International Journal of Computerized Dentistry
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Int J Comput Dent 20 (2017), No. 4     15. Dec. 2017
Int J Comput Dent 18 (2015), No. 3  (21.09.2015)

Page 237-258, PubMed:26389135, Language: English/German


Chewing simulation with a physically accurate deformable model
Kausimulation mit einem physikalisch exakten verformbaren Modell

Pascale, Andra Maria / Ruge, Sebastian / Hauth, Steffen / Kordaß, Bernd / Linsen, Lars
Nowadays, CAD/CAM software is being used to compute the optimal shape and position of a new tooth model meant for a patient. With this possible future application in mind, we present in this article an independent and stand-alone interactive application that simulates the human chewing process and the deformation it produces in the food substrate. Chewing motion sensors are used to produce an accurate representation of the jaw movement. The substrate is represented by a deformable elastic model based on the finite linear elements method, which preserves physical accuracy. Collision detection based on spatial partitioning is used to calculate the forces that are acting on the deformable model. Based on the calculated information, geometry elements are added to the scene to enhance the information available for the user. The goal of the simulation is to present a complete scene to the dentist, highlighting the points where the teeth came into contact with the substrate and giving information about how much force acted at these points, which therefore makes it possible to indicate whether the tooth is being used incorrectly in the mastication process. Real-time interactivity is desired and achieved within limits, depending on the complexity of the employed geometric models. The presented simulation is a first step towards the overall project goal of interactively optimizing tooth position and shape under the investigation of a virtual chewing process using real patient data (Fig 1).

Die optimale Form und Position eines neuen Zahnmodells für einen Patienten wird heute mithilfe von CAD/ CAM-Software berechnet. In Bezug auf diese mögliche zukünftige Anwendung wird in der vorliegenden Arbeit eine unabhängige, interaktive "Stand alone"-Anwendung vorgestellt, die den menschlichen Kauvorgang sowie die durch ihn verursachte Verformung des Nahrungssubstrats simuliert. Dabei wird mithilfe von Kaubewegungssensoren eine präzise Darstellung der Kieferbewegung erzeugt. Das Substrat wird durch ein verformbares elastisches Modell dargestellt. Das Model basiert auf der linearen Finite-Elemente- Methode, welche die physikalische Genauigkeit erhält. Mithilfe einer Kollisionserkennung, basierend auf räumlicher Unterteilung, werden die Kräfte berechnet, die auf das verformbare Modell wirken. Anhand der berechneten Daten werden anschließend geometrische Elemente hinzugefügt, um die Information für den Anwender anzureichern. Das Ziel der Simulation besteht darin, dem Zahnarzt eine vollständige Szene zu präsentieren, in der hervorgehoben wird, wo die Zähne mit dem Substrat in Berührung kommen und wie viel Kraft an diesen Kontaktpunkten wirkt. Somit kann sie gegebenenfalls Hinweise darauf geben, ob der Zahn im Kauvorgang falsch benutzt wird. Eine Echtzeitinteraktivität ist erwünscht und wird innerhalb bestimmter Grenzen auch erreicht, die von der Komplexität der verwendeten geometrischen Modelle abhängen. Die vorgestellte Simulation ist ein erster Schritt hin zum übergeordneten Projektziel, die Zahnposition und -form unter Analyse eines virtuellen Kauvorgangs anhand realer Patientendaten interaktiv zu optimieren (Abb. 1).

Keywords: CAD/CAM, Cerec, chewing, deformable model, substrate
CAD/CAM, Cerec, Kauen, verformbares Modell, Substrat

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