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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungen
eines Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Wirbeltiers gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird beispielsweise
in der Druckschrift
DE
10 2004 002 953 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Bestimmung aller Bewegungsfreiheitsgrade und Positionen des Unterkiefers
bezüglich des Oberkiefers beschrieben, welches auf der
Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen zwischen Sendern und Empfängern
eines Ultraschallsystems beruht. Dabei ist es das Ziel, die Messgenauigkeit
an entscheidenden virtuellen Punkten insbesondere im Bereich des
Kiefergelenks bezüglich der gemessenen Bewegungsbahnen
und Raumpositionen zu verbessern.
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Auch
die Druckschrift
DE
35 00 305 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der
Positionen und Bewegungen des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer.
Dabei ist am Kopf eines Patienten ortsfest ein erster Halter und
am Unterkiefer ein zweiter Halter angebracht. Der erste Halter weist
mehrere Empfänger für Ultraschallimpulse auf,
und der zweite Halter besitzt mehrere verteilt angeordnete Ultraschallsender.
Ein ausgesandter Ultraschallimpuls wird von den Empfängern
des ersten Halters nacheinander empfangen. Die Laufzeiten der ausgesandten
Ultraschallimpulse geben Aufschluss über die Abstände
eines Ultraschallempfängers von einem Ultraschallsender,
so dass damit die exakte Erfassung und Analyse der Bewegungen des
Unterkiefers relativ zum Oberkiefer ermöglicht wird und
sämtliche Freiheitsgrade des Systems eindeutig erfasst
werden.
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Diese
Messsysteme sind insbesondere in der Zahnheilkunde von Bedeutung.
Zur Herstellung von Zahnersatz werden die Zähne des Ober-
und Unterkiefers als Modelle in Artikulatoren (mechanische Bewegungssimulatoren)
eingebracht. Hierbei können dann die Kiefer- bzw. Zahnbewegungen
des Patienten nachvollzogen und die prothetischen Maßnahmen überprüft
und optimiert werden. Diese Bewegungen sind bei jedem Menschen individuell
verschieden und maßgeblich von der Anatomie des Kiefergelenks
abhängig. Die genaue Erfassung der individuellen Bewegungsabläufe
des Kiefergelenks beispielsweise durch Kaubewegungen ist wichtig,
um aufwändige und kostenintensive Nachbehandlungen nach
dem Einsatz des Zahnersatzes oder Implantates bei dem Patienten
zu minimieren bzw. zu vermeiden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln,
dass die Messgenauigkeit erhöht wird, so dass ein exakteres Erfassen
der Bewegungen des Unterkiefers relativ zum Oberkiefers ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Zweckmäßige
Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen
abhängigen Ansprüche.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass zwei unterschiedliche
Messsysteme eingesetzt werden, um eine erste und eine zweite Bewegungskomponente,
die in Summe einen Gesamtbewegungsablauf bilden, messtechnisch exakt
zu erfassen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
darin zu sehen, dass dessen Messgenauigkeit bei der vollständigen
Erfassung von Bewegungen in verschiedenen Bewegungsrichtungen gegenüber
Systemen, bei denen ausschließlich Ultraschallmesssysteme
zur Bewegungs- und Positionserfassung eingesetzt werden, nicht mehr
ausschließlich von möglichen Änderungen
von Signallaufzeiten in den Signalübertragungsleitungen
und im elektronischen Ultraschallmessgerät abhängt.
Zudem minimiert die erfindungsgemäße Vorrichtung
Einschränkungen bezüglich der Genauigkeit der
Messwertaufnahme in einer bestimmten Bewegungsrichtung. Ult raschallmesssysteme
sind zwar in der Lage, Messwerte von hoher Genauigkeit für
Bewegungen in einer bestimmten, das heißt einer bevorzugten
Tiefenkoordinate zu liefern. Sollen jedoch mit dem Ultraschallmesssystem
gleichzeitig auch Bewegungen in einer anderen als der bevorzugten
Tiefenkoordinate erfasst werden, erhöht sich der Messfehler.
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Eine
Kamera liefert jedoch eine gute Messgenauigkeit in der Messebene
und eine schlechte Messgenauigkeit in der Tiefe.
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Die
Kombination der beiden durch jeweils ein eigenständiges
Messsystem aufgenommenen Teilbewegungsabläufe zu einem
resultierenden Gesamtmessergebnis stellt sicher, dass von dem jeweiligen Messsystem
im wesentlichen nur diejenigen Messwerte für eine bestimmte
Bewegungskomponente als Beitrag zum Gesamtmessergebnis geliefert
werden, die eine hohe Messgenauigkeit aufweisen. Das Zusammensetzen
der von den beiden Messsystemsystemen gelieferten Teilergebnisse
zu einem Gesamtmessergebnis trägt somit zu einer verbesserten Messgenauigkeit
des Gesamtergebnisses bei.
