Zahnersatzteils

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die Punktion eines aus einer Druckschrift der Firma Sie¬ mens ("CEREC - Computer-Reconstruction, Druckvermerk:

0589) bekannt gewordenen Kompaktgerätes für die computer¬ gestützte Herstellung von Inlays, Onlays und Schalenver¬ blendungen beruht auf einem optischen Vermessungsprinzip. Dabei wird mittels einer manuell positionierten Videoein- heit ein periodisches, bewegtes Muster paralleler Streifen auf den auszumessenden Zahn- oder Kieferbereich projiziert und die tiefentypischen Verzerrungen mit einer eingebauten Kamera aufgenommen. Nachteilig hierbei ist neben der manu¬ ellen Kameraführung vor allem die das Videobild überla- gernde Darstellung der MeßInformation, die nicht unmittel¬ bar auswertbar ist. Die Interpretation der resultierenden graphischen Muster stellt hohe Anforderungen an das räum¬ liche Vorstellungsvermögen des behandelnden Zahnarztes. Wegen seiner transparenten Struktur und seiner spiegelnden Oberfläche muß der Zahnschmelz vor Anwendung des CEREC- Verfahrens mit einer dünnen Pulverschicht vorpräpariert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um mit computergestützten Mitteln die Paßgenauigkeit von Zahnersatz insbesondere im Hinblick auf den individuellen Biß des Patienten zu ver¬ bessern.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 3 gelöst.

Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, daß - im

Gegensatz zur bekannten zweidimensionalen visuellen Er- fasssung - nur die dreidimensional abgetastete Oberfläche des Gegenbisses eine exakte Paßform des Bisses sicherstel-

len kann. Dabei werden von einer gedachten horizontalen Bezugsebene (x-y-Richtung) aus, die parallel zur Bißebene gelegen ist, Bereiche ermittelt, für die die Zahnoberflä¬ chen von Ober- und Unterkiefer gleiche Höhenwerte aufwei- sen, also bei geschlossenem Kiefer aufeinander zu liegen kommen und somit den Biß (Okklusion) bestimmen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung lassen sich für den Fall, daß die Höhenwerte der Zahnoberflächen durch getrennte Messungen in unterschiedlichen Richtungen bestimmt werden müssen, durch entsprechene relative Ver¬ schiebung der in Speichern festgehaltenen Höhenwerte in Zuordnung zu den Koordinaten der x-y-Ebene abgleichen, um eines seitliche Verschiebung des Bisses zu kompensieren. Abgleichkriterium ist dabei eine Maximierung der Anzahl der übereinstimmenden ermittelten Höhenwerte, entsprechend einer maximalen Fläche von bei geschlossenem Biß aufeinan¬ der gelegenen Zahnbereichen.

Auf diese Weise wird die optimale Bißlage für den Gesamt¬ kiefer ermittelt, welche an und für sich bereits aus¬ reichend wäre, um im Bereich von Zahndefekten durch Abnah¬ me der Form der Zahnoberfläche des Gegenkiefers die maxi¬ male Ausdehnung des Zahnersatzes in Höhenrichtung zu be- stimmen, so daß auch der Zahnersatz eine exakte Bißform bietet. Hierbei ist allerdings zunächst zu berücksichti¬ gen, daß die im Biß aneinander anliegenden Bereiche der Zahnoberflächen des Gegenkiefers meist einander nur tan¬ gieren. Die übrigen Bereiche des Zahnersatzes sind also aus einem Modell zu ergänzen, welches eine Anzahl von na¬ türlich wirkenden zahnformen gespeichert enthält.

Eine optimale Erzeugung einer Okklusion bietet das vorge¬ nannte Verfahren jedoch noch nicht: Oftmals weicht näm¬ lich der sich tatsächlich einstellende Biß eines Patienten von dem theoretisch sich einstellenden optimalen Biß ab.

Hierfür wird nun gemäß der Erfindung zusätzlich eine Anordnung verwendet, welche ein ebenes Bild des tatsächli¬ chen Bisses des Patienten wiedergibt. Dazu sind elektroni¬ sche Bißfolien bekannt, welche im Bereichen, in denen ein vorgegebener Anpreßdruck überschritten wird, jeweils ein Kontaktpaar einer Kontaktmatrix schließen und somit einem die sich kreuzenden Matrixleitungen scannend abtastenden Computer ein in einem Speicher festzuhaltendes Bild des tatsächlichen Bisses übermitteln.

