Mertens , Frank: Entwicklung eines Computerprogramms zur Durchführung elektronischer Setups

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Kapitel 1. Einleitung

Computer haben in den letzten Jahren in unserer Gesellschaft einen enormen Stellenwert erhalten. Die medizinischen Wissenschaften konnten sich dieser Entwicklung nicht verschließen. Computer dienen der Diagnostik und der Simulation von chemischen, physikalischen und komplexen biologischen Vorgängen. Von der Computersimulation verspricht man sich, bei niedrigen Kosten und Reproduzierbarkeit von Ergebnissen, mögliche Effekte genau definierter Faktoren auf ein kybernetisches System prüfen und daraufhin ein individuell optimales Ergebnis erreichen zu können.

In der Medizin gibt es beispielsweise die computerunterstützte Operationsplanung und -durchführung bei intrakraniellen Operationen [20]. Derartige Simulationen sind in der Zahnmedizin noch wenig verbreitet, obwohl sich etliche Anwendungsfelder beispielsweise in den Bereichen Chirurgie, Gnathologie und Kieferorthopädie finden ließen.

Nur im Bereich der Prothetik und Zahnerhaltung haben sich inzwischen einige Firmen mit ihren CAD/CAM-Systemen etablieren können [2].

Mit dem CEREC-System (Firma SIEMENS) ist es möglich, direkte Inlays herzustellen, die über ein CAD/CAM-System aus einem Keramikblock gefräst werden, wobei über eine intraorale Kamera digitalisierte Bilder der Präparation gewonnen werden.

Das CICERO-CAD/CAM-System dient der Herstellung von Kronen- und Brückenprothetik und ist sogar in der Lage, mit individuellen Kiefergelenksbahnen verschiedene Artikulationsbewegungen an den virtuellen Restaurationen zu überprüfen [29].

Für den Bereich der Kieferorthopädie entwickelte die Firma BENDING ART MEDIZINTECHNIK eine Drahtbiegemaschine (bending art system), die ebenfalls auf einer CAD/CAM-Anwendung beruht. Die Bracketpositionen auf den Gipsmodellen eines Patienten werden mit Hilfe von Übertragungsplatten gescannt. Über die auf den Übertragungsplatten liegenden Markierungen ermittelt das CAD-Programm die Bracket- und Zahnposition. Interaktiv wird ein idealisierter Bogen berechnet und durch die Biegemaschine fertiggestellt.

Das Setup bezeichnet in der Zahnheilkunde die Simulation eines Behandlungsergebnisses bei einem gegebenen Ausgangszustand. Obwohl einiges an zahnmedizinischer Therapie simuliert werden könnte, kennt man das Setup nur im Bereich der Chirurgie und Kieferorthopädie.

Hier werden das


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unterschieden.

KESLING prägte zuerst den Begriff des diagnostischen Setups und führte zugleich die erste Begriffsverwirrung herbei, da er das Setup als Therapie, nämlich zur Herstellung des von ihm entwickelten Positioners benutzte. Im allgemeinen versteht man unter einem diagnostischen Setup die Veränderung eines Modells aus Gips, Epoxidharz oder ähnlichem, so daß ein Endzustand simuliert wird, um beispielsweise verschiedene Varianten einer Extraktionstherapie vergleichen zu können [12-14, 28].

Nach DRESCHER[7] und DRESCHER und HOLTKAMP[8] dient das diagnostische Setup folgenden Fragestellungen:

Demgegenüber dient das therapeutische Setup der Herstellung funktioneller Geräte wie Positioner, Idealisator oder Spring Aligner und unterscheidet sich vom diagnostischen Setup durch die Fragestellung und eventuell durch eine Überkorrektur der durchgeführten Zahnbewegungen, um einem möglichen Rezidiv entgegenzuwirken oder um ausreichende Kräfte zu einer idealisierenden Bewegung zu entwickeln [13, 22, 24].

Außerdem wird das therapeutische Setup durchgeführt, um eine ideale Bracketposition für die Straight-Wire-Technik[1] zu finden.

Das kephalometrische Setup stellt die Simulation der skelettalen Veränderungen durch Wachstum, kieferorthopädische und -chirurgische Therapie am Fernröntgenseitenbild dar. Im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Setup-Formen ist dieses jedoch nur zweidimensional.

