RU80111U1 - SOFTWARE AND HARDWARE SYSTEM OF FUNCTIONAL ANALYSIS OF OCCLUSION AND ARTICULATION - Google Patents

Abstract

Система функционального анализа окклюзии и артикуляции предназначена для функционального анализа окклюзионного поля и артикуляции при обследовании и лечении стоматологической патологии и в общем состоит из блока сбора и передачи цифровой информации и блока обработки информации. Блок сбора данных состоит из подсистемы сканирования и цифровой камеры (35). Подсистема сканирования включает в себя установленный на штативе (38) лазерный 3D сканер (32) со штатным программным обеспечением, приспособление (31) для закрепления и изменения пространственного положения опытных гипсовых моделей челюстей или разборных гипсовых моделей с выполняемой конструкцией. Блок обработки информации содержит персональный компьютер (1) (вычислитель) с программным обеспечением для математического моделирования динамических процессов, возникающих при движениях нижней челюсти, создания визуальных сцен, синхронизации работы отдельных компонентов системы, базу данных с алгоритмом вычисления движений нижней челюсти, средними значениями физиологической экскурсии зубов в зубо-альвеолярном связочном аппарате, алгоритм анализа патологии, описанием моделей и сцен, подсистему рендеринга для графического преобразования математического описания модели в визуальное трехмерное динамическое представление на экране монитора. Блок также содержит: подсистему, обеспечивающую возможность представления трехмерных моделей вне экрана и подсистему передачи информации о пространстве модели аппаратам с ЧПУ. Такое выполнение системы позволяет проведение более точного по сравнению с механическими приборами функционального анализа зубочелюстной системы конкретного пациента. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.The system of functional analysis of occlusion and articulation is intended for the functional analysis of the occlusal field and articulation during the examination and treatment of dental pathology and generally consists of a unit for collecting and transmitting digital information and an information processing unit. The data acquisition unit consists of a scanning subsystem and a digital camera (35). The scanning subsystem includes a 3D laser scanner (32) mounted on a tripod (38) with standard software, a device (31) for fixing and changing the spatial position of the experimental gypsum models of the jaws or collapsible gypsum models with the design performed. The information processing unit contains a personal computer (1) (calculator) with software for mathematical modeling of dynamic processes that occur during movements of the lower jaw, creating visual scenes, synchronizing the operation of individual components of the system, a database with an algorithm for calculating the movements of the lower jaw, and average physiological excursions of teeth in a dentoalveolar ligamentous apparatus, pathology analysis algorithm, description of models and scenes, rendering subsystem for graphic transformation Bani mathematical description of the model in three-dimensional visual dynamic view on the screen. The block also contains: a subsystem that provides the ability to represent three-dimensional models outside the screen and a subsystem for transmitting information about the model space to CNC devices. This embodiment of the system allows a more accurate functional analysis of the dentofacial system of a particular patient compared to mechanical devices. 4 s.p. f-ly, 5 ill.

Description

Полезная модель относится к средствам имитационной техники и может быть использована для функционального анализа окклюзионного поля и артикуляции при обследовании и лечении стоматологической патологии.The utility model relates to imitation equipment and can be used for functional analysis of the occlusal field and articulation during examination and treatment of dental pathology.

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.One of the methods for examining the dentofacial system is the method in which occlusal contacts of the teeth are detected and recorded. For these purposes, devices that simulate the movements of the lower jaw - articulators are used.

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.An articulator is an articulated mechanical device to which gypsum models of the upper and lower jaws are attached and which is designed to reproduce, with more or less accuracy, the relative position of the patient's upper and lower jaws in certain spatial positions.

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.The analysis of the dentoalveolar system using an articulator is a key event for the diagnosis and subsequent clinical and laboratory stages of treatment using fixed and removable orthopedic structures in the oral cavity, because all planning of structures, their physical performance and laboratory fitting (fittings) occur directly on the plaster models of the jaws (their elements) installed in a particular type of articulator.

