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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tomographie für Gewebeuntersuchungen
von Körperteilen,
insbesondere im Mundbereich auf der Basis von mechanischen Anregungen.
Die mechanischen Anregungen werden von Erregern erzeugt, die sowohl
als Sender als auch als Empfänger
ansteuerbar sind.
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Stand der Technik
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Aus
der
EP 0 353 209 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dentalen Untersuchung mit Ultraschall
bekannt, bei der eine Anordnung von Ultraschalltransducern verwendet
wird, die die Möglichkeit
besitzen, den Strahl zu formen, um einen Einfallswinkel nahezu senkrecht
zur zu untersuchenden Oberfläche
zu erreichen und den Fokus des Strahl zu variieren. Das Verfahren
und die Vorrichtung sind bevorzugt anwendbar zur intraoperativen
endodontischen Diagnose, insbesondere zur Bestimmung der Lage von
intradentalen Sonden.
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Aus
der
US 6,162,177 sind
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ultraschalluntersuchung von feinen
Oberflächenlesionen
von Zahnkronenoberflächen
bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Ultraschalloberflächenwellengenerator,
der in der Lage ist, Ultraschalloberflächenwellen auf einer Zahnoberfläche zu erzeugen
sowie einen Ultraschalloberflächenempfänger, der
die Oberflächenwellen empfängt.
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Die
US 5,115,813 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung von dichten
Geweben, insbesondere von Zahngewebe. Das Verfahren basiert auf
dem Impuls-Echo-Prinzip. Das Ultraschallsignal wird durch eine niederfrequente
Vibration überlagert.
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Die
US 6,638,219 B1 offenbart
ein Verfahren zur Darstellung von internen 3D-Strukturen von Zahnformationen.
Dazu ist eine Transducervorrichtung vorgesehen, die einen Ultraschallimpuls
direkt auf die zu untersuchenden Zahnformationen abstrahlt, wobei
die Ultraschallantwort der Zahnformation gemessen wird. Die Ultraschallerreger
sind auf einem rotierenden Bogen in einem Gehäuse angeordnet.
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Aus
der
US 6,589,054 B2 ist
ein Verfahren zur Untersuchung von Zähnen mittels Laufzeitmessungen
bekannt. Dazu wird eine Anregungswelle erzeugt, durch den Zahn geleitet
und auf der Gegenseite des Zahnes empfangen.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren haben den Nachteil,
dass jeweils nur ein Messprinzip Verwendung findet. Dadurch ist
die Messgenauigkeit sowie die Möglichkeit
zur Vermessung von durch schlechtleitende Bereiche abgeschattete
rückwärtige Bereiche
stark eingeschränkt.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Vermessung
von Zähnen
anzugeben, die eine verbesserte Auflösung auch unter problematischen
Messbedingungen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach handhabbare
Vorrichtung zur Vermessung anzugeben.
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Darstellung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Tomographie wird beschrieben durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1.
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Eine
Vorrichtung zur Tomographie für
Gewebeuntersuchungen von Körperteilen,
insbesondere im Mundbereich, umfasst eine erste Anordnung von mechanischen
Erregern, wobei eine beliebige Anzahl von Erregern sowohl als Sender
als auch als Empfänger
anwählbar
sind, wobei die Einkopplung der von den Erregern ausgesandten mechanischen
Anregungen und die Auskopplung der von den Erregern empfangenen
mechanischen An regungen über
ein zwischen den Erregern und dem zu untersuchendem Körperteil
angeordnetes verformbares Medium erfolgt. Es ist mindestens eine
zweite Anordnung von mechanischen Erregern vorgesehen, wobei die
erste Anordnung von Erregern und die mindestens zweite Anordnung
von Erregern unter Einschluss eines Zwischenraums zur Aufnahme des
zu untersuchenden Körperteils
auf Mitteln zum ortsfestesten Ausrichten bezüglich des Körperteils angeordnet sind.
Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, in der sowohl mechanische
Anregungen aus der Transmission und aus der Reflexion und/oder der
Streuung an dem zu untersuchendem Körperteil erfasst und auswertet werden.
