МЕТОД И УСТОРАЗШИРИТЕЛ ЗА СКАНИРАНЕ И НАСЛАГВАНЕ НА 3D ДИГИТАЛНИ МОДЕЛИ (ЛИЦЕ И ЗЪБНИ ЧЕЛЮСТИ) И СЪЗДАВАНЕ НА 3D ДОСИЕ
Област на техниката
[0001] Изобретението се отнася до метод и усторазширител за сканиране и наслагване на 3D дигитални модели, включително формиране на 3D дентално досие, съдържащо суперимпозирани (насложени) дигитални 3D модели, което може да се съхранява и предоставя на дентални лекари за целите на поддържане на индивидуално дентално досие, планиране на бъдещи етапи и видове лечения, както и добавяне на текущи 3D модели, представляващи резултат от проведено лечение или етапи от растежа.
Предшестващо състояние на техниката
[0002] В областта на денталната медицина се прилагат различни методи и системи за наблюдение, профилактика и дентално лечение на пациенти, които като правило представляват прегледи на пациенти, когато имат дадени оплаквания и посетят дентален кабинет за лечение на конкретният проблем.
[0003] Като правило денталният специалист сканира двете /горна и долна/ челюсти на пациента, което може да бъде направено по един от многото известни начини с технически средства, например директно в устата на пациента, чрез интраорална 3D камера или след снемане на стандартни дентални отпечатъци и изработването на гипсови отливки, които впоследствие се сканират в 3D изображение.
[0004] В ортодонтията пациент, страдащ от малооклузия обикновено се лекува чрез позициониране на брекети към повърхността на зъбите. В брекетите са предвидени специални слотове за приемане на моделираща дъга. Взаимодействието между брекетите и дъгата управлява сили, приложени върху зъбите и определя желаната посока на преместване на зъба. Обикновено извивките в коригиращата дъга се правят ръчно от ортодонта. По време на лечението се следи движението на зъбите. Корекциите на позицията на всеки брекет и / или формата на дъгата се правят ръчно от ортодонта.
[0005] Ключът към ефективността на лечението и получаването на максимално добри резултати, практически е свързано с реалистична симулация на процеса на лечение. Специалистите ортодонти имат възможност да вземат гипсови модели на горната и долната челюст, да нарежат отливките на модели с единични зъби и да залепят тези зъбни модели във восъчно легло, като ги фиксират в желаната позиция. Този подход позволява да се постигне перфектна оклузия без никакви предположения.
[0006] Следващата стъпка е да се залепят брекетите към всеки модел на зъб. Това би показало на ортодонта каква трябва да бъде геометрията на дъгата, която преминава през отворите на брекетите, за да се получи точно желания резултат. Следващата стъпка включва прехвърлянето на позицията на брекета към оригиналния модел с малооклузия. За да са сигурни, че брекетите ще бъдат фиксирани точно в тази желана позиция към реалните зъби на пациента, трябва да се изработят малки шаблони за всеки зъб, които да се вместят върху дъгата и съответната част на зъба. За да се повиши ефективността на процеса на позициониране, друг вариант е да се постави всеки отделен брекет върху модел на малоклузия и след това да се изработи един единствен прехвърлящ шаблон-шина за челюстта, който покрива всички брекети и съответните части на всеки зъб. Използването на такава трансферна шина гарантира много бързо и същевременно прецизно фиксиране чрез индиректно позициониране.
[0007] Очевидно е обаче, че такъв подход изисква изключително много време и труд и по този начин е твърде скъп, това е и причината той да не се практикува широко. Ортодонтът обичайно поставя брекетите директно върху зъбите на пациента, доколкото е възможно, използва коригираща дъга и се надява на най-доброто. Няма начин да се предвиди или потвърди дали брекетите са поставени правилно, като неправилното поставяне на брекета ще промени посоката и/или големината на силите, приложени върху зъбите. Докато в началото на лечението нещата обикновено протичат добре и всички зъби започват да се движат в правилната посока, в края на лечението се губи много време заради необходимите адаптации и корекции, тъй като желаният резултат не е бил правилно планиран за всеки етап от лечението. Пациентът няма избор и не знае, че времето за лечение може да бъде значително намалено, ако се направи правилното планиране.
