Способ и устройство для отслеживания движения нижней челюсти Российский патент 2024 года по МПК A61C19/45 

Группа изобретений включает способ отслеживания движения нижней челюсти относительно зубного ряда верхней челюсти с использованием устройства для отслеживания, относится к области медицины и может быть использована в стоматологической практике для регистрации движений зубного ряда и/или нижней челюсти относительно зубного ряда верхней челюсти или иных анатомических ориентиров (например - камперовская горизонталь), а также суставной головки височно-нижнечелюстного сустава относительно суставной ямки.

Проблема регистрации движений нижней челюсти заключается в том, что в качестве точек для крепления маркером используют зубы, с возможным их выведением маркеров вне полости рта, что может пагубно отразиться на качестве исследования за счет искажения не только положения маркера на рычаге крепления, но и влияния на мускулатуру челюстно-лицевой области за счет деформации мышц рычагами крепления маркеров, и за счет нарушения окклюзии устанавливаемыми маркерами.

Известен способ экспресс-диагностики острого инфаркта миокарда (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Способ экспресс-диагностики острого инфаркта миокарда на основе регистрации летучих молекулярных маркеров в выдыхаемом воздухе» №2772953 МПК G01N 21/3504, опубл. 27.05.2022).

Известный способ основан на использовании метода опорных векторов, обученного с использованием значений концентраций летучих молекулярных маркеров, заранее зарегистрированных в пробах выдыхаемого воздуха пациентов с клинически подтвержденным ОИМ и здоровых добровольцев. Оценка соответствия совокупности измеренных концентраций наличию или отсутствию ОИМ может быть реализована с использованием алгоритмов машинного обучения, расчета вероятности совместного появления независимых событий, использовании эргодической гипотезы, расстояния Минковского. Известный способ не может быть применен в стоматологической практике.

Известен способ отслеживания движений нижней челюсти, включающий установку маркера на нижней челюсти, видеорегистрацию движений нижней челюсти путем мониторирования маркера, загрузку полученной информации в компьютер с программным обеспечением и последующую обработку полученных файлов, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Способ фотограмметрии для регистрации движений нижней челюсти» №2720743 МПК А61С 19/045, опубл. 13.05.2020).

В известном способе маркер фиксируют на наиболее выступающую часть подбородка (точка gnation) пациента, а прибор оптической системы слежения располагают напротив лица, бесконтактно с пациентом, на уровне подбородка на расстоянии 20 см. Прибор подключают к компьютеру, оснащенный компьютерной программой, которая отображает измерительный маркер в окне. Объективы веб-камер оптической системы слежения улавливают перемещения маркера во время 5-ти кратного перемещения нижней челюсти при максимальном открывании и закрывании рта.

Известный способ неинвазивный, но не лишен недостатков.

Использование двух камер и одного простого маркера позволяет отследить перемещение нижней челюсти только в системе «трех степеней свободы». Кроме того, не исключены непроизвольные движения пациента, что сказывается на искажении записываемых данных и является недостатком известного способа. Полученные результаты обрабатывают на компьютере при помощи специально разработанной программы.

Известен способ отслеживания движений нижней челюсти, принятый в качестве прототипа, включающий установку маркера на нижней челюсти, видеорегистрацию движений нижней челюсти путем мониторирования маркера, загрузку полученной информации в компьютер с программным обеспечением и последующую обработку полученных файлов, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Способ цифрового трекинга артикуляции (СЦТА)» №2696941 МПК А61С 19/045, опубл. 07.08.2019).

Пациента располагают в стоматологическом кресле, маркер в виде межзубного упора-изогнутого проволочного кламмера с контрастной сферой на конце фиксируют на нижней челюсти. Известный способ инвазивный.

Мониторирование маркера производят на расстоянии 20 см с помощью системы двух взаимосвязанных камер, закрепленных на штативе бесконтактно с пациентом, причем одной камерой снимают фронтальный вид, а второй вид сбоку, после записи, полученные файлы загружают в программное обеспечение, предназначенное для редактирования видео и динамических изображений, и получают покадровое отслеживание движений нижней челюсти.