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Die
Funktionsweise und insbesondere die Messwertaufnahme beider Messsysteme
ist derart aufeinander abzustimmen, dass die generierten Messergebnisse
für die erste und zweite Bewegungskomponente in ein gemeinsames
Koordinatensystem umgerechnet werden können, um darin ein resultierendes
Endergebnis abzubilden, das den vollständigen Bewegungsablauf
umfasst, der sich aus der ersten und zweiten Bewegungskomponente
zusammensetzt.
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Eine
Ausführung der optischen Empfangseinheit des optischen
Messsystems sieht vor, ein elektronisches Kamerasystem mit mindestens
einer Kamera einzusetzen. Die Kamera wird dabei vorzugsweise am
Gesichtsbogen in fester Relation zum Oberkiefer befestigt. Dies
kann auf der ersten Halterung erfolgen, die am Kopf des Patienten
angebracht ist. Die Kamera kann als Infrarotkamera ausgebildet sein.
Auf diese Weise lassen sich Infrarotsignale, die beispielweise von
Infrarot-Leuchtdioden ausgesendet werden, aufnehmen.
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In
einer Weiterbildung der vorgeschlagenen Vorrichtung kann an einer
der Halterungen mindestens ein optisches aktives oder passives Markierungselement
vorgesehen sein.
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Als
passives Markierungselement, also ein Markierungselement, das selbst
keine optischen Signale ausstrahlt, ist beispielsweise eine Fläche
denkbar, auf deren Oberflächen geometrischer Muster abgebildet
ist, welcher von dem optischen Messsystem aufgezeichnet werden kann.
Bei der Verwendung von passiven optischen Markierungselementen kann es
sinnvoll sein, diese mit einer eingebauten Beleuchtungseinheit zu
bestrahlen. Dies kann etwa eine Infrarotbeleuchtung sein, wenn infrarotempfindliche Kameras
als optische Empfangseinheiten eingesetzt werden. Als aktives Markierungselement,
also ein Markierungselement, das Signale aussendet, können
(Infrarot-)Leuchtdioden eingesetzt werden, die mit einer Infrarotkamera
aufgezeichnet werden können. Wenn außerdem die
Muster oder Lichtpunkte auf der Fläche des optischen Markierungselements in
einem bestimmten Abstand angeordnet sind, dann kann auf sehr einfache
Weise die Kalibrierung des Kamerasystems und die Analyse der Bewegungen erfolgen.
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Damit
die von den beiden Messsystemen gelieferten Messwerte in ein gemeinsames
Koordinatensystem umgerechnet werden können, ist es erforderlich,
dass die Arbeits- und Funktionsweise, und hier insbesondere die
Messwertaufnahme während der Bewegungserfassung, des Ultraschallmesssystems
mit dem optischen Messsystem zeitlich synchronisiert wird. Ein weiterer
Aspekt für die Notwendigkeit der zeitsynchronen Übertragung
der aufgenommenen Messwerte an eine Auswerteinheit einer Verarbeitungseinheit
ist darin zu sehen, dass durch die in den verschiedenen Messsystemen
verwendete Hard- und Software aufgrund von unterschiedlichen Verarbeitungszeiten
nicht definierte Verzögerungszeiten entstehen können.
Die Folge davon wäre, dass sich die von den jeweiligen
Messsystemen generierten Messergebnisse bei der Verarbeitung zu
einem resultierenden Messergebnis, das den gesamten Bewegungsablauf
für eine erste und zweite Bewegungskomponente abbildet,
nicht mehr eindeutig zuordnen ließe.
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Eine
bevorzugte Ausführung der Synchronisationseinheit sieht
deshalb vor, dass die Synchronisationseinheit als Synchronisations-Signalgeber wirkt,
die über eine kabelgebundene oder drahtlose Synchronisationssignal-Übertragungsstrecke
zwischen dem Ultraschallmesssystem oder optischen Messsystem und
der Auswerteeinheit des jeweiligen Messsystems die notwendigen Synchronisationssignale
generiert und übermittelt, so dass beide Messsysteme synchron
arbeiten.
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Eine
andere Möglichkeit der Synchronisation der Funktionsweise
beider Messsysteme würde darin bestehen, dass zumindest
zu einem Zeitpunkt der Messung von dem Ultraschallmesssystem zu
dem optischen Messsystem oder umgekehrt ein Synchronisationssignal
(beispielsweise ein Infrarotlichtimpuls) gesendet wird, dass dieses
Synchronisationssignal mit Codierungsmerkmalen versehen ist und dass
diese Codierung den Messsignalen der beiden Messsysteme überlagert
(aufgeprägt) wird. Dabei muss sichergestellt werden, dass
die das Synchronisationssignal empfangende Empfangs- und Auswerteeinheit
des jeweiligen Messsystems entsprechende Mittel aufweist, die das
empfangene Synchronisationssignal vom empfangenen Messsignal, insbesondere
als Dekodierung, abkoppeln.
