CN108062792A - 一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法与装置 - Google Patents

一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法与装置，三维扫描装置快速获取三维人脸模型、患者高精度的牙齿数字三维模型。通过两种模型的匹配关系，将其配准到人脸模型口腔内。同时通过多种方式给牙齿数字三维模型附上纹理，然后取单颗或多颗标准牙模去替换待修复单颗或多颗牙齿。通过调整标准牙模参数对牙齿进行修复设计，同时显示牙齿修复后的三维模型，实现牙科修复设计。该设计参数可以直接用于加工制作牙齿美学修复中诊断饰面，省去了牙齿美学修复中诊断蜡型这一环节，加快整个牙齿美容设计过程。基于三维的数字微笑设计可以克服二维DSD的多种缺陷，完善DSD设计。

Description

一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法与装置
技术领域：
本发明属于医学美容领域，涉及一种口腔三维美学设计方法，尤其是一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法与装置。
背景技术：
近年来随着前牙美学修复的不断深入研究，口腔医生认为设计是美学的起点和灵魂所在，而数字微笑设计(digital smile design，DSD)技术是目前比较前沿的美学修复设计手段。DSD的概念是由巴西牙医Coachman及其团队提出的，DSD技术在美学修复中是一个多用途的具，应用Keynote、Photoshop、DSS或ezDSDpro等软件，通过对患者面部及口腔软硬组织进行数字量化的准确分析、设计及治疗结果的数字化模拟，医生和患者可以直观地看到修复后的效果；此外，DSD还可以提高诊断效率，加强医患沟通，加强整个治疗过程中的可预见性，使患者更容易接受治疗。因此，DSD近年来风靡全球，受到世界口腔医生的青睐。
目前，用于DSD的设计软件大都是二维的即2DDSD，通过数码相机拍摄正面微笑照片、正面拉口照，将照片导入Keynote、Photoshop、DSS及ezDSDpro等软件对牙齿进行数字量化的准确分析与设计，包括牙齿比例大小及颜色、牙弓中线、上切牙切缘弧度等参数的设计，并根据患者的要求完成个性化设计。但目前2DDSD存在很多问题，由于是二维不能得到设计牙齿的实际三维尺寸，所以设计后的效果图可能还不是太理想，其只能作为一个参考，用于医患沟通，但并不能给设计中心进行直接加工，需要设计中心重新进行设计。另外，二维设计过程非常繁琐不易学习，设计比较耗时。
中国专利201720353413.7公开公开一种快速3D扫描仪，包括底座、支架和扫描装置。扫描装置包括外壳盖板、两个测量单元、两个反射镜和固定板。扫描装置的两个测量单元反向平置，即两个测量单元具有相同的光轴，但背向放置，固定在一块固定板上，并与其刚性连接在一起；测量单元包含一个投影装置和两台相机；两台相机布置在投影装置两侧，两台相机的光轴和投影装置的光轴相交于一点，并位于同一平面；两组测量单元外部以固定角度对称放置反射镜，反射镜固定安装在固定板上，且反射镜面向被测物倾斜放置，倾斜角度在50到70度之间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种牙科修复设计方法与装置。该方法通过图1所示的三维扫描装置快速获取三维人脸模型、，使用牙模扫描设备获取患者高精度的牙齿数字三维模型。通过两种模型的匹配关系，将其配准到人脸模型口腔内。同时通过多种方式给牙齿数字三维模型附上纹理，然后取单颗或多颗标准牙模去替换待修复单颗或多颗牙齿。医生通过调整标准牙模参数对牙齿进行修复设计，使其符合美学设计及患者要求。同时患者可以浏览自己牙齿修复后的三维模型，更加真实可靠。最终设计好的牙齿可直接打印或加工出实体牙齿，然后压印出阴模，备患者牙；待修复材料凝固在患者的牙齿上之后，取出阴模；此时，患者附着修复材料的牙齿效果，即为修复后的临时假牙。最终实现牙齿修复辅助设计。