Использование в известном способе двух камер и одного простого маркера позволяет осуществлять регистрацию движений положения нижней челюсти только в системе «трех степеней свободы». Кроме того, не исключено непроизвольное изменение положения головы пациента относительно камер, жестко закрепленных к стойке стоматологической установки посредством балочной стойки фиксации, что искажает результат мониторирования, скажется на искажении записываемых данных, и является недостатком известного способа. Кроме того, известный способ нарушает окклюзию зубов, тем самым искажая измерения, что также является недостатком известного способа.

Для реализации способа используют устройство для регистрации движений нижней челюсти.

Известно устройство для отслеживания движения нижней челюсти включающее опорную часть, камеры, соединенные между собой и предназначенные для видеорегистрации сигнала, поступающего с маркера, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Способ фотограмметрии для регистрации движений нижней челюсти» №2720743 МПК А61С 19/045, опубл. 13.05.2020).

Камеры расположены под углом 45 градусов относительно друг друга и зафиксированы в опорной части, подсоединенной к компьютеру, оснащенному программой. Измерительный маркер контрастного цвета фиксируют пациенту на наиболее выступающую часть подбородка, улавливают перемещения измерительного маркера во время 5-ти кратного движения нижней челюсти при максимальном открывании и закрывании рта. Устройство устанавливают на уровне подбородка пациента таким образом, чтобы в окне программы произошел захват маркера.

Недостатком устройства является отсутствие фиксации устройства, а, следовательно, и камер относительно черепа пациента, что не исключает непроизвольное изменение положения черепа пациента относительно опорной части, что искажает результат мониторирования (скажется на искажении записываемых данных) и является недостатком известного устройства.

Известно устройство для отслеживания движения нижней челюсти, принятое в качестве прототипа, опорную часть, камеры, соединенные между собой при помощи балочной стойки и предназначенные для видеорегистрации сигнала, поступающего с маркера, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Способ цифрового трекинга артикуляции (СЦТА)» №2696941 МПК А61С 19/045, опубл. 07.08.2019).

Опорная часть - балочная стойка жестко зафиксирована к стойке стоматологической установки. Маркер - межзубный упор, в роли которого используют проволочный гнутый кламмер, имеющий на конце сферу из свето-отверждаемого композитного материала.

Недостатком устройства является отсутствие фиксации камер относительно черепа пациента, что не исключает непроизвольное изменение положения черепа пациента относительно штатива установки, и искажает результат мониторирования (искажает записываемые данные) и является недостатком известного устройства.

Технической задачей и результатом предлагаемой группы изобретений является разработка неинвазивного способа, позволяющего обеспечить качественное отслеживание движения нижней челюсти в системе «шести степеней свободы», точность при мониторировании фидуциальных маркеров и видеорегистрацию движений нижней челюсти, а также возможность исключить влияние исследователя на исследуемый объект за счет жесткого крепления устройства для отслеживания движения нижней челюсти относительно черепа пациента с использованием метода машинного обучения, позволяющего по данным полученным, с камер производить движение нижней челюсти неинвазивным способом.

Технический результат достигается тем, что способ отслеживания движения нижней челюсти устройством по пп. 2 включает установку маркеров на нижней и верхней челюсти, регистрацию движения зубного рядя и/или нижней челюсти относительно зубного ряда верхней челюсти, видеорегистрацию движений нижней челюсти путем мониторирования маркеров, загрузку полученной информации в компьютер с программным обеспечением и последующую обработку полученной информации в программе с использованием метода машинного обучения, при этом для регистрации движений зубного ряда и/или нижней челюсти относительно зубного ряда верхней челюсти используют фидуциальные маркеры, установку которых осуществляют с жесткой фиксацией на костных структурах верхней и нижней челюсти с помощью рычагов из негнущегося материала, с возможностью исключения влияния на окклюзию зубных рядов, не создавая деформации мышц челюстно-лицевой области, и, дополнительно, на коже верхней и нижней челюсти, при этом мониторирование фидуциальных маркеров производят с помощью устройства по пп. 2 как минимум одной камерой, жестко закрепленной на опорной части и направленной на лицевую часть черепа пациента, при этом, после видеорегистрации фидуциальных маркеров - накопления статистических данных, оценивают положение всех фидуциальных маркеров и вычисляют точное положение челюстей на основе данных жестко зафиксированных фидуциальных маркеров, а неинвазивную регистрацию перемещения нижней челюсти проводят с использованием метода машинного обучения, позволяющего по данным полученным, с фидуциальных маркеров, установленных на коже челюстей, определить положение челюстей, на основе метода машинного обучения на накопленных статистических данных соотношения фидуциальных маркеров, жестко зафиксированных на костных структурах. Жесткое фиксирование фидуциальных маркеров на коже нижней и верхней челюсти осуществляют с помощью биоинертного клея.

