Dokument 1 - E-Dissertationen der Universität Hamburg
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Aus der Klinik und Poliklinik für Zahn-, Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (Direktor: Prof. Dr. Dr. R. Schmelzle) im Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf Erstellung von virtuellen Referenzpräparationen für die simulierte Teilkronenpräparation Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Zahnmedizin der Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg vorgelegt von Julia Ulrike Breckwoldt aus Hamburg Hamburg, 2007 Angenommen von der Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg am 07.12.2007 Veröffentlicht mit Genehmigung der Medizinischen Fakultät der Universität Hamburg Prüfungsausschuss, der Vorsitzende: Prof. Dr. Dr. M. Heiland Prüfungsausschuss: 2. Gutachter: Prof. Dr. K.H. Höhne Prüfungsausschuss: 3. Gutachter: PD Dr. C.-J. Peimann Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................ 5 1 2 3 Einleitung ............................................................................................................................ 6 1.1 Erläuterung der Thematik ............................................................................................ 6 1.2 Erfassung des wissenschaftlichen Umfeldes ............................................................... 8 1.3 Problemstellung ......................................................................................................... 10 1.4 Ziele der Arbeit.......................................................................................................... 11 Grundlagen für die Teilkronenpräparation................................................................... 13 2.1 Die Teilkrone und ihre Indikation.............................................................................. 13 2.2 Kriterien und Werte ................................................................................................... 15 2.2.1 Retention und Stabilität..................................................................................... 15 2.2.2 Randschluss....................................................................................................... 18 2.2.3 Abzutragende Substanz..................................................................................... 19 Material und Methoden ................................................................................................... 22 3.1 Generierung der Daten............................................................................................... 22 3.2 3D-Visualisierung mit VOXEL-MAN ...................................................................... 23 3.3 Präparation mit oberflächenbasierten Visualisierungsprogrammen .......................... 26 3.4 Präparation mit volumenbasierter Visualisierung im VOXEL-MAN-System .......... 27 3.4.1 Darstellung der Objektoberfläche in Subvoxelgenauigkeit............................... 27 3.4.2 Haptische Simulation ........................................................................................ 28 3.4.3 Simulation des Materialabtrages ....................................................................... 30 3.4.4 Integration in das VOXEL-MAN-System......................................................... 32 3.5 4 Messfunktionen.......................................................................................................... 33 Ergebnisse ......................................................................................................................... 34 4.1 5 Modellerstellung ........................................................................................................ 34 4.1.1 Schmelz und Dentin .......................................................................................... 34 4.1.2 Pulpa.................................................................................................................. 35 4.1.3 Besondere Strukturen ........................................................................................ 36 4.2 Masterpräparationen .................................................................................................. 43 4.3 Auswertung/Vermessen der Präparation.................................................................... 53 Anwendungen ................................................................................................................... 57 5.1 Die Masterpräparationen in VOXEL-MAN DentalSurg ........................................... 57 5.2 Anwendungsmöglichkeiten von VOXEL-MAN DentalSurg in der studentischen Ausbildung.............................................................................................................................. 60 6 Diskussion.......................................................................................................................... 62 6.1 Beurteilung der ausgewählten Kriterien und Werte................................................... 62 6.2 Modellerstellung aus den computertomographischen Datensätzen ........................... 64 6.3 Referenzpräparationen und Anwendung.................................................................... 66 6.4 Einordnung in das wissenschaftliche Umfeld............................................................ 68 6.5 Ausblick ..................................................................................................................... 69 7 Zusammenfassung ............................................................................................................ 71 8 Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 72 Danksagung ............................................................................................................................... 80 Lebenslauf.................................................................................................................................. 81 Erklärung................................................................................................................................... 82 Abbildungsverzeichnis 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 5.1 5.2 Simulation von Wurzelspitzenresektionen ......................................................... 7 Gussfüllungen und Teilkrone ............................................................................. 13 Divergenzwinkel ................................................................................................ 16 Öffnung des approximalen Kastens ................................................................... 17 Randspalt ............................................................................................................ 19 VOXEL-MAN-Oberfläche für die Segmentation .............................................. 24 Anwendung morphologischer Operationen ........................................................ 25 Subvoxel-Raycasting .......................................................................................... 28 Kraftrückkopplungsgerät .................................................................................... 28 Kollisionsvektoren .............................................................................................. 29 Volume cutting ................................................................................................... 30 Scharfkantigkeit an der Oberfläche .................................................................... 31 Simulationstrainer .............................................................................................. 32 Segmentation Zahn 14 ....................................................................................... 37 Objekt „enamel“ ................................................................................................. 38 Objekt „dentine“ ................................................................................................. 39 Objekt „pulp“ ...................................................................................................... 40 Segmentierte Oberkieferzähne ............................................................................ 41 Segmentierte Unterkieferzähne .......................................................................... 42 Zahn 14 vor der Präparation ............................................................................... 45 Zahn 14, fertige Präparation ............................................................................... 45 Einzelne Präparationsschritte am Beispiel von Zahn 14 .................................... 46 Präparation Zahn 16, Beispiel Molar ................................................................. 48 Präparation Zahn 15 ........................................................................................... 49 Präparation Zahn 24 ........................................................................................... 49 Präparation Zahn 25 ........................................................................................... 49 Präparation Zahn 26 ........................................................................................... 50 Präparation Zahn 27 ........................................................................................... 50 Präparation Zahn 34 ........................................................................................... 51 Präparation Zahn 35 ........................................................................................... 51 Präparation Zahn 36 ........................................................................................... 51 Präparation Zahn 44 ........................................................................................... 52 Präparation Zahn 45 ........................................................................................... 52 Präparation Zahn 47 ........................................................................................... 52 Konflikt zwischen den Kriterien ........................................................................ 53 Problem der tiefen Fissuren ............................................................................... 54 Problem der Kronenflucht ................................................................................. 55 Substanzabtrag ................................................................................................... 56 Startfenster VOXEL-MAN DentalSurg ............................................................ 58 Benutzeroberfläche VOXEL-MAN DentalSurg ............................................... 59 5 1 Einleitung 1.1 Erläuterung der Thematik Die Simulation zahnmedizinischer Eingriffe ist generell ein wesentlicher Bestandteil in der Ausbildung von Zahnärzten. Ein Eingriff am Patienten ist irreversibel und sollte daher besser an Modellen als im realen Leben trainiert werden. Aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit von menschlichen Präparaten wird die Präparation von Zähnen für die Aufnahme von intraoral oder extraoral angefertigten Füllungen sowie verschiedenen Kronenformen seit Jahrzehnten an Holzköpfen und Kunststoffzähnen geübt. In den letzten Jahren werden durch Fortschritte im Bereich neuer Technologien Simulationsvorgänge in einer virtuellen Realität für den medizinischen Bereich immer interessanter [BUCHANAN 2001]. Da gerade die ersten Jahre des zahnmedizinischen Studiums überwiegend aus Übungen mit simulierten Patientensituationen bestehen, könnte die Einführung virtueller Simulatoren hier von besonders großem Nutzen sein. Obwohl es in dieser Richtung schon einige Ansätze gibt, werden die Möglichkeiten zumindest in der Ausbildung an deutschen Universitäten noch sehr wenig genutzt [WELK ET AL. 2006]. Von der Arbeitsgruppe VOXEL-MAN am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf wurde ein interaktives stereoskopes Simulationsprogramm entwickelt, mit dem chirurgische Eingriffe virtuell, aber sehr realitätsnah mittels haptischer Kraftrückkopplung geübt werden können. Bisher sind Anwendungen im Bereich der Felsenbeinchirurgie [LEUWER ET AL. 2002], [PETERSIK ET AL 2002], [PFLESSER ET AL. 2002] und der Wurzelspitzenresektionen [HEILAND (Abbildung 1.1) möglich. 