronischen Registriersystemen

aufgezeichneten Bewegungsmustern des Probanden und deren Ankopplung an

dreidimensional digitalisierte Kiefermodelle. Dabei ermöglicht eine

paraokklusale Montage der Messsensorik sowohl eine zahngeführte

Bewegungsaufzeichnung als auch die Digitalisierung einer Kau- oder

gelenkgeführten Bewegung [KORDAß und GÄRTNER 1999]. Aus diesen Daten

werden die resultierenden Kontaktpunktemuster mittels eines speziellen

Algorithmus in Echtzeit berechnet und dargestellt. Während der

Echtzeitdarstellung können beliebige Momentansichten eines Zeitpunktes

visualisiert werden. Ebenso ist die automatische Berechnung und Visualisierung

der dynamischen Okklusion mit frei wählbarer Geschwindigkeit implementiert.

Alle relevanten Abschnitte einer Bewegungsaufzeichnung können markiert und

benannt werden, so dass gezielt bestimmte Bewegungsmuster angesprungen

oder ausgespart werden können. Die Visualisierung der statischen und

dynamischen Okklusion erfolgt - vergleichbar mit der Kontaktpunktedarstellung

mittels Okklusionspapier - zweidimensional. Zudem ist eine Schnittebene in

beliebiger räumlicher Orientierung definierbar.

Der Virtuelle Artikulator soll nicht nur der Analyse in der Funktions- und

Okklusionsdiagnostik dienen, sondern ebenso zur Planung und Simulation,

insbesondere kieferorthopädischer Setups [GESCH et al. 2001]. Einzelne

Zähne oder Zahnsegmente können frei oder parametrisch translatiert und rotiert

werden, um die Variation der Zahnstellung hinsichtlich der resultierenden

Okklusion zu erproben. Ferner können eigene Kiefergelenkbahnen generiert

und die Stellung von Ober- und Unterkiefer im Raum verändert werden.

Einleitung

26

3.2 Benutzeroberfläche

Im Laufe der Entwicklung wurden verschiedene Benutzeroberflächen erstellt,

um die Ergonomie hinsichtlich der erweiterten Funktionalität zu optimieren.

Abbildung 14 zeigt den Verlauf der Weiterentwicklung der Benutzeroberflächen

des Virtuellen Artikulators „DentCAM“.

Die Benutzeroberfläche von DentCAM in Abbildung 13 setzt sich aus folgenden

vier Ansichtsfenstern zusammen, deren Inhalt synchron zur aktuellen

Zeitposition in der Bewegungsaufzeichnung in Echtzeit aktualisiert wird:

• Ein 3D-Rendermodul, in dem die okkludierenden Zahnreihen als 3D-

Objekte sichtbar werden, für beliebigen Ansichten gedreht, gewendet

und vergrößert werden und in Bewegung gesetzt werden können

(Abbildung 15, links).

• Zwei Okklusionsmodule für Ober- und Unterkiefer, in dem

Kontaktbeziehungen in statischer und dynamischer Okklusion sichtbar

werden und in zeitlich-räumlicher Zuordnung über die Kauflächen

„wandern“ können (Abbildung 15, Mitte).

• Ein Kiefergelenkmodul, das die Bewegungen der Gelenkbahnen in

transversaler und sagittaler Projektion darstellt und sich zur Analyse der

Wechselbeziehungen zwischen Gelenk- und Zahnführung eignet

(Abbildung 15, rechts).

Abb. 14 Weiterentwicklung der Benutzeroberflächen des Virtuellen Artikulators

„DentCAM 3.0“: (v.l.n.r.) MDI-Oberfläche (Multi-Document-Interface) 1998, 4-Fenster-Vollbildansicht 1999 und überarbeitetes Design 2000.

Einleitung

27

Abb. 16 Screenshot der Software

DentCAM (Erläuterungen im Text).

Anhand einer Zeitachse können beliebige Zeitpunkte innerhalb einer

Bewegungsaufzeichnung angesteuert und markiert werden, ferner ist die

Animation einer Bewegungssequenz möglich. In der linken Bildschirmhälfte sind

Ober- und Unterkiefer in einer Aufsicht, ähnlich der eines aufgeklappten

mechanischen Artikulators, dargestellt. Beide Fenster dienen der Darstellung

der Kontaktpunktemuster sowohl in statischer als auch in dynamischer

Okklusion. In der rechten Bildschirmhälfte sind im unteren Fenster die sagittalen

und transversalen Projektionen der beiden Kiefergelenkbahnen dargestellt. Eine

Markierung repräsentiert dabei die momentane Kondylenposition.

Im oberen rechten Fenster können verschiedene Ansichten dargestellt werden:

Standardmäßig wird eine 3D-Ansicht von Ober- und Unterkiefer angezeigt.

Alternativ kann eine Schnittansicht eingeblendet werden, in der beliebige

Schnittebenen durch die okkludierenden

Zahnreihen des Ober- und Unterkiefers

definiert werden können. Dies erlaubt

z.B. eine visuelle Analyse der

Höckersteilheit (Abbildung 16). Zudem

sind in diesem Fenster spezielle

Editierfunktionen implementiert, mit

deren Einsatz Manipulationen an den

Datensätzen vorgenommen werden

können.

Abb. 15 Screenshots der Software DentCAM (Erläuterungen im Text).

Einleitung

28

3.3 Datenvorbereitung und Auswertung

Um eine Simulation mit Hilfe der Software DentCAM durchzuführen, bedarf es

einer Digitalisierung sämtlicher erforderlicher individuellen Parameter. In der

zum Zeitpunkt der Verfassung dieser Dissertation vorliegenden Version des

Virtuellen Artikulators „DentCAM“ sind dies in Bezug auf Abbildung 17:

• die Gipsmodelle des Ober- und Unterkiefers

• die Bewegungsmuster des Probanden (im Sinne einer elektronischen

Achsiographie)

• eine Referenz zur rechnerischen Fügung der Modelle und zur

Ankopplung an die erfassten Bewegungsdaten (Bissregistrat und eine

spezielle mechanische Vorrichtung zur Referenzierung)

Die Grundproblematik einer computergestützten Kontaktpunkteberechnung,

nämlich die Referenzierung von 3D-Datensatz, Bewegungsaufzeichnung und

Patientensituation, wurde mittels einer speziellen Registrattechnik gelöst.

Allgemeingültig für alle Versuchsgruppen ist die im Folgenden beschriebene

Verfahrensweise zur Erfassung, Referenzierung und Darstellung sämtlicher

Parameter der gewünschten Zielsetzung.

Abb. 17 Erforderliche Daten zur Simulation der statischen und dynamischen

Okklusion im Virtuellen Artikulator DentCAM: (v.l.n.r.) Gipsmodelle OK/UK, elektronische Registrierung der Gelenkbahnen (Jaw-Motion-Analyser, JMA), IP- oder Zentrikregistrat zur Referenzierung.

Einleitung

29

Zunächst wurden Gipsmodelle von Ober- und Unterkiefer angefertigt und

separat eingescannt. Eine zentrische Fügung der Modelle im Artikulator war

nicht erforderlich, da die Zuordnung rechnerisch erfolgte. Hierzu wurde ein

habituelles Bissregistrat mittels einer 3D-laserscannfähigen Paste auf

Silikonbasis (Futar-D, Fa. Kettenbach, D-Eschenburg) am Probanden

genommen. Durch vestibuläres Ausstreichen des Überschusses im Oberkiefer

wurde nach einer Aushärtephase von 2 Minuten sichergestellt, dass das

Registrat bei der Disklusion der Zähne an den Oberkieferzähnen haften blieb.

Anschließend wurde das Registrat mittels einer mit Abformgips beschickten

Referenzplatte fixiert, um einerseits einer Verwindung des empfindlichen

Registrats vorzubeugen und andererseits eine rechnerische Fügung durch ein

„Matchen“ des Unterkieferdatensatzes in das Gipspositiv zu ermöglichen

(Abbildung 18 a). Die Referenzplatte war auf der dem Registrat abgewandten

Seite mit drei triangulär angeordneten Vertiefungen versehen, die noch im

Mund des Patienten mit der Pointerspitze des JMA-Systems angewählt und als

Referenz für die Bewegungsaufzeichnung definiert wurden (Abbildung 18 a).

Nach Entnahme des Registrats wurde dieses auf ein mit Futar-D präzisiertes

Dreibein fixiert und in die Objekthalterung des 3D-Laserscanners eingebaut

(Abbildung 18 b). Das Einscannen des Registrates erfolgte in drei Schichten:

Zunächst wurden die negativen Oberkieferzahnimpressionen im

Registratmaterial gescannt (Abbildung 18 b) und das Material anschließend

entfernt (Abbildung 18 c).

Die nunmehr freiliegenden Unterkieferzahnpositive aus Abformgips wurden

ohne Entnahme des Systems aus der Objekthalterung digitalisiert und

schließlich wurden nach Abnehmen der Registratplatte die 3 Spitzen des

Dreibeins als Korrelat zu den Vertiefungen an der Registratplatte eingescannt

(Abbildung 18, d). Durch diese Vorgehensweise wurde eine Referenzierung des

Negativ- und Positivregistrats mit den Referenzpunkten des JMA-Datensatzes

erreicht. Mit Hilfe des Matchingprogramms des 3D-Laserscannsystems

(Match3D, Fa. Willytec, D-München) wurden nun die 3D-Datensätze des Ober-

und Unterkiefers in die Datensätze des Registrates rechnerisch gefügt.

