CN1196429C - 监视牙刷位置的方法和系统以及训练对象改进牙刷用法的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分析对象对牙刷的使用情况的方法。利用牙刷上的位置传感器监视牙刷的位置，由安装成与牙齿处于已知固定关系的位置传感器监视牙齿的位置。利用所得数据找出在一段时间中牙刷与牙齿的相对位置。统计分析该数据，可以识别使用牙刷的对象的不良刷牙习惯。牙刷可以把其位置传感器的输出以无线信号的形式发送给数据分析装置。牙刷还可配备其它传感器，如pH传感器和压力传感器，并将其输出用于统计分析以充实所得结果。本发明还提供了与上述的监视牙刷位置的方法相对应的系统以及利用上述方法训练对象改进其牙刷用法的方法。

Description

监视牙刷位置的方法和系统以及训练对象改进牙刷用法的方法

技术领域

本发明涉及用于监视个人对牙刷的使用并且分析由此获得的数据以识别不正确用法的方法和装置。

背景技术

众所周知，定期使用牙刷的个人遇到的许多牙齿问题与牙刷的不当使用有关。例如，即使一天中多次使用牙刷，由于不正确的刷牙习惯，刷子可能总是无法与牙齿的某些区域接触。牙齿的不良刷动覆盖也可能是由牙刷设计引起的，或者至少是牙刷设计加剧了这种情况。

发明内容

本发明旨在提供监视牙刷使用的新的有效方法和装置。

根据本发明，提供了一种监视牙刷相对于对象牙齿的位置的方法，所述方法包括：提供具有第一位置传感器的牙刷，所述第一位置传感器至少对位置和取向的变化敏感；提供与所述牙齿具有固定的位置关系的第二位置传感器，所述第二位置传感器对位置和取向的变化敏感；把所述第一位置传感器和第二位置传感器的输出发送到处理装置；以及所述处理装置比较两个传感器输出，从而在一段时间中监视所述牙刷相对于所述牙齿的位置，其特征在于，提供两个第二位置传感器，每个第二位置传感器与所述对象的颌中相应一个颌的牙齿具有固定关系。

所述方法还可以包括放置第三位置传感器的步骤，该传感器又与所述第二位置传感器以及所述牙齿上的或与所述牙齿有固定关系的至少四个位置具有已知位置关系，所述方法包括比较这些位置与计算机模型的相应位置，从而导出所述计算机模型的参考系与所述第二位置传感器的参考系之间的变换。

其中，所述位置与所述计算机模型中的相应位置之间的对应关系是已知的。

所述方法还包括推导出所述位置与所述计算机模型中的相应位置之间的对应关系。

所述方法还包括可视地显示所述牙刷相对于所述对象的口部几何形状的位置。其中，在刷牙过程中实时地显示所述牙刷相对于所述口部几何形状的位置。

所述方法还包括在刷牙过程中可视地向所述对象显示所述牙刷相对于所述用户的口部几何形状的较早轨迹的记录。

其中，根据所述对象的口部的测量距离参数，通过计算方式使口部几何形状的通用计算机模型变形，从而获得该对象的口部几何形状。

所述方法还包括以统计方法分析所监视的所述牙刷相对于所述牙齿的位置，以便调查牙刷使用情况。

其中所述牙刷还包括至少一个物理传感器，比如压力传感器和/或pH传感器。

所述牙刷还可以包括无线数据发送装置，而所述处理装置包括相应的数据接收装置。

其中，至少一个所述位置传感器是自行供电的装置。

本发明还提供了一种训练对象改进其牙刷用法的方法，包括：通过上述方法监视他们的牙刷用法、识别可行的用法改进以及向所述对象指明这些改进。

本发明还提供了一种用于监视牙刷相对于对象牙齿的位置的系统，所述系统包括：具有第一位置传感器的牙刷，所述第一位置传感器至少对位置和取向的变化敏感；与所述牙齿的位置关系固定地安装的第二位置传感器，所述第二位置传感器对位置和取向的变化敏感；数据处理装置，用于接收所述第一位置传感器和第二位置传感器的输出，并且比较所述两个传感器输出，从而在一段时间中监视所述牙刷相对于所述牙齿的位置；其特征在于，提供两个第二位置传感器，每个第二位置传感器与所述对象的颌中相应一个颌的牙齿具有固定关系。

大体上讲，本发明的第一方面提出，应当监视牙刷相对于个人的牙齿位置的位置(即以人为对象)。牙刷包含第一位置传感器，并且把传感器的输出馈送到处理装置，处理装置还接收相对于牙齿固定地安装的第二位置传感器输出的数据。处理装置比较两个传感器输出以在一段时间中监视牙刷相对于牙齿的位置。最好是设置两个第二位置传感器，每个传感器相对于对象的颌中相应的一个颌的牙齿固定。最好是，可视地显示牙刷相对于对象牙齿的位置。例如，屏幕上图像在相应的位置显示牙齿和牙刷、或者牙齿以及标为牙齿上路线的牙刷点轨迹的图像。可以实时地或者随后产生显示。

