DE102015222782A1 - Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation - Google Patents

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DE102015222782A1
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Sascha Schneider
Evgenij Derzapf
Ravid Aloni
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Sirona Dental Systems GmbH
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Sirona Dental Systems GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation, wobei ein Bild eines Patientengesichts aufgenommen und als Gesichtsdatensatz (1) abgespeichert wird, mittels eines Gesichtserkennungsverfahrens Merkmalspunkte (3) innerhalb des Gesichtsdatensatzes (1) automatisch erkannt werden, anhand der Merkmalspunkte (3) ein zwischen Lippen liegender Mundraum (4) automatisch erkannt wird, anhand der Merkmalspunkte (3) eine Position des Gesichts im Gesichtsdatensatz (1) und eine dreidimensionale Richtung (5) einer Ausrichtung des Gesichts im Gesichtsdatensatz (1) automatisch erkannt wird, ein virtueller Zahndatensatz (2) der Zahnsituation gemäß der dreidimensionalen Richtung (5) der Ausrichtung des Gesichts ausgerichtet und gemäß der Position des Gesichts zu dem Gesichtsdatensatz (1) positioniert wird, der Mundraum innerhalb des Gesichtsdatensatzes (1) durch den Zahndatensatz (2) teilweise überlagert und/oder überlagert und/oder ersetzt und das Ergebnis als Visualisierungsdatensatz angezeigt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation, wobei ein virtueller Zahndatensatz der Zahnsituation vorliegt und wobei ein Bild eines Patientengesichts aufgenommen und als Gesichtsdatensatz abgespeichert wird.
  • Stand der Technik
  • Bisherige Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation, beispielsweise zur Visualisierung der Wirkung eines geplanten Zahnersatzes im Gesicht eines Patienten, zeigen meist eine starre oder zumindest drehbare Aufnahme des Patientengesichts, in welches eine virtuelle Zahnsituation mit korrekter Ausrichtung und Positionierung eingefügt ist.
  • Ein Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation ist beispielsweise aus der DE 20 2008 014 344 U1 , der DE 10 2013 102 421 A1 oder der US 2012/0095732 A1 bekannt.
  • Verschiedene Verfahren zur automatischen Erkennung von Eigenheiten eines Gesichts bzw. von Merkmalspunkten eines Gesichts, in Bildern des Gesichts sind beispielsweise aus D. Vukadinovic und M. Pantic, „Automatic Facial Feature Point Detection Using Gabor Feature Based Boosted Classifiers" (2005) IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, aus M. Dantone et al, „Real-time Facial Feature Detection using Conditional Regression Forests" (2012) IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition oder aus der US 2010/030578 A1 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es den Stand der Technik weiterzubilden und zu verbessern.
  • Darstellung der Erfindung
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation, wobei ein Bild eines Patientengesichts aufgenommen und als Gesichtsdatensatz abgespeichert wird, wobei mittels eines Gesichtserkennungsverfahrens Merkmalspunkte innerhalb des Gesichtsdatensatzes automatisch erkannt werden, wobei anhand der Merkmalspunkte ein zwischen Lippen liegender Mundraum automatisch erkannt wird, wobei anhand der Merkmalspunkte eine Position des Gesichts im Gesichtsdatensatz und eine dreidimensionale Richtung einer Ausrichtung des Gesichts im Gesichtsdatensatz automatisch erkannt wird, wobei der Zahndatensatz gemäß der dreidimensionalen Richtung der Ausrichtung des Gesichts ausgerichtet und gemäß der Position des Gesichts zu dem Gesichtsdatensatz positioniert wird, wobei der Mundraum innerhalb des Gesichtsdatensatzes durch den Zahndatensatz teilweise überlagert und/oder überlagert und/oder ersetzt und das Ergebnis als Visualisierungsdatensatz angezeigt wird.
  • Es sei angemerkt, dass es sich bei der Zahnsituation um eine beliebige Zahnsituation handeln kann, sowohl um einzelne oder mehrere Zähne, als auch um ein Abbild eines vollständigen Gebisses. Beispielsweise kann es sich um einen rein virtuell geplanten oder von einem Modell mittels eines Scans erzeugten Datensatz eines geplanten Zahnersatzes handeln. Es kann auch ein beispielsweise mittels einer Kamera erzeugter Datensatz der tatsächlichen Zahnsituation sein. Letzterer kann beispielsweise um Zahnersatzteile ergänzt oder manipuliert worden sein, um z.B. das geplante Ergebnis einer kieferorthopädischen Behandlung wiederzugeben.
