ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОККЛЮЗИИ И АРТИКУЛЯЦИИ

Полезная модель относится к средствам имитационной техники и может быть использована для функционального анализа окклюзионного поля и артикуляции при обследовании и лечении стоматологической патологии.
Одним из методов исследования зубочелюстно-лицевой системы является метод, при котором выявляются и регистрируются окклюзионные контакты зубов. Для этих целей применяются приборы, имитирующие движения нижней челюсти - артикуляторы.
Артикулятор - это шарнирное механическое устройство, к которому прикрепляются гипсовые модели верхней и нижней челюстей и которое предназначено для воспроизведения, с большей или меньшей точностью, взаимного положения верхней и нижней челюстей пациента в определенных пространственных позициях.
Анализ зубочелюстной системы при помощи артикулятора является ключевым событием для диагностики и последующих клинико-лабораторных этапов лечения с использованием несъемных и съемных ортопедических конструкций в полости рта, т.к. все планирование конструкций, их физическое выполнение и лабораторные примерки (припасовки) происходят непосредственно на гипсовых моделях челюстей (их элементах), установленных в том или ином типе артикулятра.
Известны системы, включающие в себя механические артикуляторы, снабженные дисплеями для графической визуализации некоторых движений в форме кривых (Arcus digma - http://dentalsite.solvay-pharma.ru/new.aspx?id=9220&theme=82; KaVo Everest -http://www.medicus.ru/stomatology/spec/?cont=article&art_id=8231&blt_id=l 1766).
Однако в результате статистического анализа несоответствий контактных полей и точек на окклюзионных поверхностях гипсовых моделей, выставленных в артикуляторах и на окклюзионных поверхностях зубов было установлено, что механические артикуляторы, даже снабженные специальными вкладышами, позволяющими настраивать механизмы по некоторым индивидуальным параметрам пациента, допускают до 31% погрешностей. Такой результат обусловлен присущей механическим приборам способностью объективно учитывать лишь неполное количество гнатологических артикуляционных показателей. Особенностью адекватной динамической модели полости рта является огромное количество исходных данных, меняющих свои значения во времени в зависимости от
величины и направления прилагаемых сил, что обусловлено сложным комплексом взаимосвязей основных элементов системы, включающей в себя височно-нижнечелюстной сустав, жевательные мышцы, язык, дно полости рта, окклюзионные контакты на жевательных поверхностях зубов, состояние связочного аппарата зубов.
Для решения задачи адекватной реконструкции окклюзии разрабатываются методы математического моделирования и компьютерной трехмерной визуализации. Например, компанией «3D Lab Service GmbH» представлен так называемый «виртуальный артикулятор» (http://www.3dlabservice.de/ eng_index.html) - программное обеспечение, позволяющее интерактивно взаимодействовать на экране монитора с трехмерными моделями механического артикулятора и гипсовыми моделями челюстей.
Однако данная система обеспечивает по существу визуализацию действия механических приборов, автоматически копируя заложенные в них гнатологические недостатки.
Задачей полезной модели является повышение точности функционального анализа зубочелюстной системы конкретного пациента.
Указанная задача решается в системе функционального анализа окклюзии и артикуляции, содержащей блок сбора данных, персональный компьютер с программным обеспечением для математического моделирования динамических процессов, возникающих при движениях нижней челюсти и синхронизации работы отдельных компонентов системы, базу данных, содержащую описание моделей и средние значения физиологической экскурсии зубов в зубо-альвеолярном связочном аппарате с алгоритмом вычисления движений нижней челюсти по граничным пространственным координатам окклюзионного поля, алгоритм анализа патологии, подсистему рендеринга для графического преобразования математического описания модели в визуальное трехмерное динамическое представление на экране монитора, подсистему манипуляции данными, подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами и подсистему передачи информации о модели аппаратам с ЧПУ, при этом блок сбора данных включает в себя цифровую камеру и подсистему сканирования опытных гипсовых моделей челюстей или разборных гипсовых моделей с выполняемой конструкцией.
Преимущественно подсистема сканирования содержит установленный на штативе лазерный сканер и приспособление для установки указанных гипсовых моделей.
