CN108371563B - 一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其解决了现阶段在口腔诊疗临床实践中，纸质义齿设计单易破损、丢失、不易保存和管理、无法提供结构化数据供后续参考使用的技术问题；其包含如下步骤：(1)数据定义与初始化：对可摘局部义齿设计的组件及其所在位置进行数字化定义，并针对新建的空白设计，填充默认的数字化义齿设计数据：(2)状态切换：根据用户操作切换系统绘制状态；(3)绘制动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改临时绘制数据作为响应；(4)设计渲染：通过渲染反映用户操作结果；(5)终了动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改正式绘制数据作为响应。本发明可用于局部义齿设计领域。

Description

一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法

技术领域

本发明属于计算机图形交互领域，特别涉及一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法。

背景技术

可摘局部义齿(Removable partial denture，简称RPD)是当前牙列缺损的主要修复方式之一。它能够利用天然牙和基托下粘膜及骨组织作支持，依靠义齿的固位体和基托来固位，用人工牙恢复缺失牙的形态和功能，用基托材料恢复缺损的牙槽嵴及软组织形态。除适用范围广之外，还具有磨切牙体组织小，患者能自行摘戴、便于洗刷清洁以保持良好的口腔卫生，制作方法简便，费用较低，便于维修和增补等优点。因此，可摘局部义齿是牙列缺损修复中最普遍采用的方法之一。

可摘局部义齿主要由人工牙、基托、支托、固位体、连接体几个部分构成，这些构成义齿的不同部分，具有多种不同类型。如卡环作为一种典型的固位体，就包括环形卡环(ring clasp)、对半卡环(half and half clasp)等多种类型。临床上，根据患者整体口腔状况和义齿修复的具体情况和要求，会选择不同类型的组件进行可摘局部义齿的设计。

牙列缺损情况和义齿组件选择的多样性决定了，可摘局部义齿设计具有比较强的灵活性。从牙列缺损的情况来看，成年人上颌和下颌各有16颗恒牙，按上下颌完全独立计，就各有2^16种不同的牙列缺损形态。从可摘局部义齿修复的组件选择上看，不同修复组件的种类繁多，材料、形态各异。综合两方面因素决定，针对不同具体临床病例所设计的可摘局部义齿非常灵活多样。

正是由于这种灵活性，使得可摘局部义齿的设计不容易用文字直观、精准地描述。因此，当前在口腔诊疗临床实践中，医生通常使用纸质义齿设计单进行可摘局部义齿的设计。医生直接在纸质义齿设计单上以图示的方式辅以文字标注的方式进行可摘局部义齿的设计。纸质设计单一般会同患者的牙模共同送至加工技师处，进行实际的义齿加工工序。

纸质设计单具有灵活、直观、方便的优势，但同时也存在一些缺点。一是纸质设计单不易保存和管理，由于设计单在临床实践中需要在各部门之间频繁传递，容易发生丢失、破损等情况，给义齿设计病历的管理和保存提出了很大的挑战。二是纸质设计单无法提供结构化数据供后续参考使用。在医疗信息化迅猛发展的今天，充分发掘既有临床诊疗数据的价值对于医疗效率和质量的提升都有着非常深远的意义。然而传统纸质设计单的图形化设计方式将设计的细节直接表现在图形上，无法直接提供规范化、结构化的设计数据。

综合上述两点，被发明旨在探索一种基于图形绘制的、符合临床医生使用习惯的可摘局部义齿交互式设计方法，能够进行可摘局部义齿在线交互设计，并对设计数据进行保存和管理。

本发明涉及的相关公开技术分别介绍如下：

HTML5是标准通用标记语言下的一个应用超文本标记语言(HTML)的第五次重大修改，HTML5的设计目的是为了在移动设备上支持多媒体。新的语法特征被引进以支持这一点，如video、audio和canvas标记。HTML5还引进了新的功能，可以真正改变用户与文档的交互方式，包括：

