DE102007033351B4

DE102007033351B4 - System und Verfahren zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen

Info

Publication number: DE102007033351B4
Application number: DE102007033351.1A
Authority: DE
Inventors: Vadim Matov; Fuming Wu
Original assignee: Align Technology Inc
Current assignee: Align Technology Inc
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: DE102007033351A1; US20080014558A1; US7746339B2; GB2440235B; GB2440235A; GB0713472D0

Abstract

Computer-implementiertes Verfahren zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen einer okklusalen Fläche eines Zahns (400) eines Patienten, mit folgenden Schritten:
a) Empfangen dreidimensionaler Daten der okklusalen Fläche des Zahns (400);
b) Projizieren der dreidimensionalen Daten in eine zweidimensionale Ebene;
c) Bilden einer Höhenkarte aus den projizierten dreidimensionalen Daten; und
d) Detektieren lokaler Maximalpunkte (1020) aus der Höhenkarte.
e) Entfernen eines irrtümlicherweise detektierten lokalen Maximalpunkts (1020) und Herstellen mindestens eines Aligners zum Bewegen eines Zahns (400) aus einer Anfangsposition heraus zum Erzielen einer gewünschten Endposition auf Basis der Schritte a) bis e).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Kieferorthopädie und insbesondere Systeme und Verfahren zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Aufgabe der Kieferorthopädie ist es, die Zähne eines Patienten in Positionen zu bewegen, in welchen die Zähne optimal funktionieren und auch ästhetisch ansprechend sind. Herkömmliche Vorrichtungen wie Klammern und Drähte werden von einem Kieferorthopäden an den Zähnen eines Patienten angebracht. Sobald sie an den Zähnen angebracht sind, üben die Klammern eine kontinuierliche Kraft auf die Zähne aus und drücken die Zähne allmählich in deren jeweilige ideale Position. Der Kieferorthopäde erreicht dies, indem er die Klammern im Lauf der Zeit nachstellt, um die Zähne in Richtung ihrer endgültigen Zielposition zu bewegen.
Kieferorthopädische Klammern sind oft direkt mit den Zähnen des Patienten verbondet. Üblicherweise wird eine geringe Menge Kleber auf der Basis jeder Klammer aufgebracht, und die Klammer wird anschließend an einen ausgewählten Zahn angesetzt. Bevor der Kleber gehärtet ist, wird die Klammer an eine gewünschte Stelle an dem Zahn bewegt. Sobald der Kleber gehärtet ist, ist die Klammer mit ausreichender Festigkeit mit dem Zahn verbondet, um im weiteren Verlauf der Behandlung aufgebrachten kieferorthopädischen Kräften zu widerstehen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Schwierigkeit, Zugang zu der optimalen Fläche für die Platzierung der Klammer bei sehr eng stehenden Zähnen oder bei Zähnen zu finden, bei denen die Bondfläche beim Schließen des Kiefers durch Zähne in dem gegenüberliegenden Bogen versperrt ist. Bei Backenzähnen kann der behandelnde Arzt Schwierigkeiten haben, die genaue Position der Klammer in Bezug auf die Zahnfläche zu erkennen. Der für die Durchführung des Bondvorgangs erforderliche Zeitraum kann sowohl für den Patienten, als auch für den behandelnden Arzt ein Ärgernis darstellen. Darüber hinaus kann die Notwendigkeit der Minimierung der Kontamination durch von dem Speichel des Patienten kommende Feuchtigkeit den Vorgang verlängern und ferner die Genauigkeit der Anordnung der Klammern an den Zähnen übermäßig beeinträchtigen. All diese Faktoren vergrößern die Möglichkeit, dass eine oder mehrere Klammern nicht korrekt an den Zähnen positioniert werden.
Vorrichtungen, Systeme und Verfahren wurden entwickelt, um das Bewegen von Zähnen zu erleichtern, indem transparente, abnehmbare Zahn-Aligner als Alternative zu Klammern verwendet werden. Zunächst wird ein Abdruck des Bisses eines Patienten genommen und gewünschte Endpositionen für die Zähne des Patienten (d. h. eine funktional und ästhetisch optimale Position) werden basierend auf den Vorgaben eines Kieferorthopäden oder eines Zahnarztes bestimmt. Korrekturwege zwischen den Ausgangspositionen der Zähne und deren gewünschten Endpositionen werden sodann geplant. Diese Korrekturwege umfassen im Allgemeinen mehrere Zwischenpositionen zwischen den Ausgangs- und den Endpositionen der Zähne. Mehrere transparente, abnehmbare Aligner, die zum Bewegen der Zähne entlang der Korrekturwege in die verschiedenen Positionen geformt sind, werden anschließend hergestellt. Ein System zur Bereitstellung derartiger Aligner ist das Invisalign^®-System von Align Technologies, Inc., Santa Clara, Kalifornien.