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).Known systems that include mechanical articulators equipped with displays for graphical visualization of certain movements in the form of curves (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 However, as a result of a statistical analysis of the inconsistencies of contact fields and points on the occlusal surfaces of gypsum models exposed in articulators and on occlusal surfaces of teeth, it was found that mechanical articulators, even equipped with special inserts that allow you to configure mechanisms for some individual patient parameters, allow up to 31% of errors . This result is due to the inherent ability of mechanical devices to objectively take into account only an incomplete number of gnatological articulation indicators. A feature of an adequate dynamic model of the oral cavity is a huge amount of input data that changes its values over time depending on

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.the magnitude and direction of the applied forces, which is due to a complex set of interconnections of the main elements of the system, including the temporomandibular joint, masticatory muscles, tongue, the bottom of the oral cavity, occlusal contacts on the masticatory surfaces of the teeth, condition of the ligamentous apparatus of the teeth.

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.To solve the problem of adequate reconstruction of occlusion, methods of mathematical modeling and computer three-dimensional visualization are developed. For example, 3D Lab Service GmbH introduced the so-called “virtual articulator” (http://www.3dlabservice.de/ eng_index.html) - software that allows you to interactively interact on the monitor screen with three-dimensional models of the mechanical articulator and plaster models of the jaws .

Однако данная система обеспечивает по существу визуализацию действия механических приборов, автоматически копируя заложенные в них гнатологические недостатки.However, this system provides essentially a visualization of the action of mechanical devices, automatically copying the gnatological deficiencies contained in them.

Задачей полезной модели является повышение точности функционального анализа зубочелюстной системы конкретного пациента.The objective of the utility model is to increase the accuracy of the functional analysis of the dentofacial system of a particular patient.

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.This problem is solved in the system of functional analysis of occlusion and articulation, which contains a data collection unit, a personal computer with software for mathematical modeling of dynamic processes that occur during movements of the lower jaw and synchronization of the operation of individual components of the system, a database containing a description of the models and average physiological excursions teeth in a dental-alveolar ligamentous apparatus with an algorithm for calculating the movements of the lower jaw along the boundary spatial coordinates an occlusal field, a pathology analysis algorithm, a rendering subsystem for graphically transforming the mathematical description of the model into a visual three-dimensional dynamic representation on the monitor screen, a data manipulation subsystem, a subsystem for modeling user interaction with virtual objects and a subsystem for transmitting model information to CNC devices, while the collection unit The data includes a digital camera and a scanning subsystem of experimental plaster models of the jaws or collapsible plaster models with olnyaemoy structure.

Преимущественно подсистема сканирования содержит установленный на штативе лазерный сканер и приспособление для установки указанных гипсовых моделей.Advantageously, the scanning subsystem comprises a laser scanner mounted on a tripod and a device for mounting said gypsum models.

При этом приспособление для установки гипсовых моделей содержит основание и платформу со средствами фиксации гипсовых моделей, при этом основание связано с Moreover, the device for installing gypsum models contains a base and a platform with means for fixing gypsum models, the base being connected with

платформой посредством фиксируемого шарового шарнира.platform by means of a fixed ball joint.

Кроме того, система может дополнительно содержать подсистему представления трехмерных моделей вне экрана, включающую в себя поляризационные очки и соответствующее программное обеспечение.In addition, the system may further comprise a subsystem for representing three-dimensional models off-screen, including polarizing glasses and related software.

Система в соответствии с настоящей полезной моделью позволяет:The system in accordance with this utility model allows you to:

- создать математическую и визуальную трехмерную модель (на экране монитора персонального компьютера) наружного рельефа слизистой оболочки челюстей, десен, коронковых частей зубов;- create a mathematical and visual three-dimensional model (on a personal computer monitor screen) of the external relief of the mucous membrane of the jaws, gums, crown parts of the teeth;

- 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;- create a mathematical model and visual three-dimensional imitation (on the screen of a personal computer with the possibility of interactive interaction) of the movements of the lower jaw according to the specifics of the topography of the occlusal surfaces of the teeth of a particular patient;

- создать математическую модель и визуально имитировать в сцене трехмерной модели челюсти экскурсии зубов, возникающие под воздействием сил при жевании (нагрузки);- create a mathematical model and visually imitate in the scene of a three-dimensional model of the jaw tooth excursions arising under the influence of forces during chewing (load);

- математически моделировать и визуально представлять (на экране монитора персонального компьютера) возможные варианты лечения несъемными ортопедическими конструкциями;- mathematically simulate and visually present (on a personal computer monitor screen) possible treatment options with fixed orthopedic constructions;