MARXER versuchte durch Schablonen einen Informationsaustausch zwischen Setup-Modell und FRS zu erhalten, indem er die Modell-Okklusionsebene und die entsprechende Durchzeichnung am FRS als Referenz betrachtete. Die Informationsübertragung wurde mit Hilfe einer individuell


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angefertigten Übertragungslehre sowohl vom Modell zum FRS als auch vom FRS zum Modell durchgeführt [17].

BURSTONE und BIGGERSTAFF stellten computerisierte Setups vor [3, 5, 6]. Diese Systeme stellen die Veränderung der Zahnbögen beider Kiefer nur sehr schematisch in der Okklusionsebene dar. Statt vollständiger, anatomisch geformter Zähne werden nur deren Umrißlinien am Bildschirm gezeigt. Diese Zahnobjekte können in ihrer Längsachse rotiert und in der Okklusionsebene bewegt werden. Das System von BURSTONE soll in der Lage sein, eine Fernröntgendurchzeichnung mit einer Lateralphotographie zu überlagern; der Computer berechnet jedoch jeweils kein dreidimensionales Setup. Der Benutzer ist auf sein räumliches Vorstellungsvermögen angewiesen.

MEYER et al. berichteten 1989 über ein Computerprogramm, mit dem sie die Bewegungen einzelner Zähne und Zahngruppen dreidimensional simulierten [19]. Allerdings konnten sie nur auf manuell eingelesene Zahndaten zurückgreifen, die sie aus Modellfotos in drei Ebenen und FRS-Durchzeichnung erhielten. Ihre Zähne wurden auf der Basis der individuellen Approximalpunkte und des Apexpunktes durch Modifikation ”konfektionierter“ Zahndaten berechnet. Den Verlauf des knöchernen Limbus alveolaris erhielten sie aus einer OPTG-Durchzeichnung. Das Ziel der Autoren war es, Kräftesysteme und Drehmomente bei orthodontischen Zahnbewegungen darzustellen und die sich daraus ergebenden Zahnstellungsänderungen zu prognostizieren. Aus Mangel an Speicherplatz des von ihnen verwendeten Computers konnten sie jeweils nur einen Kiefer betrachten.

Die Schwäche der existierenden Programme - mit Ausnahme des Systems von KURODA et al. [16] - beruht auf der Digitalisierung der Modelle, die in den meisten Fällen mit der Hand vorgenommen wurde, zum Teil direkt vom Modell und zum Teil vom Foto. Keine Berücksichtigung fanden die Weichteile und die umgebenden knöchernen, die Zahnbewegungen einschränkenden Strukturen.

Die kommerziellen CAD/CAM-Systeme [2], sowie das System von KURODA et al. [16] lesen heute überwiegend im Mund oder auf einem Gipsmodell die Daten mit Hilfe eines Lasertriangulationsverfahren ein. Im Rahmen des Forschungsprojektes CAMA (Computer-Assistet-Model-Analysis) zwischen der Freien Universität Berlin und der Humboldt-Universität zu Berlin wurde ebenfalls ein Lasertriangulationsverfahren entwickelt, das in der Lage ist, ein Gipsmodell zu vermessen [21]. Eine Kamera nimmt die vom Laser aufs Objekt geworfene Linie auf und ein angeschlossener Computer bestimmt aus deren Verzerrung die dreidimensionalen Objektko-


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ordinaten. Ein bislang ungelöstes Problem ist die Zerlegung eines digitalisierten Kiefer- oder Modellobjektes in einzelne Zahnobjekte. Die auf dem Lasertriangulationsverfahren beruhenden Digitalisierungssysteme sind nicht in der Lage, nicht sichtbare Bereiche, wie Zahnwurzeln oder Kieferhöhlen, zu vermessen und haben häufig Schwierigkeiten, untersichgehende Bereiche und Engstellen wie im Interdentalbereich zu erkennen. Hier ist die Entwicklung des Dental-CTs und dessen Erweiterung zur dreidimensionalen Objektbeschreibung sehr zu begrüßen [27], wenngleich die damit verbundene Strahlenbelastung einer weiteren Anwendung entgegensteht.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Algorithmen zur Simulation eines kieferorthopädischen Setups und deren Umsetzung in ein Computerprogramm. Damit wird die Grundlage geschaffen, um in einem späteren Entwicklungsschritt das Wissen um das Ausmaß der Zahnstellungsänderung zwischen Ausgangssituation und idealem Setup zu nutzen, um

Das Programm soll erlauben,

Um das Programm testen zu können, ist im Rahmen dieser Arbeit ein Beispieldatensatz erstellt worden.


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