Zahnanatomiemerkmale, wie Zahnhöcker, Kanten und Rillen, müssen ebenfalls ausgewertet werden, um die geeigneten Korrekturwege und die gewünschten Endpositionen der Zähne zu bestimmen. Der Ober- und der Unterkiefer sollten gut zusammenpassen, und der Okklusionsbogen des Ober- bzw. des Unterkiefers sollte gut ausgerichtet und glatt sein. Um die verschiedenen Eigenschaften der Okklusionsbögen des Ober- und des Unterkiefers auswerten zu können, ist es erforderlich, verschiedene Zahnmerkmale zu messen. Die automatische Erkennung dieser Zahnmerkmale würde eine Zeitersparnis bedeuten und menschliche Fehler eliminieren, wodurch die Genauigkeit der Dentalmessungen erhöht würde.
US 7 063 532 B1 offenbart ein Computer-implementiertes Verfahren zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen, wobei dreidimensionale Daten des Zahns empfangen werden, diese in zweidimensionale Scheiben segmentiert werden und bukkale und linguale Oberflächen der Zähne und des Zahnfleisches definierende Punkte identifiziert werden. DE 196 42 247 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnersatzteils, bei dem mit einem Computer-implementierten Verfahren Merkmalspunkte eines Zahns ermittelt und ein Höhenprofil des Zahns erstellt wird. Aus US 6 441 816 B1 ist bekannt, dreidimensionale Oberflächen über Höhenkarten darzustellen, zu modellieren und zu rendern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Computer-implementiertes Verfahren und System zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen zu schaffen. Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 14.
Überblick über die Erfindung
Es werden Systeme und Verfahren zur automatischen Erkennung von Zahnmerkmalen, wie Zahnhöcker, Kanten und Rillen, offenbart. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst ein Computer-implementiertes System und ein Verfahren zur automatischen Erkennung von Zahnmerkmalen der okklusalen Fläche eines Zahnes eines Patienten das Empfangen dreidimensionaler Daten der okklusalen Fläche des Zahns, das Projizieren der dreidimensionalen Daten auf eine zweidimensionale Ebene, das Bilden einer Höhenkarte aus den projizierten dreidimensionalen Daten, und das Erkennen einer Gruppe von Punkten aus der Höhenkarte.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren der Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren ähnliche Elemente bezeichnen, und in welchen:
1A, 1B und 1C Diagramme zur Darstellung der Anordnung der Zähne eines Patienten in einem Ausgangsstadium, einem Zwischenstadium bzw. einem Endstadium der kieferorthopädischen Behandlung sind;
1D ein Diagramm zur Darstellung der Zahnnummerierung nach dem Standardsystem der Zahnnummerierung ist;
2 ein Diagramm zur Darstellung eines Teilmodells der Dentition eines Patienten, einschließlich eines Modells des Zahnfleischgewebes, ist;
3 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines beispielhaften Vorgangs zur automatischen Erkennung von Zahnmerkmalen ist;
4 eine exemplarische Bezugsachse für die Zähne eines Patienten darstellt;
5 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines exemplarischen Vorgangs zur automatischen Erkennung von Zahnhöckern zeigt;
6 ein Diagramm zur Darstellung der Okklusionslinie eines exemplarischen Ober- bzw. Unterkiefers zeigt;
7 ein Diagramm der verschiedenen Klassen der normalen Okklusion und der Malokklusion darstellt;
8 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Vorgangs zur automatischen Erkennung von Kanten zeigt;
9 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Vorgang zur automatischen Erkennung von Rillen zeigt;
10A–B exemplarische, gemäß dem beispielhaften Vorgang von 5 erkannte Zahnhöcker darstellen; und
11A–B exemplarische, gemäß dem beispielhaften Vorgang von 8 erkannte Kanten darstellen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann im Folgenden unter Bezugnahme auf verschiedene Komponenten und Verarbeitungsschritte beschrieben werden. Es sei darauf hingewiesen, dass derartige Komponenten und Schritte durch eine beliebige Zahl von Hardware- und Software-Komponenten realisiert werden können, die zur Durchführung der spezifischen Funktionen konfiguriert sind. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verschiedene elektronische Steuervorrichtungen, visuelle Anzeigevorrichtungen, Eingabeterminals und dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl verschiedener Funktionen unter Steuerung durch ein oder mehrere Steuersysteme, Mikroprozessoren oder andere Steuervorrichtungen ausführen können. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung in einer beliebigen Anzahl von kieferorthopädischen Zusammenhängen eingesetzt werden, und die angeführten Ausführungsbeispiele eines Systems und eines Verfahrens zur automatischen Erkennung von Zahnmerkmalen sind lediglich einige der exemplarischen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung. Beispielsweise sind die erörterten Prinzipien, Merkmale und Verfahren auf jede beliebige kieferorthopädische Behandlung anwendbar.
