CN105125303A - 牙体立体影像建立方法 - Google Patents

Abstract

一种牙体立体影像建立方法，先利用一探头分别取得多个牙齿的舌侧面与颊侧面的点云数据与对应的X、Y与Z轴旋转索引值；接着由一影像处理装置根据旋转索引值叠合多个牙齿的点云数据后形成临床牙体立体影像；筛选该临床牙体立体影像的顶点后进行多项式拟合计算以取得一初步牙弓曲线；根据该初步牙弓曲线产生多个真子集，并于每组真子集中定义出一拟合参照点，接着根据这些拟合参照点得到一临床牙弓曲线；最后计算该临床牙弓曲线与一标准牙弓曲线的偏移数据，以利用该偏移数据对该临床牙体立体影像进行校正。通过本发明可有效解决现有技术中因治疗器具的复杂结构产生误差的问题。

Description

牙体立体影像建立方法

技术领域

本发明是关于一种牙体立体影像建立方法，通过初步坐标位移与牙弓曲线校正而得出精确的牙体模型。

背景技术

请参考中国台湾专利公开第201302166号案，其公开一种齿模位置方法，实施该方法需使用多种硬件装置，包含有咬合器、设有标记元件与参考物件的标记模组与感测装置。该前案是应用于电脑断层(CT)影像的重建与定位，患者必须操作在咬合器并咬着该标记模组，才可以进行位置标记，造成患者在临床治疗上的不舒适感。再者，该前案的治具结构复杂，容易造成位置感测的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种颚牙体立体影像模型建立方法，以解决现有技术中因复杂结构容易产生误差的缺陷。

本发明的技术方案是提供一种牙体立体影像建立方法，包含：

利用一探头拍摄多个牙齿以产生多个牙齿第一点云数据与第二点云数据，该第一点云数据与第二点云数据分别具有对应的X轴、Y轴与Z轴旋转索引值；

由一影像处理装置接收该第一点云数据、第二点云数据与旋转索引值，并根据一影像位移对照表与该旋转索引值叠合多个牙齿的第一点云数据与第二点云数据以形成一临床牙体立体影像；

筛选该临床牙体立体影像上的顶点，使筛选出的顶点仅对应分布在牙齿的咬合面上；

对筛选出的顶点进行多项式拟合计算以取得一初步牙弓曲线；

对该初步牙弓曲线进行等分后，产生多个真子集，各真子集包含有至少一顶点；

于每组真子集中定义出一拟合参照点；

以多项式拟合这些拟合参照点以得到一临床牙弓曲线；

根据该临床牙弓曲线的任一重心点与一标准牙弓曲线上所有的数据点进行第K个邻近取样法(k-thnearestneighbormethod,KNNmethod)，以得出最接近各重心点的一数据点；

根据各重心点与其对应数据点的偏移量对该临床半颚牙体影像进行校正。

本发明仅利用探头拍摄患者的牙齿影像，并利用影像处理方式进行牙体模型的建立，自然不会有现有技术所述使用复杂硬件设备导致患者不舒适感的缺点；也因本发明没有使用复杂的硬件结构，本发明主要通过演算法进行牙体模型的建立，自然避免现有技术所述结构因素导致感测误差的缺失。

