CN111274666B - 一种数字化牙齿位姿变化量的设计、模拟排牙方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化牙齿位姿变化量的设计方法，包括如下步骤。步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。步骤S120：在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型。步骤S130：根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型。步骤S140：根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况。步骤S150：求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。本发明减少了人工耗时，提高了工作效率。

Description

一种数字化牙齿位姿变化量的设计、模拟排牙方法及装置

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助设计技术，特别是涉及一种计算机辅助生成牙齿正畸模型并利用所述牙齿正畸模型模拟进行牙齿隐形矫正的方法及装置。

背景技术

口腔正畸是针对牙齿排列畸形或错颌，利用弓丝、托槽等组成的固定矫治器械，或者可摘式的隐形牙齿矫治器，对牙齿施加三维矫治力和力矩，调整颜面骨骼、牙齿和颌面肌肉三者间的平衡和协调，经过一段时间的矫治后改善面型、排齐牙列并提高咀嚼效能。

无论是固定矫治还是隐形矫治，在进行矫治阶段，通常依靠医生的经验制定矫治方案。方法是在获得患者的牙颌模型之后，将牙颌模型上的每颗牙齿手工切割下来，之后进行手动排齐，模拟矫治过程，但是此种方式存在一定的误差。首先切割过程为认为手工操作，容易存在误差；其次当所有牙齿被切割完成之后，模拟排牙过程的标准仅为医生的经验程度，因此没有固定的衡量标准，主观因素较强；再次，医生手工操作的工作量很大，效率较低，且对患者的矫治结果预测不准。

随着计算机图像技术和机器学习技术的发展，自动化的正畸治疗正在快速发展。计算机三维数字化技术的发展，为口腔正畸的诊断设计及矫治带来了革命性改变。采集患者软硬组织的三维影像数据，进行诊断分析及治疗预测，通过计算机模拟进行牙齿的切割和排齐，最终实现矫治系统的个性化制作，正成为三维数字化正畸的发展方向，此种方式的操作方式受控于计算机模拟软件，由于不同患者口内差异性较大，因此在遇到一些复杂病例时，无法精准预测排齐效果，另外，临床医生可以根据临床经验对虚拟矫治过程修改，但是这种方式与医生个人经验值相关，不同医生输出的修改过程可能不同，无法进行量化统一。

因此，研究一种自动化生成牙齿位姿变化量的方法，方便与后续的排牙矫治过程，具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过计算机辅助建立牙齿正畸的三维模型，自动计算正畸模型中的特征并进行自动标注，通过所述正畸模型模拟牙齿移动情况，生成牙齿的位姿(位置和姿态)变化量，以用于辅助和指导正畸矫治过程。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数字化牙齿位姿变化量的设计方法，包括如下步骤。步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。步骤S120：在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型。步骤S130：根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型。步骤S140：根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况。步骤S150：求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

进一步地，所述步骤S110中，调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿后，重复进行步骤S120至步骤S150，得到新的目标函数中的待定参数的值。每次调整牙齿的位姿后重复整个方法，就相当于更换一套牙齿正畸矫治的模拟方案，从而有利于在多套模拟方案之间进行对比和选择。

进一步地，所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数据分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型，补齐数字化牙龈模型以得到完整的数字化牙龈模型，确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型、数字化牙龈模型和数字化牙槽骨模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。这是一种优选的实现方式。

进一步地，所述步骤S110中还包括采集齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，所述数字化基础正畸模型还包括结合齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项作为口内扫描数据的补充。这是对口内扫描数据的补充，属于可选的实现方式。

进一步地，所述步骤S120中，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。这是对牙齿的几何形态特征的具体说明。

进一步地，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度、牙齿的尖圆比例中的一项或多项。这是对牙齿的几何形态特征的进一步具体说明。

进一步地，所述步骤S120中，标注正畸模型的生成方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。这里给出了生成标注正畸模型的一种具体实现方式。

进一步地，所述步骤S120中，标注正畸模型的生成方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。这是采用统计数据来预测最有可能的特征，精度较低。

进一步地，所述步骤S130中，所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。这是对参考数据的具体说明。

进一步地，所述步骤S150中，在求解目标函数中的待定参数的过程中，判断相邻牙齿是否发生碰撞；如果发生碰撞，则调整牙齿位置再进行求解，直至没有碰撞发生。这是采用计算机建模运算的方式避免牙齿碰撞，减少人工耗时，提升处理效率。