Технический результат достигается тем, что устройство для отслеживания движения нижней челюсти содержит опорную часть для установки камер относительно черепа пациента, упоры для фиксации положения камер относительно пациента и видеорегистрации фидуциальных маркеров, при этом опорная часть выполнена в виде дуги, имеющей возможность выравнивания по сагиттальной плоскости и фиксирования по отношению к черепу пациента, регулируемыми по высоте упорами двумя ушными и носовым, исключающими смещение опорной части, при этом на опорной части установлен как минимум один луч, представляющий градуированный рельсовый механизм для крепления с помощью кронштейна как минимум одной камеры, выполненной с возможностью видеорегистрации фидуциальных маркеров, направленной на лицевой отдел черепа пациента и закрепленной на кронштейне с возможностью настройки расстояния от камеры до поверхности черепа пациента, изменения высоты крепления и угла поворота камеры. Установку ушных и носового упоров и луча на опорную часть осуществляют с помощью крепежных элементов и сквозных отверстий, выполненных по длине опорной части с внутренней и наружной ее стороны. На опорной части могут быть установлены от одного до трех лучей, при этом один из них расположен в сагиттальной плоскости, а два других - на углу отклонения от сагиттальной плоскости равном 60°.

Способ и устройство для отслеживания движения нижней челюсти иллюстрированы чертежами, где: на фиг. 1 изображено устройство для отслеживания движения нижней челюсти на черепе пациента и фидуциальные маркеры; на фиг. 2 - крепление фидуциальных маркеров на верхней челюсти с помощью с помощью рычагов из негнущегося материала и с помощью биоинертного клея; на фиг. 3 - крепление фидуциальных маркеров на нижней челюсти с помощью биоинертного клея; на фиг. 4 - общий вид устройства с одним лучом с камерой; на фиг. 5 - то же, вид сверху; на фиг. 6 - устройство для отслеживания движения нижней челюсти с двумя лучами с камерами (угол 120°); на фиг. 7 - устройство для отслеживания движения нижней челюсти с тремя лучами с камерами (угол 60° симметрично от сагиттальной плоскости).

Способ для отслеживания движения нижней челюсти реализуют следующим образом.

Для регистрации движений зубного ряда и/или нижней челюсти относительно зубного ряда верхней челюсти используют фидуциальные маркеры 1, выполненные, например, в виде физических объектов из жесткого материала с нанесенным изображением, используемым в качестве точки отсчета или меры.

Установку фидуциальных маркеров 1 осуществляют с помощью рычагов 2 из негнущегося материала жесткой фиксацией на костных структурах верхней и нижней челюсти, исключая тем самым возможность влияния на окклюзию зубных рядов, и не создавая деформации мышц челюстно-лицевой области, и, дополнительно, фидуциальных маркеров 3 на коже верхней и нижней челюсти, жестко фиксируемых с помощью биоинертного клея.

Видеорегистрацию движений нижней челюсти осуществляют путем мониторирования фидуциальных маркеров 1 и 3 с использованием устройства для отслеживания движения нижней челюсти, которое оснащают как минимум одной камерой 4 и жестко устанавливают на черепе пациента, исключая смещение.

Устройство для отслеживания движения нижней челюсти оснащено как минимум одной камерой 4. направленной на лицевую часть черепа пациента, предназначенной для передачи видеопотока в программу при отслеживании движения нижней челюсти, производя тем самым накопление статистических данных о положениии фидуциальных маркеров 1 и 3, для их последующего анализа и интерпретации в положения челюстей.