Die US-Patente US 7 063 532 B1 und US 6 514 074 B1 beschreiben Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler digitaler Datensätze, die Modelle individueller Komponenten der Dentition eines Patienten enthalten. Diese Datensätze umfassen digitale Modelle einzelner Zähne und des die Zähne umgebenden Zahnfleischgewebes. Ferner beschreiben diese Anmeldungen aus Computer-implementierten Verfahren zur Verwendung der digitalen Modelle bei dem Entwurf und der Simulation eines kieferorthopädischen Behandlungsplans für den Patienten. Ein derartiges Verfahren umfasst beispielsweise das Empfangen eines Ausgangsdatensatzes, der die Zähne des Patienten vor der Behandlung darstellt, das Vorgeben einer angestrebten Anordnung der Zähne des Patienten nach der Behandlung, und das Berechnen von Transformationen, welche die Zähne entlang der angestrebten Behandlungswege aus den Ausgangspositionen in die Zielpositionen bewegen. US-Patent US 6 450 807 B1 beschreibt ebenfalls die Erzeugung von Datensätzen, welche die Zahnpositionen in verschiedenen Behandlungsstadien darstellen, und die Verwendung dieser Datensätze zur Herstellung von kieferorthopädischen Vorrichtungen, welche den Behandlungsplan umsetzen. Ein Verfahren zur Herstellung einer kieferorthopädischen Vorrichtung umfasst das Herstellen einer positiven Form der Dentition des Patienten in einem der Behandlungsstadien und das Verwenden eines herkömmlichen Druckformverfahrens zum Bilden der Vorrichtung um die positive Form. Das Entwerfen kieferorthopädischer Vorrichtungen nach digitalen Dentitionsmodellen ist beispielsweise in US-Patent US 6 471 511 B1 beschrieben.
Die 1A, 1B und 1C zeigen die Dentition eines Patienten in drei Stadien während des Verkaufs der Behandlung. 1A zeigt die Ausgangspositionen der Zähne des Patienten vor Beginn der Behandlung. Ein digitales Modell der Zähne in diesen Ausgangspositionen wird in einem digitalen Ausgangsdatensatz (IDDS) erfasst.
Ein derartiger IDDS kann auf vielfältige Art und Weise erhalten werden. Beispielsweise können die Zähne eines Patienten unter Verwendung bekannter Technologien, beispielsweise Röntgenstrahlen, dreidimensionale Röntgenstrahlen, computerunterstützte tomografische Bilder oder Datensätze, Magnetresonanzbilder und dergleichen, abgetastet oder abgebildet werden.
Verfahren zum Digitalisieren derartiger herkömmlicher Bilder zur Erstellung von Datensätzen sind bekannt und in der Patent- und Medizinliteratur beschrieben. Zum Beispiel sieht ein Ansatz vor, zunächst einen Gipsabdruck der Zähne des Patienten durch bekannte Verfahren herzustellen, wie in Graber: Orthodontics: Principle and Practice, Zweite Ausgabe, Saunders, Philadelphia, 1969, S. 401–415 beschrieben. Nachdem der Zahnabdruck gefertigt wurde, kann er mittels eines herkömmlichen Laserscanners oder eines anderen Bereichserfassungssystems abgetastet werden, um den IDDS zu erstellen. Der von dem Bereichserfassungssystem erstellte Datensatz kann selbstverständlich in andere Formate umgewandelt werden, um mit der Software kompatibel zu sein, die zum Bearbeiten der Bilder des Datensatzes verwendet wird. Allgemeine Verfahren zur Herstellung von Gipsabdrücken von Zähnen und zum Erzeugen digitaler Modelle unter Verwendung von Laserabtastverfahren sind beispielsweise in dem US-Patent 5 605 459 B1 beschrieben. Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Erfassen eines digitalen Modells der Zähne eines Patienten auch Verfahren umfassen, wie sie in dem US-Patent 6 767 208 B1 mit dem Titel: ”System and Method for Positioning Teeth”, übertragen an Align Technology, Inc. beschrieben sind. Dementsprechend kann jede Methodik oder jedes Verfahren zum Umwandeln gescannter Daten in eine digitale Darstellung oder eine andere Verfahrensweise zum Erstellen eines digitalen Modells der Zähne eines Patienten verwendet werden.
1B zeigt ein Beispiel für die Ausrichtung der Zähne eines Patienten in einem Zwischenstadium des Behandlungsablaufs, und 1C zeigt ein Beispiel für die mögliche Ausrichtung der Zähne des Patienten in deren Endpositionen. Ein menschlicher Bediener und/oder ein Computerprogramm bearbeiten die digitalen Modelle der Zähne eines Patienten, um die Endpositionen vorzugeben. Das Programm berechnet sodann eine oder mehrere Zwischenpositionen unter Berücksichtigung jeglicher Beschränkungen der Bewegung der Zähne durch den menschlichen Bediener oder die natürlichen Eigenschaften der Zähne selbst. Das Programm berücksichtigt ferner jegliche Kollisionen, die bei der Bewegung der Zähne von einem Behandlungsstadium zum nächsten auftreten können. Das Wählen der End- und Zwischenpositionen der Zähne und der Behandlungswege, entlang derer sich die Zähne bewegen, ist im Detail in einer oder mehreren der vorgenannten Patentanmeldungen beschrieben, auf deren Inhalt verwiesen wird.