·新的解析规则增强了灵活性

·新属性

·淘汰过时的或冗余的属性

·一个HTML5文档到另一个文档间的拖放功能

·离线编辑

·信息传递的增强

·详细的解析规则

·多用途互联网邮件扩展(MIME)和协议处理程序注册

·在SQL数据库中存储数据的通用标准(Web SQL)

其中，canvas标记提供了一个空白的图形区域，可以使用特定的JavaScript API来绘画图形(canvas 2D或WebGL)。实际上，canvas在页面上提供了一个矩形区域作为画布，程序开发者可以使用JavaScript在这个指定的矩形区域中绘制图像，甚至可以精准控制区域中的每一个像素。通过提供各种原生API以及种类繁多的插件，我们可以使用JS代码方便快捷地在canvas上绘制路径、矩形、圆形、字符或添加图像。

目前，canvas广泛地应用于游戏、数据可视化、网页广告等领域，人们利用HTML5的这一新特性开发了丰富多彩的应用。

由于可摘局部义齿的设计样式种类繁多，义齿组件形态各异，直接使用图像表示方法表达形式有限，无法满足丰富多样的义齿设计需求。

发明内容

本发明就是为了解决解决了现阶段在口腔诊疗临床实践中，纸质义齿设计单易破损、丢失、不易保存和管理、无法提供结构化数据供后续参考使用的问题，提供一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法。

为此，本发明提供一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其包含如下步骤：(1)数据定义与初始化：对可摘局部义齿设计的组件及其所在位置进行数字化定义，并针对新建的空白设计，填充默认的数字化义齿设计数据：(2)状态切换：根据用户操作切换系统绘制状态；(3)绘制动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改临时绘制数据作为响应；(4)设计渲染：通过渲染反映用户操作结果；(5)终了动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改正式绘制数据作为响应。

优选的，步骤(1)中，包括如下步骤：(1-1)定义牙列储存结构teethList；(1-2)针对牙列中的每颗牙齿，转译其缺失、基托、支托、卡环、舌板/腭板5个维度的数据，存入teethList：(1-3)定义外围数据，包括上颌连接体中空标识位，连接体控制点列表；(1-4)数据初始化，向teethList中填充表示无组件的数据，外围数据置空；(1-5)维护teethList的拷贝作为临时绘制数据，便于显示交互结果。

优选的，步骤(2)中，包括如下步骤：(2-1)根据绘制组件的不同类型，系统设置16种不同的绘制状态；(2-2)用户对绘制选项的选择触发绘制状态的切换。

优选的，步骤(3)中，包括如下步骤：(3-1)捕捉鼠标移动、拖动动作；(3-2)结合当前绘制状态，修改临时绘制数据。

优选的，步骤(4)中，包括如下步骤：(4-1)启动渲染流程，以临时绘制数据作为输入；(4-2)按顺序调用各组件绘制函数，分层渲染可摘局部义齿当前设计；重复所述步骤(3)、(4)。

优选的，步骤(5)中，包括如下步骤：(5-1)捕捉鼠标按键单击、抬起动作；(5-2)复制临时绘制数据，覆盖正式绘制数据；(5-3)以正式绘制数据作为输入，启动渲染流程，分层渲染可摘局部义齿设计。

优选的，牙列储存结构teethList包含牙齿信息记录、曲线参数信息记录、标注信息记录。

优选的，牙齿信息记录是一个32*5的二维数组，存储了与牙位和组件相关的所有数据，牙齿信息记录teethList[i]中储存了第i颗牙齿的组件数据：牙齿i的缺失情况，0代表未缺失，1代表缺失，2代表该牙齿为智齿但未萌出；牙齿i的基托情况，0代表无基托，1代表常规基托，2代表只保留舌侧的基托；牙齿i的卡环情况，用一个4位数表示，个十百千位分别代表该牙齿在远中舌侧、远中颊侧、近中舌侧、近中颊侧的卡环类型，数字0代表无卡环，1代表铸造全卡，2代表铸造半卡，3代表弯制全卡，4代表弯制半卡；牙齿i的支托情况，0代表无支托，1代表近中支托，2代表远中支托，3代表近、远中均有支托；牙齿i的舌板/腭板情况，0代表没有腭板/舌板，1代表有腭板/舌板。