Полученную информацию загружают в компьютер с программным обеспечением для последующей обработки полученной информации в программе с использованием метода машинного обучения (компьютер на чертежах не показан). Программа осуществляет последующую обработку полученной информации, позволяющую распознавать на каждом кадре фидуциальные маркеры 1 и 3, идентифицировать порядковый номер каждого, оценивать его положение в пространстве по системе «шесть степеней свободы», сводя возможные искажения до 0.05 мм. Отсутствие воздействия исследователя на исследуемую область исключает искажение результатов.

В результате проведенного машинного обучения по данным полученным, с фидуциальных маркеров 3, установленных на коже нижней челюсти обследуемого пациента, можно определить положение нижней челюсти, на основе метода машинного обучения на накопленных статистических данных фидуциальных маркеров 1, жестко зафиксированных на костных структурах неинвазивным методом.

Метод машинного обучения заключается в обучении целевой функции f, которая соотносит входные переменные X и выходную Y переменную

Y = f(X), где:

(Y) - положение челюстей определенные неинвазивным путем (исключительно получив на вход X).

(X) - входные данные это регистрируемые данные фидуциальных маркеров 3 на коже (неточные данные, так как кожа может смещаться относительно челюстей).

(Z) - точные данные с жестко зафиксированных фидуциальных маркеров 1 на костных структурах

f - обучается предсказывать Y по входному X на основе опыта функции заранее выученных закономерностей между

Результатом метода машинного обучения является возможность получения по данным с фидуциальных маркеров 3, установленных на коже, положения челюстей. Окончанием обучения считается момент, когда погрешность изменений составляет не более 0.05 относительно положения челюстей, определенных с точных данных, рассчитанных на основе фидуциальных маркеров 1, жестко зафиксированных на костных структурах черепа пациента.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: накопление статистических данных; осуществление машинного обучения; реализация проведенного машинного обучения.

Вначале с помощью устройства записывают - видеорегистрируют: (Z) положение нижней и верхней челюсти, точно выведенное из данных о фидуциальных маркерах 1 и 3, жестко закрепленных с помощью рычагов из негнущегося материала на костных структурах и (X) положение маркеров, закрепленных биоинертным клеем на коже пациента соответственно.

Разница в характеристике перемещения положении фидуциальных маркеров 3, закрепленных биоинертным клеем на коже пациента относительно фидуциальных маркеров 1, закрепленных на костных структурах, отражает искажение смещения мягких тканей относительно костных структур.

Затем (f) функция обучается программой на записанных данных о положении челюстей и положении фидуциальных маркеров 3 на коже (происходит поиск закономерностей между X↔Z)

В результате функция (f) производит оценку положения нижней челюсти исключительно на данных о положении Y фидуциальных маркеров 3, установленных на коже, тем самым достигается эффект неинвазивной регистрации движений нижней челюсти.

Для реализации способа используют устройство для отслеживания движения нижней челюсти.

Устройство для отслеживания движения нижней челюсти содержит опорную часть, выполненную в виде дуги 5, имеющую возможность выравнивания по сагиттальной плоскости и фиксирования по отношению к черепу пациента регулируемыми в вертикальной и горизонтальной плоскости двумя ушными упорами 6 и 7 и носовым упором 8, исключающими смещение дуги 5 относительно черепа пациента.

На дуге 5 установлен как минимум один луч 9, представляющий градуированный рельсовый механизм для крепления с помощью кронштейна 10 как минимум одной камеры 4. Камера 4, видеорегистрирующая фидуциальные маркеры 1 и 3, направлена на лицевой отдел черепа пациента и закреплена на кронштейне 10 с возможностью настройки расстояния от камеры 4 до поверхности черепа пациента, изменения высоты крепления камеры 4 и угла поворота камеры 4.

Установку ушных и носового упоров 6, 7 и 8 соответственно и луча 9 на дуге 1 осуществляют с помощью крепежных элементов и сквозных отверстий 11 и 12, соответственно выполненных вдоль длины дуги 5 с внутренней и наружной ее стороны.

На дуге 5 могут быть установлены от одного до трех лучей, при этом один из них расположен в сагиттальной плоскости, а два других - на углу отклонения от сагиттальной плоскости равном 60°.