Nach der Erfindung wird dieses tatsächliche Bißbild nun als Bezug herangezogen für die Ausrichtung der in den ent¬ sprechenden Speichern festgehaltenen Abbildungen der Zahn¬ oberflächen von Unter- und Oberkiefer. Durch relative Ver- Schiebung der gespeicherten Höhenwerte von Ober- und Un¬ terkiefer wird angestrebt, eine relative Position der Ab¬ bildungen von Ober- und Unterkiefer hinsichtlich der in dem Speicher festgehaltenen Daten in der Weise zu erzie¬ len, daß die übereinstimmenden Höhenwerte, d.h. diejenigen Werte, welche beim im Speicher vorhandenen nachgebildeten Biß aufeinander zu liegen kommen, mit dem mittels der Bi߬ folie erfaßten realen Biß zusammenfallen, so daß die ge¬ speicherte Nachbildung des Gebisses die Position des Ge¬ bisses beim tatsächlichen Biß einnimmt.

Auf diese Weise gelingt es, ein durch scannende Abtastung gefundenes Bißbild, das nur zwei in getrennten Aufnahmen

erfaßt werden kann, durch Prozessormittel über ein Verschiebung der Datenwerte im Speicher relativ zur Biß ebene in die Position des realen Bisses zu überführen, s daß die für Gebißreparatur ermittelten Werte des Gegen bisses aus dieser realen Bißlage entnommen werden und de Zahnersatz entsprechend herstellbar ist.

Dabei ist insbesondere ein Scanner zur optischen Abtastun des interessierenden Kieferbereiches mit einer Tiefenmeß einrichtung verbunden, wobei die Ansteuersignale für de Scanner gleichzeitig Adreßwerte eines Meßwertspeicher bilden. Eine angeschlossene Auswerteeinheit dient de Ermittlung und dreidimensionalen Darstellung der Oberflä chenkoordinaten der vermessenen Ober- und Unterkieferzäh ne. Okklusion und Artikulation werden über eine mit eine drucksensitiven Bißfolie versehenen, vorzugsweise U-förmi gestalteten Bißgabel festgestellt. Die durch den Zahndruc ausgelösten Kontakte werden den Abbildern der Ober- un Unterkieferzähne überlagert. Die Relativlage der Abbilder des Unterkiefers, des Oberkiefers und des Bißabdruckes is vorzugsweise mittels Maussteuerung veränderbar, so daß ei¬ ne eindeutige, der Okklusion entsprechende Zuordnung der Ober- und der Unterkieferzähne einstellbar ist. Auf diese Weise lassen sich auch bei dem Patienten fehlende Zahnbe- reiche im Hinblick auf ihre vorhandenen Antipoden paßgenau ergänzen.

Im Hinblick auf Zahnbereiche, die nicht Teil der Okklusio- nen sind, kann dabei ergänzend auf gespeicherte Ideal- oder Mittelwertformen entsprechender Größe unter Berück¬ sichtigung eines angepaßten Übergangs zurückgegriffen wer¬ den.

Eine sich anschließende Rechnereinheit verarbeitet diese graphisch ermittelten Überlagerungen zu Oberflächenkoordi¬ naten des herzustellenden Zahnersatzzteiles. Dafür werden neben den ausgemessenen Zahnkonturen und der individuellen Okklusion vorzugsweise auch abgespeicherte Konturen eines gleichartigen defektlosen Idealzahnes oder einer entspre¬ chenden Zahngruppe zugrundegelegt. Über einen Wandler wer¬ den die ermittelten Daten an das Format der Eingangsdaten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine angepaßt. Diese dient dem automatischen Ausfräsen und gegebenenfalls dem Schleifen und Polieren des Zahnersatzteiles.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin¬ dung ist zur Führung des Meßstrahles über den zu vermes- senden Kieferbereich mindestens ein mittels der Ansteuer¬ mittel scannend bewegbarer Umlenkspiegel oder/und minde¬ stens ein Prisma vorgesehen. Zur Bewegung dient dabei be¬ vorzugt eine Doppelschlittenführung nach dem Prinzip eines Plotters.