本发明目的：提供一种牙科修复设计方法与装置
实现本发明的技术方案为：
一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法：
首先，在正对人脸的前方设置三维扫描装置，所述三维扫描装置包括两个相对设置的反射镜，在每个反射镜内侧设置有第一深度相机、投影装置和第二深度相机；所述第一深度相机、投影装置和第二深度相机由后向前依次设置；所述两个第一深度相机之间设置有纹理相机；通过三维扫描装置快速获取三维人脸模型和牙模扫描设备获取牙齿数字三维模型，通过三维人脸模型和牙齿数字三维模型的匹配关系，将牙齿数字三维模型配准到三维人脸模型的口腔内，同时给牙齿数字三维模型附上纹理，然后取单颗或多颗标准牙模去比对待修复的单颗牙齿或多颗牙齿；通过调整标准牙模参数对牙齿进行修复设计，同时显示牙齿修复后的三维模型，实现牙科修复设计。
按照如下步骤：
步骤一：三维扫描装置通过扫描人脸采集模型一和模型二，模型一是人脸微笑露牙状态下扫描得到的彩色三维模型，称之为微笑模型；模型二是人脸在拉口器辅助下充分露出牙齿和牙龈状态扫描得到的彩色三维数字模型；三维扫描装置采集模型三、模型四和模型五；模型三是在咬合位置的上牙列的三维数字模型，模型四是在咬合位置的下牙列的三维数字模型，模型五是上牙列和下牙列的咬合状态下三维数字模型；
步骤二：将模型一和模型二进行自动配准；将模型三与模型五进行自动配准，将模型四与模型五进行自动配准，将模型二与模型五进行配准，得到空间变换矩阵；
步骤三：将模型三和模型四分别附上纹理，并且将模型三和模型四分别配准到模型一的口腔内部，空间变换矩阵由步骤二确定；将模型一的口腔内原有的牙齿扣除，从而使得模型一中露出的牙齿和牙龈数据被模型二所替换；替换后的模型为模型六；
步骤四：选中模型六中需要修复的单颗或多颗牙齿，用模型七进行替换；模型七是从标准的牙齿模板库中选取的标准牙齿模型；调整模型七的参数，直到使用者满意；此时，模型七和模型六合并生成模型八；将模型八通过3D打印或机械加工为实体模型；
步骤五：将步骤四中实体模型翻模得到阴模；通过备牙制作修复后的临时假牙；对临时假牙进行完善，直到使用者满意，完成牙科修复设计。
所述步骤三中，模型一的口腔内原有的牙齿扣除方法是直接通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内；从而保留原有的牙龈，新的标准牙齿即模型七可以很好的衔接。
所述步骤四中，标准牙齿模型，即模型七；模型七的参数调整包括各方向网格变形、纹理渲染、上下牙的碰撞关系。
所述步骤三中，牙模纹理贴图方法是通过渲染使其获取纹理，或者通过投影变换获取模型二纹理的牙齿部分的纹理，或者通过外置的具备成像功能的设备拍摄纹理，通过手动贴图或标定方式获取纹理；所述设备是单反相机、数码相机、工业相机、监控相机或手机摄像机。
一种用于牙科修复设计的装置，包括外壳盖板、两个测量单元、两个反射镜和固定板；两个测量单元反向平置，即两个测量单元具有相同的光轴，但背向放置，固定在一块固定板上，并与其刚性连接在一起；测量单元包含一个投影装置和两台相机；两台相机布置在投影装置两侧，两台相机的光轴和投影装置的光轴相交于一点，并位于同一平面；两组测量单元外部以固定角度对称放置反射镜，反射镜固定安装在固定板上，且反射镜面向被测物倾斜放置，倾斜角度在50到70度之间；所述两个测量单元中间放置有纹理相机，用于拍摄人脸正面纹理。
有益效果
该方法通过三维扫描装置快速获取三维人脸模型和三维数字化牙齿模型。通过将牙模配准到患者口腔内，可以完全模拟患者口腔实际环境。医生通过在患者的三维模型上进行牙齿修复设计，同时患者可以浏览自己牙齿修复后的真实效果，大大提高了医患沟通效率，并且三维设计简单易操作。该设计参数可以直接用于加工制作mock up(牙齿美学修复中诊断饰面)，省去了wax up(牙齿美学修复中诊断蜡型)这一环节，加快整个牙齿美容设计过程。基于三维的数字微笑设计可以克服二维DSD的多种缺陷，完善DSD设计。