- предложить рациональный вариант несъемной конструкции для конкретной патологии и индивидуальных особенностей (условий) зубочелюстной системы;- offer a rational version of a fixed structure for a specific pathology and individual characteristics (conditions) of the dentofacial system;

- задать пространственные параметры для конструкций, выполнение которых возможно копировально-фрезерными аппаратами с ЧПУ, применяющимися в стоматологии (CAD/CAM технологии в стоматологии);- set spatial parameters for structures, the implementation of which is possible with CNC copy-milling machines used in dentistry (CAD / CAM technology in dentistry);

- создать математическую и визуальную трехмерную модель (на экране монитора персонального компьютера) выполняемой ортопедической конструкции;- create a mathematical and visual three-dimensional model (on the screen of a personal computer monitor) of the performed orthopedic design;

- совмещать трехмерную модель выполняемой ортопедической конструкции с трехмерной моделью челюсти, для которой выполнялась конструкция;- combine a three-dimensional model of the performed orthopedic design with a three-dimensional model of the jaw, for which the design was performed;

- выполнять математический анализ окклюзионного поля в процессе артикуляции с учетом факторов восстановленного участка окклюзионного поля на ортопедической конструкции;- perform mathematical analysis of the occlusal field in the process of articulation, taking into account the factors of the restored portion of the occlusal field on the orthopedic structure;

- 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.- to identify during the analysis of the occlusal field and visualize on the three-dimensional model of the jaw and orthopedic design physiological interdental contacts and contacts that impede the normal function of the dentition.

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.This system implements a fundamentally different approach compared to the above known systems - not to visualize the actions of mechanical devices, but to provide the consumer with a mathematical biomechanical model of the dentofacial system of a particular patient with the possibility of obtaining computer three-dimensional visual information about the object and provide interactive interaction with such an object on the monitor screen.

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.Moreover, the system provides the construction of a dynamic three-dimensional model of the dentofacial system, while the software used in dentistry of computer tomographs or scanners offers the consumer an exceptionally open static three-dimensional model of elements of the dentofacial system.

Система функционального анализа окклюзии и артикуляции поясняется подробным ее описанием и прилагаемыми чертежами.The system of functional analysis of occlusion and articulation is illustrated by its detailed description and the attached drawings.

На фиг.1 изображена функциональная блок-схема системы;Figure 1 shows a functional block diagram of a system;

на фиг.2 показан общий схематический вид системы в аксонометрической проекции;figure 2 shows a General schematic view of a system in axonometric projection;

на фиг.3 схематично показана подсистема сканирования;figure 3 schematically shows the scanning subsystem;

на фиг.4 схематично показано приспособление для установки гипсовых моделей, вид сбоку в продольном разрезе;figure 4 schematically shows a device for installing gypsum models, a side view in longitudinal section;

на фиг.5 - то же, вид сверху.figure 5 is the same, top view.

Система функционального анализа окклюзии и артикуляции содержат следующие основные компоненты (фиг.1):The system of functional analysis of occlusion and articulation contains the following main components (figure 1):

- консоль 1 запуска и управления системой;- console 1 start and control the system;

- программное обеспечение устройства для математического моделирования и 3D графической визуализации - компьютерной имитации движений нижней челюсти конкретного пациента (ПОУ) - блок 2;- software for mathematical modeling and 3D graphic visualization - computer simulation of the movements of the lower jaw of a particular patient (POU) - block 2;

- блок 3 сбора данных (БСД);- block 3 data collection (BSD);

- 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;- a database containing an algorithm for calculating the movements of the lower jaw along the spatial coordinates of the occlusal field, the average values of the physiological excursion of teeth in the dentoalveolar ligamentous apparatus, an algorithm for analyzing pathology, a description of models and scenes (DB) - block 4;

- подсистему рендеринга для графического преобразования описания модели в - a rendering subsystem for graphically transforming the model description into

визуальное представление на экране монитора (ПР) - блок 5;visual representation on the monitor screen (OL) - block 5;

- подсистему демонстрации визуального представления вне экрана - в «кибернетическом пространстве» (ПВА) - блок 6;- subsystem for demonstrating visual presentation off the screen - in the "cybernetic space" (PVA) - block 6;

- подсистему манипуляции данными с устройства ввода и управления (ПМД) -блок 7;- a subsystem for manipulating data from an input and control device (PMD) -block 7;

- подсистему моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (ПМВ) - блок 8;- subsystem for modeling user interaction with virtual objects (PMV) - block 8;

- подсистему 91 передачи цифровой информации о геометрии модели аппаратам с ЧПУ (ППИ).- subsystem 91 for transmitting digital information about the model geometry to CNC devices (PPI).