[0008] Детайлният преглед на известното ниво на техниката в разглежданата област показва, че липсва ефективен, компютърно базиран, интерактивен метод за планиране на ортодонтско лечение, предоставящ необходимите инструменти, които да позволят на ортодонта бързо и ефикасно да изготви план за лечение на пациент. В областта на коментираната тук техника също липсва метод или система за планиране на лечение, в която получените от ортодонта параметри за лечението могат да бъдат преведени към дизайн на ортодонтски апарат в реално време, докато пациентът е на стола. Използването на дизайн на апарата в реално време ще позволи да се осъществи комуникация с пациента или да се изпрати чрез комуникационна връзка и да се сподели с колега или отдалечено място за производство на апарати, които да се използват при лечението. Като алтернатива, планирането на лечението може да се извърши дистанционно и да се изпрати дигитален план за лечение на ортодонта за преглед, интерактивна модификация или одобрение.
[0009] Скенерите са устройства за улавяне и запис на информация от повърхност на обект. Широко известни са скенерите за получаване на информация от двуизмерна повърхност, като са известни и скенери за запис на триизмерна информация, включително в областта на стоматологията.
[0010] Известни са патентни публикации US4,837,732 , US4,575,805, в които е описана сканираща система за безконтактно сканиране на зъби. Патентите описват процедура за оптично картографиране на подготвен зъб с безконтактна сканираща глава. Сканиращата глава предоставя контурните данни, преобразувани в електронен формат, за да бъдат съхранени в памет. Компютърът чете паметта, следвайки модел на сканиране на линия. Фрезово устройство се подчинява, за да следва този модел с помощта на сигнали за контрол на позицията на зъбите.
[0011] Известна е патентна публикация ЕР225833, в която е описан компютъризиран, интерактивен метод и система за ортодонтско лечение включващи създаване на индивидуален, триизмерен модел на виртуален зъб, памет, съхраняваща поне един виртуален триизмерен модел на шаблонен обект, съответстващ на зъб, включително шаблон на зъб, съответстващ на споменатия зъб; система за обработка на данни, включваща памет, съхраняваща виртуален триизмерен модел на поне част от съзъбието; като обработката на данни включва софтуерна обработка на споменатия виртуален триизмерен модел на поне част от съзъбието и споменатия виртуален модел на шаблонния обект и извеждащ споменатия индивидуален, триизмерен, виртуален зъбен модел; където споменатият софтуер съдържа наслагване на споменатия обект на виртуален шаблон, съответстващ на зъб върху споменатия виртуален модел на поне част от съзъбието; вектори от споменатия обект на виртуален шаблон към повърхността на споменатия виртуален модел на съзъбието и съхраняване на набор от точки, където споменатите вектори пресичат споменатата повърхност.
[0012] В досегашната практика е прието дигиталните модели да бъдат сканирани и съхранявани във различни файлови формати, след което да бъдат ползвани за допълнителни обработки и анализи.
[0013] Известно е че в различните възрастови периоди на разстеж на пациента се наблюдават изменение на формата на лицето, както и на дъгата на зъбните челюсти. Недостатък на известният метод е обстоятелството, че сканираните 3D изображения на горна и долна челюст към дадена възраст на пациента не могат да бъдат съпоставени с формата на лицето на пациента от друг по-ранен период на растежа на пациента, т.е. липсва 3D дентално досие на пациента, което да бъде използвано от денталният специалист при анализа на измененията и изготвянето на план за лечение, който е подходящ и полезен към момента на изготвяне на 3D модела на пациента.
Фигура 1
Техническа същност на изобретението
[0014] Като се вземат в предвид известното състояние на техниката в разглежданата област, възниква необходимост да бъде предложен нов, комплексен метод за създаване на прецизен 3D модел на съзъбие и лице на пациент, при използването на усторазширително устройство, които да позволяват извършване на високо точностен дентален анализ на конкретните проблеми на пациента.
[0015] Друга задача на изобретението е да се предложи метод за създаване на 3D дигитално дентално досие на пациента, както и събиране и архивиране на насложени 3D обекти от различни възрастови етапи на пациента, да проследява развитието на устната кухина на пациента в общ файл, съответно възможност да бъде предоставян на дентални кабинети за лечение и анализ на пациента, независимо от неговото моментно местонахождение, като позволява добявяне и наслагване на актуалните 3D обекти към общия файл на пациента.
[0016] Задачата на изобретението се решава с метод за сканиране и наслагване на 3D дентални модели на пациент, при който се сканират поотделно горната и долна челюсти, след което се обработват и анализират денталните проблеми, при което денталният специалист определя план за лечение, както и изработване на индивидуални апарати, устройствата, които пациентът ще използва в процеса на изпълнение на лечебния план.