最好是处理装置的输出以高精度(例如在若干毫米以内)确定牙齿相对于牙刷的位置。为了实现这一点，必须记录第二位置传感器相对于牙齿的位置。因此，在第二方面，本发明提供一种确定牙齿相对于位置敏感探针的位置的方法，所述探针安装在相对于牙齿固定的位置(例如在颌上的某个位置)。本发明的第二方面提出，在一段时间上，依次定位第三位置传感器，或者更广义地说与第二位置传感器和牙齿上的至少四个位置(最好是超过4，例如多达200)处于已知的位置关系。在这段时间监视第三位置传感器的输出。

这至少四个位置可以或者与牙齿具有已知的固定关系(比如实际上已知这四个位置是牙齿上的特定点)，或者它们可以是通过以下所述的记录处理来确定的位置。

最好是这些位置应当均匀地分布在要跟踪的特征上，覆盖特征的范围。

应当指出，在一些实施例中，第三位置传感器实际上可以与本发明的第一实施例中使用的位置传感器、即第一位置传感器相同。

在这个时段中第二和第三位置传感器的输出(即使这两者通常仅是它们绝对位置的记录变化，不是相对彼此的位置)足以确定第二位置传感器相对于牙齿的位置。

在本发明的第三方面，一旦获得数据，最好是从根据本发明的第一和第二方面的方法获得数据，该数据表示在一段时间内牙刷相对于牙齿的位置变化，则以统计方法分析此数据，确定它是否包含表明不良使用习惯的任何使用模式。例如，本发明可包括确定牙齿的各个区域与牙刷接触的频率，并且将此数据与表征正确用法的现有信息(例如，最小的正确接触频率。这可以是适用于所有牙齿的所有表面的单一值，或者是随不同表面和/或随不同牙齿而改变的值)进行比较。另一种可行分析是在刷牙事件中牙刷随时间的取向。在任一情况下，如果在正确用法与观察用法之间发现差异，则发出警告信号，或者在下述实施例中可视地显示刷牙事件，则未刷到的任何牙齿的显示内的色彩可以改变，或者让那些牙齿闪光。

虽然位置信息本身可能非常有用，如上所述，但是，该信息与关于牙刷用法的其它信息源结合就更加有效。为此，本发明的第四方面提出，牙刷应当带有对非位置因素敏感的其它传感器，例如压力传感器、pH传感器等。

本发明的第一和第四方面中提出的牙刷一般要求发送其数据(例如发送到处理装置)的装置。虽然这在本发明的范围之内可以通过电子电路或光纤来完成，但是本发明的第六方面提出牙刷带有无线数据发送装置、如电磁波(最好是无线电波)发射器。声波也可适用于此目的，但是它们应当最好是在人听不到的频率上。处理装置配备相应的无线信号接收装置。同样，位置传感器(尤其是第一位置传感器)最好是自行供电的装置，即它们从由对象运动导致的它们的运动中产生它们操作所需的所有电力。

虽然上文主要结合方法来描述本发明，但是本发明的所有特征可以另行表示成用于实现本发明的相应装置的形式。此外，装置的方法中执行的分析可以由计算机程序产品中存在的计算机软件来执行，这些计算机程序产品可以由计算机装置读取，以使计算机装置执行所述处理。

本文中所用的术语、两个对象的“相对位置”包括两个对象的平移距离和间隔方向(共有三个自由度)。但是，本文所用的位置的任何度量最好伴随两个对象的相对取向的逻辑分开的度量(另外三个自由度)。例如，牙刷相对牙齿的″位置″的度量、即在牙齿定义的参考系中牙刷概念中心的三维位置的度量，伴随着牙刷绕该中心的取向角的度量。因此，在牙刷相对牙齿的位置表明牙刷是否接近给定牙齿以及在哪个方向与牙齿隔开的同时，牙刷的取向表示在牙齿的参考系中牙刷的任何给定面所面对的方向(例如牙刷的刷头的上表面)。

同样，本文所用的各个“位置传感器”最好是不仅可用于测量其绝对位置的变化，还可用于测量其取向的变化。已知许多类型的传感器可用于此任务，比如Ascension Technology Corporation(P.O.Box 527，Burlington，VT 05402，USA)出售的Minibird传感器，其直径仅有5mm左右。

