CN109998709A - 一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法。根据采集的石膏牙颌模型得到数字化牙颌三维模型，提取每颗牙齿的特征点，根据特征点得到每颗牙齿的下部倒凹控制点；沿垂直于牙合平面的方向对每颗牙齿进行多次水平切片处理得到对应牙齿的牙齿最宽面；根据每颗牙齿的牙齿最宽面和下部倒凹控制点获得与对应的上部倒凹控制点；根据相邻的两颗牙齿的倒凹控制点得到位于两颗牙齿之间的倒凹区域，对倒凹区域进行数字化填倒凹处理得到最终的牙颌三维模型并输入到3D打印机中进行打印。本发明能够在3D打印隐形矫正器的同时完成牙齿倒凹的自动填充，填充快速，精准，倒凹控制点可控。

Description

一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法

技术领域

本发明涉及了牙齿倒凹填充方法，尤其是涉及了一种基于牙齿特征点的数字化牙齿模型的倒凹自动填充方法。

背景技术

近年来，随着技术的发展，3D打印技术的普遍应用，数字化口腔越来越普及，隐形牙齿正畸也被越来越多的人认可和使用。相比较传统的托槽矫正技术，隐形矫正技术是建立在数字化口腔系统之上的，不需要托槽和钢丝，美观同时又方便摘取的一种牙齿矫正技术。具体地说，隐形牙齿矫治器是一组内有空腔，能容纳牙齿的聚合物壳体。这种壳体由安全的弹性高分子材料通过对3D打印出的树脂牙齿阳模热压得到，通过其高弹性使牙齿达到所需要的修正状态。

在上述利用3D打印牙齿阳模正热压制隐形矫正器之前，需要对牙齿阳模进行填倒凹处理，以实体填充物对相邻两颗牙齿之间的倒凹区域进行填充。倒凹区域是两颗牙齿和牙龈边缘所形成的三角区域，多呈相对于牙齿的内凹状。由于倒凹区域的存在，会导致牙齿阳模压模完成后难以取出并且会使患者佩戴隐形矫正器出现不适或者难以佩戴等问题。

由于两颗牙齿和牙龈边缘所形成的三角区域，多呈相对于牙齿的内凹状，导致在对牙齿阳模压膜完成后，难以取出并且会使患者佩戴隐形矫正器出现不适，需要填充倒凹区域的问题。目前填倒凹多采用人工填倒凹处理，人工填倒凹处理的填补量不易控制，有可能会影响牙齿矫治器的矫治效果。因此现有技术中缺少与3D打印技术相结合的牙齿倒凹自动填充方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，能够实现在3D打印隐形矫正器的同时完成牙齿倒凹的自动填充。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1)根据采集的石膏牙颌模型得到数字化牙颌三维模型，提取数字化牙颌三维模型中的每颗牙齿的特征点，根据特征点得到每颗牙齿的下部倒凹控制点；

步骤2)沿垂直于牙合平面的方向对每颗牙齿进行多次水平切片处理得到牙齿最宽面；

步骤3)根据每颗牙齿的牙齿最宽面和下部倒凹控制点获得与每个下部倒凹控制点一一对应的上部倒凹控制点；

步骤4)根据相邻的两颗牙齿的倒凹控制点得到位于两颗牙齿之间的倒凹区域，对倒凹区域进行数字化填倒凹处理得到最终的牙颌三维模型，并输入到3D 打印机中进行打印。

所述步骤1)具体包括：

1.1)提取每颗牙齿的特征点：选取颊侧远中乳突点a1，舌侧远中乳突点a2，颊侧龈点y1，舌侧龈点y2，颊侧近中乳突点b1，舌侧近中乳突点b2作为每颗牙齿的特征点；

1.2)根据1.1)的特征点计算得到每颗牙齿的四个下部倒凹控制点：

P_down0＝a₁+(y₁–a₁)*m

P_down1＝b₁+(y₁–b₁)*m

P_down2＝b₂+(y₂–b₂)*m

P_down3＝a₂+(y₂–a₂)*m

式中，P_down0～P_down3分别表示第一～第四下部倒凹控制点，m表示控制点预设参数。

所述的步骤2)具体包括：

2.1)将垂直于牙合平面的方向作为Z轴方向，设定齿根到齿顶的方向为Z 轴的正方向；遍历数字化牙颌三维模型的三角面片顶点得到z轴方向的最小值 minZ和最大值maxZ，根据最小值minZ和最大值maxZ之差得到每颗牙齿的牙齿高度H；

2.2)在[minZ，maxZ]的范围内沿牙齿高度方向等间隔依次采样取点得到多个采样点，多个采样点分别表示为P_k，k＝1，2，3…(H/n)；

2.3)过采样点P_k对牙齿进行水平切片处理得到过采样点P_k的水平切面与牙齿外表面轮廓的多个交点，多个交点分别表示为K_i，i＝1，2，3，4….