附图说明
图1是一种牙科修复设计装置结构图；
图2是牙科修复设计方法流程图。
图中1是第一深度相机，4是第二深度相机，2是纹理相机，3是投影装置，6是反射镜，5是被测对象。
具体实施方式
下面具体结合附图2对本发明做详细描述。
第一步：对中国专利201720353413.7公开公开一种快速3D扫描仪装置进行改进如图1，在相机1、3中间放置一个纹理相机，用来拍摄人脸正面纹理，纹理比较清晰逼真。该纹理用于贴到三维人脸模型上。人脸扫描设备采集模型一和模型二。模型一是患者微笑露牙状态下扫描得到的彩色三维模型，称之为微笑模型；模型二是患者在拉口器辅助下充分露出牙齿和牙龈状态扫描得到的彩色三维数字模型。牙模扫描仪采集患者三个高精度的三维牙齿数字模型，分别是模型三、模型四、模型五。模型三是在咬合位置的上牙列的三维数字模型，模型四是在咬合位置的下牙列的三维数字模型，模型五是上下牙列的咬合状态下三维数字模型；
上述为模型的获取，采用结构光投影与双目立体视觉技术相结合重建三维模型；通过投影装置实现了光栅投影，对相机采集的光栅图进行解相位，通过该组相位进行匹配求视差得到的视差图。根据获取的视差图和摄像机标定的内外参数，利用双目立体视觉可重构出空间点的三维坐标。双目立体视觉利用视差原理，根据光学三角法获取被测物体的深度信息。由上步求出的视差代入(1)式就能重构出空间点的三维坐标。
由三角关系可得P的三维世界空间坐标：
式中f是主距，b是基线长度。一空间点P的世界坐标为(xw,yw,zw)，P在左、右摄像机成像平面中的坐标分别为P1(u1,v1)和P2(u2,v2)。
第二步：将模型一和模型二进行自动配准，将模型三、模型四分别与模型五进行自动配准，模型二与模型五进行配准，得到空间变换矩阵；
模型一和模型二采用ICP(Internative Closest Points)算法实现自动化配准，ICP算法是找出两个有重合区域的点集的对应关系，并根据空间对应点求解其坐标变换。根据坐标变换关系将模型二进行坐标变换RT(旋转和平移)，两个模型即配准到一起。
首先，模型一和模型二进行配准，通过模型二和模型五配准，该配准指的是将模型五通过坐标变换转到模型二所在的坐标系下，这样模型五会与模型二中的牙齿进行对齐；同样方法求取模型二与模型一的转换关系，可以实现模型五先转换到模型二所在的坐标系下与其对齐，再将其转换到模型一在的坐标系下，实现了模型五与模型一对齐，从而把模型五准确放到模型一的口腔内，替换原来模型一口腔内牙齿的位置。最后利用模型三和模型四分别与模型五的对齐，将其坐标转换到模型一坐标系下。最终实现模型三、四与模型一的配准。
第三步：将模型三、四分别附上纹理，配准到模型一的口腔内部，空间变换矩阵由第二步确定；将模型一的口腔内原有的牙齿扣除，从而使得模型一中露出的牙齿和牙龈数据被模型二所替换；替换后的模型为模型六；
模型一的口腔内原有的牙齿扣除方法是直接通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内。从而保留原有的牙龈，新的标准牙齿即模型七可以很好的衔接。
第四步：从标准的牙齿模板库中选取标准牙齿模型即模型七；医生选中模型六中需要修复的单颗或多颗牙齿，用模型七进行替换；医生调整模型七的参数，直到患者满意；此时，模型七和模型六合并生成模型八；将模型八通过3D打印或机械加工为实体模型；
数字牙模纹理贴图方法可以通过渲染使其获取纹理，也可以通过投影变换获取模型一纹理的牙齿部分的纹理，也可以通过外置的具备成像功能的设备，该设备是单反相机、数码相机、工业相机、监控相机或手机摄像机拍摄纹理，通过手动贴图或标定方式获取纹理。
第五步：将第四步中实体模型翻模得到阴模；通过备牙等制作修复后的临时假牙；医生和患者对临时假牙进行沟通确认；如果需要修改方案，重新从第四步执行，直到医生和患者确认修复效果达到理想效果。