Einleitung

30

a) Registratplatte Nach der Bissnahme wird die Registratplatte mittels Abformgips an das Registrat fixiert. Die drei gekennzeichneten Referenzvertiefungen werden mit dem Pointer des JMA-Systems markiert, sie geben die Position des Dreibeins (s.u.) präzise wieder.

b) 3D-Digitalisierung I Das gesamte Registrat wird auf ein fest im Scanner montiertes Dreibein mit Hilfe der Referenzvertiefungen (s.o.) fixiert. Die Impressionen der Oberkieferzähne werden eingescannt.

c) 3D-Digitalisierung II Der Futar-D-Anteil des Registrates wird entfernt, so dass das Gipskonter eingescannt werden kann. Ober- und Unterkieferzähne können so rechnerisch referenziert werden.

d) 3D-Digitalisierung III Das Registrat wird vollständig entfernt und das Dreibein eingescannt. Die drei Stifte geben die Position der Referenzvertiefungen der Registratplatte wieder.

Abb. 18 Registriersystem des Virtuellen Artikulators (Erläuterungen im Text).

Material und Methode

31

4. Material und Methode

Folgende Materialen und Messgeräte wurden hinsichtlich deren Eignung zur

Verwendung als Datenschnittstelle zum Virtuellen Artikulator „DentCAM“

untersucht:

• Untersuchung der „Eingabekomponenten“:

o Laserscan-3D (Fa. Willytec, D-München):

� Klasse-I-Gips

� Klasse-III-Gips

� Klasse-IV-Gips

� Futar-D-Occlusion (Fa. Kettenbach, D-Eschenburg)

o Jaw-Motion-Analyser JMA (Fa. Zebris, D-Isny):

� adaptiert in eine XYZ-Fräsmaschine (Fa. Isel, D-Eiterfeld)

Zur Untersuchung der Genauigkeit, der Reliabilität und der Reproduzierbarkeit

des Gesamtsystems Virtueller Artikulator „DentCAM“ wurden folgende

Versuchsgruppen evaluiert:

• Untersuchungen des Gesamtsystems:

o Prüfmessstand Simulator

o Artikulatoruntersuchung

o Probandenuntersuchung


32

4.1 Vorversuche

4.1.1 3D-Laserscanner

Um dem Virtuellen Artikulator Zugang zu den Messdaten und Modellen zu

verschaffen, müssen zunächst sämtliche Modelle und Registrate digitalisiert

werden. Zu diesem Zweck wurde der 3D-Laserscanner (Laserscan 3D,

Fa. Willytec, D-München) in Abbildung 19 verwendet, der sich aufgrund seiner

hohen Arbeitsgeschwindigkeit und Genauigkeit u.a. zur Digitalisierung ganzer

Kiefermodelle eignet [MEHL et al. 1997].

4.1.1.1 Funktionsprinzip

Der 3D-Laserscanner arbeitet nach dem Laser-Triangulationsverfahren, d.h.

eine Strichlaserdiode projiziert mittels einer speziellen Kolliminator- und

Zylinderoptik einen Laserstreifen senkrecht von oben auf das zu digitalisierende

Abb. 19 Laserscan 3D (Fa. Willytec, D-München) mit geschlossener und geöffneter

Messkammer.


33

Objekt. Eine CCD-Videokamera erfasst die Reflexion des an der

Objektoberfläche reflektierten Laserstrahls und führt ihre Signale einer

Auswertelektronik zu. Die aufbereiteten Bilddaten sind der Scannersoftware in

Form einer digitalen Matrix aus Helligkeitswerten zugänglich.

Da die Kameraoptik um 30° zum Einfall des Laserlichts gewinkelt angeordnet

ist, wird das Objekt und somit der reflektierte Laserstrahl nicht aus Sicht der

Strahlenquelle, sondern von leicht lateral erfasst. Diese Anordnung führt dazu,

dass Höhenunterschiede des Messobjekts als seitlicher Versatz des erfassten

Laserstrahls erscheinen (siehe hierzu Abbildung 20).

Die Scannersoftware (Scan3D, Fa. Willytec, D-München) rechnet diesen

seitlichen Versatz in ein Höhenrelief zurück und generiert so aus den einzelnen

„Schnittbildern“ des schrittmotorisch linear verfahrenen Messobjekts einen „2,5-

dimensionalen“ Datensatz. Die so generierten Datensätze sind nicht wirklich

dreidimensional, da prinzipbedingt keine Unterschnitte und Hohlräume, sondern

ausschließlich ein Oberflächenrelief erfasst werden kann.

Abb. 20 Prinzip des 3D-Laserscanners: Ein strichförmiger Laserstrahl wird senkrecht

auf das Messobjekt projiziert, während das Messobjekt linear vorgeschoben wird. Eine schräg angeordnete CCD-Kamera erfasst die Projektion, die je nach Höhenunterschied versetzt erscheint.


34

4.1.1.2 Untersuchung der Messgenauigkeit

Neben dem Verfahren der noch zu erläuternden Bewegungsaufzeichnung ist

die Messgenauigkeit des 3D-Laserscan-Systems in seiner Funktion als

Digitalisierungssystem der Kauflächen und des Registrates von besonders

hoher Bedeutung bezüglich der Genauigkeit des gesamten Systems „Virtueller

Artikulator“. Zwar wurde die Scangenauigkeit seitens der Systementwickler

hinreichend genau untersucht [MEHL et al. 1996, 1997], dennoch interessierte

insbesondere die Reliabilität unter den Bedingungen der vorliegenden

Untersuchung: Deren Ziel war es, den realen Umständen so nahe wie möglich

zukommen, indem genau die Materialien untersucht wurden, die bei einer

Messung am Patienten verwendet werden würden. In Tabelle 2 sind die

verwendeten Materialien und deren Einsatzzweck aufgeführt. Um die

Messgenauigkeit des 3D-Laserscanners zu untersuchen, wurde jeweils eine

ebene Probe des Materials in zwei verschiedenen Anstellwinkeln eingescannt.

Die Scandatensätze wurden derart aufbereitet, dass die Darstellung und

Auswertung eines Schnittbildes möglich wurde.

Zur Herstellung der Probekörper wurde eine kreisrunde, napfartige Form

erstellt, die das zu untersuchende Material aufnehmen kann und eine

standardisierte Schichtstärke gewährleistet. Die Oberflächen der Materialien

wurden weder geglättet noch anderweitig vergütet, sondern es wurden

vergleichbare klinische Bedingungen angestrebt. Daher wurden zunächst

Abb. 21 Probekörper zur Evaluierung der Messgenauigkeit des 3D-Laserscanners.

Abformung einer Glasplatte, fertiger Probekörper nach Entfernung der Überschüsse und Einscanvorgang im 3D-Laserscanner (v.l.n.r.).


35

Alginatabformungen einer Glasplatte genommen, die mit den verwendeten

Gipsen ausgegossen wurden. Die Registrierung erfolgte hingegen unmittelbar

auf der Glasplatte (siehe hierzu Abbildung 21).

Als Ersatz für reale Zähne wurde eine Glasplatte gewählt, um der

Oberflächenrautiefe des Zahnschmelzes nahe zu kommen und um eine

definierbare Ebene mit in diesen Dimensionen vernachlässigbarer Rautiefe

vermessen zu können. Die so hergestellten Probekörper wurden jeweils zehn

Mal mit zwei verschiedenen Neigungswinkeln eingescannt. Zunächst wurden

die Proben parallel zur Nullebene des Scanners und in der Folge in einem

Winkel von 45° ausgerichtet.

Tab. 2 Im Hinblick auf die Scangenauigkeit untersuchte Materialen, die für den

Virtuellen Artikulator von Bedeutung sind.

Material Einsatzgebiet Definition

Klasse-I-Gips Positiv des Bissregistrates (Konter)

• Direkte Abformung eines Futar-D-Registrates

• Aushärtezeit 2 h

Klasse-III-Gips Gipsmodelle des Ober- und Unterkiefers

• Alginatabformung einer Glasplatte

• Modellherstellung nach 10 Min.


Klasse-IV-Gips Gipsmodelle des Ober- und Unterkiefers

• Alginatabformung einer Glasplatte

• Modellherstellung nach 10 Min.


Futar-D-Occlusion Negativ des Bissregistrates

• Direkte Abformung einer Glasplatte



36

4.1.2 Jaw-Motion-Analyser

Der Jaw-Motion-Analyser (Fa. Zebris, D-Isny) ist ein Gerät zur Aufzeichnung

räumlicher Bewegungen mit 6 Freiheitsgraden. Das System ermittelt die

Laufzeitdifferenzen von Ultraschallwellen. Die vom mit 3 Ultraschallquellen

bestückten Messgeber erzeugten Ultraschallwellen werden durch

4 Ultraschallmikrofone eines gesichtsbogenähnlichen Aufnehmers empfangen

und einer Auswertelektronik zugeführt. Der Messgeber kann einerseits in Form

eines paraokklusalen Löffels fest an die Unterkieferfrontbezahnung angebracht

werden, zudem ist ein Tastgeber verfügbar, mit dem beliebige Referenzpunkte

am Patienten angegeben werden können (Abbildung 22).

