CN116473712A - 基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统，该方法通过获得时刻T0的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型，进行叠加，获得包含牙冠和牙根的每颗牙齿的完整模型；获得时刻TN的蜡咬合记录，对蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录的三维数字模型并上传；提取咬合记录数字模型的咬合凹坑，和每颗牙齿的完整模型的咬合面进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；重叠时刻T0与TN的牙齿位置模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；计算得到牙齿的三维移动数据；医师通过获得的牙齿位置变化的准确三维数据，实现对患者牙移动较高准确性的远程监测，为后续的矫正提供可靠的数据，指导患者下一步的治疗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统，属于口腔监测技术领域。
背景技术
牙颌畸形是一种常见的多发性口腔疾病，指由遗传因素和环境因素导致的牙齿、颌骨、颅面的各类畸形。口腔正畸治疗利用矫治器产生的力直接或间接作用于牙齿上，引发牙移动或颌骨生长改型，从而将牙齿排列整齐，恢复牙齿正常咬合功能，改善容貌外观，矫治牙颌畸形。
目前，口腔正畸治疗的常规模式为正畸医生在初诊时为患者采集牙颌畸形相关的病历资料，如锥形束CT、牙列印模、口内外数字照片等，而后进行诊断分析，为患者制定治疗方案，在与患者进行充分沟通取得患者知情同意后，开展正畸治疗。患者需要在治疗期间以一月一次的频率复诊，医师对患者口内情况研判后决定后续的治疗操作，整个治疗周期通常需要两年至两年半，这种模式下，医师只能在患者复诊时才能观察获得牙齿位置的变化情况。
近年来，虽然透明隐形矫治器的快速发展可以将患者的复诊频率降低到两月一次甚至更长，但是其控制正畸牙移动的生物力学原理尚不明确，牙齿移动脱离原治疗计划，需要医生介入处理的情况仍频繁发生。且由于患者对自己牙齿的移动情况并无感知，无法及时复诊处理，待医生发现此情况时往往已无法通过简单处理让治疗重回正轨，而需要重新启动治疗流程，这实则增加了患者的就诊频率，延长了治疗周期。因此，一套能够有效监测口腔正畸牙齿移动的方法对正畸医师和患者都具有十分重要的意义。
现有资料报道的牙齿移动监测方法是患者自行在家中采集口内照片后上传给医师，例如中国专利申请CN2020107878101公开的一种基于图像处理的监控牙齿位置的方法，但由于其采集的是二维照片，用以监测三维的牙齿移动会有较大的误差，且其拍摄结果受患者操作的影响较大，结果不稳定，可信度较差。另一方面，虽然随着光学扫描技术的快速发展，光学扫描仪的精度已达到临床要求。口内光学扫描仪可以三维地记录牙齿的位置，而后方便医生进行精确的牙齿移动分析。但是，口内光学扫描仪造价昂贵且需要专业的医护人员进行操作，患者仍需要到医疗机构才能进行扫描，并未实质性的为患者减少就诊频次。因此，本发明决定结合光学扫描的优势，提供一种远程的牙齿移动监测新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统解决现有技术中存在的正畸过程中远程监测准确性有待提高的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，包括以下步骤，
S1、获得正畸前时刻T0的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型，进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型；
S2、获得正畸中时刻TN的蜡咬合记录，对蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录的三维数字模型；
S3、将步骤S2得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；
S4、重叠时刻T0与TN的牙齿位置模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；
S5、通过步骤S4获得的重叠模型及局部三维坐标系，进行单颗牙齿重叠分析，计算得到牙齿的三维移动数据；
S6、重复步骤S5，直至分析得到牙列所有牙齿的三维移动数据。
进一步地，还包括步骤S7，在正畸过程中通过步骤S1至步骤S5连续采集患者正畸治疗中不同时刻TN的蜡咬合记录并进行分析，最终获得整个正畸周期内患者所有牙齿的位置信息及三维移动记录。
进一步地，步骤S3中，将步骤S2得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型，具体为，
S31、在咬合记录三维数字模型和牙列完整模型上分别选取三个特征点计算变换矩阵，将两个模型转换到同一坐标系内，然后基于ICP算法对两个模型进行精配准；
S32、对咬合记录三维数字模型上的牙齿进行分割并进行齿间粘连区域的形态恢复；
S33、计算蜡咬合记录模型的平均曲率，提取曲率值在给定范围内的点作为每颗牙齿咬合凹坑的边界，然后基于形态学的方法和骨架提取的方法得到每颗牙齿的咬合凹坑边界；