При этом приспособление для установки гипсовых моделей содержит основание и платформу со средствами фиксации гипсовых моделей, при этом основание связано с
платформой посредством фиксируемого шарового шарнира.
Кроме того, система может дополнительно содержать подсистему представления трехмерных моделей вне экрана, включающую в себя поляризационные очки и соответствующее программное обеспечение.
Система в соответствии с настоящей полезной моделью позволяет:
- создать математическую и визуальную трехмерную модель (на экране монитора персонального компьютера) наружного рельефа слизистой оболочки челюстей, десен, коронковых частей зубов;
- создать математическую модель и визуальную трехмерную имитацию (на экране монитора персонального компьютера с возможностью интерактивного взаимодействия) движений нижней челюсти сообразно специфики топографии окклюзионных поверхностей зубов конкретного пациента;
- создать математическую модель и визуально имитировать в сцене трехмерной модели челюсти экскурсии зубов, возникающие под воздействием сил при жевании (нагрузки);
- математически моделировать и визуально представлять (на экране монитора персонального компьютера) возможные варианты лечения несъемными ортопедическими конструкциями;
- предложить рациональный вариант несъемной конструкции для конкретной патологии и индивидуальных особенностей (условий) зубочелюстной системы;
- задать пространственные параметры для конструкций, выполнение которых возможно копировально-фрезерными аппаратами с ЧПУ, применяющимися в стоматологии (CAD/CAM технологии в стоматологии);
- создать математическую и визуальную трехмерную модель (на экране монитора персонального компьютера) выполняемой ортопедической конструкции;
- совмещать трехмерную модель выполняемой ортопедической конструкции с трехмерной моделью челюсти, для которой выполнялась конструкция;
- выполнять математический анализ окклюзионного поля в процессе артикуляции с учетом факторов восстановленного участка окклюзионного поля на ортопедической конструкции;
- выявлять в процессе анализа окклюзионного поля и визуализировать на трехмерной модели челюстей и ортопедической конструкции физиологические межзубные контакты и контакты, препятствующие нормальной функции зубочелюстной системы.
Данная система реализует принципиально иной подход по сравнению с указанными выше известными системами - не визуализировать действия механических приборов, а предоставить потребителю математическую биомеханическую модель зубочелюстной системы конкретного пациента с возможностью получения компьютерной трехмерной визуальной информации об объекте и обеспечить интерактивное взаимодействие с таким объектом на экране монитора.
При этом система обеспечивает построение динамической трехмерной модели зубочелюстной системы, тогда как программное обеспечение применяющихся в стоматологии компьютерных томографов или сканеров предлагает потребителю исключительно незамкнутую статичную трехмерную модель элементов зубочелюстной системы.
Система функционального анализа окклюзии и артикуляции поясняется подробным ее описанием и прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 изображена функциональная блок-схема системы;
на фиг.2 показан общий схематический вид системы в аксонометрической проекции;
на фиг.3 схематично показана подсистема сканирования;
на фиг.4 схематично показано приспособление для установки гипсовых моделей, вид сбоку в продольном разрезе;
на фиг.5 - то же, вид сверху.
Система функционального анализа окклюзии и артикуляции содержат следующие основные компоненты (фиг.1):
- консоль 1 запуска и управления системой;
- программное обеспечение устройства для математического моделирования и 3D графической визуализации - компьютерной имитации движений нижней челюсти конкретного пациента (ПОУ) - блок 2;
- блок 3 сбора данных (БСД);
- базу данных, содержащую алгоритм вычисления движений нижней челюсти по граничным пространственным координатам окклюзионного поля, средние значения физиологической экскурсии зубов в зубо-альвеолярном связочном аппарате, алгоритм анализа патологии, описание моделей и сцен (БД) - блок 4;
- подсистему рендеринга для графического преобразования описания модели в
визуальное представление на экране монитора (ПР) - блок 5;
- подсистему демонстрации визуального представления вне экрана - в «кибернетическом пространстве» (ПВА) - блок 6;
- подсистему манипуляции данными с устройства ввода и управления (ПМД) -блок 7;
- подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (ПМВ) - блок 8;
- подсистему 91 передачи цифровой информации о геометрии модели аппаратам с ЧПУ (ППИ).