优选的，曲线参数信息记录是一个n*5的二维数组，曲线参数信息记录quadraticTops[i]中储存了曲线i的相关参数：曲线i的线型，’Bezier’代表三次贝塞尔曲线，’Quadratic’代表二次曲线，’Line’代表直线；曲线i的起点坐标；曲线i的终点坐标；曲线i的第一参照点坐标(对于二次曲线和三次贝塞尔曲线)；曲线i的第二参照点坐标(对于三次贝塞尔曲线)。

优选的，标注信息记录是一个n*4的二维数组，标注信息记录remarkList[i]中储存了标注i的相关参数：备注i的唯一标识，实际是插入备注时的初始位置；备注i的矩形内容文本框左上角的坐标；备注i在图上标注位置的坐标；备注i的文本内容。

本发明在将义齿设计操作数字化的同时，借助HTML5的canvas特性及广泛应用的JavaScript插件Jcanvas，使用图形学方法，以矢量图的方式绘制义齿设计方案中的组件图形，并成功形成一种比较成熟、符合临床医生习惯的可摘局部义齿交互式方法。

附图说明

图1是本发明中，上颌牙齿的所有参照点；

图2是本发明中，封闭平滑曲线绘制算法示意；

图3是本发明中，缺失牙绘制效果示意；

图4A是本发明中，基托绘制过程示意；

图4B是本发明中，基托绘制效果；

图5是本发明中，卡环绘制效果(左上为铸造全卡，左下为弯制全卡，右为对半卡环)；

图6是本发明中，支托绘制效果；

图7是本发明中，连接体绘制要求示意；

图8是本发明中，连接体绘制算法示意；

图9是本发明中，矢量化图形交互式构建示意。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权力要求书中所描述的本发明。

本发明提供一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其包含如下步骤：(1)数据定义与初始化：对可摘局部义齿设计的组件及其所在位置进行数字化定义，并针对新建的空白设计，填充默认的数字化义齿设计数据：(2)状态切换：根据用户操作切换系统绘制状态；(3)绘制动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改临时绘制数据作为响应；(4)设计渲染：通过渲染反映用户操作结果；(5)终了动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改正式绘制数据作为响应。

在用户选择固定组件后，当鼠标在绘图区域移动或拖动时，能够实现对当前组件绘制效果的预览；点击或释放鼠标确认操作后，设计数据将写入牙列储存结构当中。

本发明通过牙弓外周标记的定点坐标，结合可摘局部义齿不同组件的基本形态，通过数学运算，计算出绘制组件边缘曲线所需的起终点、边缘控制点等，使用二次曲线、三次贝塞尔曲线等进行连接构成组件图形。并基于设计操作，在系统后台进行状态切换，实现所见即所得的交互式设计效果。

一、牙列储存结构定义

要完成可摘局部义齿部件的矢量图构建，要解决的问题是如何将用户的操作反映在设计图形上并以结构化数据的形式保存下来。该模块的解决方案是定义一种中间的数据缓存格式，其核心是以全局变量形式保存在浏览器内存中的若干多维数组和变量。用户进行交互设计时，实际上是对中间缓存数据进行操作，之后系统重新对数据进行渲染，将用户的操作展示在图形上。

牙列储存结构实际上包含了绘制一个义齿设计示意图的全部绘图信息，主要分为三个部分：

(1)牙齿信息记录(teethList)

该全局变量是一个32*5的二维数组，其中存储了与牙位和组件相关的所有数据。teethList[i]中储存了第i颗牙齿的组件数据，其具体定义如下。

(2)曲线参数信息记录(quadraticTops)

在义齿设计的图形表示中，连接体等不规则形状组件的边缘是由若干段二次曲线或三次贝塞尔曲线相连接构成的，系统要记录这些不规则形状组件的边缘需要记录这些曲线的参数。quadraticTops是一个n*5的二维数组，quadraticTops[i]中储存了曲线i的相关参数，其具体定义如下：