Die zugehörige Software „WinJaw 10.2“ (Fa. Zebris, D-Isny) in Abbildung 23

berechnet aus den Messdaten die räumliche Position des Messgebers und

exportiert diese Daten u.a. als Koordinatentripel. Um eine Unterkieferbewegung

mit allen 6 Freiheitsgraden aufzuzeichnen, werden mindestens

3 Referenzpunkte benötigt.

a) b) c)

d) e)

Abb. 22 JMA-System: a) Interface, b) Messvorgang mit paraokklusal montierter Sensorik, c) Definition von Referenzpunkten, d) Messpointer zur manuellen Referenzpunktangabe, e) Pointerspitze.


37

Die Messauflösung des JMA-Systems gibt der Hersteller mit 0,01 mm, bei einer

(variablen) Messfrequenz von 100 Hz an. Der mittlere lokale Messfehler der

Messsensoren beträgt laut Hersteller 0,1 – 0,2 mm [BRUNNER 1999].

Es wurde eine Messgenauigkeitsuntersuchung durchgeführt, um einerseits die

Herstellerangaben zu verifizieren und andererseits den Anforderungen des

Virtuellen Artikulators möglichst nahe zu kommen. Zur Untersuchung der

Messgenauigkeit und der Reproduzierbarkeit des JMA-Systems wurde das

gesamte Messsystem an eine 3-Achsen-Fräsmaschine (Fa. Isel, D-Eiterfeld)

gekoppelt.

Abb. 23 Bildschirmfoto der „WinJaw“-Software: Dargestellt ist die Visualisierung einer

Bewegungsaufzeichnung des Unterkiefers (links), sowie die Auswertung (Posseltdiagramm, Kondylenbahnen, uvm.) dieser Bewegungsaufzeichnung (rechts).


38

Mittels eines eigens entwickelten Computerprogramms wurde die

Fräsmaschine derart angesteuert, dass der Messgeber die Kanten eines

Würfels abfuhr, wobei das System an jedem Eckpunkt des Würfels für

5 Sekunden ruhte, um eine Nachschwingbewegung zu kompensieren. Diese

Messreihe wurde jeweils 10 Mal für verschiedene Winkel des Messgebers zum

Messsensor wiederholt (0°, 15°, 30°).

Ermittelt wurden die in Abbildung 24 dargestellten Kantenlängen des Würfels,

die mit denen eines errechneten, „virtuellen“ Würfels verglichen und statistisch

ausgewertet wurden.

Abb. 24 Gemessene Kantenlängen des mittels des JMA-Systems abgefahrenen

Würfels: Die Linien repräsentieren die Sollwerte des „idealen“ Würfels, die Kästchen spiegeln die gemessene Position des Sensors schematisch wieder.


39

4.2 Versuchsgruppen

Zur Ermittlung der Genauigkeit und der Reproduzierbarkeit des Virtuellen

Artikulators wurden drei Versuchsgruppen untersucht und die Ergebnisse einer

statistischen Auswertung zugeführt.

• Prüfmessstand Simulator (Messgenauigkeit)

Als eine Art „künstlicher Proband“ wurde ein Simulator aufgebaut, in dem

mittels eines standardisierten Prüfkörpers die Bewegungsaufzeichnung

nachvollzogen werden sollte. Das Ziel dieser Untersuchung war es, die

Messgenauigkeit des Gesamtsystems „Virtueller Artikulator“ zu ermitteln.

• Artikulatoruntersuchung (Validierung)

10 Modellfälle wurden mittelwertig in einen mechanischen Artikulator

eingebaut. Einige Gelenkparameter wurden gezielt derart eingestellt,

dass beispielsweise eine deutliche Hyperbalance im Molarengebiet

resultierte. Anhand der Vergleiche zwischen den Kontaktpunktemustern

im mechanischen und im Virtuellen Artikulator wurde die

Übereinstimmung der Ergebnisse beider Systeme ermittelt.

• Probandenuntersuchung (Reproduzierbarkeit)

8 Probanden wurden von je 3 Untersuchern zu je 2 verschiedenen

Zeitpunkten vermessen und anhand dieser Messdaten die inter- und

intraindividuelle Übereinstimmung der Kontaktpunktemuster ermittelt.


40

4.2.1 Prüfmessstand Simulator

Die Ermittlung der Messgenauigkeiten der einzelnen Komponenten lässt nur

bedingt eine Aussage über die Genauigkeit des Gesamtsystems zu. Daher

wurde zur Evaluation ein Simulator aufgebaut, der bedingt durch seinen Aufbau

das methodische Vorgehen wie am Patienten vorgesehen nachvollzieht.

Der in Abbildung 25 dargestellte Simulator besteht aus einer gekrümmten

zylindrischen Bahn und einem Schlitten, der in drei Punkten auf dieser Bahn

aufliegt und im Scheitelpunkt der Bahn arretierbar ist. Das gesamte System

steht quasi auf dem Kopf, d.h. der bewegliche Schlitten simuliert den

Unterkiefer, während die stationäre gekrümmte Bahn (analog zur Wilson-Kurve)

die Bewegung des Schlittens einschränkt. Dementsprechend wurden die

Sensoren des JMA-Systems am Schlitten und an der gekrümmten Bahn

angebracht.

Um einer Situation am Probanden so nahe wie möglich zu kommen, wurde von

der Bahn und von dem Schlitten eine Alginatabformung genommen und mit

Klasse 2 Gips entsprechende Modelle erstellt (Abbildung 26, oben). Diese

Modelle wurden im 3D-Scanner digitalisiert.

JMA

Abb. 25 Simulator (Eigenentwicklung) zur Untersuchung der Genauigkeit des

Gesamtsystems „Virtueller Artikulator“ (Erläuterungen im Text).


41

Äquivalent zur Probandenuntersuchung wurde auch im Simulator zunächst ein

„Bissregistrat“ mit Futar-D-Occlusion genommen und mit Hilfe der speziellen

Referenzplatte fixiert (Abbildung 26, unten). Nach der Digitalisierung der

Registratschichten wurden die eingescannten Modelle mit dem Datensatz der

Registrate verrechnet und referenziert. Somit wurde die „zentrische“ Situation

im Simulator virtuell nachempfunden. Aus dieser arretierbaren Position heraus

wurden nun Lateralbewegungen durchgeführt, der Schlitten also manuell auf

der Bahn entlang geführt. Diese Bewegungsmuster wurden mit den

angekoppelten Sensoren des JMA-Systems aufgezeichnet und in der

Datenbank der WinJaw-Software abgelegt. Die referenzierten 3D-Datensätze

der Modelle wurden nun zusammen mit den digitalisierten Bewegungsdaten in

den Virtuellen Artikulator eingelesen. Registratnahme und Messzyklus wurden

10 Mal wiederholt und durch einen eigens entwickelten Auswertalgorithmus im

Virtuellen Artikulator evaluiert. Bestimmt wurde der errechnete Abstand des 3D-

Datensatzes des Schlittens zum Datensatz der Kreisbahn über die gesamte

Verfahrstrecke. Da der Schlitten zu jedem Zeitpunkt sicher auf der Kreisbahn

fixiert war, sollte der errechnete Abstand als Korrelat zu den Kontaktpunkten ein

Minimum erreichen.


42

Abformlöffel

Abformmasse

Gipsmodel

Gipsmodel

Registrat

RegistratRegistratplatte

Abformgips

Abb. 26 Vorbereitung des Simulators zur Messung. Von der Simulatorbahn und dem

Schlitten wurden Abformungen genommen und Gipsmodelle hergestellt. Die Registratnahme am Simulator erfolgte analog zur in-situ-Methodik: Zunächst wurde ein „Bissregistrat“ in „zentrischer“ Position des Schlittens genommen. Die Referenzplatte wurde mit Abformgips am Registrat fixiert. Nach Positionierung der Registrate auf dem Referenzdreibein im Scanner wurden alle drei Registratebenen eingescannt.


43

4.2.2 Artikulatoruntersuchung

In einem nächsten Schritt sollte die Reproduzierbarkeit des Virtuellen

Artikulators im Vergleich zu einem herkömmlichen mechanischen Artikulator

untersucht werden. Es wurden 10 Modellfälle im Artikulator „Protar 7“ (Fa.

Kavo, D-Biberach) evaluiert (Abbildung 27 a). Ober- und Unterkiefermodelle

wurden habituell einander zugeordnet und mittels einer Montagehilfe in den

Artikulator eingebaut. Zusätzlich wurden die horizontale Kondylenbahnneigung

(HKN), der Bennett-Winkel und der Bennett-Shift willkürlich am Artikulator

eingestellt. Es wurden bewusst Mediotrusionsvorkontakte und Hyperbalancen

provoziert, um die dynamische Okklusion im mechanischen Artikulator mit den

Ergebnissen im Virtuellen Artikulator auch unter unphysiologischen

Bedingungen vergleichen zu können. Der Einbau in den Artikulator erfolgte mit

Hilfe des Magnet-Sockel-Systems des Protar-Systems, um eine Möglichkeit der

exakten Modellrepositionierung zu erhalten.

In allen 10 Fällen wurde zunächst ein Registrat in der Schlussbisslage

genommen. Die dabei verwendeten Materialien und Registrierhilfen wurden in

Kapitel 3 beschrieben. Anschließend wurden für jede Situation mehrere

Bewegungsaufzeichnungen mit dem Jaw-Motion-Analyser (JMA)

vorgenommen, dabei simulierte der mechanische Artikulator die

a) b)

Abb. 27 a) Protar-7-Artikulator, b) Montage der JMA-Sensoren zur Aufzeichnung von

Exkursionsbewegungen im Artikulator.


