FR2635965A1 - OPTICAL PROBE FOR THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT OF TEETH IN THE ORAL CAVITY AND METHOD OF IMPLEMENTING - Google Patents
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Abstract
Une sonde de mesure tridimensionnelle optique 1 pour la mesure de la géométrie tridimensionnelle des dents dans la cavité buccale est conçue de telle sorte qu'il est possible de réaliser sur le même objet plusieurs procédés de mesure connus tels que triangulation, coupe optique, déphasage, stéréo-photogrammétrie ainsi qu'un grand nombre de variantes de la mesure optique tridimensionnelle telles qu'on les connaît dans la technique de la mesure industrielle, comme par exemple les réseaux optiques en code Gray. On y parvient par le fait que la sonde 1 comprend une source lumineuse matricielle 7, 8 bidimensionnelle, programmable ponctuellement, de haute résolution, qu'un modèle de projection numérisé est placé dans une mémoire d'images 5 et commande la source lumineuse matricielle 7, 8 par l'intermédiaire d'un interface vidéo 9 et que cette image est projetée sur la surface de la dent à mesurer par l'intermédiaire d'une optique d'images 6.An optical three-dimensional measurement probe 1 for measuring the three-dimensional geometry of the teeth in the oral cavity is designed so that it is possible to carry out on the same object several known measurement methods such as triangulation, optical cutting, phase shift, stereo-photogrammetry as well as a large number of variants of the three-dimensional optical measurement as they are known in the technique of industrial measurement, such as for example optical networks in Gray code. This is achieved by the fact that the probe 1 comprises a two-dimensional matrix light source 7, 8, punctually programmable, of high resolution, that a digitized projection model is placed in an image memory 5 and controls the matrix light source 7 , 8 via a video interface 9 and that this image is projected onto the surface of the tooth to be measured by means of image optics 6.
Description
Sonde optique pour la mesure tridimensionnelle des dentsOptical probe for three-dimensional tooth measurement
dans la cavité buccale et procédé de mise en oeuvre. in the oral cavity and method of implementation.
L'invention concerne la mesure tridimensionnelle The invention relates to three-dimensional measurement.
des dents dans la cavité buccale à l'aide d'une sonde. teeth in the oral cavity using a probe.
La mesure optique tridimensionnelle des dents di- rectement dans la bouche du patient permet d'obtenir des données numériques de construction pour la fabrication Three-dimensional optical measurement of teeth directly in the patient's mouth provides digital construction data for fabrication
assistée par ordinateur de prothèses dentaires sans em- computer-assisted dental prostheses without
preintes et en technique de fraisage numérique semi-auto- semi-auto digital milling technique
matique ou entièrement automatique. Actuellement, on con- matic or fully automatic. Currently, we
nait trois systèmes qui fonctionnent selon ce principe: a) Un système français produit par la firme Hennson Int. of France et reposant sur les travaux du Dr. Duret, utilise un procédé de triangulation par laser pour la mesure ponctuelle de la distance entre la surface des dents et la sonde optique introduite dans la cavité buccale du patient. Ces sondes de distance sont connues également dans la technique des mesures industrielles. Elles effectuent une mesure ponctuelle des distances ou bien elles peuvent, par balayage laser le long d'une ligne, mesurer les coordonnées de la hauteur relative de l'objet exploré le long three systems are born which function according to this principle: a) A French system produced by the firm Hennson Int. of France and based on the work of Dr. Duret, uses a laser triangulation process for the punctual measurement of the distance between the surface of the teeth and the optical probe introduced into the patient's oral cavity. These distance probes are also known in the industrial measurement technique. They perform a point measurement of the distances or they can, by laser scanning along a line, measure the coordinates of the relative height of the object explored along
d'une ligne. Etant donné que l'on utilise habituelle- of a line. Since we usually use-
ment pour capteur optique des capteurs de ligne CCD, on obtient des matrices ponctuelles de 256 à 4096 For optical sensors of CCD line sensors, we obtain point matrices from 256 to 4096
points d'image.picture points.
b) Un système suisse, de la firme BRAINS, Brandistini b) A Swiss system, from the firm BRAINS, Brandistini
Instruments, appelé CEREC, fonctionne également se- Instruments, called CEREC, also works se-
lon le procédé de la coupe optique, connu dans la lon the optical cutting process, known in the
technique des mesures industrielles. Selon ce procé- industrial measurement technique. According to this process
dé, un trait lumineux unique ou une grille parallèle de traits lumineux sont projetés sur la surface et observés à l'aide d'une caméra bidimensionnelle selon un angle de parallaxe. La hauteur relative peut être déduite à partir de la courbure des lignes de coupe From the start, a single light line or a parallel grid of light lines is projected onto the surface and observed using a two-dimensional camera at a parallax angle. The relative height can be deduced from the curvature of the cutting lines
optique.optical.
