CN203914924U - 下颌三维运动捕捉及可视化系统与下颌运动追踪装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种下颌三维运动捕捉及可视化系统，包括：采用三维CT模型设计并打印的下颌运动追踪装置、至少两个红外摄像头和用于分析摄像记录数据的电脑主机；下颌运动追踪装置包括后端固定装置、中间连接杆和前端三个不共面的标记杆；标记杆的一端共同连接在中间连接杆上，另一端分别设有一标记物；后端固定装置根据下牙列牙齿外形特征并采用三维CT模型进行设计和打印；标记物露出口外并随着下颌一起运动；电脑主机还原测试者下颌整体运动情况，以判断下颌运动和上下牙列咬合是否正常。本实用新型还提供了一种下颌运动追踪装置，具有成本低，操作方便和测试准确度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗检测技术，尤其涉及一种下颌三维运动捕捉及可视化系统。
背景技术
人体下颌运动是由牙、咀嚼肌和颞下颌关节共同参与的一种复杂的三维运动，其运动模式与口颌系统的健康状况密切相关，可以通过下颌运动的特征分析并认识咀嚼、吞咽及语言等功能，对颞下颌关节病变作分析诊断及疗效判断。各种运动中的下颌切牙轨迹、磨牙轨迹、双侧髁突轨迹及各咀嚼肌的肌电等病理生理学因素是制定咬合病康复方案的基础，也是捕捉运动标记点设计、肌电采集部位各种设计参数的重要依据。
下颌运动状态的测量，是咬合病诊断和治疗的基础，也是评估下颌面部各种运动功能的重要手段。根据下颌运动的表现形式可以揭示口颌系统的生理、病理状态，而对治疗前后的对比分析更能突出治疗效果。下颌运动轨迹的记录手段最初是通过尸体解剖探索下颌运动规律，自1773年起，学者们分别发表了利用合架研究取得切牙运动轨迹和髁道的文章。然而尸解与在合架上下颌运动的研究脱离了活的机体，它不能代替机体在神经肌肉支配下下颌运动的真实情况。上世纪初，随着X线在口腔医学的应用，人们对髁状突的形态与位置、髁状突与关节凹的位置关系在活体上做了X线的观察。但是X线影像的重叠与投照角度，不能定量的分析髁状突上某些特定点的移动情况。1921年，B.McCollum研制了一种机械式的下颌运动描记仪，通过夹板、面弓和描记笔板记录下颌的运动，经多次改良后成为目前临床科研的主要研究手段，但仍然过于繁琐和复杂，不利于推广。20世纪80年代，美国Grbh公司研制成功的髁突运动轨迹描记仪，将经典的髁突运动轨迹描记与计算机相结合，但依然有其局限性，这是因为髁突外侧覆盖着一层软组织，无法直接地观测其运动。德国KaVo公司研发了ARCUS digma下颌运动轨迹记录仪，该设备集成了超声波传感器技术和计算机技术，能够测量和显示上下颌咬合运动轨迹。但这些装置结构复杂，价格高昂，而且操作不方便，在设备维护、材料消耗等环节上投入成本过高。
而我国现有的技术方案“下颌运动轨迹记录系统”仅采用一个标记物对下颌运动进行跟踪，因此其记录的运动信息仅能代表下颌即整个下巴的运动状态，而未能真正测试到下颌内部即下颌骨的三维运动信息。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种下颌三维运动捕捉及可视化系统，采用光学追踪技术，结合三维CT建模技术，可视化还原下颌内部结构的运动情况，成本低，操作方便，测试准确度和还原度高。
为解决以上技术问题，一方面，本实用新型提供一种下颌三维运动捕捉及可视化系统，包括：采用三维CT模型设计并打印的下颌运动追踪装置、至少两个红外摄像头和对摄像记录数据进行分析处理的电脑主机；
所述下颌运动追踪装置包括：后端固定装置、中间连接杆和前端三个不共面的标记杆；所述标记杆的一端共同连接在所述中间连接杆上，另一端分别设有一标记物；三个所述标记物不共线；
所述标记物露出口外并随着下颌一起运动，以反映下颌的运动轨迹；