1D ist ein Diagramm eines Gebisses, welches das Standardsystem zur Nummerierung von Zähnen darstellt. In der nachfolgenden Erörterung wird auf dieses Standardsystem der Nummerierung Bezug genommen.
2 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Bereichs eines typischen digitalen Dentitionsmodells 110, welches aus dem IDDS abgeleitet ist. Das Dentitionsmodell 110 umfasst Modelle einzelner Zähne 120 und ein Modell des Zahnfleischs 140 des Patienten. Verschiedene Verfahren zum Erstellen von Modellen des Zahnfleischgewebes und einzelner Zähne aus dem IDDS sind beispielsweise in den US-Patenten US 7 063 532 B1 und US 6 514 074 B1 beschrieben.
Ferner zeigt 2 einen Bereich eines anderen Zahnfleischmodells 200 (ein ”sekundäres” Zahnfleischmodell), welches derart ausgebildet ist, dass es das aus dem IDDS abgeleitete Zahnfleischmodell 140 (das ”primäre” Zahnfleischmodell) überlagert. Das Programm verwendet das sekundäre Zahnfleischmodell 200, um die Verformung des Zahnfleischgewebes um die Zähne des Patienten bei der Bewegung der Zähne von der Ausgangsposition in die Endposition nachzubilden. Dies gewährleistet, dass nach positiven Abdrücken der Dentition des Patienten hergestellte kieferorthopädische Vorrichtungen in allen Behandlungsstadien angenehm um das Zahnfleisch des Patienten passen. Das sekundäre Zahnfleischmodell 200 fügt ferner dem Zahnfleischmodell Dicke hinzu, wodurch sichergestellt wird, dass die kieferorthopädischen Vorrichtungen nicht zu eng anliegend gegen das Zahnfleisch des Patienten drücken.
Im Folgenden wird auf verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, welche in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Zwar sind diese exemplarischen Ausführungsbeispiele ausreichend detailliert beschrieben, um einen Fachmann auf diesem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, jedoch sei darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele realisiert werden können, und dass logische und/oder medizinische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Die hier dargelegten verschiedenen Ausführungsbeispiele dienen somit lediglich illustrativen Zwecken und sind nicht einschränkend zu verstehen. Beispielsweise können die zu einem der beschriebenen Verfahren oder Abläufe angeführten Schritte in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden und sind nicht auf die angegebene Reihenfolge beschränkt. Darüber hinaus kann eine oder mehrere Funktionen oder ein oder mehrere Schritte zur Durchführung an einen oder mehrere Dritte vergeben werden.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die herkömmliche Datenvernetzung, Anwendungsentwicklung und andere funktionale Aspekte der Systeme (und Komponenten der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) hier nicht im Einzelnen beschrieben. Ferner sollen die in den verschiedenen Figuren dargestellten Verbindungslinien exemplarische funktionsmäßige Beziehungen und/oder physische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche alternative und/oder zusätzliche Funktionsbeziehungen oder physische Verbindungen in einem realen System vorhanden sein können.
Zahlreiche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, welche darin gespeicherte Programme zum stufenweisen Darstellen der Bewegung der Zähne eines Patienten enthalten. Die Rechenvorrichtung(en) oder verschiedene Komponenten einer beliebigen hierin erörterten Rechenvorrichtung kann (können) eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: einen Hostserver oder andere Rechensysteme, die einen Prozessor zum Verarbeiten digitaler Daten enthalten; einen mit dem Prozessor gekoppelten Speicher zum Speichern digitaler Daten; einen mit dem Prozessor gekoppelten Eingabedigitalisierer zum Eingeben von digitalen Daten; ein in dem Speicher gespeichertes Anwendungsprogramm, auf welches der Prozessor zum Steuern der Verarbeitung von digitalen Daten durch den Prozessor zugreifen kann; eine mit dem Prozessor und dem Speicher verbundene Anzeigevorrichtung zum Anzeigen von Informationen, die aus von dem Prozessor verarbeiteten digitalen Daten abgeleitet sind; und mehrere Datenbanken. Verschiedene hier verwendete Dateiverzeichnisse und/oder Datenbanken können umfassen: Kundendaten; Händlerdaten; und/oder andere ähnliche nützliche Daten.
Wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, kann jegliche von einem Benutzer verwendete Rechenvorrichtung ein Betriebssystem (beispielsweise Windows NT, 95/98/2000, OS2, UNIX, Linux, Solaris, MacOS, etc.) sowie zahlreiche verschiedene unterstützende Software und Treiber aufweisen, die üblicherweise mit Computern einhergehen. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist ferner ersichtlich, dass jede Rechenvorrichtung als spezifisch angepasste Ausführung eines existierenden Systems, ein Add-On-Produkt, Upgrade-Software, ein eigenständiges System, ein verteiltes System, ein Verfahren, ein Datenverarbeitungssystem, eine Datenverarbeitungsvorrichtung, und/oder ein Computerprogramm vorliegen kann. Daher kann jedes darin gespeicherte Programm die Form eines ausschließlich als Software vorliegenden Ausführungsbeispiels, eines ausschließlich als Hardware vorliegenden Ausführungsbeispiels, oder die Form eines Ausführungsbeispiels aufweisen, dass Aspekte von Software und Hardware kombiniert. Ferner kann jedes Programm als Computerprogramm auf einem computerlesbaren Speichermedium mit in dem Speichermedium enthaltenen computerlesbaren Programmcodeeinrichtungen vorliegen. Jedes geeignete computerlesbare Speichermedium kann verwendet werden, einschließlich Festplatte, CD-ROMs, optische Speichervorrichtungen, magnetische Speichervorrichtungen und/oder dergleichen.
Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist eine Rechenvorrichtung derart konfiguriert, dass sie eine elektronische Darstellung der Zähne eines Patienten in einer Ausgangsposition, welche beispielsweise durch einen intra-oralen Scanner oder einem CT-Scanner basierend auf einem Abdruck oder Teilabdruck der Zähne des Patienten erfasst wurde. Die empfangenen Daten umfassen dreidimensionale Daten der Zähne des Patienten, welche als Eingang in die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur automatischen Erkennung der Merkmale der Zähne verwendet werden können. Darüber hinaus ist die Rechenvorrichtung derart konfiguriert, dass sie eine elektronische Darstellung einer angestrebten Endposition jedes der Zähne eines Patienten empfängt oder erzeugt. Das in der Rechenvorrichtung gespeicherte Programm ist zum Analysieren der Ausgangs- und der Endpositionen und zum automatischen Erstellen einer Route ausgebildet, welche jeder Zahn von seiner Ausgangsposition zu seiner Endposition zurücklegen soll. Eine Reihe von Alignern, welche die Zähne in den verschiedenen Stadien entlang dem Weg bewegen, wird für den Patienten hergestellt. Während der Patient die Aligner trägt, bewegen sich die Zähne des Patienten entsprechend jedem Stadium entlang dem Weg.
Für die Analyse der Ausgangs- und Endpositionen der Zähne kann eine Analyse des Okklusionsbogens des Ober- und des Unterkiefers durchgeführt werden. Darüber hinaus kann auch eine Analyse des Zusammenpassens oder des ”Bisses” des Ober- und des Unterkiefers insbesondere hinsichtlich der Art des Zusammenpassens der Backenzähne des Ober- und des Unterkiefers durchgeführt werden. Zur Unterstützung dieser Analyse werden Messungen anhand der verschiedenen Merkmale der Zähne vorgenommen. Um diese Messungen zu unterstützen, sieht die Erfindung das automatische Erkennen verschiedener Merkmale, beispielsweise Zahnhöcker, Kanten und/oder Rillen, der Zähne vor.
3 ist ein Flussdiagramm, welches einen exemplarischen Vorgang zum automatischen Erkennen von Zahnmerkmalen darstellt. Zuerst wird jedem Zahn ein orthogonaler (d. h. x, y, z) Referenzrahmen zugewiesen, auf den als Basis (310) Bezug genommen wird. Die empfangenen dreidimensionalen Daten der Zähne dienen der Erstellung einer zweidimensionalen Höhenkarte für einen Zahn, indem die dreidimensionalen Daten der okklusalen Fläche des Zahns in zwei Dimensionen in okklusaler Richtung (d. h. in Richtung der z-Achse) projiziert werden (320). Unter Verwendung der 2D-Höhenkarten können Zahnhöcker (330), Kanten (340 und/oder Rillen (350) automatisch erkannt werden.
Bezugnehmend auf 4, kann jedem Zahn 400 ein orthogonaler Referenzrahmen 410 mit einer x-Achse 412, einer y-Achse 414 und einer z-Achse 416 zugewiesen werden. Der orthogonale Referenzrahmen 410 kann ebenfalls als Basis angesehen werden. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die x-Achse in bukkal-lingualer Richtung, also der Richtung zwischen Wange und Zunge, ausgerichtet. Die y-Achse 414 ist in mesial-distaler Richtung, also der Richtung zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des Mundes, ausgerichtet. Die z-Achse 416 ist in okklusal-radikaler Richtung, also der Richtung zwischen der Oberseite des Zahns und dem im Zahnfleisch befindlichen Teil des Zahns, ausgerichtet. Es ist ersichtlich, dass in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Achsen x, y und z gegeneinander vertauscht werden können. Die Schnittstelle der drei Achsen ist der Punkt 420, der nahe der Klinischen Krone des Zahns liegt.