On connaît une variante améliorée de ce procédé, appelé procédé de décalage de phase. Il utilise un réseau An improved variant of this method is known, called phase shift method. It uses a network
optique produit par interférométrie avec modulation sinu- optics produced by interferometry with sinu-
soidale de la luminosité en contraste avec les coupes brightness soid in contrast to the cuts
optiques binaires. En faisant des prises de vue de l'ob- binary optics. By taking pictures of the ob-
jet pour différentes positions de relation de phase de jet for different phase relation positions of
ce réseau, on peut obtenir une densité ponctuelle sensi- this network, we can obtain a specific point density
blement plus forte des valeurs de hauteur et l'on peut significantly higher height values and we can
éliminer numériquement des perturbations telles qu'incons- digitally eliminate disturbances such as inconsistency
tance de la luminosité de fond et instabilité du contraste tance of the background brightness and contrast instability
de bande par suite des variations locales dans la ré- due to local variations in the re-
flexion.bending.
c) Une méthode actuellement mise au point à l'Universi- c) A method currently being developed at the Universi-
té du Minnesota sous la direction du Dr. Dianne Recow, et faisant appel à une sonde laryngoscopique Minnesota summer under the direction of Dr. Dianne Recow, and using a laryngoscopic probe
prend des vues photographiques multiples de la surfa- takes multiple photographic views of the surface
ce des dents pour, après développement, les explorer et les numériser au moyen d'un scanneur pour document teeth to, after development, explore and digitize them using a document scanner
et les exploiter dans un ordinateur selon des procé- and use them in a computer according to procedures
dés connus en photogrammétrie pour stéréo-restitution. dice known in photogrammetry for stereo-restitution.
Toutes les sondes dentaires optiques utilisées All optical dental probes used
à ce jour sont caractérisées par le fait qu'elles n'uti- to date are characterized by the fact that they do not use
lisent, du fait de leur principe de construction, qu'un seul des procédés possibles (triangulation par laser ou coupe optique ou décalage de phase ou mesure de distance stéréo). Cependant, chacun de ces procédés présente une série d'avantages et d'inconvénients: a) Les procédés au rayon laser pour la triangulation ou read, due to their construction principle, that only one of the possible methods (triangulation by laser or optical cut or phase shift or stereo distance measurement). However, each of these methods has a series of advantages and disadvantages: a) The laser beam methods for triangulation or
les procédés de décalage de phase souffrent forte- phase shifting processes suffer strongly-
ment de la formation de taches causées par la lumiè- re cohérente. Ceci donne lieu à des images de hauteur troublées et donc, à une diminution sensible de la résolution. stain formation caused by coherent light. This gives rise to disturbed height images and therefore to a significant decrease in resolution.
b) Les procédés de coupe optique et de déphasage à ré- b) Optical cutting and phase shifting processes
seau constant souffrent de problèmes d'ambiguïté constant bucket suffer from ambiguity issues
dans le cas de fortes dénivellations. Ces dénivella- in the case of steep slopes. These gradients
tions déplacent la ligne lumineuse ou la relation de phase du réseau sinusoidal de plus d'une constante tions move the light line or phase relationship of the sinusoidal lattice by more than one constant
de réseau. Il n'est alors plus possible de recons- network. It is then no longer possible to meet
truire la dénivellation.truce the drop.