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Eine
derartige Vorrichtung ermöglicht
eine hochaufgelöste
dreidimensionale Vermessung von Gewebe, beispielsweise von Zähnen. Bei
Zähnen besteht
das Problem, dass manche Füllungen
bzw. andere Zahnersatze nicht röntgenstrahlendurchlässig sind
und auf einem Röntgenbild
einen schwarzen Schatten zeigen. Häufig sind die an die Zahnersatzteile
angrenzenden Bereiche des Zahnes besonders kariesempfindlich, so
dass eine zerstörungsfreie dreidimensionale
Aufnahme eines derartigen Zahnes besonders wünschenswert ist.
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Erfindungsgemäß werden
entweder Transmission und Reflexion oder Transmission und Streuung
oder Transmission und Reflexion und Streuung ausgewertet. Dies ermöglicht eine
bestmögliche
Auflösung
des zu untersuchenden Bereichs, welcher sich in den Zwischenraum
zwischen den mindestens zwei Anordnungen von Erregern befindet.
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Die
Erreger sind mittels einem verformbaren Medium an dem zu untersuchenden
Körperteil
angeordnet, das Luftstrecken im Raum zwischen Erregern und Körperteil
verhindert.
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Vorteilhafterweise
sind die Erreger als Ultraschallwandler ausgebildet und die mechanischen
Anregungen sind Ultra schallsignale. Ultraschallsignale haben eine
vergleichsweise kurze Wellenlänge,
was mit einer hohen möglichen
Auflösung
einhergeht. Darüber
hinaus sind Ultraschallwandler kompakt und kostengünstig herstellbar.
Das Einbringen einer Vielzahl von Ultraschallerregern in den ist
daher ohne weiteres möglich.
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Vorteilhafterweise
ist das zu untersuchende Körperteil
ein Hartgewebe, insbesondere eine Zahnhartsubstanz.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das Medium ein Gel, eine hochviskose
Flüssigkeit
oder ein weicher Festkörper
ist. Dies ermöglicht
den Einsatz der Tomographievorrichtung sowohl am Ober- als auch
am Unterkiefer ohne die Gefahr des Auslaufens des Ankopplungsmediums.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Medium ein Gel-Kissen ist. Ein derartiges Gel-Kissen
ist besser handhabbar als ein lose einzubringendes Medium und darüber hinaus
mehrfach verwendbar.
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Vorteilhafterweise
geliert das Medium blasenfrei und kann flüssig zwischen die Erreger und dem
zu untersuchenden Körperteil
eingebracht werden. Dies erleichtert die Anwendung des Mediums.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zur ortsfesten Ausrichtung in
ihren Dimensionen so gestaltet sind, dass in den Mund einführbar sind
und wenn wenigstens eine Anordnung von Erregern mindestens die Breite
eines Zahnes hat. Dies erleichtert die Anwendung der Tomographievorrichtung
und erhöht
die mögliche
Auflösung.
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Vorteilhafterweise
sind die erste Anordnung von Erregern und die mindestens zweite
Anordnung von Erregern auf den einander zugewandten Seiten einer
Klammer angeordnet. Eine Klammer ist leicht positionierbar und kann
mit einem vorbestimmbaren Druck an den Zahn angepresst werden.
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Alternativ
ist eine Anordnung denkbar, bei der die erste Anordnung von Erregern
und die zweite Anordnung von Erregern auf einem U-förmigen Träger angeordnet
sind, der in der dritten Raumrichtung so gekrümmt ist, dass er die Form eines
Kiefers zumindest abschnittsweise nachbildet. Die sich ergebene
Form erinnert an einen dentalen Abformlöffel, mit dem Abdrücke von
Zähnen
erstellt werden. Der Vorteil einer solchen raumfesten Anordnung
von Erregern ist, dass die Lagebeziehung der Erreger zueinander
bekannt ist und dadurch eine erhöhte
Auflösung
gewährleistet
werden kann. Dabei ist das Medium vorzugsweise eine gelierende oder
formbare, aushärtbare
Masse.
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Vorteilhafterweise
ist eine weitere Anordnung von Erregern vorgesehen, die eine weitere
Seite des durch die erste Anordnung von Erregern und die zweite
Anordnung von Erregern gebildeten Zwischenraums zumindest teilweise
abdeckt.