Увеличение количества камер 4 позволяет уменьшить погрешность измерений, так как программа сможет точнее определять начальные расчетные данные на основе усреднения данных о положении фидуциальных маркеров 1 и 3.

Ушные и носовой упоры 6, 7 и 8 выполнены регулируемые в вертикальной и горизонтальной плоскости, позволяющие выровнять устройство по сагиттальной плоскости и зафиксировать его по отношению к черепу пациента, исключая смещение.

В горизонтальной проекции устройство выравнивают по анатомическим ориентирам, например, по Камперовской плоскости для корректного отслеживания движения нижней челюсти.

Устройство для отслеживания движения нижней челюсти подключают к компьютеру или другой вычислительной технике при помощи кабельного соединения или по беспроводному каналу передачи данных.

После внесения в компьютерную программу измеримых данных о положении устройства относительно черепа, данных о положении настроенных камерах 4, данных об используемых фидуциальных маркерах 1 и 3 программа производит мониторирование: просчитывая полученную информацию с камер 4 устройства (видеопоток), вычисляя из нее данные о положении фидуциальных маркеров 1 и 3. Программа производит реконструкцию положения челюстей в программе, на основе полученных данных в системе «шесть степеней свободы» на основе данных с жестко зафиксированных фидуциальных маркеров 1.

Устройство для неинвазивной регистрации движений нижней челюсти используют следующим образом.

Вначале дугу 5 жестко закрепляют на черепе пациента носовым и ушными упорами 6, 7 и 8, регулируя степень выдвижения их осей, устройство настраивают так, чтобы в горизонтальной проекции устройство соответствовало анатомическим ориентирам черепа пациента, например, камперовской плоскости. Производят наведение камеры 4 на лицевую область черепа пациента с предварительно установленными фидуциальными маркерами 1 и 3 и просят пациента произвести всевозможные движения нижней челюсти с максимальной амплитудой открытия рта, достижением крайних возможных положений нижней челюсти во всех трех плоскостях. В это время программа производит накопление статистических данных - запись данных о положении фидуциальных маркеров 1 и 3.

После запуска обучения программа осуществляет произведение машинное обучения - настраивается индивидуальная модель работы для данного пациента на основе анализа накопленных статистических данных. После этого удаляют фидуциальные маркеры 1, жестко зафиксированные на костных структурах челюстей пациента.

Реализация проведенного машинного обучения осуществляется путем регистрации движений нижней челюсти ненвазивным путем (исключительно на данных с фидуциальных маркеров 3 на коже пациенте).

Программа позволяет записывать определенные положения нижней челюсти для каждого кадра видеопотока и воспроизводить последовательность положения, осуществляя тем самым воссоздание записанного акта движения нижней челюсти в компьютерной программе. Программа позволяет регистрировать крайние возможные положения нижней челюсти, степень открытия полости рта, скорость движения нижней челюсти и соотношение зубных рядов в движении (например, в акте жевания или сжатии зубов.)

Пример

Пациент П. 40 лет. Жалобы на частичную вторичную адентию. Для проведения несъемного протезирования потребовалось осуществить регистрация центрального соотношения челюстей неинвазивным путем.

Для этого на черепе пациента установили дугу и зафиксировали при помощи ушных и носового упоров 6, 7 и 8. На дуге закрепили два луча под углом 60° относительно друг друга, на которых установили по одной камере 4 и направили на лицевой отдел черепа пациента.

На костные структуры челюстей пациента с помощью рычагов 2 из негнущегося материала установили фидуциальные маркеры 1 без влияния на окклюзию, и при помощи биоинертного клея фидуциальные маркеры 3 на кожу челюстей пациента.

После обучения алгоритмов машинного обучения с костных структур были удалены фидуциальные маркеры 1. Была произведена регистрация центрального соотношения челюстей на данных исключительно накожных фидуциальных маркеров 3 путем записи движения нижней челюсти пациента в виде серии положений челюстей и выделения необходимого статического положения из записанной последовательности.

Дальнейшее лечение проводилось с применением устройства для отслеживания движения нижней челюсти для контроля прикуса неинвазивным способом, а также для оценки правильности изготовления несъемной конструкции с точки зрения движения зубных рядов.