Консоль 1 запуска и управления системой представляет собой персональный компьютер со стандартными средствами ввода (клавиатура, мышь).
Программное обеспечение устройства (блок 2) включает в себя пользовательский интерфейс 21, ядро 22 и C++объектный компонент 23.
Блок 3 сбора данных содержит подсистему сканирования, включающую в себя приспособление 31 для установки гипсовых моделей, лазерный неконтактный 3D сканер 32, драйвер 33 лазерного сканера и датчик программного обеспечения с интерфейсом 34 к драйверу 33 лазерного сканера; а также цифровую камеру 35, драйвер 36 цифровой камеры и датчик программного обеспечения с интерфейсом 37 к драйверу 36 цифровой камеры.
База данных (блок 4) включает в себя иерархическое представление моделей в виде графа 41 сцены, файлы 42 с описанием геометрии модели (результаты сканирования), файлы 43 с описанием пограничных точек окклюзионного поля (результаты фотографирования), алгоритм 44 вычисления движений нижней челюсти, библиотеку 45 средних физиологических значений экскурсий зубов и алгоритм 46 анализа патологии.
Подсистема рендеринга (блок 5) содержит графическую библиотеку 51 Open GL Performer, графическую библиотеку 52 Open GL и графическую карту 53 с 3D ускорением.
Подсистему демонстрации визуального представления вне экрана (блок 6) включает в себя программное обеспечение 61 Quest 3D и поляризационные очки 62.
Подсистема манипуляции данными с устройствами ввода и управления (блок 7) содержит датчик 71 с интерфейсом к драйверу устройства взаимодействия, драйвер 72 устройства взаимодействия, джойстик 73 и физические датчики 74 (кнопки джойстика).
Подсистема моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (блок 8) включает в себя модель 81 навигации в виртуальном пространстве,
виртуальную точку 82 зрения и модель 83 взаимодействия с виртуальными объектами.
Подсистема 91 передачи цифровой информации о геометрии модели аппаратам с ЧПУ, содержащую датчик программного обеспечения и открытый интерфейс к аппаратам с ЧПУ.
Система функционального анализа окклюзии и артикуляции содержит персональный компьютер 1 (вычислитель) и блок сбора данных, включающий в себя приспособление 31 (П1) для установки гипсовых моделей, лазерный сканер 32 (П2), установленный на штативе 38, и цифровую камеру 35 (ЦК).
Расположение физических компонентов системы показано на фиг.2.
Закрепленный на штативе 38 лазерный сканер 32 и приспособление 31 для установки гипсовых моделей устанавливаются на расстоянии L около 20-30 см. друг от друга (фиг.3).
Приспособление 31 (фиг.4, 5) для установки гипсовых моделей содержит основание 311 и платформу 312 со средствами фиксации гипсовых моделей 313. Основание 311 связано с платформой 312 посредством фиксируемого шарового шарнира 314. Шаровой шарнир 314 представляет собой сферическую головку на стойке основания 311 и соответствующее сферическую выемку на нижней поверхности платформы 312, причем головка вставлена в выемку с натягом, так что положение платформы при установленной на ней моделью 313 фиксируется за счет трения между этими элементами шарнира. Для повышения надежности фиксации платформы 312 относительно основания 311 шаровой шарнир 314, образованный сферической головкой и соответствующей выемкой, может содержать дополнительное средство фиксации, например, винт. Гипсовая модель 313 фиксируется на платформе 312 путем прижатия ее к упору 315, расположенному с одной стороны платформы, подвижной планкой 316, установленной с возможностью поступательного перемещения относительно платформы и подпружиненной посредством пружин 317.
Система работает по следующей принципиальной схеме:
1. сбор информации об объекте;
2. обработка данных;
3. ответ в форме трехмерной компьютерной имитации и в форме цифровых данных о геометрии модели.
1. Сбор информации об объекте.
К объектам, информация о которых необходима для работы системы в режиме
«диагностика» относятся гипсовые модели челюстей и окклюзионные поверхности зубов.
К объектам, информация о которых необходима для работы системы в режиме «лечение» относятся выполняемые несъемные дентальные протезы, припасованные на разборных гипсовых моделях.
