СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СМЕЩЕНИЙ ЗУБОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD FOR QUANTITATIVE THREE-DIMENSIONAL DETERMINATION OF DENTAL DISPLACEMENTS BY MEANS OF DIGITAL IMAGE CORRELATION

Изобретение относится к стоматологии, в частности к ортодонтии, и касается способа метрического расчета трехмерных смещений зубов в аномалийной зубной дуги при ее коррекции под действием ортодонтической аппаратуры. Изобретение может быть применено в практике ортодонтии для диагностики деформаций зубных дуг в постоянном и сменном прикусе при различных аномалиях положения, размеров и количества зубов и планирования трехмерных перемещений зубов.
Антропометрические исследования проводят на моделях челюстей.
Известен способ геометрического построения правильной формы верхней зубной дуги Hawley, Herber, Herbst, в котором с целью определения линейного отклонения позиции зубов в зубной дуге используют щтангенциркуль и линейку.
Известный способ включает стадии:
Для изображения диаграммы измеряют ширину трех верхних передних зубов (центрального и бокового резца, а также клыка) и суммируют. Это составляет радиус АВ. Из точки В описывают круг. Радиусом АВ от точки А с обеих сторон откладывают отрезки АС и AD. Дуга CAD представляет собой кривую расположения 6 передних зубов. Для определения расположения боковых зубов описывают еще один круг. Из точки Е проводят прямые через точки С и D и получают треугольник EFG. Радиусом, равным стороне треугольника EFG, из точки А отмечают на продолжении диаметра АЕ точку О, из которой описывают круг радиусом FE. Из точки М на дополнительном круге откладывают по величине радиуса АО точки J и Н. Соединив точку Н с точкой С и точку J с точкой D, получают кривую HCADJ, которая изображает кривую всей верхней зубной дуги по Hawley. На отрезках НС и DJ должны располагаться боковые зубы. Herbst объединил принцип Herber (эллипс) и Hawley, заменив боковые прямые линии дугами CN и DP. Центрами для этих дуг являются точки L и K, лежащие на диаметре, перпендикулярном диаметру AM. Дугу CN описывают радиусом LC, а дугу DP - радиусом KD. Таким образом, дуга NCADP имеет закругленные боковые ветви и является кривой, соответствующей эллипсоидной форме нормального верхнего зубного ряда. В зависимости от ширины 3 верхних передних зубов на прозрачной целлулоидной пластинке вычерчивают несколько различных, но по своей форме похожих полуэллипсов (диаграмм), что дает возможность подобрать соответствующую для каждого случая диаграмму и сравнить с моделью пациента. Это облегчает применение диаграмм в практике и определение различных отклонений в зубных рядах (Ужумецкене, И.И. "Методы исследования в ортодонтии." М.: Медицина 199 (1970): 3.).
Описанный метод Hawley, Herber, Herbst позволяет вычертить правильную форму верхнего зубного ряда на листе бумаги и сравнить ее, при наложении на контур правильной формы зубной дуги контур аномалийной зубной дуги пациента, при этом отметить и измерить в мм линейные отклонения каждого зуба в одной плоскости (фиг. 1). Измерения проводятся биометрическим методом с помощью линейки и штангенциркуля, и это не позволяет получить точное метрическое определение трехмерных смещений каждого зуба, и их погрешность составляет более 5% на каждый мм, что существенно влияет на эффективность планирования лечения.
Недостатками известного способа являются:
Неправомерность расчета формы нормальной зубной дуги верхней челюсти (полуэлипс) для определения правильной формы зубной дуги нижней челюсти (парабола);
Невозможность определения и планирования трехмерных перемещений зубов;
Большая погрешность биометрического способа измерения (с помощью линейки и штангенциркуля) моделей челюстей.
В настоящий момент существует потребность повышения эффективности планирования лечения у ортодонтических пациентов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышения эффективности планирования и результатов лечения у пациента за счет повышения точности количественного определения смещений зубов методом корреляции цифровых изображений.