Les sondes dentaires optiques tridimensionnelles connues à ce jour déterminent le procédé tridimensionnel à utiliser par leur construction même. Elles ne sont pas The three-dimensional optical dental probes known to date determine the three-dimensional process to be used by their very construction. They are not
modifiables, à l'exception de quelques paramètres de ré- editable, with the exception of a few parameters
glage tels que fréquence de balayage, décalage de phase, mise au point, grossissement. Il n'est donc pas possible adjustment such as scanning frequency, phase shift, focus, magnification. It is therefore not possible
d'appliquer avec une même sonde à un même objet des pro- apply with the same probe to the same object pro-
cédés de mesure complémentaires tels que triangulation, coupe optique, déphasage et stéréo-photogrammétrie de transfer of additional measurements such as triangulation, optical cross-section, phase shift and stereo-photogrammetry of
même que toute une série de variantes de la mesure opti- same as a whole series of variants of the opti-
que tridimensionnelle connues à partir des techniques de la mesure industrielle, comme, par exemple, les réseaux than three-dimensional known from industrial measurement techniques, such as, for example, networks
optiques codés en code Gray, en vue de combiner les avan- optics coded in Gray code, in order to combine the advantages
tages de ces procédés et d'éviter leurs inconvénients. tages of these processes and avoid their drawbacks.
Cet objet est atteint selon l'invention par le This object is achieved according to the invention by the
fait qu'une sonde dentaire optique pour mesure tridimen- makes an optical dental probe for three-dimensional measurement
sionnelle des dents contient une source lumineuse matri- teeth contains a matrix light source
cielle de haute résolution, bidimensionnelle à programma- high resolution, two-dimensional, programmable
tion ponctuelle libre, qu'un modèle de projection numéri- free punctual tion, that a digital projection model
sé est produit par un ordinateur selon un procédé programmé mathématique ou graphigue, qu'il est mis dans une sé is produced by a computer using a programmed mathematical or graphical process, which is put into a
mémoire-image et affiché sur la source lumineuse matri- image memory and displayed on the matrix light source
cielle par l'intermédiaire d'un interface numérique/ analogique et est projeté sur la surface à mesurer par une optique de projection. Selon l'invention, les sour- cielle via a digital / analog interface and is projected onto the surface to be measured by projection optics. According to the invention, the sources
ces lumineuses matricielles utilisées sont des mo- these light matrixes used are mo-
niteurs ou,écrans de contrôle vidéo, de préférence, niters or, video control screens, preferably,
tubes de projection à traits fins ou modulateurs de lu- projection tubes with fine lines or light modulators
mière spatiaux (en anglais: "spatial light modulators"). spatial (in English: "spatial light modulators").
Ces derniers en particulier existent sous la forme d'écrans de contrôle vidéo à cristaux liquides, noir et The latter in particular exist in the form of video control screens with liquid crystals, black and
blanc ou couleurs, disponibles à bas prix dans les appa- white or colors, available at low cost in the devices
reils de télévision miniatures et il est facile de les intégrer dans une sonde dentaire de ce type sous forme miniature television reils and it's easy to integrate them into a dental probe like this
de "diapositive" à commande électronique. La source lumi- of electronically controlled "slide". The light source
neuse matricielle peut aussi être formée d'un scanneur dot matrix can also be formed by a scanner
XY avec modulateur de lumière optique. XY with optical light modulator.
L'essence de l'invention sera décrite à titre d'exemple non limitatif en prenant l'exemple d'une sonde The essence of the invention will be described by way of nonlimiting example by taking the example of a probe.
dentaire ayant un modulateur de lumière à cristaux liqui- dental having a liquid crystal light modulator
des comme source lumineuse programmable. Par un exemple de procédé, on montrera aussi comment la programmabilité du modèle de projection permet de projeter des repères d'étalonnage et/ou des modèles de mesure différents en as a programmable light source. By an example of a process, we will also show how the programmability of the projection model makes it possible to project different calibration marks and / or measurement models in
succession rapide et de traiter ces images selon diffé- rapid succession and to process these images according to different
rents procédés d'interprétation pour éliminer les incon- many methods of interpretation to eliminate the
vénients précités des taches, des ambiguïtés, etc. above mentioned spots, ambiguities, etc.
Avantageusement, on projette une lumière cons- Advantageously, a light is projected cons-
tante sans modèle pour l'observation visuelle ainsi que aunt without model for visual observation as well as
pour la détection automatique des zones d'ombre. for automatic detection of gray areas.
Avantageusement encore, on projette des modèles de grille successifs de différentes fréquences locales et on réalise ainsi des mesures approximative et fine Advantageously again, successive grid models of different local frequencies are projected and thus approximate and fine measurements are made.
exemptes d'ambiguïtés.free of ambiguities.