附图说明

图1：本发明立体牙齿建模系统的电路方块示意图。

图2：本发明中建立标准牙体立体影像与标准牙弓曲线的流程示意图。

图3：本发明拍摄牙齿舌侧面示意图。

图4：本发明拍摄牙齿颊侧面示意图。

图5：本发明第一标准影像与第二标准影像叠合示意图

图6：本发明产生咬合平面YOCC的示意图。

图7：本发明顶点分布在牙齿咬合面与牙龈处的示意图。

图8：本发明顶点仅分布在牙齿咬合面的示意图。

图9：本发明根据图7的顶点拟合出的初步牙弓曲线的示意图。

图10：本发明在真子集找出拟合参照点的示意图。

图11：本发明拟合图10的拟合参照点得到临床牙弓曲线的示意图。

图12：本发明中建立临床牙体立体影像与临床牙弓曲线的流程示意图。

图13：本发明标准牙弓曲线与临床牙弓曲线的示意图。

图14：本发明标准牙弓曲线与临床牙弓曲线部分线段的示意图。

主要元件符号说明

10探头11姿态感测器

12点云数据取样单元100牙齿

101牙齿舌侧面102牙齿颊侧面

20影像处理装置21坐标数值回授比对单元

22标准牙模对位坐标数据库23牙体点云数据处理单元

24第一阶段贴合计算单元25比对计算单元

26第二阶段贴合计算单元31标准牙弓曲线

310数据点32临床牙弓曲线

320重心点40标准牙体立体影像

401咬合面402牙龈

41顶点42拟合参照点

50初步牙弓曲线51标准牙弓曲线

500等分线

具体实施方式

请参考图1所示，本发明立体牙齿建模系统包含有一探头10与一影像处理装置20。该探头10具有拍照功能并设有一姿态感测器11与一点云数据取样单元12，其中该姿态感测器11可为陀螺仪。该影像处理装置20可为设于该探头10外的电脑，且该影像处理装置20连线到该探头10以进行数据传输，并负责牙齿立体影像模型的建立与校正。该影像处理装置20包含有一坐标数值回授比对单元21、一标准牙模对位坐标数据库22、一牙体点云数据处理单元23、一第一阶段贴合计算单元24、一比对计算单元25与一第二阶段贴合计算单元26。

本发明是对标准牙齿实体模型与患者口腔内的牙齿分别建构出一标准牙体立体影像与一临床牙体立体影像，并分别计算出一标准牙弓曲线与一临床牙弓曲线，以在判断出该临床牙弓曲线与标准牙弓曲线的误差后，对该临床牙体立体影像进行校正。以下请配合图2所示，先以该标准牙弓曲线的建立为例说明。

使用者可持该探头10拍摄该标准牙齿实体模型，本实施例仅以拍摄下颚牙齿为例说明，但本发明同样可应用于上颚牙齿。对于单颗牙齿100而言，主要是对该牙齿100拍摄一第一标准影像与一第二标准影像，第一与第二标准影像为点云(pointcloud)数据，其中点云数据是指由点构成的图案，请参考图3所示，该第一标准影像可为朝该牙齿舌侧面101所拍摄的影像，且拍摄角度为相对一水平面呈45度角，请参考图4所示，该第二标准影像可为朝该牙齿颊侧面102所拍摄的影像，且拍摄角度为相对一水平面呈45度角。于拍摄时，该姿态感测器11是根据拍摄当时该探头10的空间位置产生空间坐标参数，在直角坐标系统下，空间坐标参数包含有x轴旋转索引值(yaw)、y轴旋转索引值(pitch)、z轴旋转索引值(roll)、x坐标(dx)、y坐标(dy)、z坐标(dz)(步骤101)。因此，每张拍摄的标准影像都有对应的空间坐标参数。

取得第一与第二标准影像后，使用者可操作该影像处理装置20以将该第一标准影像与第二标准影像中的牙齿部分相互对位与叠合，如图5所示，为第一标准影像A与第二标准影像B叠合后的示意图，并记录该第一标准影像与第二标准影像的在x轴方向、y轴方向与z轴方向上的平移量。因此，当拍摄完该标准牙齿实体模型的所有牙齿并完成叠合动作后，形成一标准牙体立体影像，并取得一系列牙齿的旋转索引值及对应的平移量，则这些旋转索引值与平移量可在该标准牙模对位坐标数据库22中建立一影像位移对照表(步骤102)。

建立出该标准牙体立体影像后，由该比对计算单元25接收该标准牙体立体影像以进行其标准牙弓曲线的计算，以下根据胡颂玉等人所著《牙弓拥挤度分析技术研究》<http://www.zclw.net/article/sort040/sort046/info-7554.html>说明牙弓曲线的计算。

请参考图6所示，该比对计算单元25首先在该标准牙体立体影像40定义出四个特征点B1、B2、B3、B4，该四个特征点B1、B2、B3、B4分别为左、右恒牙的颊侧尖点与左、右尖牙的颊侧尖点，本发明是以平均标准差方法计算出一咬合平面Y_OCC，前述特征点B1～B4为最接近咬合平面Y_OCC的四个点。

于计算出咬合平面Y_OCC后，是在该标准牙体立体影像40的点云数据中筛选出特征点，以根据筛选出的特征点进行后续标准牙弓曲线的计算。该标准牙体立体影像40的点云数据中，任三点可建构出一个三角网格，因此多个点可建构出多个三角网格，由这些三角网格近似牙齿与周边组织的曲面。由于多个三角网格构成的近似曲面为分片线性曲面(piecewiselinearapproximation)，本发明采用面积加权法计算三角网格顶点点云数据的特征向量，顶点的特征向量可表示如下：

${\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_{\mathrm{Vi}}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_{i,j}{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_{i,j}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_{i,j}}$

A_i,j与分别表示第j个三角网格的面积与单位向量。若以x_i、y_i与z_i代表三角网格的顶点坐标，则所有三角网格顶点的集合定义如下：

$S_V={\&cup;}_{i=1}^n{V}_i(x_i,y_i,z_i,{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_i)$