Технический результат достигается за счет того, что способ количественного определения трехмерных смещений зубов методом корреляции цифровых изображений, характеризуется получением оттиска и модели зубной дуги верхней и (или) нижней челюсти, затем осуществляют анализ перемещения зубов до и в процессе лечения методом корреляции цифровых изображений посредством измерения координатных точек зубов до учитывающий смещение средних точек на вестибулярной поверхности коронок зубов в трансверсальном, вертикальном и сагиттальном направлениях в исходной и конечной их позиции, причем вычисление смещения или изменения местоположений объектов осуществляется с точностью измерения до 4-5 микрон.
Технический результат достигается следующим образом: с полученной гипсовой модели получают трехмерную цифровую модель с регистрацией ее изображения и выделением заданных изучаемых точек на поверхности зубов, которые сравниваются с данными точками следующей модели.
Пробные измерения показали, что эти процедуры были точными и достаточно надежными для клинического применения.
Способ количественного определения трехмерных смещений зубов, включающий получение оттиска и модели зубной дуги верхней и (или) нижней челюсти, отличающийся подходом в получении метрических измерений зубов не ручным биометрическим методом,
- возможностью анализа перемещения зубов до и в процессе лечения методом корреляции цифровых изображений посредством измерения координатных точек зубов до и после ортодонтической коррекции, учитывающий смещение средних точек на вестибулярной поверхности коронок зубов в трансверсальном, вертикальном и сагиттальном направлениях в исходной и конечной их позиции,
- вычисление смещения или изменения местоположений объектов с высокой точностью измерения до 4-5 микрон, что измерений ручным методом не может.
Изобретения поясняется чертежом, где на:
Фиг. 1. Диаграмма Hawley, Herber, Herbst
Фиг. 2. Наложение изображения первой (светло-серый цвет) и шестой модели (темный цвет) - вид сверху.
Фиг. 3. График перемещений центральных точек зубов в вертикальном направлении Y
Фиг. 4. График перемещений центральных точек зубов в трансверсальном направлении X
Фиг. 5. График перемещений центральных точек зубов в сагиттальном направлении Z
Фиг. 6. График зависимости координат Z от X центральных точек зубов (вид сверху)
Фиг. 7. График зависимости координат Y от X центральных точек зубов (вид спереди)
Фиг. 8.а-в: а - до лечения; б - после коррекции; в - наложение изображения первой (темный цвет) и шестой модели (светло-серый цвет) - вид сверху.
Краткое описания таблиц:
Таблица 1. Координаты Y центральных точек шести передних зубов для шести моделей челюстей пациентки К. в вертикальном направлении.
Таблица 2. Координаты Z центральных точек шести передних зубов для шести моделей челюстей пациентки К. в сагиттальном направлении.
Таблица 3. Координаты X центральных точек шести передних зубов для шести моделей челюстей пациентки К. в трансверсальном направлении.
Способ количественного определения трехмерных смещений зубов методом корреляции цифровых изображений осуществляется следующим образом и поясняется примерами:
Пример 1. Определение трехмерных смещений зубов методом корреляции цифровых изображений у пациента с тесным положением зубов в переднем отделе нижнего зубного ряда. Исследование проведено на установке Vic-3D фирмы «Correlated Solutions» (США), которая впервые была применена для изучения перемещения передней группы зубов нижней челюсти под действием брекетов.
Анализ цифровой корреляции изображений перемещения зубов на модели челюсти: включает реконструкцию изображения, идентификацию ориентиров, настройку системы координат, наложение и вычисление смещения или изменения объектов с высокой точностью измерения до 4-5 микрон.
Метод цифровой корреляции изображений, реализуется на установке Vic-3D фирмы «Correlated Solutions». В состав системы VIC 3D RT входят:
• Программное обеспечение VIC Snap LS (для регистрации изображений камерами);
• Программное обеспечение VIC 3D 2010 (для выполнения калибровки и обработки зарегистрированных цифровых изображений объекта);
• Модуль программного обеспечения VIC 3D Real-Time, для возможности проведения измерения деформации в реальном времени;
• Компьютер, с двумя мониторами диагональю 22";
• Камеры Point Grey Research, Grasshopper подключенные к компьютеру через IEEE 1394b (скорость при разрешении 2448x2048 - 15 кадр/с);
• Объектив Scheider Optics 17 mm;
• Объектив Scheider Optics 35 mm;
• Объектив Scheider Optics 50 mm;
• Объектив Tokina 100 mm;
• Комплект калибровочных ячеек размером от 10x10 мм до 560x770 мм (13 шт).
