CN112451151B - 一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提拱了一种利用混合现实技术的正畸治疗检查评估方法，本发明提供的混合现实场景能够便捷有效地测定患者的牙齿和面部数据，评估矫治效果，动态记录治疗过程，避免了传统检查中医生凭借肉眼观察的不准确性或借助放射检查时图片压缩形变，用虚拟与现实的比对代替了治疗效果的肉眼评估，可获得量化、准确的正畸检查评估数据，并且治疗记录可动态回顾。通过本发明构建的混合现实场景可以有效辅助使用者完成正畸治疗检查评估工作，提高完成度，降低主观误差；同时本发明相比传统方法可视化程度高，对治疗情况的展示连续性好，便于记录及医患沟通、成本较低、使用方便，为临床使用普及提供了十分便利的条件。
Description
技术领域
本发明涉及混合现实技术医学领域，尤其涉及一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法。
背景技术
正畸是对牙、颌、颅、面关系的不协调和上下牙弓、牙合关系异常等的诊治方法。治疗的目的是通过移动牙齿和颌骨达到牙列、颌骨、面形的协调，以及改善咀嚼功能和颜面美观。隐形矫治器和固定矫治器是目前最为常用的正畸治疗矫治器之一。在使用隐形矫治器的正畸过程中，患者会根据治疗阶段依次佩戴隐形矫治器，逐渐移动牙齿。临床上通过口扫仪扫描牙列信息，形成三维格式文件，在系统中进行牙齿分割，模拟每一步牙齿预计移动的空间位置情况，从而推断每一步牙齿的变化，并基于此设计每一步的矫治器。通过3D打印技术获取每一步矫治器模型后再进行热压制作矫治器。固定矫治器一般由带环、托槽和弓丝三部分组成，共同向牙齿施加矫治力。正畸医师会根据不同的矫治阶段和矫治目的，选择相应的矫治弓丝。当弓丝被插入带环并结扎在所有的牙面托槽上时，弓丝的弹力就会成为矫治力而发挥相应作用移动牙齿，牙齿发生空间位置上的改变。
在矫治过程中，患者每月需到口腔医院或诊所复查一次，对上一阶段矫治情况进行检查和评估，以指导本次复诊操作和后续正畸治疗设计。目前传统复诊检查和评估主要是凭借医生肉眼观察和经验来进行判断，必要时辅助以放射检查手段。但是没有一个便捷、有效、可量化的方法来判断患者每一阶段矫治达成情况，无法准确评估矫治效果，这将对最终矫治效果产生一定影响。
此外，目前通过直接观察来评估矫治情况，只能观察到暴露在牙龈以外的牙冠部分的移动情况，对于包裹在牙龈之中的牙根无法评估检查，因此无法判断矫治器对牙齿作用后牙冠或牙根是否移动达阶段性预计目标。例如，需要监控牙根位置以防止牙根移动失控；又或者需要评估相邻牙根平行度以建立良好牙齿邻接关系。并且，在目前的矫治过程中，评估牙根情况需要依靠X射线拍片，花费高、费时长，且对患者有辐射等不良影响。此外，由于全景牙片将三维的口腔结构转化为二维的影像图片，牙根的形态及位置会出现偏差，且无法观察牙根在颊舌向/唇舌向方向的情况。因此，本方法可以同时检查、评估牙冠的空间位置，和模拟出牙根的空间位置并进行评估。有助于正畸治疗的顺利进行，和减少不良反应和并发症的发生。
同时，如今无法得知每一阶段的实际矫治情况与当前步骤的预期牙移动是否吻合，也无法检查此阶段正畸治疗是否达到预期。
发明内容
本发明提供一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，用以解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，包括以下步骤：
S1. 导入预备数据：导入较预先通过口扫仪、CBCT、面扫仪整合获得的预备模型数据；
S2. 构建现实场景：在现实患者牙列上粘贴标志点：上颌切牙近中接触点、下颌切牙近中接触点、上下唇中点标志点、鼻尖、颏部标志点；通过标志点构建现实场景；
S3. 完成场景任务：佩戴混合现实设备，利用摄像机等获取患者已萌出牙冠数据，牙龈数据，以及各牙齿的空间位置及相对位置关系；同时通过步骤S2中标志点进行定位；
S4. 获取现实场景数据：获取使用过程中的传感器数据；
S5. 计算机根据传感器数据即时牙冠三维模型数据，利用S1获取的预备数据对S3、S4获取的现实牙冠模型进行牙根的模拟；
S6. 结果输出：将预备模型数据与即时模型数据比对，计算机计算出牙齿空间变化数据，以及面部变化数据。