当传感器的位置和取向相对于上组或下组牙齿固定时，就说该传感器与上组或下组牙齿的位置关系是固定的。

还有一些类型的传感器仅对其空间位置敏感，它们不具有可以报告的固有取向。这种三个自由度的传感器也可用于本发明的备选实施例中，因为要跟踪特征的三个这种传感器的组合的输出可用来计算缺少的方位信息。这些传感器必须按照已知的彼此间偏移来准确地放置。最佳偏移取决于要跟踪的对象的几何形状。

从本发明的实施例的以下非限定性描述中可以看出，可自由组合上述本发明的各个方面及其最佳特征。

附图说明

图1表示根据本发明的一个实施例在使用的一种系统；

图2表示分析中采用的参数的定义；

图3表示根据本发明的一个实施例的记录处理；

图5包括图5(a)和5(b)，表示用于匹配一组牙齿上的已知点与相应的一组模型牙齿点的记录处理；

图6包括图7(a)至(d)，表示用于匹配实际牙刷上的一大组未知点与相应的一组模型牙刷点的记录处理的四个图像；以及

图7包括图7(a)至(d)，表示利用一组牙齿上的牙刷轨迹的位置获得的四个图像。

具体实施方式

图1表示应用于操作牙刷3的对象1的本发明的实施例。两个位置传感器5、7安装在对象的头部，分别相对于对象的上下颌的牙齿是固定的。安装可以例如通过可溶粘合剂或者利用一段胶带来完成。对象头部上位置的选择确定位置传感器5、7如何可靠地记录对象牙齿的位置。

本实施例中位置传感器5、7的输出以电子方式经由相应的线9、11发送到接口单元13，接口单元13将此数据转换成适合输入到诸如PC的计算装置14的形式，计算装置14具有用于显示该方法的结果的屏幕16。

传感器7牢固地安装在对象的头部，这样，该传感器原则上可以放置在头上任何位置，但是最佳方案是通过将其固定在尽量靠近上颌之处得到的。我们发现鼻梁是个较好的区域。传感器5一般安装在颏中心。

为这两个颌部传感器定位是在以下几项中权衡的：

(a)需要尽量牢固地固定传感器

(b)需要将传感器固定在尽量接近颌之处

(c)需要尽量不介入

这两个传感器5、7利用医用带简单地固定。应当指出，由于随后描述所应用的记录程序，不需要传感器总是装在各对象上完全相同的位置，或者装在面部上任何特定的可视标志上，超出由(a)、(b)和(c)给定的主要约束。

该系统还包括安装在牙刷3上的位置传感器12。理论上，它应当装在尽量接近手柄的端部，以便最低限度地介入。也不要求它装在各对象所用的各牙刷上的相同位置。牙刷3包括数据发送装置，用于利用线路17把位置传感器12输出的数据发送到接口单元13。

该系统还包括发射器单元19，它产生如21一般地表示的已知DC磁场。位置传感器5、7参照此磁场来确定它们各自的取向以及位置。

选择传感器5、7在整个刷牙事件期间以良好的分辨率来忠实地捕捉上下颌和牙刷的运动。

这些传感器需要较小(例如最大直径最长10mm)，能够以足够快的速度输出其位置和取向，以便在整个刷牙期间以足够的分辨率跟踪刷牙事件，并且最低限度地介入，以便对刷牙过程的干扰减至最小。

因此，在记录过程中使用作为探针的组成部分的第四传感器25(如图2所示)，如下所述。

这里选择采用的位置传感器是Minibird传感器。Minibird传感器通过检测DC磁场来确定其位置和取向，本例中，DC磁场是由发射器单元19产生的。

选择Minibird传感器是因为它是可提供足够分辨率和捕捉速度的最小传感器，并且原本是为用于外科环境而设计的。但是，任何传感器，无论是活动范围有限的还是远程的，只要具有所需分辨率和捕捉速度并且足以非介入，均可采用。

各传感器5、7返回的位置和取向信息统称为传感器状态。这种状态信息是相对于一组笛卡尔坐标轴系统返回的，每个轴系统与各个传感器和发射器相关并且对其固定。各轴系统(下文称为基准)一般不与任何其它轴系统对准。由三个单位矢量定义每个基{e₁ ^S，e₂ ^S，e₃ ^S}准(比如基准S与传感器S、即传感器5、7其中之一相关)，所以对于一组实值{x₁ ^S，x₂ ^S，x₃ ^S}，任何矢量Q可以按如下基准表示：

$Q=x_1^S{e}_1^S+x_2^S{e}_2^S+x_2^S{e}_2^S---\left(1\right)$

类似地，利用单位矢量{e^T，e₂ ^T，e₃ ^T}，针对发射器单元19定义“发射器基准”。

每个基准S相对于相应的位置传感器是固定的，但是相对于发射器基准移动，因为传感器相对于发射器单元19移动。

一旦检测到磁场21，传感器5、7产生共同定义传感器速度的两条信息。

(a)在三维空间中基准S的原点与发射器基准的原点的偏移量称为：

$X^{\mathrm{ST}}=\{X_1^s,X_2^s,X_3^s\}---\left(2\right)$

这定义传感器的平移位置。

(b)在三维空间中传感器基准相对于发射器基准的旋转M^ST由如下公式给出：

e^S＝M^ST·e^T                          (3)

