CN202235747U

CN202235747U - 一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置及其系统

Info

Publication number: CN202235747U
Application number: CN2011202877039U
Authority: CN
Inventors: 刘春利; 王从军; 李中伟; 薛万林; 马超; 钟智红; 孙波
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-08-10

Abstract

本实用新型属于医疗精密测量领域，具体涉及一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置及其系统，其装置包括微型扫描手柄，微型扫描手柄内部设置有投射镜、内窥摄像镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜；投射镜和内窥摄像镜头保持相对位置固定并相互错开角度放置，投射镜将接收到的黑白正弦光栅图像投射至第一平面反射镜，再经第一平面反射镜反射后投影至口腔内部牙齿上；内窥摄像镜通过第二平面反射镜以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜同步拍摄的图像数据用于传送给外部图像处理系统进行处理。本实用新型可以直接在口腔内部使用，并可以根据扫描数据快速还原出牙齿的三维形貌。

Description

一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置及其系统

技术领域

本实用新型属于医疗精密测量领域，具体涉及一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置及系统。

背景技术

在牙体和牙列缺损的修复治疗中，固定义齿作为一种重要的修复体因具有恢复咀嚼效率高、异物感小、不妨碍发音、有利于牙齿及牙槽骨的健康等优点而为临床广泛应用。义齿制作模式常常采用固定修复体进行修复，目前国内外口腔固定修复体常规制作方法，主要为金属精密铸造或精密铸造后烤瓷等，必须采用手工个别制作，加工工艺繁琐，制作效率低，病人就诊次数多，时间长。然而，随着人民生活水平的提高，对外貌的美化要求越来越高，临床中对义齿的需求量很大，时常会造成市场供不应求，病人一般需要等待半个月才能进行治疗，给病人造成了极大的不便。

造成国内以上情况的原因主要是缺乏适于制作义齿的CAD/CAM技术。理工科相关高科技技术向口腔医学领域的延伸不够，口腔医学与相关的计算机学、光学、材料学、自动化制作等理工学科的交叉渗透远远不够，致使许多问题没有得到妥善解决。

国外目前已有逾十种口腔CAD/CAM系统问世，但往往采用接触式或非接触式测量硅胶模的三维数据，不能直接在口腔内部获取牙齿的三维信息。因此难以获取完整的轮廓特征，且耗时长。

针对以上问题，研发一套高效的义齿三维形貌扫描系统。该系统能直接深入病人口腔内部，快速获取牙齿的三维形貌数据。从而推动牙病患者随治随走的临床应用，大大减轻牙科医生和技师的劳动量，并大量节省病人的就诊时间，这对于牙科医生人数不足，而病人数量巨大的中国更具重大意义。

发明内容

本实用新型的目地之一在于提供一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置，该装置可以根据扫描数据快速还原出牙齿的三维形貌。

本实用新型的目地之二在于提供一种牙齿三维扫描系统，该系统可以根据扫描数据快速还原出牙齿的三维形貌。

为解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置，其不同之处在于：其包括微型扫描手柄，微型扫描手柄内部设置有投射镜、内窥摄像镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜；投射镜和内窥摄像镜头保持相对位置固定并相互错开角度放置，投射镜将接收到的黑白正弦光栅图像投射至第一平面反射镜，再经第一平面反射镜反射后投影至口腔内部牙齿上；内窥摄像镜通过第二平面反射镜以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜同步拍摄的图像数据用于传送给外部图像处理系统进行处理。

一种牙齿三维扫描系统，其不同之处在于：其包括图像处理系统、投影仪、传像束、在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置；牙齿三维扫描装置包括微型扫描手柄，微型扫描手柄内部设置有投射镜、内窥摄像镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜，投射镜和内窥摄像镜头保持相对位置固定并相互错开角度放置，计算机控制投影仪向传像束一端的远心成像镜头投影出一组黑白正弦光栅图像，传像束的另外一端接至牙齿三维扫描装置的投射镜；图像处理系统控制牙齿三维扫描装置的内窥摄像镜以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜同步拍摄的图像数据传送给图像处理系统进行处理。

本系统中由计算机控制投影仪向传像束投影出一组黑白正弦光栅图像，传像束一头采用一组远心成像镜头接受此光栅图像，另一头是一可以深入口腔内部的微型扫描手柄，微型扫描手柄将通过传像束传输的缩小光斑投射到微型物体牙齿上，同时，计算机控制电子内窥镜以与投影仪相同的帧率进行同步拍摄，然后将拍摄的图像数据传送给计算机，计算机快速的对图像进行处理并实时的计算三维数据。该系统的最显著地特征：牙齿三维扫描装置微型化，针对像牙齿等微小物体精确快速测量，并且可以直接在口腔内进行牙齿的三维形貌扫描。