Die Ansteuermittel erzwingen einen bestimmten Bewegungsab¬ lauf der Umlenkelemente und damit ein Durchmustern der Oberfläche. Da den Ansteuersignalen in eindeutiger Weise ebene Koordinaten (x; y) der Projektion des Meßstrahles auf den a szumessenden Zahn- oder Kieferbereich zugeordnet sind, entspricht jedem Wertepaar Ansteuersignal/Meßwert [(x; y)/(z)] genau ein Raumpunkt. Die Speicherung der Wer¬ tepaare erfolgt vorteilhafterweise in einem RAM- Festwertspeicher, wobei die Ansteuersignale die Adreßwerte bilden. Damit ist die Voraussetzung für eine bequeme Wei¬ terverarbeitung der Daten gegeben.

Die Ermittlung der Abstandsmeßwerte erfolgt im wesentli¬ chen nach bekannten optische Verfahren, beispielsweise dem Triangulationsverfahren oder dem Verfahren der dynamischen Fokussierung. Dementsprechend ist der Meßstrahl ein Laser- strahl oder ein Lichtstrahl, dessen Wellenlänge vorzugs¬ weise im Infrarot-Bereich liegt. Als lichtelektrischer Empfänger ist vor allem eine Fotodetektoranordnung aber auch ein CCD-Target geeignet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu¬ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht einer Abtastvorrichtung in sche¬ matisierter Darstellung,

Figur 2 eine Baugruppenübersicht zur Meßwertverarbeitung für die automatische Herstellung eines Zahnersatzteiles sowie

Figur 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer "elektronischen Bißfolie".

Die in Figur 1 wiedergegebene Abtastvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei parallelen Führungen in Form von Schienen 1 und 2, die durch in Form von Abstandhaltern ausgebildeten Streben 3 und 4 starr miteinander verbunden sind, einem auf den Schienen 1 und 2 beweglichen, eine Traverse bildenen Wagen 5 und einem auf dieser Traverse verschieblichen Läufer 6, welcher auf dem Wagen 5 senk-

recht zum Verlauf der Schienen 1 und 2 verschiebbar ist. Die Traverse 6 kann durch seine eigene Verschiebbarkeit auf dem Wagen 5 und durch die Verschiebbarkeit des Wagens 5 jeden Punkt einer zwischen den Schienen 1 und 2 aufge- spannten Ebene erreichen. Über einen mit dem Läufer 6 fest verbundenen Strahlführungskanal 7, der etwa die Länge ei¬ ner Schiene 1 bzw. 2 aufweist, ist in einem gemeinsamen Gehäuse 9 sowohl die Strahlungsquelle als auch der Empfän¬ ger des Meßstrahles 8 mit einer auf dem Läuferelement 6 befindlichen Meßeinheit 10 verbunden. Strahlungsquelle und Empfänger werden demzufolge mit dem Läufer mitbewegt. Die Meßeinheit 10 bildet eine komplette Entfernungsmeßeinrich¬ tung, welche den Abstand eines unterhalb der Meßeinheit befindlichen Hindernisses ermittelt und ein Signal aus- gibt, welches repräsentativ für diese, auf einen Punkt des Läufers bezogene Entfernung, ist. Bei einem nach dem Prin¬ zip der dynamischen Fokussierung arbeitenden System, wie es dem Abtaster eines CD-Spielers entspricht, dynamisch nachgeführt wird und die bei Scharfeinstellung sich erge- bende Positionsinformation als Abstandsmeßwert übermit¬ telt.

Die Ansteuerung des Wagens 5 und des Läufers 6 erfolgt entsprechend einem Plotter über miniaturisierte elektri- sehe Antriebsmotore. Figur 1 zeigt zwei unterschiedliche Positionen der mit Wagen 5 und Läufer 6 verschobenen Meßa¬ nordnung. Der Antrieb des Wagens 5 und des Läufers 6 kann beispielsweise über Schrittmotoren 11 und 12 vorgenommen werden, deren Mitnehmer 13 und 14 jeweils eine der Schie- nenlänge bzw. der Wagenlänge angepaßte, spindelförmige Schnecke 15 bzw. 16 in Drehung versetzen, wobei der Wagen

5 und der Läufer 6 mittels Zahnstangen in die Schnecken 15 und 16 eingreifen und dadurch bewegt werden. Die Span¬ nungsverläufe der Steuerspannungen für die Motoren 11 und 12, die den einzustellenden x/y-Werten der jeweils einzu- haltenden Position zugeordnet sind, werden von einer ex¬ ternen Baugruppe 17 her zugeführt und in Form von codier¬ ten Steuersignalen 17a (x-Position) und 17b (y-Position) codiert zugeführt, so daß sie vorteilhafterweise gleich¬ zeitig die Adressenwerte für die spätere Speicherung der ermittelten Meßwerte (z-Position) , die am Ausgang 17c er¬ halten werden, bilden können. Der Läufer 6 mit dem Meßsy¬ stem 10 und der Traverse des Wagens 5 entspricht in seiner Ausgestaltung der Führung eines Abtasters bei einem übli¬ chen CD-Spieler, so daß die entsprechenden am Markt er- hältlichen miniaturisierten Bauelemente großteils bei der Konstruktion benutzt werden können.