6 ET AL. 2004B] Abbildung 1.1: Simulation von Wurzelspitzenresektionen. Schädelausschnitt, basierend auf CT-Schnittebenen, mit Darstellung von Knochen, Zähnen, N. alveolaris inferior, diversen Granulomen, am Zahn 36 bereits weggefräst (aus HEILAND ET AL. 2004B) Die Möglichkeit des virtuellen Trainings von Wurzelspitzenresektionen fand bei Zahnmedizinstudenten großen Anklang und der Wunsch nach einer Erweiterung dieser neuartigen Trainingsmethode auf weitere Bereiche der zahnmedizinischen Ausbildung wurde laut [HEILAND ET AL. 2004], [STERNBERG-GOSPOS ET AL. 2006]. Die Präparation an Zähnen gehört zu den wesentlichen Aufgaben eines Zahnarztes. Daher wird sie vom ersten Studiensemester an ausführlich geübt, um den Studierenden möglichst optimal auf die Behandlungssituation am realen Patienten vorzubereiten. Die Übungen umfassen dabei sowohl Präparationen für Amalgam-, Kunststoff- und Zementfüllungen als auch für Zahnersatz 7 wie Kronen und Brücken in allen Variationen. Eine besondere Stellung nimmt dabei die Anfertigung von Teilkronen ein, da diese am Übergang von Zahnerhaltung zu Zahnersatz stehen. Dadurch müssen häufig sehr komplexe Präparationsformen geschaffen werden, die hohe Anforderungen an den Behandler stellen. Aufgrund dieser Komplexität ist die Teilkronenpräparation für ein virtuelles Training besonders geeignet. 1.2 Erfassung des wissenschaftlichen Umfeldes Mit der Einführung neuer Technologien wurde die computerunterstützte Simulation populär. Die Anfänge sind in der Luft- und Raumfahrttechnik in Form von Flugsimulatoren zu finden, die dort inzwischen routinemäßig zur Aus- und Weiterbildung genutzt werden [BUCHANAN 2001]. In der Medizin stehen Simulatoren für das virtuelle Training endoskopischer und laparoskopischer Eingriffe zur Verfügung [ECKE [FREYSINGER ET AL. 2001], [TAKIGUCHI 1997], [GALLAGHER ET AL. ET AL. ET AL. 1998], [FOLEY 1993], [HASSFELD UND UND SMITH 1996], MUEHLING 1998], [LARSSON 2005]. Auch chirurgische Eingriffe können dreidimensional geübt werden, wobei in der Regel Weichgewebe geschnitten bzw. entfernt wird [GLOMBITZA ET AL. 1999], [LANGE ET AL. 2000], [XIA ET AL. 2000]. Zur realistischeren Vermittlung der virtuellen Realität werden Kraftrückkopplungsmechanismen eingesetzt. Auch diese werden heute meistens für die Weichgewebsdarstellung verwendet [BARMEIR 2006], [REICH ET AL. 2006], [SCHENDEL ET AL. 2005]. Bei der Präparation von Zähnen wird Hartgewebe entfernt, das heißt, dass Bohr- und Schleifvorgänge simuliert werden müssen. Erste haptische Bemühungen an einem virtuellen Zahn über ein Kraftrückkopplungsgerät waren zweidimensional und dienten der Simulation von erweichter kariöser Substanz [JOHNSON ET AL. 2000]. Inzwischen lassen sich aber aufgrund verbesserter Rechnerleistungen und Speicherkapazitäten auch dreidimensionale Ansichten umsetzen, wobei die räumlichen Modelle aus zweidimensionalen CT- und MRT-Schnittbildern berechnet werden [HILL ET AL. 1994]. Dadurch können dentale Eingriffe realistischer simuliert werden. 8 Im Bereich der virtuellen Simulation zahnärztlicher Eingriffe gibt es bisher verschiedene Ansätze, die sich aber noch weitestgehend in der Entwicklungsphase befinden und bisher keinen Einzug in den studentischen Alltag gefunden haben [BUCHANAN 2001]. Ein Trainingsmodul bietet die Firma Alpha Tec Ltd., USA an, mit dem virtuelle Eingriffe an stark vereinfachten Zahnmodellen simuliert werden können, allerdings ohne Kraftrückkopplungsgerät [ALPHA TEC LTD., USA]. Von der Firma Novint, USA wurde ein Prototyp eines dreidimensionalen haptischen Simulators entwickelt. Mit diesem Virtual Reality Dental Training System sollen sich Präparationen für Amalgamfüllungen simulieren lassen [NOVINT, USA], [BUCHANAN 2001]. Ein weiteres virtuelles Trainingssystem für die Zahnmedizin wird von Kim et al. präsentiert, die einen Simulator für Kavitäten- und Kronenpräparationen mit haptischer Kraftrückkopplung und stereoskoper Darstellung beschreiben [KIM UND PARK 2006]. Die Bohrvorgänge erfolgen dort an mäßig detailgenauen bezahnten Kiefermodellen. Es existieren keine Vorlagen, die Anhaltspunkte bzw. Vorgaben für eine exakte Präparation liefern. Die oben beschriebenen Simulatoren basieren so weit beurteilbar auf einer oberflächenbasierten Visualisierung der Zähne mittels Polygonen. Es werden nur die Oberflächen der Objekte berechnet und abgespeichert. Das führt zu einem reduzierten Speicherbedarf des verwendeten Formats im Vergleich zur volumenbasierten Darstellung (siehe unten). Der Vorteil liegt in einer kurzen Berechnungszeit, die für die Erstellung bestimmter Ansichten der Zähne anfällt. Auch Benutzerinteraktionen wie Drehungen eines Objektes sind in Echtzeit möglich. Bei einer Visualisierung sehr vieler Objekte oder einer genauen Oberflächendarstellung stößt diese Methode aber sehr schnell an ihre Grenzen, da durch zunehmende Polygonzahl die erforderliche Rechenleistung sehr schnell zunimmt. Durch das Fehlen von Informationen über das Innere des Objektes entstehen Probleme beim Schneiden oder Bohren des Objektes, da die Darstellung immer noch in Echtzeit modifiziert werden soll. Eine Alternative zur oberflächenbasierten Darstellung stellt die volumenbasierte Darstellung dar, die auch Grundlage des Wurzelspitzensimulators bildet (siehe Abbildung 1.1). Dabei werden Volumenmodelle der Objekte auf Basis der zugrundeliegenden Grauwerte erstellt. Die Oberflächendarstellung wird über die unterschiedlichen Grauwerte an den Objektgrenzen möglich [HÖHNE UND HANSON 1992]. Mit diesem Verfahren werden die Volumenmodelle so modifiziert, dass im Vergleich zur oberflächenbasierten Darstellung Schnitte und Bohrungen in 9 das Innere des Objektes ohne Einschränkungen möglich sind. Nachteilig ist der hohe Speicherbedarf der Datensätze. Die bisher in der vorklinischen Zahnmedizinerausbildung eingesetzten Simulationsprogramme bieten eine Unterstützung und Überprüfung der Präparation an Kunststoffzähnen mittels optischen Systemen und Multimediacomputerprogrammen. Hintergrund bilden die Wünsche der Ausbilder und der Studenten nach einem sanfteren Übergang in die klinische Behandlungsweise, einer verstärkten Übung einer ergonomischen Arbeitsweise, erweiterten Erfahrungen für die Studenten durch zusätzliche Modelle, die die Patientensituation realer wiederspiegeln, sowie Möglichkeiten zusätzlicher Hilfsmittel wie Demonstrationen, Diagramme, Anleitungen etc. [BUCHANAN 2001]. Das am häufigsten evaluierte System DentSim der Firma DenX Ltd., Israel arbeitet mit Leuchtdioden und einem optischen Kamerasystem, das die Bewegungen des Winkelstückes im Phantomkopf dreidimensional erfasst, so dass parallel zum realen Bohren am Kunststoffzahn ein virtuelles Präparationsmodell berechnet und mit Referenzmodellen verglichen werden kann [DENX, ISRAEL], [ROSE ET AL. 1999], [BUCHANAN 2004], [WELK ET AL. 2004]. Ähnlich funktioniert das System PREPassistent der Firma KaVo, Deutschland, das Modellzähne und Zahnersatz über einen 3D-Scanner einzeln außerhalb des Phantomkopfes vermessen kann, die wiederum anschließend am Rechner bewertet werden können [KAVO, GERMANY], [WEGMANN 2002], [ARNETZL UND DORNHOFER 2004]. 1.3 Problemstellung Die Vermittlung von praktischem Wissen in der Zahnmedizin erfolgt über Vorlesungen, Demonstrationen und Übungen. Die Vorlesungen dienen vor allem der Darstellung des theoretischen Hintergrundes. Um den Lernenden das praktische Vorgehen zu erläutern, wird eine Präparation vom Dozenten anhand eines Beispiels demonstriert. Dieses geschieht für jeden Kurs erneut in Form eines Frontalunterrichtes, wobei individuelle Unterschiede der Studenten beim Lernen nicht berücksichtigt werden können. Aufgrund des engen zeitlichen Rahmens 10 werden in der Regel nur ein oder zwei Zahnpräparationen demonstriert. Weitere Möglichkeiten können nicht berücksichtigt werden. In der anschließenden Übung sind die Studierenden zur Nachahmung angehalten. Die fertigen Präparationen werden von den Ausbildern begutachtet und benotet. Trotz einheitlicher Lehrmeinungen innerhalb einer Ausbildungsstätte ist die Beurteilung der Präparationen subjektiv, da jeder Lehrende geringfügig unterschiedliche Vorstellungen vom Aussehen der jeweiligen Studentenpräparation hat. Das führt häufig zur Verwirrung unter den Studierenden. Ein weiteres Problem stellt die Betreuungssituation dar, weshalb die Studierenden aufgrund von Dozentenmangel häufig längere Wartezeiten für die Benotung in Kauf nehmen müssen. Ein Simulationsprogramm kann zum einen die nötigen Grundlagen über Tabellen, Diagramme, Demonstrationen und Beispiele vermitteln, die jederzeit individuell vom Probanden abgerufen werden können. Zum anderen besteht die Möglichkeit einer objektiven Bewertung der Leistung des Studierenden. Dieses wird durch die oben beschriebenen Systeme DentSim und PREPassistent schon weitestgehend realisiert, wenn auch nicht für alle Bereiche der Zahnmedizin. Die Präparation erfolgt allerdings noch konventionell an Kunststoffzähnen, die das Bohrgefühl eines echten Zahnes nur schlecht wiederspiegeln. Mit Simulationen in einer virtuellen Realität wird ein neues Lernmodul geschaffen, wie am Beispiel der Wurzelspitzenresektionen gezeigt werden konnte [HEILAND ET AL. 2004B]. Die Übungsmodelle können der realen Patientensituation besser angepasst werden als Kunststoffoder Tiermodelle. 1.4 Ziele der Arbeit Aufgrund der vorstehend aufgezeigten Defizite in der zahnmedizinischen Ausbildung soll mit einem in der VOXEL-MAN-Umgebung vorhandenen Simulator eine zusätzliche Ausbildungsmodalität geschaffen werden. Teilkronenpräparationen mit der Komplexität ihrer zu schaffenden Form sind für die Simulation besonders geeignet. 11 Im Rahmen dieser Arbeit sollen Kriterien herausgearbeitet werden, anhand derer Zähne optimal für den Einsatz einer Teilkrone präpariert werden können. Sie sollen eine objektive Bewertung der simulierten Präparationen ermöglichen. Mit Hilfe von mikrocomputertomographisch generierten Datensätzen und einem volumenbasierten Visualisierungsprogramm sollen dreidimensionale Modelle von einzelnen Zähnen erzeugt werden. Dabei sollen möglichst alle für die Präparation von Teilkronen geeigneten Zähne einer normalen Gebisssituation einbezogen werden. Anhand der erarbeiteten Kriterien sollen an den 3D-Modellen der Zähne virtuelle Referenzpräparationen definiert werden, die den auszubildenden Zahnmedizinern als Lernvorlage und Anhaltspunkt bei der eigenständigen Präparation dienen sollen. 12 2 Grundlagen für die Teilkronenpräparation 2.1 Die Teilkrone und ihre Indikation Goldgussfüllungen sind als zahnmedizinisches Füllungsmaterial seit über 140 Jahren etabliert [CHRISTENSEN 1971]. Sie entwickelten sich aus dem Wunsch nach einer Metallvermeidung im sichtbaren Bereich, da Vollüberkronungen aus Gold den hiesigen Ästhetikvorstellungen widersprechen [STAEHLE 1980]. Je nach Umfang der Restauration wird zwischen den Begriffen Inlay, Onlay, Overlay und Teilkrone unterschieden (Abbildung 2.1). Ein Inlay besteht aus einem okklusalen Kasten, der den größten Teil der Kaufläche nicht bedeckt. Es kann nach approximal erweitert werden. Als Onlay wird eine Erweiterung des Inlays bezeichnet, bei der die inneren Höckerabhänge bis zu den Höckerspitzen in die Restauration eingebunden sind. Das Overlay fasst die Höckerspitzen mit ein und endet an den äußeren Höckerabhängen, wobei die Übergänge zur Teilkrone fließend sind. Bei der Teilkrone werden in der Regel beide Approximalräume in die Restauration mit einbezogen. Sie endet an den Stützhöckern meist mit einer abgeschrägten Stufe, während die Scherhöcker einen Außenschliff erhalten. Abbildung 2.1: Verschiedene Formen der Gussfüllungen und Teilkrone (modifizert nach KLAIBER 1986) 13 Die Begriffsabgrenzung vom Inlay bis zur Teilkrone spiegelt gleichzeitig den Indikationsbereich der Teilkrone wieder. Sie eignet sich zur Restauration ausgedehnter okklusaler und approximaler Defekte, wobei die vestibulären und die oralen Wände weitgehend erhalten sein sollten. Sie kommt immer dann zum Tragen, wenn die Gefahr einer Höckerfraktur besteht, da die Stabilität des Zahnes über eine plastische oder eine Inlayfüllung oft nicht gewährleistet werden kann. Amalgam- bzw. Kunststofffüllungen lassen sich in einigen Fällen bedingt durch Verarbeitungsvorgaben des Materials approximal wegen der Tiefe des Defektes nicht realisieren, so dass die extraorale Anfertigung einer Füllung nötig wird. Teilkronen eignen sich ebenfalls als Brückenanker, zur postendodontischen Versorgung und werden zur Korrektur bzw. Neugestaltung okklusaler Verhältnisse eingesetzt [KLAIBER UND HUGO 1999]. Sind die Defekte allerdings zu klein, so sind Teilkronen nicht indiziert, da der Substanzverlust, der für die Herstellung einer geeigneten Retentionsform nötig wäre, nicht im Verhältnis zu der Größe der Kavität stände. Auch zu große Defekte, die zu ausgedehnten Goldflächen im sichtbaren Bereich führen würden, zirkuläre Läsionen im Zahnhalsbereich und eine hohe Kariesaktivität sprechen gegen eine Teilkronenversorgung. Eine weitere Kontraindikation stellen jugendliche Zähne mit einem großen Pulpencavum oder andere anatomische Gegebenheiten dar, die eine ausreichende makromechanische Retention verhindern [KLAIBER UND HUGO 1999]. Diese Bedingungen müssen bei der Planung einer Teilkronenrestauration beachtet werden, so dass das Indikationsspektrum eher klein ist. Viele Zahnärzte verwenden diese Art von Zahnersatz daher nur noch sehr selten [STAEHLE 1980]. Hinsichtlich der heute vorherrschenden minimal-invasiven Ausrichtung der Zahnmedizin nimmt die Bedeutung der Teilkrone aber wieder zu und ist daher wichtiger Teil des Zahnmedizinstudiums. Die Vorbereitung eines Zahnes für die Aufnahme einer Teilkrone gehört aufgrund ihrer Komplexität zu den schwierigeren Präparationsformen in der Zahnmedizin und stellt daher hohe Anforderungen an den Behandler. In dieser Arbeit sollen anhand von bestimmten Kriterien mit möglichst objektiven, messbaren Werten Übungsvorlagen für die Teilkronenpräparation geschaffen werden. 