所述至少两个红外摄像头分别与所述电脑主机连接，在不同的角度对所述标记物进行拍摄，并将所述标记物的运动轨迹数据传送给所述电脑主机。
进一步地，所述后端固定装置根据下牙列牙齿外形特征并采用所述三维CT模型进行设计，通过贴合牙齿外形，以将所述下颌运动追踪装置固定在测试者的下颌切牙部位。
再进一步地，所述中间连接杆与所述后端固定装置的连接点位于下切牙颈部；所述中间连接杆对应上切牙的部位呈凹形，以对应避让上切牙的咬合；且所述中间连接杆沿口裂水平延伸出口外，以避免对嘴唇的牵拉。
优选地，所述两个红外摄像头通过可调整高度和角度的支架固定在测试者面部周围，并从不同位置拍摄所述标记物的运动轨迹。
在一种可实现方式中，所述后端固定装置利用所述三维CT模型并根据下牙列外形特征设计，并采用塑料或树脂进行三维打印制作而成。
在另一种可实现方式中，所述后端固定装置利用所述三维CT模型并根据下牙列外形特征设计，并采用合金材料铸造而成。
进一步地，所述标记物的表面覆盖有荧光材料，且所述两个红外摄像头带有红外发射装置；所述标记物可通过所述荧光材料反射出所述红外发射装置发出的红外线，以反映下颌运动轨迹。或者，所述标记物为一发光装置；所述两个红外摄像头可根据所述标记物所发出的光线捕捉到所述标记物的运动轨迹。
另一方面，本实用新型还提供了一种下颌运动追踪装置，包括采用三维CT模型设计并打印的后端固定装置、中间连接杆和前端三个不共面的标记杆；
所述后端固定装置利用所述三维CT模型并根据下牙列牙齿外形特征设计，并采用塑料或树脂进行三维打印制作而成，或者，采用合金材料铸造而成；
所述标记杆的一端共同连接在所述中间连接杆上，另一端分别设有一标记物；三个所述标记物不共线；
所述标记物露出口外并随着下颌一起运动，以反映下颌的运动轨迹；
所述标记物的表面覆盖有荧光材料，且所述两个红外摄像头带有红外发射装置；所述标记物可通过所述荧光材料反射出所述红外发射装置发出的红外线，以反映下颌运动轨迹，或者，所述标记物为一发光装置；所述两个红外摄像头可根据所述标记物所发出的光线捕捉到所述标记物的运动轨迹。
进一步地，所述中间连接杆与所述后端固定装置的连接点位于下切牙颈部；所述中间连接杆对应上切牙的部位呈凹形，以对应避让上切牙的咬合；且所述中间连接杆沿口裂水平延伸出口外，以避免对嘴唇的牵拉。
本实用新型提供的技术方案，采用三维CT模型对测试者的下颌进行建模，设计出与测试者下列牙齿外形特征相匹配的后端固定装置，通过三维打印或铸造出与测试者的下颌切牙部位相匹配的后端固定装置；露出口外的不共面的三个标记杆可随下颌一起运动，则设置在标记杆端点上的标记物可在不同位置反映出下颌的运动情况，红外摄像头可通过追踪标记物的运动轨迹以代表下颌的运动轨迹。电脑主机根据摄像头的捕捉数据对下颌内部结构的运动轨迹进行三维重建，精确还原下颌骨内部结构运动特征，可实现下颌骨整体结构，包括髁突，下颌各牙尖的三维运动的可视化显示。通过下颌运动追踪装置可记录人体下颌的典型运动中和下前牙切点的运动轨迹，直接反映下颌运动及牙齿咬合匹配程度，并由电脑主机上显示的运动轨迹图的特征可以认识肌功能紊乱的客观现象。在本实用新型提供的技术方案中，采用光学追踪技术，结合三维CT建模技术，可视化还原下颌骨内部结构的运动情况，具有制造成本低，操作方便和测试准确度高等优点。
附图说明
图1是本实用新型提供的下颌三维运动捕捉及可视化系统的一个实施例的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的下颌运动追踪装置的俯视图；
图3是本实用新型实施例提供的下颌运动追踪装置的左视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，是本实用新型提供的下颌三维运动捕捉及可视化系统的一个实施例的结构示意图。