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Ebenso
wäre es jedoch denkbar, dass ein ähnliches Synchronisationssignal
nicht während der Messwertaufnahme, sondern als Startsignal,
beispielsweise als Infrarotsignal, von dem jeweiligen Messsystem
oder der Synchronisationseinheit übertragen wird. Gegebenenfalls
kann dann auf eine Codierung des Signals verzichtet werden. Wird
die Synchronisation nur kurzzeitig während der Messwertaufnahme
durchgeführt, so müssen beide Messsysteme intern
eine stabile Zeitbasis, beispielsweise eine Quarz-Zeitbasis) aufweisen,
damit die Zeitabläufe miteinander synchron rekonstruiert
werden können.
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Eine
besonders einfache Möglichkeit zur zeitlichen Synchronisierung
beider Messsysteme besteht darin, eine zusätzliche Beleuchtungseinheit
zu verwenden, die vorzugsweise auf einem der Ultraschallempfangseinheiten
installiert ist. Die Beleuchtungseinheit kann dabei als Leuchtdiode
oder auch als Blitzlampe ausgebildet sein. Die Leuchtdiode sendet
beispielsweise ein gepulstes Licht aus, dass heißt, die
Leuchtdiode ist derart eingestellt, dass sie immer genau dann einen
Lichtimpuls aussendet, wenn einer oder nur der erste der sequentiell
arbeitenden Ultraschallsendeeinheiten einen entsprechenden Impuls
abgibt. Auf diese Weise ist es möglich, die Funktionsweise
beider Messsysteme derart miteinander zu synchronisieren, dass die
Messergebnisse der jeweiligen Bewegungskomponenten zeitgleich an
die Verarbeitungseinheit zu weiteren Verarbeitung übermittelt
werden.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich
im übrigen aus der nachfolgenden skizzenartigen Beschreibung
von Ausführungsbeispielen, die in den begleitenden Figuren
schematisch dargestellt sind. Von diesen zeigen:
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1 eine
skizzenartige Teilansicht einer Anordnung zur Erfassung von Bewegungen
des Unterkiefers relativ zum Oberkiefer eines Menschen; und
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2 ein
systemorientiertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Systems.
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1 zeigt
am Kopf eines Patienten befestigten Teile einer Vorrichtung, bei
der ein Ultraschallmesssystem 10 mit dem optischen Messsystem 20 kombiniert
ist. Wesentliche Komponenten der beiden Messsysteme werden von einer
ersten Halterung 30 und einer zweiten Halterung 40 gehalten.
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An
der ersten Halterung 30, die mit einem elastischen Kopfband 31 im
Wesentlichen (d. h. für die relevanten Messungen hinreichend)
ortsfest an der Stirn des Patienten gehalten wird, sind in der gezeigten
Ausführungsform Ultraschallempfangseinheiten 12 angebracht.
Des Weiteren ist an der ersten Halterung 30 eine optische
Empfangseinheit 21 angebracht, die eine hochauflösende
Kamera 23 und zwei LED-Lampen 26 als Beleuchtungseinheiten
aufweist. Ein Verbindungskabel 32 dient in der dargestellten
Ausführung zur Stromversorgung der Kamera 23 und
der Lampen 26 und außerdem zur Übertragung
von durch die Kamera gewonnenen Bildsignalen und weiteren Messsignalen
(siehe weiter unten) zu entfernt angeordneten Auswertungseinheiten.
Anstelle einer externen, leitungsgebundenen Stromversorgung können,
im Hinblick auf den geringen Stromverbrauch einer modernen Digitalkamera
und von LED-Lampen, in die erste Halterung 30 auch Akkus eingebaut
sein, und die leitungsgebundene Signalübermittlung kann
durch eine drahtlose Signalübermittlung (etwa mittels einer
Bluetooth Strecke) ersetzt sein, sodass das Kabel 23 auch
entfallen könnte.
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An
der zweiten Halterung 40, die temporär starr am
Unterkiefer des Patienten fixiert ist, sind Ultraschallsendeeinheiten 11 ausgebildet,
die die entsprechenden Ultraschallsignale erzeugen. Ein Kabel 41 dient
zur Stromversorgung und ggf. zur Synchronisation der Ultraschallsender 11.
Auch dieses Kabel kann in einer alternativen Ausführung
entfallen, wenn in der zweiten Halterung 40 eine Batterie-
bzw. Akkustromversorgung vorgesehen ist. Die erzeugten Ultraschallsignale
werden von den Ultraschallempfangseinheiten 12 an der ersten
Halterung 30 aufgenommen und an eine (hier nicht dargestellte)
Auswerteeinheit des Ultraschallmesssystems 10 gesendet.