Консоль 1 запуска и управления системой представляет собой персональный компьютер со стандартными средствами ввода (клавиатура, мышь).The console 1 start and control the system is a personal computer with standard input tools (keyboard, mouse).

Программное обеспечение устройства (блок 2) включает в себя пользовательский интерфейс 21, ядро 22 и C++объектный компонент 23.The device software (block 2) includes user interface 21, core 22, and C ++ object component 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.The data acquisition unit 3 includes a scanning subsystem, including a device for installing gypsum models 31, a laser non-contact 3D scanner 32, a laser scanner driver 33, and a software sensor with an interface 34 to the laser scanner driver 33; as well as a digital camera 35, a digital camera driver 36, and a software sensor with an interface 37 to the digital camera driver 36.

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.The database (block 4) includes a hierarchical representation of the models in the form of a column 41 of the scene, files 42 with a description of the geometry of the model (scan results), files 43 with a description of the boundary points of the occlusal field (photographing results), an algorithm 44 for calculating the movements of the lower jaw, a library 45 average physiological values of tooth excursions and algorithm 46 of pathology analysis.

Подсистема рендеринга (блок 5) содержит графическую библиотеку 51 Open GL Performer, графическую библиотеку 52 Open GL и графическую карту 53 с 3D ускорением.The rendering subsystem (block 5) contains the Open GL Performer graphics library 51, Open GL graphics library 52, and 3D accelerated graphics card 53.

Подсистему демонстрации визуального представления вне экрана (блок 6) включает в себя программное обеспечение 61 Quest 3D и поляризационные очки 62.The off-screen visual presentation demonstration subsystem (block 6) includes Quest 3D software 61 and polarizing glasses 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).The subsystem for manipulating data with input and control devices (block 7) contains a sensor 71 with an interface to an interaction device driver, an interaction device driver 72, a joystick 73, and physical sensors 74 (joystick buttons).

Подсистема моделирования взаимодействия пользователя с виртуальными объектами (блок 8) включает в себя модель 81 навигации в виртуальном пространстве, The subsystem for modeling user interaction with virtual objects (block 8) includes a model 81 of navigation in virtual space,

виртуальную точку 82 зрения и модель 83 взаимодействия с виртуальными объектами.virtual point of view 82 and model 83 of interaction with virtual objects.

Подсистема 91 передачи цифровой информации о геометрии модели аппаратам с ЧПУ, содержащую датчик программного обеспечения и открытый интерфейс к аппаратам с ЧПУ.Subsystem 91 for transmitting digital information about model geometry to CNC devices, containing a software sensor and an open interface to CNC devices.

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).The system of functional analysis of occlusion and articulation contains a personal computer 1 (calculator) and a data collection unit, which includes a device 31 (P1) for installing plaster models, a laser scanner 32 (P2) mounted on a tripod 38, and a digital camera 35 (CC) .

Расположение физических компонентов системы показано на фиг.2.The location of the physical components of the system is shown in figure 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).Mounted on a tripod 38, the laser scanner 32 and the device 31 for installing gypsum models are installed at a distance L of about 20-30 cm from each other (figure 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.The device 31 (Figs. 4, 5) for installing gypsum models comprises a base 311 and a platform 312 with fixing means for gypsum models 313. The base 311 is connected to the platform 312 by means of a fixed ball joint 314. The ball joint 314 is a spherical head on a rack of the base 311 and the corresponding spherical recess on the lower surface of the platform 312, and the head is inserted into the recess with an interference fit, so that the position of the platform when mounted on model 313 is fixed due to friction between these hinge elements. To increase the reliability of fixing the platform 312 relative to the base 311, the ball joint 314 formed by the spherical head and the corresponding recess may contain additional fixing means, for example, a screw. The gypsum model 313 is fixed on the platform 312 by pressing it against a stop 315 located on one side of the platform with a movable bar 316 mounted for translational movement relative to the platform and spring-loaded via springs 317.