进一步的，所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.通过口扫仪获得的牙冠、牙龈预备数据，通过CBCT获得的牙冠、牙根预备数据，通过3D面扫仪获得的面部预备数据；
S102. 对预备三维模型数据文件进行分割，得到单颗牙齿的三维模型；
S103. 通过AI识别算法进行识别，计算机对每一个牙齿模型与其对应的牙齿进行识别判断，得到预备模型数据并定义该模型属于的牙齿名称。
进一步的，所述预备三维模型数据文件包括上颌三维模型、下颌三维模型、面部单位模型，所述上颌三维模型包括上颌牙冠、牙龈、牙根三维模型数据，所述下颌三维模型包括下颌牙冠、牙龈、牙根三维模型数据，以及鼻、上下唇、颏部的面部三维模型及相对位置。
进一步的，所述预备模型数据包括临床牙冠长度数据、牙冠宽度数据、合面长度数据、合面宽度数据、牙体近中侧距离中点距离数据、近远中方向倾斜角度数据、唇颊侧方向转矩数据、牙体牙合面扭转角度数据、牙体在中空间位置三维数据，以及鼻、上下唇、颏部的三维模型及相对位置。
进一步的，所述步骤S4具体为通过混合现实设备内置的摄像头、红外发射器、红外感应器、加速度计、陀螺仪和重力感应器等获得数据。
进一步的，所述牙齿空间变化数据包括相同牙冠在口腔中整体平移距离数据、牙冠伸长/压入移动距离、牙冠在唇/颊方向上移动距离、牙冠在近中/远中方向上移动距离、牙冠近中/远中扭转度数、牙冠在唇/颊方向上轴倾度，牙冠在近中/远中方向上倾斜度。
进一步的，所述步骤S6比对过程为将预备模型数据与即时模型数据进行比对，利用AI算法识别单个牙齿后与预备模型中相同牙齿进行对应，进行面的贴合，从而完成预备模型数据与即时模型数据相同牙齿的对应。
进一步的，所述步骤S6还包括通过牙齿空间变化数据，利用线性代数进行三维坐标建立，利用xyz三维坐标以及四元数对模型的空间位置进行描述。
进一步的，显示牙根在即时模型中的位置，与邻近牙根的关系。显示鼻、上下唇、颏部的相对位置。
进一步的，记录后重演治疗过程，有助于分析正畸治疗跟踪、分析、调整。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过增强显示技术获得了正畸矫治过程中牙列的具体数值，增加了传统评价方法中所欠缺的精细测量和量化标准；
（2）本发明利用MR技术，结合口扫模型、CT数据等，模拟出隐藏在牙龈中的牙根形态及位置，克服了现有技术中牙片拍摄的复杂性以及X光对患者的伤害，同时相比于传统全口牙片提高了对牙根空间定位的准确度；
（3）本发明借助混合现实头戴装置，通过非直接接触方式获取了口腔内牙齿各项数据，并且可以借助扫描资料，实时构建模型，克服了以往诊疗中长时间的等待以及直接操作对患者带来的不适感；
（4）本发明通过量化的指标、MR设备显示屏，克服了已有技术中无法单独评估单颗牙齿、难以即时给出准确评价的缺陷；
（5）本发明相较于传统的矫治方法，可以记录上一次复查时的口扫数据。在下一次进行检查时，可以了解本阶段各牙齿具体的移动情况和软组织侧貌改善情况，与上一阶段进行比较和评估，提高正畸效果和效率；
（6）本发明利用MR技术和计算机模拟，可以不使用X光获取各阶段牙根的移动情况，克服了现有技术在矫治阶段中无法快速准确判断牙齿是否整体移动、牙根是否安全移动和平行的缺陷；
（7）本发明通过计算机即时计算和储存能力，通过三维动画的形式连续展示牙和牙列在矫治过程中的变化情况，克服了传统方法中只能通过文字和全景牙片描述的缺陷；
（8）本发明利用MR技术，通过在患者颌面部的辅助定位点确定患者面部外貌改变，并以量化标准进行评判，克服了传统方法中肉眼观察的主观性和不准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1 固定正畸检查评估
本实施例提供一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，包括以下步骤
（1）导入预备数据：导入预先获得的预备三维模型数据；
（2）构建现实场景：粘贴标志点构建出适用于测量的场景；
（3）完成场景任务：佩戴混合现实设备完成相应场景中的任务；
（4）获取现实场景数据：获取使用过程中的传感器数据；