Zahnhöcker sind wesentliche anatomische Zahnmerkmale, die bei der Bestimmung der Klasse der Malokklusion verwendet werden. Wie in den 6 und 7 dargestellt, tritt eine normale Okklusion auf, wenn der obere und der untere Backenzahn derart zusammenpassen, dass der mesiobukkale Zahnhöcker voll in die bukkale Rille des unteren Backenzahns greift. Bei einer normalen Okklusion sollten darüber hinaus, wie in 6 dargestellt, die Zähne des Oberkiefers 610 und des Unterkiefers 620 in einer glatt gebogenen Okklusionslinie 612, 614 angeordnet sein. Eine Malokklusion der Klasse I 710 ist gegeben, wenn das Verhältnis der Backenzähne normal ist, jedoch die Okklusionslinie 612, 622 aufgrund von fehlgestellten Zähnen, Drehungen oder anderen Gründen (beispielsweise engstehende Zähne, schiefe Zähne, verdrehte Zähne) inkorrekt ist. Eine Malokklusion der Klasse II 720 ist gegeben, wenn der untere Backenzahn in Bezug auf den oberen Backenzahn distal angeordnet ist (d. h Überbiss oder ”vorstehende Zähne”). Eine Malokklusion der Klasse III 730 ist gegeben, wenn der untere Backenzahn in Bezug auf den oberen Backenzahn mesial angeordnet ist (d. h. Unterbiss). Das Feststellen der Okklusionsklasse umfasst das Detektieren der Zahnhöcker, so dass das Zusammenpassen der Backenzähne des Oberkiefers mit dem Backenzähnen des Unterkiefers gemessen werden kann.
Wie zuvor erwähnt, werden Eingangsdaten in Form dreidimensionaler Daten empfangen, welche die Ausgangsposition der Zähne darstellen. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen diese Eingangsdaten als dreidimensionales Gittermodell (d. h. eine Reihe von miteinander verbundenen Dreiecken) vor, das zur Wiedergabe der Oberfläche der Zähne dient. Wie in den 5 und 10A–B dargestellt, können Zahnhöcker anhand eines dreidimensionalen Gittermodells 1000 eines Zahns automatisch detektiert werden. Zunächst wird ein dreidimensionales Gittermodell 1000 der okklusalen Fläche 1010 eines bestimmten Zahns abgetastet und in der okklusalen Richtung der Zähne projiziert (Schritt 510). In diesem Schritt, und gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird jeder Punkt des dreidimensionalen Gitters der okklusalen Fläche des Zahns in Richtung der z-Achse 416 auf eine zweidimensionale Ebene projiziert. Die resultierenden projizierten Daten dienen der Erstellung einer zweidimensionalen Höhenkarte der okklusalen Fläche des Zahns (Schritt 520). Nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht jeder Punkt der zweidimensionalen Höhenkarte einem Scheitelpunkt des Gitters für die okklusale Fläche des Zahns. Der ”Wert” jedes Punkts der Höhenkarte entspricht der relativen Höhe der okklusalen Fläche am einem bestimmten Scheitelpunkt des dreidimensionalen Gitters. Anders ausgedrückt: eine Höhenkarte für die okklusale Zahnfläche wird durch Erfassen und Projizieren der dreidimensionalen Daten der okklusalen Zahnfläche in Richtung der z-Achse 416 des Referenzrahmens 410 des Zahns erstellt.
Nachdem durch Erfassen und Projizieren des Gittermodells des dreidimensionalen Zahns in okklusaler Richtung, oder in Richtung der z-Achse 416 des Referenzrahmens 410 des Zahns, die zweidimensionale Höhenkarte erstellt wurde, werden die zweidimensionalen Höhenkartendaten geglättet, um das Rauschen der Daten zu verringern (Schritt 530), indem die 2D-Datten durch einen Glättungsfilter geleitet werden. Das Detektieren der lokalen Maximumpunkte 1020 erfolgt, indem die Daten der resultierenden zweidimensionalen Höhenkarte durchlaufen werden und die Maximumwerte in einem lokalen Bereich ausgewählt werden (Schritt 540). Nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist ein lokaler Bereich ein Bereich mit einer der okklusalen Fläche des Zahns entsprechenden Größe. Die Größe des lokalen Bereichs kann beispielsweise unter Verwendung eines Parameters entsprechend dem Computerprogramm konfigurierbar sein. Dieser und andere Parameter sind aus einer Konfigurationsdatei (beispielsweise Parameterdatei) auslesbar oder können von einem Benutzer in Reaktion auf eine oder mehrere Aufforderungen seitens des Computerprogramms eingegeben werden. Die Detektion lokaler Maximumpunkte 1020 kann zu mehr Punkten führen, als Zahnhöcker bei einem bestimmten Zahn vorhanden sind (d. h. vier Zahnhöcker bei Backenzähnen, zwei Zahnhöcker bei Prämolaren oder Schneidezähnen). Dies kann durch Datenrauschen, Variationen der Zahnform oder andere Faktoren bedingt sein.