Des modèles lumineux codés successifs sont Successive coded light models are
projetés et interprétés, ou bien on projette sur la sur- projected and interpreted, or else we project onto the
face des dents à mesurer des modèles et des images de référence mémorisés, ou encore des images de la surface face of the teeth to be measured stored models and reference images, or surface images
d'occlusion antihomologue.antihomologic occlusion.
Avantageusement, des mesures locales de hauteur sont exécutées par le procédé de la triangulation, par Advantageously, local height measurements are carried out by the triangulation process, by
projection ponctuelle de différents points d'image. spot projection of different image points.
Avantageusement encore, au moyen d'une source lumineuse matricielle couleurs on projette des couleurs qui optimisent le contraste entre la surface des dents Advantageously also, by means of a color matrix light source, colors are projected which optimize the contrast between the surface of the teeth.
et la gencive.and the gum.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- Other features and advantages of the
vention ressortiront de la description suivante, faite vention will emerge from the following description, made
à titre d'exemple non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente à titre d'exemple le by way of nonlimiting example. Reference will be made to the appended drawings in which: FIG. 1 shows by way of example the
schéma logique d'une sonde dentaire conforme à l'inven- logic diagram of a dental probe according to the invention
tion. La figure 2 représente par exemple une série de modèles de projection tels qu'ils peuvent être utilisés tion. Figure 2 shows for example a series of projection models as they can be used
dans l'application du procédé de déphasage. in the application of the phase shift process.
L'essence de l'invention sera décrite selon un exemple de réalisation conformément à la figure 1. Le modèle à projeter est projeté à la surface des dents à The essence of the invention will be described according to an exemplary embodiment in accordance with FIG. 1. The model to be projected is projected onto the surface of the teeth to
mesurer au moyen d'une optique endoscopique 1. Une deu- measure using endoscopic optics 1. Two
xième conduite optique 2 conduit une image de la surface x optical line 2 conducts an image of the surface
des dents ainsi repérée sur une caméra vidéo bidimen- teeth thus identified on a two-way video camera
sionnelle 3 qui délivre ses données à l'ordinateur d'image 4 assurant l'exploitation. Le ou les modèles à sional 3 which delivers its data to the image computer 4 ensuring the operation. The model (s) to
projeter sont créés en mode numérique par le même ordi- project are created in digital mode by the same computer
nateur ou par un second ordinateur d'image, mis en mode numérique dans la mémoire d'images de projection 5 et transformés, en passant par un interface numérique/ analogique et un interface vidéo 9 en un signal vidéo pour la commande de la matrice moniteur vidéo à cristaux liquides 7. Cet écran à cristaux liquides est, grace à nator or by a second image computer, put in digital mode in the projection image memory 5 and transformed, passing through a digital / analog interface and a video interface 9 into a video signal for controlling the monitor matrix liquid crystal video 7. This liquid crystal screen is, thanks to
un dispositif d'éclairage 8, irradié d'une lumière cons- a lighting device 8, irradiated with a light cons-
tante et modulé ponctuellement sous haute résolution et avec un grand nombre de degrés de gris possibles de la lumière constante. Le rayon lumineux modulé est, par l'intermédiaire d'une optique d'image 6, représenté dans l'optique endoscopique et il est projeté à la surface aunt and punctually modulated under high resolution and with a large number of possible gray degrees of constant light. The modulated light ray is, by means of an image optic 6, represented in the endoscopic optics and it is projected onto the surface
des dents.teeth.
La figure 2 représente à titre d'exemple, une Figure 2 shows by way of example, a
série de modèles de projection qui, avec les sondes anté- series of projection models which, together with the previous probes
rieures, ne pourraient être obtenus sans changement de la sonde. Dans une première étape, le modèle projeté 1 est "tout blanc". On peut ainsi contrôler facilement l'orientation de la sonde, le réglage de la netteté, etc. sur l'écran du système de traitement de l'image (10, could not be obtained without changing the probe. In a first step, the projected model 1 is "all white". You can easily control the orientation of the probe, the sharpness adjustment, etc. on the screen of the image processing system (10,
figure 1) sans apparition de bandes perturbatrices. Figure 1) without the appearance of disturbing bands.
