CN114757981A - 一种基于牙齿表面特征点构建咬合的方法及系统 - Google Patents

一种基于牙齿表面特征点构建咬合的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的方法及系统，本发明属于数字化三维图形图像处理领域。本发明包括如下步骤：1、提取不同位置上牙冠的特征点；2、对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移矩阵；3、碰撞检测，找到最佳咬合深度。本发明的创新在于快速且精确，且通过本发明方法最后达到的牙齿咬合效果可达到口腔辅助诊断和治疗系统对速度和精度的需求。

Description

一种基于牙齿表面特征点构建咬合的方法及系统
技术领域
本发明属于数字化三维图形图像处理领域，是一种基于牙齿表面特征点构建 上下牙颌咬合的方法及系统。
背景技术
现如今，随着数字口腔技术的快速普及，越来越多的患者选择医学正畸。在 正畸过程中，需要考虑两点问题：1、如何确定良好的咬合关系；2、如果区分良 好的咬合深度。为了让临床端的医生可以更加直观的看到牙齿咬合的效果，因此 需要一种快速且精确的咬合方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于牙齿表面特征点构建上 下牙颌咬合的方法。本发明的核心创新在于：首先根据不同牙齿的形状确定不同 位置的特征点，然后通过特征点的匹配大致确定上下颌面的位置，最后通过碰撞 检测，精确确定上下牙的咬合深度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
步骤1、提取不同位置上牙冠的特征点；
步骤2、对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移矩阵；
步骤3、碰撞检测，找到最佳咬合深度。
实验结果表明，该方法的牙齿咬合效果可达到口腔辅助诊断和治疗系统对速 度和精度的需求。
进一步的，本发明步骤1所述的提取不同位置上牙冠的特征点，具体实现如 下：
1.1分别对上颌模型和下颌模型的姿态初始化，使其咬合面平行于X-O-Y 平面，牙齿朝向Z轴正方向；
1.2取上颌所有牙齿的中心点，并采用最小二乘法对获取的中心点进行曲 线拟合，最终得到上颌牙齿的牙弓线；对下颌进行相同操作获取下颌牙齿的牙弓 线；
1.3作垂直于上颌牙弓线的平面，与上颌模型相交，得到上颌牙齿的截面 曲线，如图4所示；对下颌进行相同操作，得到下颌牙齿的截面曲线；
1.4对于上颌的后牙部分：将每个截面曲线上中间段最低处作为特征点(如 图5黑点)；对于上颌的前牙部分，取后牙特征点Z轴方向高度的平均值作为前 牙特征点的高度值，再取前牙截面曲线的舌侧在此高度值下的点作为前牙特征点；
1.5对于下颌的后磨牙：
取其截面曲线的颊侧尖端作为特征点(如图6灰点)；对于下颌的尖牙和切 牙取其截面曲线的最高点作为特征点；
进一步的，本发明步骤2所述的对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平 移变换，具体实现如下：
2.1对上牙和下牙两组特征点进行ICP配准；
2.1.1ICP算法是基于最小二乘法的最优配准方法。该算法重复进行选择对 应关系点对，计算最优刚体变换这一过程，直到满足正确配准的收敛精度要求。 ICP是一个广泛使用的配准算法，主要目的就是找到旋转和平移参数，将两个不 同坐标系下的点云，以其中一个点云坐标系为全局坐标系，另一个点云经过旋转 和平移后两组点云重合部分完全重叠。设上牙组特征点为目标点云；下牙组特征 点为参考点云；则上牙和下牙两组特征点进行ICP配准的基本过程如下：
1、对于目标点云中的每个点，匹配参考点云(或选定集合)中的最近点；
2、求得使上述对应点对计算均方根(root mean square，RMS)最小的刚体 变换，求得平移参数和旋转参数；
3、使用获得的转换矩阵来转换目标点云；
4、迭代(重新关联点)，直到满足终止迭代的条件(迭代次数或误差小于阈 值)。这里的误差最小，可以是相邻两次均方根差的绝对值小于某一限差。
进一步的，本发明步骤3所述的碰撞检测，找到最佳咬合深度，具体实现如 下：
3.1将ICP配准后获取的最优旋转平移变换应用到上颌模型和下颌模型， 从而建立OBB层次包围盒树；
3.2对上颌模型进行上下平移，实时碰撞检测；
3.3确定上颌模型和下颌模型碰撞的交点个数，当连续3次相邻碰撞的交 点个数差值在设定阈值范围内，则表明找到最佳的咬合深度(图8左侧为咬合深 度过深，右侧刚好)。
一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的系统，包括特征点提取模块、 特征点配准模块、碰撞检测模块；
所述的特征点提取模块用于提取不同位置上牙冠的特征点；
所述的特征点配准模块对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移矩阵；
所述的碰撞检测模块是通过碰撞检测，找到最佳咬合深度。
本发明提供了一种基于牙齿表面特征点的咬合算法，具备以下有益效果：
本发明预先根据不同牙齿的形状确定不同位置的特征点，再通过特征点的匹 配大致确定上下颌面的位置，最后通过碰撞检测，精确确定上下牙的咬合深度。
本发明的创新在于快速且精确，且通过本发明方法最后达到的牙齿咬合效果 可达到口腔辅助诊断和治疗系统对速度和精度的需求。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的上下颌初始化模型示意图；
图3为本发明的上颌模型及截面曲线示意图；
图4为本发明的上牙特征点分布示意图；
图5为本发明的下牙特征点分布示意图；
图6为本发明的未进行点云匹配状态示意图；
图7为本发明进行点云匹配的状态示意图；
