Abstract

Condylar position analysis is a measuring method for thethree-dimensional quantitative acquisition of the positionof the mandible in different conditions or at differentpoints in time. Originally, the measurement was donebased on a model, using special mechanical condylar posi-tion measuring instruments, and on a research scale withmechanical-electronic measuring instruments. Today, asan alternative, it is possible to take measurements withelectronic measuring instruments applied directly to thepatient. The computerization of imaging has also facili-tated condylar position measurement by means of three-dimensional data records obtained by imaging examina-tion methods, which has been used in connection with thesimulation and quantification of surgical operation results.However, the comparative measurement of the condylarposition at different points in time has so far not been pos-sible to the required degree. An electronic measuringinstrument, allowing acquisition of the condylar position

Zusammenfassung

Die Kondylenpositionsanalyse ist ein Messverfahren zurdreidimensionalen quantitativen Erfassung der Unter-kieferposition in verschiedenen Zuständen bzw. zu unter-schiedlichen Zeitpunkten. Die Messung erfolgteursprünglich modellvermittelt in speziellen mechani-schen Kondylenpositionsmessinstrumenten, im For-schungsmaßstab in mechanisch-elektronischen Mess-instrumenten. Mittlerweile besteht alternativ dieMöglichkeit der Messung in Form von direkt am Patien-ten angebrachten elektronischen Messinstrumenten. DieComputerisierung der Bildgebung ermöglicht zudem dieKondylenpositionsmessung mittels der dreidimensiona-len Datensätze bildgebender Untersuchungsverfahren,was im Zusammenhang mit der Simulation und Quanti-fikation chirurgischer Interventionsergebnisse genutztwurde.Bisher nicht im erwünschten Maß verfügbar ist jedocheine Möglichkeit zur vergleichenden Messung der Kon-

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Development of a Computer-assisted System for Model-based Condylar PositionAnalysis (E-CPM)

Entwicklung eines computergestützten Systems zur modellvermittelten Kondylen-positionsanalyse (E-CPM)

M. O. Ahlersa, H. Jakstatb

a Priv.-Doz. Dr. med. dent., CMD-Centrum Hamburg-Eppen-dorf sowie Poliklinik für Zahnerhaltung und PräventiveZahnheilkunde, Zentrum für Zahn-, Mund- und Kiefer-heilkunde des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf

b Prof. Dr. med. dent., Vorklinische Propädeutik und Werk-stoffkunde, Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik und Werk-stoffkunde, Zentrum für Zahn-, Mund- und Kiefer-heilkunde, Universität Leipzig

a Assistant Professor, CMD-Center Hamburg-Eppendorf,Germany and Policlinic for Restorative and Preventive Den-tistry, Center for Dental and Oral Medicine, School of Den-tal Medicine, University-Hospital Hamburg-Eppendorf,Germany

b Prof Dr med dent, Department of Prosthetic Dentistry, Den-tal Materials and Special Care, Center for Dental and OralMedicine, University of Leipzig, Germany

in clinical routine and facilitating later calibration withmeasurements from later examinations by data storageand use of precise equalizing systems, was thereforedesigned by the present authors. This measuring instru-ment was implemented on the basis of already existingcomponents from the Reference CPM und Cadiax Com-pact articulator and registration systems (Gamma Dental,Klosterneuburg, Austria) as well as the matching CMD3Devaluation software (dentaConcept, Hamburg).

Keywords: quantitative measurement of jaw position,condylar position analysis, equalizing systems, electronicmeasuring device, centric relation records, dimensionalstability of bite-record materials

Method and indication

Condylar position analysis is a method for the three-dimensional metric measurement of the condylar positionas an expression of jaw position. Generally, the methodserves in clinical functional diagnostics to measure thecondylar position as a determination of the position of themandible in different conditions. The conditions com-pared can be the following:1. Comparison of the condylar position in different cen-

tric relation records which were produced in the courseof an examination session, to quantitatively determinetheir agreement or deviation.1-7

2. Comparison of the condylar position in centric relation(according to the centric relation record) with the condy-lar position in habitual occlusion / maximum intercus-pation (with or without use of a bite record).8-10

3. Comparison of the condylar position at different pointsin time of the course of treatment, to quantitativelyevaluate the change of the jaw position as an expres-sion of the treatment result.11,12

4. Change of the condylar position depending upon thebody’s posture, to quantitatively determine the influ-ence of body’s posture on the jaw position.13-15

Further, condylar position analysis is also used as a researchmethod to, for example, check the dimensional stabilityof bite-record materials16 or to quantitatively determineocclusal changes after impression taking with differentimpression trays with regard to their effects on the jawposition.17

dylenposition zu verschiedenen Zeitpunkten. Von denAutoren dieses Beitrags wurde daher ein elektronischesMessinstrument konzipiert, welches in der klinischen Rou-tine die Erfassung der Kondylenposition erlaubt und durchDatenspeicherung und Einsatz von präzisen Gleichschal-tungssystemen einen späteren Abgleich mit Messdatenaus Folgeuntersuchungen ermöglicht. Realisiert wurdedieses Messinstrument auf Basis bereits existierenderKomponenten aus den Artikulator- und Registrierungs-systemen Reference CPM und Cadiax Compact (GammaDental, Klosterneuburg, Österreich) sowie der hierzukompatiblen Auswertungssoftware CMD3D (dentaCon-cept, Hamburg).