14 Dabei ist zu berücksichtigen, dass es sowohl in der Literatur als auch in der universitären Ausbildung abweichende Meinungen hinsichtlich der Form und der Werte gibt. Um eine möglichst allgemeingültige Auffassung wiederzuspiegeln, basieren die Kriterien und Werte hauptsächlich auf dem Band Kariologie und Füllungstherapie aus der Lehrbuchreihe „Praxis für Zahnheilkunde“ [HEIDEMANN (HRSG.) 1999] unter besonderer Berücksichtigung der Lehrmeinung der zahnmedizinischen Ausbildung im Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, da die dortigen Studenten die ersten Probanden sein sollen. 2.2 Kriterien und Werte Der Erfolg einer Teilkrone beruht auf vielen einzelnen Schritten in der Arbeit von Zahnarzt und Zahntechniker. Grundlage bildet nach einer entsprechenden Planung eine optimale Präparation des Zahnes. Der Randschluss und die Retention und Stabilität der Restauration werden dadurch maßgeblich beeinflusst [KLAIBER UND HUGO 1999]. Weitere wichtige Kriterien wie zum Beispiel funktionell korrekt gestaltete Kauflächen und Approximalräume werden in dieser Arbeit nur nachrangig berücksichtigt, da sie für die Präparationsform einzeln stehender Zähne nicht von Belang sind. 2.2.1 Retention und Stabilität Der Halt einer gegossenen zahnärztlichen Restauration basiert nicht auf einer Klebewirkung des Befestigungszementes, sondern auf der Friktion zwischen Zahnstumpf und Krone. Dafür müssen ausreichend Friktionsflächen geschaffen werden, die ein Abziehen der Krone in Einschubrichtung vermeiden (Retention). Gleichzeitig darf die Restauration auch nicht durch apikal, schräg oder horizontal gerichtete Kräfte disloziert werden (Stabilität) [SHILLINGBURG ET AL.1988]. Entscheidend für den Halt der Krone ist das Verhältnis der Konizität von parallel stehenden Flächen, der Höhe der präparierten Wände bzw. der Größe der retentiven Flächen sowie dem Durchmesser des Zahnstumpfes, das heißt in diesem Fall des tragenden Höckers. 15 Je größer der Durchmesser, desto wichtiger ist eine ausreichende Höhe der Retentionsflächen. Ist die präparierte friktive Fläche eher niedriger, so muss der Divergenzwinkel, das heißt die Koniziät kleiner sein. Daraus ergibt sich für flache Kästen bzw. kurze Präparationswände ein Divergenzwinkel von 3°, für tiefere Präparationen max. 10° in Bezug auf die Einschubrichtung (Abbildung 2.2) [KLAIBER UND HUGO 1999]. a) b) Abbildung 2.2: Divergenzwinkel am Beispiel von Vollkronen. Bei längeren Präparationswänden (a) ist eine größere Konizität ohne Retentionsverlust möglich als bei kürzeren Wänden (b). (modifiziert nach SHILLINGBURG ET AL. 1988) Verschiedene Autoren haben versucht, dieses Verhältnis im Rahmen einer mathematischen Formel zu beschrieben [DREYER-JØRGENSEN 1955, WILLEY 1976, SHILLINGBURG ET AL. 1988, PARKER ET AL. 1993]. Für die praktische Arbeit haben diese für Vollkronenpräparationen geltenden theoretischen Bedingungen wenig Relevanz und sind aufgrund der formbedingten Vorgaben für die Teilkronenpräparation schlecht anwendbar. Die Retentionsflächen entstehen an den Wänden des Isthmus und vor allem an den Wänden der approximalen Kästen. 16 Der okklusale Kasten soll dem Verlauf der Fissur folgen und möglichst parallele Wände besitzen. Der Kastenboden ist plan und senkrecht zur Einschub- und Belastungsrichtung [KLAIBER UND HUGO 1999]. Um eine ausreichende Materialstabilität zu gewährleisten, sollte die Breite 1,5 mm nicht unterschreiten und eine Tiefe von 2 mm erhalten, ausgehend vom tiefsten Punkt der tiefsten Fissur. Allerdings sollte der Isthmus trotz Höckereinfassung nicht breiter als 1/3 des Höckerabstandes werden, um die Höcker und damit die Stabilität des Zahnes nicht unnötig zu schwächen [KLAIBER UND HUGO 1999, GASSIRARO 1994]. In der Literatur werden zahlreiche Retentionsmöglichkeiten wie Pins, Rillen, zusätzliche okklusale Kästen und spezielle Approximalraumgestaltungen beschrieben [MOTSCH 1968], [GUYER 1970], [SMITH ET AL. 1974], [KISHIMOTO ET AL. 1983], [SHILLINGBURG ET AL. 1988], [JÜDE ET AL. 1997], [LEHMANN UND HELLWIG 1998]. Durchgesetzt hat sich in der Praxis die klassische Kastenpräparation, bei der die jeweils schräg gegenüberliegenden Wände des mesialen und distalen Kastens zur Erzielung von Friktion parallel zueinander stehen. Die Öffnung der Kastenwände nach außen richtet sich nach dem Nachbarzahn. Daher wird ein Wert von ca. 4060° von der Kavitätenwand zur Wölbung der Zahnoberfläche vorgeschlagen (Abbildung 2.3) [RIETHE 1985], [LEHMANN UND HELLWIG 1998], [WEBER 2003]. Abbildung 2.3: Der Öffnungswinkel des approximalen Kastens (hier am Beispiel eines Inlays) ist der Winkel zwischen Kavitätenwand und Wölbung der Zahnoberfläche. (aus RIETHE 1985) 17 Der Kontakt zum Nachbarzahn muss aufgehoben werden, wobei der erforderliche Abstand normalerweise von der Wahl des Abformmaterials abhängt. Hydrokolloide benötigen eine größere Stärke als Silikonmassen. Als Richtwert für diese Arbeit wird ein auch für plastische Füllungen üblicher Wert von 0,5-1,0 mm Abstand zum Nachbarzahn gewählt [HEIDEMANN 1999]. Die Tiefe des approximalen Kastens wird von der Lage der Präparationsgrenze bestimmt. Entscheidend ist hierbei das Einhalten der biologischen Breite, das heißt eines Mindestabstandes des Restaurationsrandes von 2 mm zum Knochen, um parodontale Schäden zu vermeiden [SHILLINGBURG ET AL. 1988, STRUB ET AL. 2003]. Als extraalveoläre Orientierungslinie bietet sich die Schmelz-Zement-Grenze an, von der die Restauration dann ca. 1-2 mm koronal entfernt enden sollte. Zur Entlastung der tragenden Höcker gegenüber einwirkenden Kaukräften wird auf der Außenseite eine zirkulär bis in die Approximalräume verlaufende Stufe angelegt. Die Präparationsgrenze im Bereich der Stufe liegt auf Höhe des anatomischen Äquators des Zahnes. Die Breite der Stufe soll ca. 1 mm betragen, damit sie einerseits genügend Kraft auffangen kann, andererseits die entsprechende okklusale Kastenwand nicht schwächt [KLAIBER UND HUGO 1999]. Für den Übergangswinkel vom Boden der Stufe zur Außenwand der Stützhöcker sind Winkel von 90-110° akzeptabel, da ein zu kleiner Winkel wegen nicht unterstützter und daher frakturgefährdeter Schmelzfragmente zur Randspaltbildung führen kann, während ein zu großer Winkel und eine infolgedessen ungenügende Materialstärke eine Frakturgefahr für das Restaurationsmaterial bedeuten [SEYMOUR ET AL.1996]. 2.2.2 Randschluss Der Randschluss bildet den Schwachpunkt jeder extraoral angefertigten Restauration, da ein völlig fugenloser Übergang nicht zu erreichen ist. Ein Spalt von 20-50 µm wird vor dem Hintergrund der Zementkorngrößen als wünschenswert angesehen. Einfluss auf die Passgenauigkeit haben einerseits die Dimensionsveränderungen der im Herstellungsprozess der Teilkrone verwendeten Materialien, andererseits der Schliffwinkel am Präparationsrand, der am Anfang der Herstellungskette und in direktem Zusammenhang mit der Größe des Randspaltes steht [KLAIBER UND HUGO 1999]. 18 Der Begriff „Schliffwinkel“ beinhaltet dabei sowohl die Anschrägung am äußeren Abhang der Scherhöcker als auch die Abschrägungen aller horizontalen Flächen an den Präparationsgrenzen, das heißt an den Böden der approximalen Kästen und der Stufe. Die empfohlene Steilheit der Abschrägung liegt bei 30-45° (Abbildung 2.4). Eine steilere Abschrägung würde theoretisch einen besseren Randschluss zur Folge haben, führt in der Praxis aber zu undeutlicheren Präparationsgrenzen und zu dünnen, bruchgefährdeten Restaurationsrändern. Ist die Abschrägung zu flach, so nimmt die Weite des Randspaltes stark zu [KLAIBER UND HUGO 1999]. Die Breite der Abschrägung sollte zwischen 0,3 und 1 mm liegen [SHILLINGBURG ET AL. 1988, RIETHE 1985]. Abbildung 2.4: Randspalt zwischen Krone (dunkelgrau) und Zahn (hellgrau). Die Größe des Randspaltes ist abhängig von der Steilheit der Abschrägung der Stufe. (aus LEHMANN UND HELLWIG 1998) 2.2.3 Abzutragende Substanz Für die Form der Präparation unwichtig, für die Herstellung und Einpassung der Krone um so wichtiger ist ein ausreichender Substanzabtrag. Dabei müssen einerseits die nötige Materialstärke für eine funktionsgerechte okklusale Gestaltung und andererseits die Stabilität und der Schutz der Zahnsubstanzen berücksichtigt werden. Die Restdentinstärke sollte bei Zähnen von erwachsenen Patienten mindestens 0,7 mm betragen, um Schäden an der Pulpa zu vermeiden [JÜDE ET AL. 1997]. 19 Für eine optimale Teilkronengestaltung müssen die tragenden Höcker um 1,2-1,5 mm und die Scherhöcker um 1,0 mm reduziert werden. Zirkulär wird ein Substanzabtrag von mindestens 0,8 mm empfohlen [KLAIBER UND HUGO 1999]. Lassen sich diese Bedingungen nicht einhalten, so muss auf die Anfertigung einer Teilkrone verzichtet oder der Zahn devitalisiert werden. Alle beschriebenen Werte bilden die Grundlage für die Teilkronenpräparationen im Rahmen dieser Arbeit und sollen aufgrund ihrer Masterpräparationen führen (siehe auch Tabelle 2.1). 20 Allgemeingültigkeit zu sogenannten KRITERIUM WERTE Retention und Stabilität: • Konizität (immer in Bezug zu 3-10° Durchmesser und Höhe der Präparation) • Form des Isthmus - dem Verlauf der Fissur folgend - mind. 1,5 mm breit, max. 1/3 des Höckerabstandes • - am tiefsten Punkt der Fissur 2 mm tief - Kavitätenwand - Zahnoberfläche ca. 40-60° - parallel zur schräg gegenüberliegenden Wand Approximalraum im anderen Approximalraum - Kontakt zum Nachbarzahn um 0,5-1 mm aufheben - approximal 1-2 mm koronal der SchmelzZementgrenze • Präparationsgrenze - am tragenden Höcker auf Höhe des anatomischen Äquators • Stufe am Stützhöcker - Scherhöcker: Abschrägung, Ästhetik beachten - ca. 1 mm breit - 90-110° zwischen Boden und Wand Randschluss: • Steilheit der Abschrägung • Breite der Abschrägung 30-45° 0,3-1 mm Abzutragende Substanz: • Restdentinstärke • Stützhöcker 1,2-1,5 mm • Scherhöcker ca. 1,0 mm • Zirkulär ca. 0,8 mm Tabelle 2.1: mind. 0,7 mm Zusammenfassung der Kriterien und Werte für eine optimale Teilkronenpräparation 21 3 Material und Methoden 3.1 Generierung der Daten Die Daten dieser Arbeit beruhen auf extrahierten menschlichen Zähnen des bleibenden Gebisses und stammen aus den gesammelten Beständen verschiedener Zahnarztpraxen. Auswahlkriterien für die Zähne: • Klinisch gesunde Zähne ohne konservierende oder prothetische Versorgung, um metallische Artefakte bei der Datenerzeugung zu vermeiden • Vollständig ausgebildete und erhaltene Wurzeln, möglichst ohne Konkremente • Prämolaren und Molaren mit Ausnahme von Weisheitszähnen Zur Lagerung wurden die Zähne in physiologischer NaCl-Lösung eingelegt, um das Austrocknen und Sprödewerden der Substanzen und somit Auswirkungen auf die Dichte der Strukturen zu vermeiden. Die Digitalisierung der Zähne erfolgte mit Hilfe der Computertomographie. Um möglichst hochaufgelöste Datensätze zu erhalten, wurden die Zähne einzeln mittels eines Mikrocomputertomographen (µCT) gescannt. Das hier verwendete µCT 40 (Scanco Medical, Basserdorf, Schweiz) kann Proben bis zu einer maximalen Größe von 36,9 x 80 mm aufnehmen. Die einzelnen Schnittbilder hatten eine Größe von 512 x 512 Bildpunkten (Pixeln). Je nach Zahngröße entstanden 576-813 Schichten, woraus sich Datensatzgrößen zwischen 288 und 406,5 MB ergaben. Die Voxelauflösung betrug 31 µm³. Um die Rechenzeit für die folgenden Anwendungsvorgänge der Daten in Maßen zu halten, wurde die Auflösung nach Importierung in das Bildverarbeitungsprogramm ImageJ (opensource, http://rsb.info.nih.gov/ij/) in allen drei Dimensionen um den Faktor 2 reduziert, so dass das Voxelvolumen nun bei 0,062 mm³ lag. Diese Auflösungsreduktion führte subjektiv zu 22 keinem Qualitätsverlust in der Darstellung des Zahnes, so dass sie vor dem Hintergrund einer angemessenen Rechenzeit ihre Berechtigung fand. Anschließend wurde der Datensatz gedreht, um die Schichten später genau in mesial-distalem und vestibulär-oralem Strahlengang betrachten zu können. Die Datenmenge wurde durch Zurechtschneiden, bei der nicht benötigte Hintergrundbereiche im Datensatz ausgeschnitten wurden, weiter verringert, so dass mit endgültigen Datensatzgrößen von 15-68 MB weiter gearbeitet werden konnte. 