Die Auswerteeinheit des Ultraschallmesssystems berechnet aus den
empfangenen Messwerten ein erstes Messergebnis für eine
erste Bewegungskomponente.
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Auf
der zweiten Halterung 40 ist darüber hinaus als
optisches passives Markierungselement 24 eine Fläche
mit einem Muster platziert. Die Anordnung des Musters auf der Fläche,
mit definierten Abstandsbereichen, ermöglicht eine Kalibrierung
der einzelnen Kameras 23. Das auf der Fläche abgebildete
Muster wird von den Kameras 23 der optischen Empfangseinheit 21 aufgezeichnet
und liefert bei einer Bewegung der zweiten Halterung 40 relativ
zur ersten Halterung 30, entsprechende Signale an eine nicht
dargestellte Auswerteeinheit des optischen Messsystems 20.
Die Auswerteeinheit des optischen Messsystems 20 generiert
daraus ein Messergebnis für eine zweite Bewegungskomponente,
das anschließend an eine hier ebenfalls nicht dargestellte Verarbeitungseinheit
(s. 2) übermittelt wird.
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Darüber
hinaus zeigt 1, dass auf der zweiten Halterung 40 eine
Leuchtdiode 25 platziert ist. Die Leuchtdiode 25 kann
beispielsweise derart angesteuert werden, dass sie nur dann einen Lichtimpuls
abgibt, wenn einer der Ultraschallsendeeinheiten 11 einen
Impuls abgibt. Auf diese einfache Weise lässt sich das
Ultraschallmesssystem 10 mit dem optischen Messsystem 20 zeitlich
synchronisieren.
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2 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 1 mit dem Ultraschallmesssystem 10,
dem optischen Messsystem 20, einer Synchronisationseinheit 50, einer
Verarbeitungseinheit 60 und einer Anzeigeeinheit 70.
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Das
Ultraschallmesssystem 10 weist die Ultraschallsendeeinheiten 11,
die Ultraschallempfangseinheiten 12 und eine Auswerteeinheit 13 auf.
Die Ultraschallempfangseinheiten 12 empfangen die von den
Ultraschallsendeeinheiten 11 nacheinander ausgesandten
Signale. Die empfangenen Signale werden in der Auswerteeinheit 13 des
Ultraschallmesssystems 10 zu einem ersten Signal verarbeitet,
das ein erstes Messergebnis für eine erste Bewegungskomponente
darstellt. Dieses erste Messergebnis wird der Verarbeitungseinheit 60 über
eine Schnittstellen 61 zugeführt.
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Das
optische Messsystem 20 weist die optische Empfangseinheit 21 mit
der Kamera 23 und eine Auswerteeinheit 22 auf.
Die von der Kamera 23 aufgenommenen Bilder werden in der
Auswerteeinheit 22 zu einem zweiten Signal verarbeitet,
das ein zweites Messergebnis für eine zweite Bewegungskomponente
darstellt. Auch dieses zweite Messergebnis wird der Verarbeitungseinheit 60 über
eine zweite Schnittstelle 62 zugeführt.
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Die
Synchronisationseinheit 50, die in der Ausführungsform
der 2 zwischen den beiden Messsystemen angeordnet
ist, hat die Aufgabe, das Ultraschallmesssystem 10 mit
dem optischen Messsystem 20 zeitlich zu synchronisieren.
Die Synchronisationseinheit 50 umfasst dabei einen Synchronisations-Signalgeber
und ein mit diesem verbundenes IR-Sendeelement, welches als Synchronisationssignal-Sender
für Synchronisationssignale über Synchronisationssignal-Übertragungsstrecken 51, 52 als Schnittstellen
zum ersten und zweiten Messsystem 10, 20 dient.
Das Synchronisationssignal stellt dabei sicher, dass die Messwertaufnahme
und -verarbeitung beider Messsysteme zeitsynchron erfolgt, so dass
die Messergebnisse für die erste und zweite Bewegungskomponente,
die von den jeweiligen Auswerteeinheiten 13 und 22 der
beiden Messsysteme 10 und 20 generiert werden,
zeitsynchron an die Verarbeitungseinheit 60 übertragen
werden, um die Messergebnisse in einem gemeinsamen Koordinatensystem
abbilden zu können.
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Die
Verarbeitungseinheit 60 verarbeitet die von den beiden
Messsystemen gelieferten Messergebnisse für die jeweiligen
Bewegungskomponenten zu einem resultierenden Gesamtmessergebnis,
das in ein einem gemeinsamen Koordinatensystem auf der Anzeigeeinheit 70 dargestellt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004002953
A1 [0002]
- - DE 3500305 A1 [0003]