Schlüsselwörter: quantitative Vermessung der Kieferpo-sition, Kondylenpositionsanalyse, Gleichschaltungssyste-me, elektronisches Messinstrument, Zentrikregistrate,Dimensionsstabilität von Bissregistriermaterialien

Verfahren und Indikation

Bei der Kondylenpositionsanalyse handelt es sich um einVerfahren zur dreidimensionalen metrischen Vermessungder Kondylenposition als Ausdruck der Kieferposition.Generell dient das Verfahren in der klinischen Funktions-diagnostik dazu, die Kondylenposition als Bestimmungder Lage des Unterkiefers in verschiedenen Zuständen zumessen. Die dabei verglichenen Zustände können fol-gende sein:1. Vergleich der Kondylenposition bei verschiedenen Zen-

trikregistraten, die im Rahmen eines Untersuchungs-termins erstellt wurden, um deren Übereinstimmungbzw. Abweichung quantitativ zu bestimmen.1-7

2. Vergleich der Kondylenposition in zentrischer Relation(gemäß dem Zentrikregistrat) mit der Kondylenpositionin habitueller Okklusion/maximaler Interkuspidation(mit oder ohne Verwendung eines Bissregistrates).8-10

3. Vergleich der Kondylenposition zu verschiedenen Zeit-punkten des Behandlungsverlaufes, um die Verände-rung der Kieferposition als Ausdruck des Behand-lungsergebnisses quantitativ auszuwerten.11,12

4. Veränderung der Kondylenposition in Abhängigkeitvon der Körperhaltung, um den Einfluss der Körper-haltung auf die Kieferposition quantitativ zu bestim-men.13-15

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Previously available measuring instruments

The previously available measuring instruments andmethods can be distinguished by their method of use asfollows:1. Indirect, model-based: Precision models are produced

initially after accurate impressions have been taken, andthen the maxillary model is mounted in an individualarticulator in relation to the skull. The mandible is thenaligned to the maxilla. It can be initially in habitualocclusion or in maximum intercuspation, because themeasurement in the condylar position measuringinstrument is by definition a relative measurement; inthis case the direction in which the measurement madehas no significance. In the following, further mandibu-lar positions can be simulated and measured (as givenin methods 1 to 4).Corresponding measuring instruments have beenintroduced by different authors before and by compa-nies (Kondylometer, Stuart, (distribution suspended)[Figs 1 and 2]; Vericheck, Denar, (distribution sus-pended); Condylar Position Indicator CPI, Panadent,Grand Terrace, California, USA; Mandibular PositionIndicator MPI, SAM Präzisionstechnik, Gauting, Ger-many; Condylen-Position-Monitor CPM, Amann Gir-rbach, Pforzheim, Germany [Fig 3]; CPM-SL, AmannGirrbach).

Darüber hinaus findet die Kondylenpositionsanalyse auchals Forschungsmethode Anwendung, um beispielsweisedie Dimensionsstabilität von Bissregistriermaterialien zuüberprüfen16 oder um okklusale Veränderungen nachAbformung mit verschiedenen Abformlöffeln in ihrenAuswirkungen auf die Kieferposition quantitativ zubestimmen.17

Bisher verfügbare Messinstrumente

Die bislang verfügbaren Messinstrumente und -metho-den lassen sich in ihrer Vorgehensweise wie folgt unter-scheiden:1. Modellvermittelt indirekt: Hierbei werden zunächst

Präzisionsmodelle nach genauen Abformungen erstelltund anschließend das Oberkiefermodell schädelbe-züglich in einen individuellen Artikulator montiert.Danach wird die Zuordnung des Unterkiefers vorge-nommen, die zuerst in habitueller Okklusion oder inmaximaler Inkuspidation erfolgen kann, weil die Mes-sung im Kondylenpositionsmessinstrument per defini-tionem eine relative Messung ist; hierbei hat es keineBedeutung in welcher Richtung gemessen wird. In derFolge werden dann weitere Kieferpositionen (gemäßAuflistung 1 bis 4) eingestellt und vermessen.Entsprechende Messinstrumente wurden von ver-schiedenen Autoren vorgestellt und von Firmen ange-boten: Kondylometer (Firma Stuart, Vertrieb einge-

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Fig 1 Stuart Kondylometer (Source: Gutowski A., Bauer A.)18

Abb. 1 Stuart Kondylometer (Quelle: Gutowski A., Bauer A.)18Fig 2 Stuart Kondylometer, detailed view (Source: Gutowski A.,Bauer A.)18