3.2 3D-Visualisierung mit VOXEL-MAN Die dreidimensionale Darstellung erfolgte mit einem im Rahmen des VOXEL-MAN-Projektes am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf entwickelten volumenbasierten 3D- Visualisierungssystem. Die Grundlage für die Modellierung der Zähne bilden die Schnittbilddatensätze, die mit Hilfe des µCTs für jeden Zahn angefertigt wurden. Die kleinste Einheit eines Bildes dieser Datensätze wird Pixel genannt, eine zweidimensionale Größe, der bestimmte Koordinaten und eine Signalintensität zugeordnet werden. Durch mehrere aufeinanderfolgende Schnittbilder entsteht eine dritte Dimension. Die zugehörigen Bildpunkte heißen jetzt Voxel, die die Grundlage für die Objektdarstellung der Zähne bilden. Für die Darstellung von Objekten aus einem Volumendatensatz müssen diese zunächst definiert werden. Diesen Vorgang nennt man Segmentation. Hierdurch werden Voxelmengen erzeugt, die die Objekte räumlich repräsentieren, das heißt den einzelnen Voxeln wird eine Objektzugehörigkeit zugeordnet. Der einfachste Fall ist die Schwellenwertsegmentation (Abbildung 3.1). Entscheidend sind dafür die unterschiedlichen Helligkeitswerte der Datenvolumina, die durch Festlegung eines Schwellenwertbereiches (Threshold) zur Zuteilung der Voxel zu einer entsprechenden Struktur und Markierung führen. 23 Abbildung 3.1: VOXEL-MAN-Oberfläche für die Segmentation, Darstellung des Beginns der Segmentation mit der Suche nach einem optimalen Schwellenwert für das Dentin In der Regel reicht die Schwellenwertsegmentation nicht aus, um eine Struktur zu isolieren, so dass, wie auch in diesem Fall, weitere Verfahren zur Anwendung kommen: • Komponentenanalyse (connected components analysis): zeigt alle nicht verbundenen Voxelmengen auf. Sie eignet sich zur Auswahl der gewünschten Strukturen. • morphologische Operationen: Mit Hilfe von Erosion und Dilation lassen sich Voxelmengen in den Randbereichen um einen bestimmten Wert schrumpfen oder erweitern (Abbildung 3.2). Diese Funktionen sind gut geeignet, um Bereiche, die über kleine Brücken zusammenhängen, zu trennen oder auch um kleine Lücken zwischen verschiedenen Regionen zu schließen. 24 • Logische Operationen: Anwendung von Verknüpfungen wie and, or, xor, not. Durch diese algebraischen Methoden lassen sich getrennte Voxelmengen zusammenfassen oder bereits segmentierte Strukturen aus der zu bearbeitenden entfernen. a) Schwellenwert Dentin b) nach Erosion c) nach Dilation Abbildung 3.2: Detailansicht der Segmentationsmaske, Übergang Schmelz/Dentin. a) Der äußere Bereich vom Schmelz (weiß) besitzt die gleichen Grauwerte wie der Dentinbereich (rot) und geht in diesen nahtlos über. Durch die Anwendung von b) Erosion und Komponentenanalyse mit anschließender c) Dilation kann der äußere Schmelzbereich vom Dentin getrennt werden. Rot = markierter Bereich für zu definierendes Objekt (sogenannte Maske), grün = Schwellenwertbereich. Alle aufgeführten Anwendungen haben Auswirkungen auf das gesamte Modell, nicht nur auf eine Einzelschicht. In einigen Fällen ist die Segmentation auch nach Anwendung der aufgeführten Operationen noch nicht zufriedenstellend, so dass die Voxelmenge manuell mit Hilfe der im Editor 25 vorhandenen Paint-Funktion Voxel für Voxel bearbeitet werden kann, was den Zeitaufwand erheblich erhöht und daher erst zum Schluss für letzte kleine Ungenauigkeiten benutzt wird. Nach zufriedenstellender Segmentation wird die Voxelmenge als Objektvolumen gespeichert. Über ein zusätzlich gespeichertes Attributvolumen werden die Objekte mit einer anatomischen Wissensbasis (knowledge base) verknüpft, durch die Relationen, Farben und Eigenschaften definiert werden können. Dadurch können auch im Nachhinein noch kleine Änderungen am Objekt vorgenommen werden. 3.3 Präparation mit oberflächenbasierten Visualisierungsprogrammen Die Präparation von Teilkronen erfordert ein sehr genaues Vorgehen. Um die Masterpräparationen möglichst exakt den festgelegten Richtlinien entsprechen zu lassen, bestand die Idee, mit Hilfe von oberflächenbasierten Modellierungsprogrammen (z.B. Blender (opensource, www.blender.org)) geometrische Formen zu schaffen, die die vorgegebenen Werte wie Konizität, Abschrägung, Isthmusbreite etc. in ihren Oberflächen wiederspiegeln sollten. Anschließend soll die erzeugte Form mit dem segmentierten und importierten Zahnmodell verknüpft und ein qualitativer und quantitativer Vergleich ermöglicht werden. Die durch das µCT entstandene, erwünschte hohe Detailgenauigkeit der Zahndarstellung erwies sich als Problem, da die Größe der Datensätze die Rechnerkapazität der Programme sehr stark verlangsamte und das Ausführen der Bool`schen Operationen unmöglich machte. Daraufhin wurde dieser Weg verlassen und die Herstellung der Mastermodelle als simulierte „Präparation“ mit Hilfe der im volumenbasierten VOXEL-MAN-System integrierten Methoden vorgenommen. 26 3.4 Präparation mit volumenbasierter Visualisierung im VOXELMAN-System Die Anfertigung von Mastermodellen über eine volumenbasierte Visualisierung erfolgte durch simulierte Bohrvorgänge. Voraussetzung dafür sind eine hohe graphische Auflösung, ein „fühlbares“ Objekt und natürlich die Möglichkeit, die Modelle zu „bearbeiten“, das heißt die Simulation von Bohr- und Schleifvorgängen anzuwenden. Für den Anwender sollten sich alle Vorgänge möglichst nach der Realität richten, in diesem Fall stand vor allem das Erreichen einer Masterpräparation im Vordergrund. 3.4.1 Darstellung der Objektoberfläche in Subvoxelgenauigkeit Die Schwellenwertsegmentation ordnet jedes Voxel einem Objekt zu. Da diese Attributvoxel jedoch in ihrer räumlichen Auflösung begrenzt sind, ist die realistische Darstellung der Oberfläche unbefriedigend, weil vor allem bei starker Vergrößerung ein „voxeliges“ Aussehen der Oberfläche entsteht. Eine detailliertere Visualisierung der Oberfläche wird über einen Ray-Casting-Algorithmus mit Subvoxel-Genauigkeit erreicht. Die Subvoxel basieren dabei auf dem Partialvolumeneffekt. Der Partialvolumeneffekt entsteht an Objektübergängen durch die begrenzte räumliche Auflösung des bildgebenden Verfahrens und spiegelt sich in einem Grauwertübergang vom Inneren eines Objektes zum Hintergrund beziehungsweise zum benachbarten Objekt wieder. Diesen Effekt nutzt man, um die Position und Neigung der Objektoberflächen genauer bestimmen zu können. Dadurch entstehen sowohl in der visuellen als auch in der haptischen Darstellung glattere und detailliertere Oberflächen (Abbildung 3.3), die auch in stark vergrößerten Ansichten eine hohe Qualität ermöglichen. Dieses ist für die Arbeit mit kleinen Werkzeugen nötig, auch wenn die Rechenzeit relativ hoch ist [TIEDE ET AL. 1998]. 27 Abbildung 3.3: Darstellung mit a) klassischem und b) Subvoxel-Raycasting. Der Effekt des Einführens der Subvoxel ist deutlich erkennbar (aus TIEDE ET AL.1998) 3.4.2 Haptische Simulation Die realistische haptische Simulation von Werkzeuginteraktionen erfolgt über ein angebundenes Kraftrückkopplungsgerät (für diese Studie wurde das „Phantom Omni“ von SensAble Technologies Inc. verwendet (Abbildung 3.4)) und über ein virtuelles Werkzeug, das mit dem Omni gsteuert beziehungsweise bewegt wird. Abbildung 3.4: Kraftrückkopplungsgerät „Phantom omni“ (aus www. sensable.com) Bei der Bewegung kommt es ständig zu einer Kollisionserkennung zwischen Werkzeug und Objekt. Für die Kollisionserkennung werden die Richtung und Größe einer Widerstandskraft berechnet, die bei Überschneidung der Oberflächen von Werkzeug und Objekt auftritt und 28 eingesetzt wird, um dem Probanden das Gefühl zu geben, auf eine Oberfläche zu treffen und diese nicht durchdringen zu können. Dem Werkzeug liegt dabei ein Multi-Point-Algorithmus zugrunde, um die oben aufgeführte subvoxelgenaue Darstellung auch für das haptische Rendering zu ermöglichen. Kommt es zur Kollision, so werden alle Oberflächenpunkte des Werkzeuges geprüft, egal ob sie sich innerhalb oder außerhalb des Objektes befinden. Für jeden Oberflächenpunkt, der sich innerhalb des Objektes befindet, wird ein Vektor bestimmt, der von dort bis zur Oberfläche des Objektes verläuft. Aus dem Mittelwert aller Vektoren ergibt sich die kollisionsfreie Position des Werkzeuges auf der Oberfläche (Abbildung 3.5). Abbildung 3.5: Berechnung der Kräfte während der Kollision. Die resultierende Kraftrichtung Ssum wird berechnet durch die Addition der drei Vektoren S1, S2, und S3 (aus PETERSIK ET AL. 2003) Gleichzeitig wird die letzte kollisionsfreie Position des Werkzeuges an der Oberfläche des Objektes als sogenannter Proxy gespeichert, um aus dieser und der aktuellen Position im Objekt eine Rückstellkraft zu berechnen, wenn sich alle Oberflächenpunkte des Werkzeuges innerhalb des Objektes befinden [PETERSIK ET AL. 2003]. 29 Auch während des Bohrvorganges müssen realistische Kräfte dargestellt werden, deren Berechnung die Bohrgeschwindigkeit, die Menge des Materialabtrages und den Ort des entfernten Materials mit der Bewegungsrichtung des Werkzeuges mit einbezieht. Zeitgleich zur Bohrkraft werden Vibrationen erzeugt, um das Bohrgefühl noch realistischer zu gestalten [PETERSIK ET AL.2002]. 3.4.3 Simulation des Materialabtrages Bisher wurde nur die haptische Erforschung eines Objektes beschrieben. Mit Hilfe des Kraftrückkopplungsgerätes ist es aber auch möglich, das Objekt interaktiv zu verändern. Dabei wird bei jedem Bohrvorgang die geometrische Darstellung des Werkzeuges in ein zweites Grauwertvolumen überführt, welches aber auch in Subvoxelgenauigkeit generiert wird. Über eine spezielle Filtertechnik wird der Partialvolumeneffekt simuliert. Dadurch können bei Überlagerung der Volumina von Werkzeug und Objekt die Schnittkanten exakt dargestellt werden. Die Schnittmenge von Werkzeug und Objekt wird bei der Visualisierung nicht dargestellt, so dass der Eindruck eines weggebohrten Teils entsteht (Abbildung 3.6). Abbildung 3.6: simulierter Materialabtrag, a) Darstellung einer Objektoberfläche in Pixeldarstellung. Die verschiedenen Grauschatten sind dem Partialvolumeneffekt zuzuschreiben, entstanden durch Visualisierungswerkzeuge, b) Voxelisierung des Werkzeuges. Durch eine Filtertechnik wird der Partialvolumeneffekt simuliert. Der gestrichelte Kreis stellt die Funktion des Filters dar, c) die resultierende ausgeschnittene Oberfläche (aus PFLESSER ET AL. 2002) 30 Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass die Kanten am Übergang von Objektoberfläche zum ausgeschnittenen Teil bei der Darstellung im standardisierten Voxel-Modell scharfkantig bleiben und nicht abgerundet werden (Abbildung 3.7) [PFLESSER ET AL. 2002]. Abbildung 3.7: Darstellung der scharfen Kanten an der Objektoberfläche beim Knochenabtrag am Modell eines Felsenbeins Innerhalb des Objektes ist dies nicht möglich, so dass auch beim Bohren mit rechtwinkligen Instrumenten abgerundete Kanten entstehen, was sich für das Bohren eines Zahnmodells aber als Vorteil erweist, da dadurch automatisch „Spannungsspitzen“ im virtuellen Zahn vermieden werden können. Als Werkzeuge werden Kugeln und Zylinder benutzt, deren Größen sich einstellen lassen, was sich allerdings bei großen Formen auf die Rechenzeit niederschlägt, da dann auch ein größeres Volumen neu berechnet werden muss. 31 3.4.4 Integration in das VOXEL-MAN-System Die beschriebenen Methoden sind in das VOXEL-MAN-System integriert, mit dem eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Verfügung steht. Der Simulationstrainer beinhaltet außer dem Computer, dem Bildschirm, der Tastatur und der Maus einen Spiegel, das Kraftrückkopplungsgerät („Omni“) und ein Fußpedal (Abbildung 3.8). Gearbeitet wird über die Spiegelansicht, während die Bewegung des Omnis mit der Hand im virtuellen Arbeitsraum als Bewegung des Werkzeuges sichtbar wird. Um mit dem Omni arbeiten zu können, muss der Zahn beziehungsweise der Arbeitsraum skaliert werden, so dass die Präparation sozusagen unter Mikroskopbedingungen erfolgt. Gebohrt werden kann in zwei Ansichten, in denen der Zahn beliebig gedreht werden kann. Zur besseren Übersicht gibt es zusätzlich drei Fenster mit CT-Schnitten in den drei räumlichen Ebenen, in denen das abgetragene Volumen dargestellt wird. Über eine Undo-Funktion können einzelne Schritte gelöscht und wiederholt werden. Eine weitere Verbesserung der räumlichen Darstellung wird durch das Einsetzen von Stereoskopie und Shutterbrillen erreicht. Abbildung 3.8: Simulationstrainer. Das Bild erscheint auf einem Spiegel, so dass sich die Arbeitsposition des Probanden der Wirklichkeit annähert (aus VOXEL-MAN TEMPOSURG USER MANUAL 2006). 