Система работает по следующей принципиальной схеме:The system works as follows:

1. сбор информации об объекте;1. collection of information about the facility;

2. обработка данных;2. data processing;

3. ответ в форме трехмерной компьютерной имитации и в форме цифровых данных о геометрии модели.3. the answer in the form of three-dimensional computer simulation and in the form of digital data on the geometry of the model.

1. Сбор информации об объекте.1. Collection of information about the facility.

К объектам, информация о которых необходима для работы системы в режиме To objects, information about which is necessary for the system to work in the mode

«диагностика» относятся гипсовые модели челюстей и окклюзионные поверхности зубов.“Diagnostics” include plaster models of the jaws and occlusal surfaces of the teeth.

К объектам, информация о которых необходима для работы системы в режиме «лечение» относятся выполняемые несъемные дентальные протезы, припасованные на разборных гипсовых моделях.Objects, information about which is necessary for the system to work in the “treatment” mode, include performed fixed dental prostheses stored on collapsible gypsum models.

Схема сбора информации:Information Collection Scheme:

- (окклюзионные поверхности зубов)+ЦК → вычислитель- (occlusal surfaces of teeth) + CK → calculator

- (гипсовые модели челюстей)+П1+П2 → вычислитель- (gypsum models of jaws) + П1 + П2 → calculator

- (выполняемые несъемные дентальные протезы, припасованные на разборных гипсовых моделях)+П1+П2 → вычислитель- (performed non-removable dental prostheses stored on collapsible gypsum models) + П1 + П2 → calculator

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.In the patient’s mouth, the middle occlusal position, the rear contact position, the shift between the rear contact position and the inter-tubercular position, and the lateral shift should be determined by means of a generally accepted procedure using tri-color carbon ultrathin paper. Occlusive surfaces of teeth with marked multi-colored dots are photographed by a digital camera with standard software. The output file is exported to software for mathematical modeling and 3D graphic visualization - a computer simulation of the movements of the lower jaw of a particular patient.

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.Plaster models 313 of the jaws, obtained by removing the impression of the jaw of the patient with a silicone impression mass and subsequent filling of the impression with gypsum, intended for casting collapsible models are installed in the seat of the device 31 (Fig. 4). For the purpose of diagnosis, you can use plaster models of the jaws with raw teeth, and in order to perform and verify the performed orthopedic design, it is necessary to use collapsible plaster models.

Несъемные дентальные протезы, припасованные на разборной гипсовой модели, также устанавливаются в посадочное место приспособления.Fixed dental prostheses, mounted on a collapsible gypsum model, are also installed in the fixture's seat.

Лазерный сканер закрепляется на штативе и устанавливается на расстоянии около 20-30 см. от приспособления (фиг.3).The laser scanner is mounted on a tripod and mounted at a distance of about 20-30 cm from the device (figure 3).

Последовательно осуществляется сканирование фронтальной, боковых и окклюзионной поверхностей гипсовой модели челюстей или несъемных дентальных протезов, припасованных на разборных гипсовых моделях.Scanning of the frontal, lateral and occlusal surfaces of the gypsum model of the jaw or fixed dental prostheses stocked on collapsible gypsum models is sequentially performed.

Выходные файлы сканирования в формате STL экспортируются в программное обеспечение для математического моделирования и 3D графической визуализации.The output scan files in STL format are exported to mathematical modeling software and 3D graphical visualization.

2. Обработка данных.2. Data processing.

Обработка информации об объекте производится вычислителем.Processing information about the object is performed by the calculator.

3. Выходящая информация (ответы):3. Outgoing information (answers):

- для пользователя - в форме трехмерной динамической модели с возможностью интерактивного взаимодействия как на экране монитора, так в режиме «кибернетического пространства»;- for the user - in the form of a three-dimensional dynamic model with the possibility of interactive interaction both on the monitor screen and in the “cybernetic space” mode;

- для аппарата с ЧПУ - в форме математических расчетов геометрии модели и отдельных ее элементов.- for an apparatus with CNC - in the form of mathematical calculations of the geometry of the model and its individual elements.

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.The concept of “cybernetic space” implies real-time interactive graphics with three-dimensional models, when a specialized display technology is combined that immerses the user in the world of the model. Visual immersion is achieved by creating a stereo effect of the observed artificial scene and by visual shielding of the real environment in which the user is located.