  • Die Merkmalspunkte, häufig auch als Facial Feature Points (FFP) oder als biometrische Merkmalspunkte bezeichnet, sind Punkte, welche im Rahmen eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gesichtserkennungsverfahrens innerhalb eines Gesichts automatisch, d.h. mittels eines Rechners und ohne Interaktion des Anwenders, erkennbar sind, z.B. die Nasenspitze, die Mundwinkel, die Augen etc.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass eine geplante Zahnsituation für einen Patienten oder einen behandelnden Arzt oder Zahntechniker innerhalb des Patientengesichts visualisiert werden kann. Die Kombination von aktuellen, die Realität abbildenden Daten mit virtuellen Daten wird häufig als Augmented Reality, also angereicherte Realität bezeichnet. Die Wirkung der geplanten Zahnsituation wird insbesondere durch vollständige Überlagerung oder Ersetzen der aktuellen Zahnsituation durch die geplante Zahnsituation veranschaulicht. Durch eine teilweise Überlagerung der aktuellen Zahnsituation können eine geplante Zahnsituation und eine aktuelle Zahnsituation gleichzeitig dargestellt werden. Beispielsweise können die geplante Zahnsituation und die aktuelle Zahnsituation, also der Bereich des Gesichtsdatensatzes, der sich innerhalb der Mundhöhle befindet, unterschiedlich eingefärbt und transparent dargestellt werden. Hierdurch kann beispielsweise während der Durchführung einer Präparation der aktuellen Zahnsituation die Übereinstimmung oder Abweichung von einer geplanten Zahnsituation überprüft werden.
  • Vorteilhafterweise ist der Gesichtsdatensatz zweidimensional oder dreidimensional. Ein zweidimensionaler Datensatz ist einfach bzw. mit einer einfachen Vorrichtung, z.B. einer Kamera, erzeugbar, während durch einen dreidimensionalen Datensatz eine bessere Qualität des Visualisierungdatensatzes erreicht werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist der Zahndatensatz dreidimensional. So kann der Zahndatensatz auf einfache Weise in einer an die Ausrichtung des Gesichts im Gesichtsdatensatz angepassten Ausrichtung mit dem Gesichtsdatensatz kombiniert bzw. im Rahmen des Visualisierungsdatensatzes dargestellt werden.
  • Vorteilhafterweise wird das Verfahren in zeitlichen Abständen wiederholt ausgeführt. Eine kontinuierliche bzw. wiederholte Erzeugung eines Visualisierungsdatensatzes zu einem aktualisierten, also neu aufgenommenen Bild des Gesichts ergibt eine Art virtuelles Spiegelbild des Gesichts. So kann der Patient den Kopf drehen bzw. bewegen, den Mund öffnen etc. und bekommt immer ein an die aktuelle Ausrichtung bzw. den aktuellen Ausdruck des Gesichts angepasste Darstellung seines Gesichts mit der darin passend eingeblendeten geplanten Zahnsituation gezeigt. Die Wiederholungen können beispielsweise automatisch, z.B. in immer gleichen zeitlichen Abständen durchgeführt werden. Es könnte aber auch ein Auslösemechanismus für die Wiederholungen vorgesehen sein. Dies könnte z.B. zu unterschiedlichen zeitlichen Abständen führen.
  • Vorteilhafterweise betragen die zeitlichen Abstände höchstens 42 ms, wodurch eine für Videos übliche Bildrate von 24Hz und damit eine Darstellung in Echtzeit erreicht wird.
  • Vorteilhafterweise werden für die automatische Erkennung des Mundraums mindestens vier Merkmalspunkte automatisch erkannt, um eine korrekte Erkennung sicherzustellen.
  • Vorteilhafterweise wird mindestens ein dreidimensionaler Zusatzdatensatz gemäß der dreidimensionalen Richtung der Ausrichtung des Gesichts ausgerichtet und gemäß der Position des Gesichts zu dem Visualisierungsdatensatz positioniert, wobei der Gesichtsdatensatz und/oder der Zahndatensatz in dem Visualisierungsdatensatz durch den Zusatzdatensatz teilweise überlagert und/oder überlagert und/oder ersetzt wird. So können auf einfache Weise zusätzliche Informationen innerhalb des Visualisierungsdatensatzes dargestellt und einem Anwender auf anschauliche Weise präsentiert werden.