本系统实现口腔内牙齿的实时三维测量的关键技术之一是数据采集装置即牙齿三维扫描装置的微型化。本牙齿三维扫描装置由于需要直接伸入口腔内部，因此需要将进入口腔的部件尽量微型化，其装置将内窥镜和透射镜头固定在一起作为扫描设备。考虑到需要横向扫描，所以我们在该装置中还加装第一平面反射镜、第二平面反射镜。整个牙齿三维扫描装置宽度方向尺寸能完全满足伸入口腔内部微型化作业的要求。

附图说明

图1为牙齿扫描系统的结构图；

图2为扫描手柄结构示意图；

图3为数据处理流程图；

图4为绝对相位到三维坐标的转换算法原理图；

图5为双目立体视觉图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型做进一步详细的说明。

如图2所示，本实用新型一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置104，其包括微型扫描手柄205，微型扫描手柄205内部设置有投射镜201、内窥摄像镜202、第一平面反射镜203、第二平面反射镜204；投射镜201和内窥摄像镜202保持相对位置固定并相互错开角度放置，投射镜201将接收到的黑白正弦光栅图像投射至第一平面反射镜203，再经第一平面反射镜203反射后投影至口腔内部牙齿上；内窥摄像镜202通过第二平面反射镜204以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜202同步拍摄的图像数据用于传送给外部图像处理系统进行处理。

如图1、图2所示，一种牙齿三维扫描系统，其包括图像处理系统、投影仪101、传像束103、在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置104；牙齿三维扫描装置104包括微型扫描手柄205，微型扫描手柄205内部设置有投射镜201、内窥摄像镜202、第一平面反射镜203、第二平面反射镜204，投射镜201和内窥摄像镜202保持相对位置固定并相互错开角度放置，计算机106控制投影仪101向传像束一端的远心成像镜头102投影一组黑白正弦光栅图像，传像束的另外一端接至牙齿三维扫描装置104的投射镜201；图像处理系统控制牙齿三维扫描装置104的内窥摄像镜202以与投影仪101相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜202同步拍摄的图像数据传送给图像处理系统进行处理。

具体的，图像处理系统包括计算机106、时钟同步控制器107、图像控制器105。时钟同步控制器107分别与投影仪101和内窥摄像镜202相连，投影仪101与计算机106相连，内窥摄像镜202与计算机106相连。

优选的，其中远心成像镜头102与投影仪101的镜头保持正对且距离保持100mm左右。

优选的，投影仪101为DLP投影仪。

此系统因考虑需要伸入口腔内部，故外观尺寸应控制在100mm X 30mm X 30mm范围内，将投射镜201和内窥摄像镜202保持相对位置固定并成一定角度放置，平面反射镜203将结构光折射到牙齿上，内窥摄像镜202通过平面反射镜204拍摄牙齿三维数据，最终实现手柄侧向拍摄的目的。

测量的过程中，首先由系统中的时钟同步控制器107触发DLP投影仪101向远心成像镜头102以每秒60帧的帧率投影一组黑白正弦光栅图像，投影时正弦光栅图像都在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，等距平移2次，故每帧三维数据需投影出3幅正弦光栅图像。同时，时钟同步控制器107给内窥摄像镜202发送信号，使相机的图像采集帧率与DLP投影仪101的投影帧率保持一致。内窥摄像镜202采集的图像传送给计算机106。计算机106对采集的数据进行处理，实时计算口腔内牙齿的三维数据。

图3为数据处理流程图；图4为绝对相位到三维坐标的转换算法原理图；图5为双目立体视觉图。如图3、图4、图5所示，数据采集完毕后便开始计算三维数据，数据处理详细过程为：

计算机首先对变形黑白正弦光栅进行三步相移解相。

DLP投影仪101连续快速的投射出的黑白正弦光栅，当黑白正弦光栅通过传像束103投影到被测物体表面时，在物体表面上形成变形光栅，假设投影光强是标准正弦分布，则变形光栅图像的光强分布函数为：

其中为I(x，y)为相机拍摄图像上像素(x，y)的光强，a(x，y)和b(x，y)为与背景相关的光波振幅，k称为波系数，为像素(x，y)的相位值。三步相移法将光栅在栅线的垂直方向上平移栅距的1/3，则式(1)的光强表达式中相位将移动2π/3，对于相同频率的正弦光栅等距离平移2次，获得3幅图像。进行三步相移后，像素(x，y)在各步的光强函数I₁、I₂、I₃分别为：、