S34、对分割好的每颗牙齿及其对应的咬合凹坑进行配准，即可恢复患者目前牙齿所在位置，还原获得时刻TN的牙齿位置模型。
进一步地，步骤S4中，为每颗牙齿建立局部三维坐标系，具体为，
S41、根据单颗牙冠的形态特征，按给定的平均曲率阈值，提取牙冠上牙切嵴和牙尖嵴对应的特征区域；
S42、然后采用特征值分解的方法对特征区域进行拟合，并调整变换得到单颗牙冠上的局部参考平面F0；
S43、交互选取所有牙冠的宽度方向，并计算其轴向包围盒，选取牙冠包围盒与局部参考平面F0相重合的四边形的中心作为局部坐标系原点，宽度方向作为局部坐标主轴u，与局部坐标平面法向重合的轴作为w轴，根据右手规则即可确定v轴。
进一步地，步骤S2中，获得时刻TN的蜡咬合记录，具体为，将加热的蜡片制作成马蹄状，置于下牙弓上后咬合，蜡片冷却变硬后缓慢取出，确认牙齿印记完整、蜡片未变形后，清水冲洗并吹干后，得到蜡咬合记录。
进一步地，步骤S5中，牙齿的三维移动数据包括牙齿移动距离和牙齿移动角度。其中，牙齿移动距离包括伸长/压低距离、唇移/舌移距离、近移/远移距离，牙齿移动角度包括扭转角度、近倾/远倾角度、唇倾/舌倾角度。
一种实现上述任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法的系统，包括三维模型采集终端和监测终端，
三维模型采集终端：由咬合蜡片获得正畸前时刻TN的蜡咬合记录，由三维扫描仪对得到的时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录三维数字模型后通过通信模块发送给监测终端；
监测终端包括完整模型生成模块和位置监测模块，
完整模型生成模块：采用口内扫描仪获得正畸中时刻T0患者牙列的口内扫描模型，采用口腔锥形束CT设备获得锥形束CT牙齿模型；将得到的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型；
位置监测模块：将得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；重叠时刻T0得到的牙列完整模型与时刻TN的牙齿位置模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；通过获得的重叠牙齿位置模型及局部三维坐标系，计算得到牙齿的位置移动数据。
进一步地，三维模型采集终端中，通过手持式三维扫描仪对时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得牙列的三维数字模型。
本发明的有益效果是：
该种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统，通过咬合蜡片获得患者的蜡咬合记录，还原患者的口内牙列情况，进而能够获得牙齿位置变化的准确三维数据，实现对患者牙移动高准确性远程监测，为后续的矫正提供可靠的数据，方便医师指导患者下一步的治疗。
本申请方案采用手持式三维扫描仪即可获得咬合数据。相较于现有技术，手持式三维扫描仪造价相较于口内光学扫描仪便宜；更重要的是，用手持式三维扫描仪扫描蜡咬合记录，相较传统的口内扫描牙列扫描难度大大降低，患者无需前往医院即可轻松完成扫描并上传数据，减少患者去医院次数，实现远程监测。
附图说明
图1是本发明实施例基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法的流程示意图；
图2是实施例中获得正畸前时刻T0包含牙冠和牙根的牙列完整模型的说明示意图；
图3是实施例中获得正畸中时刻TN的蜡咬合记录的说明示意图；
图4是实施例中获得时刻TN的牙齿位置模型的说明示意图；
图5是实施例中获得重叠模型的说明示意图；
图6是实施例中进行单颗牙齿重叠分析的说明示意图；
图7是本发明实施例基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测系统的说明示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，如图1，包括以下步骤，
S1、获得正畸前时刻T0的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型，进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型，如图2；步骤S1中，锥形束CT牙齿模型：Cone Beam ComputerTomography牙齿模型，即锥形束电子计算机断层扫描牙齿模型。
S2、获得正畸中时刻TN的蜡咬合记录，如图3，对蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录的三维数字模型；
步骤S2中，获得时刻TN的蜡咬合记录，具体为，将加热的蜡片制作成马蹄状，置于下牙弓上后咬合，蜡片冷却变硬后缓慢取出，确认牙齿印记完整、蜡片未变形后，清水冲洗并吹干后，得到蜡咬合记录。
S3、将步骤S2得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型，如图4；