  • Vorteilhafterweise ist der Zusatzdatensatz eine aus einem Volumendatensatz segmentierte und zu einer aktuellen Zahnsituation hinsichtlich der Position korrelierte Darstellung einer Zahnwurzel, eine aus einer magnetresonanztomographischen Aufnahme segmentierte und zu einer aktuellen Zahnsituation hinsichtlich der Position korrelierte Darstellung eines Kiefernervs, eine Darstellung eines Kiefergelenks oder eine Darstellung eines Bohrers oder einen Bohrlochs. Zur Planung oder Überwachung kann beispielsweise ein geplanter Verlauf eines Bohrlochs oder eine mittels eines Sensors ermittelte aktuelle Position eines Bohrers in dem Visualisierungsdatensatz angezeigt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Ansicht eines digitalen Datensatzes eines zur Versorgung eines Patienten entworfenen Zahnersatzes,
  • 3 eine schematische Ansicht eines zweidimensionalen digitalen Datensatz eines Patientengesichts,
  • 4A, B eine schematische Ansicht eines Gesichtsdatensatzes mit Merkmalspunkten zur Ermittlung der Ausrichtung des Gesichts innerhalb des Gesichtsdatensatzes und
  • 5 eine schematische Ansicht einer Visualisierung eines geplanten Zahnersatzes.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens skizziert.
  • Gemäß einem Verfahrensschritt S1 wird ein dreidimensionaler Zahndatensatz 1 eines für einen Patienten entworfenen Zahnersatzes bereitgestellt. Ein Beispiel für einen dreidimensionalen Zahndatensatz 1 ist in 2 skizziert.
  • Um einem Patienten das mit dem Zahnersatz zu erzielende Ergebnis zu veranschaulichen, wird gemäß einem Verfahrensschritt S2 durch Aufnahme eines zweidimensionalen Bilds des Patientengesichts ein Gesichtsdatensatz 2 oder durch Aufnahme einer Reihe von zweidimensionalen Bildern in kurzen zeitlichen Abständen eine Reihe von Gesichtsdatensätzen 2 bereitgestellt, wobei zu jedem Bild der Reihe jeweils ein Gesichtsdatensatz 2 erzeugt wird. Die Aufnahme eines oder mehrerer zweidimensionaler Bilder kann beispielsweise mit einer Kamera erfolgen. Das Gesicht kann z.B. mittels einer Kamera gefilmt werden. Ein Gesichtsdatensatz 3 ist beispielhaft in 3 dargestellt.
  • Mittels eines Gesichtserkennungsverfahrens werden in einem Verfahrensschritt S3 Merkmalspunkte 3, also charakteristische Punkte des Gesichts, wie die Mundwinkel, innerhalb des Gesichtsdatensatzes 2 erkannt. Anhand der erkannten Merkmalspunkte 3 wird in einem Verfahrensschritt S4 der Mund bzw. die Lippen im Gesichtsdatensatz 2 erkannt.
  • Wie in den 4A und 4B anhand zweier unterschiedlich ausgerichteter Gesichter veranschaulicht, wird anhand der Merkmalspunkte 3 in einem Verfahrensschritt S5 eine dreidimensionale Richtung 5 der Ausrichtung des Patientengesichts im Gesichtsdatensatz 2 ermittelt. Während für ein frontal ausgerichtetes Gesicht die Richtung 5 der Ausrichtung beispielsweise senkrecht zur Bildebene des Gesichtsdatensatzes 2 und aus der Bildebene heraus verläuft, liegt die Richtung 5 für ein im Profil aufgenommenes Gesicht innerhalb der Bildebene. In Verfahrensschritt S5 wird somit aus dem zweidimensionalen Bild des Gesichts auf die dreidimensionale Orientierung des Gesichts geschlossen.
  • Wie in 5 skizziert, wird anschließend an den Verfahrensschritt S4 in einem Verfahrensschritt S6 ein zwischen den Lippen liegender Bereich als Mundraum 4 innerhalb des Gesichtsdatensatzes 2 segmentiert und ausgeschnitten.
