CN111292857B - 一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法 - Google Patents

一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。该方法包括：根据牙齿分割线和牙冠模型对牙颌模型进行分割，得到牙龈模型的三维模型；切分三维模型中需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘；根据虚拟牙龈的高度得到牙龈底面轮廓线；利用vtk的流面功能得到牙龈虚拟部分；将牙龈保留部分、牙龈虚拟部分、牙窝面和底面组合在一起，得到牙龈模型。本发明的方法既可以保持关键部位牙龈原有的形态，又简化了很多无关细节，在计算机辅助隐形正畸软件中显示、仿真牙齿移动时牙龈变形等方面有广泛的应用；其中得到牙龈虚拟部分的方法能够避免计算牙龈底面至切分边缘间各层轮廓点重新构成三角片曲面的步骤，提高牙龈生成速度。

Description

一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法
技术领域
本发明涉及一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。
背景技术
在计算机辅助隐形正畸系统中，当对畸形牙齿进行矫正时，随着牙齿被矫正到达目的位置，牙龈也将随着牙齿的蠕动并且引起形状改变。在这一功能中，具有真实形态的牙龈模型是实现逼真模拟牙龈变形的前提。
目前主要使用两种牙龈生成方案：完全真实模型和虚拟模型。完全真实模型是直接将患者的石膏模型转换为虚拟的牙龈模型或者利用口内扫描仪获取患者的数字化印模，该方法简单便捷，且真实的反映了患者的牙龈情况，但一般其牙龈模型的体积较大(如配有的基座)，造成三角面片数量急剧增长，且三角面片形态无法预估，可能产生意料之外的错误。虚拟模型是根据在牙齿上选取的关键点或牙龈线完全重新生成牙龈形态的一种方法，其优势在于三角片数量和形状可控，但由于完全与患者的真实牙龈无关，医生无法观察患者的牙龈及牙周健康情况。另外，当患者的牙龈情况比较特殊时，可能发生矫治器挤压或戳刺牙龈，导致患者佩戴不适的情况。
发明内容
本发明的目的是：解决目前基于计算机辅助隐形正畸系统的牙龈生成方案存在的牙龈模型的体积较大导致可能产生部分错误、或者无法反映真实牙龈状况导致矫治器匹配效果不佳的问题。
申请人考虑到，对于隐形正畸而言，比较有保留价值的是牙齿根部附近小片区域的牙龈形态，因此本发明通过真实与虚拟结合构造牙龈三维模型。
本发明的技术方案如下：
一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法，包括以下步骤：
(1)获取牙颌模型、牙冠模型、牙齿分割线以及虚拟牙龈高度参数；
(2)根据牙齿分割线和牙冠模型对牙颌模型进行分割，得到牙龈模型的三维模型；
(3)切分三维模型中需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘；
(4)根据虚拟牙龈的高度，将所有切分边缘上的点沿z轴正方向/负方向投影至底面(即相应的上颌底面/下颌底面)，获得与底面的交点，得到牙龈底面轮廓线；
(5)利用vtk的流面功能，首先将牙龈底面轮廓线上的点与切分边缘上的点一一对应生成一系列流水线，然后vtk Ruled Surface Filter过滤器用一系列流线创建一个表面并三角化，得到牙龈虚拟部分；
(6)计算每颗牙齿分割线的中心点，将牙齿分割线上的所有点与中心点连接构成三角面片曲面即得到牙窝面；
(7)根据步骤(4)得到的牙龈底面轮廓线生成底面；
(8)将步骤(3)得到的牙龈保留部分、步骤(5)得到的牙龈虚拟部分、步骤(6)得到的牙窝面和步骤(7)得到的底面组合在一起，得到牙龈模型。
三维坐标定义：
上颌和下颌默认的x轴法向为(1,0,0)，y轴法向为(0,1,0)，z轴法向为(0,0,1)，若操作人员进行交互调节，会根据各轴旋转量重新计算x、y、z轴法向。上颌对应z轴正方向，下颌对应z轴负方向。
底面：计算上颌所有切分边缘点中z最大值点，以该点沿z轴正方向延伸虚拟牙龈的高度到达底面。下颌反之。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
可选地，步骤(3)的具体实现方式为：获取在牙龈模型上点选确定的切分点，寻找相邻切分点之间的最短路径，直到形成一个闭合的曲线，即为切分边缘线；提取牙齿分割线与切分边缘线之间的三角面片为需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘。