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.In this case, this is ensured by the capabilities of the Quest 3D software application (full version) and stereo glasses for the user using interactive interaction. In this case, the effect does not occur due to the use of a special screen, but directly from the monitor screen.

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.During the startup process, the launch console 1 initializes the device software core 22, which deploys the remaining components of the system. C ++ object component 23 in the process of system operation closely interacts with kernel 22.

Доступ к ядру системы осуществляется через пользовательский интерфейс 21.Access to the core of the system is through the user interface 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.The device software uses the C ++ programming language to define two categories of objects - nodes and sensors. Nodes make up an object-oriented scene graph that represents and displays complex geometry. Sensors provide communication with the real world and are used to enter data from external devices into the application.

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).In the process, the launch console 1 remains open, providing the user with monitoring and control over the system. After starting, the device software (block 2) uses the information from the data collection block 3 and the database (block 4) to create a visual scene, and auxiliary processes start: the data manipulation subsystem (block 7) and the subsystem for modeling user interaction with virtual objects (block 8) )

Инициализированное программное обеспечение через интерфейс к драйверу 33 лазерного сканера 32 открывает файлы, созданные по результатам сканирования объекта, The initialized software through the interface to the driver 33 of the laser scanner 32 opens the files created by the scan results of the object,

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.fixed in the fixture 31. Next, the geometric representation of the scanned models is loaded from files 42 into RAM, forming in it a tree structure (column 41 of the scene), necessary for the optimal organization of the rendering process.

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.Through the interface 37 to the driver 36 of the digital camera, the software opens the files created by the digital camera 35. The file data 43 with the marked border points of the occlusal field is also loaded into the RAM.

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.In the process of constructing a closed three-dimensional model in core 22 on the basis of the polygonal mesh of the model constructed by the graphic station of the 3D laser scanner 32, the coordinates of the occlusal points are marked (plotted), which determine the boundaries of the occlusal field obtained as a result of the clinical analysis of occlusion according to the generally accepted technique, identified using copy paper on the occlusal surfaces of the patient’s teeth and recorded by a digital camera 35. The coordinates of the borders of the occlusal field, highlighted on the model’s grid, are analyzed by Algo 44 itmom calculating mandibular motions. Based on the average values of the physiological excursion of the teeth in the alveolar ligamentous apparatus contained in the library 45, mathematical information about the excursion is set for the corresponding tooth images. The result of these actions is a mathematical calculation of the movements of the lower jaw, on the basis of which the visual series of articulation movements is constructed in the world of the model, i.e. a dynamic model is created.

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.Information about the geometry of the model, its individual elements (occlusal surfaces of the teeth), gnatological positions due to the calculated coordinates of the trajectory of articulation movements are analyzed by pathology analysis algorithm 46, which, in turn, contains several libraries with hierarchical data organization.

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).Rendering is done by the 51 Open GL Performer graphics library, which optimizes processes using hierarchical data organization, algorithms for erasing invisible lines and surfaces. The result is transferred to the 52 Open GL graphics library, which renders primitives (triangles, lines, dots) taking into account the graphic modes (lighting, textures, transparency) using the lower-level techniques implemented in the graphics card 53 (Z-buffering, masking, shading).

В результате перечисленных действий синтезируется информация в форме As a result of these actions, information is synthesized in the form

расчетных гнатологических данных, визуальных сцен, поставляемых на экран монитора.calculated gnatological data, visual scenes supplied to the monitor screen.

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.To represent interactive images of a dynamic model off-screen - in a “cybernetic space” files are opened in 61 Quest 3D software. A stereoscopic image from the monitor screen is observed by the user with the help of polarizing glasses 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.The data manipulation subsystem (block 7) monitors discrete events, such as keystrokes on interaction devices, and transfers the result to the core 22. Based on the signals of the data manipulation subsystem, the subsystem for modeling user interaction with virtual objects (block 8) models the user’s interaction with virtual objects, in in particular, it determines the speed and method of movement in the virtual scene, allows you to manipulate objects, etc.

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.The subsystem 91 for transmitting digital information about the geometry of the model to CNC devices contains an open interface with which it is possible to transmit information about the geometry of the three-dimensional space of the model or its individual elements to CNC devices.