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Zur
Erreichung einer höchstmöglichen
isotropen Auflösung
ist es theoretisch ideal, wenn die Erreger auf einer Kugeloberfläche um den
Zahn herum angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kommt diesem
Ideal relativ nahe.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Der
erfindungsgemäße Tomograph
wird anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
des Tomographen in einer schematischen Darstellung, die
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2 eine
alternative Ausführungsform
des Tomographen in einer schematischen Darstellung, die
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3A eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer weiteren alternativen
Ausführungsform
des Tomographen, die
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3B einen
Ausschnitt aus 3A in anderer Perspektive, die
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3C einen
Schnitt durch einen Tomographen gemäß 3A, die
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4A–C schematische
Darstellungen von Transmission, Reflexion und Streuung und die
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5 den
Verlauf einer Anregung innerhalb eines Zahnes.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Tomographen 1 zur
intraoralen Anwendung in schematischer Darstellung. Der Tomograph 1 umfasst
Haltevorrichtungen 2, 3, auf denen Erreger 4.1, 4.2 in Gruppen
angeordnet sind. Mithilfe der Haltevorrichtungen 2, 3 werden
die Erreger 4.1, 4.2 bezüglich eines Zahnes 5 ortsfest
ausgerichtet. Die Erreger 4.1, 4.2 sind als Ultraschallerreger
ausgebildet und können
sowohl mechanische Ultraschallanregungen aussenden als auch empfangen.
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Ultraschallerreger
sind besonders gut zur Tomographie von Zahngewebe geeignet, da die
Wellenlänge
der Ultraschallwellen klein ist im Vergleich zu den aufzunehmenden
Strukturen.
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Ein
sich zwischen den Haltevorrichtungen 2, 3 und
dem Zahn 5 befindlicher Hohlraum ist mit einem Gel 6 gefüllt. Das
Gel 6 dient zur Übertragung der
von den Erregern 4.1, 4.2 ausgesandten Ultraschallanregungen.
Bei Anregungen im Ultraschallbereich müssen Luftstrecken oder Übergänge, bei
denen die Schallgeschwindigkeit extrem voneinander abweichen, vermieden
werden. An solchen Übergängen finden
Reflexionen statt, die die auf das anzuregende Objekt übertragene
Energie stark verringern würden.
Das eingesetzte Gel 6 besitzt ähnliche akustische Eigenschaften
wie Wasser und eignet sich sehr gut zum Übertragen von mechanischen
Anregungen. Alternativ zu dem Gel können andere Medien vorgesehen
sein, beispielsweise ein Kissen aus einem verformbaren Material,
das sich frei von Luftblasen an den Zahn 5 anschmiegt und
ebenfalls gute akustische Übertragungseigenschaften
aufweist.
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Ein
weiterer Bestandteil des Tomographen ist eine Auswerteeinheit 7,
die mit den am Zahn 5 liegenden Bestandteilen des Tomographen
so verbunden ist, dass Daten von den Erregern 4.1, 4.2 an
die Auswerteeinheit 7 übertragen
werden können.
Die Auswerteeinheit 7 kann darüber hinaus zur Steuerung und
Energieversorgung der Erreger 4.1, 4.2 dienen.
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Die
Erreger 4.1, 4.2 sind in zwei Gruppen angeordnet,
wobei die Erreger 4.1 und 4.2 den Zahn 5 zwischen
sich einschließen.
Die Erreger 4.1 und 4.2 sind im Wesentlichen so
ausgerichtet, dass ihre jeweilige Schwingungsachse 8 im
Wesentlichen in Richtung des Zahnes 5 weist. Die resultierende
Anordnung weist eine Bogenform auf.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
ist in 2 gezeigt. Ein Tomograph 10 weist drei
Haltevorrichtungen 11, 12, 13 auf. Die
Haltevorrichtungen 11, 12, 13 werden
von einer Zange 14 gehalten. An den drei Haltevorrichtungen 11, 12, 13 befinden
sich jeweils Anordnungen von Erregern 15, 16, 17,
die in Richtung des Zahnes 5 ausgerichtet sind.
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Ein
zwischen den Haltevorrichtungen 11, 12, 13 und
dem Zahn 5 befindlicher Hohlraum ist mit einem Gel 6 gefüllt.