44

Unterkieferbewegungen des Probanden (Abbildung 27 b). Es wurden

zahngeführte Protrusions-, Rechts- und Linkslateralbewegungen aufgezeichnet.

Abschließend wurden sämtliche Ober- und Unterkiefermodelle sowie die

entsprechenden Registrate eingescannt und wie beschrieben zueinander

referenziert.

Um das Ergebnis der statischen Okklusionsanalyse des mechanischen und des

Virtuellen Artikulators möglichst signifikant vergleichen zu können, wurden die

Registrate im Durchlicht (Röntgenbildbetrachter) digital fotografiert und mittels

einer Bildbearbeitungssoftware (Photoshop 5.0, Fa. Adobe,

D-Unterschleissheim) derart nachbearbeitet, dass die „ausgedünnten“ bis

perforierten Impressionen im Registrat eindeutig schwarz, die übrigen Bereiche

eindeutig weiß eingefärbt wurden (Abbildung 28). Der Schwellenwert wurde

durch Mitteln aller Registratbilder festgelegt. Anhand dieser Bilddateien und der

Visualisierung im Virtuellen Artikulator wurde ein manueller Vergleich

durchgeführt: Die Kontaktpunktanzahl wurde ermittelt und mit der jeweils

anderen Methode verglichen.

a) c)

f) e) d)

b)

Abb. 28 Bestimmung zentrischer Kontaktpunkte mittels Durchlichtregistrierung (weitere

Erläuterungen im Text): a) Bissnahme mit Futar-D in Interkuspitationsposition; b und c) Kontaktareale sind deutlich ausgedünnt oder perforiert; d) im Durchlicht eingescanntes Registrat vor und e) nach der Schwellenwertanwendung; f) gleiche Kontaktpunktsituation im Virtuellen Artikulator.


45

Zum Vergleich der dynamischen Okklusionsverhältnisse wurden die

exzentrischen Kontaktpunkte im mechanischen Artikulator mittels rotem

Okklusionspapier dargestellt und mit den anhand der Bewegungsdatensätze

durch den Virtuellen Artikulator „DentCAM“ errechneten Kontakte verglichen

und ausgezählt (Abbildung 29).

Abb. 29 Visueller Vergleich der dynamischen Kontaktpunkte im Virtuellen Artikulator

(links) und auf der Modellsituation (rechts).


46

4.2.3 Probandenuntersuchung

Zur Untersuchung der Reliabilität und der Reproduzierbarkeit wurden

8 Probanden von jeweils 3 Untersuchern zu je 2 Zeitpunkten vermessen. Es

wurden je eine Abformung des Ober- und Unterkiefers und ein Registrat in

habitueller Interkuspidationsposition genommen. Jeder Untersucher nahm die

elektronische Registrierung der zahngeführten Unterkieferbewegungen mittels

des JMA vor, dabei wurden die Protrusion und die Laterotrusionen digitalisiert

und in der Datenbank der Software „WinJaw“ (Fa. Zebris, D-Isny)

aufgenommen. Diese Messreihe wurde nach etwa einem Monat wiederholt.

Mittels des 3D-Laserscanners „Scan-3D“ (Fa. Willytec, D-München) wurden die

Modelle des Ober- und Unterkiefers sowie die Registrate und das

Referenzpunktesystem digitalisiert. Die so gewonnenen Daten wurden zur

Analyse dem Virtuellen Artikulator zugeführt und mittels eines speziellen

Algorithmus rechnerisch referenziert. Somit wurden die digitalen

Bewegungsaufzeichnungen mit den Modelldatensätzen referenziert und der

weiteren Darstellung und Berechnung zugänglich gemacht.

Zur Auswertung des Probandenguts wurden sämtliche Kontaktpunkte entlang

des Zahnbogens flächenartig addiert und mit den Daten des Follow-Ups

verglichen. Zur Bestimmung der Reproduzierbarkeit wurde die

Intraclasskorrelation (ICC) innerhalb der Untersucher berechnet („SPSS 9.0“:

SPSS GmbH Software, D-München). Als Maß für die Reproduzierbarkeit wurde

eine ICC von mindestens 0,75 angestrebt [FLEISS 1981].

Ergebnisse

47

5. Ergebnisse

5.1 Auswertung der Vorversuche

5.1.1 3D-Laserscanner

Die Auswertung der eingescannten parallelen und im Winkel von 45°

ausgerichteten Proben ergab erwartungsgemäß keinen quantisierten

Kurvenverlauf im Schnittbild, sondern interpolierte und teilweise leicht

verrauschte Messwerte. In Abbildung 30 sind die Messergebnisse für eine

parallel eingescannte Probe dargestellt, in Abbildung 31 die Ergebnisse einer

schräg angeordneten Probe.

27600

27800

28000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

X-Position [µm]

Z-W

ert [

µm]

27750

27800

27850

10000 11000 12000 13000 14000 15000

X-Position [µm]

Z-W

ert [

µm]

Abb. 30 Eingescannter Probekörper in der Übersicht (oben) und in einer

Ausschnittsvergrößerung (unten). Die Probe wurde annähernd parallel zur Einspannvorrichtung adaptiert.

Ergebnisse

48

Die Messergebnisse an den verschiedenen Materialien in Tabelle 3 zeigen eine

signifikante Winkel- und Materialabhängigkeit der Messgenauigkeit an den

verwendeten Proben. Eine schräge Probenlage führt zu genaueren

Ergebnissen, als eine parallele Ausrichtung zum Scannertisch.

Tab. 3 Messergebnisse der Scangenauigkeit an verschiedenen Materialen und

Ausrichtungen der Probekörper (n=10).

Winkel Standardabweichung [µm] Minimum [µm] Maximum [µm]

Futar-D 0° ± 15,1 -20,8 25,1

Abdruckgips 0° ± 8,5 -10,6 11,0

Stonegips 0° ± 10,1 -12,3 15,2

Futar-D 45° ± 10,7 -16,2 15,6

Abdruckgips 45° ± 4,2 -8,2 10,2

Stonegips 45° ± 7,6 -10,3 12,6

21500

22500

23500

24500

25500

26500

27500

28500

29500

30500

31500

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

X-Position [µm]

Z-W

ert [

µm]

27500

27600

27700

27800

27900

28000

10100 10200 10300 10400 10500 10600 10700 10800 10900

X-Position [µm]

Z-W

ert [

µm]

Abb. 31 Eingescannter Probekörper in der Übersicht (links) und in einer

Ausschnittsvergrößerung (rechts). Die Probe wurde mit einem Winkel von annähernd 45° zur Einspannvorrichtung adaptiert.

Ergebnisse

49

Zudem sind Abdruck- und Stonegipse präziser zu digitalisieren als das

Registriermaterial Futar-D-Occlusion (A-Silikon). Insgesamt zeigten die

Scanergebnisse eine für den Virtuellen Artikulator ausreichend hohe

Genauigkeit. Die Herstellerangabe der Genauigkeit von 2-10 µm konnte mit

dem vorgestellten Verfahren nicht bestätigt werden, da Materialien mit

signifikant größerer Rauhtiefe im Oberflächenbereich verwendet wurden.

5.1.2 Jaw-Motion-Analyser

Die zur Untersuchung der Messgenauigkeit des JMA-System mittels einer XYZ-

Fräsmaschine abgefahrenen Würfelkanten in Abbildung 32 (rechts) wurden

hinsichtlich der zurückgelegten Strecke dreidimensional vermessen und mit

denen eines idealen Würfels rechnerisch verglichen. In Abbildung 32 sind die

Mittelwerte der einzelnen Messungen mit den jeweiligen Minima und Maxima

aufgetragen.

Eine Fehlersystematik, wie z.B. mechanische Imponderabilien der

Fräsmechanik, war nach zehnmaliger Wiederholung der Messung nicht zu

erkennen. Die mittlere Messgenauigkeit des JMA-Systems wurde mit einer

Standardabweichung von etwa ±50 µm ermittelt.

49

49,5

50

50,5

1 2 3 4 5 6 7 8 Mittel

Kante

Läng

e [m

m]

Abb. 32 Gemessene Kantenlängen des mittels des JMA-Systems abgefahrenen

Würfels.

Ergebnisse

50

5.2 Auswertung der Versuchsgruppen


Abbildung 33 zeigt einen rechnerischen Schnitt durch die eingescannte Bahn

des Simulators und einen vergrößerten Ausschnitt. Im Mittel ergab sich eine

Standardabweichung bezüglich der berechneten Sollbahn von ±26,4 µm.

Abbildung 34 stellt das Ergebnis einer kompletten Referenzierung von

Simulatorbahn, Schlitten und Bewegungsaufzeichnung dar. Der Reiterdatensatz

wurde – als Äquivalent zum Unterkiefer – anhand der JMA-

Bewegungsaufzeichnung mithilfe des Futar-D-Registrates auf die Startposition

der Gipsbahn referenziert und an die Bewegungsaufzeichnung gekoppelt.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

-75000 -25000 25000 75000

X-Position [µm]

Höh

e [µ

m]

40500

40510

4052040530

40540

40550

40560

4057040580

40590

40600

-5000

X-Position [µm]

Höh

e [µ

m]

Abb. 33 Dreidimensional eingescannte Gipsbahn des Simulators in der Übersicht

(oben) und eine Ausschnittsvergrößerung des Wendebereichs.