Данная система может быть реализована с использованием, например, следующей программно аппаратной конфигурации.This system can be implemented using, for example, the following hardware-software configuration.

I. Вычислительная система:I. Computing system:

- материнская плата класса - ASUS P5AD2 Premium;- class motherboard - ASUS P5AD2 Premium;

- процессор класса - Pentium IV 3.6 Ghz;- class processor - Pentium IV 3.6 Ghz;

- видеокарта - PNY PCI-E на чипе Nvidia Quadro FX 1300 256Mb;- video card - PNY PCI-E on an Nvidia Quadro FX 1300 256Mb chip;

- оперативная память - 2 Gb Dual channel;- RAM - 2 Gb Dual channel;

- два винчестера объемом - не менее 160 Gb;- two hard drives with a volume of at least 160 Gb;

- корпус с хорошей вентиляцией;- housing with good ventilation;

- монитор-LCD 19";- monitor-LCD 19 ";

- CD-ROM;- CD-ROM;

- клавиатура, мышь - стандартные.- keyboard, mouse - standard.

II. Система сбора данных:II. Data acquisition system:

- 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 - non-contact 3D laser scanner (measuring principle is a triangulation laser range finder): laser classification - Class2 (IEC60825-1), Class I (FDA), resolution along the Z axis - 0.05 mm, accuracy - up to

0,04 мм, матрица - 1/3" CCD - матрица 340000 пикселей;0.04 mm, matrix - 1/3 "CCD - matrix 340,000 pixels;

- цифровая камера: датчик изображения - CCD, 1/1,8", 10,0 Mpix, оптический зум - 3,0х, цифровой зум - 4,0х, память - SD Card/MMC;- digital camera: image sensor - CCD, 1 / 1.8 ", 10.0 Mpix, optical zoom - 3.0x, digital zoom - 4.0x, memory - SD Card / MMC;

III. Система представления изображения вне экрана:III. Off-screen image presentation system:

- программное обеспечение Quest 3D- Quest 3D software

- поляризационные очки.- polarized glasses.

Claims (4)

1. Система функционального анализа окклюзии и артикуляции, содержащая 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 связан с персональным компьютером и включает в себя цифровую камеру и подсистему сканирования опытных гипсовых моделей челюстей или разборных гипсовых моделей с выполняемой конструкцией.1. The system of functional analysis of occlusion and articulation, containing a data collection unit, a personal computer with software for mathematical modeling of dynamic processes that occur during movements of the lower jaw, and synchronization of the operation of individual components of the system, a database containing a description of the models and average values of physiological tooth excursions in a tooth-alveolar ligamentous apparatus with an algorithm for calculating the movements of the lower jaw along the spatial coordinates of the occlusal field, a pathology analysis algorithm, a rendering subsystem for graphically transforming a mathematical description of a model into a visual three-dimensional dynamic representation on a monitor screen, a data manipulation subsystem, a subsystem for modeling user interaction with virtual objects, and a subsystem for transmitting model information to CNC devices, while the data collection unit is associated with a personal computer and includes a digital camera and a scanning subsystem of experimental plaster models of the jaws or collapsible plaster models affairs with the performed design. 2. Система по п.1, характеризующаяся тем, что подсистема сканирования содержит установленный на штативе лазерный сканер и приспособление для установки указанных гипсовых моделей.2. The system according to claim 1, characterized in that the scanning subsystem contains a laser scanner mounted on a tripod and a device for installing these gypsum models. 3. Система по п.2, характеризующаяся тем, что приспособление для установки гипсовых моделей содержит основание и платформу со средствами фиксации гипсовых моделей, при этом основание связано с платформой посредством фиксируемого шарового шарнира.3. The system according to claim 2, characterized in that the device for installing gypsum models contains a base and a platform with means for fixing gypsum models, while the base is connected to the platform by means of a fixed ball joint. 4 Система по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит подсистему представления трехмерных моделей вне экрана.4 The system according to claim 1, characterized in that it further comprises a subsystem for representing three-dimensional models outside the screen. 5. Система по п.4, характеризующаяся тем, что подсистема представления трехмерных моделей вне экрана включает в себя поляризационные очки и соответствующее программное обеспечение.

5. The system according to claim 4, characterized in that the subsystem for representing three-dimensional models outside the screen includes polarizing glasses and the corresponding software.