2.4)根据2.3)得到的多个交点的连线计算得到切片周长C，对每一个采样点按照步骤2.3)计算得到各个采样点对应的切片周长C；

2.5)选取切片周长C的最大值作为牙齿最宽面。

所述步骤3)具体为：计算牙齿下部倒凹控制点到牙齿最宽面上的距离，将牙齿最宽面中距离下部倒凹控制点最近的点作为牙齿上部倒凹控制点P_up，从而得到与牙齿下部控制点一一对应的上部倒凹控制点；

四个上部倒凹控制点的计算方法相同，具体如下：

P_up＝MinDistance(P_down，K_i)

式中，P_up表示上部倒凹控制点，MinDistance(P_down，K_i)表示最小化牙齿最宽面上的点K_i与下部倒凹控制点P_down之间的距离，即第一～第四下部倒凹控制点P_down0～P_down3与牙齿最宽面中距离最近的点分别对应为第一～第四上部倒凹控制点；

所述步骤4)具体包括：

4.1)对相邻的两颗牙齿分别选取相邻面上的四个倒凹控制点，根据八个倒凹控制点建立相邻两颗牙齿的三角面片连接关系，建立一个八个点、六个面和十二个三角面片的立方体模型，立方体模型即为倒凹区域；

4.2)对倒凹区域的上部进行拉普拉斯光顺处理；

4.3)对光顺处理后的倒凹区域进行数字化填补得到填倒凹后的牙颌三维模型。

所述的4.2)具体为：分别取相邻的两颗牙齿的颊舌侧各一个倒凹控制点构成一组点，从而将立方体模型的上部四个倒凹控制点分为两组点，在每组点的连线方向之间进行点插值，得到具有多个插值点的两组点，对点插值后的两组点进行拉普拉斯光顺处理。

本发明基于提取牙齿特征点进行牙齿识别，切片和计算等操作处理，得到每颗牙齿的倒凹控制点。首先根据牙齿特征点得到下部倒凹控制点，再根据牙齿的高度对牙齿进行切片和计算，计算出牙齿上部倒凹区域，最终根据相邻的牙齿的上下倒凹控制点和形成倒凹区域，实现倒凹的自动填充。

本发明的有益效果如下：

1)本发明通过牙齿特征点获取牙齿倒凹控制点，对牙齿倒凹控制点进行线条相连建立由三角面片组成的倒凹模型，使得隐形矫正器更加舒适，便于佩戴，符合患者需求。

2)本发明利用牙齿特征点和牙齿高度，宽度确定倒凹区域，帮助实现倒凹的自动填充，方便后期压模工作，在节约时间的同时提高倒凹的精准度。

3)本发明能够在3D打印隐形矫正器的同时完成牙齿倒凹的自动填充，填充快速，精准，手动操作较少，且倒凹控制点可控，使隐形矫正器3D打印的效率提高，自动化程度更高。

附图说明

图1为实施例的牙齿和牙龈的三维模型数据及Z轴方向示意图。

图2为单颗牙齿Z轴方向的投影图轮廓图，其中a₁为颊侧远中乳突点，a₂为舌侧远中乳突点，y₁为颊侧龈点，y₂为舌侧龈点，b₁为颊侧近中乳突点，b₂为舌侧近中乳突点；

图3为牙齿模型Z轴俯视图以及牙齿周边的四个牙齿下部倒凹控制点示意图。

图4为牙颌三维模型以及相邻牙齿的下部颊侧倒凹控制点示意图。

图5为单颗牙齿三维模型和其中一侧的上下部倒凹控制点示意图。

图6为两颗相邻牙齿从颊侧或舌侧观察的示意图。

图7为完成倒凹填充后的牙颌三维模型颊侧观察示意图。

图8为完成倒凹填充后的牙齿及牙龈模型Z轴俯视图。

图9为完成倒凹填充后的牙齿及牙龈模型舌侧示意图。

图10为完成倒凹填充后的单个倒凹模型示意图。

图11为完成倒凹填充后的牙齿、牙龈以及倒凹的整体示意图。

具体实施方式

以下结合本说明书的附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

首先，获取数字化牙齿模型：为了获取牙齿模型，首先需要通过咬合硅橡胶得到牙颌石膏模型，然后通过光学扫描石膏模型获得牙颌的三维数据，然后对牙颌模型进行数字化分割技术处理，对分割后的牙齿进行编号命名方便后期操作。数字化口腔系统通过建立数字化牙齿模型，为3D打印隐形矫正器及后期的牙齿正畸矫治方案提供数据支持。