Abb. 2 Stuart Kondylometer, Detailansicht (Quelle: GutowskiA., Bauer A.)18

The common feature of the measuring instruments con-sists in their basic concept: Vertical to the joint axis standthe plane paramedian sagittal surfaces, on which paperlabels are glued as carriers of the corresponding mea-suring marks. The coordinate systems are printed eitherdirectly on the labels (Stuart: Kondylometer;18 Denar:Vericheck; Panadent: CPI, SAM: MPI) or applied subse-quently (AmannGirrbach: Artex CPM-SL; dentaCon-cept: transparent protective labels19). This facilitatesmeasurement of the different jaw positions. Either mea-suring gauges (SAM: MPI 1) or dial gauges (SAM: MPI2, AmannGirrbach: CPM) are used for measuring thetransverse offset. In other devices, direct reading is doneon corresponding scales in the frontal plane (eg, Amann-Girrbach: Artex CPM-SL). In addition, two mechanical electronic measuring instru-ments have been developed for applications on aresearch scale (Paar Physika [commercially not avail-able]: Condymeter on basis of the SAM MPI, and theBonn measuring articulator on the basis of a device fromDentatus [commercially not available]).20

The accuracy of these systems depends upon the pre-cision of the measuring instruments, the dimensionalfidelity of the precision model, the durability and thedetail definition of the centric relation records.

2. Directly, model-independent: Alternatively, now thereare measuring instruments that are mounted directlyon the patient. They were developed originally for elec-tronic hinge axis localization and three-dimensionalelectronic movement recording connected with this.

stellt, Abb. 1 und 2); Vericheck, (Firma Denar, Vertriebeingestellt); Condylar Position Indicator CPI (FirmaPanadent, Grand Terrace, Kalifornien, USA); Mandi-bular-Positions-Indikator MPI (SAM Präzisionstechnik,Gauting); Condylen-Positions-Monitor CPM (AmannGirrbach, Pforzheim, Abb. 3); CPM-SL (Amann Girr-bach).Die Gemeinsamkeit der Messinstrumente besteht inihrer Grundkonzeption: Senkrecht zur Gelenkachsestehen die planen paramedianen Sagittalflächen, aufwelche Papieretiketten als Träger der entsprechendenMessmarkierungen aufgeklebt werden. Die Koordina-tensysteme sind entweder direkt auf die Etiketten auf-gedruckt (Stuart: Kondylometer,18 Denar: Vericheck,Panadent: CPI, SAM: MPI) oder nachträglich aufge-bracht (Amann Girrbach: Artex CPM-SL, dentaCon-cept: transparente Schutzetiketten19). Auf diese Weisewird eine Vermessung der verschiedenen Kieferposi-tionen ermöglicht. Für die Bestimmung des transver-salen Versatzes werden entweder Messlehren (SAM:MPI 1) oder Messuhren (SAM: MPI 2, Amann Girr-bach: Reference CPM) verwendet. Bei anderen Gerä-ten erfolgt eine direkte Ablesung auf entsprechendenSkalen in der Frontalebene (z. B. Amann Girrbach:Artex CPM-SL). Für Anwendungen im Forschungsmaßstab wurdenzudem zwei mechanisch-elektronische Messinstru-mente entwickelt (Firma Paar Physika (Vertrieb einge-stellt): Kondylometer auf Basis des SAM MPI und derBonner Messartikulator auf Basis eines Gerätes derFirma Dentatus (reine Forschungseinrichtung, wirdnicht vertrieben)).20

Die Genauigkeit dieser Systeme hängt von der Präzi-sion der Messinstrumente, der Dimensionstreue derPräzisionsmodelle, der Haltbarkeit und der Detail-zeichnung der Zentrikregistrate ab.

2. Modellunabhängig direkt: Eine Alternative bestehtmittlerweile in Form von Messinstrumenten, die direktam Patienten montiert werden. Sie wurden ursprüng-lich für die elektronische Scharnierachsenlokalisationund die daran gebundene dreidimensionale elektroni-sche Bewegungsaufzeichnung entwickelt. Auch derartige Instrumente entstanden zunächst aufder Basis mechanischer Instrumente mit elektronischenMessdatenaufnehmern und einer Dokumentationüber Plotter (SAS-System; Vertrieb eingestellt). ErstSysteme mit elektronischer Messdatenspeicherung

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Fig 3 Reference CPM (Picture: M.O. Ahlers).25

Abb. 3 Reference CPM (Foto: M.O. Ahlers).19

Such instruments were also initially designed on the basisof mechanical instruments with electronic measured-datatransducers and documentation on plotters (SAS system;distribution suspended). But the first systems with elec-tronic measured-data storage were also equipped withfunctions for reading the condylar position (Cadiax Com-pact und Cadiax Diagnostik, Gamma Dental; StringCondylocomp, Dentron, Würzburg, Germany; JawMotion Analyzer, Zebris Medical GmbH, Isny, Germany;Arcus Digma, KaVo, Biberach/Riß, Germany; Axioquick,SAM Präzisionstechnik). These systems work either onthe basis of conductive measuring plates (Gamma: Cadi-ax Compact), by means of optoelectronic measuringmethods (Dentron: String Condylocomp) or ultrasound(Zebris, KaVo, SAM). Moreover, they differ according tothe location of the measurement on the axis (Gamma:Cadiax Compact; Dentron) or measurement remote fromthe axis with back calculation (Zebris, KaVo, SAM).In all systems, it is necessary to fasten a receiver sys-tem to the head of the patient and a transmitter sys-tem to the mandible. According to unpublished stud-ies from the University of Heidelberg, the reliability ofthe results is influenced by the stability of the mount-ing on the head and on the mandible as well as thebody posture of the patient and use of instrumenta-tion.