在本实施例中，所述的下颌三维运动捕捉及可视化系统包括：采用三维CT模型设计并打印的下颌运动追踪装置100、至少两个红外摄像头（如图1中的红外摄像头1和红外摄像头2）和对摄像记录数据进行分析处理的电脑主机200。
其中，CT是Computed Tomography（计算机断层扫描）的简称，它根据人体不同组织对X射线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入计算机，计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，即构成三维CT图像，发现体内任何部位的细小病变。
三维打印简称3D（3-Dimensional）打印，属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。
在本实施例中，优选地，首先采用三维CT模型对下颌运动追踪装置100进行设计，获得下颌运动追踪装置100的各种结构特征，再通过3D打印制成，或者通过合金材料铸造而成。
参看图2，是本实用新型实施例提供的下颌运动追踪装置的俯视图。
如图2所示，所述下颌运动追踪装置100包括：后端固定装置101、中间连接杆102和前端三个不共面的标记杆103（如图2中的标记杆103-1，标记杆103-2和标记杆103-3）；所述标记杆的一端共同连接在所述中间连接杆102上，另一端分别设有一标记物，与所述标记杆一一对应为标记物104-1，标记物104-2和标记物104-3。三个所述标记物104-1～104-3不共线。
所述标记物104-1～104-3露出口外并随着下颌一起运动，以反映下颌的运动轨迹；所述至少两个红外摄像头1和2分别与所述电脑主机200连接，在不同的角度对所述标记物进行拍摄，并将所述标记物104-1～104-3的运动轨迹数据传送给所述电脑主机200。具体地，由于测试者下颌与所述标记物同步运动，因此所述标记物的运动轨迹数据代表了下颌运动的轨迹数据。
具体实施时，在一种可实现方式中，所述后端固定装置101利用所述三维CT模型并根据下牙列外形特征设计，并采用塑料或树脂进行三维打印制作而成。在另一种可实现方式中，所述后端固定装置101利用所述三维CT模型并根据下牙列外形特征设计，并采用合金材料铸造而成。通过贴合牙齿外形，以将所述下颌运动追踪装置101固定在测试者的下颌切牙部位；所述标记物104-1～104-3露出口外并随着下颌一起运动，以反映下颌的运动轨迹。
所述红外摄像头用于记录所述标记物104-1～104-3的运动轨迹，并将所述标记物104-1～104-3的运动轨迹数据传送给所述电脑主机200；
所述电脑主机200用于对所述标记物104-1～104-3的运动轨迹数据进行分析处理，将所述标记物104-1～104-3的运动轨迹数据与所述三维CT模型建立的标准数据进行配准，还原测试者下颌整体运动情况，标定所述标记物104-1～104-3并计算所述标记物104-1～104-3的运动轨迹，以判断下颌运动和上下牙列咬合是否正常。
参看图3，是本实用新型实施例提供的下颌运动追踪装置的左视图。
如图3所示，所述后端固定装置101根据下牙列牙齿外形特征并采用所述三维CT模型进行设计，通过贴合牙齿外形，以将所述下颌运动追踪装置100固定在测试者的下颌切牙部位。
所述中间连接杆102与所述后端固定装置101的连接点位于下切牙颈部；所述中间连接杆102对应上切牙的部位1021呈凹形，以对应避让上切牙的咬合；且所述中间连接杆102沿口裂水平延伸出口外，以避免对嘴唇的牵拉。
所述两个红外摄像头1和2通过可调整高度和角度的支架固定在测试者面部周围，并从不同位置拍摄所述标记物的运动轨迹，通过所述电脑主机200中的运动捕捉软件和坐标重建算法得到所述标记物104-1～104-3的三维运动轨迹数据。具体地，可将两台或两台以上的带红外光发射装置的红外摄像头交叉固定于测试者面部周围，其中一个红外摄像头可放于测试者面部正前方，记录标记物的在额（冠）状面上的运动轨迹，另一个红外摄像头可放于测试者的侧面，记录标记物在矢状面上的运动轨迹。