接近在该咬合平面Y_OCC上的顶点可作为建立一初步牙弓曲线的参照点，咬合平面Y_OCC可以近似作为各顶点的切平面，因此在顶点处咬合平面Y_OCC的向量和三角网格顶点向量的方向近似一致，故以一集合S_φ表示顶点向量与咬合面向量(即咬合平面Y_OCC的法向量)的夹角小于一预设角度φ的定点集合，S_φ定义如下，其中预设角度φ＝10°由实验模拟的较佳结果。

$S_{\mathrm{\&phi;}}=\left\{V_i\right|V_i\&Element;S_V,({\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_v,{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_f)<\mathrm{\&phi;}\}$

请参考图7所示的对照图，由S_φ筛选出的三角网格顶点41分布在牙齿咬合面401与牙龈402。本发明使用一真子集S^* _φτ以排除位于牙龈402处的顶点41，真子集S^* _φτ定义如下：

${S^{*}}_{\mathrm{\&phi;\&tau;}}=\left\{V_i\right|V_i\&Element;S_{\mathrm{\&phi;}},\mathrm{dis}(V_i,Y_{\mathrm{OCC}})\&le;\mathrm{\&tau;}\}$

其中dis(V_i,Y_OCC)表示顶点41至咬合平面Y_OCC之间的距离，τ为常数，本较佳实施例是以τ＝3(mm)，τ的值是预设在影像处理装置20中，真子集S^* _φτ筛选出的顶点请参考图8所示，可见顶点41仅分布在咬合面401上，没有分布在牙龈处，留下的顶点41即作为建立初步牙弓曲线的参照点(步骤103)。

请参考图8所示，接着根据真子集S^* _φτ筛选出的顶点41进行多项式拟合计算以取得初步牙弓曲线，本发明是以四次多项式拟合出该初步牙弓曲线方程式f(x,y)＝ax⁴+bx³+cx²+dx+e-y，其中多项式系数a～e是由带权的最小平方法求出(步骤104)。

请参考图9所示，揭露筛选后的顶点41在XOY坐标平面的投影点，以及根据这些投影点拟合出的初步牙弓曲线50。

接着，将该初步牙弓曲线50由多个等分线500等分为n个区段，并在每个等分点插入一法平面以对S^* _φτ的集合进行划分，即得到S^* _φτ的多个组真子集S^*1 _φτ、S^*2 _φτ…S^*n _φτ(步骤105)。假设初步牙弓曲线50在第i个等分点处的切向量(即等分面的法向量)为在X轴上的分量为沿X轴增加的方向，S^*i _φτ定义如下：

${S^{*i}}_{\mathrm{\&phi;\&tau;}}=\left\{V_k\right|V_k\&Element;{S^{*}}_{\mathrm{\&phi;\&tau;}},{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_k\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{t}}_i>0,{\stackrel{\&RightArrow;}{n}}_k\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{t}}_{i+1}\&le;0\}$

请参考图10所示，接着计算在每组真子集S^*1 _φτ、S^*2 _φτ…S^*n _φτ中的顶点41到该咬合平面Y_OCC的距离，以将距离该咬合平面Y_OCC最长的顶点作为拟合参照点42，并过滤其他顶点而仅保留拟合参照点42(步骤106)。请参考图11所示，以四次多项式拟合这些拟合参照点42以得到标准牙弓曲线51(步骤107)。

前述是说明标准牙弓曲线的计算，请参考图12所示的流程图，以下说明临床牙体立体影像与其临床牙弓曲线的计算。使用者可持该探头10拍摄患者的实际牙齿影像，本实施例仅以拍摄下颚牙齿为例说明。对于患者的单颗牙齿而言，如同前述第101步骤，是对患者牙齿拍摄一第一影像与一第二影像，该第一影像可为朝牙齿舌侧面所拍摄的影像，且拍摄角度为相对一水平面呈度角，而该第二影像可为朝牙齿颊侧面所拍摄的影像，且拍摄角度为相对一水平面呈45度角，该探头10亦产生对应的旋转索引值。当该探头10拍摄完第一影像与第二影像后，该点云数据取样单元12分别将该第一影像与第二影像对应产生一第一点云数据与一第二点云数据(步骤101’)。

在探头10产生单颗牙齿的第一点云数据、第二点云数据与对应的旋转索引值后，该影像处理装置20从该探头10接收该第一点云数据、第二点云数据与旋转索引值。该坐标数值回授比对单元21接收该第一点云数据与第二点云数据的旋转索引值，以根据这些旋转索引值从该标准牙模对位坐标数据库22的影像位移对照表读取对应的位移量，并将旋转索引值与对应的位移量传送到该第一阶段贴合计算单元24。该牙体点云数据处理单元23则将该第一点云数据与一第二点云数据传送给该第一阶段贴合计算单元24。