(3)标注信息记录(remarkList)

医生进行义齿设计时，经常在设计图上进行一些标注，系统需要记录这些标注的位置与内容。remarkList是一个n*4的二维数组，remarkList[i]中储存了标注i的相关参数，其具体定义如下：

二、矢量图构建算法

本发明提出的一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其核心是利用牙列上的标识点，结合可摘局部义齿各零部件的形状特点，构建义齿部件的矢量模型，具体构建方法如下：

1.定位点标识

绘制定位的基础是定位点，我们为每颗牙齿手动标注了1个中心点，8个包围点和2个外围点共计11个参照点，如图2.3.2.1所示。这些参照点的坐标保存在全局变量当中，以便被图形绘制算法随时调用。

2.封闭平滑曲线绘制算法

在各组件绘制过程中，常常需要绘制一条通过若干顶点的封闭平滑曲线。综合系统性能与绘制质量，采用以下方法绘制封闭曲线。

设a、b、c、d四个点是拟用平滑曲线连接的4个连续的定点。过a点作直线bd的平行线，过b点作直线ac的平行线交于点AB。以点a、b为起点和终点，以点AB为控制点做二次贝塞尔曲线，即得到了封闭平滑曲线的ab段。

以此类推可绘制完整的封闭平滑曲线。

3.缺失牙的绘制

临床上一般以贯穿牙齿的双线来表示某颗牙齿的缺失。系统中我们选择牙齿近远中及其左右两个包围点的中点作为双线贯穿牙齿的出入口，将贯穿不同牙齿的出入口以直线相连就构造出满足条件的双线。

4.基托的绘制

基托一般为围绕特定牙齿的平滑封闭曲线，系统只需选出需要连接的点使用1中的算法绘制封闭平滑曲线即可。对于舌侧和颊侧部分的曲线，只需选择舌侧和颊侧的两个外围点。对于近中和远中两端的曲线，为了避免两端曲线过快收紧而把部分牙齿暴露在基托外部，除近中/远中包围点本身，在其两侧再添加两个辅助点绘制曲线。

5.卡环的绘制

相比于基托，卡环的绘制相对简单。直接根据卡环的类型和位置选取正确的包围点，使用平滑曲线相连即可。

6.支托的绘制

临床上，支托的图形表示一般为绘制在牙齿一侧的扁圆形，系统选取近远中包围点及其相邻两点的两个中点作为支托的左右端点，以牙齿中心点为控制点绘制二次贝塞尔曲线，完成扁圆形的主体形状。再讲左右两个端点与近(远)中包围点与两个端点以直线相连，与曲线共同形成封闭图形。

7.连接体的绘制

连接体的绘制相对比较复杂。临床上，通常使用平滑曲线连接可摘局部义齿的各部分作为连接体，一般来说，连接体的绘制要保证：连接体在进出牙列的位置上，要沿着牙列弧形的法线方向；连接体穿过上颌的中线时，要垂直于中线。

因此，在绘制连接体时，系统首先计算牙列法线的斜率，得到法线与上颌中线的交点。当连接体片段无需通过上颌中线时，在牙列法线上截取一定长度作为三次贝塞尔曲线的两个参照点。

当连接体片段通过上颌中线时，需要由两段三次贝塞尔曲线做拼接才能满足上述三个垂直的条件。首先选择牙列出入点处法线与上颌中线两个交点的中点作为连接体边缘穿越上颌中线的穿越点，亦即两条贝塞尔曲线的衔接点。接着，从穿越点作上颌中线的垂线，在中线两侧的垂线上选择两个对称的点，再在牙列出入点法线上选择两个点，以这四个点作为两条三次贝塞尔曲线的控制点，做出的曲线就能够同时满足上述三个垂直条件。

Claims (10)