[0017] Съгласно изобретението методът се състои от последователно провеждани във времето операции, а именно:
а/ 3D сканиране на лицето на пациента с усторазширител
б/ 3D сканиране на долната и горна челюст на пациента, в точна оклузия, с и без усторазширител
в/ сканиран модел на лице с усторазширител се позиционира към заложеният 3D шаблонен модел на усторазширителя
г/ наслагване на 3D сканиран модел на горна челюст, заедно с плътно позициониран върху нея усторазширител
д/ наслагване на сканираните и групирани в оклузия сканирана горна челюст без усторазширител и сканирана долна челюст без усторазширител – към сканирана горната челюст, заснета с усторазширител. Последвано от обработване на 3D модела на лице и съзъбие.
[0018] Следва анализ на полученият 3D модел, при което се установяват и определят денталните проблеми на пациента, и впоследствие се определят индивидуални апарати за прилагане по време на изпълнение на лечебния план, определен от денталния специалист.
[0019] Създаденият 3D модел с насложени 3D обекти лице и съзъбие се архивира в общ файл в досието на пациента, като се отбелязва етапът на развитие на пациента.
[0020] Задачата се решава още и с усторазширител, който се използва по време на 3D сканиране на двете челюсти и лицето на пациент. Усторазширителят е изпълнен с плоска дъгообразна форма, при което по вътрешната опорна и външната челна повърхнина на дъгообразният елемент са оформени вертикално ориентирани заоблени стени.
Фигура 2
Фигура 3
Фигура 4
Фигура 5
[0021] Между споменатите вътрешна и външна вертикални стени са оформени канали, по дължината на които са оформени “n” отвора, за предпочитане с кръгла форма. Челно и централно на външната вертикална стена централно е монтиран дискообразен елемент, като в най-издадената му част е оформен 3D маркер.
[0022] Двустранно в усторазширителя са предвидени канали, в които се разполагат горната и долната челюст на пациента, когато усторазширителят бъде поставен в устата на пациента.
[0023] Методът и усторазширителят съгласно изобретението създават условия за създаване на прецизно и точно 3D дигитално досие на двете челюсти и лицето, което отразява актуалното състояние на пациента, съответно позволява да се направи правилен анализ на видимите дентални проблеми и да се състави план за лечение, включващ индивидуализирани апарати за лечение. Новостта в предложеният метод се състои в сканирането на лицето и челюстите на пациента, като при наслагването на заснетите 3D модели чрез подходящо създаден софтуерен продукт се постига точно позициониране в триизмерното пространство на двете челюсти спрямо формата на лицето.
[0024] Друго предимство на предложеният метод е възможността да се обработват и наслагват, включително и да се добавят дентални модели от различни етапи на лечението и растежа, както и да се създаде 3D дигитално досие на пациента, което освен архивиране на денталните модели, позволява съхранение и на сканираните 3D изображения на лицето на пациента. 3D дигиталният файл е форматиран и компресиран подходящо, за да е достъпен чрез мобилно приложение за предоставяне на дентални лекари в различни части на света, т.е. на всяка територия, на която пациентът има нужда от дeнтално обслужване.
Описание на чертежите
[0025] По-нататък в описанието е представено по-детайлно описание на метода и усторазширителя, обект на изобретението, които са подробно разяснени с помощта на придружаващите описанието чертежи, където:
– Фиг. 1 – представя разгъната схема на операциите на метода съгласно изобретението
– Фиг. 2 – аксонометричен изглед на усторазширител съгласно изобретението
– Фиг. 3 – частичен изглед на маркер от фиг. 2
– Фиг. 4 – изглед отгоре на усторазширител
– Фиг. 5 – напречен разрез на усторазширител по В-В от фиг.3
– Фиг. 6 – примерно изображение на горна и долна челюст на пациент
– Фиг. 7 – визуализация на сканирана горна челюст заедно с усторазширител
– Фиг. 8 – визуализация на метода на наслагване по сканирани 3D модели в различните етапи
Примерно изпълнение на изобретението
[0026] Методът и усторазширителят за създаване на 3D дигитален модел на съзъбие и лице, съгласно изобретението са представени чрез едно примерно изпълнение, което не ограничава използването на еквивалентни по функционално предназначение операции или устройства, чиито функции и резултати от използването им е идентично или сходно с това, което изпълняват описаните тук структуроизграждащи операции на метода и елементи на усторазширителното устройство.