其中M^ST是从描述旋转所需的三个角度(即三个自由度)构建的3×3矩阵。这定义传感器取向。

所有这三个传感器的输出是它们随时间而定的“状态”。应当指出，这实际上不是最终需要的牙齿表面或口中牙刷端部的“状态”(即位置和取向)。

图1所示系统的操作具有三个阶段：

(1)记录阶段，采用在记录期间捕捉的原始运动跟踪数据并且利用(a)事先创建的上下牙齿和牙刷的三维多边形模型以及(b)据以准确记录探测传感器的位置的数据，把原始数据转换成实际牙齿和牙刷表面的位置(包括取向)。应当指出，这个阶段不采用从实际刷牙得到的跟踪数据。

(2)捕捉阶段，其中进行刷牙并且捕捉位置传感器的输出。

(3)分析阶段，从表征牙刷头在口腔的不同区域花费的时间的记录数据中提取信息。此信息可以利用若干可视化模式适当地显示(条形图、iso-表面、空间体积再现、线和面着色)。

在所有阶段中，采用可视化技术广泛地利用牙刷和上下颌的三维多边形模型，引导用户通过记录过程，产生牙刷/颌运动的可视表示，并且可视地研究所记录的数据。

所有部分集成在计算机14上运行的单个应用中，带有基于视窗的直观对象界面。下面依次讨论各个阶段：

(1)记录阶段

记录过程的目的是确定各个传感器的位置和取向与它们要跟踪的特征表面的位置和取向之间的空间关系。记住，传感器尽量牢固地安装在与它们要跟踪的特征以同样方式移动的部位，而不一定直接装在该特征上。

对于牙刷，传感器12直接装在牙刷手柄3的端部，但是想要跟踪牙刷头的运动。

对于上颌，传感器7安装在鼻梁上，鼻梁显然固定在上颌上，但它不是上颌。

对于下颌，传感器5安装在颏中心，出于对上颌类似的意见，因为知道在这里传感器总是安装得不太好，因为这个区域中的皮肤较为柔软。

给定按照发射器基准的位置传感器的状态，要求计算随着牙刷和颌移动、牙刷和颌表面的每个实际点的位置和取向(最初按照发射器基准)。

为解决此问题建议的记录过程可以不必将传感器准确地装在任何特定位置，并且这样做使得进行所需测量成为可能。

为了完成记录，采用图1的系统的另外两个特征：

校准记录探针；

正测试的每个对象的上下颌以及牙刷的现实实际大小计算机模型。

记录探针表示在图2中，由装在细棒27上的第四位置传感器25构成，细棒的端部标有Q。传感器25和端部Q具有矢量偏移L。与其它传感器5、7相对于颌和刷头的定位不同，这个传感器25相对于探针Q端部的位置和取向必须精确地设计或校准。本实施例中只使用了外部记录，所以在刷牙事件期间进行的所有测量取决于探针的精度。传感器25的输出经由导线25馈送到单元13，从而送到计算装置14。

偏移L是在称为探针基准的探针参考系中从探针传感器基准的原点到探针端部Q测量的。

利用公式(2)和(3)，在发射器基准中探针端点Q的位置QT可以写成：

Q^T＝M^PT·L+X^PT                            (4)

其中M^PT是对探针和发射器基准的相对取向进行编码的旋转矩阵。右手侧的所有量是运动传感器输出的或者是结构已知的。

被测对象的上下颌模型是在先于数据捕捉的某个时间得到的。它们是通过如下步骤构造的：首先如常规牙科程序一样做出每个对象牙齿的牙模，然后利用激光扫描技术扫描这些牙模，准确地捕捉三维的表面形状，形成点云图。然后根据点云图构造多边形网格，从而创建牙齿牙模的实际大小多边形模型。

记录过程由两个步骤构成。

利用探针传感器，确定“记录点”，即所关注的实际特征上的点，其位置和取向在实验室参考系中以及在装在所关注特征上的传感器的参考系中是准确已知的。

确定对象的适当三维模型上的相应点，从而计算最佳转换(旋转和平移)以将一个参考系转换到另一参考系。

考虑以下这些步骤，当这种记录完成时，应当有可能准确地模拟牙刷和颌的相对和绝对运动(即相对于发射器基准)。

通过让探针接触所关注的相应特征，确定记录点。根据采用的记录方法，必须识别和用探针拾取少量(例如，大约四至六个)仔细选择的点，或者通过让探针随机地划过特征表面来获得大量(例如，200个以上)的点。在任一情况下，如果记录点尽可能均匀地分布在所关注特征上，则得到最佳的最终记录。该过程简要地表示在图3中，其中所关注的某个特征被标以点N，记录探针的端部Q表示成与点N接触。