Ergebnisse

51

Somit konnte eine in-vivo-Situation eines vollständigen Messvorgangs unter

definierten Bedingungen simuliert und präzise ausgewertet werden. Die

Genauigkeit des Gesamtsystems „Simulator“ kann mit ca. ±76 µm angegeben

werden.

112,7

112,75

112,8

112,85

112,9

112,95

113

113,05

113,1

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

X-Position [µm]*200

Z-P

ositi

on [m

m]

Gipsbahn Matchpoint

Abb. 34 Vergleich zwischen eingescannter Gipsbahn (= Oberkieferbezahnung) und

rechnerischer Zuordnung der Bahn des Reiters (= Unterkieferbezahnung). Die Bahn des Reiters ergibt sich aus dem Scandatensatz des Gipsmodells und der mittels des JMA ermittelten Bewegungsaufzeichnung.

Ergebnisse

52


In Abbildung 35 ist die mittlere Verteilung der zentrischen Kontaktpunkte nach

Berechnung im Virtuellen Artikulator und manueller Auszählung im

entsprechend aufbereiteten „Durchlichtregistrat“ dargestellt. Dabei wurden pro

Zahn die Summe der Kontaktpunkte aller vier Quadranten ermittelt und

statistisch ausgewertet. Mittels der Statistiksoftware „SPSS 9.0“ (SPSS GmbH

Software, D-München) wurde eine Intraclasscorrelation (ICC), die als Maß für

die Übereinstimmung innerhalb eines Untersuchers definiert ist, ermittelt. Es

ergab sich eine ICC von 0,971.

Die Übereinstimmung beider Methoden kann daher als ausgezeichnet

bezeichnet werden. FLEISS (1981) gibt an, dass ein ICC über 0,75 bereits eine

sehr gute Übereinstimmung von Messwerten bedeutet.

Die Diagramme in Abbildung 36 repräsentieren die Summe der Kontaktepunkte

beider Oberkieferquadranten bei initialer Links- bzw.

Rechtslaterotrusionsposition.

68

11

17

24

3335

3

710

14

2326

36 37

4

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8

Zahnnummer (alle 4 Quadranten)

Anz

ahl d

er K

onta

ktpu

nkte

Virtueller Artikulator Auszählung im Registrat

Abb. 35 Vergleich der Häufigkeit zentrischer Kontakte (Zahn 1 bis 8: Summe aller

Quadranten; n=10; Erläuterungen im Text).

Ergebnisse

53

Für die Latero- und Mediotrusionskontakte bei einer Laterotrusionsbewegung

nach links ergab sich eine ICC von 0,975. Für die Laterotrusionsbewegung

nach rechts wurde eine ICC von 0,969 ermittelt.

Abb. 36 Vergleich der Häufigkeit latero- und mediotrusiver Kontakte bei Laterotrusion nach rechts (oben) und nach links (unten) im virtuellen und mechanischen Artikulator pro Zahn (n=10).

0

2

4

6

8

10

12

8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8

Zahnnummer (Oberkiefer, quadrantenweise)

Anz

ahl d

er K

onta

ktpu

nkte

Virtueller Artikulator mechanischer Artikulator

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8

Zahnnummer (Oberkiefer, quadrantenweise)

Anz

ahl d

er K

onta

ktpu

nkte

Virtueller Artikulator mechanischer Artikulator

Ergebnisse

54


Abbildung 37 zeigt die zahnbogenbezüglichen Verteilungen der zentrischen und

zweier 2-3 mm exzentrischen Kontaktpunkte, jeweils in rechts- und

linkslateralen Position gemittelt über 8 Probandenfälle bei 3 Untersuchern.

Dabei wurde die Anzahl der Kontaktpunkte (gemessen in Pixel) gegen die

räumliche Verteilung entlang der dorsalen Modellbasis aufgetragen.

Die Intraclasscorrelation (ICC) wurde als Maß der Übereinstimmung der

Baseline und Follow-Up-Untersuchung für die zentrische Position und je 2

definierte Laterotrusionspositionen ermittelt (siehe auch Tabelle 4). Die

Intraclasskorrelation nahm für jeden Untersucher Werte deutlich oberhalb von

0,95 an. Die Reproduzierbarkeit des Kontaktpunktemusters im Vergleich zweier

aufeinander folgenden Untersuchungen kann als ausgezeichnet angesehen

werden.

x-Position [Pixel]

Kon

takt

anza

hl

a) b) c)

Abb. 37 Anzahl der errechneten Kontaktpunkte im Virtuellen Artikulator für

a) Rechtlaterotrusion, b) Zentrik und c) Linkslaterotrusion.

Ergebnisse

55

Neben der Intraclasscorrelation wurde auch die interindividuelle Reliabilität

(Interclasscorrelation) als Maß für die Übereinstimmung der Ergebnisse

zwischen den 3 Untersuchern ermittelt. In Tabelle 5 sind die

Interclasscorrelation-Werte bezüglich der Kontaktpunkteverteilungen in

zentrischer Position und in Rechts- bzw. Links-Laterotrusionsposition

dargestellt. Die Interclasscorrelation lag deutlich über 0,90 und ist somit als

ausgezeichnet zu bewerten.

Tab. 5 Die Interclasscorrelation für zentrische

und laterotrusive Kontaktpunkte (Erläuterungen im Text).

Zentrik 0,98

Laterostrusion, rechts 0,97

Laterotrusion, links 0,92

Tab. 4 Die Intraclasscorrelation für zentrische und laterotrusive Kontaktpunkte

(Erläuterungen im Text).

Untersucher 1 Untersucher 2 Untersucher 3

Zentrik 0,99 1,00 0,99

Laterostrusion, rechts 0,98 0,96 0,98

Laterotrusion, links 0,97 0,97 0,96

Ergebnisse

56

5.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse

Die Auswertung der eingescannten Materialproben ergab eine signifikante

Winkel- und Materialabhängigkeit der Messgenauigkeit. Eine schräge

Probenlage führt zu genaueren Ergebnissen, als eine parallele Ausrichtung zum

Scannertisch. Insgesamt zeigten die Scanergebnisse eine für den Virtuellen

Artikulator ausreichend hohe Genauigkeit von durchschnittlich etwa ±26 µm.

Als mittlere räumliche Auflösung des JMA-Systems wurde ±50 µm ermittelt.

Die Untersuchungen im Simulator ergaben hinsichtlich der Scangenauigkeit im

Mittel eine Abweichung von ± 26.4 µm von der berechneten Sollbahn,

insgesamt betrug die ermittelte Auflösung des Gesamtsystems „Simulator“ etwa

±76 µm.

Die Auswertung des Vergleiches der im herkömmlichen, mechanischen

Artikulator montierten Modelle und der Kontaktpunktberechnung im Virtuellen

Artikulator ergab eine Intraclasscorrelation (ICC) von 0,971. Die

Übereinstimmung der statischen und dynamischen Kontaktpunktemuster kann

daher als ausgezeichnet bezeichnet werden.

Die Untersuchung der 8 Probandenfälle zeigte bereits in einem visuellen

Vergleich der statischen und dynamischen Kontaktpunktemuster eine gute

Übereinstimmung. Die ICC lag für die zentrische Position und je 2 definierte

Laterotrusionspositionen konstant über 0,95 und deutet somit auf eine

ausgezeichnete Übereinstimmung hin.

Die Bestimmung der intraindividuelle Reliabilität (Intraclasscorrelation) ergab für

jeden Untersucher Werte deutlich oberhalb von 0,90. Daher kann die

Reproduzierbarkeit des Kontaktpunktemusters im Vergleich zweier aufeinander

folgenden Untersuchungen als ausgezeichnet angesehen werden.

Diskussion

57

6. Diskussion

6.1 3D-Laserscanner

Jedes digitale Messverfahren besitzt aufgrund seiner Eigenschaft, digitale

Daten zu erzeugen, eine begrenzte Auflösung. Zum einen ist diese direkt

abhängig von der internen Rechengenauigkeit des Systems: Ein

16-Bit-Datenwert wird maximal 216 Werte repräsentieren können, ein

32-Bit-Datenwert bereits 232 Werte. Das 3D-Scannersystem arbeitet mit einem

32-Bit-Datenformat, so dass jeder Messwert maximal etwa 4,3 Milliarden Werte

annehmen kann. Dies entspräche bei einer vertikalen Auflösung des 3D-

Laserscan-Systems von physikalisch etwa 56,0 µm einer maximal erfassbaren

Objektdimension von ca. 2400 km (!).

Als deutlich signifikanter stellt sich die tatsächliche physikalische Auflösung und

Genauigkeit der verwendeten Sensoren und Stellantriebe dar. Der

3D-Laserscanner besitzt eine räumliche physikalische Auflösung von ca.

x:27,5 · y:30,0 · z:56,0 µm. Diese Werte ergeben sich aus der Schrittweite der

verwendeten Schrittmotoren, deren angekoppelter Mechanik zum Vorschub des

Messobjekts und der optischen Auflösung des CCD-Sensorsystems der

Videokamera.

Ein CCD-Sensor (CCD = Charged Coupled Device) stellt prinzipiell eine

rasterförmige Anordnung aus mehreren 100.000 Fototransistoren, also

lichtempfindlichen Halbleitern, dar. Je mehr solcher Sensoren pro Fläche

angeordnet sind, desto größer ist die resultierende Auflösung. Doch auch

weitere Faktoren, wie das Objektiv der Kamera (Verzeichnung, Vergrößerung)

und die mechanische Stabilität der Gesamtkonstruktion, bestimmen neben

speziellen Interpolationsalgorithmen die Auflösung des Systems.