Die Abstandsabtastung kann auch nach anderen physikali¬ schen Verfahren erfolgen, wobei das der Triangulation zu nennen ist. Günstig sind auch solche Verfahren, welche ein Echosignal erzeugen, dessen Verzögerung einen Rückschluß auf den Tiefenabstand zuläßt und beispielsweise mittels Ultraschall oder Mikrowelle arbeiten.

In Figur 2 ist eine Baugruppenübersicht zur Meßwertverar¬ beitung für die automatische Herstellung eines Zahnersatz¬ teiles, insbesondere einer Krone oder einer Brücke, unter Berücksichtigung der Okklusion und der Artikulation wied¬ ergegeben. Eine Abtastvorrichtung 18, beispielsweise auf der Basis der in Figur 1 dargestellten Bauart, wird von einer externen Steuerung 19 derart angesteuert, daß der

Meßstrahl mit einem bestimmten Bewegungsablauf über das zu vermessende Zahngebiet geführt wird. Jedem AnsteuerSignal ist dabei ein eindeutiger Punkt der Scanningebene zugeord¬ net. Die Steuerung 19 ist über eine Codiereinrichtung 20 mit dem Adresseneingang 21 eines RAM-Festwertspeichers 22 verbunden, während die Meßsignale über eine Meßwertermitt¬ lung 23 direkt in die zugeordneten Speicherplätze 24 ge¬ langen. Ein mit dem Speicher 22 verbundener Rechner 25 verarbeitet die ermittelten und gespeicherten Oberflächen- koordinaten des Oberkieferbereiches und des zugeordneten Unterkieferbereiches, wodurch beide Bereiche als dreidi¬ mensionale Grafiken auf einem angeschlossenen Monitor 26 darstellbar sind. An den Monitor 26 angeschlossen ist au¬ ßerdem eine U-förmig gestaltete Bißgabel 27 aus drucksen- sitiver Folie, welche zur Feststellung der terminalen Ok¬ klusion und der Artikulation dient. Die ermittelten Druck¬ punkte bzw. Druckzonen werden auf dem Monitor 26 im glei¬ chen Maßstab wie der Oberkiefer- und der Unterkieferbe¬ reich abgebildet. Die Oberfläche der Bißgabel 27 ist zur besseren Positionierung im Munde in ein Wachsbad getaucht worden. Die Sterilisation der Bißgabel 27 ist problemlos mit Dampfstrahier und/oder Thermodesinfektor bzw. in den praxisüblichen Sterilisatoren durchführbar. Auch die Be¬ schichtung mit einer neuen Wachεschicht ist ohne großen Aufwand möglich. Über eine Maussteuerung 28 wird das Ab¬ bild der Bißgabel 27 mit den entsprechenden Punkten des Unterkieferabbildes und des Oberkieferabbildes in Deckung gebracht. Eine Auswerteeinheit 29 zur Ermittlung der Kon¬ turen des herzustellenden Zahnersatzteiles ist sowohl mit dem Rechner 25 als auch mit dem Monitor 26 und dem Spei¬ cher 22 verbunden, wobei die Monitorgrafik, die eine ein-

deutige Zuordnung von Ober- und Unterkiefer wiedergibt, in der Weise berücksichtigt wird, daß sich die zu ermitteln¬ den Konturen in die gegebene Okklusion bzw. Artikulation einfügen. Gleichzeitig werden die in dem Speicher 22 ent- haltenen Daten eines defektlosen Idealzahnes oder Ideal¬ zahngebietes zur Vervollständigung der fehlende Begren¬ zungsflächen des Zahnersatzes herangezogen. Die Ausgangs¬ daten der Auswerteeinheit 29 charakterisieren einen ver¬ messenen Negativabdruck eines Zahndefektes bzw. einer Zahnlücke, der nach dentologischen Gesichtspunkten unter Berücksichtigung der Okklusion und der Artikulation derart vervollständigt wurde, daß die Umrisse des herzustellenden Zaheresatzes damit gegeben sind. Diese Daten werden einem Wandler 30 zur Anpassung an das Format der Eingangsdaten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 31 zugeführt und dienen dann zur Ansteuerung der Werkzeugmaschine 31, insbesondere einer Fräsmaschine, welche das Zahnersatzteil in individuell passender Form aus einem Rohling ausfräst.

