CN105012038B - 用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，包括上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二、左摄像机、右摄像机、固定板，所述上颌固位夹板与连接杆一连接，连接杆一与拍摄靶连接杆一连接，拍摄靶连接杆一与拍摄靶一连接，所述下颌固位夹板与连接杆二连接，连接杆二与拍摄靶连接杆二连接，拍摄靶连接杆二与拍摄靶二连接，左摄像机、右摄像机分别安装在固定板上，固定板架设在拍摄靶一和拍摄靶二的正前方。本发明能快速获取个体下颌三维运动轨迹，所输出的轨迹数据可直接输入开放式口腔修复体CAD软件，可以提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性。

Description

用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置

技术领域

本发明涉及一种下颌三维运动轨迹跟踪装置，具体涉及一种用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置。

背景技术

下颌运动轨迹数据(data of mandibular movement path)是指下颌运动中双侧髁状突、下颌牙列或下颌整体相对于上颌的运动轨迹点、曲线或构成该轨迹的关键参数，例如髁道、切道斜度等。是开展数字化口腔医学中与口腔功能运动有关研究、诊断和口腔修复体功能性咬合面数字化设计的重要基础数据。

人类对于下颌运动数据获取的研究由来已久，在三维数字化技术引入之前，下颌运动被分解为双侧髁状突、下颌中切牙切点和其他下颌牙齿解剖标志点的运动进行测量。1910年，Snow发明了能记录下颌二维运动轨迹的哥特式弓，开启了下颌运动数据获取技术的研究。1975年，Jankelson发明了第一代下颌运动仪MKG。随着电子记录技术等三维运动跟踪技术的发展，下颌三维运动轨迹记录装置诞生。

下颌三维运动轨迹记录仪采用光、电磁和超声波等无线传感技术，实时记录个体下颌体相对于上颌的三维运动轨迹，主要体现为双侧髁状突的体表映射点和下颌前牙区标志点这三点，相对于上颌体基准坐标系的连续三维坐标变换。该类设备品种繁多，工作原理各不相同，主要包括：①磁钢式下颌运动轨迹记录仪②光电传感器式下颌运动轨迹记录仪③超声波式下颌运动轨迹记录仪。上述技术设备仅能获得参考点的运动轨迹，要明了整个下颌体在运动过程中的位置变化，还需要结合于口腔三维体数据获取技术，例如CT。

获取个性化的测量下颌运动时不仅需要考虑物理方面的准确性,更需要考虑生理方面的合理性,测量时最好不影响原有的〔牙合〕接触关系,不产生明显的约束负荷、阻力等干扰,也不应对受测者的身体造成不适和对心理造成压力。下颌运动测量手段的改进趋势是越来越多地采用无接触技术,如利用光、磁场、超声波、红外等信号源,通过无线传送到近旁的传感器。传感器和固定于头部的装置的重量和体积也尽量减少,从而可能在更舒适自然的状态下,更准确地测量接近于生理状态的下颌运动。采用三点三维记录下颌运动的系统通过计算机强大的运算能力,可用图形简化、迭代等算法从下颌各种运动推算“旋转轴”的位置,减少了测量难度和对受测者的心理压力。提高下颌运动测量手段的生理性,也就提高了测量结果的可信性和临床应用价值。

下颌运动数据的输出包括关键参数数值、二维运动轨迹数据和三维运动轨迹数据，其中三维运动轨迹数据可采用TXT或STL格式存储，并输入虚拟合架软件在计算机上虚拟再现个体下颌运动特征，用于颞下颌关节运动包括髁突运动、切点运动、形心运动、边缘运动、语言运动、咀嚼运动、关节盘运动和咀嚼肌运动的病生理诊断，以及口腔修复体功能性咬合面形态的三维数字化设计。

2005年陆尔奕等用三维坐标测量仪获得半可调机械〔牙合〕架前伸运动轨迹特征点，建立了〔牙合〕架模拟下颌运动时上颌人工牙列咬合面上任意点前伸运动轨迹，后又开发了模拟下颌牙列前伸运动的算法模块。2009年，孙玉春等基于7轴多功能扫描系统，初步研究了用于全口义齿计算机辅助设计的虚拟半可调〔牙合〕架。2010-2013年，孙玉春等初步建立了机械半可调〔牙合〕架数字模型，完成了对商品化设备获取的下颌运动轨迹数据文件数学解析与三维重建，初步建立了下颌运动虚拟和冠桥咬合检测实验平台。与此同时，德国Smartoptics等口腔固定修复CAD软件开始加入数字化可调式机械〔牙合〕架功能模块，操作者输入髁导斜度等关键参数，软件可在计算机屏幕上重现机械〔牙合〕架的特征运动，并对咬合接触虚拟检测。2004年李鸿波等用三维CT获取上、下颌骨三维数据，用三维扫描仪获取了牙列数据，将两部分数据配准，建立了牙列、颞下颌关节的三维数字模型，用下颌运动轨迹描记仪获取下颌运动轨迹后，实现对下颌运动中上、下牙列相对位置关系、接触点和颞下颌关节的观察。