[0027] Методът за създаване на прецизен 3D дигитален дентален модел на пациент започва с 3D сканиране на лицето на пациента, след което се извършва 3D сканиране на долната и горна челюст на пациента, в точна оклузия /фиг.6/
Фигура 6
[0028] Съгласно едно предпочитано изпълнение на метода, при 3D сканирането на горна челюст /фиг. 7/ на пациента се използва специално конструиран усторазширител, с централно разположен 3D маркер.
3D сканирането на двете челюсти може да бъде направено директно в устата на пациента, чрез интраорална 3D камера или след снемане на стандартни дентални отпечатъци и изработването на гипсови отливки, които впоследствие се сканират в 3D изображение.
Фигура 7
[0029] Следва обработване на получените при сканирането 3D файлове, като обработката се извършва при използване на специално разработен софтуерен продукт, в който са заложени 3D команди за манипулиране и редакция на 3D обекти, известни и прилагани при всички познати видове 3D сканиране и моделиране. Предимство на споменатия продукт за обработване е това, че в програмата е заложен и 3D модел на усторазширителя.
[0030] След обработването на сканираните 3D файлове, получените 3D файлове на лицето и челюстите на пациента се наслагват, като 3D обектите на горната и долна челюст се позиционират спрямо 3D обекта на лицето. Последното е възможно благодарение на това, че в програмата е заложен и 3D модел на усторазширителя.
[0031] За целите на получаване, създаване на точен 3D модел, съдържащ едновременно лице+съзъбие е подходящо да разполагаме с 3D сканиран модел на горна челюст, заедно с плътно позициониран върху нея усторазширител, както и сканиран 3D модел на лице с усторазширител. Такъв модел е представен на /фиг. 8/
Фигура 8
[0032] Изпълнението на метода продължава с наслагването на споменатите 3D обекти, представляващо суперимпозиция, която се постига чрез ползване на характерни точки от 3D сканираните повърхнини на обектите лице и челюсти.
[0033] Наслагването се извършва в следната последователност:
– сканиран модел на лице с усторазширител се позиционира към заложеният 3D шаблонен модел на усторазширителя. Точното наслагване в тримерното пространство се постига чрез 3D маркера (детайл А от фиг. 2, 3), като по този начин се постига позициониране на модела на лицето с поставен усторазширител към типовата сцена на визуализация в софтуера. Специфичната геометрия на 3D маркерът се ползва като общ елемент при поетапното наслагване на обектите.
– позициониране на сканираната горната челюст, заснета с усторазширител – към шаблона на усторазширителя, като след приключване на операцията се получава точно позициониране към модела на лицето, заснето с усторазширител. Точността на позиционионирането се постига отново чрез челно разположеният 3D маркер.
– наслагване на сканираните и групирани в оклузия сканирана горна челюст без усторазширител и сканирана долна челюст без усторазширител – към сканирана горната челюст, заснета с усторазширител.
Чрез ползване на характерни точки от повърхнината на зъбите на горната челюст. След завършването на наслагването се достига до успешно позициониране на горната и долна челюсти в реална оклузия към модела на лицето на пациента /фиг. 9/.
Фигура 9
[0034] За целите на постигане на по-добра визуализация на полученият 3D модел лице и две челюсти, подходящо е от повърхнината на сканираното лице да се отнеме обема на шаблона на усторазширителя, като по този начин на мястото на усторазширителя в сканираното лице ще се получи отвор, симулиращ отворени устни и видим през него зъби.
[0035] В резултат на описаното наслагване се получава изображение на лицето на пациента, заедно с част от видимите предните части на горната и долна челюсти, видими в резултат на отварянето на устните от усторазширителя. След комбинирането и точното позициониране на получените четири 3D обекта, в софтуерния продукт се изгражда и запазва 3D обект, представляващ съвкупност от насложени лице и две челюсти, който точно отразява реалното положение на зъбите спрямо формата и характерните точки от лицето на пациента. По този начин става възможно при наслагването да се добавят 3D обекти, получени при предишни сканирания, за да е възможно лекуващият специалист да анализира промените във формата на челюстите в различни етапи на растежа на пациента.
[0036] Насложените по описаният начинобекти позволяват да се направи точен 3D анализ на денталните проблеми, след което лекуващият дентален специалист изготвя план за лечение, като избира подходящи апарати за провеждане на плануваното лечение, както и определя за изработване индивидуализирани апарати за провеждане на плануваното лечение.
[0037] Изобретението предвижда при сканирането да се използва усторазширител, който се използва по време на 3D сканиране на горна и долна челюсти на пациент.