Die Anzahl der Sensoren auf dem CCD-Array der hier verwendeten Kamera

beträgt x:768 · y:576. Berücksichtigt man den Vergrößerungsfaktor des

Objektivs und den mittleren Abstand zum Messobjekt, so ergibt sich eine

theoretische Auflösung von 56,0 µm in der Vertikalen, 27,0 µm in X- und

Diskussion

58

30,0 µm in Y-Richtung, wobei die Auflösung in Y-Richtung hauptsächlich von

der Dimension des projizierten Laserstrahls und von der mechanischen

Auflösung des Transportschlittenantriebs abhängt.

Durch mathematische Approximationsalgorithmen lässt sich die Auflösung

eines jeden Messsystems erhöhen, indem quasi Zwischenwerte angenommen

werden, die nicht physikalisch erfasst werden, jedoch theoretisch sehr

wahrscheinlich sind. Die 3D-Scanner-Software arbeitet mit solchen Algorithmen

[MEHL et al. 1996, 1997]. Der Spot des Laserlichts ist naturgegeben nicht

scharf begrenzt, sondern besitzt im Zentrum ein Intensitätsmaximum, nach

lateral hin nimmt die Intensität rasch ab und erreicht in einem

materialabhängigen Abstand vom Maximum ein Minimum (Abbildung 38).

Ein spezieller Algorithmus macht sich dieses Phänomen zunutze, indem

entsprechende Zwischenwerte aus der Intensitätsverteilung errechnet werden.

Mehl untersuchte 1997 verschiedene Algorithmen zur Maximasuche.

Abb. 38 Schematisierte Darstellung der projizierten Laserlinie.

Diskussion

59

Die Intensität der Reflexion ergibt sich nicht nur aus der vertikalen Dimension

des Objekts, sondern hängt unmittelbar mit den Materialeigenschaften des

Messobjekts zusammen. Eine zum Laser komplementäre Färbung oder eine

wenig opake Oberfläche führen zu signifikant schlechteren Ergebnissen. Zudem

versagt jegliche Approximation, wenn die zu vermessende Oberfläche nicht den

„Erwartungen“ des Algorithmus entspricht. Verläuft das Oberflächenrelief nicht

mathematisch stetig oder sind abrupte Unterbrechungen der Kontinuität (z.B.

Randspalten) zu erwarten, kann keine exakte Approximation stattfinden. Daher

sind die vorliegenden Messergebnisse in Kapitel 5 nicht in einem 56 µm-Raster

quantisiert, sondern der Kurvenverlauf der einzelnen Messpunkte beinhaltet

Zwischenwerte und ist durch Messrauschen beeinflusst.

6.2 Jaw-Motion-Analyser

Die Funktionsweise des JMA-Systems basiert auf Laufzeitmessungen von

Ultraschallwellen, die durch spezielle Generatoren erzeugt werden. Die

generierten Ultraschallwellen werden durch Spezialmikrophone detektiert und

einer Auswertelektronik zugeführt. Anhand der Laufzeitdifferenzen der

Ultraschallwellen ermittelt die Elektronik die räumliche Orientierung der

Sensoren bezüglich der Schallgeneratoren.

Dieses Verfahren wird in vielen technischen Anwendungen genutzt und hat sich

insbesondere zur Abstandsmessung und Positionsbestimmung bewährt. Die

Hauptschwierigkeit besteht darin, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von

Schallwellen von der Temperatur bzw. der Dichte und des Feuchtigkeitsgehalts

des schallleitenden Mediums abhängt. Das JMA-System ermittelt die

Raumtemperatur und korrigiert anhand von Eichkurven die Messergebnisse

[BRUNNER 1999]. Zudem ist die räumliche Auflösung von der Schallfrequenz

und der Schnelligkeit bzw. Präzision der Auswertelektronik abhängig. Bei einer

durchschnittlichen Schallgeschwindigkeit im Medium Luft von etwa 357 m/s

ergeben sich für die Messdistanzen im zahnärztlichen Bereich wenige

Millisekunden Laufzeitunterschied zwischen den einzelnen Sensoren. Die

räumliche Auflösung des JMA-Systems beträgt nach den vorliegenden

Messungen unter Normalbedingungen etwa 50 µm. Bedenkt man jedoch, das

Diskussion

60

die Sensoren relativ weit anterior von den Zahnreihen des Unterkiefers

extraoral angebracht sind, ergibt sich ein langer Hebelarm bezüglich der

Kiefergelenke. Nach dem Strahlensatz ist demnach die Genauigkeit im Bereich

der Kiefergelenke wesentlich größer anzunehmen, da eine große Auslenkung

im Sensorbereich einer relativ geringen Auslenkung im Kiefergelenkbereich

entspricht und somit die physikalisch gemessene Strecke auf eine wesentlich

kleinere Strecke heruntergerechnet werden kann. Dies gilt allerdings nur für die

Rotationskomponenten einer Unterkieferbewegung. Eine genaue Aussage über

den Gewinn an Auflösung im Gelenkbereich (bzw. in jedem anderen posterior

des Sensors gelegenen Bereich) ist demnach schwer zu treffen und hängt zum

einen von der Distanz der Sensoren ab, zum anderen von dem

Bewegungsmodus (Translation oder Rotation). Studien haben zudem gezeigt,

dass einige ultraschallbasierende Messsysteme einer nicht unerheblichen

Störung durch Fremdschallquellen unterliegen [EDINGER 1999]. So ist durch

die hochfrequenten Turbinengeräusche aus dem Nachbarbehandlungszimmer

oder entsprechender Musikbeschallung der Räumlichkeiten mit

Messungenauigkeiten zu rechnen.

Bezüglich des Virtuellen Artikulators ist aber zu berücksichtigen, dass die

Ermittlung der Kontaktpunkte stets unter Zahnführung erfolgt, d.h. die

Bewegungsaufzeichnung limitiert lediglich den Bewegungsfreiraum des

Unterkiefers, die Bewegungsspur unterhalb der Messauflösung des JMA wird

durch die Okklusion selbst bestimmt. Ferner ist zu überlegen, mit welcher

Wiederholgenauigkeit ein Proband selbst seine Bewegung zu reproduzieren

vermag.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass das JMA-System sich hervorragend zur

digitalen Bewegungsaufzeichnung eignet. Insbesondere ist zu berücksichtigen,

dass für eine Achsiographie der Kiefergelenke die Konstellation der Sensoren

dahingehend optimal ist, dass ca. 20 cm anterior der Gelenke gemessen wird

und somit die Auflösung der Translationskomponenten im Gelenk- und

Zahnreihenbereich u.U. ein Vielfaches der sensornahen Auflösung beträgt.

Diskussion

61

6.3 Versuchsgruppen


Der speziell entwickelte Simulator ist bedingt durch seinen geometrisch

einfachen Aufbau zur Evaluierung des Gesamtsystems „Virtueller Artikulator“

relativ gut geeignet. Die Komplexität einer individuellen Situation am Probanden

bezüglich der Morphologie der Zähne und des Bewegungsmusters erreicht der

Simulator nicht. Zudem ist, bedingt durch die räumliche Dimension des

Simulators, mit nicht näher untersuchten mechanischen Imponderabilien im

Sinne einer Verwindung und Wärmeausdehnung zu rechnen. Die mathematisch

leicht nachvollziehbare Geometrie ist jedoch zumindest zur theoretischen

Evaluierung gut geeignet, da diese eine reproduzierbare Berechnung der Ist-

und Soll-Wert-Differenzen ermöglicht. Mechanische Fehlerquellen wie

Abformfehler oder Verwindungen der gekrümmten Bahn sind mit einfachen

Mitteln nur schwer zu eliminieren, aufgrund der Parallelitäten zur

Probandensituation jedoch durchaus erwünscht, denn die knöcherne

Unterkieferspange ist ebenso wenig verwindungssteif. Die Genauigkeit des

Gesamtsystems konnte mittels des Simulators auf ±76 µm bestimmt werden,

vernachlässigt wurde jedoch die Tatsache, dass der Virtuelle Artikulator die

individuellen Bewegungsbahnen stets unter Zahnkontakt berechnet und somit

zu einer entscheidenden Verbesserung der vertikalen Genauigkeit beiträgt.


Die Methodik der statischen Kontaktpunkteauszählung im „Durchlichtregistrat“

erwies sich als geeignet, um einen präzisen Vergleich von Modellsituation und

virtueller Darstellung zu ermöglichen. Neben der Kontaktpunkteanzahl könnte

auch die Fläche der einzelnen Kontaktpunkte berechnet und verglichen werden,

jedoch erwies sich dieser Ansatz als unbrauchbar, da die Messwerte ein zu

großes Rauschen aufwiesen. Jedoch ist in diesem Ansatz durchaus Potential

vorhanden, welches man in einer weiteren Untersuchung ausschöpfen könnte.

Verglichen mit einer Kontaktpunktedarstellung mittels Okklusionspapier scheint

Diskussion

62

die Durchlichtmethode eine ungleich präzisere Form der Ermittlung von

statischen Kontaktpunkten darzustellen.

Der Vergleich dynamischer Kontaktpunkte bei initialer Laterotrusion mittels

Okklusionspapier zeigte eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen der

Modellsituation und der Berechnung im Virtuellen Artikulator „DentCAM“. Die

Anwendung von Okklusionspapier erwies sich als hinreichend genau, die

Anfertigung eines „Durchlichtregistrates“ erschien aufgrund der unzureichend

präzisen Durchführbarkeit in Dynamik nicht sinnvoll.