S31、在咬合记录三维数字模型和牙列的三维数字模型上分别选取三个特征点计算变换矩阵，将两个模型转换到同一坐标系内，然后基于ICP算法对两个模型进行精配准；其中，ICP算法：Iterative Closest Point算法，即迭代最近点算法；
步骤S31中，将两个模型转换到同一坐标系内，能够为牙列完整模型和咬合记录三维数字模型精配准提供了一个较好的初始位置，使得精配准更快更准确的收敛，避免迭代过程陷入错误的局部极值；然后基于在上述初始位置基础上使用ICP算法对两个模型进行精配准，精配准是在将两个模型转换到同一坐标系内的基础上，让两个模型的空间位置差异进一步最小化，提高模型的重合精度。
S32、对咬合记录三维数字模型上的牙齿进行分割并进行齿间粘连区域的形态恢复；
S33、计算蜡咬合记录模型的平均曲率，提取曲率值在给定范围内的点作为每颗牙齿咬合凹坑的边界，然后基于形态学的方法和骨架提取的方法得到每颗牙齿的咬合凹坑边界；
S34、对分割好的每颗牙齿及其对应的咬合凹坑进行配准，即可恢复患者目前牙齿所在位置，还原获得时刻TN的牙齿位置模型。
S4、重叠时刻T0得到的牙列完整模型与时刻TN的牙齿位置模型，获得重叠模型，如图5，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；
S41、根据单颗牙冠的形态特征，按给定的平均曲率阈值，提取牙冠上牙切嵴和牙尖嵴对应的特征区域；
S42、然后采用特征值分解的方法对特征区域进行拟合，并调整变换得到单颗牙冠上的局部参考平面F0；
S43、交互选取所有牙冠的宽度方向，并计算其轴向包围盒，选取牙冠包围盒与局部参考平面F0相重合的四边形的中心作为局部坐标系原点，宽度方向作为局部坐标主轴u，与局部坐标平面法向重合的轴作为w轴，根据右手规则即可确定v轴。
S5、通过步骤S4获得的重叠模型及局部三维坐标系，进行单颗牙齿重叠分析，如图6，计算得到牙齿的三维移动数据。步骤S5中，牙齿的位置移动数据包括牙齿移动距离和牙齿移动角度。其中，牙齿移动距离包括伸长/压低距离、唇移/舌移距离、近移/远移距离，牙齿移动角度包括扭转角度、近倾/远倾角度、唇倾/舌倾角度。
S6、重复步骤S5，直至分析得到牙列所有牙齿的三维移动数据。
还包括步骤S7，在正畸过程中通过步骤S1至步骤S5连续采集患者正畸治疗中不同时刻TN的蜡咬合记录并进行分析，最终获得整个正畸周期内患者所有牙齿的位置信息及三维移动记录。
该种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统，通过咬合蜡片获得患者的蜡咬合记录，还原患者的口内牙列情况，进而能够获得牙齿位置变化的准确三维数据，实现对患者牙移动高准确性远程监测，为后续的矫正提供可靠的数据，方便医师指导患者下一步的治疗。
该种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，还包括步骤S7，在正畸过程中通过步骤S1至步骤S5连续采集患者不同时刻TN的蜡咬合记录并进行分析，最终获得整个正畸周期内患者所有牙齿的位置信息及三维移动记录。
实施例还提供一种实现上述任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法的系统，如图7，包括三维模型采集终端和监测终端，
三维模型采集终端：由咬合蜡片获得正畸前时刻TN的蜡咬合记录，由三维扫描仪对得到的时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得牙列的三维数字模型后通过通信模块发送给监测终端；
监测终端包括完整模型生成模块和位置监测模块，
完整模型生成模块：采用口内扫描仪获得正畸中时刻T0患者牙列的口内扫描模型，采用口腔锥形束CT设备获得锥形束CT牙齿模型；将得到的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型；
位置监测模块：将得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；重叠时刻T0得到的牙列完整模型与时刻TN的牙齿位置模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；通过获得的重叠牙齿位置模型及局部三维坐标系，计算得到牙齿的位置移动数据。
三维模型采集终端中，通过手持式三维扫描仪(先临EinScan Pro 2X)对时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得牙列的三维数字模型。
该种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测系统中，三维模型采集终端可作为用户端由患者作为用户自行操作并获得牙列的三维数字模型后，将获得的牙列的三维数字模型远程发送给监测终端；监测终端收到牙列的三维数字模型后，与牙列完整模型进行比对并获得牙齿的位置移动数据，用于医生查看。该系统，能够由患者通过三维模型采集终端获得牙列的三维数字模型，进而远程发送给监测终端，从而可以实现患者的居家复诊。