（5）模型建立：计算机根据传感器数据计算出患者即时的口腔三维模型数据并模拟出牙根数据；
（6）结果输出：将预备模型数据与即时模型数据比对，计算机根据模型数据计算出牙齿空间变化数据；
（7）矫治效果评估：利用牙齿空间变化数据判断使用者口腔正畸矫治效果。
进一步的，前述方法，步骤（1）中的模型数据为通过口扫扫描仪、面部扫描仪获得的stl格式以及CBCT获得的dicom格式的三维模型数据文件。该文件来自于正畸治疗开始前或上一阶段结束时获得的模型数据。其中口扫数据和CBCT数据可经计算机软件处理整合，获得牙冠牙根一体的整体三维模型。
进一步的，前述方法，步骤（1）中获得的三维模型为包括牙冠、牙龈的整体三维模型，牙体整体三维模型，以及鼻、上下唇、颏部的三维模型及相对位置。在获得模型后，步骤（1）会对其进行分割，从而得到单颗牙齿的三维模型。
进一步的，前述方法，步骤（1）中获得的数据包括各牙齿临床牙冠长度（毫米为单位）、临床牙冠宽度（毫米为单位）、牙合面长度（毫米为单位）、牙合面宽度（毫米为单位）、牙体近中侧距离中点距离（毫米为单位）、牙体近远中方向倾斜角度（度为单位）、牙体唇颊侧方向转矩（度为单位）、牙体牙合面扭转角度（度为单位）为输出内容。
进一步的，前述方法，步骤（1）中所获得的的数据文件可以整个口腔模型为单位，也可以单个牙齿为单位进行提取、观察、处理及测量。
进一步的，前述方法，步骤（1）中所获得的单个牙齿模型，可以通过AI算法进行识别，计算机能够判断出每一个牙齿模型对应的牙齿，包括上颌/下颌，左侧/右侧，中切牙/侧切牙/尖牙/第一前磨牙/第二前磨牙/第一磨牙/第二磨牙/第三磨牙。
进一步的，前述方法，步骤（2）中构建的测量场景能够通过扫描仪获取所有已萌出牙齿的唇面（颊）观、舌（腭）面观及牙合面观、不可见的临床牙根部分及各牙齿的空间位置及相对位置关系。
进一步的，前述方法，其特征在于：步骤（3）中使用者佩戴混合现实设备获取步骤（2）中所规定的口腔模型数据。
进一步的，前述方法，步骤（4）中混合现实设备利用内置的摄像头、红外发射器、红外感应器、加速度计、陀螺仪和重力感应器获得数据。
进一步的，其特征在于：步骤（5）中获得的数据包括步骤（3）中各牙齿临床牙冠长度（毫米为单位）、临床牙冠宽度（毫米为单位）、牙合面长度（毫米为单位）、牙合面宽度（毫米为单位）、牙体近中侧距离中点距离（毫米为单位）、牙体近远中方向倾斜角度（度为单位）、牙体唇颊侧方向转矩（度为单位）、牙体牙合面扭转角度（度为单位）为输出内容。
进一步的，前述方法，步骤（6）中的获取到的数据文件为.stl或者.max或者.usdz或者.dcm格式，可与步骤（1）中所获得的模型数据叠加及比对、测量。
进一步的，前述方法，其特征在于：通过计算机，将步骤（6）中获得的模型文件与步骤（1）中获得的模型文件进行比对，利用AI算法识别单个牙齿后，进行面的贴合，从而完成步骤（1）中模型和步骤（6）中模型相同牙齿的对应。
进一步的，前述方法，步骤（6）中对比的数据包括相同牙齿空间变化数据，包括相同牙冠在口腔中整体平移距离数据、牙冠伸长/压入移动距离、牙冠在唇/颊方向上移动距离、牙冠在近中/远中方向上移动距离、牙冠近中/远中扭转度数、牙冠在唇/颊方向上轴倾度，牙冠在近中/远中方向上倾斜度。
进一步的，前述方法，步骤（6）中获得的数据除了步骤（5）中所获得的数据外，还包括计算机根据步骤（5）中获得的临床牙冠数据和步骤（1）中获得的牙根相关数据计算得出的牙根数据。
进一步的，前述方法，步骤（6）中获得的数据可以与步骤（1）中获得的数据进行一一对应，并比较数值变化。
进一步的，前述方法，步骤（6）中利用线性代数进行三维坐标建立，利用xyz三维坐标以及四元数对模型的空间位置进行描述。
进一步的，前述方法，步骤（6）中获取模型的空间位置后，利用混合现实装置，如Hololens将其与步骤（1）中获得的模型进行偏移量计算，从而得到具体的空间位置变化。
进一步的，前述方法，其特征在于：步骤（7）中使用者可以在佩戴的混合现实设备的显示器上看到步骤（6）中得到的数值变化。
进一步的，前述方法，步骤（7）中将步骤（6）中获得的数值展示在Hololens显示器上，每个数值以50%透明度出现在模型的右上方或者右下方。
进一步的，前述方法，通过AI算法，步骤（7）中的数值在Hololens显示器上遮挡模型文件的比例不超过50%。