Процедура реализации метода включает в себя основные этапы:
• подготовку образца (гипсовой модели челюсти);
• настройку, наведение и фокусировка цифровых камер на образце;
• калибровка камер;
• выполнение испытаний и регистрация изображений;
• корреляция изображений;
• просмотр и обработка данных;
Так как в основе метода цифровой корреляции изображений лежит статистическая попарная обработка видоизменяемых пространственных распределений совокупности случайных меток на участках поверхности деформируемого объекта, то его предварительная подготовка, в основном, заключается в обеспечении наличия данных метрологических носителей информации. Спекл-структура может быть нанесена на объект искусственно, например, оптическими средствами или с помощью распыления красителя, или может иметь естественное происхождение.
Для регистрации формы поверхности модели зубного ряда, необходимы, как минимум, два изображения поверхности исследуемого объекта со спекл-структурой, зарегистрированных оптической системой, состоящих из двух цифровых видеокамер.
После проведения фокусировки видеокамер на исследуемый объект, необходимой операцией является калибровка оптической системы. Для этого калибровочная пластина размером, соответствующим размеру исследуемого объекта, устанавливается непосредственно перед объектом, осуществляется регистрация изображений калибровочной пластины, далее полученные изображения обрабатываются и вычисляются параметры оптической системы, которые необходимы в дальнейшем для проведения измерений.
После вычисления параметров оптической схемы по результатам калибровки исследователь принимает решение о возможности использования полученных данных и продолжает работу далее. Затем регистрируется интересующая область исследуемого объекта двумя камерами и полученные изображения обрабатываются компьютерной программой. Полученные данные фиксируются в памяти компьютера.
В процессе обработки изображения исследуемого объекта выделяется область на поверхности объекта, где мы хотим получить интересующие нас данные.
Далее интересующая нас область разбивается на подобласти, причем в каждой подобласти должно находиться несколько спекл-структур и запускается компьютерная обработка цифрового изображения исследуемой области интересующего нас объекта.
Полученные результаты можно представить, как в двухмерной цветной картине, так и в трехмерной. На двухмерной цветной картине исследуемой области объекта можно задать линию, по которой в дальнейшем можно получить профиль заданной величины.
В результате можно определить направление движения зубов в трех плоскостях по шести моделям и исследовать последовательность нормализации брекет-системой тесного положения передних зубов нижней челюсти.
Получены клинические и экспериментальные данные нормализации положения аномалийно расположенных зубов по трем направлениям (в мм) брекет-системой версии Empower (паз 0.022'') и активной дуги из сплава никелид титана (NiTi) сечением 0.014'' в течение пяти месяцев (с интервалом в 1 месяц) на шести моделях нижнего зубного ряда.