然而，现有的下颌运动轨迹记录装置均不是为口腔修复CAD专门开发的，设备体积大、应用步骤复杂，与牙齿固定的装置的外形、重量本身就会影响神经肌肉运动，且造价昂贵，不适合用于口腔修复体CAD时个体下颌运动轨迹的快速获取。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，为口腔修复体CAD软件中虚拟〔牙合〕架功能模块提供输入数据，获得个体下颌三维运动轨迹数据的跟踪装置软硬件系统。应用本发明能快速获取个体下颌功能运动过程中，相对于上颌的三维运动轨迹。所输出的轨迹数据为开放式TXT或STL数据，可直接输入开放式口腔修复体计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)软件，提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性，降低医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，降低患者的生理和心理负担，提高医疗质量和效率。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，包括上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二、左摄像机、右摄像机、固定板，所述上颌固位夹板与连接杆一连接，连接杆一与拍摄靶连接杆一连接，拍摄靶连接杆一与拍摄靶一连接，所述下颌固位夹板与连接杆二连接，连接杆二与拍摄靶连接杆二连接，拍摄靶连接杆二与拍摄靶二连接，左摄像机、右摄像机分别安装在固定板上，固定板架设在拍摄靶一和拍摄靶二的正前方。

其中，所述连接杆一包括口内段、口外段，口内段与上颌固位夹板连接，且口内段与上颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆一连接。

其中，所述连接杆二包括口内段、口外段，口内段与下颌固位夹板连接，且口内段与下颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆二连接。

其中，所述拍摄靶一、拍摄靶二均为白色平板，所述白色平板表面上设有三个不共线的黑色标志点。

其中，所述上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二均由树脂材料制成。

本发明的优点在于：

1、采用的口腔内工作单元小巧、重量轻，且对上下颌牙齿咬合运动无干扰。

2、采用双目立体视觉原理，成本较低，操作简单，外界干扰小，精度较高。

3、应用本发明能快速获取个体下颌功能运动过程中，相对于上颌的三维运动轨迹。所输出的轨迹数据为开放式TXT或STL数据，可直接输入开放式口腔修复体计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)软件，提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性，降低医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，降低患者的生理和心理负担，提高医疗质量和效率。

附图说明

图1为本发明工作时的结构的示意图；

图2-a为本发明上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一连接的示意图；

图2-b为上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二连接的示意图；

图3为为本发明工作原理的示意图。

图中，1、固定板；2、左摄像机；3、右摄像机；4、拍摄靶一；5、受试者；6、上颌固位夹板；7、连接杆一；9、拍摄靶二；10、拍摄靶连接杆一；11、下颌固位夹板；12、连接杆二；13、拍摄靶连接杆二；14、计算机；G、口内固定装置与受试者组成的刚体；O、Q、P、黑色标志点；R、与拍摄靶一、拍摄靶二垂直延伸的坐标点。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1-3，本发明的一种用于虚拟〔牙合〕架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，包括上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二、左摄像机、右摄像机、固定板，所述上颌固位夹板与连接杆一连接，连接杆一与拍摄靶连接杆一连接，拍摄靶连接杆一与拍摄靶一连接，所述下颌固位夹板与连接杆二连接，连接杆二与拍摄靶连接杆二连接，拍摄靶连接杆二与拍摄靶二连接，左摄像机、右摄像机分别安装在固定板上，固定板架设在拍摄靶一和拍摄靶二的正前方。

其中，所述连接杆一包括口内段、口外段，口内段与上颌固位夹板连接，且口内段与上颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆一连接。

所述连接杆二包括口内段、口外段，口内段与下颌固位夹板连接，且口内段与下颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆二连接。

所述拍摄靶一、拍摄靶二均为白色平板，所述白色平板表面上设有三个不共线的黑色标志点。

所述上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二均由树脂材料制成。

参见图1：本发明的控制方法为：

1)嘱受试者做咬合运动，同时左摄像机、右摄像机连续拍摄图像，图像传入计算机中；

2)提取拍摄靶一、拍摄靶二上的三个黑色标志点，得到三个黑色标志点的像素坐标，进而得到三个黑色标志点在摄像机坐标系中的坐标，利用这这个个坐标可以得到一个变换矩阵，将全部点云变换到摄像机世界坐标系，连续处理即可得到拍摄靶一、拍摄靶二在世界坐标系中的运动轨迹数据；