该第一阶段贴合计算单元24接收到该第一点云数据、第二点云数据与对应的位移量后，该第一阶段贴合计算单元24即自动根据位移量将该第一点云数据与第二点云数据相互叠合，形成单颗牙齿的一初步叠合影像。重复前述步骤，对多个颗牙齿分别建立初步叠合影像，由于两个相临的初步叠合影像包含有共同的影像特征，例如拍摄到相同的牙齿，该第一阶段贴合计算单元24将该多个初步叠合影像根据共同的影像特征彼此接合后，形成一临床牙体立体影像(步骤102’)。该第一阶段贴合计算单元24完成该临床牙体立体影像后，由该比对计算单元25接收该临床牙体立体影像，以对该临床牙体立体影像计算其临床牙弓曲线，该临床牙弓曲线的计算方法与该标准牙弓曲线的计算方法相同，简言之，即筛选出该临床牙体立体影像中各牙齿咬合面上的顶点(步骤103’)、根据筛选后的顶点形成一初步牙弓曲线(步骤104’)、产生多个真子集(步骤105’)、定义拟合参照点(步骤106’)以及根据拟合参照点拟合出该临床牙弓曲线(步骤107’)，在此不再详细赘述。

根据前述步骤获得临床牙弓曲线后，计算该临床牙弓曲线相对于该标准牙弓曲线的偏移数据，以根据偏移数据对该对该临床牙体立体影像进行校正(步骤108’)，请参考图13所示，揭露标准牙弓曲线31与临床牙弓曲线32，该第二阶段贴合计算单元26将计算出临床牙弓曲线32的偏移量以近似该标准牙弓曲线31。如图14所示标准牙弓曲线31与临床牙弓曲线32的部分线段，首先对该临床牙弓曲线32定义出多个重心点320，这些重心点320为该第二牙弓曲曲线32的等分点(如图10所示等分线与牙弓曲线的交点)，其坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)、…、(xf,yf)、…，该标准牙弓曲线31亦定义有多个数据点310，这些数据点310为该标准牙弓曲线31的等分点，且这些数据点310的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、…、(x6,y6)、…。本发明根据该临床牙弓曲线32的任一重心点310与该标准牙弓曲线31上所有的数据点310进行第K个邻近取样法(k-thnearestneighbormethod,KNNmethod)，以找出最接近该重心点320的一数据点310，举例而言，最邻近重心点310(xa,ya)的数据点为(x1,y1)。当取得两个最接近的数据点310与重心点320后，计算重心点320的偏移数值(Xi,Yi)，Xi＝xa-x1，Yi＝ya-y1。

因此，该第二阶段贴合计算单元26中以(Xi,Yi)数据作为该临床牙体立体影像偏移校正的依据，亦即该临床牙体立体影像的点云数据中包含有图13所示的重心点320，该临床牙体立体影像中，于重心点320周围包含有对应的点数据群，这些点数据群根据其重心点320的偏移数据进行在x轴与y轴上的偏移，整体而言是使该临床牙体立体影像根据标准牙弓曲线进行偏移(可参考欧洲专利第EP2026279号“Methodandsystemforaligningthree-dimensionalsurfaces”)，借此产生更精确的牙齿立体影像。

Claims (2)

1.一种牙体立体影像建立方法，其特征在于，所述牙体立体影像建立方法包含：

利用一探头拍摄多个牙齿以产生所述多个牙齿第一点云数据与第二点云数据，该第一点云数据与第二点云数据分别具有对应的X轴、Y轴与Z轴旋转索引值；

由一影像处理装置接收该第一点云数据、第二点云数据与旋转索引值，并根据一影像位移对照表与该旋转索引值叠合多个牙齿的第一点云数据与第二点云数据以形成一临床牙体立体影像；

筛选该临床牙体立体影像上的顶点，使筛选出的顶点仅对应分布在牙齿的咬合面上；

对筛选出的顶点进行多项式拟合计算以取得一初步牙弓曲线；

对该初步牙弓曲线进行等分后，产生多个真子集，各真子集包含有至少一顶点；

于每组真子集中定义出一拟合参照点；

以多项式拟合所述拟合参照点以得到一临床牙弓曲线；

根据该临床牙弓曲线的任一重心点与一标准牙弓曲线上所有的数据点进行第K个邻近取样法，以得出最接近各重心点的一数据点；

根据各重心点与其对应数据点的偏移量对该临床半颚牙体影像进行校正。

2.如权利要求1所述牙体立体影像建立方法，其特征在于，该第一点云数据为朝牙齿舌侧面所拍摄的影像，该第二点云数据为朝该牙齿颊侧面所拍摄的影像。