CN102008282B - 数字印模口内扫描仪及口腔内表面形貌图像实时重建系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于医疗器械领域，提供了一种数字印模口内扫描仪，具有一限制采集范围大小的窗口，沿光路方向依次包括三色LED光源模组、微透镜阵列板、准直透镜组、灰度编码光栅板、光学偏转器、投影透镜组、第一反射镜、平行放置且反射面相对的第二反射镜和第三反射镜、摄像头。本发明提供的数字印模口内扫描仪能够实现直接在人体口腔内部进行扫描，实时获取牙体和软组织三维面形的新型数字印模，可以满足口腔科医生和口腔技师快速、准确获取口腔印模的要求。

Description

数字印模口内扫描仪及口腔内表面形貌图像实时重建系统
技术领域
本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种数字印模口内扫描仪及口腔内表面形貌图像实时重建系统。
背景技术
在临床口腔诊疗和修复过程中，口腔印模是一种重要的信息存储源，几乎每个患者都需要印取一副甚至多副印模。医生通过治疗前、中、后等多副模型的对比，即可了解治疗的效果，提高检查、诊断和治疗的准确性，而口腔技师也需要根据印模来确定义齿修复体的形态。
目前，易操作、高精度、存储方便的数字印模技术越来越受到口腔医学界的重视，越来越多的学者和公司投入了大量的精力和财力对此进行研究。数字印模获取的方式根据扫描的位置分为两大类，即口外扫描和口内扫描，其中口内扫描是近两年国外出现的一种新的扫描方式。口内扫描将探测器伸入病人的口内直接对牙体进行测量，实时获取数字印模。与口外扫描相比，它有着更多的优越性。首先，提高了病人的满意度。其次，对医生来说，进一步改进了印模的品质，减少了椅边操作的步骤，节约了宝贵的时间，大大降低了材料和人工的消耗，并为医生的操作提供了有效的导引。最后也是最为重要的，它还为病人和医生之间建立起一个交流的平台，医生和病人可以根据获取的数字印模进行讨论，既可以使病人了解到自己的病情和医生的修复意图，也可以让医生更好的根据病人的需求来制定或者修正治疗方案，使医患关系更加融洽。
由于口内实时扫描的特殊性，除了要求探测器小巧(可以伸入口腔内部)之外，还要求扫描尽可能的快速。因此现在需要一种可直接在人体口腔内部进行扫描并实时获取扫描结果的口内扫描技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字印模口内扫描仪，旨在实现可直接在人体口腔内部进行扫描，实时获取牙体和软组织等口腔内表面的三维面形数据。
本发明是这样实现的，一种数字印模口内扫描仪，所述数字印模口内扫描仪具有一限制采集范围大小的窗口；所述数字印模口内扫描仪沿光路方向依次包括：
三色LED光源模组；
微透镜阵列板，用于将所述三色LED光源模组产生的光束分布变均匀；
准直透镜组，用于将光束进行准直；
灰度编码光栅板，用于产生投影所需的灰度编码条纹图像；
光学偏转器，用于将光线进行偏移，对不同波长的光线的偏移距离不同；
投影透镜组，用于将经过所述灰度编码光栅板和所述光学偏转器的灰度编码光栅图像投影到被测物体表面；
第一反射镜，改变投影光路，使投影光线从所述窗口射出；
平行放置且反射面相对的第二反射镜和第三反射镜，用于保证光线能够在一个受限的空间内进行长距离传递；
摄像头，用于将口腔内表面的条纹分布进行成像、采集和记录；
在所述摄像头之前，所述数字印模口内扫描仪还包括：第四反射镜和第五反射镜，用于改变经过所述第二反射镜和第三反射镜反射的光的光路，使光线能够进入摄像头。本发明还提供了一种口腔内表面形貌图像实时重建系统，包括如上所述的数字印模口内扫描仪；还包括计算机系统和同步控制电路系统；
所述同步控制电路系统用于控制所述三色LED光源模组的频闪频率和所述摄像头的采集频率同步；
所述计算机系统用于根据所述数字印模口内扫描仪采集到的条纹图像进行口腔内表面形貌的实时重建。
本发明提供的数字印模口内扫描仪能够实现直接在人体口腔内部进行扫描，实时获取牙体和软组织三维面形的新型数字印模，可以满足口腔科医生和口腔技师对快速，准确获取口腔印模的要求，该技术利用了当不同波长(颜色)的光线通过光学偏转器后的偏移距离不同，从而实现了投影在被测物体表面的条纹图像的精确相移；使用两个平行的平面反射镜，延长了成像光路，使窗口外的图像可以在一个狭窄的空间内传播，有利于数字印模口内扫描仪整体的小型化；同时利用同步电路将三色LED光源中三种波长(颜色)光频闪频率和摄像头的快门频率同步起来，实现了实时的数据采集。
附图说明
图1是本发明实施例提供的口腔内表面形貌图像实时重建系统的架构原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，根据口内实时扫描的速度与精度需要以及口腔内表面形状复杂、高矮参差不齐的特点，采用主动投影结构光场到牙体表面形成编码条纹图像，并用成像设备从与投影光路成一角度的位置记录下带有编码条纹图像的牙体形貌图像。然后通过编码信息提取出物体表面的位置和高度信息，最终实现对牙体和周围软组织三维面形的实时重建。