Limitations of the systems

Apart from the described limitations of both systems, thereis also a general restriction: Both measuring concepts allowonly the acquisition and evaluation of measured data atone point in time. Subsequent spatial comparison of dif-ferent measuring points in time is generally excluded! In model-based indirect measuring methods using spe-cial condylar position measuring instruments, it is basicallypossible to quantitatively compare arbitrary centric rela-tion records or jaw positions that were measured at dif-ferent points in time with one another. However, in mea-sured data acquisition on the (mechanical) instruments onthe basis of self-adhesive recording labels, the recordinglabels must be removed from the device for transfer tospecial examination form sheets after conclusion of themeasurement. Beyond this point in time, additional mea-surement of further jaw positions for a comparison withthe previous measured data is no longer possible.

waren aber auch mit Funktionen zum Auslesen derKondylenposition ausgestattet (Cadiax Compact undCadiax Diagnostic, Gamma Dental; String Condylo-comp LR3, Dentron GmbH, Würzburg; JMA Jaw Moti-on Analyzer, Zebris Medical GmbH, Isny; Arcus Digma,KaVo, Biberach/Riß; Axioquick, SAM Präzisionstech-nik). Diese Systeme arbeiten entweder auf der Basisinduktiver Leiterplatten (Gamma: Cadiax Compact),mittels optoelektronischer Messverfahren (Dentron:String Condylocomp) oder ultraschallbasiert (Zebris,KaVo, SAM). Darüber hinaus lassen sie sich nach demOrt der Messung auf der Achse (Gamma: Cadiax Com-pact; Dentron) bzw. der achsfernen Messung mit Rück-rechnung unterscheiden (Zebris, KaVo, SAM).Bei allen Apparaturen besteht die Notwendigkeit, einEmpfängersystem am Kopf des Patienten und ein Sen-dersystem am Unterkiefer zu befestigen. Die Reliabi-lität der Ergebnisse wird nach bisher unveröffentlich-ten Ergebnissen der Universität Heidelberg durch dieStabilität der Montage am Kopf und am Unterkiefersowie die Körperhaltung des Patienten und die Hand-habung des Instrumentariums beeinflusst.

Grenzen der Systeme

Neben den beschriebenen Grenzen beider Systemebesteht darüber hinaus eine generelle Einschränkung:Beide Messkonzeptionen erlauben nur die Erfassung undAuswertung von Messdaten zu einem Zeitpunkt. Einnachträglicher räumlicher Vergleich verschiedener Mess-zeitpunkte ist generell ausgeschlossen! Bei modellvermittelt indirekten Messverfahren unter Ein-satz spezieller Kondylenpositionsmessinstrumente be-steht zwar grundsätzlich die Möglichkeit, beliebige Zen-trikregistrate bzw. Kieferpositionen, die zu verschiedenenZeitpunkten vermessen wurden, quantitativ miteinanderzu vergleichen. Bei der Messdatenerfassung an den(mechanischen) Instrumenten auf Basis selbstklebenderRegistrieretiketten muss jedoch nach Abschluss der Mes-sung die Entfernung der Registrieretiketten vom Gerätund deren Übertragung auf spezielle Untersuchungs-formblätter erfolgen. Ab diesem Zeitpunkt ist die zusätz-liche Messung weiterer Kieferpositionen für einen Ver-gleich mit den bisherigen Messdaten nicht mehr möglich.Bei den modellunabhängig direkten Systemen könneninfolge der notwendigen Montage des Messsystems am

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In the model-independent direct systems, only the dataacquired at this time can be compared and evaluatedbecause of the necessary mounting of the measuring sys-tem on the patient – for example the jaw position at thefirst tooth contact, at maximum jaw closure or in differ-ent body postures. This excludes the inclusion of data fromprevious examinations.However, in clinical practice, especially in patients withcraniomandibular dysfunctions (CMD), changes of thejaw position occur due to varying body posture or corre-sponding splint therapy. These changes, which occurwithin a period of time, cannot be recorded with the pre-viously available measuring systems. But exactly this isindispensable for quality assurance in functional therapy.So far, the only way out in the model-based indirect mea-suring method is to measure the original records againlater in the condylar position measuring instrument; how-ever, this involves the risk of the plastic records deform-ing in the repeated measurement. Our own unpublishedresults from internal quality control show that this occursto a relevant degree at least in the case of wax records onindividual plastic carriers.

Goal of the development

The described systems illustrate the need for the devel-opment of a three-dimensional condylar position mea-suring instrument which by geometrical construction,computer-assisted acquisition, storage and evaluation ofthe measured data offers the possibility of measuring jawpositions at different points in time and in parallel on dif-ferent patients, and in this way of being able to documentthe course of treatment by a comparison of the results. The specification of the new system comprised the fol-lowing requirements:1. The precision of the measuring system must exceed the

detail fidelity of the records used for measurement. Theavailable studies showed that in repeated centric rela-tion recording, variation in the range of 0.1 to 0.5 mmcan be expected.7,21-24 The maximum was 1.77 mm.7

According to the Shannon sampling theorem, the mea-suring accuracy of the system must accordingly be ableto detect variations of one half of this value.