可选地，步骤(4)的具体实现方式为：计算所有切分边缘上的点在z轴方向上的最值点，其中上颌模型取z最大值点，下颌模型取z最小值点；以最值点为起点沿z轴方向延伸设定距离至底面，所述设定距离等于所述虚拟牙龈的高度，其中上颌模型沿z轴正方向延伸，下颌模型沿z轴负方向延伸；将所有切分边缘上的点投影至底面，获得与底面的交点，从而得到牙龈底面轮廓线。
可选地，步骤(7)的具体实现方式为：根据步骤(2)分割后单颗牙齿数目选取牙列中心牙，计算该牙中心点，并将中心点沿z轴投影至牙龈底面；中心投影点分别沿y轴正方向和负方向延伸，以这两个延伸点作为射线起点和终点求与步骤(4)所述牙龈底面轮廓线的交点，得到两个交点；以这两个交点为三角面片的两点，在牙龈底面轮廓线上分别按顺时针和逆时针方向寻找与交点相邻的点作为三角面片的第三个点组成三角面片，以此类推，直到遍历完所有底面轮廓线上的点，得到牙龈底面。
相应的，基于本发明可得出一种计算机设备，包括处理器和存储器；所述存储器中的部分或全部程序被处理器加载时执行上述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。
相应的，基于本发明可得出一种可读存储介质，其存储有若干程序，所述若干程序被处理器加载时执行上述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。
本发明具有以下优点：
1、本发明的方法既可以保持关键部位牙龈原有的形态，又简化了很多无关细节，在计算机辅助隐形正畸软件中显示、仿真牙齿移动时牙龈变形等方面有广泛的应用。
2、所生成的牙龈精细程度可以通过参数进行控制，可以根据不同的需求进行细化或简化，以适用于不同硬件条件下的设备。
3、本发明利用VTK的流面功能，首先用一系列有序的点来生成一系列的流线，然后vtkRuledSurfaceFilter用这多条流线来生成流面，能够避免计算牙龈底面至切分边缘间各层轮廓点重新构成三角片曲面的步骤，提高牙龈生成速度。
附图说明
图1为牙冠模型及牙齿分割线示意图。
图2为牙颌模型分割为牙冠模型和牙龈模型的示意图。
图3为标示牙龈切分边缘线示意图。
图4为牙龈保留部分的示意图。
图5为标示牙龈底面轮廓线的示意图。
图6为牙龈虚拟部分示意图。
图7为牙窝面示意图。
图8为牙龈底面示意图。
图9为牙龈模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
本实施例的一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法，包括以下步骤：
(1)输入牙颌模型、牙冠模型、牙齿分割线以及牙龈高度参数；如图1所示。其中，牙齿分割线：在每颗牙齿边缘上画出的粗线段(图中牙齿边缘的浅色框线)，牙冠组织分离时得到的，用于后续步骤(2)在牙颌模型上分割出牙龈模型，同时每颗牙齿的牙窝面与其对应；牙龈高度：虚拟牙龈的高度，即后续步骤(3)所述的切分边缘在z轴方向上最高点或最低点与底面的距离。
(2)根据牙齿分割线和牙冠模型对牙颌模型进行分割，得到牙龈模型的三维模型；如图2所示。
(3)切分三维模型中需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘；如图3、图4所示；具体可以是：
在牙龈模型上用鼠标交互点选切分点，寻找相邻切分点之间的最短路径，直到形成一个闭合的曲线，提取牙齿分割线与切分边缘线之间的三角面片为需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘。
(4)根据牙龈的高度，将所有切分边缘上的点沿z轴正方向/负方向投影至底面，获得与底面的交点，得到牙龈底面轮廓线；如图5所示；具体可以是：
计算所有切分边缘上的点在z轴方向上的最值点，其中上颌模型取z最大值点，下颌模型取z最小值点；以最值点为起点沿z轴方向延伸一定距离(牙龈高度)至底面，上颌模型沿z轴正方向延伸，下颌模型沿z轴负方向延伸。将所有切分边缘上的点投影至底面，获得与底面的交点，从而得到牙龈底面轮廓线。
(5)利用vtk的流面功能，首先将底面轮廓线上的点与切分边缘上的点一一对应生成一系列流水线，然后vtk Ruled Surface Filter过滤器用一系列流线创建一个表面并三角化，得到牙龈虚拟部分；如图6所示。
(6)计算每颗牙齿分割线的中心点，将牙齿分割线上的所有点与中心点连接构成三角面片曲面即得到牙窝面；如图7所示。
(7)根据底面轮廓线生成底面；如图8所示；具体可以是：
根据分割后单颗牙齿数目选取牙列中心牙，计算该牙中心点，并将中心点投影至牙龈底面；中心投影点分别沿y轴正方向和负方向延伸，以这两个延伸点作为射线起点和终点求与底面轮廓线的交点，得到两个交点；以这两个交点为三角面片的两点，在底面轮廓线上分别按顺时针和逆时针方向寻找与交点相邻的点作为三角面片的第三个点组成三角面片，以此类推，直到遍历完所有底面轮廓线上的点，得到牙龈底面。
(8)将牙龈保留部分、牙龈虚拟部分、牙窝面和底面组合在一起，得到牙龈模型，如图9。