图3中标为S的传感器可以是位置传感器5、7中任一个，实际上这两个传感器中无论哪个都与点N相关(即与点N有固定的位置关系)。由于探针的端点Q从(4)中在发射器参考系中已知，记录点N的位置在它们符合以下条件的时间点上必须也在该参考系中已知：

(5)    N^T＝M^PT·L+X^PT

假设考虑安装的传感器S与此特征N成固定位置关系。利用(2，3)，可以用发射器参考系中测量的位置和取向把任一点表示在该传感器参考系中。所以可以把发射器参考系中已知的记录点位置(5)表示在安装于该特征上的传感器的参考系中：

(6)    X^S＝Δ^ST·[(M^PT·L+X^PT)-X^ST]

其中Δ^ST＝(M^ST)-1

这个表达式给出所关注的特征上的点相对于牢固安装在该特征上的传感器、在该传感器的参考系中的位置/取向。因此这个量必须是时间无关的，即与特征运动无关。

应当指出，如果记录的特征在记录过程中移动是无关紧要的，因为在这种情况下运动通过特征传感器来跟踪，并且在(6)中经Δ^ST和X^ST这些项考虑了它。因此，记录对于对象移动是健壮的，进行实验的关键要求是尽可能小地介入。

记录过程的步骤的输出是各特征表面上的小点集，其位置相对于特征传感器是准确知道的。

一般想要知道的是每个特征表面上的每个点相对于特征传感器的位置。实际上考虑特征表面上点的网格的位置就足够了，网格足够精细地以所需分辨率表示了特征形状。

原则上，这种网格可以通过让探针非常精细地划过所有牙齿表面并按照上面给出的程序来得到。但是，这极为耗时，让测试对象和实验者感到不舒服，并且不太可能产生非常规则的点的网格，因为非常容易产生错误。

在此应用中采取的方法是使用一组适当地记录特征传感器的各个特征的现实计算机模型。如果可以把特征模型映射到各个特征上，使得在特征传感器基准中模型的取向和位置与特征本身一样，则实际特征表面的位置可以通过模型网格点的位置来给出(在传感器基准中)。这正是下面所需的点。

通过利用宏观捕捉技术、如激光扫描来捕捉所关注特征的形状而产生计算机模型。直接扫描牙刷。为了捕捉上下颌，利用标准牙科技术制作准确的塑料牙模，并扫描这些牙模。每种情况下的输出是点云图、即大量点，其轮廓绘出特征形状。然后让这种点云图分成网格，从而产生一组多边形，其顶点当作表面点的集合，足以围成形状。例如以下颌模型的图片。

描述顶点的坐标当然是相对于用于构建网格的另一个基准(模型基准M)。因此，求出特征模型基准与特征传感器基准之间的变换T。这种变换可以写为[X^MF，M^MF]，如图4所示。由于考虑所有对象为刚性的，这种变换包括使轴原点重合的一组变换X^MF以及对准坐标轴的旋转M^MF。

考虑上面找到的记录点N。如果模型几何形状上的各个相应点可以准确地找到，则可以试图求出最佳旋转和平移，然后从一个变换到另一个。只要记录点有足够代表性，则这应该是[X^MF，M^MF]的最佳估算。由于模型和特征都是刚性的，所以对模型上各点应用此变换应当使其开始所需要的校准。

关键问题是找到对应于已确定的记录点的模型点。这是在机器人文献中称作表面或形状匹配的非常普遍的问题的一个示例。

有两种解决此问题的基本方法：

(1)使用探针在与传感器S关系固定的特定位置N(例如牙齿上的固定点)拾取少量(例如4至6个)记录点。拾取计算机模型上的相应位置(通过眼睛，利用颌模型的可视显示和计算机鼠标)，从而手工确定对应关系。称此种方法为“已知对应方法”。

(2)使用探针拾取足以描画特征的轮廓的一定范围的点，但是不象(1)中那样尝试确定先验对应关系。称此方法为“未知对应方法”。

在任一情况下，利用给定信息求出所需变换的数学方法在论文″Closed-form solution of absolute orientation using unit quanternions″(Berthold K.P Horn，J.Opt.Soc.Am.A，4(4)April 1987)中讨论，将其公开通过引用完整地结合于本文中。下面将概括其原理以及在本实施例中的应用。