进一步地，在一种可实现方式中，所述标记物104-1～104-3的表面覆盖有荧光材料，且所述两个红外摄像头带有红外发射装置，所述标记物可通过所述荧光材料反射出所述红外发射装置发出的红外线，以反映下颌运动轨迹。具体地，标记物104-1～104-3均为一个可反射红外光的小圆球，小圆球表面涂有反光或荧光材料，以便于反射来自于红外发射装置的红外光，红外摄像头容易捕捉到标记物104-1～104-3的运动轨迹。在另一种可实现方式中，所述标记物104-1～104-3自身为一发光装置；所述两个红外摄像头可根据所述标记物所发出的光线捕捉到所述标记物的运动轨迹。因此，在这种情况下红外摄像头仍然较为容易捕捉到标记物104-1～104-3的运动轨迹；所述标记物104-1～104-3随着下颌一起运动，以反映下颌运动轨迹。
在具体测试过程中，可以利用本实用新型提供的下颌三维运动捕捉及可视化系统进行颌位及牙合稳定性测试、开闭口轨迹的运动速率及平滑度测试和下颌边缘运动轨迹测试等。
譬如，当进行颌位及牙合稳定性测试时，从测试者闭口的静止姿势位开始记录，张口至最大位置，然后闭口下颌前伸至上切牙对下切牙回到闭口的静止姿势位，所述电脑主机同步显示所述下颌运动追踪装置的标记物的运动轨迹及其位移值；重复该运动至少2次，所述红外摄像头将捕捉数据传给所述电脑主机进行分析处理。所述电脑主机分别求得2次以上在垂直方向、前后方向及侧方向的运动位移差，再分别求得垂直方向、前后方向及侧方向运动位移差的均值，分别与预设的第一阀值P1作比较，如果超出所述第一阀值P1，则表明测试者的下颌运动和牙合稳定性不正常。
例如，测试者叩齿2下，从姿势位（Mandible Posture Position，MPP）开始记录，即从测试者闭口的静止姿势位开始记录，慢慢张口至最大位置，然后慢慢闭口，下颌前伸至牙切对切回到闭口的静止姿势位，系统同步显示其运动轨迹及位移值，重复该运动至少2次，将数据传给电脑主机分析处理。电脑主机中利用相关控制软件分别求得2次以上在垂直方向、前后方向及侧方向的运动位移差，再分别求得垂直方向、前后方向及侧方向运动位移差的均值，分别与设定的第一阀值P1作比较，第一阀值P1的取值范围是0.05-0.50mm（毫米），可以依据测试者年龄、性别进行调整。比如设定阀值为0.25mm，若其中任一方向，包括垂直方向、前后方向、侧方向的位移差大于0.25mm，则表明该患者MPP-ICP（Intercuspal Position交错位）不稳定，即下颌运动和牙合稳定性不正常，需进行医治。
当进行开闭口轨迹的运动速率及平滑度测试时，系统从测试者牙尖交错位开始记录，先自然开闭口1次，继而大而快地开闭口1次；所述红外摄像头将捕捉数据传给所述电脑主机分析处理，所述电脑主机同步显示出2次运动的轨迹及速率。所述电脑主机将记录的下颌运动三维轨迹及速率分别与所述电脑主机存储的下颌标准运动轨迹及标准速率作比较；且在测试者的下颌运动三维轨迹及速率与所述标准运动轨迹及标准速率不同时，判定测试者下颌运动和牙齿咬合不正常。
具体地，电脑主机中的控制软件将记录的下颌运动三维轨迹及速率与系统存储的下颌标准运动轨迹及标准速率分别作比较，判断这些轨迹的下颌运动指数（Mandibular Movement Index，MMI）是否一致；如果不同，则判定测试者的下颌运动和牙齿咬合不正常。其中，MMI主要利用冠状面轨迹进行判断。