Группа изобретений относится к медицине, в частности к способу отслеживания движения нижней челюсти и устройству для его осуществления. Способ включает жесткое фиксирование с помощью биоинертного клея фидуциальных маркеров на нижней и верхней челюстях и видеорегистрацию движений нижней челюсти путем мониторинга фидуциальных маркеров как минимум одной камерой, жестко закрепленной на опорной части упомянутого устройства. После чего вычисляют точное положение челюстей на основе положения фидуциальных маркеров. Регистрацию перемещения нижней челюсти проводят с использованием метода машинного обучения, позволяющего по данным, полученным с фидуциальных маркеров, установленных на коже нижней челюсти, определить положение нижней челюсти на основе алгоритмов, обученных на накопленных статистических данных о положении фидуциальных маркеров, жестко зафиксированных на костных структурах. Устройство для отслеживания движения нижней челюсти содержит опорную часть в виде дуги, а также ушные и носовые упоры для фиксации положения камер относительно пациента. На опорной части установлен как минимум один луч, представляющий собой градуированный рельсовый механизм для крепления с помощью кронштейна как минимум одной камеры. Данным неинвазивным способом достигается обеспечение отслеживания движения нижней челюсти в системе «шести степеней свободы», точность при мониторинге фидуциальных маркеров и видеорегистрации движений нижней челюсти, а также возможность исключить влияние исследователя на исследуемый объект. 2 н.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.

1. Способ отслеживания движения нижней челюсти, включающий установку маркеров на нижней и верхней челюстях, видеорегистрацию движений нижней челюсти путем мониторинга маркеров, загрузку полученной информации в компьютер с программным обеспечением и последующую обработку полученной информации в программе с использованием метода машинного обучения, отличающийся тем, что используют фидуциальные маркеры, которые устанавливают с жесткой фиксацией на костных структурах верхней и нижней челюстей с помощью рычагов из негнущегося материала и, дополнительно, на коже верхней и нижней челюстей, при этом мониторинг фидуциальных маркеров производят с помощью устройства для отслеживания движения нижней челюсти как минимум одной камерой, жестко закрепленной на опорной части и направленной на лицевую часть черепа пациента, при этом после видеорегистрации положений фидуциальных маркеров и накопления статистических данных оценивают положение всех фидуциальных маркеров и вычисляют точное положение челюстей на основе данных о положении жестко зафиксированных фидуциальных маркеров, а неинвазивную регистрацию перемещения нижней челюсти проводят с использованием метода машинного обучения, позволяющего по данным, полученным с фидуциальных маркеров, установленных на коже нижней челюсти, определить положение нижней челюсти на основе алгоритмов, обученных на накопленных статистических данных о положении фидуциальных маркеров, жестко зафиксированных на костных структурах, причем жесткое фиксирование фидуциальных маркеров на нижней и верхней челюстях осуществляют с помощью биоинертного клея.

2. Устройство для отслеживания движения нижней челюсти способом по п. 1, содержащее опорную часть для установки камер относительно черепа пациента, упоры для фиксации положения камер относительно пациента и видеорегистрации фидуциальных маркеров, отличающееся тем, что опорная часть выполнена в виде дуги с возможностью выравнивания по сагиттальной плоскости и фиксирования по отношению к черепу пациента регулируемыми в вертикальной и горизонтальной плоскостях двумя ушными упорами и носовым упором, исключающими смещение опорной части, при этом на опорной части установлен как минимум один луч, представляющий собой градуированный рельсовый механизм для крепления с помощью кронштейна как минимум одной камеры, выполненной с возможностью видеорегистрации фидуциальных маркеров, направленной на лицевой отдел черепа пациента и закрепленной на кронштейне с возможностью настройки расстояния от камеры до поверхности черепа пациента, изменения высоты крепления и угла поворота камеры, причем ушные и носовые упоры и луч выполнены с возможностью установки на опорную часть с помощью крепежных элементов и сквозных отверстий, выполненных по длине опорной части с внутренней и наружной ее стороны, и на опорной части установлены от одного до трех лучей, при этом один из них расположен в сагиттальной плоскости, а два других - на углу, отклоняющемся от сагиттальной плоскости на 60°.