(1)已知对应方法的求解

实质上需要匹配各点的变换。这样做的第一步骤是求出表征“好的”匹配的标准。

为此，应指出，当匹配良好时，模型和特征将(恰当地)重合，并且相应点之间的距离应当趋于零。对应关系越接近，此距离越小，但是不太可能为零，因为测量仅在一定精度下进行。这导致利用等于两个点集之间距离的均方根的最小距离标准(d_mes)来表征记录。假定有N_r个记录点，第I个记录点由矢量R^r _i给定，相应的模型点为R^m _i，则d_mes由下式给定：

$d_{\mathrm{mes}}=\sqrt{\frac{1}{N_r}\left(\underset{i=0}{\overset{N_r-1}{\mathrm{\Σ}}}{|{\stackrel{\→}{R}}_i^r-{\stackrel{\→}{R}}_i^c|}^2\right)}---\left(7\right)$

其中 $|{\stackrel{\→}{R}}_i^r-{\stackrel{\→}{R}}_i^c|$ 是所括入的矢量之差的绝对值。d_mes的值趋于零，因为模型与现实符合，实际上，当d_mes小于选定的容差值时，认为记录成功。

或许使用此标准的最简单方式是系统地在量化空间中搜索[X^MF，M^MF]的所有可能组合，每次评估距离测量值，最终接受具有最小距离测量值的变换作为所需解。M^MF是仅有三个自由度的3×3矩阵，所以对最佳M^MF的搜索是仅在三维空间中的搜索。一般发现，最好是在M^MF之前优化X^MF。这是强力方法，即使仔细排列测试变换的次序，也需要许多迭代，还不一定能找到最佳解。

幸运的是不需要这种迭代方法，因为正如上面引用的Horn等人的文章中所介绍的，对于这个解，存在近似形式的解，它明确给出使距离测量值最小的最佳变换。

尽管事实上仅使用最小数量的记录/相应点并且在必须视觉上匹配模型和特征上的点时有明显错误，但是，对于一些实践，可以获得一些好的记录。这在图5(a)和(b)中表示。

虽然这种方法比采有探针捕捉整个网格的方法快得多，也令人舒服得多，但是要通过眼睛找到相应点仍然非常耗时。在常规操作中，可能是没有经验的对象而非实验员必须利用探针确定对应关系，这使该过程变得更加复杂。所有这些因素导致采用此实施例时的整体误差。

(2)未知对应方法的求解

在未知对应方法中，提出由上述Horn等人导出的迭代最接近点算法。为了抵制引入误差的已知对应方法，可以将近似形式解法扩展成结合搜索对应于记录点的模型点的迭代解法。这避免了通过肉眼拾取相应点的必要以及相关的不准确性。迭代方法的步骤如下：

(a)将探针传感器划过牙齿以收集一组记录点(数量N_r+1)。必须收集足够的点，以便对特征几何形状有合理的抽样，但是当然不要求点的精细网格(例如分布在特征范围上的200个点通常是足够的)。然后执行一些基本坐标变换，使得模型和记录点都在其Mass表示的中心。

(b)对于各个记录点(i)，作为相应模型点的第一猜想，采用最接近记录点的模型点。记录点I到模型点j的距离由以下公式给定：

$d_{\mathrm{ij}}=|R_i^r-R_i^M|$ 其中j＝0，1，…N_r+1          (8)

(c)选择使d_ij最小的j值作为所需模型点的下标。这种猜想几乎当然不能得出实际的一组相应点，它仅用于驱动迭代过程。

(d)与已知对应方法中一样，计算此对应关系的最佳变换，并将此变换用于记录点。

(e)在这种变换之后计算距离测量值(7)。如果这个计算值超过所需值，或者自上次迭代后改变量超过给定值，则对于新的变换点位置再次执行步骤(b)至(e)。

(f)如果距离测量值令人满意，则累加的变换是所需的变换。

只要所选记录点是要匹配的形状的合理测量值，则这可以是成功的策略，其中以少量迭代匹配形状。其结果示于图6。

应当指出，在最佳实施例中，系统操作员能够选择采用已知对应方法和未知对应方法中的哪一种。记录过程的输出是一组准确与特征传感器对准的模型，以便模拟实际特征的运动和表面位置。

应当指出，本发明不限于上述记录过程。实际上，上述两种方法都可以在本发明的范围内、通过诸如预处理之类的技术使之更健壮或更快来得到增强，这是本领域的技术人员显而易见的。实际上，对于未知对应关系的情况，已经发现，精细调整初始条件有助于确保迭代过程收敛于真正的全局最小值。

此外，在本发明的范围之内的其它技术可以代替真实对象牙齿的几何表示，通过利用探针传感器数据变形来“匹配”的通用牙齿组的几何外形来实现。这使许多应用可以省略收集个人牙齿几何数据，这是上述过程的最耗时、也最昂贵的部分。