2. The developed device must be compatible with cus-tomary articulators and model carrier systems becauseof the model-based method.

Patienten nur die zu diesem Zeitpunkt erfassten Datenverglichen und ausgewertet werden – beispielsweise dieKieferposition beim ersten Zahnkontakt, beim maxima-len Kieferschluss oder in verschiedenen Körperhaltungen.Dies schließt die Einbeziehung von Daten aus vorherigenUntersuchungen aus.In der klinischen Praxis treten jedoch gerade bei Patientenmit kraniomandibulären Dysfunktionen (CMD) Verände-rungen der Kieferposition infolge einer variierenden Kör-perhaltung oder einer entsprechenden Schienentherapieein. Diese Veränderungen, die sich innerhalb eines Zeit-raums einstellen, können mit den bisher vorhandenen Mes-ssystemen nicht erfasst werden. Genau dies ist für die Qua-litätssicherung in der Funktionstherapie aber unverzichtbar. Der einzige Ausweg besteht bisher darin, beim modellver-mittelt indirekten Messverfahren die ursprünglichen Regis-trate später erneut im Kondylenpositionsmessinstrumentzu vermessen; dieses beinhaltet allerdings das Risiko, dasssich die plastischen Registrate bei der wiederholten Mes-sung verformen. Eigene, unveröffentlichte Ergebnisse ausder internen Qualitätskontrolle zeigen, dass dieses zumin-dest bei Wachsregistraten auf individuellen Kunststoffträ-gern in relevanter Größenordnung vorkommt.

Entwicklungsziel

Die beschriebenen Systeme verdeutlichen die Notwen-digkeit der Entwicklung eines dreidimensionalen Kondy-lenpositionsmessinstrumentes, welches durch geome-trischen Aufbau, computerunterstützte Erfassung,Speicherung und Auswertung der Messdaten die Mög-lichkeit bietet, zu verschiedenen Zeitpunkten und paral-lel an verschiedenen Patienten die Kieferpositionen zumessen, und dadurch den Verlauf der Behandlung durcheinen Vergleich der Ergebnisse dokumentieren zu können. Das Lastenheft des neuen Systems umfasste dabei fol-gende Anforderungen:1. Die Präzision des Messsystems muss die Detailtreue der

zur Vermessung verwendeten Registrate übertreffen.Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass bei wie-derholter zentrischer Registrierung mit einer Streuungin der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm zu rechnenist.7, 21-24 Das Maximum beträgt 1,77 mm.7 Nach demShannon’schen Abtasttheorem muss die Messgenauig-keit des Systems dementsprechend Größenordnungenin der Hälfte dieses Wertes nachweisen können.

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3. The condylar position must be measured three-dimen-sionally and electronically in order ...

4. ... to facilitate digital storage of the measured data.5. A comparison of different measurements at the same

time and different times must be possible in one coor-dinate system by using suitable software.

6. An interface for transfer to the diagnostic software mustbe defined and implemented.

Implementation of the new measuring system

The condylar position measuring instrument (CPM), devel-oped in the scope of the “Reference” articulator series bythe manufacturer AmannGirrbach (meanwhile taken overby Gamma Dental) served as the basis for implementingthe new measuring system. The size of the interior enablesmodels having a control base (Splitcast) to be mounted.The base plates of the device are suitable both for mount-ing the device’s own equalizing system and for mountingother equalizing systems (eg, AmannGirrbach: Splitex).The measuring electronics, which were required for fulfill-ing the requirements of the specification, were derived fromthe Cadiax Compact recording system (Gamma Dental).Special holders that were connected with the upper part ofthe Reference CPM – and in turn enabled the reversiblemounting of the recording flags – were newly developed.The associated measuring styli were mounted by means ofnewly developed guides on the lower part of the ReferenceCPM. The design was such that existing styli from the Cadi-ax Compact system can be used. The cables with DIN con-nection plugs connected with the available styli, and flagswere combined with the Cadiax Compact interface; thiswas connected by UniversalSerialBus (USB) to a normal PC. An interface which links the system basically to differentdiagnostic software systems was developed for readingand storing the measured data as well as the data of thecomparative measurement. The system is based on a DLL(Dynamic Links Library) containing several routines:• an opening and initialization routine with Boolean feed-

back for success / no success • an interrogation routine, which returns five long val-

ues for the five axes; a Boolean parameter for success/ no success facilitates defensive handling

• a closing routine that correctly logs the process off andalso returns a Boolean parameter.

2. Das entwickelte Gerät muss aufgrund des modellab-hängigen Verfahrens kompatibel zu gängigen Artiku-latoren und Modellträgersystemen sein.

3. Die Messung der Kondylenposition muss dreidimen-sional und elektronisch erfolgen, um...

4. ...die digitale Speicherung der Messdaten zu ermög-lichen.

5. Durch die Verwendung einer geeigneten Softwaremuss ein Vergleich verschiedener Messungen vom glei-chen und von unterschiedlichen Zeitpunkten in einemKoordinatensystem möglich sein.