Irrtümlich detektierte Zahnhöcker können unter Verwendung des folgenden Regelsatzes eliminiert werden (Schritt 550). Wenn zwei Maximumpunkte 1020 nahe beieinander liegen, das heißt, innerhalb eines vordefinierten (d. h. konfigurierbaren) Bruchteils der bukkal-lingualen Breite des Zahns, wird der untere Punkt (d. h. der kleinere Höhenwert) aus der Liste der detektierten Zahnhöcker entfernt. Eine Begründung hierfür ist, dass Zahnhöcker üblicherweise nicht in enger Nähe zueinander auftreten. Ferner befinden sich Zahnhöcker üblicherweise nahe Zahnrändern und sind von der Mittelrille des Zahns beabstandet. Wenn somit einer der detektieren Maximumpunkte sich in enger Nähe zu der Mittelrille des Zahns befindet, das heißt, innerhalb des vordefinierten Bruchteils der bukkal-lingualen Breite der Zähne, wird der detektierte Punkt aus der Liste der detektierten Zahnhöcker entfernt. Schließlich werden nur zwei Maximumwerte auf der bukkalen Seite (d. h. Wangenseite) und der lingualen Seite (d. h. Zungenseite) beibehalten. Nach dem Entfernen der irrtümlichen Zahnhöcker sollte daher die Gesamtzahl der Zahnhöcker jedes Backenzahns geringer oder gleich vier und die Gesamtzahl der Zahnhöcker für jeden Prämolar weniger als oder gleich zwei betragen.
Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können, wie in den 8 und 11A–B dargestellt, Kanten eines Zahns automatisch detektiert werden, indem Daten der zweidimensionalen Höhenkarte der okklusalen Fläche des Zahns verwendet werden. Bei Backenzähnen und Prämolaren können die bukkalen und lingualen Kanten automatisch detektiert werden. Bei Eckzähnen und Schneidezähnen können okklusale Kanten automatisch detektiert werden.
Nach der zuvor beschriebenen Erstellung der zweidimensionalen Höhenkarte wird ein Satz von Kurven dritter Ordnung 1100 in zu der Richtung der y-Achse 414 senkrechten Ebenen erstellt, wobei hierzu nahegelegene Datenpunkte verwendet werden (Schritt 810), die sich innerhalb einer vordefinierten (d. h. beispielsweise durch einen Programmparameter konfigurierbaren) Distanz voneinander befinden. Nach der Erstellung des Satzes der Kurven 1100 dritter Ordnung werden die höchsten Punkte 1110 in jeder Kurve dritter Ordnung detektiert (Schritt 820), indem die zweidimensionalen Höhenkartendaten auf die Punkte der Kurve hin untersucht werden. Die detektierten höchsten Punkte werden sodann verknüpft, um eine Randkurve zu bilden, die einer Kante des Zahns entspricht (Schritt 830). Dieses Verfahren wird zum Detektieren bukkaler (d. h. entlang der Wange verlaufender) und lingualer (d. h. entlang der Zunge verlaufender) Kanten von Backenzähnen und Prämolaren, und okklusaler (d. h. entlang der Oberseite des Zahns verlaufender) Kanten von Eckzähnen und Schneidezähnen verwendet.
Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können, wie in 9 dargestellt, Rillen automatisch detektiert werden, indem die Daten der zweidimensionalen Höhenkarte verwendet werden. Wie bei der Kantendetektion wird ein Satz von Kurven dritter Ordnung in zu der y-Richtung senkrechten Ebenen unter Verwendung der nahegelegenen Datenpunkte erzeugt (Schritt 910). Die tiefsten Punkte der Kurve dritter Ordnung werden detektiert (Schritt 920), indem die zweidimensionalen Höhenkartendaten auf jeden Punkt der Kurve hin untersucht werden. Die detektierten tiefsten Punkte werden sodann miteinander verknüpft, um eine Randkurve zu bilden, die einer Rille des Zahns entspricht (Schritt 930). Dieses Verfahren kann zum Detektieren der Mittelrillen von Backenzähnen und Prämolaren verwendet werden.
Weitere Informationen über Zahnmerkmale und verschiedene Verfahren zum Bestimmen der Endposition von Zähnen sind in dem US-Patent 6 685 469 B1 beschrieben.