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Im
Gegensatz zu der in 1 gezeigten Anordnung werden
bei dem in 2 gezeigten Tomographen 10 drei
Seiten des Zahnes 5 von Erregern 15, 16, 17 umgeben.
Damit ist es möglich,
auch Streusignale, die auf der okklusalen Seite aus dem Zahn 5 heraustreten,
zu empfangen oder aus Richtung der Okklusionsfläche zu senden. Die Auflösung und
die Genauigkeit der Aufnahmen nimmt mit der dritten Erregeranordnung 17 insbesondere
in Richtungen senkrecht zur Okklusalebene zu.
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Die
Zange 14 dient dazu, die Haltevorrichtungen 11, 12, 13 ortsfest
am Zahn 5 zu positionieren und ermöglicht eine einfache Handhabung.
Durch Spreizen des unteren Teils der Zange 14 werden Kräfte auf
die Haltevorrichtungen, dargestellt durch Pfeile, ausgeübt, die
die Haltevorrichtungen 11, 12, 13 an
den Zahn 5 pressen.
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3A zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Tomographen 18 in
schematischer, dreidimensionaler Darstellung. Der Tomograph 18 umfasst
eine Haltevorrichtung 19, einen Griffbereich 20 und
ein Datenkabel 21.
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Die
Haltevorrichtung 19 ist nach Art eines Abformlöffels ausgebildet.
Auf der den Zähnen
zugewandten Innenseite 19.1 der Haltevorrichtung 19 befinden
sich Sensorgruppen 22.1. 22.2 und 22.3.
Die Sensorgruppe 22.1 ist bukkal bzw. labial angeordnet, die
Sensorgruppe 22.2 ist okklusal angeordnet und die Sensorgruppe 22.3 ist
lingual angeordnet. Die Haltevorrichtung 19 ist im wesentlichen
ein Torussegment, wobei die Sensorgruppen 22.1, 22.2 und 22.3 um
die zu vermessenden Zähne
(nicht dargestellt) eine in radialer Richtung im wesentlichen kreisförmige Anordnung
bilden.
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Die
Gestaltung der Haltevorrichtung 19 nach Art eines Abformlöffels hat
erhebliche Vorteile. Einerseits bildet die Innenwand 19.1 eine
Art Wanne, in der das verformbare Medium ohne Schwierigkeiten an
den Zahn gebracht und im Zwi schenbereich zwischen Zähnen und
Sensoren gehalten werden kann, zum anderen ist die Lagebeziehung
der Sensorgruppen 22.1, 22.2 und 22.3 durch
die Geometrie der Haltevorrichtung 19 fest vorgegeben und
daher bekannt und zum Dritten ermöglicht die Haltevorrichtung 19 eine
Tomographie einer vollständigen
Kieferhälfte
auf einmal.
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Die 3B zeigt
einen Ausschnitt aus 3A in anderer Perspektive. Das
abschließende Ende
der Haltevorrichtung 19 ist so geformt, dass an dem zu
vermessenden Kiefer ein möglichst
dichter Abschluss zum Kiefer hin erreicht wird.
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3C zeigt
einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 3A. Die
Sensorgruppen 22.1, 22.2 und 22.3 sind
in die Haltevorrichtung 19 eingelassen. Die Sensorgruppen 22.1, 22.2 und 22.3 werden
mittels des Kabels 21 mit Energie versorgt und können empfangene
Signale über
das Kabel 21 an die nicht dargestellt Auswerteeinheit 7 senden.
Das Kabel 21 ist dazu ausgelegt, alle einzelnen Sensorelemente
zu versorgen und von allen einzelnen Sensorelementen Signale zu
empfangen. Die konstruktive Ausgestaltung des Kabels 21 bzw.
der Versorgungsleitungen ist nicht Gegenstand der Erfindung, mögliche konstruktive
Ausgestaltungen sind im Stand der Technik hinreichend bekannt.
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In
den 4A–C
werden die grundlegenden akustischen Phänomene, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgewertet werden, dargestellt.
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4a zeigt
dabei die Transmission eines Signals 27 durch den Zahn 5.
Das Signal 27 wird durch einen auf der Haltevorrichtung 2 befindlichen, nicht
dargestellten Erreger erzeugt und durch einen weiteren nicht dargestellten
Erreger auf der Haltevorrichtung 3, der in der dargestellten
Laufrichtung des transmitierten Signals 27 liegt, als Signal 20' empfangen.