由式(3)至(5)可得：

I₁、I₂、I₃分别为相机拍摄图像上像素(x，y)的初始的光强、光栅平移栅距的1/3处的光强和光栅平移栅距的2/3处的光强。

这样就可以计算出图像中每个像素的相对相位值

(又称相位主值)，在一个相位周期内它是单调递增的，但是在整个测量空间中该值不唯一，因此无法直接通过相位主值来寻找相机图像上的匹配点，这样便不能进行立体重构。

我们采用本实验室内部成熟的三频外差算法对图像进行解相，获取投影仪图像和相机图像间的对应关系。

(2)利用绝对相位到三维坐标的转换算法获取拍摄图像的匹配点

对于牙齿扫描系统建立双目立体视觉模型，该模型将投射镜201看作倒置的摄像机，通过建立投射镜201的图像和内窥摄像镜202的图像之间的对应关系(即投影仪图像与相机图像的关系)，将投影仪标定转化为成熟的相机标定。从而将此牙齿扫描系统转换为经典的双目视觉系统。

在结构光测量系统中，通过相位计算得到绝对相位灰度图后，每个相机图像像素均可根据其绝对相位值，计算出对应的投影仪图像中的一条直线。如图5，假设空间三维点P的坐标为(X_w，Y_w，Z_w)，其在相机图像中的图像坐标为(u_c，v_c)，通过上节所述的相位获取算法计算出该点的绝对相位值为Φ(u_c，v_c)，则其对应的DMD图像坐标为一条线(如果投射的光栅图像是垂直的，这对应为垂线，反之为水平线)，其坐标为：

u_{p} = \frac{Φ (u_{c}, v_{c})}{N \times 2 π} \times W - - - (4.10)

其中N为光栅图像的条纹周期数，W为投影仪在水平方向的分辨率，Φ(u_c，v_c)为该点的绝对相位值。一旦建立起相机图像与投影仪图像的对应关系，则可使用成熟的三角测量原理计算出该点的三维坐标。使用系统参数标定算法，对结构光系统进行标定。相机和投影仪的内部参数分别为Ac和Ap，外部参数分别为Mc和Mp。根据三维坐标计算方法，一旦标定出相机的内外部参数，则可跟据式(4.4)进行三维坐标计算。

s_c[u_c，v_c，1]^T＝A_cM_c[X_w，Y_w，Z_w，1]^T，

s_p[u_p，v_p，1]^T＝A_pM_p[X_w，Y_w，Z_w，1]^T (4.11)

其中，s_c，s_p分别是相机和投影仪的比例因子，(u_c，v_c)和(u_p，v_p)是相机和投影仪的图像坐标，两者均使用预先标定出的系统畸变参数对其进行矫正。公式(3)和(4)中(X_w，Y_w，Z_w)，s_c，s_p，u_p和v_p是未知的，而两个公式中有七个线性无关的方程，因此联立两式可以唯一的确定出被测点的三维坐标(X_w，Y_w，Z_w)。

整个扫描设备宽度方向尺寸可控制存30mm以内，完全满足伸入口腔内部微型化作业的任务。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置，其特征在于：其包括微型扫描手柄，微型扫描手柄内部设置有投射镜、内窥摄像镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜；投射镜和内窥摄像镜头保持相对位置固定并相互错开角度放置，投射镜将接收到的黑白正弦光栅图像投射至第一平面反射镜，再经第一平面反射镜反射后投影至口腔内部牙齿上；内窥摄像镜通过第二平面反射镜以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜同步拍摄的图像数据用于传送给外部图像处理系统进行处理。

2.一种牙齿三维扫描系统，其特征在于：其包括图像处理系统、投影仪、传像束、在口腔内部直接使用的牙齿三维扫描装置；牙齿三维扫描装置包括微型扫描手柄，微型扫描手柄内部设置有投射镜、内窥摄像镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜,投射镜和内窥摄像镜头保持相对位置固定并相互错开角度放置，计算机控制投影仪向传像束一端的远心成像镜头投影出一组黑白正弦光栅图像,传像束的另外一端接至牙齿三维扫描装置的投射镜；图像处理系统控制牙齿三维扫描装置的内窥摄像镜以与投影仪相同的帧率对牙齿进行同步拍摄，内窥摄像镜同步拍摄的图像数据传送给图像处理系统进行处理。