32 3.5 Messfunktionen Zur Überprüfung der Präparationen hinsichtlich der vorgegebenen Werte bezüglich Konizität, Abtragungsstärke, Isthmusbreite etc., müssen Strecken und Winkel gemessen werden. Innerhalb des VOXEL-MAN-Systems gibt es die Möglichkeit, durch das Setzen zweier Punkte Abstände zu messen. Dies ist sowohl dreidimensional in den Bohransichten als auch zweidimensional auf den CT-Schichten mit dem angezeigten entfernten Volumen möglich. Winkel werden im Bildverarbeitungsprogramm ImageJ anhand der CT-Schichten gemessen. 33 4 Ergebnisse 4.1 Modellerstellung Aus den Datensätzen der vorliegenden Zähne 16, 15, 14, 24, 25, 26, 27, 36, 35, 34, 44, 45 und 47 können nach Verkleinerung und Ausrichtung und anschließender Verwendung des Visualisierungsprogramms VOXEL-MAN für jeden Zahn die erforderlichen Strukturen erfolgreich segmentiert und als einzelne Objekte definiert werden (Abbildung 4.1, Abbildung 4.5, Abbildung 4.6). Die unterschiedlichen Dichtewerte des Zahnes werden im CT-Bild als unterschiedliche Grauwerte dargestellt und ermöglichen über die Einstellung von entsprechenden Schwellwerten eine grobe Unterteilung in „enamel“, „dentine“ und „pulp“. Das Besondere an der Segmentation des Zahnes im Vergleich zur Darstellung von anderen Objekten wie Organe, Arterien oder Nerven liegt in dem direkten Aneinandergrenzen der darzustellenden Objekte. Dafür wird ein Segmentationsschema entwickelt, dass im Folgenden dargestellt werden soll. 4.1.1 Schmelz und Dentin Bei der Einstellung des Schwellenwertes für das Objekt „enamel“ zeigt sich, dass der äußere Schmelzbereich die gleichen Grauwerte wie das Dentin besitzt und daher dem Dentin zugeordnet werden würde. Dentin und Schmelzhülle müssen voneinander getrennt werden. Dafür wird zuerst der gemeinsame Schwellenwertbereich von Schmelz und Dentin optimal eingestellt und in der Zwischenablage (buffer) gespeichert. Anschließend wird der Schwellenwertbereich für das Dentin bestimmt, der auch den äußeren Bereich des Schmelzes beinhaltet. Zur Trennung von Dentin und äußerem Schmelzbereich werden jetzt die morphologischen Operationen herangezogen. Die vorliegende Maske wird zunächst erodiert. Der Betrag, um den erodiert wird, hängt ab von der Dicke der Verbindung zwischen Schmelzhülle und Dentin. Wird zu wenig erodiert, entsteht am Übergang von Dentin zu 34 Schmelz ein Dentinwulst. Bei zu starker Erosion besteht die Gefahr, dass zu viele Voxel, die eigentlich dem Dentin zugeordnet werden müssten, nicht berücksichtigt werden. Der Betrag, um den erodiert wird, liegt daher für die meisten Fälle um den Faktor 3. Ein Restwulst lässt sich in einigen Fällen nicht vermeiden. Nach Auswahl des Dentinbereiches über die Komponentenanalyse wird die Maske um den gleichen Betrag, um den erodiert wurde, dilatiert. Dentin und Schmelzhülle sind nun nicht mehr verbunden und das Ergebnis wird in der Zwischenablage gespeichert. Damit bei der Festlegung der Maske für den Bereich Schmelz alle dazugehörigen Voxel erfasst werden, wird der gesamte Schwellenwertbereich eingestellt. In der Zwischenablage wird der Schwellenwertbereich von Dentin und Schmelz mit dem geschrumpften und erweiterten Dentin über die XOR-Funktion verknüpft. Nach Komponentenanalyse ergibt sich eine Maske, die Schmelz und die Schmelzhülle beinhaltet und anschließend als Objekt „enamel“ (Abbildung 4.2) definiert wird. Für die Darstellung des Dentins wird der schon definierte Schmelz vom gemeinsamen Schwellenwert für Dentin und Schmelz subtrahiert, so dass nur noch der Bereich, der das Dentin darstellt, übrigbleibt. Nach erneuter Komponentenanalyse kann nun auch das Objekt „dentine“ (Abbildung 4.3) definiert werden. Bei der getrennten Darstellung beider Objekte zeigt sich, dass sich trotz Erosion und Dilation an den Übergängen von Schmelz und Dentin einzelne Voxel oder Voxelgruppen befinden, die jeweils in das andere Objekt strangartig hineinragen. Diese Unsauberkeiten beruhen auf der schichtweisen Aufnahmetechnik und werden einzeln über die Komponentenanalyse oder die Paint-Funktion den entsprechenden Objekten zugeordnet. 4.1.2 Pulpa Für die Darstellung der Pulpa wird ein Schwellenwertbereich eingestellt, dessen obere Grenze dem unteren Intensitätswert des Dentins entspricht, um einen direkten Kontakt der darzustellenden Strukturen zu ermöglichen. Die Pulpa besitzt die gleichen Grauwerte wie der Hintergrund des Zahnes. Durch das Foramen apicale ist sie mit dem Hintergrund verbunden, was bei der Schwellenwertbestimmung zu einem 35 großen, alles bedeckenden Objekt führt. Die Trennung der Pulpa von der Außenumgebung erfolgt manuell Schicht für Schicht über die Paint-Funktion, bei einigen Zähnen auch durch eine Cut-Funktion (Abbildung 4.4). Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass am Übergang von Pulpa und Dentin einzelne Voxel trotz angrenzender Schwellenwertbereiche nicht definiert sind. Dies ist Folge der Anwendung der morphologischen Operationen. Um diese fehlenden Stellen zu definieren, wird zunächst der gesamte Schwellenwertbereich eingestellt. Anschließend wird die Pulpa so weit dilatiert, dass alle Voxel in den Grenzbereichen in der Maske erfasst werden. Das Ergebnis wird in der Zwischenablage gespeichert. Im nächsten Schritt wird das Dentin ebenfalls in der Zwischenablage gespeichert und über die NOT-Funktion aus der Maske entfernt. Diese Maske wird nun mit der nichtdilatierten Pulpa über die XOR-Funktion verknüpft und wiederum gespeichert. Nach Addition mit der erweiterten Pulpa stellen sich in der Maske jetzt die bisher nicht definierten Voxel dar und können dem Objekt Dentin zugeteilt werden. 4.1.3 Besondere Strukturen Radiologische Aufhellungen im Bereich von Schmelz und Dentin, die Zeichen einer Demineralisation der Strukturen und damit einer beginnenden kariösen Läsion sind und klinisch nicht zu erkennen sind, werden den jeweiligen Objekten Schmelz und Dentin zugeordnet, da sie für die Zielsetzung keine Rolle spielen. Ebenso wird mit Verschattungen im Bereich der Pulpa verfahren, die Zeichen einer Verkalkung sind und im klinischen Sprachgebrauch „Dentikel“ genannt werden. Diese werden zur Vereinfachung weitestgehend der Pulpa zugeordnet, da auch sie nicht aufgabenrelevant sind. Alle diese Anomalien sind aber auf den radiologischen Schichten noch erkennbar. Einige Modelle weisen im Schmelzbereich an der Oberfläche stufenförmige Veränderungen auf. Dieses Phänomen beruht auf dem Vorschub des Röntgentisches bei der Aufnahme. 36 Abbildung 4.1: Zahn 14, dargestellt mit Hilfe von volumenbasierten Visualisierungstechniken 37 a) b) Abbildung 4.2: Objekt „enamel“, a) Ansicht von außen, an den äußeren Abhängen erkennbare helle Ringe entstehen durch die CT-Technik. b) Ansicht von innen, Schmelz-Dentin-Grenze, die konzentrischen Kreise sind ebenfalls durch das Aufnahmeverfahren bedingte Artefakte 38 Abbildung 4.3: Objekt „dentine“, am Zahnhals gut erkennbar ist der Randwulst, der bei der Segmentation durch die Trennung von Dentin und Schmelzhülle entsteht. 39 Abbildung 4.4: Objekt „pulp“, auch feinste Seitenkanälchen stellen sich dar. 40 a) b) d) e) c) f) Abbildung 4.5: Segmentierte Oberkieferzähne: a) Zahn 15, abgeknickte Wurzelspitze, gut erkennbar sind die Konkremente im unteren Wurzeldrittel, b) Zahn 16, abradierte Kaufläche, c) Zahn 24, d) Zahn 25, Einziehung im mesiooralen Kronenbereich, e) Zahn 26, viele Konkremente, auch an der Trifurkation, Artefakte im Kronenbereich, f) Zahn 27, aufgrund der Wurzel- und Kronenform vermutlich eher ein Weisheitszahn, aus Mangel an Material aber als zweiter Molar definiert. 41 a) d) b) c) e) f) Abbildung 4.6: Segmentierte Unterkieferzähne: a) Zahn 34, b) Zahn 35, c) Zahn 36, Zahnhalsdefekt, ohne abgeschlossenes Wurzelwachstum, daher wurde die Wurzelspitze bei der Segmentation der Pulpa zur Vereinfachung abgeschnitten d) Zahn 44, e) Zahn 45, an der Wurzelspitze ist die Pulpa gerade eben zu erkennen, f) Zahn 47. 42 4.2 Masterpräparationen Mit den in Abschnitt 3.4 beschriebenen Methoden werden die mit Hilfe der Segmentation erzeugten Zahnmodelle verändert, um eine Lernvorlage für die simulierte Teilkronenpräparation zu schaffen. Als „Bohrwerkzeug“ dient ein zylinderförmiges Objekt, das wie auch in der Realität in verschiedenen Durchmessern vorliegt, wobei festgestellt wird, dass auch die entsprechenden Größen im virtuellen Raum gut anwendbar sind, so dass mit Durchmessern von 0,8-1,5 mm gebohrt wird. Diese einzige Werkzeugform reicht für diese Arbeit aus, da die Zahnmodelle einzeln und freistehend angeordnet sind und der Bohrer durch die Drehmöglichkeit des Modells aus allen Richtungen angesetzt werden kann. Im Verlauf der Studie werden die verschiedenen Parameter, die das haptische Abtasten und das Bohrgefühl beeinflussen, wie zum Beispiel die Härte des abzutragenden Materials oder die Schärfe, die Effektivität und die Umdrehungszahl des Bohrers einem realistischen Bohrgefühl am Zahn angenähert. Ein haptischer Härteunterschied von Schmelz und Dentin ist nicht einstellbar, ist für diese Präparationsart allerdings auch nicht relevant. Durch die hohe Empfindlichkeit des Kraftrückkopplungsgerätes schon auf kleinste Bewegungen und die fehlende Abstützmöglichkeit beim Bohren sowie die Form und Funktionsweise des Werkzeuges entstehen Unebenheiten und Stufen auf den Präparationsflächen, die aber aufgrund der starken Vergrößerung des Zahnes in dieser virtuellen Ansicht keine Relevanz besitzen und bei einer Verkleinerung des Zahnes auf eine realistische Größe nicht mehr zu erkennen sind. Von jedem einzelnen vorliegenden Zahnmodell wird durch simuliertes Bohren ein Datensatz erzeugt, der einen für die Aufnahme einer Teilkrone präparierten Zahnstumpf simuliert (Abbildung 4.7, Abbildung 4.8, Abbildung 4.10-4.21). Die Reihenfolge der Präparationsschritte ist dabei für alle Zähne gleich und orientiert sich an der realen Situation. 