该种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法及系统，能够减少患者的就诊频次，同时允许医师对患者的三维牙齿移动进行良好的监测与观察，为医师和患者带来更为便捷高效的诊疗体验。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改进和润饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、获得正畸前时刻T0的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型，进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型；
S2、获得正畸中时刻TN的蜡咬合记录，对蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录的三维数字模型；
S3、将步骤S2得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；
S4、重叠时刻T0得到的牙列完整模型与时刻TN的牙齿位置模型，获得重叠模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；
S5、通过步骤S4获得的重叠模型及局部三维坐标系，进行单颗牙齿重叠分析，计算得到牙齿的三维移动数据；
S6、重复步骤S5，直至分析得到牙列所有牙齿的三维移动数据。
2.如权利要求1所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：还包括步骤S7，在正畸过程中通过步骤S1至步骤S5连续采集患者正畸治疗中不同时刻TN的蜡咬合记录并进行分析，最终获得整个正畸周期内患者所有牙齿的位置信息及三维移动记录。
3.如权利要求1所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：步骤S3中，将步骤S2得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型，具体为，
S31、在咬合记录三维数字模型和牙列完整模型上分别选取三个特征点计算变换矩阵，将两个模型转换到同一坐标系内，然后基于ICP算法对两个模型进行精配准；
S32、对咬合记录三维数字模型上的牙齿进行分割并进行齿间粘连区域的形态恢复；
S33、计算蜡咬合记录模型的平均曲率，提取曲率值在给定范围内的点作为每颗牙齿咬合凹坑的边界，然后基于形态学的方法和骨架提取的方法得到每颗牙齿的咬合凹坑边界；
S34、对分割好的每颗牙齿及其对应的咬合凹坑进行配准，即可恢复患者目前牙齿所在位置，还原获得时刻TN的牙齿位置模型。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：步骤S4中，为每颗牙齿建立局部三维坐标系，具体为，
S41、根据单颗牙冠的形态特征，按给定的平均曲率阈值，提取牙冠上牙切嵴和牙尖嵴对应的特征区域；
S42、然后采用特征值分解的方法对特征区域进行拟合，并调整变换得到单颗牙冠上的局部参考平面F0；
S43、交互选取所有牙冠的宽度方向，并计算其轴向包围盒，选取牙冠包围盒与局部参考平面F0相重合的四边形的中心作为局部坐标系原点，宽度方向作为局部坐标主轴u，与局部坐标平面法向重合的轴作为w轴，根据右手规则即可确定v轴。
5.如权利要求1-3任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：步骤S2中，获得时刻TN的蜡咬合记录，具体为，将加热的蜡片制作成马蹄状，置于下牙弓上后咬合，蜡片冷却变硬后缓慢取出，确认牙齿印记完整、蜡片未变形后，清水冲洗并吹干后，得到蜡咬合记录。
6.如权利要求1-3任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法，其特征在于：步骤S5中，牙齿的三维移动数据包括牙齿移动距离和牙齿移动角度，其中，牙齿移动距离包括伸长/压低距离、唇移/舌移距离、近移/远移距离，牙齿移动角度包括扭转角度、近倾/远倾角度、唇倾/舌倾角度。
7.一种实现权利要求1-6任一项所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测方法的系统，其特征在于：包括三维模型采集终端和监测终端，
三维模型采集终端：由咬合蜡片获得正畸前时刻TN的蜡咬合记录，由三维扫描仪对得到的时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录三维数字模型后通过通信模块发送给监测终端；
监测终端包括完整模型生成模块和位置监测模块，
完整模型生成模块：采用口内扫描仪获得正畸中时刻T0患者牙列的口内扫描模型，采用口腔锥形束CT设备获得锥形束CT牙齿模型；将得到的口内扫描模型和锥形束CT牙齿模型进行叠加，获得包含牙冠和牙根的牙列完整模型；
位置监测模块：将得到的咬合记录三维数字模型和牙列完整模型进行匹配，还原获得时刻TN的牙齿位置模型；重叠时刻T0得到的牙列完整模型与时刻TN的牙齿位置模型，并为每颗牙齿建立局部三维坐标系；通过获得的重叠牙齿位置模型及局部三维坐标系，计算得到牙齿的位置移动数据。
8.如权利要求7所述的基于蜡咬合记录的正畸牙齿移动监测系统，其特征在于：三维模型采集终端中，通过手持式三维扫描仪对时刻TN的蜡咬合记录进行光学扫描，获得咬合记录三维数字模型。
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