6. Eine Schnittstelle zur Übergabe an die Diagnosesoft-ware muss definiert und implementiert werden.

Realisierung des neuen Messsystems

Als Grundlage der Realisation des neuen Messsystemsdiente das Kondylenpositionsmessinstrument (CPM), dasim Rahmen der Artikulatorserie „Reference“ vom Her-steller Amann Girrbach entwickelt und mittlerweile vonder Firma Gamma Dental übernommen wurde. Die Größedes Innenraums ermöglicht die Montage von Modellen,die über Kontrollsockel (Splitcast) verfügen. Die Grund-platten des Gerätes sind sowohl zur Installation des gerä-teeigenen Gleichschaltungssystems als auch zur Montageanderer Gleichschaltungssysteme (z. B. Amann Girrbach:Splitex) geeignet.Die Messelektronik, die für die Erfüllung der Vorgabendes Lastenheftes erforderlich war, wurde vom Registrie-rungssystem Cadiax Compact (Gamma Dental) abgelei-tet. Neu entwickelt wurden spezielle Befestigungsele-mente, die mit dem Oberteil des Reference-CPMverbunden wurden und wiederum die reversible Monta-ge der Registrier-„Flaggen“ ermöglichten. Die zugehöri-gen Mess-Styli wurden mittels neu entwickelter Führun-gen am Unterteil des Reference-CPM montiert. DieGestaltung wurde so ausgelegt, dass vorhandene Styli ausdem Cadiax Compact-System verwendet werden kön-nen. Die mit den vorhandenen Styli und Flaggen ver-bundenen Kabel mit DIN-Anschlusssteckern wurden mitdem Cadiax Compact-Interface kombiniert und dieses perUniversalSerialBus (USB) an einen branchenüblichen PCangeschlossen. Zum Auslesen und der Speicherung der Messdaten sowieder Daten der vergleichenden Messung wurde eineSchnittstelle entwickelt, die das System grundsätzlich für

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On the basis of this interface definition, the three-dimen-sional data were transferred to special evaluation anddiagnostic software and processed further there (CMD-fact-Modul CMD3D, dentaConcept).

Material and method of the first evaluation

Corresponding investigations were performed to checkreliability and validity by reference to the first prototype. The basis of these investigations was a precision stan-dardization base that was connected with correspondingbase plates and facilitated exact reproducibility of the setcondylar position (Fig 4).On the basis of this measuring method, the first tests wereperformed by two examiners in each case. The first exam-iner (“mounter”) initially performed 30 mountings. Aftercomplete dismounting had taken place, the precision stan-dardizing key and the upper part were joined together onthe base plate of the system, and then the measuring styliwere brought up to the sensor plates from the lateral direc-tion. The actual computer-assisted measuring device wasoperated by the second examiner (“supervisor”).

verschiedene Diagnosesoftwaresysteme öffnet. DieSchnittstelle beruht dabei auf einer DLL (Dynamic LinksLibrary), die mehrere Routinen beinhaltet:• eine Öffnungs- und Initialisierungsroutine mit Boole-

scher Rückmeldung für Erfolg/kein Erfolg • eine Abfrageroutine, die fünf Long-Werte für die fünf

Achsen zurückgibt; ein Boolescher Parameter fürErfolg/kein Erfolg ermöglicht eine defensive Handha-bung

• eine Schließroutine, die den Vorgang ordnungsgemäßabmeldet und ebenfalls einen Booleschen Parameterzurückgibt.

Auf Grundlage dieser Schnittstellendefinition werden diedreidimensionalen Daten an eine spezielle Auswertungs-und Diagnosesoftware übergeben und dort weiter bear-beitet (CMDfact-Modul CMD3D, Firma dentaConcept).

Material und Methode der ersten Evaluation

Zur Überprüfung der Reliabilität und Validität wurdenanhand des ersten Prototyps entsprechende Untersu-chungen durchgeführt. Grundlage dieser Untersuchungen war ein Präzisions-normungssockel, der mit entsprechenden Sockelplattenverbunden war und eine exakte Reproduzierbarkeit dereingestellten Kondylenposition ermöglichte (Abb. 4).Auf Basis dieser Messmethode wurden die ersten Versu-che von jeweils zwei Untersuchern durchgeführt. Dererste Untersucher („Monteur“) führte zunächst 30 Mon-tagen durch. Nachdem jeweils die vollständige Demon-tage erfolgt war, wurden auf der Grundplatte des Systemsder Präzisionsnormungschlüssel und das Oberteil zusam-menfügt und anschließend die Mess-Styli von lateral andie Sensorplatten herangeführt. Die Bedienung dereigentlichen computergestützten Messeinrichtungerfolgte durch den zweiten Untersucher („Supervisor“).

Ergebnisse der ersten Evaluation

Im Anschluss an die Durchführung dieser Prüfungen wur-den die Messdaten ausgewertet. Dabei stellte sich her-aus, dass die Streuung der Daten hinsichtlich der Präzisi-on den Vorgaben aus dem Lastenheft nicht entsprach

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Fig 4 Prototype of the E-CPM with precision standardizationbase for tests on validity and reliability of the system (Picture:CMD-Centrum Hamburg-Eppendorf).Abb. 4 Prototyp des E-CPM mit Präzisionsnormungssockel fürdie Versuche zur Validität und Reliabilität des Systems (Foto:CMD-Centrum, Hamburg-Eppendorf).