进一步的，前述方法，步骤（7）中评估患者矫正效果的是步骤（6）中所获得的的各项数据，以及在正畸治疗开始前医生制定的预计治疗计划。在临床牙冠在口腔中整体平移距离数据、牙冠伸长/压入移动距离、牙冠在唇/颊方向上移动距离、牙冠在近中/远中方向上移动距离、牙冠近中/远中扭转度数、牙冠在唇/颊方向上轴倾度，牙冠在近中/远中方向上倾斜度方面，实际与预期比对距离或角度差距小则矫治效果良好，距离或角度差距大则矫治效果越差。
本实施例提供的混合现实场景能够有效地测定患者的口腔正畸治疗效果，避免了传统牙片拍摄X光的照射及其他放射性检查，降低了对患者的伤害，同时用具体指标代替了传统检查中医生凭借经验肉眼观察，可以获得量化、准确的正畸数据。使用本发明提供的方法，构建起的混合现实场景可以有效辅助使用者完成矫治效果检查评估，提高完成度，降低主观误差。本发明成本较低、使用方便，为临床使用普及提供了十分便利的条件。
实施例2 正畸后面部外观改善情况评估
本实施例提供一种利用混合现实技术的对正畸后患者面部外观改善情况的评估，包括以下步骤：
（1）导入预备数据：导入预先获得的患者在治疗前的面部外观数据；
（2）构建现实场景：在患者面部粘贴标志点；
（3）完成场景任务：佩戴混合显示设备完成场景中的任务；
（4）获取现实场景数据：获取使用过程中的传感器数据；
（5）模型建立：构建三维坐标系，确定各标志点相对三维位置关系；
（6）结果计算：通过计算机计算出所需数据；
（7）结果评估：与预备数据进行比对，判断面部外观改善情况。
进一步的，前述方法，步骤（1）中的面部外观数据为患者在进行正畸治疗前或者上一治疗阶段获得的标志点在同一三维坐标系的空间位置和相对关系。
进一步的，前述方法，步骤（1）中获取的标志点为：鼻尖、上下唇中点（唇珠）、颏部中点。
进一步的，前述方法，步骤（1）中标志点的相对关系指：上下唇中点（唇珠）与鼻尖和颏部中点连线的相对关系（位于连线上、在连线靠近面部方向、在连线远离面部方向），以及上下唇中点（唇珠）到鼻尖和颏部中点连线的距离（毫米为单位）。
进一步的，前述方法，步骤（2）中粘贴标志点的位置为鼻尖、上下唇中点（唇珠）、颏部中点。
进一步的，前述方法，步骤（2）中的标志点为特殊颜色标记的圆形贴片，直接粘贴于皮肤表面。
进一步的，前述方法，步骤（2）中鼻尖、上下唇中点（唇珠）、颏部中点标志点以不同颜色，相同大小的圆形贴片粘贴。
进一步的，前述方法，步骤（3）中使用者佩戴混合现实头戴设备扫描步骤（2）中相关标志点，并录入至混合现实设备中。
进一步的，前述方法，步骤（3）中利用步骤（1）中导入的数据，混合现实设备可以识别不同标志点对应的部位。
进一步的，前述方法，步骤（4）中混合现实设备利用内置的雷达传感摄像头、红外发射器、红外感应器、加速度计、陀螺仪和重力感应器获得数据。
进一步的，前述方法，步骤（4）中获得的数据包括：鼻尖、上下唇中点（唇珠）、颏部中点到混合现实设备传感器的距离（毫米为单位），鼻尖、上下唇中点（唇珠）、颏部中点在三维空间中的相对位置（三维坐标系）。
进一步的，前述方法，步骤（5）利用计算机将步骤（4）中标志点的空间位置导入至同一三维坐标系中，并获取各标志点的三维坐标。
进一步的，前述方法，步骤（6）中混合现实佩戴设备将数据传输至连接的计算机中，由计算机进行数据计算。
进一步的，前述方法，步骤（6）中所需计算的内容包括：上下唇中点（唇珠）与鼻尖和颏部中点连线的相对关系（位于连线上、在连线靠近面部方向、在连线远离面部方向），以及上下唇中点（唇珠）到鼻尖和颏部中点连线的距离（毫米为单位）。
进一步的，前述方法，步骤（6）中利用AI算法确定患者面部方位，从而确定上下唇中点（唇珠）靠近面部或远离面部。
进一步的，前述方法，步骤（7）中，默认以上下唇中点（唇珠）位于鼻尖和颏部连线上为最优面部外观。
进一步的，前述方法，步骤（7）使用者可以自行定义最为面部外观的标准空间关系。
进一步的，前述方法，步骤（7）通过计算机将步骤（6）中获得的数据与步骤（1）中获得的预备数据进行对比，得出结论。