[0038] Усторазширителят е изпълнен с плосък елемент 1 с дъгообразна форма, при което по вътрешната опорна 2 и външната челна повърхнина 3 на дъгообразният елемент 1 са оформени вертикално ориентирани стени, съответно вътрешна 4 и външна стена 5. Между споменатите вътрешна 4 и външна 5 вертикални стени са оформени канали 6, в които се разполагат горната и долната челюст на пациента, когато усторазширителят бъде поставен в устата на пациента. По дължината на каналите са оформени “n” технологични отвори 7, за предпочитане с кръгла форма. Челно и централно на външната вертикална стена централно е монтиран дискообразен елемент 8, като в най-издадената му част е оформен 3D маркер 9.
[0039] Преди заснемането и сканирането, в споменатите канали се поставя дентален силиконов отпечатъчен материал, непоказан на фигурите, и при стискане на горната и долна челюсти една към друга, точната форма на зъбите се отбелязва в силиконовият материал. След втърдяване на силиконовият материали се получава точен регистрат на захапката и фиксирано положение на горната и долна челюсти, заедно и поотделно между усторазширителят. При такова позициониране на усторазширителя между зъбите, маркера 9 от детайл (А), заедно с част от обема на усторазширителя са видими между устните на пациента и формират подготвено за 3D сканиране лице.
Патентни претенции
1. Метод за сканиране и наслагване на 3D дентални модели на пациент, при който се сканират поотделно горната и долна челюсти на пациент, след което се обработват и анализират денталните проблеми, при което денталният специалист определя план за лечение, както и изработване на индивидуални апарати, устройствата, които пациентът ще използва в процеса на изпълнение на лечебния план, характеризиращ се с това, че първоначално се извършва 3D сканиране на лицето на пациента, след което се извършва 3D сканиране на долната и горна челюст на пациента, в точна оклузия, с и без усторазширител, като сканираният модел на лице се позиционира към предварително заложен 3D шаблонен модел на усторазширителя, след което следва наслагване на 3D сканиран модел на горна челюст, заедно с плътно позициониран върху нея усторазширител, след което се извършва наслагване на сканираните и групирани в оклузия сканирана горна челюст без усторазширител и сканирана долна челюст без усторазширител – към сканирана горната челюст, заснета с усторазширител, като полученият 3D модел на лице и съзъбие се обработва и анализира за установяване на дентални проблеми на пациента, при което се определят индивидуални апарати за прилагане по време на изпълнение на лечебния план, определен от денталния специалист, а обработеният 3D модел на лице и съзъбие се архивира в общ файл в досието на пациента и е форматиран във вид, който е достъпен чрез мобилно приложение.
2. Усторазширител съгласно претенция 1, характеризиращ се с плосък дъгообразен елемент /1/, при което по вътрешната опорна /2/ и външната челна повърхнина /3/ на дъгообразният елемент /1/ са оформени вертикално ориентирани вътрешна /4/ и външна /5/ заоблени стени, между които са оформени канали /6/, по дължината на които са оформени “n” отвора /7/, при които челно и централно на външната вертикална стена /5/ централно е монтиран дискообразен елемент /8/, като в най-издадената му част е оформен 3D маркер /9/.
Р Е Ф Е Р А Т
/54/ МЕТОД И УСТОРАЗШИРИТЕЛ ЗА СКАНИРАНЕ И НАСЛАГВАНЕ НА 3D ДИГИТАЛНИ МОДЕЛИ (ЛИЦЕ И ЗЪБНИ ЧЕЛЮСТИ) И СЪЗДАВАНЕ НА 3D ДОСИЕ
/57/ Изобретението се отнася до метод и усторазширител за сканиране и наслагване на 3D дигитални модели и формиране на 3D дентално досие, съдържащо суперимпозирани (насложени) дигитални 3D модели, което може да се съхранява и предоставя на дентални лекари за целите на поддържане на индивидуално дентално досие, планиране на бъдещи етапи и видове лечения, както и добавяне на текущи 3D модели, представляващи резултат от проведено лечение или етапи от растежа. Методът включва 3D сканиране на лицето и горната и долна челюсти на пациента, като при сканирането се използва специален усторазширител, поставен между горната и долна челюсти, след което сканираните изображения се обработват и наслагват едно върху друго, в резултат на което се получава прецизен 3D модел, който се анализират денталните проблеми и се изработва план за лечение.
патентни претенции – 2 бр.
фигури – 8 бр
за публикация – фиг. 2
English 
Bulgarian