Results of the first evaluation

The measured data were evaluated after these tests hadbeen performed. It was shown that the spread of the datawith regard to precision did not correspond to the require-ments from the specification (Fig 5). A search for the caus-es showed that the tolerances of the newly developedmechanism for fastening the measuring flags and the hold-ing unit for the measuring styli from the Cadiax Compactwere too large. The tolerances were therefore reducedwhen the prototype was changed, and after this redesign,the previously performed measurements were repeated inthe same way. It was shown that repeatability was now sig-nificantly better and reliability was provided to the requireddegree (Fig 6). It was even clearly above the ranges of thepreviously known positioning accuracy of jaw models incondylar position analysis.20 Apart from this, a furtherincrease in accuracy appeared to be technically possible.The E-CPM upper part was therefore completely

(Abb. 5). Bei der Ursachenforschung wurde deutlich, dassder neu entwickelte Mechanismus zur Befestigung derMessflaggen und der Aufnahmeeinheit für die Mess-Styliaus dem Cadiax Compact zu große Toleranzen aufwies.Bei der Veränderung des Prototyps wurden die Toleran-zen daher reduziert und nach dieser Umgestaltung diezuvor durchgeführten Messungen in gleicher Weise wie-derholt. Dabei zeigte sich, dass nunmehr die Wiederhol-barkeit wesentlich besser und somit die Reliabilität ingewünschtem Maß gegeben war (Abb. 6). Sie lag sogardeutlich unterhalb der Größenordnungen der bisherbekannten Positionierungsgenauigkeit von Kiefermodel-len bei der Kondylenpositionsanalyse.20 Dessen unge-achtet erschien eine weitere Steigerung der Genauigkeittechnisch möglich. Es erfolgte daher ein vollständigerUmbau des E-CPM-Oberteils mit geringeren Toleranzenund einem massiv verringerten Gewicht. Danach wurdendie zuvor durchgeführten Messungen in gleicher Weisewiederholt (Abb. 7). Dabei zeigte sich, dass die Genauig-

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Fig 5 Measuring data of 30 measurements on the repro-ducibility of positioning a standard test key with the first pro-totype of the E-CPM. Abscissa shows data for the geometricalprojection planes, labelled according to Slavicek as “x” (sagit-tal), “y” (axial or frontal) and “z” (vertical), ordinate indicatesdeviation from the mean [µm].Abb. 5 Messdaten von 30 Messungen zur Reproduzierbarkeitder Positionierung eines Normprüfschlüssels im ersten Proto-typen des E-CPM. Abszisse mit den Daten für diegeometrischen Projektionsebenen in der Bezeichnung nachSlavicek als „x“ (sagittal), „y“ (axial bzw. frontal) und „z“(vertikal), Ordinate mit der Abweichung vom Mittel [µm].

Fig 6 Recorded data of 30 measurements on the reproducibil-ity of positioning a standard test key with the improved proto-type of the E-CPM (the excessive values of the z left axis aredue to a defect of the left sensor unit and were correctedlater).Abb. 6 Messdaten von 30 Messungen zur Reproduzierbarkeitder Positionierung eines Normprüfschlüssels mit demverbesserten Prototypen des E-CPM (die überhöhten Werteder Achse z left gehen auf einen Defekt der linken Sensorein-heit zurück und wurden später korrigiert).

x right z right y z left x left

[µm

]

-150

-100

-50

0

50

100

150

x right z right y z left x left

[µm

]

-150

-100

-50

0

50

100

150

redesigned with lower tolerances and much-reducedweight. The previously performed measurements werethen repeated in the same way (Fig 7). It was then shownthat the accuracy of the system far exceeded the position-ing accuracy from earlier studies: The requirements of theShannon sampling theorem were exceeded in this case tosuch an extent that the measuring accuracy was not influ-enced on the part of the device. Validity is therefore confirmed with regard to the mea-suring system and is thus determined only by the limitsthat are basically valid for the model-based direct mea-suring method (dimensional accuracy of the model; cen-tric relation records used).

Conclusion

The reliability of the new electronic condylar position mea-suring instrument E-CPM is confirmed on the basis of theperformed in-vitro tests. It was thus shown in the courseof the study that the E-CPM device represents a suitablemeasuring instrument for quality assurance in initial func-tional therapy. The prerequisite for this is that also in a separately per-formed test with original models and several examiners,it can be shown that the actual measuring process fulfillsthe requirements for accuracy revealed within the scopeof this study for the instrument itself. Additional studiesare required to confirm this.

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keit des Systems die Positionierungsgenauigkeit ausfrüheren Untersuchungen bei weitem übertraf: Die Vor-gaben des Shannon’schen Abtasttheorems wurden dabeiso weit übertroffen, dass die Messgenauigkeit nicht vonSeiten des Gerätes beeinflusst wurde. Die Validität ist insofern in Bezug auf das Messsystem vor-gegeben und somit lediglich von den grundsätzlich fürdas modellvermittelte direkte Messverfahren gültigenGrenzen (Dimensionsgenauigkeit der Modelle; verwen-dete Zentrikregistrate) bestimmt.