Das Signal 27' trägt Informationen über den Zustand
des Zahnes in Form von Signalamplitude, Signalform, Laufzeit und
Phaseninformation.
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In 4b wird
die Reflexion eines Signals 28 dargestellt, wobei entgegen
der Darstellung das reflektierte Signal 28' von demselben Erreger, der die Anregung 28 emittiert
hat, empfangen wird. Reflexion tritt an der Grenzfläche zwischen
zwei Materialien mit unterschiedlichem Wellenwiderstand auf. Sofern
der Erreger nicht entlang der Normalen der Zahnoberfläche ausgerichtet
ist, wird das reflektierte Signal unter einem Winkel reflektiert
und von einem anderen Erreger der gleichen Gruppe von Erregern empfangen werden.
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4c zeigt
die Streuung der Anregung 29, die an Grenzflächen im
Inneren des Zahnes 5 stattfindet. Die gestreuten Signale 29' können in
alle Richtungen gestreut werden, bei Mehrfachstreuungen ist es auch
möglich,
dass gestreute Signale wieder entlang der Schwingungsrichtung des
entsprechenden Erregers laufen. Gestreute Signale unterscheiden sich
von transmitierten oder reflektierten Signalen hinsichtlich ihrer
Laufzeit und ihrer Signalhöhe
und sind daher gut von diesen zu unterscheiden.
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5 zeigt
die Propagation eines Anregungssignals 30 innerhalb des
Zahnes 5. Mehrfachstreuungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt. In dem Zahn 5 befinden sich Bereiche 31, 32 mit
im Vergleich zum normalen Dentin unterschiedlicher Dichte. Der Bereich 31 ist
eine Markhöhle
und der Bereich 32 ist ein kariöser Bereich.
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Beim
Auftreffen auf die Zahnoberfläche 5.1 wird
ein Teil des Anregungssignals 30 gemäß den in der Wellenmechanik
geltenden Stetigkeitsbedingungen reflektiert und ein weiterer Teil
des Signals 30 tritt in den Zahn ein. Die Ausbreitung des
Signals 30 von einem Punkt der Zahnoberfläche ist in
drei verschiedenen Richtungen als Teilsignale 30.1, 30.2 und 30.3 beispielhaft
dargestellt.
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Das
Teilsignal 30.1 wird an der Grenzfläche 32.1 des kariösen Bereichs 32 unter
einem Winkel reflektiert und verlässt den Zahn 5 als
gestreutes Signal in eine Richtung, die von der Richtung des einfallenden
Signals 30 abweicht.
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Das
Teilsignal 30.2 propagiert durch den Zahn 5 ohne
eine Richtungsänderung
zu erfahren.
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Das
Teilsignal 30.3 trifft auf die Grenzfläche 31.1 zwischen
der Markhöhle 31 und
dem Dentin des Zahnes 5. Ein Teil dieses Teilsignals 30.3 wird
an der Grenzfläche
reflektiert und tritt als Teilsignal 30.3' aus dem Zahn heraus, während ein
weiterer Teil durch die Markhöhle 31 propagiert,
diese rückwärtig verlässt und
als Teilsignal 30.3'' aus dem Zahn 5 austritt.
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- 1
- Tomograph
- 2
- Haltevorrichtung
- 3
- Haltevorrichtung
- 4.1
- Erreger
- 4.2
- Erreger
- 5
- Zahn
- 5.1
- Zahnoberfläche
- 6
- Gel
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Schwingungsachse
- 10
- Tomograph
- 11
- Haltevorrichtung
- 12
- Haltevorrichtung
- 13
- Haltevorrichtung
- 14
- Zange
- 15
- Erreger
- 16
- Erreger
- 17
- Erreger
- 19
- Haltevorrichtung
- 19.1
- Innenseite
- 20
- Griffbereich
- 21
- Datenkabel
- 22.1–22.3
- Sensorgruppen
- 27'
- Signal
- 28
- Signal
- 28'
- Signal
- 29
- Anregung
- 30
- Signal
- 30.1–30.3
- Teilsignal
- 31
- Bereich
- 32
- Bereich
- 32.1
- Grenzfläche