  • In einem Verfahrensschritt S7 wird der Zahndatensatz 1 zu der Bildebene des Gesichtsdatensatzes 2 so gedreht und positioniert, dass die Ausrichtung des Zahndatensatzes 1 zu der ermittelten Richtung 5 der Ausrichtung des Gesichts und die Position zu der Position des Mundraums 4 passt.
  • Die relative Ausrichtung des Zahnersatzes zum Gesicht wird hierfür in Verfahrensschritt S8 festgelegt, beispielsweise anhand einer Beziehung einer Ausrichtung des Zahndatensatzes 1 innerhalb der Bildebene zu einer Richtung der Ausrichtung des Gesichts innerhalb des Gesichtsdatensatzes 2. Die Beziehung zu der Ausrichtung des Gesichts im Gesichtsdatensatz kann beispielsweise anhand von vorhandenen verbleibenden oder zu ersetzenden Zähnen erfolgen. Entsprechende Daten werden hinterlegt, so dass die Ausrichtung des Zahndatensatzes 1 in Verfahrensschritt S7 automatisch anhand der hinterlegten Daten und der ermittelten Ausrichtung 5 des Gesichts innerhalb des Gesichtsdatensatzes 2 erfolgt. Verfahrensschritt S8 ist somit nicht für jeden erzeugten Gesichtsdatensatz erneut auszuführen und daher in 1 gestrichelt dargestellt.
  • Ebenfalls möglich ist es, die Ausrichtung gemäß Verfahrensschritt S8 einmal per Hand vorzunehmen. Anschließend wird die so hergestellte relative Ausrichtung des Zahndatensatzes 1 zu der Richtung 5 der Ausrichtung des Gesichts innerhalb des Gesichtsdatensatzes 2 gespeichert, so dass anschließend bei einer Änderung der Ausrichtung des Gesichts und einer dadurch verursachten Änderung der Richtung 5 eine Positionierungen des Zahndatensatzes automatisch erfolgen kann.
  • In einem Verfahrensschritt S9 wird der ausgerichtete dreidimensionale Zahndatensatz 1 hinter dem Gesichtsdatensatz dargestellt. Der aus dem Gesichtsdatensatz 2 und dem Zahndatensatz 1 mit ausgeschnittenem Mundraum 4 zusammengesetzte und in 5 schematisch dargestellte Datensatz wird hier als Visualisierungsdatensatz bezeichnet.
  • Vor dem Zusammenfügen und Darstellen des Gesichtsdatensatzes 2 und des Zahndatensatzes 1 wird der Zahndatensatz 2 gemäß einer Weiterbildung in einem Verfahrensschritt S10 überarbeitet. Typischerweise handelt es sich bei dem bereitgestellten Zahndatensatz 2 um einen in einem CAD-Verfahren und für ein CAM-Verfahren erzeugten Datensatz, also um einen Datensatz, der für ein computergestütztes Herstellungsverfahren erzeugt wird. Ein für die computergestützte Herstellung zu verwendender Datensatz muss lediglich Informationen hinsichtlich der Form, also der Position der Oberfläche aufweisen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Zahndatensatz 1 ein möglichst realistisches Erscheinungsbild aufweist. Hierfür wird der gemäß Verfahrensschritt S1 bereitgestellte Zahndatensatz 1 gemäß dem optionalen Verfahrensschritt S10 entsprechend überarbeitet.
  • Wird der Gesichtsdatensatz gemäß Verfahrensschritt S2 in regelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt bereitgestellt und zumindest die Verfahrensschritte S3, S4, S5, S6, S7 und S9 jeweils für jeden neuen Gesichtsdatensatz ausgeführt, so kann, so entspricht das Anzeigemittel einem virtuellen Spiegel bzw. der ständig neu erzeugte Visualisierungsdatensatz einem virtuellen Spiegelbild. Der Patient kann den Kopf bewegen und/oder den Mund öffnen und schließen und so die Wirkung des geplanten Zahnersatzes aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Insbesondere wenn ein Aufnahmemittel zur Erzeugung der Bilder des Patientengesichts mit einem möglichst kleinen Abstand zu dem Anzeigemittel angeordnet ist, wird die Wirkung eines Spiegelbilds erreicht, welches das Patientengesicht in einer aktuellen Ausrichtung und ergänzt um den geplanten Zahnersatz wiedergibt.