43 Zur besseren Orientierung wird zunächst der Isthmus präpariert, was aber dazu führt, dass der Bohrer dort später ein zweites Mal angesetzt wird, um die endgültige Tiefe festzulegen (Abbildung 4.9 a)). Im nächsten Schritt werden die inneren Abhänge der Stütz- und der Scherhöcker abgetragen (Abbildung 4.9 b) und c)). Anschließend erfolgt der Materialabtrag an den äußeren Abhängen der Höcker, der sich auf der Seite der Stützhöcker in Form einer leichten Abschrägung darstellt (Abbildung 4.9 d) und e)). Da es sich hier nicht um eine Präparation im Kontext einer gesamten Gebisssituation handelt, kann auf die Ästhetik im Sinne eines kaum sichtbaren Präparationsrandes im sichtbaren Bereich nur andeutungsweise eingegangen werden. Wie auch in der Realität wird ein Kompromiss zwischen Ästhetik und Randschluss, bedingt durch Steilheit und Breite der Abschrägung, eingegangen. Der Isthmus wird nun auf seine endgültige Tiefe gebracht. Als nächstes erfolgt das Anlegen der approximalen Kästen (Abbildung 4.9 f)). Normalerweise wird die Ausdehnung vom Kontakt zum Nachbarzahn vorgegeben, der virtuell aber nicht vorliegt. Daher erfolgt eine Kastenpräparation nach Augenmaß unter Berücksichtigung der vorgegebenen Werte. An den tragenden Höckern wird im Bereich des anatomischen Äquators eine Stufe angelegt, die approximal in die Kästen übergeht (Abbildung 4.9 g)). Zum Schluss werden die approximalen Kästen und die Stufe an den tragenden Höckern abgeschrägt (Abbildung 4.9 h)). Es zeigt sich, dass das Abtragen von kleinen Stellen schwieriger und mit mehr Ungenauigkeiten verbunden ist als die Präparation eines größeren Bereiches. Daher erfolgt die Präparation der Stufenabschrägung in stärkerer Vergrößerung vorsichtig mit einem sehr kleinen Zylinder. Abschließend soll eine Glättung der Kanten erfolgen. Alle Versuche in dieser Richtung führen mit den vorhandenen Mitteln aber zu unschönen Unebenheiten, so dass auf eine Glättung in der fertigen Darstellung als Masterpräparation verzichtet wird. Die Anfertigung der Präparationen für die unterschiedlichen Zahntypen zeigt keine größeren Unterschiede. Der Zeitaufwand nimmt mit der Größe des Zahnes zu, da mehr Material abgetragen muss. 44 a) b) Abbildung 4.7: Modell des Zahnes 14 vor der Präparation, a) Ansicht von okklusal, in der auch gebohrt wird, b) Ansicht von mesial a) b) Abbildung 4.8: Modell des Zahnes 14, fertig präpariert für die Aufnahme einer Teilkrone, a) Ansicht von okklusal, b) Ansicht von mesial 45 a) b) c) d) Abbildung 4.9 a)-d): Modell des Zahnes 14: zunächst wird a) ein Isthmus gesetzt, anschließend b) und c) Präparation der inneren und d)äußeren Abhänge der Höcker 46 e) f) g) h) Abbildung 4.9 e)-h): Modell des Zahnes 14: nach e) Präparation beider äußeren Höckerabhänge werden f) die approximalen Kästen und g) die Stufe am tragenden Höcker angelegt, bevor anschließend h) alle horizontalen Flächen abgeschrägt werden. 47 a) b) Abbildung 4.10: Fertige Präparation für einen Molaren, hier Zahn 16. Die Objekte „enamel“ und „dentine“ stellen sich nur visuell, nicht haptisch unterschiedlich dar, a) Ansicht von okklusal, b) Ansicht von disto-bukkal 48 a) b) Abbildung 4.11: Referenzpräparation für den Zahn 15, Ansicht von a) okklusal und b) disto-oral a) b) Abbildung 4.12: Referenzpräparation für den Zahn 24, Ansicht von a) okklusal und b) mesial b) a) Abbildung 4.13: Referenzpräparation für den Zahn 25, Ansicht von a) okklusal und b) mesial, es bestehen keine wesentlichen Unterschiede in den Präparationsformen für die Oberkieferprämolaren. 49 a) b) Abbildung 4.14: Referenzpräparation für den Zahn 26, Ansicht von a) okklusal und b) mesio-oral a) b) Abbildung 4.15: Referenzpräparation für den Zahn 27, Ansicht von a) okklusal und b) mesial 50 a) b) Abbildung 4.16: Referenzpräparation für den Zahn 34, Ansicht von a) okklusal und b) mesial, an allen unteren Prämolaren ist aufgrund der Kronenflucht keine Retentionsform zu erzielen (siehe auch unten) a) b) Abbildung 4.17: Referenzpräparation für den Zahn 35, Ansicht von a) okklusal und b) mesial a) b) Abbildung 4.18: Referenzpräparation für den Zahn 36, Ansicht von a) okklusal und b) distal 51 a) b) Abbildung 4.19: Referenzpräparation für den Zahn 44, Ansicht von a) okklusal und b) disto-vestibulär a) b) Abbildung 4.20: Referenzpräparation für den Zahn 45, Ansicht von a) okklusal und b) distal a) b) Abbildung 4.21: Referenzpräparation für den Zahn 47, Ansicht von a) okklusal und b) disto-vestibulär 52 4.3 Auswertung/Vermessen der Präparation Grundlage für die Präparation von Teilkronen bilden die in Abschnitt 2 aufgezeigten Kriterien, wobei die Zielsetzung in einer möglichst dichten Annäherung an die Werte liegt. Um dies zu erreichen, werden im Laufe der Präparation in bestimmten Abständen mit Hilfe der in Abschnitt 3.5 beschriebenen Methoden die entsprechenden Parameter überprüft. Dabei werden stichprobenartig auf einzelnen Schichtbildern, in denen die entfernte Substanz markiert ist, die entsprechenden Stellen vermessen. Durch diese Hilfsmittel wird die erzeugte Präparation den Literaturwerten angenähert und so zur Masterpräparation. Parallel zum Bohren wird auf den Schnittbildern deutlich, dass ein Konflikt zwischen den Kriterien „ausreichender Abstand zur Pulpa“ und „genügend entfernte Substanzmenge“ vor allem an den Übergängen der Wände zum Boden im Bereich der Pulpenhörner besteht (Abbildung 4.22). Da der Schutz der Pulpa das wichtigste Kriterium überhaupt ist, wird an den entsprechenden Stellen auf einen ausreichenden Materialabtrag im Isthmus verzichtet. a) b) Abbildung 4.22: Schnittbild in mesio-distaler Richtung, Zahn 16, a) der Abstand zwischen Pulpa und Boden der Präparation entspricht dem Mindestwert, b) die Tiefe des Isthmus müsste 2 mm betragen, rot = Pulpa, grün = abgetragene Substanz 53 Dasselbe Problem ergibt sich wie auch in der Realität bei tiefen Fissuren (Abbildung 4.23), wo die in der Literatur angegebenen Werte nicht durchgängig eingehalten werden können. a) b) Abbildung 4.23: Masterpräparation für den Zahn 36. a) fertige Präparation, Ansicht von vestibulär. „Schmutzfleck“ (roter Kreis) zwischen mesiobukkalem und distobukkalem Höcker zeigt den Boden einer Fissur, der beim Bohren nicht erfasst wurde, b) Schnittbild in vestibulo-oraler Richtung. Auch an den inneren Abhängen wird der Boden der Fissur nicht immer erreicht. rot = Pulpa, grün = abgetragene Substanz 54 Im Unterschied zum realen Leben handelt es sich vor allem bei den Prämolaren, die den erzeugten Computermodellen zugrunde liegen, meist um jugendliche Zähne mit ausgeprägten Pulpenhörnern und tiefen Fissuren, die vermutlich aus kieferorthopädischen Gründen gezogen wurden. Da auf jugendlichen Zähnen selten Teilkronen angefertigt werden, entsteht bei einigen hier verwendeten Vorlagen teilweise ein anderer Eindruck in Bezug auf die Relationen von Schmelz, Dentin und Pulpa als sie im realen Praxisalltag meist vorliegen (Abbildung 4.24). a) b) c) Abbildung 4.24: Zahn 35. a) jugendlicher Prämolar mit starker Kronenflucht. b) Präparation nach Kriterien, praktisch aber unbrauchbar, da kaum Retention. Eine Vollkrone wäre hier sinnvoller. c) Schichtbild. Das Pulpencavum ist bei jugendlichen Zähnen sehr ausgeprägt, was ebenso ein Grund für die Kontraindikation einer Teilkrone ist. 55 Weiterhin fällt auf den Schnittbildern auf, dass der Materialabtrag am Übergang der äußeren Abhänge der Stützhöcker zu der Wand der Stufe meistens zu gering ist (Abbildung 4.25). In der Realität ist dieses Problem häufig Ursache für zu bauchig gestaltete Kronen. Durch die Kontrolle des markierten Materialabtrages in den CT-Schichten kann dieses vermieden werden. Abbildung 4.25: Zahn 35, Schnitt in mesio-distaler Richtung, am Übergang vom äußeren Abhang des tragenden Höckers zur Stufenwand wurde zu wenig Substanz abgetragen. Hier wäre ein Abrunden der Kante erforderlich gewesen. 56 5 Anwendungen Mit den Masterpräparationen wurden Modelle geschaffen, die dem Lernenden über die Kraftrückkopplung eine interaktive Erforschung des Prinzips von Teilkronenpräparationen sowie mit der simulierten Präparation eine Übung für eine spätere klinische Anwendung am Patienten bieten sollen. Den Rahmen dafür bietet eine in die VOXEL-MAN-Umgebung integrierte Benutzeroberfläche. 5.1 Die Masterpräparationen in VOXEL-MAN DentalSurg VOXEL-MAN DentalSurg bildet die Grundlage für die Anwendung der simulierten Teilkronenpräparation. Das System basiert auf einem Simulator für die Felsenbeinchirurgie aus dem Bereich der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde [PETERSIK ET AL. 2002, LEUWER ET AL. 2002]. Der Proband gelangt nach Auswahl des gewünschten Zahnes (Abbildung 5.1) auf eine Oberfläche, wo er je nach gewähltem Schwierigkeitsgrad entsprechend viele Informationen über den Zahn und die zu erreichende Präparation erhalten kann (Abbildung 5.2). Im Operationsfenster erfolgt das haptische Erforschen des Zahnes und die Präparation, während in einem Übersichtsfenster die Masterpräparation erscheint, mit der der Lernende seine eigenen Bemühungen überprüfen kann. Dieses ist auch über die µCT-Schichtbilder möglich, auf denen zweidimensional die Pulpa, die Präparationsgrenzen der Masterpräparation und die vom Probanden bereits entfernte Substanz eingefärbt sind. Das Zahnmodell kann frei im Raum bewegt und gedreht und damit auch aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet und bearbeitet werden. Über das Drill-Menü können die Form, die Größe und die „Schärfe“ des Werkzeuges eingestellt werden. Für ein exaktes Nachpräparieren können die Präparationsgrenzen der Masterpräparation nicht nur farbig dargestellt, sondern auch als „critical object“ markiert werden, so dass bei Verletzung der Präparation ein Signal ertönt. Über die Masterpräparation hinaus kann in den Übungsmodi nicht gebohrt werden. 57 Mit Hilfe der Undo-Funktion können die letzten Schritte gelöscht und wiederholt werden. Im Replay-Modus wird der ganze bisherige Präparationsvorgang als Film dargestellt. Dieser kann jederzeit für gewünschte Korrekturen unterbrochen werden. Für eine realitätsnahe Arbeitsweise sorgen die stereoskope Darstellung mit Hilfe der Shutterbrillen, das Kraftrückkopplungsgerät als „Mikromotor“ in der Hand und das Fußpedal, über das Größe, Typ und Drehzahl des Bohrers gesteuert werden können. Abbildung 5.1: Startfenster von VOXEL-MAN DentalSurg. Vor dem Hintergrund eines echten Gebisses werden die einzelnen Zähne, für die Modelle und Masterpräparationen vorhanden sind, als anklickbare Felder aufgeführt. Das mittige Feld führt zu einem Schädel, in dem Zähne in ihrer eigentlichen Umgebung präpariert werden können. 58 Abbildung 5.2: Benutzeroberfläche von VOXEL-MAN DentalSurg, Zahn 14. Links das Befehlsmenü zur Einstellung des Schwierigkeitsgrades, der Ansicht, des Bohrers und zum Starten und Stoppen des Bohrvorganges (auch über Fußpedal möglich), in der Mitte oben das Operationsfenster mit dem zu präparierenden Zahn, darunter die Masterpräparation, rechts die µCT-Schichtbilder mit eingefärbter Pulpa und Präparationsgrenze. 59 5.2 Anwendungsmöglichkeiten von VOXEL-MAN DentalSurg in der studentischen Ausbildung Zur vorklinischen Ausbildung jedes Zahnmediziners gehört wie in Abschnitt 1 dargestellt das Üben von verschiedenen Präparationsformen an Modellen, um den Studenten auf die Behandlung am Patienten optimal vorzubereiten. VOXEL-MAN DentalSurg bietet dafür eine neue zusätzliche Ausbildungsmodalität, die die bisherige ergänzen soll. Mit Hilfe der Masterpräparationen und dem Kriterienkatalog können dem Studierenden die Prinzipien der Teilkronenpräparation deutlich gemacht werden. Der Proband kann die Masterpräparation visuell und haptisch erkunden. Interessant ist auch der Blick in das „Innere“ des Zahnes, mit dem unklare anatomische Verhältnisse betrachtet werden können, denn eine iatrogene Verletzung der Pulpa gehört zu den größten Sorgen eines Zahnmediziners. Über die orthogonalen µCT-Bilder kann außerdem der Aufbau eines Zahnes studiert und die Präparation nach den individuellen Gegebenheiten geplant werden. Ein weiteres Ziel von VOXEL-MAN DentalSurg ist die virtuelle Präparation, die Übungen in einer sauberen Umgebung ohne Materialverbrauch ermöglicht. Mit der Präparation von einzelnen Zähnen hat der Proband die Möglichkeit, die einzelnen Präparationsschritte von Grund auf zu trainieren. Erleichternd wirken die starke Vergrößerung des Zahnes, die verschiedenen Ansichten und das Fehlen einer Umgebung, womit Nachbarzähne, Gegenkiefer, Zunge, Wange u.a. gemeint sind. Dadurch kann sich der Student zunächst rein auf die erforderliche Form konzentrieren. Für ein erstes Verständnis der Präparationsform kann der Proband die Vorlage nachpräparieren oder später über die Messfunktionen selbst überprüfen, ob er die Kriterien eingehalten hat. Durch die Einstellung von verschiedenen Schwierigkeitsgraden kann auf unterschiedliche Kenntnisse des Lernenden eingegangen werden. Für das Basistraining stehen alle Ansichten und Hilfsmittel zur Verfügung. Im Examensmodus werden keine visuellen, haptischen und 60 akustischen Hilfsmittel mehr gegeben, so dass die Situation einer realen Patientenbehandlung entspricht und als Prüfung genutzt werden kann. Die Aufzeichnung der virtuellen Präparation ermöglicht jederzeit eine Korrektur oder Bewertung durch den Dozenten, wobei ebenfalls die Ergebnisse verschiedener Anwender verglichen werden können. Das Ziel von VOXEL-MAN DentalSurg ist es, Theorie und Praxis virtuell zu vereinen und damit ein Selbststudium für das Erlernen von Teilkronenpräparationen zu ermöglichen. Dieses führt zum einen zur Entlastung der Dozenten, die sich statt der reinen Vermittlung von Grundkenntnissen spezielleren Fragestellungen der Studenten widmen können. Zum anderen kann sich der Studierende unabhängig von der Betreuungssituation seinem Studium widmen. 