Die Methodik der flächenhaften Summierung der Kontaktpunkte erwies sich als

ausreichend genau, jedoch ließen sich probandeninduzierte Einflüsse nicht

völlig ausschließen. So wird ein Proband nach etwa 1 Monat keine vollkommen

identische Bewegung, die in Bezug auf die räumliche Orientierung und die

Geschwindigkeitskomponenten exakt übereinstimmt, ausführen können. Ein

Vergleich von dynamischen Okklusionsverhältnissen entspricht dem Vergleich

von Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden. Eine solche mathematische

Berechnung gestaltet sich äußerst komplex und ist mit gängigen statistischen

Methoden nicht zufrieden stellend durchführbar.

Es zeigte sich ferner, dass die Untersucher bezüglich der Erhebung der

relevanten Messdaten einen signifikant geringen Einfluss auf die resultierenden

Messergebnisse ausübten. Entscheidend ist, dass der Proband die

Exkursionsbewegungen reproduzierbar und in möglichst gleichförmiger

Bewegung vollzieht.

Diskussion

63

6.4 Vergleich Virtueller Artikulator und mechanischer Artikulator

Zur Simulation der dynamischen Okklusion in DentCAM bedarf es zumindest

der folgenden Messdaten, die am Patienten aufgenommen werden müssen:

• Gipsmodelle von Ober- und Unterkiefer

• spezielles Bissregistrat

• Datensatz der zu untersuchenden Unterkieferbewegungen

Zudem ist eine (rechnerische) Referenzierung der gesamten Messdaten

unerlässlich, d.h. die Unterkieferbewegungen müssen in einen räumlichen

Bezug zu den Datensätzen der digitalisierten Modelle gebracht werden können;

diese müssen ihrerseits mit Hilfe des Bissregistrates referenziert werden.

DELONG et al. untersuchten 2002 diesbezüglich unterschiedliche Verfahren zur

Referenzierung von Ober- und Unterkieferdatensätzen in die ursprüngliche

Okklusionsbeziehung. Sie stellten fest, dass ein direktes Generieren der

Kauflächen aus dem Datensatz des Registrates heraus signifikant schlechtere

Ergebnisse liefert, als das rechnerische Referenzieren der Modelldatensätze in

das virtuelle Registrat.

Ein praxisgerechtes Vorgehen bei der Verwendung eines mechanischen, teil-

oder volljustierbaren Artikulators kann wie folgt zusammengefasst werden: Es

sind Ober- und Unterkiefermodelle anzufertigen und mittels einer

Gesichtsbogenübertragung - unter Zuhilfenahme eines geeigneten

Bissregistrates - in den Artikulator einzubauen. Dies geschieht in der Regel

durch die Verwendung von schnellabbindendem Gips der Klasse I. Je nach

erforderlicher Präzision werden weitere Registrate, wie z.B. ein Protrusions-

oder Laterotrusionsregistrat angefertigt, um verschiedene Parameter wie die

horizontale Kondylenbahnneigung oder den Bennetwinkel näherungsweise zu

ermitteln. Unter Umständen kann eine Achsiographie zur Parametrisierung

herangezogen werden.

Der Virtuelle Artikulator benötigt entsprechend seinem mechanischen

Äquivalent zur Zeit noch Gipsmodelle der Kiefer, da eine intraorale

Diskussion

64

Digitalisierung des gesamten Zahnbogenumfangs zum aktuellen Stand der

Technik noch nicht zufrieden stellend möglich erscheint. Zur Referenzierung

von Ober- und Unterkiefer ist eine adäquate Registriertechnik erforderlich, die in

Kapitel 3 ausführlich beschrieben wurde. Weitere spezielle Registrate zur

Ermittlung diverser Kiefergelenkparameter sind jedoch nicht erforderlich, da,

bedingt durch die individuelle Bewegungsaufzeichnung, ohnehin das gesamte

Bewegungsmuster des Probanden zur Verfügung steht.

In Tabelle 6 ist eine Übersicht der erforderlichen Arbeitsschritte dargestellt. Eine

Zeitersparnis gegenüber der herkömmlichen Methodik kann der Virtuelle

Artikulator wahrscheinlich (noch) nicht verzeichnen, jedoch ist in Zukunft damit

zu rechnen, dass sich die Digitalisierungs- und Messverfahren sehr

vereinfachen und beschleunigen lassen, so dass eine Effizienzsteigerung

durchaus ermöglicht werden könnte.

Tab. 6 Vergleich der Arbeitsabläufe im mechanischen und im Virtuellen Artikulator.

Mechanischer Artikulator Virtueller Artikulator Bemerkungen

Abformung OK/UK und Modellherstellung

Abformung OK/UK und Modellherstellung

In Zukunft ist eine intraorale Digitalisierung denkbar.

Bissregistrat Einfaches IP-Registrat

Bissregistrat Spezielle zweiphasige Technik

Gesichtsbogen (entfällt)

(entfällt) Digitale Aufzeichnung der UK-Bewegungen

(entfällt) Digitalisierung der OK/UK-Modelle und des Registrates

Montage des OK-Modells mit Hilfe des Ge-sichtsbogens

Montage des UK-Modells mit Hilfe des Registrates

Rechnerische Fügung der Modelldatensätze in den Registratdatensatz und Referenzierung der Bewe-gungsaufzeichnung

Vollautomatischer Ablauf denkbar

Diskussion

65

6.5 Schlussfolgerung

Der Virtuelle Artikulator kann nicht nur die Funktions- und Okklusionsanalyse

entscheidend bereichern, sondern könnte z.B. auch als Instrument zur Planung

und Simulation komplexer kieferorthopädischer Fragestellungen eingesetzt

werden. Es könnten neue Möglichkeiten geschaffen werden, die in der Realität

nicht oder nur eingeschränkt denkbar wären. Zum einen verfügt der Virtuelle

Artikulator, bedingt durch die parametrische Verfügbarkeit von Translations-

und Rotationswerten der Stellung eines jeden Zahnes, über eine hohe

Genauigkeit hinsichtlich der Sollwerte einer Setup-Planung, zum anderen ist

jeder einzelne Arbeitsschritt kontrollierbar und reversibel. Zudem entfallen

mechanische Imponderabilien wie bei einem mechanischen Artikulator. Somit

ist die Präzision des Virtuellen Artikulators lediglich von der Auflösung der

verwendeten Messsysteme und Qualität der Rechenalgorithmen abhängig.

Bisher sind mechanische Bewegungssimulatoren (Artikulatoren) als Instrument

der Planung und Diagnostik bei komplexen Situationen und als Planungs- und

Arbeitsgrundlage für den Zahnarzt und Zahntechniker unverzichtbar. Soll die

individuelle Situation des Patienten so genau wie möglich nachgeahmt und

in-vitro verfügbar gemacht werden, haben mechanische Systeme prinzipiell

gravierende Einschränkungen: Beispielsweise lassen sich dynamische

Prozesse wie Zahneigenbeweglichkeiten, Resilienzen im Kiefergelenk und

belastungsabhängige Verbiegungen der Unterkieferspange grundsätzlich nicht

nachvollziehen, so dass Ungenauigkeiten, die ein Nachbessern und

Nacharbeiten erforderlich machen, systembedingt vorgegeben sind. Der

Einsatz der „Virtuellen Realität“ könnte diese Probleme minimieren.

Eine Fülle von verschiedenen Anwendungsbereichen könnten sich in Zukunft

anbieten: Planungsmodule für die zahnärztliche Prothetik, die Implantologie, die

Kieferorthopädie und die plastisch-rekonstruktive Chirurgie,

Patienteninformations- und Aufklärungsmodule, Zahntechnikmodule für

CAD/CAM-Verfahren, Analysemodule für die Funktionsdiagnostik und die

Prävention von Funktionsstörungen, Entwicklungsmodule für das Design

künstlicher Zähne und Kauflächen, Simulationsmodule für eine „virtuelle

Diskussion

66

Erprobung“ von Restaurationsmaterialien und deren Indikationen, Module für

die zahnärztliche und zahntechnische Ausbildung über die Simulation

komplexer Zusammenhänge im Kausystem und die Auswirkungen von

Behandlungsmaßnahmen.

6.6 Ausblick

Die Virtuelle Realität eröffnet Möglichkeiten, die in der realen Welt unter

Umständen nicht verfügbar sind. Aufgrund immer weiter fortschreitender

Techniken und Technologien werden Computer- und Visualisierungssysteme

immer genauer und echtzeitfähiger werden, so dass eine unmittelbare,

verzögerungsfreie Interaktion des Benutzers mit der virtuellen Welt resultieren

wird. Durch entsprechende Ausgabetechnologien wie z.B. 3D-Brillen,

holographische Anzeigesysteme oder „caves“ (z.B. würfelförmiger Raum, in

dem auf alle sechs Innenseiten entsprechend berechnete Animationen projiziert

werden) wird der Benutzer das Gefühl bekommen, tatsächlich in das virtuelle

Geschehen einzutauchen.

Der Virtuelle Artikulator „DentCAM“ zeigt schon zum aktuellen Stand viele neue

Möglichkeiten der computergestützten Funktions- und Okklusionsanalyse auf.