图1示出了本发明实施例提供的口腔内表面形貌图像实时重建系统的架构原理，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。
参照图1，口腔内表面形貌图像实时重建系统包括三色LED光源模组1、微透镜阵列板2、准直透镜组3、灰度编码光栅板4、光学偏转器5、投影透镜组6、第一平面反射镜71、第二平面反射镜72、第三平面反射镜73、第四平面反射镜74、第五平面反射镜75、摄像头8、窗口9以及计算机系统10。其中，三色LED光源模组1由三色LED光源和罩于所述三色LED光源外部的反光碗组成，第二平面反射镜72与第三平面反射镜73平行放置且反射面相对，而光学偏转器5由一对形状完全相同，且具有直角边的楔形棱镜组成。三色LED光源用于依次产生不同波长(颜色)的投影光线，例如可以采用红、绿、兰三色LED光源，该投影光线经过微透镜阵列板2后光照分布比较均匀，然后通过准直透镜组3准直后照射到灰度编码光栅板4上，经过灰度编码光栅板4透射后的光线携带有灰度编码光栅信息，该光线再由光学偏转器5进行偏转后，由于波长(颜色)不同，偏移的距离不同，因此最终通过第一反射镜71和窗口9后投影在口腔内表面的灰度编码条纹图像的位置会发生偏移，从而形成了满足三步相移测量轮廓术所需要的三帧具有不同相移的条纹图像。然后采用摄像头8和第二至第五平面反射镜对口腔内表面的参考平面或者是被测物体表面的条纹分布进行成像和记录。其中由于第二平面反射镜72与第三平面反射镜73这两个平面反射镜的反射表面相对平行放置，通过多次反射确保在一个较小的空间内能够将窗口9外的被测物体的像进行传输，然后再通过另外两个平面反射镜将图像传送到摄像头8。摄像系统记录得到的条纹图像通过电路传送至计算机系统10，计算机系统10根据采集到的条纹图像进行口腔内表面形貌的实时重建。此外，计算机系统10还通过同步电路控制系统控制多色LED光源1的频闪频率和摄像头8的采集频率，保证二者同步进行。采集完成以后，计算机系统10首先对三帧相移条纹图像进行处理提取其相位信息。其方案如下：首先对记录下来的三幅条纹图像按照三步相移测量轮廓术的公式计算其截断相位分布；然后再根据灰度编码信息确定该条纹的级次，对截断相位进行展开；最后根据得到的展开相位图像进行重建得到其三维面形数据。
应当理解，图1中的第四反射镜和第五反射镜可根据实际情况选用，只要保证经过第四反射镜74和/或第五反射镜75改变光路后，带有条纹调制信息的被测物体的像能够最终被摄像头8捕获即可，具体可只选用第四反射镜74和第五反射镜75中的一个或两个都选用。当然，若摄像头8相对于第二反射镜72和第三反射镜73的位置合适，也可省略第四反射镜74和第五反射镜75。
上述的数字印模口内扫描仪可以做成一探测头的形状，平行放置的第二反射镜72和第三反射镜73间隔小于16毫米，通过多次反射延长光路，确保在伸入口腔内部的探测器前端部分的外观尺寸小于20x20毫米。与其它技术方案相比，本发明实施例自行设计了一种投影和成像系统，在保证投影和采集图像高分辨率的情况下将数字印模口内扫描仪(探测头)做得更加小巧，从而适合实现口内操作。
本发明实施例提供的数字印模口内扫描仪能够实现直接在人体口腔内部进行扫描，实时获取牙体和软组织三维面形的新型数字印模，可以满足口腔科医生和口腔技师快速、准确获取口腔印模的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字印模口内扫描仪，其特征在于，所述数字印模口内扫描仪具有一限制采集范围大小的窗口；所述数字印模口内扫描仪沿光路方向依次包括：
三色LED光源模组；
微透镜阵列板，用于将所述三色LED光源模组产生的光束分布变均匀；
准直透镜组，用于将光束进行准直；
灰度编码光栅板，用于产生投影所需的灰度编码条纹图像；
光学偏转器，用于将光线进行偏移，对不同波长的光线的偏移距离不同；
投影透镜组，用于将经过所述灰度编码光栅板和所述光学偏转器的灰度编码光栅图像投影到被测物体表面；
第一反射镜，改变投影光路，使投影光线从所述窗口射出；
平行放置且反射面相对的第二反射镜和第三反射镜，用于保证光线能够在一个受限的空间内进行长距离传递；
摄像头，用于将口腔内表面的条纹分布进行成像、采集和记录；
在所述摄像头之前，所述数字印模口内扫描仪还包括：第四反射镜和第五反射镜，用于改变经过所述第二反射镜和第三反射镜反射的光的光路，使光线能够进入摄像头。
2.如权利要求1所述的数字印模口内扫描仪，其特征在于，所述三色LED光源模组包括三色LED光源和罩于所述三色LED光源外部的反光碗。
3.如权利要求1所述的数字印模口内扫描仪，其特征在于，所述光学偏转器由一对形状完全相同，且具有直角边的楔形棱镜组成。
4.一种口腔内表面形貌图像实时重建系统，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的数字印模口内扫描仪；还包括计算机系统和同步控制电路系统；
所述同步控制电路系统用于控制所述三色LED光源模组的频闪频率和所述摄像头的采集频率同步；
所述计算机系统用于根据所述数字印模口内扫描仪采集到的条纹图像进行口腔内表面形貌的实时重建。
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