Claims

Computer-implementiertes Verfahren zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen einer okklusalen Fläche eines Zahns (400) eines Patienten, mit folgenden Schritten: a) Empfangen dreidimensionaler Daten der okklusalen Fläche des Zahns (400); b) Projizieren der dreidimensionalen Daten in eine zweidimensionale Ebene; c) Bilden einer Höhenkarte aus den projizierten dreidimensionalen Daten; und d) Detektieren lokaler Maximalpunkte (1020) aus der Höhenkarte. e) Entfernen eines irrtümlicherweise detektierten lokalen Maximalpunkts (1020) und Herstellen mindestens eines Aligners zum Bewegen eines Zahns (400) aus einer Anfangsposition heraus zum Erzielen einer gewünschten Endposition auf Basis der Schritte a) bis e).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnmerkmale Zahnhöcker (330) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt des Glättens der Höhenkarte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens irrtümlicherweise detektierter lokaler Maximalpunkte (1020) umfasst: Entfernen eines unteren Punkts aus einem Satz zweier Maximalpunkte (1020), die innerhalb einer vorbestimmten Distanz angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens irrtümlicherweise detektierter lokaler Maximalpunkte (1020) umfasst: Entfernen der detektierten lokalen Maximalpunkte (1020), die innerhalb einer vorbestimmten Distanz von einer Mittelrille des Zahns angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens irrtümlicherweise detektierter lokaler Maximalpunkte (1020) aufweist: Beibehalten zweier detektierter lokaler Maximalpunkte (1020) an einer bukkalen und einer lingualen Seite des Zahns (400).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnmerkmal eine Kante (340) ist, wobei der Schritt des Detektierens lokaler Maximalpunkte (1020) folgenden Schritt umfasst: Bilden eines Satzes Kurven dritter Ordnung (1100) aus der Höhenkarte; und wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: f) für jede der Kurve dritter Ordnung (1100), Detektieren eines Satzes hoher Punkte (1110) aus den Höhenkarten-Daten; und g) Verknüpfen des Satzes hoher Punkte (1110) zur Bildung einer Kurve.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt des Glättens der Höhenkarte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnmerkmal eine Rille (350) ist, wobei der Schritt des Detektierens lokaler Maximalpunkte (1020) folgende Schritte umfasst: e) für jede der Kurven dritter Ordnung (1100), Detektieren eines Satzes tiefer Punkte aus den Höhenkarten-Daten; und f) Verknüpfen des Satzes tiefer Punkte zur Bildung einer Kurve.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Glättens der Höhenkarte.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren lokaler Maximalpunkte (1020) aus der Höhenkarte die Detektion mehrerer Zahnhöcker (330) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren lokaler Maximalpunkte (1020) den Schritt des Detektierens eines Satzes hoher Punkte (1110) aus den Höhenkarten-Daten für eine Kurve dritter Ordnung (1100) zwecks Ermöglichung der Detektion einer Kante (340) umfasst, und dass das Verfahren ferner umfasst: e) Bilden eines Satzes Kurven dritter Ordnung (1100) aus der Höhenkarte; f) Verknüpfen des Satzes hoher Punkte (1110) zur Bildung einer Kurve.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren lokaler Maximalpunkte (1020) den Schritt des Detektierens eines Satzes tiefer Punkte aus den Höhenkarten-Daten für die Kurve dritter Ordnung (1100) zwecks Ermöglichung der Detektion einer Rille (350) umfasst, und dass das Verfahren ferner umfasst: e) Bilden eines Satzes Kurven dritter Ordnung (1100) aus der Höhenkarte; f) Verknüpfen des Satzes tiefer Punkte zur Bildung einer Kurve.
Computerisiertes System zur automatischen Detektion von Zahnmerkmalen einer okklusalen Fläche eines Zahns (400) eines Patienten, wobei das computerisierte Modelliersystem aufweist: Einen zur Ausführung mehrerer Algorithmen geeigneten Mikroprozessor, eine Speichervorrichtung, wobei das computerisierte Modelliersystem ausgelegt ist, die folgenden Schritte durchzuführen: a) Erfassen dreidimensionaler Daten der okklusalen Fläche des Zahns (400); b) Projizieren der dreidimensionalen Daten in eine zweidimensionale Ebene; c) Bilden einer Höhenkarte aus den projizierten dreidimensionalen Daten; d) Detektieren eines Satzes lokaler Maximalpunkte (1020) aus der Höhenkarte; und e) Entfernen eines irrtümlicherweise detektierten lokalen Maximalpunkts (1020) und Herstellen mindestens eines Aligners zum Bewegen eines Zahns (400) aus einer Anfangsposition heraus zum Erzielen einer gewünschten Endposition auf Basis der Schritte a) bis e).
Computerisiertes System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das computerisierte Modelliersystem ferner konfiguriert ist, die folgenden Schritte durchzuführen: Bilden eines Satzes Kurven dritter Ordnung (1100) aus der Höhenkarte; für jede der Kurven dritter Ordnung (1100), Detektieren eines Satzes hoher Punkte (1110) aus den Höhenkarten-Daten; und Verknüpfen des Satzes hoher Punkte (1110) zur Bildung einer Kurve.
Computerisiertes System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das computerisierte Modelliersystem ferner konfiguriert ist, die folgenden Schritte durchzuführen: Bilden eines Satzes Kurven dritter Ordnung (1100) aus der Höhenkarte; für jede der Kurven dritter Ordnung (1100), Detektieren eines Satzes tiefer Punkte aus den Höhenkarten-Daten; und Verknüpfen des Satzes tiefer Punkte zur Bildung einer Kurve.