1.一种基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征是，包含如下步骤：

(1)数据定义与初始化：对可摘局部义齿设计的组件及其所在位置进行数字化定义，并针对新建的空白设计，填充默认的数字化义齿设计数据：

(2)状态切换：根据用户操作切换系统绘制状态；

(3)绘制动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改临时绘制数据作为响应；

(4)设计渲染：通过渲染反映用户操作结果；

(5)终了动作捕捉：捕捉用户的鼠标动作，修改正式绘制数据作为响应。

2.根据权利要求1所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述步骤(1)中，包括如下步骤：

(1-1)定义牙列储存结构teethList；

(1-2)针对牙列中的每颗牙齿，转译其缺失、基托、支托、卡环、舌板/腭板5个维度的数据，存入teethList：

(1-3)定义外围数据，包括上颌连接体中空标识位，连接体控制点列表；

(1-4)数据初始化，向teethList中填充表示无组件的数据，外围数据置空；

(1-5)维护teethList的拷贝作为临时绘制数据，便于显示交互结果。

3.根据权利要求1所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述步骤(2)中，包括如下步骤：

(2-1)根据绘制组件的不同类型，系统设置16种不同的绘制状态；

(2-2)用户对绘制选项的选择触发绘制状态的切换。

4.根据权利要求1所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述步骤(3)中，包括如下步骤：

(3-1)捕捉鼠标移动、拖动动作；

(3-2)结合当前绘制状态，修改临时绘制数据。

5.根据权利要求1所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述步骤(4)中，包括如下步骤：

(4-1)启动渲染流程，以临时绘制数据作为输入；

(4-2)按顺序调用各组件绘制函数，分层渲染可摘局部义齿当前设计；

重复所述步骤(3)、(4)。

6.根据权利要求1所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述步骤(5)中，包括如下步骤：

(5-1)捕捉鼠标按键单击、抬起动作；

(5-2)复制临时绘制数据，覆盖正式绘制数据；

(5-3)以正式绘制数据作为输入，启动渲染流程，分层渲染可摘局部义齿设计。

7.根据权利要求2所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述的牙列储存结构teethList包含牙齿信息记录、曲线参数信息记录、标注信息记录。

8.根据权利要求7所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述牙齿信息记录是一个32*5的二维数组，存储了与牙位和组件相关的所有数据，牙齿信息记录teethList[i]中储存了第i颗牙齿的组件数据：

牙齿i的缺失情况，0代表未缺失，1代表缺失，2代表该牙齿为智齿但未萌出；

牙齿i的基托情况，0代表无基托，1代表常规基托，2代表只保留舌侧的基托；

牙齿i的卡环情况，用一个4位数表示，个十百千位分别代表该牙齿在远中舌侧、远中颊侧、近中舌侧、近中颊侧的卡环类型，数字0代表无卡环，1代表铸造全卡，2代表铸造半卡，3代表弯制全卡，4代表弯制半卡；

牙齿i的支托情况，0代表无支托，1代表近中支托，2代表远中支托，3代表近、远中均有支托；

牙齿i的舌板/腭板情况，0代表没有腭板/舌板，1代表有腭板/舌板。

9.根据权利要求7所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述曲线参数信息记录是一个n*5的二维数组，曲线参数信息记录quadraticTops[i]中储存了曲线i的相关参数：

曲线i的线型，’Bezier’代表三次贝塞尔曲线，’Quadratic’代表二次曲线，’Line’代表直线；

曲线i的起点坐标；

曲线i的终点坐标；

对于二次曲线和三次贝塞尔曲线，曲线i的第一参照点坐标；

对于三次贝塞尔曲线，曲线i的第二参照点坐标。

10.根据权利要求7所述的基于矢量图形构建的可摘局部义齿交互式设计方法，其特征在于所述标注信息记录是一个n*4的二维数组，标注信息记录remarkList[i]中储存了标注i的相关参数：

备注i的唯一标识，实际是插入备注时的初始位置；

备注i的矩形内容文本框左上角的坐标；

备注i在图上标注位置的坐标；

备注i的文本内容。

Images