其次，将数字化牙齿模型导入3D打印机中，确定Z轴方向如图1所示。

如图2所示，提取每颗牙齿的特征点：选取颊侧远中乳突点a1，舌侧远中乳突点a2，颊侧龈点y1，舌侧龈点y2，颊侧近中乳突点b1，舌侧近中乳突点 b2作为每颗牙齿的特征点。根据特征点计算得到每颗牙齿的四个下部倒凹控制点：

P_down0＝a₁+(y₁–a₁)*m

P_down1＝b₁+(y₁–b₁)*m

P_down2＝b₂+(y₂–b₂)*m

P_down3＝a₂+(y₂–a₂)*m

式中，P_down0～P_down3分别表示第一～第四下部倒凹控制点，m表示控制点预设值，m的取值自行设定且可以修改。

如图3、图4所示，第一下部倒凹控制点P_down0和第二下部倒凹控制P_down1位于牙齿的一侧，第三下部倒凹控制点P_down2和第四下部倒凹控制P_down3位于牙齿的另外一侧。

如图6所示，5和6分别表示互为相邻的一颗牙齿，P_down2和P_down3为一侧的两个牙齿下部倒凹控制点。C1和C2分别为两颗牙齿的最宽水平面，P_up2和 P_up3分别为牙齿5、6的最宽面C1和C2上距离P_down2和P_down3最近的点。L5表示牙龈边界线，L1，L2，L3，L4的连线表示倒凹模型轮廓线。具体方法为：

S1将垂直于牙合平面的方向作为Z轴方向，设定齿根到齿顶的方向为Z轴的正方向；遍历数字化牙颌三维模型的三角面片顶点得到z轴方向的最小值 minZ和最大值maxZ，根据最小值minZ和最大值maxZ之差得到每颗牙齿的牙齿高度H；

S2在[minZ，maxZ]的范围内沿牙齿高度方向等间隔依次采样取点，以minZ 为初始值，以maxZ为最高值，以n为间隔，得到多个采样点，多个采样点分别表示为P_k，k＝1，2，3…(H/n)；

S3过采样点P_k对牙齿进行水平切片处理得到过采样点P_k的水平切面与牙齿外表面轮廓的多个交点，多个交点分别表示为K_i，i＝1，2，3，4….

S4根据2.3)得到的多个交点的连线计算得到切片周长C，对每一个采样点按照步骤2.3)计算得到各个采样点对应的切片周长C；

S5选取切片周长C的最大值作为牙齿最宽面。

如图5、图6所示，计算牙齿下部倒凹控制点到牙齿最宽面上的各个交点 K_i的距离，将牙齿最宽面中距离下部倒凹控制点最近的点作为牙齿上部倒凹控制点P_up，从而得到与牙齿下部控制点一一对应的上部倒凹控制点；

四个上部倒凹控制点的计算方法相同，具体如下：

P_up＝MinDistance(P_down，K_i)

式中，P_up表示上部倒凹控制点，MinDistance(P_down，K_i)表示最小化牙齿最宽面上的点K_i与下部倒凹控制点P_down之间的距离，即第一～第四下部倒凹控制点P_down0～P_down3与牙齿最宽面中距离最近的点分别对应为第一～第四上部倒凹控制点；如图5所示，由此我们可以得到一颗牙齿的八个倒凹控制点，分别位于牙齿的两侧。

如图10所示，对相邻的两颗牙齿分别选取相邻面上的四个倒凹控制点，具体是其中一颗牙齿选取近中侧的四个倒凹控制点，另外一颗牙齿选取远中侧的四个倒凹控制点。根据八个倒凹控制点建立相邻两颗牙齿的三角面片连接关系，建立一个八个点、六个面和十二个三角面片的立方体模型，立方体模型即为倒凹区域；对倒凹区域的上部控制点进行拉普拉斯光顺处理；对光顺处理后的倒凹区域进行数字化填补得到填倒凹后的牙颌三维模型。

如图11所示，光顺处理具体为：分别取相邻的两颗牙齿的颊舌侧各一个倒凹控制点构成一组点，从而将立方体模型的上部四个倒凹控制点分为两组点，在每组点的连线方向之间进行点插值，插入j个点，形成两组j个点的组，对点插值后的两组点进行拉普拉斯光顺处理。