  • Wird in Verfahrensschritt S6 der Mundraum 4 des Gesichtsdatensatze 2 nicht ausgeschnitten, sondern lediglich erkannt und teilweise durch den Zahndatensatz 1 überlagert, so kann eine Abweichung einer aktuellen Zahnsituation von einer geplanten Zahnsituation veranschaulicht werden. Hierzu werden beispielsweise der Mundraum 4 sowie der Zahndatensatz 1 teiltransparent und gleichzeitig angezeigt, beispielsweise unterschiedlich eingefärbt. Diese Darstellung ermöglicht eine einfache Kontrolle einer Präparation in Echtzeit bzw. eine Echtzeit-Kontrolle der aktuellen Zahnsituation während der Durchführung einer Präparation der Zahnsituation.
  • Ferner ist es möglich einen Zusatzdatensatz in den Visualisierungsdatensatz einzufügen, indem der Zusatzdatensatz entsprechend der ermittelten Richtung 5 der Ausrichtung des Gesichts und der Position des Gesichts im Gesichtsdatensatz 2 ausgerichtet und dem Gesichtsdatensatz 2 und/oder dem Zahndatensatz 1 überlagert wird.
  • Hierdurch können zusätzliche Informationen, z.B. über den Kiefernerv, das Kiefergelenk, Zahnwurzeln, die Lage eines geplanten Bohrlochs oder die Position und Ausrichtung eines aktuell Bohrers während seiner Verwendung, anschaulich dargestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zahndatensatz
    2
    Gesichtsdatensatz
    3
    Merkmalspunkte
    4
    Mundraum
    5
    Richtung einer Ausrichtung eines Gesichts innerhalb des Gesichtsdatensatzes
    S1–S9
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (11)

  1. Verfahren zur Visualisierung einer Zahnsituation, wobei ein Bild eines Patientengesichts aufgenommen und als Gesichtsdatensatz (1) abgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, – dass mittels eines Gesichtserkennungsverfahrens Merkmalspunkte (3) innerhalb des Gesichtsdatensatzes (1) automatisch erkannt werden, – dass anhand der Merkmalspunkte (3) ein zwischen Lippen liegender Mundraum (4) automatisch erkannt wird, – dass anhand der Merkmalspunkte (3) eine Position des Gesichts im Gesichtsdatensatz (1) und eine dreidimensionale Richtung (5) einer Ausrichtung des Gesichts im Gesichtsdatensatz (1) automatisch erkannt wird, – dass ein virtueller Zahndatensatz (2) der Zahnsituation gemäß der dreidimensionalen Richtung (5) der Ausrichtung des Gesichts ausgerichtet und gemäß der Position des Gesichts zu dem Gesichtsdatensatz (1) positioniert wird, – dass der Mundraum innerhalb des Gesichtsdatensatzes (1) durch den Zahndatensatz (2) teilweise überlagert und/oder überlagert und/oder ersetzt und das Ergebnis als Visualisierungsdatensatz angezeigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesichtsdatensatz (1) zweidimensional oder dreidimensional ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahndatensatz (2) dreidimensional ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in zeitlichen Abständen wiederholt ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abstände höchstens 42 ms beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die automatische Erkennung des Mundraums (4) mindestens vier Merkmalspunkte (3) automatisch erkannt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein dreidimensionaler Zusatzdatensatz gemäß der dreidimensionalen Richtung (5) der Ausrichtung des Gesichts ausgerichtet und gemäß der Position des Gesichts zu dem Visualisierungsdatensatz positioniert wird und dass der Gesichtsdatensatzes (1) und/oder der Zahndatensatz (2) in dem Visualisierungsdatensatz durch den Zusatzdatensatz teilweise überlagert und/oder überlagert und/oder ersetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdatensatz eine aus einem Volumendatensatz segmentierte und zu einer aktuellen Zahnsituation hinsichtlich der Position korrelierte Darstellung einer Zahnwurzel ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdatensatz eine aus einer magnetresonanztomograhpischen Aufnahme segmentierte und zu einer aktuellen Zahnsituation hinsichtlich der Position korrelierte Darstellung eines Kiefernervs ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdatensatz eine Darstellung eines Kiefergelenks ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdatensatz eine Darstellung eines Bohrers oder eines Bohrlochs ist.
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