D'autre part, les zones d'ombre se signalent automati- On the other hand, the gray areas are signaled automatically.
quement par interprétation directe de luminosité, zones dans lesquelles la mesure tridimensionnelle ultérieure only by direct interpretation of brightness, areas in which subsequent three-dimensional measurement
sera impossible ou incertaine. Un deuxième modèle de pro- will be impossible or uncertain. A second model of pro-
jecticn 2 peut être composé de repères par exemple, dont jecticn 2 can be composed of benchmarks for example, of which
la déformation permet de calculer des données de calibra- the deformation makes it possible to calculate calibration data
ge (rapport d'image, distance à un niveau de référence, etc.). A partir de la déformation en ellipse d'un repère circulaire, on peut obtenir les rapports d'image, la ge (image ratio, distance to a reference level, etc.). From the ellipse deformation of a circular reference frame, we can obtain the image ratios, the
position du fond dans l'espace et autres données néces- position of the bottom in space and other necessary data
saires à l'étalonnage de l'ensemble du système optique. calibration of the entire optical system.
Le modèle 3 est par exemple une grille sinusoïdale gros- Model 3 is for example a large sinusoidal grid
sière pour la mise en oeuvre d'un procédé de déphasage safe for implementing a phase shift process
à faible résolution. Ce modèle est pris en trois diffé- at low resolution. This model is taken in three different
rentes relations de phase 3a, b, c et permet d'obtenir une image en hauteur grossière de la dent. Par suite de annuities phase relations 3a, b, c and makes it possible to obtain a rough height image of the tooth. As a result of
la constante de grille élevée il n'y a pas d'ambiguïtés. the grid constant high there are no ambiguities.
Le modèle 4a, b, c est constitué d'une grille sinusoïdale beaucoup plus fine et permet une mesure de hauteur de The model 4a, b, c consists of a much finer sinusoidal grid and allows a height measurement of
haute définition, mais toutefois il y a des ambiguïtés. high definition, but there are ambiguities.
On peut les éliminer au moyen des résultats de la mesure grossière 3. Finalement, il est possible par exemple de They can be eliminated by means of the results of the rough measurement 3. Finally, it is possible for example to
prendre dans une bibliothèque d'images une série de pro- take a series of pro-
fils dentaires mémorisés par voie numérique et de les projeter sur la dent pour apprécier directement en mode visuel sur l'écran de contrôle connecté (10 en figure 1) la qualité de la concordance et choisir éventuellement un modèle de dents existant. Il n'est pas nécessaire de rappeler ici les particularités du procédé de déphasage car elles correspondent à l'état de la technique et sont dental floss stored digitally and project them on the tooth to assess directly in visual mode on the connected control screen (10 in Figure 1) the quality of the agreement and possibly choose an existing model of teeth. It is not necessary to recall here the particularities of the phase shifting process because they correspond to the state of the art and are
suffisamment publiées. De même, on n'expliquera pas da- sufficiently published. Similarly, we will not explain
vantage les autres procédés de mesure tridimensionnelle, tels que procédés de triangulation, photogrammétrie, modèle de projection codé et autres car ils sont publiés Advantage other methods of three-dimensional measurement, such as triangulation methods, photogrammetry, coded projection model and others because they are published
dans l'état de la technique.in the state of the art.
Une autre caractéristique de l'invention est de projeter une image de référence, telle que, par exemple l'image mémorisée de la surface d'occlusion de la dent Another characteristic of the invention is to project a reference image, such as, for example, the memorized image of the occlusion surface of the tooth.
antihomologue, pour observer le problème d'occlusion. antihomologist, to observe the occlusion problem.
Lorsque l'on utilise les écrans vidéo à cristaux liqui- When using liquid crystal video screens
des, pour couleurs, ainsi qu'ils existent déjà sur le marché, le médecin traitant peut, indépendamment de la mesure tridimensionnelle de la dent à traiter, apprécier directement et visuellement la problématique de l'occlusion. L'exemple donné montre quelle est l'ampleur des nouvelles possibilités ouvertes par la sonde de mesure tridimensionnelle optique à modèle de projection de programmation libre en comparaison des possibilités of, for colors, as they already exist on the market, the attending physician can, independently of the three-dimensional measurement of the tooth to be treated, directly and visually assess the problem of occlusion. The example given shows the extent of the new possibilities opened by the optical three-dimensional measurement probe with free programming projection model compared to the possibilities
rigides et limitées qu'offrent les sondes optiques con- rigid and limited that optical probes offer
nues actuellement.currently naked.
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