如图7、图8和图9所示，得到填倒凹后的最终牙齿模型。数字化填倒凹处理的步骤包括：基于数字化牙齿和牙龈模型生成由倒凹控制点和三角网格组成的模型，对模型上部做光顺处理得到最终的倒凹模型，最后将所述倒凹模型填充在数字化牙齿模型的倒凹区域。到此，完成了在3D打印中对数字化牙齿模型的倒凹区域的自动填充，使得隐形矫正器制作加工一体化，提高了隐形矫正器 3D打印的效率，自动化程度更高。

Claims (6)

1.一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)根据采集的石膏牙颌模型得到数字化牙颌三维模型，提取数字化牙颌三维模型中的每颗牙齿的特征点，根据特征点得到每颗牙齿的下部倒凹控制点；

步骤2)沿垂直于牙合平面的方向对每颗牙齿进行多次水平切片处理得到牙齿最宽面；

步骤3)根据每颗牙齿的牙齿最宽面和下部倒凹控制点获得与每个下部倒凹控制点一一对应的上部倒凹控制点；

步骤4)根据相邻的两颗牙齿的倒凹控制点得到位于两颗牙齿之间的倒凹区域，对倒凹区域进行数字化填倒凹处理得到最终的牙颌三维模型，并输入到3D打印机中进行打印。

2.根据权利要求1要求所述一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括：

1.1)提取每颗牙齿的特征点：选取颊侧远中乳突点a1，舌侧远中乳突点a2，颊侧龈点y1，舌侧龈点y2，颊侧近中乳突点b1，舌侧近中乳突点b2作为每颗牙齿的特征点；

1.2)根据1.1)的特征点计算得到每颗牙齿的四个下部倒凹控制点：

P_down0＝a₁+(y₁–a₁)*m

P_down1＝b₁+(y₁–b₁)*m

P_down2＝b₂+(y₂–b₂)*m

P_down3＝a₂+(y₂–a₂)*m

式中，P_down0～P_down3分别表示第一～第四下部倒凹控制点，m表示控制点预设参数。

3.根据权利要求1所述所述一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于：所述的步骤2)具体包括：

2.1)将垂直于牙合平面的方向作为Z轴方向，设定齿根到齿顶的方向为Z轴的正方向；遍历数字化牙颌三维模型的三角面片顶点得到z轴方向的最小值minZ和最大值maxZ，根据最小值minZ和最大值maxZ之差得到每颗牙齿的牙齿高度H；

2.2)在[minZ，maxZ]的范围内沿牙齿高度方向等间隔依次采样取点得到多个采样点，多个采样点分别表示为P_k，k＝1，2，3…(H/n)；

2.3)过采样点P_k对牙齿进行水平切片处理得到过采样点P_k的水平切面与牙齿外表面轮廓的多个交点，多个交点分别表示为K_i，i＝1，2，3，4….

2.4)根据2.3)得到的多个交点的连线计算得到切片周长C，对每一个采样点按照步骤2.3)计算得到各个采样点对应的切片周长C；

2.5)选取切片周长C的最大值作为牙齿最宽面。

4.根据权利要求1所述一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：计算牙齿下部倒凹控制点到牙齿最宽面上的距离，将牙齿最宽面中距离下部倒凹控制点最近的点作为牙齿上部倒凹控制点P_up，从而得到与牙齿下部控制点一一对应的上部倒凹控制点；

四个上部倒凹控制点的计算方法相同，具体如下：

P_up＝MinDistance(P_down，K_i)

式中，P_up表示上部倒凹控制点，MinDistance(P_down，K_i)表示最小化牙齿最宽面上的点K_i与下部倒凹控制点P_down之间的距离，即第一～第四下部倒凹控制点P_down0～P_down3与牙齿最宽面中距离最近的点分别对应为第一～第四上部倒凹控制点。

5.根据权利要求1所述一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于：所述步骤4)具体包括：

4.1)对相邻的两颗牙齿分别选取相邻面上的四个倒凹控制点，根据八个倒凹控制点建立相邻两颗牙齿的三角面片连接关系，建立一个八个点、六个面和十二个三角面片的立方体模型，立方体模型即为倒凹区域；

4.2)对倒凹区域的上部进行拉普拉斯光顺处理；

4.3)对光顺处理后的倒凹区域进行数字化填补得到填倒凹后的牙颌三维模型。

6.根据权利要求5所述一种基于牙齿特征点的牙齿倒凹自动填充打印方法，其特征在于：所述的4.2)具体为：分别取相邻的两颗牙齿的颊舌侧各一个倒凹控制点构成一组点，从而将立方体模型的上部四个倒凹控制点分为两组点，在每组点的连线方向之间进行点插值，得到具有多个插值点的两组点，对点插值后的两组点进行拉普拉斯光顺处理。