进一步地，所述步骤S150中，求解目标函数中的待定参数的方法包括梯度下降迭代法、二次规划法的任一种。这是两种常见的求解方法的示例。

本发明还提供了一种基于数字化牙齿位姿变化量的模拟排牙方法，所述排牙方法应用前述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法完成。这表明本发明所计算的每颗牙齿的位姿变化量可用于进行模拟排牙。

本发明还提供了一种数字化牙齿位姿变化量的设计装置，包括如下单元。采集单元，用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。标注单元，用来在基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型。计算单元，用来根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型。目标设置单元，用来根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况。求解单元，用来求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

进一步地，所述数字化牙齿位姿变化量的设计装置还包括调整单元，用来调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿；其余各单元均基于改变后的数字化基础正畸模型进行操作。每次调整牙齿的位姿后其余各单元再进行操作，就相当于更换一套牙齿正畸矫治的模拟方案，从而有利于在多套模拟方案之间进行对比和选择。

本发明取得的技术效果是通过计算机建模运算模拟牙齿移动情况，避免牙齿在移动的过程中发生碰撞，模拟情况不仅更贴合患者口内实际情况，还减少了相应的人工耗时，提高了工作效率；通过修改指标可以对多套牙齿正畸方案进行模拟，有利于方案之间的对比和选择；所建立的标注正畸模型还能用于其它口腔治疗之需。

附图说明

图1是本发明提供的数字化牙齿位姿变化量的设计方法的流程图。

图2是本发明提供的数字化牙齿位姿变化量的设计装置的实施例一的结构示意图。

图3是本发明提供的数字化牙齿位姿变化量的设计装置的实施例二的结构示意图。

图中附图标记说明：110为采集单元；120为标注单元；130为计算单元；140为目标设置单元；150为求解单元；160为调整单元。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供的数字化牙齿位姿变化量的设计方法包括如下步骤。

步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。

步骤S120：在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型。

步骤S130：根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型。

步骤S140：根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况。

步骤S150：求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

本发明中出现了基础正畸模型、标注正畸模型、过程正畸模型，各自的含义说明如下。

基础正畸模型是由患者数字化的牙齿、牙龈、牙根、牙槽骨等口内数据，可选地加上颅骨侧位影像、齿科全景图、照片中提取的辅助数据组成。

标注正畸模型是在基础正畸模型的基础上，加上了牙齿的几何形态特征。

过程正畸模型是在标注正畸模型的基础上，加上了根据牙齿的几何形态特征计算得到的参考数据。

所述步骤S110中，调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿后，比如拔牙、邻面去釉等，得到调整后的基础正畸模型；重复进行步骤S120至步骤S150，得到新的目标函数中的待定参数的值。每次调整牙齿的位姿后重复整个方法，就相当于更换一套牙齿正畸矫治的模拟方案，从而有利于在多套模拟方案之间进行对比和选择。

所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数字化牙颌模型数据，分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，此时的数字化牙齿模型和数字化牙龈模型都是不完整的。随后补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型，补齐数字化牙龈模型以得到完整的数字化牙龈模型，确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。可选地，还包括采集齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，所述数字化基础正畸模型还包括结合齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项作为口内扫描数据的补充。

所述步骤S120中，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。例如，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度、牙齿的尖圆比例中的一项或多项。例如，生成标注正畸模型的方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。所述标准牙齿模型例如是从教学模型通过光学扫描方式得到的数字化模型，然后人工标注几何形态特征。又如，生成标注正畸模型的方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。

所述步骤S130中，所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。这些参考数据是根据医学规则在计算正畸治疗过程中需要使用的，由上述牙齿的几何形态特征得到。具体请参考以下文献一和文献二。

文献一是指1998年11月出版的《美国正畸和齿面矫形学杂志》(American Journalof Orthodontics and Dentofacial Orthopedics)第114卷第5期上刊登文章《牙科模型与曲面断层的评分系统》(Grading System for Dental Casts and PanoramicRadiographs)，作者为美国正畸协会(American Board of Orthodontics)。

文献二是指1972年9月出版的《美国正畸学杂志》(American Journal ofOrthodontics)第62卷第3期刊登文章《正常咬合的六个关键点》(The six keys to normalocclusion)，作者为Lawrence F.Andrews。