Claims (6)

1.一种基于三维扫描装置的牙科修复设计方法，其特征在于：
首先，在正对人脸的前方设置三维扫描装置，所述三维扫描装置包括两个相对设置的反射镜，在每个反射镜内侧设置有第一深度相机、投影装置和第二深度相机；所述第一深度相机、投影装置和第二深度相机由后向前依次设置；所述两个第一深度相机之间设置有纹理相机；通过三维扫描装置快速获取三维人脸模型和牙齿数字三维模型，通过三维人脸模型和牙齿数字三维模型的匹配关系，将牙齿数字三维模型配准到三维人脸模型的口腔内，同时给牙齿数字三维模型附上纹理，然后取单颗或多颗标准牙模去比对待修复的单颗牙齿或多颗牙齿；通过调整标准牙模参数对牙齿进行修复设计，同时显示牙齿修复后的三维模型，实现牙科修复设计。
2.如权利要求1所述的牙科修复设计方法，其特征在于，按照如下步骤：
步骤一：三维扫描装置通过扫描人脸采集模型一和模型二，模型一是人脸微笑露牙状态下扫描得到的彩色三维模型，称之为微笑模型；模型二是人脸在拉口器辅助下充分露出牙齿和牙龈状态扫描得到的彩色三维数字模型；三维扫描装置采集模型三、模型四和模型五；模型三是在咬合位置的上牙列的三维数字模型，模型四是在咬合位置的下牙列的三维数字模型，模型五是上牙列和下牙列的咬合状态下三维数字模型；
步骤二：将模型一和模型二进行自动配准；将模型三与模型五进行自动配准，将模型四与模型五进行自动配准，将模型二与模型五进行配准，得到空间变换矩阵；
步骤三：将模型三和模型四分别附上纹理，并且将模型三和模型四分别配准到模型一的口腔内部，空间变换矩阵由步骤二确定；将模型一的口腔内原有的牙齿扣除，从而使得模型一中露出的牙齿和牙龈数据被模型二所替换；替换后的模型为模型六；
步骤四：选中模型六中需要修复的单颗或多颗牙齿，用模型七进行替换；模型七是从标准的牙齿模板库中选取的标准牙齿模型；调整模型七的参数，直到使用者满意；此时，模型七和模型六合并生成模型八；将模型八通过3D打印或机械加工为实体模型；
步骤五：将步骤四中实体模型翻模得到阴模；通过备牙制作修复后的临时假牙；对临时假牙进行完善，直到使用者满意，完成牙科修复设计。
3.如权利要求2所述的牙科修复设计方法，其特征在于：所述步骤三中，模型一的口腔内原有的牙齿扣除方法是直接通过网格变形操作将其隐藏到高精度牙模内；从而保留原有的牙龈，新的标准牙齿即模型七可以很好的衔接。
4.如权利要求2所述的牙科修复设计方法，其特征在于：所述步骤四中，标准牙齿模型，即模型七；模型七的参数调整包括各方向网格变形、纹理渲染、上下牙的碰撞关系。
5.如权利要求2所述的牙科修复设计方法，其特征在于：所述步骤三中，牙模纹理贴图方法是通过渲染使其获取纹理，或者通过投影变换获取模型二纹理的牙齿部分的纹理，或者通过外置的具备成像功能的设备拍摄纹理，通过手动贴图或标定方式获取纹理；所述设备是单反相机、数码相机、工业相机、监控相机或手机摄像机。
6.一种用于牙科修复设计的装置，其特征在于，包括外壳盖板、两个测量单元、两个反射镜和固定板；两个测量单元反向平置，即两个测量单元具有相同的光轴，但背向放置，固定在一块固定板上，并与其刚性连接在一起；测量单元包含一个投影装置和两台相机；两台相机布置在投影装置两侧，两台相机的光轴和投影装置的光轴相交于一点，并位于同一平面；两组测量单元外部以固定角度对称放置反射镜，反射镜固定安装在固定板上，且反射镜面向被测物倾斜放置，倾斜角度在50到70度之间；所述两个测量单元中间放置有纹理相机，用于拍摄人脸正面纹理。
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PB01 Publication
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Li Yuqin

Inventor after: Yang Tao

Inventor after: Xu Wen

Inventor after: Xiang Meiyuan

Inventor after: Guo Di

Inventor after: Ma Li

Inventor after: Huang Liang

Inventor after: Li Xiaoxiao

Inventor before: Zhou Xiang

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GR01 Patent grant
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