以上描述说明如何可以使用探针来获得牙齿与位置传感器相对于任何给定参考系、例如发射器参考系的关系。执行类似的过程来识别牙刷在此参考系中的位置。为了获得对应于扫描的牙齿模型的输入数据，可以类似方式扫描牙刷，或者可以从计算机辅助设计数据中得到三维模型。安装在牙刷3上的位置传感器12的位置和取向可以在探针基准中求出，具体方式是将尖部Q接触带有位置传感器12的牙刷，这时两者处于已知的相对取向。此后，通过类似于参照图2所述变换的变换，位置传感器12和传感器25的输出足以跟踪在发射器参考系中牙刷(例如牙刷头)的运动。

2.捕捉阶段

在此阶段，捕捉刷牙动作(“刷牙事件”)。让对象以尽可能自然的方式刷牙，他们不需要保持头部不动。捕捉的分辨率由位置传感器的输出速度来驱动。

在此过程中，所有正在使用的位置传感器必须相对于它们跟踪的对象保持相同位置，并且这必须是在计算记录时使用的同一位置。

如果控制计算机的图形性能足够，则可以或者对于观察者或者对于对象，将刷牙事件随着其发生可视化并分析。这允许在基本事件捕捉上进行大量变化，例如在刷牙齿的过程中，可以在视觉上引导对象刷其牙齿中到当时为止一直未很好地刷到的部位。

在盘上保存所有位置传感器数据(以及所有记录数据)，以便随后查看和分析。

3.分析阶段

利用运动数据计算牙刷头在口腔的不同区域中花费的时间。为此，

(a)利用在记录阶段发现的参数，分开且独立地将整个牙刷运动序列(对于牙刷头上的典型点)变换到上颌和下颌的基准。

(b)对于运动序列中的每个点，分别确定与牙刷头的刷子侧最接近的上下颌点。比较这两组的距离，并用来在每个记录时间步长中确定牙刷指向哪个颌。

(c)现在分开处理关于各颌的数据。利用一些其它软件预先产生并且分开地从文件中加载的几何模板用来把颌的“空间”划分成各区域。然后在颌空间中跟踪运动信号，并且对于每一步，注意它所属的区域，并且仔细累加该步所用的时段，以便正确处理运动步骤穿过区域边界的情况。模板可以是二维或三维的；对于大多数应用，一般通过二维模板得到足够的精确度。牙刷上被选择用以代表牙刷运动的点是通过刷牙事件的特性来确定的。牙刷的多边形模型中表示的任意点可以采用，并且可以这样的方式分析。

如图7所示，输出是各区域中花费的时间量。

这对于每个颌是分开进行的，在各情况下仅利用运动信号的适当部分。

几何模板可以是：

利用关于各个牙刷几何形状的数据自动建立，颌的范围已经装入本

实施例；

利用一些其它软件产生并且分别加载；或者

利用鼠标交互地画出。

(c)然后将此数据表示成条形图，该图表示对于每个对象在各区域中花费的时间占总时间的百分比以及各区域中花费的绝对时间。

(d)然后将分析输出存储在文件中，与相应的捕捉和记录数据相关。此数据的格式最好是允许将此数据与关于该对象的常规牙科记录相结合。

分析阶段的最佳特征是它包括对于牙刷运动捕捉中的每个点，对牙刷头的取向进行计算和可视化(例如指明未弯曲的刷毛长度方向)。

本实施例的重要特征是使用可视化部件来指导用户通过实验过程并且采集结果数据。为了利用来自安装在牙刷上的位置传感器的数据，重要的是能够将该过程的所有阶段中进行的操作可视化，因为目的是理解牙刷相对于口腔内颌和牙齿表面的运动。因此，能够在当时环境中看到并与数据交互是重要的。因此，本发明提出应用于以下时间的新颖可视化技术：

在记录期间：对记录过程的精确度进行视觉检查，辅助拾取相应点的过程并且跟踪该过程进行到的阶段。

在运动捕捉期间：作为选择，通过随着数据的收集利用运动跟踪数据激励三维模型，可以产生刷牙过程的可视化。要求花费一些计算机时间来更新视觉显示，这造成减小可能的最大捕捉速率的后果。这样的可视化可用来阻断刷牙过程，例如，特定牙齿的着色可以与其余的不同，给对象的指令为“刷去该颜色”。

后处理可视化：

把运动跟踪数据保存到盘中，并且可以与特征模型一起使用，产生刷牙事件的离线动画。可在发射器基准或者任何位置传感器基准中创建动画。例如，能够在每个颌部传感器基准中将数据可视化是有用的(对于随后的分析是重要的)，该基准中颌是固定的，使得容易计算牙刷上任一给定点与颌的最小距离。在分析部分中，使用(在其中鄂固定的基准中)若干可视化来说明牙刷运动的不同部分所属的区域、颌的各部分与牙刷的距离、等等。