In der weiteren Entwicklung werden jedoch immer mehr biophysiologische

Parameter Berücksichtigung finden können, um der realen Situation so nahe

wie möglich zu kommen [KORDAß und GÄRTNER 2000].

Die folgenden Parameter ließen sich u.a. in Zukunft implementieren:

• physiologische Zahneigenbeweglichkeit

• Zahnverformung unter Kaudruckbelastung

• elastische Verformung der Unterkieferspange

• Verformung von Muskel- und Bandstrukturen

• Simulation parafunktioneller Kräfte

• Einbeziehung von Röntgenbildern (Wurzelkonfiguration)

Diskussion

67

Auch das Anwendungsspektrum könnte sich über die Funktions- und

Okklusionsanalyse hinaus erweitern, so dass z.B. folgende Bereiche Einzug in

die Virtuelle Realität erhalten könnten:

• Planungsmodule für die zahnärztliche Prothetik, die Implantologie, die

Kieferorthopädie und die plastisch-rekonstruktive Chirurgie

• Patienteninformations- und Aufklärungsmodule

• Zahntechnikmodule für CAD/CAM-Verfahren

• Analysemodule für die Funktionsdiagnostik und die Prävention von

Funktionsstörungen

• Entwicklungsmodule für das Design künstlicher Zähne und Kauflächen

• Simulationsmodule für die „virtuelle Erprobung“ von

Restaurationsmaterialien und deren Indikationen

• Module für die zahnärztliche und zahntechnische Ausbildung über die

Simulation komplexer Zusammenhänge im Kausystem und die

Auswirkungen von Behandlungsmaßnahmen

Zusammenfassung

68

7. Zusammenfassung

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Arbeit wurde die Software „DentCAM“

entwickelt, die als „Virtueller Artikulator“ beschrieben werden kann. Der Virtuelle

Artikulator „DentCAM“ kann u.a. zur Visualisierung individueller

Bewegungsmuster der Kiefergelenke und zur Berechnung der daraus

resultierenden statischen und dynamischen Okklusionsbeziehung von Ober-

und Unterkieferbezahnung eingesetzt werden. Um eine Funktions- oder

Okklusionsanalyse mit dem Virtuellen Artikulator „DentCAM“ durchzuführen,

bedarf es einer Digitalisierung der Kiefermodelle und eines speziellen

Bissregistrates. Zudem ist eine elektronische, digitalisierbare und zahngeführte

Bewegungsaufzeichnung erforderlich.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Untersuchung des

3D-Scannersystems „Laserscan-3D“ (Fa. Willytec, D-München) und des

elektronischen Bewegungsmesssystems JMA („Jaw-Motion-Analyser“,

Fa. Zebris, D-Isny) hinsichtlich deren Eignung zur Verwendung als

Datenschnittstelle zum Virtuellen Artikulator „DentCAM“. Zudem sollte

aufgezeigt werden, ob die Reliabilität und die Reproduzierbarkeit des

Gesamtsystems „Virtueller Artikulator“ einen möglichen Einsatz des Virtuellen

Artikulators „DentCAM“ als Funktions- und Okklusionsanalysehilfe denkbar

erscheinen lassen.

Zur Untersuchung der Genauigkeit des 3D-Laserscanners wurden

4 Materialien, die zur Durchführung einer Analyse im Virtuellen Artikulator

erforderlich sind, parallel und in einem Winkel von 45° zur Nullebene des

Scannersystems dreidimensional eingescannt. Die vom Hersteller des

3D-Laserscansystems angegebene Genauigkeit ließ sich nicht nachvollziehen,

jedoch war die Genauigkeit der resultierenden Datensätze für die Anwendung

im Virtuellen Artikulator „DentCAM“ ausreichend.

Zur Untersuchung der Messgenauigkeit und der Reproduzierbarkeit des

Bewegungsmesssystems „JMA“ wurden dessen Sensoren an eine 3-Achsen-

Zusammenfassung

69

Fräsmaschine (Fa. Isel, D-Eiterfeld) gekoppelt. Die Kanten eines rechnerisch

konstruierten Würfels wurden abgefahren und die Messergebnisse mit den

berechneten Sollwerten verglichen. Es wurde eine ausreichende Mess- und

Wiederholgenauigkeit der Bewegungsaufzeichnungen im Zusammenhang mit

der weiteren Verarbeitung der gewonnenen Datensätze ermittelt.

Zur Untersuchung der Reliabilität, der Reproduzierbarkeit, der Inter- und der

Intraclasscorrelation des Gesamtsystems „Virtueller Artikulator“ wurden drei

Versuchsgruppen evaluiert:

• Prüfmessstand zur Evaluierung eines standardisierten Prüfkörpers

• 10 Modellfälle im mechanischen Artikulator

• 8 Probandenfälle (jeweils 3 Untersucher und 2 Messzeitpunkte)

Die Untersuchung ergab eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit hinsichtlich

der Darstellung von statischen und dynamischen Kontaktpunktemustern im

Virtuellen Artikulator „DentCAM“. Zudem konnte aufgezeigt werden, dass die

Untersucher bezüglich der Erhebung von relevanten Messdaten einen

signifikant geringen Einfluss auf die resultierenden Messergebnisse ausübten.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die untersuchten Messsysteme

geeignet erscheinen, die Datengrundlage für eine Visualisierung und

Auswertung im Virtuellen Artikulator „DentCAM“ bereit zu stellen. Die Reliabilität

und Reproduzierbarkeit des Virtuellen Artikulators „DentCAM“ ist ausreichend

hoch, um eine computergestützte Okklusionsanalyse unter Berücksichtigung

funktionsanalytischer Komponenten durchzuführen.

Eine routinemäßige Funktions- und Okklusionsanalyse am Probanden ist mit

dem Virtuellen Artikulator „DentCAM“ prinzipiell durchführbar. Optimierungen,

sowohl bezüglich der Genauigkeit des Verfahrens, als auch hinsichtlich der

Berücksichtigung weiterer biodynamischer Parameter, erscheinen jedoch

erstrebenswert.

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Eidesstattliche Erklärung

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbstständig verfasst

und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe.

Die Dissertation ist bisher keiner anderen Fakultät vorgelegt worden.

Ich erkläre, dass ich bisher kein Promotionsverfahren erfolglos beendet habe

und dass eine Aberkennung eines bereits erworbenen Doktorgrades nicht

vorliegt.

Datum Unterschrift

Curriculum vitae

Curriculum vitae

Name Christian Gärtner

Geburtstag 27. März 1973

Geburtsort Wülfrath

Staatsangehörigkeit deutsch

Familienstand ledig

Vater Dr. rer. nat. Klaus Jürgen Gärtner

Mutter Christel Gärtner, geb. Grebe

Schulbildung 1979 – 1983 Grundschule Steinkulle, Haan

1983 – 1992 Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium,

Hilden

1992 Abitur

Zivildienst 1992 – 1994 Malteser-Hilfsdient, Solingen

Ausbildung zum Rettungshelfer

Berufsausbildung 1994 – 1994 Beginn des Studiums der

Pharmazie,

Heinrich-Heine-Universität

Düsseldorf

WS 1994/95 Beginn des Studiums der

Zahnmedizin an der

Ernst-Moritz-Arndt-Universität

Greifswald

10.08.1995 Naturwissenschaftliche

Vorprüfung

25.03.1997 Zahnärztliche Vorprüfung

Curriculum vitae

28.11.1998 Tagungsbestpreis im Rahmen

der DGZPW-Jahrestagung

für den Vortrag

„Der Virtuelle Artikulator“

02.11.1999 Staatsexamen

15.11.1999 Approbation zum Zahnarzt

Assistenzzeit 01.12.1999 –

01.12.2001 Assistent / Wiss. Mit. in der

Abteilung Prothetik und

Werkstoffkunde an

der EMA-Univ. Greifswald

01.01.2002 –

15.04.2002 Assistent in der

Gemeinschaftspraxis

Dr. Bungart und Schöbel,

Euskirchen

ab 01.06.2002 Projektleiter im CIFT

(Centrum für angewandte

Informatik, Flexibles Lernen

und Telemedizin), Greifswald

Leiter Prof. Dr. B. Kordaß

und Wiss. Mit. an der EMA-Univ.

Greifswald, Abteilung für

Prothetik und Werkstoffkunde

Datum Unterschrift

Danksagung

Danksagung

Mein Dank gilt allen denen, die das Entstehen dieser Arbeit auf

unterschiedlichste Weise gefördert haben.

Für die freundliche Überlassung des Themas, die ausgezeichnete persönliche

Betreuung und die intensive Unterstützung bei der Durchführung dieser Arbeit

gilt mein besonders herzlicher Dank meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Bernd

Kordaß.

Herrn Christian Schwahn möchte ich für die intensive Unterstützung bezüglich

der statistischen Auswertungen danken.

Herrn Peter Schmidt danke ich für seine ausgiebige Unterstützung bezüglich

seiner feinmechanischer Arbeiten und seiner persönlichen Betreuung.

Meiner Familie bin ich ebenso wie meinen Freunden und Kollegen für die

geduldige Unterstützung sehr dankbar.

Mein besonderer Dank gilt denjenigen, die ich nicht namentlich erwähnt habe

und die mich durch vielerlei Denkanstöße und Fragestellungen entscheidend

unterstützt haben.

Documents

Der Virtuelle Artikulator „DentCAM“Einleitung 1 1. Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung Virtuelle Welten werden in weiten Bereichen der Medizin bereits eingesetzt, um durch