所述步骤S140中，设置目标函数的通用方案请参考文献一、文献二和文献三。只要明确定义，就可以抽象为定量的数值，比如希望某两颗牙齿之间的距离为xx毫米。

文献三是指2012年7月出版的明尼苏达大学博士论文《正畸学的自动化虚拟治疗规划：建模与算法》(Automated virtual treatment planning in orthodontics:modeling and algorithms)，作者为Yokesh Kumar。

所述步骤S150中，在求解目标函数中的待定参数的过程中，判断相邻牙齿是否发生碰撞；如果发生碰撞，则调整牙齿位置再进行求解，直至没有碰撞发生。例如，求解目标函数中的待定参数的方法包括梯度下降迭代法、二次规划法等。所述待定参数是指待定参数是每颗牙齿的位姿变化量，包括牙齿的平移量和扭转量。

本发明还提供了一种基于数字化牙齿位姿变化量的模拟排牙方法，所述排牙方法应用前述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法完成。应用于上述数字化牙齿位姿变化量的设计方法能够模拟虚拟排牙过程，并且对排牙过程中牙齿位姿的变化起到辅助和指导作用。

请参阅图2，本发明还提供了一种数字化牙齿位姿变化量的设计装置的实施例一，包括采集单元110、标注单元120、计算单元130、目标设置单元140和求解单元150。

所述采集单元110用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。

所述标注单元120用来在基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型。

所述计算单元130用来根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型。

所述目标设置单元140用来根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况。

所述求解单元150用来求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

本实施例所提供的数字化牙齿位姿变化量设计装置，能够很好的模拟得到患者真实口内每颗牙齿的位姿变化量，避免牙齿在实际移动的过程中发生碰撞的现象，模拟情况不仅更贴合患者口内实际情况，还减少了相应的人工耗时，提高了工作效率。

请参阅图3，本发明还提供了一种数字化牙齿位姿变化量的设计装置的实施例二，在实施例一的基础上增加了调整单元160。所述调整单元160用来调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿，得到调整后的基础正畸模型；其余各单元均基于改变后的数字化基础正畸模型进行操作。

本发明提供的数字化牙齿位姿变化量的设计、模拟排牙方法及装置通过计算机建模运算来减少牙齿正畸方案的设计过程中的人工耗时，提高效率；通过修改指标可以对多套牙齿正畸方案进行模拟，有利于方案之间的对比和选择；所建立的标注正畸模型也可以用于其他口腔科学应用。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型；

步骤S120：在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型；

步骤S130：根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型；

步骤S140：根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况；

步骤S150：求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

2.根据权利要求1所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S110中，调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿后，重复进行步骤S120至步骤S150，得到新的目标函数中的待定参数的值。

3.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数据分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型，补齐数字化牙龈模型以得到完整的数字化牙龈模型，确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型、数字化牙龈模型和数字化牙槽骨模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。

4.根据权利要求3所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S110中还包括采集齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，所述数字化基础正畸模型还包括结合齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项作为口内扫描数据的补充。

5.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S120中，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。

6.根据权利要求5所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度、牙齿的尖圆比例中的一项或多项。

7.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S120中，标注正畸模型的生成方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征。

8.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S120中，标注正畸模型的生成方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征。

9.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S130中，所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。

10.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S150中，在求解目标函数中的待定参数的过程中，判断相邻牙齿是否发生碰撞；如果发生碰撞，则调整牙齿位置再进行求解，直至没有碰撞发生。

11.根据权利要求1或2所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法，其特征是，所述步骤S150中，求解目标函数中的待定参数的方法包括梯度下降迭代法、二次规划法的任一种。

12.一种基于数字化牙齿位姿变化量的模拟排牙方法，其特征是，所述排牙方法应用如权利要求1-11中任一项所述的数字化牙齿位姿变化量的设计方法完成。

13.一种数字化牙齿位姿变化量的设计装置，其特征是，包括如下单元：

采集单元，用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型；

标注单元，用来在基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型；

计算单元，用来根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型；

目标设置单元，用来根据过程正畸模型的牙齿的几何形态特征的位置关系设置目标函数，目标函数的约束条件为牙齿不能碰撞，目标函数的待定参数是每颗牙齿的位姿变化情况；

求解单元，用来求解目标函数中的待定参数，得到每颗牙齿的位姿变化量。

14.根据权利要求13所述的数字化牙齿位姿变化量的设计装置，其特征是，还包括调整单元，用来调整数字化基础正畸模型中一颗或多颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿；其余各单元均基于改变后的数字化基础正畸模型进行操作。