为了执行这些可视化，利用World工具箱、实时/虚拟现实软件库(可买到)。这具有交互可视化所要求的性能以及自动查询运动传感器的内置部件。

虽然如上所述可以利用常规二维屏幕显示器得到足够的可视化，但是利用虚拟现实(VR)技术可以得到改进的可视化。具体来讲，这种技术使得能够：

(1)创建更加真实的视觉显示(例如立体图像、内窥显示等)。这给对象更佳的所涉及的空间关系的概念。

(2)使用交互图形性能创建新的刷牙实验，这对于传统情况是不可能的。

以下是关于如何在实际牙科试验中使用所述实施例，从而确定例如特定的牙刷是否能更有效地到达口腔不同部位。

(1)在试验之前的某个时间，获得各对象的上下颌和正在使用的牙刷的计算机模型，并且同意试验的统计设计。完成试验所要求的任何法律文件。

(2)当轮到给定对象时：

(a)把传感器装在上下颌位置以及对象的牙刷端部(离牙刷头最远的端部)。

(b)利用探针传感器，采用记录程序将几何形状与位置传感器对准。对于每个对象，探针传感器进入口中的部分必须经过消毒，或者以这样的方式制作探针，使得该部分对于每个对象可以更换。

(c)然后让对象以通常方式刷牙，根据条件而定，可以或者不可以向该对象显示其刷牙的实时反馈。所有捕捉数据保存到盘上。

(d)在刷牙事件结束时，拆下传感器，对象离开。

(e)对每个对象重复该过程。

(f)然后把所有数据聚集在一起并进行分析，如果需要，还进行其它后收集可视化。

虽然上面已经结合单个实施例描述了本发明，但是在本发明的范围内可以进行许多变更，这是本领域的技术人员显而易见的。例如，本发明可以应用于手动牙刷以及电动牙刷。

甚至有可能在除跟踪牙刷之外的环境中使用本发明，监视与人体相关的设备的任何部件的位置。例如，本发明可用于跟踪与正在刮脸的对象的皮肤有关的电子剃须刀装置。

Claims (14)

1.一种监视牙刷相对于对象牙齿的位置的方法，所述方法包括：

提供具有第一位置传感器的牙刷，所述第一位置传感器至少对位置和取向的变化敏感；

提供与所述牙齿具有固定的位置关系的第二位置传感器，所述第二位置传感器对位置和取向的变化敏感；

把所述第一位置传感器和第二位置传感器的输出发送到处理装置；以及

所述处理装置比较两个传感器输出，从而在一段时间中监视所述牙刷相对于所述牙齿的位置，其特征在于，提供两个第二位置传感器，每个第二位置传感器与所述对象的颌中相应一个颌的牙齿具有固定关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括放置第三位置传感器的步骤，该传感器又与所述第二位置传感器以及所述牙齿上的或与所述牙齿有固定关系的至少四个位置具有已知位置关系，所述方法包括比较这些位置与计算机模型的相应位置，从而导出所述计算机模型的参考系与所述第二位置传感器的参考系之间的变换。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置与所述计算机模型中的相应位置之间的对应关系是已知的。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于还包括推导出所述位置与所述计算机模型中的相应位置之间的对应关系。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括可视地显示所述牙刷相对于所述对象的口部几何形状的位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在刷牙过程中实时地显示所述牙刷相对于所述口部几何形状的位置。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于包括在刷牙过程中可视地向所述对象显示所述牙刷相对于所述用户的口部几何形状的较早轨迹的记录。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述对象的口部的测量距离参数，通过计算方式使口部几何形状的通用计算机模型变形，从而获得该对象的口部几何形状。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括以统计方法分析所监视的所述牙刷相对于所述牙齿的位置，以便调查牙刷使用情况。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述牙刷还包括至少一个物理传感器：压力传感器和/或pH传感器。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述牙刷包括无线数据发送装置，而所述处理装置包括相应的数据接收装置。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个所述位置传感器是自行供电的装置。

13.一种训练对象改进其牙刷用法的方法，包括：通过如权利要求1或2所述的方法监视他们的牙刷用法、识别可行的用法改进以及向所述对象指明这些改进。

14.一种用于监视牙刷相对于对象牙齿的位置的系统，所述系统包括：

具有第一位置传感器的牙刷，所述第一位置传感器至少对位置和取向的变化敏感；

与所述牙齿的位置关系固定地安装的第二位置传感器，所述第二位置传感器对位置和取向的变化敏感；

数据处理装置，用于接收所述第一位置传感器和第二位置传感器的输出，并且比较所述两个传感器输出，从而在一段时间中监视所述牙刷相对于所述牙齿的位置；

其特征在于，提供两个第二位置传感器，每个第二位置传感器与所述对象的颌中相应一个颌的牙齿具有固定关系。

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