Схема сбора информации:
- (окклюзионные поверхности зубов)+ЦК → вычислитель
- (гипсовые модели челюстей)+П1+П2 → вычислитель
- (выполняемые несъемные дентальные протезы, припасованные на разборных гипсовых моделях)+П1+П2 → вычислитель
Во рту пациента следует определить посредством трехцветной копировальной ультратонкой бумагой по общепринятой методике срединную окклюзионную позицию, заднюю контактную позицию, сдвиг между задней контактной позицией и межбугорковой позицией, боковой сдвиг. Окклюзионные поверхности зубов с отмеченными разноцветными точками фотографируются цифровой камерой, имеющей штатное программное обеспечение. Выходной файл экспортируется в программное обеспечение для математического моделирования и 3D графической визуализации - компьютерной имитации движений нижней челюсти конкретного пациента.
Гипсовые модели 313 челюстей, получаемые в результате снятия оттиска челюстей пациента силиконовой слепочной массой и последующей заливкой оттиска гипсом, предназначенным для отливки разборных моделей устанавливаются в посадочное место приспособления 31 (фиг.4). С целью диагностики можно использовать гипсовые модели челюстей с необработанными зубами, а с целью выполнения и проверки выполняемой ортопедической конструкции необходимо использовать разборные гипсовые модели.
Несъемные дентальные протезы, припасованные на разборной гипсовой модели, также устанавливаются в посадочное место приспособления.
Лазерный сканер закрепляется на штативе и устанавливается на расстоянии около 20-30 см. от приспособления (фиг.3).
Последовательно осуществляется сканирование фронтальной, боковых и окклюзионной поверхностей гипсовой модели челюстей или несъемных дентальных протезов, припасованных на разборных гипсовых моделях.
Выходные файлы сканирования в формате STL экспортируются в программное обеспечение для математического моделирования и 3D графической визуализации.
2. Обработка данных.
Обработка информации об объекте производится вычислителем.
3. Выходящая информация (ответы):
- для пользователя - в форме трехмерной динамической модели с возможностью интерактивного взаимодействия как на экране монитора, так в режиме «кибернетического пространства»;
- для аппарата с ЧПУ - в форме математических расчетов геометрии модели и отдельных ее элементов.
Понятие «кибернетическое пространство» подразумевает интерактивную графику в реальном времени с трехмерными моделями, когда комбинируется специализированная технология отображения, погружающая пользователя в мир модели. Визуальное погружение осуществляется за счет создания стереоэффекта наблюдаемой искусственной сцены и визуальным экранированием реальной среды, в которой находится пользователь.
В данном случае это обеспечивается за счет возможностей программного приложения Quest 3D (полная версия) и стерео очков для пользователя с использованием интерактивного взаимодействия. При этом эффект возникает не за счет применения специального экрана, а прямо с экрана монитора.
В процессе запуска консоль 1 запуска инициализирует ядро 22 программного обеспечения устройства, которое развертывает остальные компоненты системы. C++объектный компонент 23 в процессе работы системы тесно взаимодействует с ядром 22.
Доступ к ядру системы осуществляется через пользовательский интерфейс 21.
Программное обеспечение устройства использует язык программирования C++ для определения двух категорий объектов - узлы и датчики. Узлы составляют объектно-ориентированный граф сцены, который осуществляет представление и отображение сложной геометрии. Датчики обеспечивают связь с реальным миром и используются для ввода в приложение данных с внешних устройств.
В процессе работы консоль 1 запуска остается открытой, обеспечивая пользователя средствами мониторинга и контроля над системой. После запуска программное обеспечение устройства (блок 2) использует информацию блока 3 сбора данных и базу данных (блок 4) для создания визуальной сцены, и стартует вспомогательные процессы: подсистема манипуляции данными (блок 7) и подсистема моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (блок 8).
Инициализированное программное обеспечение через интерфейс к драйверу 33 лазерного сканера 32 открывает файлы, созданные по результатам сканирования объекта,
закрепленного в приспособлении 31. Далее геометрическое представление об отсканированных моделях загружается из файлов 42 в оперативную память, формируя в ней древовидную структуру (граф 41 сцены), необходимую для оптимальной организации процесса рендеринга.