Bei der so dargestellten Vorrichtung zur individuellen Herstellung eines Zahnersatzteiles, insbesondere einer Krone oder eines Gebißteiles unter Verwendung eines, ins¬ besondere optischen, Systems zur Zahndefekterkennung und einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wobei die Steuersignale computergestützt von dem vermessenen Zahnde¬ fekt abgeleitet sind, sind somit vorgesehen: eine Ansteue- reinheit (19) zur, insbesondere scannenden, Führung des Meßstrahles (8) und Erzeugung von dreidimensionalen Abbil¬ dern von einander zugewandten Bereichen von Ober- und Un- terkiefer durch punktweise Abtastung, einen Meßwertspei¬ cher (22) für die Speicherung der Abbilder von Unter- und

Oberkiefer in Form von einzelnen, den Meßpunkten entspre¬ chenden Meßwertdaten als erster Datensatz, eine drucksen¬ sitive Bißfolie (27), eine Einheit zur zweidimensionalen Erfassung von Bereichen der Bißfolie, in denen bei einem Probebiß des Patienten ein vorgegebener Anpreßdruck über¬ schritten wird, und Speicherung dieser Koordinatenwerte als Daten in einem zweiten Datensatz, eine Rechnereinheit (25) zur Ermittlung von Bereichen, in denen die vertikalen Komponenten, unter Berücksichtigung der horizontalen Be- zugsebenen für die jeweils für Ober-und Unterkiefer und der unterschiedlichen Meßrichtung, getrennt erfaßten Me߬ werte eine übereinstimmende Höhenkomponente haben, und Speicherung dieser zweidimensionalen Daten in einem drit¬ ten Datensatz, elektronische Komponenten zur möglichst weitgehenden Überlagerung des zweiten und dritten Daten¬ satzes, wobei die die Daten des zweiten Datensatzes dem ersten Datensatz bezüglich ihrer Kordinatenwerte möglichst vollständig einbeschrieben sein sollen, insbesondere durch gleichmäßige Änderung der horizontalen Koordinatendaten für alle Punkte des zweiten Datensatzes relativ zu den Ko¬ ordinaten des dritten Datensatzes, sowie das Ergänzen von im Ober- bzw. Unterkiefer fehlenden und daher nicht erfa߬ ten Zahnbereichen entsprechend den Koordinaten der in die¬ sen Bereichen ermittelten Höheninformationen des Gegenkie- fers wieder unter Berücksichtigung der horizontalen Be¬ zugsebenen.

Auf diese Weise lassen sich auch fehlende Bereiche ent¬ sprechend dem individuellen Biß ergänzen. Die zwischen den Okklusionen und den restlichen Zahnbereichen vorhande¬ nen Bezirke werden in optimaler Anpassung der Übergangsbe-

reiche nach vorhandenen (gespeicherten) Zahnmustern er¬ gänzt.

Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer drucksensiti- ve Folie ist in den Figuren 3a in einem Schnittbild und 3b in einer Draufsicht wiedergegeben. Die Folie besteht im wesentlichen aus zwei Schichten gekreuzter Drähte,32 und 33, die durch eine gummiartige Isolationsschicht 34 von¬ einander getrennt sind, wobei die Isolationsschicht an den Kreuzungspunkten der Drähte jeweils ein Loch 35 aufweist. Bei Druck auf die Stelle 36 beispielsweise wird die gum¬ miartige Isolationsschicht zusammengepreßt, so daß sich die Drähte 37 der Schicht 32 und 38 der Schicht 33 inner¬ halb des Loches 39 berühren. Dadurch wird ein Kontakt ge- schlössen, der ein elektrisches Element einer nicht darge¬ stellten Schaltung irreversibel in einen anderenm Zustand setzt. Auf diese Weise läßt sich jeder Druckpunkt regi¬ strieren und zu einem beliebigen Zeitpunkt über einen Mo¬ nitor darstellen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei- spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

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