Центральные точки каждого зуба на шести моделях в процессе начальной фазы лечения (выравнивания и нивелирования) поменяли свои координаты (табл. 1-3, фиг. 2-7):
В вертикальном направлении центральная точка:
зуба 3.3 сместилась вверх с 6,39 до 7,01 мм (на 0,6 мм),
зуба 3.2 сместилась вверх с 8,2 до 8,64 мм (на 0,4 мм);
зуба 3.1 сместилась вниз с 9,71 на 8,53 мм (на 1,2 мм);
зуба 4.1 сместилась вверх с 7,88 до 9,03 мм (на 1,15 мм);
зуба 4.2 сместилась вниз с 9,48 на 8,48 мм (на 1 мм);
зуба 4.3 сместилась вверх с 4,97 до 6,54 мм (на 1,5 мм);
В сагиттальном направлении центральная точка: зуба 3.3 сместилась мезиально с -6,37 до -6,19 мм (на 0,18 мм, остался практически на месте);
зуба 3.2 сместилась дистально с -3,50 до -4,10 мм (на 0,7 мм);
зуба 3.1 сместилась мезиально с -2,60 до 0,28 мм (на 2,9 мм);
зуба 4.1 сместилась мезиально с -0,73 до -0,10 мм (на 0,6 мм);
зуба 4.2 сместилась мезиально с -4,15 до -3,16 мм (на 0,9 мм);
зуба 4.3 сместилась дистально с -2,29 до -5,12 мм (на 2,8 мм);
В трансверсальном направлении центральная точка:
зуба 3.3 сместилась вправо с на 10,15 на 10,7 мм (на 0,5 мм);
зуба 3.2 сместилась вправо с 8,03 на 8,75 мм (на 0,7 мм);
зуба 3.1 сместилась вправо с 2,28 на 3,31 мм (на 1 мм);
зуба 4.1 сместилась вправо с -2,03 на -2,89 мм (на 0,86 мм);
зуба 4.2 сместилась вправо с -8,03 на -9,25 мм (на 1,2 мм);
зуба 4.3 сместилась влево с -15,63 на -15,24 мм (примерно на 0,3 мм);
Таким образом, клинически с зубом 3.3 произошла относительная экструзия и он сместился кпереди и вправо, соответственно, на 0,6 мм, 0,18 мм, на 0,5 мм; с зубом 3.2 произошла также относительная экструзия и смещение кзади и вправо, соответственно, на 0,4 мм, 0,7 мм, 0,7 мм; с зубом 3.1 - интрузия и смещение кпереди и вправо, соответственно, на 1,2 мм, 2,9 мм, 1 мм; с зубом 4.1 произошла экструзия и смещение кпереди и вправо, соответственно, на 1,15 мм, 0,6 мм, 0,86 мм; зубы 4.2 и 4.3 поменяли свое положение в пределах 1-3 мм в трех направлениях. С зубом 4.2 произошла интрузия и смещение кпереди и вправо, соответственно на 1 мм, 0,9 мм, 1,2 мм; с зубом 4.3 произошла экструзия и смещение кзади и влево, соответственно на 1,5 мм, 2,8 мм, 0,3 мм.
При этом, в области передних зубов нижней челюсти максимальная экструзия произошла на 1,5 мм (зуб 4.3), интрузия - на 1,2 мм (зуб 3.1), смещение кпереди - на 2,9 мм (зуб 3.1), кзади - 2,8 мм (зуб 4.3), вправо - на 1,2 мм (зуб 4.2), влево - на 0,3 мм (зуб 4.3) (фиг.5-6).
Потребность места для передних зубов по трем направлениям составила 5,9 мм (по вертикали 1,5 мм, по трансверсали 1,5 мм, по сагиттали 2,9 мм).
Кроме этого, подобная клиническая ситуация была проверена на экспериментальной модели с имитацией пародонта. Полученные результаты (фиг. 2-7) полностью подтвердили предыдущие данные.
Максимальные отклонения восстановления зуба для NiTi дуги 0.014'' -в трансверсальном направлении 1,2 мм, в вертикальном направлении 1,5 мм, в сагиттальном направлении 2,9 мм (фиг. 3-5).
На Фиг. 3-7 представлены 3D перемещения в трех плоскостях U (вправо, влево), V (вверх, вниз) и W (кпереди, кзади) центров зубов (правых и левых клыков и резцов нижней челюсти) для шести моделей челюстей пациента, соответственно полученных с 1 мес интервалом в процессе выравнивания и нивелирования.
На фиг. 6 и 7 представлены положения центров зубов (правых и левых клыков и резцов нижней челюсти) в плоскостях ZOX и YOX, для шести моделей, соответственно.
Пример 2. Клиническая ситуация промежутков (трем и диастем) в переднем отделе нижнего зубного ряда до и после количественного определения трехмерных смещений зубов методом корреляции цифровых изображений фиг. 8 (а,б,в). Стрелками указано направление смещения зубов.
Таким образом, предлагаемый заявителем способ позволяет повысить эффективность диагностических данных за счет повышения точности количественного определения смещений зубов.
Таблица 1.
Таблица 2.
Таблица 3.