本实施例提供的混合现实场景能够有效地测定患者在正畸治疗前后面部外观的变化，弥补了传统治疗中对于面部外观客观评价的缺陷，避免了传统方法中医师肉眼观察导致的不准确性，获得了可以量化，准确的数据。使用本发明提供的方法，不仅可以快速、准确地判断患者面部外观改善情况及程度，还能够动态查看患者在系列治疗中面部的变化情况，有助于医生进行评估以及调整治疗方案。本发明成本较低、使用方便，为临床使用普及提供了十分便利的条件。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 导入预备数据：导入预先通过口扫仪、CBCT、面扫仪整合获得的预备模型数据；
S2. 构建现实场景：通过标志点构建现实场景，所述标志点包括上颌切牙近中接触点、下颌切牙近中接触点、上下唇中点标志点、鼻尖、颏部标志点；
S3. 完成场景任务：佩戴混合现实设备获取已萌出牙冠数据，牙龈数据，以及各牙齿的空间位置及相对位置关系；同时通过步骤S2中标志点进行定位；
S4. 获取现实场景数据：获取使用过程中的传感器数据，具体为：通过混合现实设备内置的雷达传感摄像头、红外发射器、红外感应器、加速度计、陀螺仪和重力感应器获得数据；
S5. 模型建立：计算机根据传感器数据计算出即时模型数据，利用步骤S1获取的预备模型数据对步骤S3、S4获取的现实牙冠模型进行牙根的模拟；
S6. 结果输出：将预备模型数据与即时模型数据比对，计算机计算出牙齿空间变化数据，以及面部变化数据，所述比对过程具体为：将预备模型数据与即时模型数据进行比对，利用AI算法识别单个牙齿后与预备模型中相同牙齿进行对应，进行面的贴合，从而完成预备模型数据与即时模型数据相同牙齿的对应。
2.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：
S101. 通过口扫仪获得的牙冠、牙龈预备数据，通过CBCT获得的牙冠、牙根预备数据，通过3D面扫仪获得的面部预备数据；
S102. 对预备三维模型数据文件进行分割，得到单颗牙齿的三维模型；
S103. 通过AI识别算法进行识别，计算机对每一个牙齿模型与其对应的牙齿进行识别判断，得到预备模型数据并定义该模型属于的牙齿名称。
3.根据权利要求2所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述预备三维模型数据文件包括上颌三维模型、下颌三维模型，所述上颌三维模型包括上颌牙冠、牙龈、牙根三维模型数据，所述下颌三维模型包括下颌牙冠、牙龈、牙根三维模型数据，以及鼻、上下唇、颏部的面部三维模型及相对位置。
4.根据权利要求2所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述预备模型数据包括临床牙冠长度、宽度外形数据、牙体近远中方向倾斜角度数据、唇颊侧方向转矩数据、牙合面扭转角度数据、侧貌面型数据。
5.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述即时模型数据包括临床牙冠长度、宽度外形数据、牙体近远中方向倾斜角度数据、唇颊侧方向转矩数据、牙合面扭转角度数据、侧貌面型数据。
6.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述牙齿空间变化数据包括相同牙冠在口腔中整体平移距离数据、牙冠伸长/压入移动距离、牙冠在唇/颊方向上移动距离、牙冠在近中/远中方向上移动距离、牙冠近中/远中扭转度数、牙冠在唇/颊方向上轴倾度，牙冠在近中/远中方向上倾斜度。
7.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述牙齿空间变化数据除上述牙冠数据外还可虚拟出牙根移动数据，包括相同牙齿牙根伸长/压入移动距离、牙根在唇/颊方向上移动距离、牙根在近中/远中方向上移动距离、牙根近中/远中扭转度数、牙根在唇/颊方向上轴倾度，牙根在近中/远中方向上倾斜度。
8.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述步骤S6还包括通过牙齿空间变化数据，利用线性代数进行三维坐标建立，利用xyz三维坐标以及四元数对模型的空间位置进行描述。
9.根据权利要求1所述的一种利用混合现实技术的正畸模型建立方法，其特征在于，所述即时模型可存储记录，并可动态回顾展示每次即时模型。
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