图8为本发明的上下颌咬合状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。
实施案例一
如图1所示，一种基于牙齿表面特征点的咬合算法，包括以下步骤：
S1、提取不同位置上牙冠的特征点；
如图2所示，步骤S11、预先将上下颌模型姿态初始化，并使其咬合面平行 于X-O-Y平面，牙齿朝向Z轴正方向；
如图3所示，步骤S12、取上颌牙齿的中心点，并采用最小二乘法进行曲线 拟合，最终得到上颌牙齿的牙弓线，并对下颌进行相同操作；
如图4所示，步骤S13、作垂直于上颌牙弓线的平面，与上颌模型相交，得 到上颌牙齿的截面曲线，并对下颌进行相同操作；
如图5所示，S14、对于上颌的后牙部分，取截面上中间段最低处作为特征 点；对于上颌的前牙部分，取后牙特征点Z轴方向高度的平均值作为前牙特征点 的高度值，再取前牙截面曲线的舌侧在此高度下的点作为其特征点；
如图6所示，S15、对于下颌的后磨牙，取其截面的颊侧尖端作为特征点； 对于下颌的尖牙和切牙取其截面的最高点作为特征点。
如图7和图8所示，S2、对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移变换；
其中，ICP算法是基于最小二乘法的最优配准方法，该算法重复进行选择对 应关系点对，计算最优刚体变换这一过程，直到满足正确配准的收敛精度要求； ICP是一个广泛使用的配准算法，主要目的就是找到旋转和平移参数，将两个不 同坐标系下的点云，以其中一个点云坐标系为全局坐标系，另一个点云经过旋转 和平移后两组点云重合部分完全重叠，具体的包括以下步骤：
S21、对于目标点云中的每个点，匹配参考点云或选定集合)中的最近点；
S22、求得使上述对应点对计算均方根最小的刚体变换，求得平移参数和旋 转参数；
S23、使用获得的转换矩阵来转换目标点云；
S24、迭代(重新关联点)，直到满足终止迭代的条件(迭代次数或误差小于 阈值)，其中，这里的误差最小，可以是相邻两次均方根差的绝对值小于某一限 差。
S3、碰撞检测，找到最佳咬合深度；
S31、对上牙和下牙建立OBB层次包围盒树；
S32、对上牙进行上下平移，实时碰撞检测；
S33、确定碰撞的交点个数，找到最佳的咬合深度(图8左侧为咬合深度过深， 右侧刚好)。
实施案例二
采用若干个贴片式压力传感器贴敷于上、下颌牙齿上，并将压力传感器与可 实现数据建模的上位机实现数据传输，并借助CT扫描仪，以及口腔扫描仪与上 位机连接，可将扫描采集的上、下颌牙齿模型数据传输至上位机，并通过牙齿咬 合，采集上、下颌牙齿施力点，并将数据反馈给上位机，判断作用点位于牙齿的 位置，并配合牙齿模型判断咬合深度。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术 方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、提取不同位置上牙冠的特征点；
步骤2、对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移矩阵；
步骤3、碰撞检测，找到最佳咬合深度。
2.根据权利要求1所述的一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的方法，其特征在于步骤1所述的提取不同位置上牙冠的特征点，具体实现如下：
1.1分别对上颌模型和下颌模型的姿态初始化，使其咬合面平行于X-O-Y平面，牙齿朝向Z轴正方向；
1.2取上颌所有牙齿的中心点，并采用最小二乘法对获取的中心点进行曲线拟合，最终得到上颌牙齿的牙弓线；对下颌进行相同操作获取下颌牙齿的牙弓线；
1.3作垂直于上颌牙弓线的平面，与上颌模型相交，得到上颌牙齿的截面曲线；对下颌进行相同操作，得到下颌牙齿的截面曲线；
1.4对于上颌的后牙部分：将每个截面曲线上中间段最低处作为特征点；对于上颌的前牙部分，取后牙特征点Z轴方向高度的平均值作为前牙特征点的高度值，再取前牙截面曲线的舌侧在此高度值下的点作为前牙特征点；
1.5对于下颌的后磨牙：取其截面曲线的颊侧尖端作为特征点；对于下颌的尖牙和切牙取其截面曲线的最高点作为特征点。
3.根据权利要求1所述的一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的方法，其特征在于步骤2所述的对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移变换，具体实现如下：
2.1对上牙和下牙两组特征点进行ICP配准；设上牙组特征点为目标点云；下牙组特征点为参考点云；则上牙和下牙两组特征点进行ICP配准的基本过程如下：
1、对于目标点云中的每个点，匹配参考点云中的最近点；
2、求得使上述对应点对计算均方根最小的刚体变换，求得平移参数和旋转参数；
3、使用获得的转换矩阵来转换目标点云；
4、迭代直到满足终止迭代的条件，即迭代次数或误差小于阈值。
4.根据权利要求1所述的一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的方法，其特征在于步骤3所述的碰撞检测，找到最佳咬合深度，具体实现如下：
3.1将ICP配准后获取的最优旋转平移变换应用到上颌模型和下颌模型，从而建立OBB层次包围盒树；
3.2对上颌模型进行上下平移，实时碰撞检测；
3.3确定上颌模型和下颌模型碰撞的交点个数，当连续3次相邻碰撞的交点个数差值在设定阈值范围内，则表明找到最佳的咬合深度。
5.一种基于牙齿表面特征点构建上下牙颌咬合的系统，其特征在于包括特征点提取模块、特征点配准模块、碰撞检测模块；
所述的特征点提取模块用于提取不同位置上牙冠的特征点；
所述的特征点配准模块对特征点进行ICP配准，找出最优的旋转平移矩阵；
所述的碰撞检测模块是通过碰撞检测，找到最佳咬合深度。
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