Через интерфейс 37 к драйверу 36 цифровой камеры программное обеспечение открывает файлы, созданные цифровой камерой 35. Данные файлов 43 с отмеченными пограничными точками окклюзионного поля также загружаются в оперативную память.
В процессе построения замкнутой трехмерной модели в ядре 22 на основе полигональной сетки модели, построенной графической станцией лазерного 3D сканера 32, отмечаются (наносятся) координаты окклюзионных точек, определяющие границы окклюзионного поля, полученные в результате клинического анализа окклюзии по общепринятой методике, выявленные при помощи копировальной бумаги на окклюзионных поверхностях зубов пациента и зафиксированные цифровой камерой 35. Выделенные на сетке модели координаты границ окклюзионного поля анализируются алгоритмом 44 вычисления движений нижней челюсти. На основании средних значений физиологической экскурсии зубов в зубо-альвеолярном связочном аппарате, содержащихся в библиотеке 45 соответствующим образам зубов задаются математические сведения об экскурсии. Результатом этих действий является математический расчет движений нижней челюсти, на основании которого в мире модели строится визуальный ряд артикуляционных движений, т.е. создается динамическая модель.
Сведения о геометрии модели, ее отдельных элементах (окклюзионных поверхностях зубов), гнатологических положениях, обусловленных расчетными координатами траектории артикуляционных движений, анализируются алгоритмом 46 анализа патологии, содержащим, в свою очередь, несколько библиотек с иерархической организацией данных.
Рендеринг производится графической библиотекой 51 Open GL Performer, которая оптимизирует процессы с использованием иерархической организации данных, алгоритмов стирания невидимых линий и поверхностей. Результат передается графической библиотеке 52 Open GL, которая отрисовывает примитивы (треугольники, линии, точки) с учетом графических мод (освещения, текстур, прозрачности), используя реализованные в графической карте 53 техники нижнего уровня (Z-буферизация, маскировка, шейдинг).
В результате перечисленных действий синтезируется информация в форме
расчетных гнатологических данных, визуальных сцен, поставляемых на экран монитора.
Для представления интерактивных образов динамической модели вне экрана - в «кибернетическом пространстве» файлы открываются в программном обеспечении 61 Quest 3D. Стереоскопическое изображение с экрана монитора наблюдается пользователем с помощью поляризационных очков 62.
Подсистема манипуляции данными (блок 7) отслеживает дискретные события, такие как нажатие клавиш на устройствах взаимодействия и передает результат в ядро 22. На основе сигналов подсистемы манипуляции данными подсистема моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (блок 8) моделирует взаимодействие пользователя с виртуальными объектами, в частности, определяет скорость и способ перемещения в виртуальной сцене, позволяет манипулировать предметами и т.д.
Подсистема 91 передачи цифровой информации о геометрии модели аппаратам с ЧПУ содержит открытый интерфейс, с помощью которого предусмотрена возможность передачи информации о геометрии трехмерного пространства модели или ее отдельных элементов к аппаратам с ЧПУ.
Данная система может быть реализована с использованием, например, следующей программно аппаратной конфигурации.
I. Вычислительная система:
- материнская плата класса - ASUS P5AD2 Premium;
- процессор класса - Pentium IV 3.6 Ghz;
- видеокарта - PNY PCI-E на чипе Nvidia Quadro FX 1300 256Mb;
- оперативная память - 2 Gb Dual channel;
- два винчестера объемом - не менее 160 Gb;
- корпус с хорошей вентиляцией;
- монитор-LCD 19";
- CD-ROM;
- клавиатура, мышь - стандартные.
II. Система сбора данных:
- неконтактный лазерный 3D сканер (измерительный принцип -триангуляционный лазерный дальномер): классификация лазера - Class2 (IEC60825-1), Class I (FDA), разрешение по оси Z - 0,05 мм, точность - до
0,04 мм, матрица - 1/3" CCD - матрица 340000 пикселей;
- цифровая камера: датчик изображения - CCD, 1/1,8", 10,0 Mpix, оптический зум - 3,0х, цифровой зум - 4,0х, память - SD Card/MMC;
III. Система представления изображения вне экрана:
- программное обеспечение Quest 3D
- поляризационные очки.