Schlussfolgerung

Auf Basis der durchgeführten In-vitro-Prüfungen wirddeutlich, dass die Reliabilität des neuen elektronischen Kon-dylenpositionsmessinstrumentes E-CPM gesichert ist. ImRahmen der Studie wurde damit gezeigt, dass das E-CPMein geeignetes Messinstrument für die Qualitätssicherungin der initialen Funktionstherapie darstellen müsste. Voraussetzung hierfür ist, dass auch in einer gesondertdurchgeführten Prüfung mit Originalmodellen und meh-reren Untersuchern gezeigt werden kann, dass der eigent-liche Messvorgang die Anforderungen an die Genauig-keit erfüllt, die im Rahmen dieser Studie für das Instrumentselbst dargelegt werden konnten. Hierfür sind zusätzlicheUntersuchungen erforderlich.

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Fig 7 Recorded data of 30 measurements after renewedredesign of the recording unit with weight reduction of the E-CPM upper part for reduced loading of the wax records. Abb. 7 Messdaten von 30 Messungen zur Reproduzierbarkeitder Positionierung eines Normprüfschlüssels mit dem völligneu konstruierten Oberteil des E-CPM.

x right z right y z left x left

[µm

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PD Dr med dent M. Oliver Ahlers1982: Began study of dentistry in Hamburg, scholarshipfrom the Friedrich Naumann Stiftung1987: Internships in Boston and New York 1988: State exams (Hamburg, Germany) and license topractice 1992: Doctorate at Hamburg University (Experimental stud-ies on the prevention of cleft lips and palates), Germany1996: Prize for meeting’s best from the German Societyof Functional Diagnostics and Therapy for the develop-ment of a documentation system for clinical functionaldiagnoses (with Prof. Dr. Jakstat)1997: Assistant medical director 2001: Prize for meeting’s best from the German Societyof Functional Diagnostics and Therapy for the develop-ment of a diagnostic scheme for clinical functional diag-noses (with Prof. Dr. Jakstat)2001: General Secretary of the German Society of Func-tional Diagnostics and Therapy (DGFDT) 2003: Instructor at the Department of Restorative andPreventive Dentistry, Hamburg-Eppendorf2004: Postdoctoral qualification (habilitation) in Dentaland Oral Medicine, venia legendi, nomination as Associ-ate Professor2004: Deputy medical director of the Department ofRestorative and Preventive Dentistry, Hamburg-Eppendorf2005: Foundation and dentistry head of the CMD, Ham-burg-Eppendorf2005: Appointment as „Specialist for functional diagnos-tics and therapy of the DGFDT“2008: Prize for meeting’s best from the German Societyof Functional Diagnostics and Therapy for the develop-ment of an electronic condylar position measuring system(with K. Vahle-Hinz, A. Rybczynski and Prof. Dr. Jakstat)

PD Dr. med. dent. M. Oliver Ahlers1982: Studium der Zahnmedizin in Hamburg, Stipendi-um der Friedrich-Naumann-Stiftung1987: Auslandsfamulaturen in Boston und New York 1988: Staatsexamen und Approbation in Hamburg1992: Promotion an der Universität Hamburg 1996: Tagungsbestpreis der Deutschen Gesellschaft fürFunktionsdiagnostik und -therapie für die Entwicklungeines Dokumentationssystems für klinische Funktionsbe-funde (mit Prof. Dr. Jakstat)1997: Oberarzt 2001: Tagungsbestpreis der Deutschen Gesellschaft fürFunktionsdiagnostik und -therapie für die Entwicklungeines Diagnoseschemas für die klinische Funktionsanaly-se (mit Prof. Dr. Jakstat)2001: Generalsekretär der Deutschen Gesellschaft fürFunktionsdiagnostik und -therapie 2003: Lehrverantwortung für die Poliklinik für Zahner-haltungskunde und Präventive Zahnheilkunde2004: Habilitation für das Fach Zahn-, Mund- und Kie-ferheilkunde, Venia legendi, Ernennung zum Priv.-Doz.2004: Stellvertretender ärztlicher Leiter der Poliklinik fürZahnerhaltungskunde und Präventive Zahnheilkunde2005: Gründung und zahnärztliche Leitung des CMD-Centrums Hamburg-Eppendorf2005: Ernennung zum „Spezialisten für Funktionsdia-gnostik und -therapie der DGFDT“2008: Tagungsbestpreis der Deutschen Gesellschaft fürFunktionsdiagnostik und -therapie für die Entwicklungeines elektronischen Kondylenpositionsmesssystems (mitK. Vahle-Hinz, A. Rybczynski und Prof. Dr. Jakstat)

Address/Adresse: Priv.-Doz. Dr. med. dent. M. Oliver Ahlers, CMD-Centrum Hamburg-Eppendorf, Falkenried 88, 20251 Hamburg, Germany, E-Mail: Oliver.Ahlers@cmd-centrum.de, www.cmd-centrum.de