3)利用牙颌模型扫描仪获取受试者牙列的三维数据，并将牙列的三维数据与步骤2)中所得运动轨迹数据统一到同一坐标系中，实现以3D图形再现受试者上下颌之间的三维运动。

本发明的工作原理：参见图3，由上颌固位夹板、连接杆一、下颌固位夹板、连接杆二组成的口内固定装置固定于受试者的上颌或下颌，现将口内固定装置与受试者组成的整体定义为刚体G，刚体G与拍摄靶一、拍摄靶二固定连接，拍摄靶一、拍摄靶二上有O、P、Q三个标记点，R点在平面外，OPQR四点确定了三维坐标系。对口内固定装置作表面三维扫描，并将坐标换算到OPQR坐标系。用摄像头对拍摄靶一、拍摄靶二拍照，处理图像，可以得到OPQ三点在摄像机坐标系中的坐标，进而得到R点在摄像机坐标系中的坐标：

$\stackrel{\→}{R}=\stackrel{\→}{P}\×\stackrel{\→}{Q}$

设OPQR坐标系中的点O(0，0，0)，P(1，0，0)，Q(0，1，0)，R(0，0，1)在XYZ坐标系中的相应坐标是

(x₀,y₀,z₀),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]M$

于是可以得到一个由PQR到XYZ的变换矩阵M，将刚体G表面所有点变换到XYZ坐标系。当刚体G发生运动(平移、旋转)后，重复上述测量过程，可以得到刚体G在XYZ坐标系中的新坐标。于是可以在计算机中分析、再现刚体G的三维运动形态与过程。

本发明能快速获取个体下颌三维运动轨迹，所输出的轨迹数据可直接输入开放式口腔修复体CAD软件，可以提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性

如上所述，便可较为充分的实现本发明。以上所述仅为本发明的较为合理的实施实例，本发明的保护范围包括但并不局限于此，本领域的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变性变更均包括在本发明包括范围之内。

Claims (5)

1.一种用于虚拟|牙合|架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，其特征在于：包括上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二、左摄像机、右摄像机、固定板，所述上颌固位夹板与连接杆一连接，连接杆一与拍摄靶连接杆一连接，拍摄靶连接杆一与拍摄靶一连接，所述下颌固位夹板与连接杆二连接，连接杆二与拍摄靶连接杆二连接，拍摄靶连接杆二与拍摄靶二连接，左摄像机、右摄像机分别安装在固定板上，固定板架设在拍摄靶一和拍摄靶二的正前方；

由上颌固位夹板、连接杆一、下颌固位夹板、连接杆二组成的口内固定装置固定于受试者的上颌或下颌，将口内固定装置与受试者组成的整体定义为刚体G，刚体G与拍摄靶一、拍摄靶二固定连接，拍摄靶一、拍摄靶二上有O、P、Q三个标记点，R点在平面外，OPQR四点确定了三维坐标系；对口内固定装置作表面三维扫描，并将坐标换算到OPQR坐标系；用摄像头对拍摄靶一、拍摄靶二拍照，处理图像，能得到OPQ三点在摄像机坐标系中的坐标，进而得到R点在摄像机坐标系中的坐标：

$\stackrel{\→}{R}=\stackrel{\→}{P}\×\stackrel{\→}{Q}$

设OPQR坐标系中的点O(0，0，0)，P(1，0，0)，Q(0，1，0)，R(0，0，1)在XYZ坐标系中的相应坐标是

(x₀,y₀,z₀),(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]M$

于是能得到一个由PQR到XYZ的变换矩阵M，将刚体G表面所有点变换到XYZ坐标系；当刚体G发生运动后，重复上述测量过程，能得到刚体G在XYZ坐标系中的新坐标；于是能在计算机中分析、再现刚体G的三维运动形态与过程。

2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟|牙合|架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述连接杆一包括口内段、口外段，口内段与上颌固位夹板连接，且口内段与上颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆一连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于虚拟|牙合|架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述连接杆二包括口内段、口外段，口内段与下颌固位夹板连接，且口内段与下颌固位夹板连接处的法线垂直，口内段与口外段连接，口外段呈弧形，口外段与拍摄靶连接杆二连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于虚拟|牙合|架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述拍摄靶一、拍摄靶二均为白色平板，所述白色平板表面上设有三个不共线的黑色标志点。

5.根据权利要求1所述的一种用于虚拟|牙合|架的下颌三维运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述上颌固位夹板、连接杆一、拍摄靶连接杆一、拍摄靶一、下颌固位夹板、连接杆二、拍摄靶连接杆二、拍摄靶二均由树脂材料制成。