Claims (5)

1.一种用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取牙颌模型、牙冠模型、牙齿分割线以及虚拟牙龈高度参数；
(2)根据牙齿分割线和牙冠模型对牙颌模型进行分割，得到牙龈模型的三维模型；
(3)切分三维模型中需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘；
(4)设上颌对应z轴正方向，下颌对应z轴负方向，x轴法向为(1,0,0)，y轴法向为(0,1,0)，z轴法向为(0,0,1)；根据虚拟牙龈的高度，将所有切分边缘上的点沿z轴正方向/负方向投影至底面，获得与底面的交点，得到牙龈底面轮廓线；
(5)利用vtk的流面功能，首先将牙龈底面轮廓线上的点与切分边缘上的点一一对应生成一系列流水线，然后vtk Ruled Surface Filter过滤器用一系列流线创建一个表面并三角化，得到牙龈虚拟部分；
(6)计算每颗牙齿分割线的中心点，将牙齿分割线上的所有点与中心点连接构成三角面片曲面即得到牙窝面；
(7)根据步骤(4)得到的牙龈底面轮廓线生成底面；
根据步骤(2)分割后单颗牙齿数目选取牙列中心牙，计算该牙中心点，并将中心点沿z轴投影至牙龈底面；中心投影点分别沿y轴正方向和负方向延伸，以这两个延伸点作为射线起点和终点求与步骤(4)所述牙龈底面轮廓线的交点，得到两个交点；以这两个交点为三角面片的两点，在牙龈底面轮廓线上分别按顺时针和逆时针方向寻找与交点相邻的点作为三角面片的第三个点组成三角面片，以此类推，直到遍历完所有底面轮廓线上的点，得到牙龈底面；
(8)将步骤(3)得到的牙龈保留部分、步骤(5)得到的牙龈虚拟部分、步骤(6)得到的牙窝面和步骤(7)得到的底面组合在一起，得到牙龈模型。
2.根据权利要求1所述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法，其特征在于：步骤(3)的具体实现方式为：获取在牙龈模型上点选确定的切分点，寻找相邻切分点之间的最短路径，直到形成一个闭合的曲线，即为切分边缘线；提取牙齿分割线与切分边缘线之间的三角面片为需要保留的牙龈部分，并顺序保存切分边缘。
3.根据权利要求1所述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法，其特征在于：步骤(4)的具体实现方式为：计算所有切分边缘上的点在z轴方向上的最值点，其中上颌模型取z最大值点，下颌模型取z最小值点；以最值点为起点沿z轴方向延伸设定距离至底面，所述设定距离等于所述虚拟牙龈的高度，其中上颌模型沿z轴正方向延伸，下颌模型沿z轴负方向延伸；将所有切分边缘上的点投影至底面，获得与底面的交点，从而得到牙龈底面轮廓线。
4.一种计算机设备，包括处理器和存储器；其特征在于：所述存储器中的部分或全部程序被处理器加载时执行权利要求1所述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。
5.一种可读存储介质，其存储有若干程序，其特征在于：所述若干程序被处理器加载时执行权利要求1所述的用于计算机辅助隐形正畸的牙龈生成方法。
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