当进行下颌边缘运动轨迹测试时，测试者依次完成最大开闭口运动，最大前伸运动，最大左、右侧方运动，要求每项运动都以闭口的静止姿势位为起点及终点，所述红外摄像头将捕捉数据传给所述电脑主机分析处理，所述电脑主机同步记录显示下颌边缘运动轨迹。所述电脑主机一一判断测试者的最大开闭口运动、最大前伸运动、最大左侧方运动和最大右侧方运动中的开口轨迹分别与闭口轨迹之间位移距离是否超过预设的第二阀值P2；若超过，则判定相应的方向的牙齿咬合与肌功能不协调。
具体地，电脑主机比较最大开闭口运动中的开口轨迹和闭口轨迹之间位移距离是否超过规定的第二阀值P2；或者系统比较最大前伸运动中的开口轨迹和闭口轨迹之间位移距离是否超过第二阀值P2；或者系统比较最大左、右侧方运动中的开口轨迹和闭口轨迹之间位移距离是否超过第二阀值P2。如果超过第二阀值P2，则表明对应某个方向的咬合与肌功能不协调。其中，第二阀值P2的取值范围是0.20-0.60mm，可以依据测试者年龄、性别进行调整。例如，正常开、闭口轨迹是基本一致的，对于25岁的男性，如果最大开闭口运动中闭口轨迹脱离开口轨迹距离过大，如超过0.5mm以上，则表明咬合与肌功能不协调，需医治。
本实用新型提供的下颌三维运动捕捉及可视化系统，采用三维CT模型对测试者的下颌进行建模，设计出与测试者下列牙齿外形特征相匹配的后端固定装置，通过三维打印或铸造出与测试者的下颌切牙部位相匹配的后端固定装置；通过下颌运动追踪装置可记录人体下颌的典型运动中和下前牙切点的运动轨迹，直接反映下颌运动及牙齿咬合匹配程度，并由电脑主机上显示的运动轨迹图的特征可以认识肌功能紊乱的客观现象。在本实用新型提供的下颌三维运动捕捉和可视化系统中，采用光学追踪技术并结合三维CT建模技术，可视化还原下颌骨内部结构的运动情况，具有制造成本低，操作方便和测试准确度高等优点。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (2)
1.一种下颌运动追踪装置，其特征在于，包括采用三维CT模型设计并打印的后端固定装置、中间连接杆和前端三个不共面的标记杆；
所述后端固定装置利用所述三维CT模型并根据下牙列牙齿外形特征设计，并采用塑料或树脂进行三维打印制作而成，或者，采用合金材料铸造而成；
所述标记杆的一端共同连接在所述中间连接杆上，另一端分别设有一标记物；三个所述标记物不共线；
所述标记物露出口外并随着下颌一起运动，以反映下颌的运动轨迹；
所述标记物的表面覆盖有荧光材料，且所述两个红外摄像头带有红外发射装置；所述标记物可通过所述荧光材料反射出所述红外发射装置发出的红外线，以反映下颌运动轨迹，或者，所述标记物为一发光装置；所述两个红外摄像头可根据所述标记物所发出的光线捕捉到所述标记物的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的下颌运动追踪装置，其特征在于，所述中间连接杆与所述后端固定装置的连接点位于下切牙颈部；所述中间连接杆对应上切牙的部位呈凹形，以对应避让上切牙的咬合；且所述中间连接杆沿口裂水平延伸出口外，以避免对嘴唇的牵拉。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Yue Inventor after: Lin Han Inventor after: Zhu Ping Inventor before: Xu Yue |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: XU YUE TO: XU YUE LIN HAN ZHU PING |
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Granted publication date: 20141105 Termination date: 20170108 |
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