61 6 Diskussion Die vorhergehenden Kapitel haben deutlich gemacht, dass an virtuellen volumenbasierten Zahnmodellen realistische Präparationsübungen durchgeführt werden können, mit denen sich nach bestimmten Vorgaben definierte Formen präparieren lassen. Die Masterpräparationen dienen als Hilfsmittel bei den ersten Übungsschritten und als Referenz zur Beurteilung von Ergebnissen. Eine Bewertung ist über die sichtbar gemachten Unterschiede zur Vorlage in Form der Masterpräparation jederzeit möglich und kann durch Messungen „standardisiert“ werden. Damit wurden die grundlegenden Forderungen der Aufgabenstellung erfüllt. 6.1 Beurteilung der ausgewählten Kriterien und Werte Anhand der vorhandenen Literatur wurde versucht, eine Teilkronenpräparation mit möglichst vielen Zahlenwerten zu beschreiben, um eine digitale Bewertung zu ermöglichen. Für viele Kriterien wurde dies auch erreicht. Trotzdem wird ein Anfänger nur anhand dieser ausgewählten und vorgegebenen Daten Schwierigkeiten haben, eine Präparation anzufertigen, da die Werte nur einzelne Teile der Präparationsform beschreiben. Darum sind Zeichnungen bzw. Demonstrationen und Vorlagen unerlässlich, die dem Lernenden eine Vorstellung von einer Teilkronenpräparation geben. VOXEL-MAN DentalSurg löst dieses Problem durch die Referenzpräparationen und den vorgelegten Anforderungskatalog. Gleichzeitig muss deutlich gemacht werden, dass es immer verschiedene Lösungswege gibt. So könnten auch anhand der in dieser Arbeit vorgegebenen Werte verschiedenste Formen erzeugt werden, die sich natürlich im Großen und Ganzen ähneln, trotzdem aber nicht mit der Referenzpräparation übereinstimmen müssen. Die erzeugten Referenzpräparationen beanspruchen daher nicht, die einzige Lösung darzustellen, sondern sie sollen eine Möglichkeit aufzeigen. Dieser Punkt muss bei der Beurteilung berücksichtigt werden. Die beschriebenen Vorgaben für eine optimale Teilkronenpräparation wurden zu übergeordneten Kriterien zusammengefasst. Diese werden durch alle im deutschen Raum 62 gängigen Lehrbücher unterstützt [HELLWIG ET AL. 2003], [JÜDE ET AL. 1997], [KLAIBER UND HUGO 1999], [LEHMANN UND HELLWIG 1998], [RIETHE 1985], [SHILLINGBURG 1988], [STRUB ET AL. 2003]. In der Literatur finden sich allerdings häufig verschiedene Werte für die einzelnen Kriterien. Der Einheitlichkeit halber wurden diese aus einem Lehrbuch entnommen und an die Hamburger Lehrmeinung angepasst, da eine Evaluation des Modells dort erfolgen soll. Für eine Anwendung an anderen Lehrstätten mit anderen Vorstellungen müssten die Werte entsprechend geändert und nötigenfalls auch neue Masterpräparationen angefertigt werden. Viele Studien haben gezeigt, dass Theorie und Praxis in der Zahnmedizin oft weit auseinander liegen [AL-OMARI ET AL. 2004], [ANNERSTEDT ET AL. 1996], [LEEMPOEL ET AL. 1987], [NOONAN ET AL. 1991], [NORDLANDER ET AL. 1988], [OHM ET AL. 1978], [POON ET AL. 2001], [SEYMOUR ET AL. 1996], [WEED ET AL. 1984]. Die größten Differenzen zwischen Theorie und Praxis findet man bei der Umsetzung der Vorgaben für eine optimale Konizität. Al-Omari et al. fanden an 111 von Studenten präparierten Seitenzähnen Gesamtdivergenzwinkel von 17,2-37,2° bei einem geforderten Winkel von 1020°. Generell werden Molaren konischer präpariert als Prämolaren [AL-OMARI ET AL. 2004]. Andere Studien präsentieren ähnliche Werte. Es wird ebenfalls gezeigt, dass die Konizitätswerte unter Prüfungsbedingungen bei Studenten besser ausfallen als bei Zahnärzten [ANNERSTEDT AL. ET 1996], [LEEMPOEL ET AL. 1987]. Die hohen Divergenzwinkel beruhen meistens auf der Furcht des Behandlers vor Unterschnitten oder Verletzungen der Nachbarzähne. Dadurch verringert sich die Retention der Restauration. Interessant bei der Beurteilung der Steilheit einer Retentionsfläche ist aber auch die Erkenntnis, dass zwischen einer parallelen Präparation und einer mit einem Divergenzwinkel von 10° bzw. 12° mit bloßem Auge gar nicht unterschieden werden könnte [POON ET AL. 2001], [MACK 1980]. Weitere Untersuchungen fanden zur Ausdehnung der Stufe am Stützhöcker statt, die in der Regel zu schmal präpariert wird [POON ET AL. 2001], [SEYMOUR ET AL. 1996]. Der Winkel liegt zwar meistens im vorgegebenen Bereich, allerdings muss dabei die Konizität der Höckerwand berücksichtigt werden. Bei starker Konizität muss der Winkel entsprechend größer sein, um nicht dentinunterstützte Schmelzbereiche zu vermeiden. Bei der Beurteilung der abgetragenen Substanz finden sich unterschiedliche Ergebnisse. In einer Studie tragen die Probanden okklusal eher zu viel ab, so dass die Substanzverluste im 63 Durchschnitt 2,0 mm betragen bei einer Vorgabe von 1,5 mm [AL-OMARI ET AL. andere Studie fand eher zu niedrige Werte (0,82-1,2 mm) [POON 2001]. Axial wird ET AL. 2004]. Eine tendenziell zu wenig abgetragen. Alle diese in Studien belegten Differenzen zwischen Theorie und Praxis müssen bei der Einführung eines Benotungsschemas berücksichtigt werden, um ein realistische Beurteilung durchführen zu können. Nicht berücksichtigt wurde bei der Aufstellung der Kriterien die Zeit, die für die Anfertigung der Präparation benötigt wird. Bei der Herstellung der Referenzpräparationen war die optimale Form, ganz gleich wie sie erreicht wurde, das oberste Kriterium. Für eine Anwendung im studentischen Alltag ist eine klare Zeitvorgabe aber unerlässlich, da die Behandlungszeit in der realen Patientensituation ebenfalls begrenzt ist. Die optimale Zeit, die ein Proband für die Präparation des jeweiligen Zahnes nach einer Eingewöhnungsphase in die virtuelle Realität und einem Gefühl für den Bohrer benötigen sollte, müsste in einer weiterführenden Studie validiert werden. 6.2 Modellerstellung aus den computertomographischen Datensätzen Es bestehen verschiedene Möglichkeiten für die Modellierung eines Objektes aus dem menschlichen Körper. Zum einen kann ein Modell anhand von Daten aus Messungen an anatomischen Präparaten mit Hilfe von Computer-Aided-Design-Programmen erstellt werden. Die andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Schnittbilddatensätzen. Grundlage bilden Aufnahmen mittels Magnetresonanz- oder Computertomographie. Da die Zähne von der Dichte her gesehen eher im Bereich von Knochen einzuordnen sind, scheidet das MRT für diesen Bereich aus. Mit einer µCT-Aufnahme können auch sehr kleine Teile des menschlichen Körpers hochaufgelöst dargestellt werden, so dass für die Zähne sehr aussagekräftige Datensätze generiert werden konnten. Diese sowie die daraus erzeugten Modelle könnten auch Grundlage für andere Fragestellungen und virtuelle Simulationen bilden, da die einzelnen Strukturen des Zahnes in jeder Hinsicht sehr detailliert dargestellt werden konnten. 64 Nachteil einer CT-Aufnahme ist die ungenügende Darstellung der Weichteile. Es findet sich in den Schnittsequenzen also keine Abbildung des Pulpagewebes. Hinzu kommt allerdings die in einem toten, extrahierten Zahn schnell fortschreitende Degeneration des Gewebes, die durch Aufbewahrung in einer entsprechenden Lösung vermieden werden sollte. Die Segmentation der Pulpa beruht daher auf der klinisch unterstützten Annahme, dass die Pulpa innen an das Dentin anschließt und am Apex in Verbindung mit der Umgebung des Zahnes steht. Diese Verbindung wurde der Einfachheit halber nach Augenmaß gekappt, so dass die Darstellung der Pulpa im Apexbereich nicht unbedingt der Realität entspricht. Es wurden die drei Hauptstrukturen des Zahnes segmentiert. Eine weitere Verfeinerung der Darstellung könnte mit einem transparenten Bereich im tieferen Dentin erfolgen, so dass die Pulpa vor der Eröffnung des Cavums wie auch in der Realität rötlich durchschimmert. Auch die Möglichkeit einer Nichtdarstellung der Pulpa wurde angedacht, so dass der Proband beim Anbohren der Pulpa wie am realen Zahn keinen Widerstand verspürt und sozusagen in ein Loch fällt. Da diese Überlegungen für die Referenzpräparationen keine wesentliche Rolle spielten und die Gefahr der Pulpaverletzung sich einerseits durch die haptischen Voraussetzungen andererseits durch stetige Kontrolle auf den Schnittbildern als eher gering erwies, wurden sie nicht weiter berücksichtigt. Die größte Schwierigkeit bei der Segmentation von Schmelz und Dentin stellte wie schon erwähnt das Vorhandensein eines Bereiches im äußeren Schmelz dar, der die gleichen Grauwerte wie das Dentin besitzt. Trotz Lösung des Problems werden an einigen Stellen im Zahnhalsbereich Voxel, die eigentlich zum Schmelz gehören, dem Dentin zugeordnet. Dadurch entsteht der Eindruck eines Dentinwulstes. Theoretisch wäre es möglich, manuell über die Paint-Funktion auch diese Voxel ihrer richtigen Struktur zuzuordnen. Dieses müsste allerdings schichtweise in allen drei Dimensionen erfolgen, so dass schon für einen Zahn die einzelne Bearbeitung von mehreren hundert Schichten nötig wäre. Da der nötige Aufwand in keinem Verhältnis zum Nutzen steht, wurde von dieser Korrektur Abstand genommen und ein Kompromiss geschaffen, um alle Zähne mit vertretbarem Aufwand in ausreichender Darstellung zu segmentieren. Ein entscheidender Unterschied der erzeugten Modelle zur Realität besteht darin, dass bei einem realen Patienten nur in äußerst seltenen Fällen wie zum Beispiel einer Okklusionskorrektur eine 65 Teilkrone an einem gesunden Zahn geplant werden würde. Normalerweise ist der betreffende Zahn schon länger kariös und meistens mit einer dann insuffizient gewordenen plastischen Füllung versorgt. Solche Füllungen würden in computertomographischen Aufnahmen zu Artefakten führen, die einen Großteil der Daten beeinflussen können, vor allem wenn sie überwiegend aus Metall bestehen. Daher wurden für diese Studie unversehrte Zähne verwendet. Nichtsdestotrotz haben einige Vorlagen radiologisch erkennbare kariöse Läsionen, die allerdings aufgrund der Fragestellung dieser Studie nicht berücksichtigt und segmentiert wurden. Für andere Fragestellungen können sie aber problemlos nachsegmentiert werden, da sie auf den µCT-Datensätzen nach wie vor vorhanden sind. 6.3 Referenzpräparationen und Anwendung Die Erstellung eines geometrischen Modelles mit oberflächenbasierten Modellierungsprogrammen zum Anlegen der Präparationsform ließ sich aufgrund der Datensatzgröße nicht durchführen, daher wurde die Präparation mit im VOXEL-MAN-System vorhandenen Bohrmöglichkeiten vorgenommen. Der Vorteil dabei ist, dass für die Anfertigung der Referenzpräparationen die gleichen Werkzeuge und Ansichten benutzt werden konnten, die später auch den übenden Studenten zur Verfügung stehen. Dadurch konnte sichergestellt werden, dass die vorgegebene Form auf jeden Fall mit den vorgegebenen Mitteln nachzupräparieren ist. Schwierigkeiten bereitete allerdings die eigentlich voxelgenau geforderte Umsetzung der vorgegebenen Werte. Mit vorbereiteten geometrischen Formen wäre dies vielleicht möglich gewesen. In einem Bohrvorgang ist dies aber in einem vertretbaren zeitlichen Rahmen nicht möglich. Die Möglichkeiten, Korrekturen z.B. über die Undo-Funktion vorzunehmen, sind limitiert, so dass der Bohrvorgang zwar regelmäßig gestoppt wurde, um die Vorgaben zu überprüfen und nötigenfalls Änderungen vorzunehmen. Dieses war aber nur für die letzten Bohrschritte möglich, ohne die Arbeit komplett zu wiederholen. Wünschenswert wäre ein sogenannter „inverser Bohrer“ gewesen, mit dem auch im Nachhinein kleine schlecht präparierte Stellen wieder aufgefüllt und neu bearbeitet werden könnten. 66 Die in Abschnitt 3.5 aufgezeigten und zur Überprüfung der theoretischen Vorgaben eingesetzten Messfunktionen weisen Defizite hinsichtlich einer objektiven Beurteilung auf. Trotz technischer Hilfsmittel wird im Prinzip manuell gemessen, die Anlage der Messpunkte liegt im Augenmaß des Betrachters. Durch fehlende Automatisierung der Messfunktionen konnten und können die Werte nur stichprobenartig kontrolliert werden, so dass trotz großer Sorgfalt bei der Definition der Referenzpräparationen bei einer neuerlichen Überprüfung sicherlich Stellen gefunden werden könnten, die nicht mit den Vorgaben übereinstimmen. Hinzu kommt, dass es während der Herstellung der Präparationen zu Schwierigkeiten bei der Umsetzung von Theorie in Praxis kam. Dieses tritt wie oben aufgezeigt auch in der Realität auf, fiel in diesem Fall nur wesentlich schneller auf, da die Werte schon beim Präparieren kontrolliert wurden. So wird zum Beispiel für einen optimalen Randschluss unter Berücksichtigung der Stabilität des Füllmaterial ein Abschrägungswinkel von 30-45° gefordert. Um diese Werte einzuhalten, würde an der äußeren Anschrägung der Scherhöcker so viel Material abgetragen werden, dass ästhetische Gesichtspunkte, die zur Indikation einer Teilkrone wesentlich beitragen, fast vollständig vernachlässigt werden müssten. Wie in Abschnitt 4.3 gezeigt, treten auch einzelne Kriterien an bestimmten Messpunkten in Konkurrenz zueinander. Eine automatisierte Bewertung müsste dieses berücksichtigen, die Kriterien richtig gewichten und dieses dem Probanden nicht zum Nachteil gereichen. Ebenfalls aufgezeigt wurde das Problem der Kronenflucht an den unteren Prämolaren. Hier wird deutlich, dass trotz Einhaltung der Kriterien und Werte eine untaugliche Präparation geschaffen werden kann. In der Realität wird für diese Zähne selten die Indikation einer Teilkrone gestellt. Der Vollständigkeit halber wurden sie hier mit bearbeitet, die Referenzpräparationen für diese Zähne stellen aber keine wirkliche Vorlage dar. Auch wenn in der Zukunft die Möglichkeit eines automatisierten Bewertungssystems geschaffen werden würde, die Präparationen voxelgenau überprüfen zu können, so stellen die erarbeiteten Kriterien und Werte, wie am Beispiel der Unterkiefer-Prämolaren gezeigt, keine Garantie für eine optimale Präparation dar. Dafür müssten Abhängigkeiten geschaffen und berechnet werden, mit denen ausreichend große Retentionsflächen sicher gestellt werden. Mit den bisherigen Funktionen kann die Beurteilung durch einen Dozenten daher noch nicht ersetzt werden. Durch die haptischen Kraftrückkopplungsmechanismen lässt sich ein sehr realitätsnahes Bohrgefühl vermitteln. Trotzdem bestehen noch Unterschiede zur realen Situation, die aber 67 auch von den bisherigen Kunststoffübungsmodellen nicht überwunden werden können. Das Härtegefühl des virtuellen Zahnmodells ähnelt dem realen Zahn allerdings mehr als das eines Kunststoffzahnes. Die einzelnen Strukturen Schmelz, Dentin und Pulpa können in diesem Simulator haptisch noch nicht unterschieden werden. Beim Bohren mit VOXEL-MAN DentalSurg hat der Proband anfänglich das Gefühl, den Bohrer nicht unter Kontrolle zu haben, so dass erste Bohrversuche häufig sehr kantig und ungenau aussehen. Ursache sind zum einen die Reaktion des Kraftrückkopplungsgerätes schon auf kleinste Bewegungen und die Skalierung des Zahnes. Zum anderen fehlt die sonst in der Umgebung des Zahnes vorhandene Abstützungsmöglichkeit, die mit dem freistehenden Kraftrückkopplungsgerät nicht zu gewährleisten ist. Um sinnvoll mit dem Simulator arbeiten zu können, ist daher eine gewisse Eingewöhnungszeit nötig. 6.4 Einordnung in das wissenschaftliche Umfeld Dem noch sehr entwicklungsbedürftigen Spektrum virtueller Simulatoren in der Zahnmedizin (siehe Abschnitt 1) konnte mit VOXEL-MAN DentalSurg ein neues Modell hinzugefügt werden. Andere Ansätze für die Anwendung von Simulatoren bewegen sich überwiegend im Bereich der konservierenden Zahnheilkunde, wobei der Schwerpunkt in der Erkennung kariöser Läsionen und der Füllung mit plastischen Materialien liegt [JOHNSON 2000], [NOVINT, USA], [KIM UND PARK 2006]. Zugang in den studentischen Alltag hat bisher keiner dieser Simulatoren gefunden. Mit diesem Simulator für Teilkronenpräparationen kann einerseits ein sehr komplexer Bereich der studentischen Ausbildung ausführlich dargestellt werden, andererseits werden dem Lernenden erstmals konkrete virtuelle Vorlagen für Teilkronen gegeben, die der Demonstration und Übungsvorlage dienen sollen. Die bisherigen Entwicklungen zu virtuellen Simulatoren in der Zahnmedizin arbeiten mit polygonbasierten Darstellungen der Zähne [ALPHA TEC LTD., USA], [KIM UND PARK 2006]. Mit den in dieser Arbeit angewendeten volumenbasierten Visualisierungstechniken konnten wesentlich detailliertere Zahnmodelle erzeugt werden. Erstmals konnte gezeigt werden, dass die virtuelle Zahnpräparation an einem solchen Volumenmodell möglich ist. Die Bohrvorgänge in Echtzeit 68 sind trotz großer Datenmengen möglich, da nur der Teil, der gebohrt wurde, für die Ansicht neu berechnet wird. Durch die Qualität der haptischen Simulation und der detaillierten Darstellung können auch kleinste Stücke entfernt und scharfe Präparationskanten realisiert werden. In einer weiterführenden Studie muss nun der Trainingseffekt des Modells evaluiert werden, um dieses Simulationsprogramm auf einen möglichen Einsatz in der zahnmedizinischen Ausbildung zu überprüfen. 6.5 Ausblick Der nächste logische Schritt nach der Vermittlung und Erfahrung des Prinzips von Teilkronenpräparationen ist eine Erhöhung des Schwierigkeitsgrades durch ein virtuelles Hinzufügen der natürlichen Umgebung des Einzelzahnes wie Nachbarzähne, Zahnhalteapparat, Zunge und Mundhöhle. Die hier dargestellten Zähne sind einzeln gesammelt worden und entstammen daher nicht von einem einzigen Patienten oder einer Altersgruppe. Dadurch haben sie ein sehr unterschiedliches Aussehen und eignen sich nicht dazu, zu einer Zahnreihe zusammengesetzt zu werden, um das Vorhandensein von Nachbarzähnen zu simulieren. In einer parallel zu dieser Arbeit verlaufenden Studie wurde der CT-Datensatz eines vollbezahnten Schädels mit wenigen Metallfüllungen bearbeitet und dessen Zähne für die Präparation vorbereitet [HAUPT (IN VORBEREITUNG)]. Um die eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten in der Mundhöhle zu überwinden, wurde ein Winkelbohrer konstruiert, der inzwischen auch für die Präparation der Einzelzähne eingesetzt wird. Falls das Ergebnis der Evaluation positiv ausfällt, könnte dieses virtuelle Trainingsmodell auf weitere Bereiche der Zahnmedizin ausgedehnt werden. Am einfachsten sollte sich eine Erweiterung des Präparationsspektrums realisieren lassen, aber auch eine Simulation endodontologischer Eingriffe wäre aufgrund der sehr guten virtuellen Darstellung des PulpaDentin-Systems denkbar. 69 Im Bereich der Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie wurde mit der Simulation von Wurzelspitzenresektionen bereits ein Trainingsmodell erfolgreich implementiert [STERNBERGGOSPOS ET AL. 2006]. In diesem Bereich wäre eine Erweiterung hinsichtlich einer Simulation der operativen Weisheitszahnentfernung denkbar, da diese sehr kompliziert ist und bisher nur an Tiermodellen geübt werden kann. Ein weiteres interessantes Gebiet bildet die Planung von Implantaten. Das VOXEL-MANSystem bietet die Möglichkeit, Patientendaten einzuspeisen, anhand derer bereits im Bereich der Felsenbeinchirurgie Operationen vor dem realen Eingriff virtuell simuliert werden. Der Operateur könnte sich anhand eines dreidimensionalen Kiefermodells einen Überblick über das Knochenangebot und angrenzende verletzliche Strukturen verschaffen und seinen Eingriff optimal planen. 70 7 Zusammenfassung Die Simulation von Behandlungssituationen ist ein wesentlicher Bestandteil der zahnmedizinischen Ausbildung und wird seit Jahrzehnten an plastischen Modellen durchgeführt. Durch Fortschritte im Bereich neuer Technologien besteht die Möglichkeit, Simulationsvorgänge in einer virtuellen Realität darzustellen. Es existieren bereits verschiedene Ansätze für den Bereich der Zahnmedizin, die sich allerdings noch in der Entwicklungsphase befinden und bisher keinen Einzug in den Alltag gefunden haben. In dieser Arbeit soll mit einem im VOXEL-MAN-System vorhandenen Simulator eine neue Ausbildungsmodalität für die Präparation von Teilkronen geschaffen werden. Dafür wurden von extrahierten Zähnen mikrocomputertomographisch Datensätze generiert, mit denen nach Verkleinerung und Ausrichtung mit Hilfe eines volumenbasierten Visualisierungsprogrammes dreidimensionale Modelle der einzelnen Zähne erzeugt wurden. Von jedem einzelnen vorliegenden Zahnmodell konnte durch simuliertes Bohren im Simulator ein Datensatz geschaffen werden, der einen für die Aufnahme einer Teilkrone präparierten Zahnstumpf darstellt. Die Präparation wurde nach vorher festgelegten objektiven Kriterien durchgeführt. So entstanden virtuelle Referenzpräparationen, die dem Lernenden über die Kraftrückkopplung eine interaktive Erforschung des Prinzips von Teilkronenpräparationen sowie mit der simulierten Präparation eine Übung für eine spätere klinische Anwendung am Patienten bieten. Die Referenzpräparationen dienen dabei als Hilfsmittel bei den ersten Übungsschritten und zur Beurteilung von Ergebnissen. Während der Präparation zeigte sich, dass sich die theoretischen Anforderungen nicht immer exakt in die Praxis umsetzen lassen. Die hier generierten Präparationsmodelle sollen eine mögliche Lösung darstellen. Am Beispiel der Teilkrone konnte gezeigt werden, dass mit dem hier vorgestellten System eine sehr realistische bohrende Interaktion mit Zahnmodellen möglich ist. Sobald ein Trainingseffekt dieses Simulationsprogrammes positiv evaluiert werden kann, bietet sich eine Erweiterung des virtuellen Übungsspektrums auf andere Bereiche der Zahnmedizin an. 71 8 Literaturverzeichnis AL-OMARI, W.M., AL-WAHADNI, A.M. (2004): Convergence angle, occlusal reduction, and finish line depth of full-crown preparations made by dental students. Quint Int 35, 287-293 ALPHA TEC LTD., USA: auf http://www.alphatecltd.com/dentistry/modules.html, Zugriff vom 26. 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Int J Oral Maxillofac Surg 29, 11-17 79 Danksagung An erster Stelle möchte ich meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. Dr. Max Heiland, für die Anregung und Unterstützung dieser Arbeit danken. Ich freue mich, dass er mir die Möglichkeit gegeben hat, dieses innovative Forschungsgebiet zwischen Zahnmedizin und Informatik kennen zu lernen. Den Mitarbeitern der Arbeitsgruppe VOXEL-MAN, Dr. Ulf Tiede, Dr. Andreas Petersik, Bernhard Pflesser und Dr. Andreas Pommert, danke ich für die Einführung in die VOXELMAN-Programme und die intensive Betreuung meiner Dissertation seitens der Medizininformatik. Sie hatten jederzeit ein offenes Ohr für Fragen und Anmerkungen, so dass Probleme schnell gelöst werden konnten. Ebenfalls danke ich Herrn Prof. Dr. Karl Heinz Höhne für viele kleine Anregungen. Mit der Hilfe von Tobias Kummer aus der Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie (Direktor: Univ.-Prof. Dr. M. Amling) ist die Digitalisierung der Zähne im Mikrocomputertomographen zustande gekommen, wofür ich ihm sehr danke. Dr. Süleyman Selçuk aus der Poliklinik für Zahnerhaltung und Präventive Zahnheilkunde hat das Projekt bei der Beurteilung der Teilkronenpräparationen unterstützt. Nicht zuletzt danke ich meiner ehemaligen Kommilitonin Marina Haupt, die zur selben Zeit an einem parallelen Projekt gearbeitet hat, für viele gemeinsame Stunden an den Computern. Meinen Eltern möchte ich dafür danken, dass sie mir das Studium der Zahnmedizin ermöglicht und mich mit viel Verständnis unterstützt haben. 80 Lebenslauf Name: Julia Ulrike Breckwoldt Geburtsdatum/-ort: 10. März 1981 in Hamburg Staatsangehörigkeit: deutsch Schule: 08/1987 - 07/1991 Grundschule Klein Flottbeker Weg, Hamburg 08/1991 - 06/2000 Gymnasium Othmarschen, Hamburg 23.06.2000 Allgemeine Hochschulreife Studium: 10/2000 - 06/2006 Studium der Zahnheilkunde an der Universität Hamburg 10/2001 Naturwissenschaftliche Vorprüfung 10/2003 Zahnärztliche Vorprüfung 06/2006 Zahnärztliche Prüfung 31.07.2006 Approbation als Zahnärztin Beruflicher Werdegang: 10/2006 - 05/2007 Tätigkeit als Vorbereitungsassistentin in der Zahnarztpraxis Dr. L. SakiAmirzada, Hamburg seit 01.06.2007 Tätigkeit als Vorbereitungsassistentin in der Zahnarztpraxis Dr. O. Welle, Dr. Th. Müller, Mönchengladbach 81 Erklärung Ich versichere ausdrücklich, dass ich die Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die aus den benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen einzeln nach Ausgabe (Auflage und Jahr des Erscheinens), Band und Seite des benutzten Werkes kenntlich gemacht habe. Ferner versichere ich, dass ich die Dissertation nicht einem Fachvertreter an einer anderen Hochschule zur Überprüfung vorgelegt oder mich anderweitig um Zulassung zur Promotion beworben habe. 82
