JP2014524795A - 歯科分野で使用される三次元測定デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】歯科分野で使用され、活性のまたは構造化された光の投影の不在下での測定を目的とした三次元測定デバイスが画像キャプチャ手段と画像のデータ処理手段とを含み、画像キャプチャ手段(38、39)が、少なくとも二つの画像を同時にまたはほぼ同時にキャプチャできるように設計された手段で構成され、該二つの画像のうちの一方は他方の画像の中に完全にまたは部分的に包含されており、前記包含された画像は、他方の画像の被写界よりも狭い被写界を描写し、かつ他方の画像の精度よりも高い精度を有する。
【選択図】図4
Description
1)物体の寸法を測定するために活性または構造化された光の投影を全く使用しない小型三次元読取りシステムであって、
a)一つ以上のCCDまたはCMOSタイプの電子センサーおよびそれに付随する光学系と、
b)最終的に、歯または歯肉の表面において最終的な病理診断を可能にする一つまたは複数の波長の一つのLEDまたはOLED照明と、
c)一つまたは複数のセンサーを補助、制限、さらには置換するための一つ以上の加速度計/ジャイロ/3D磁力計と、
で構成された小型3次元読取りシステム、
2)アナログ/デジタルデータおよび管理データを変換するための中央ユニット、
3)ほぼリアルタイムでの3D空間的分析、測定対象の物体の動き(movement)を分析するための時間的分析、3Dで測定された表面と直接相関でかつリアルタイムでこれらの物体の色を分析するための比色分析を可能にし、入念に選択されたLED/OLED光放射の反射、グローバルなまたは選択的なペネトレーション(penetration)を介した診断のための補助を提供する、付随のソフトウェア、
4)IHM communication「ハードウェア」および「ソフトウェア」セット(スクリーン、キーボード、モデムなど)。
立体視口腔内システムを使用することを最初に提案したのは、D.Rekow(J.of Dent.Practice Administration;4(2)52−55(1984))であった。このシステムにおいては、歯の上に固定した基準を用いて複数の獲得を行い、次にKodak Eikonixデバイスを用いてこれらのフレームを読取ることが必要である。立体視という名称で周知であるこの古来の方法は、精度が低く、その実施に時間がかかるものであることが判明している。この方法は、近年、Denzen Caoの米国特許出願公開第2009/0227875号明細書(Sandy−アメリカ)およびSteinbichler Opt.欧州特許出願公開第2,166,303号明細書(Neubeuern−ドイツ)によって再び提案されたが、Rekowによるシステムに比べ何ら改良点が見られず、特に、近接立体視に対応する口腔内写真の記録中の極めて重要な問題である精度および基準ドットの決定、被写界深度の解像度に対処がされていなかった。このようなシステムは、フロントレンズから5mm以内のところに置かれた物体について20mmの被写界深度で20μmの精度を達成することが望まれる場合、口内で実施することが不可能である。
1)従来の歯科用立体視法の新規でかつ独創的な機構を介して、口内の歯が常にそうであるように、マウンティングのフロントレンズの近くにある物体にとって極めて重大である、光学軸間の差に対応する二つの画像記録間の盲点の問題が制限される。
− 不正確で冗長である、測定対象物体の「コーティング」による被覆を強制されないこと。
− 活性の構造化された光の投影が放棄されることで、歯の内側に尺度ベクトル光を全くペネトレーションさせないこと。
− 相同ドットのマッチングを容易にするため、読取られた部域のカラーを使用すること。これは、表面が規則的かつ均一であり続ける口の中では非常に重要である。
− 有効性を高め、全体の表面(全口蓋弓)またはこれらの表面の動き(下部歯列弓との関係における上部歯列弓の動き)を測定するための読取り時間を削減すること。
− セルフキャリブレーションを可能にし、あらゆる経時的調整をことごとく無くすること。
− 写真記録中の「動き」に起因する、あらゆるぶれ効果を回避すること。
− 特にCCD、CMOSまたはLEDなどの、使用される電子構成要素の普及に由来して、製造コスト、ひいては販売価格を著しく削減すること、
− 全てのタイプのコンピュータとのUSB互換性接続によってかまたは単にバッテリ電源によって提供することのできる、電力供給の削減を可能にすること、
− 製造中、CMOSまたはCCDセンサーを互いに対し既定の不変かつ固定した空間的位置に保つことにより、物体またはカメラの(互いとの関係における)動きを知る必要性を回避し、不一致の問題を、散布図における単なる密度相関の問題へと、問題を減らすこと、
− 3D画像の空間的分析から、ソフトウェア操作を使用することのない、歯科における一般的診断に有用な2D画像の平面的分析へと移行できること、
− 標準的3Dスクリーン上で3D表示を得ること。これは、本口腔内システムの複雑な処理が無い場合には不可能である。
少なくとも二つのセンサーからなる小型のオリジナルな立体視システム、なおそのうち、
1)一方のセンサーは、広い平均精密度の被写界を検分し、他方のセンサーは、前記被写界の中に全体的にまたは部分的に包含される、より高い精度を有するより狭い被写界を検分する。
a.画像内で歯肉と歯を自動的に分離すること、
b.CADCAMソフトウェアのための一部の重要な色を識別すること、
c.三次元表面上で歯の色を測定すること。
a.高い精密度を必要としない焦点距離、そして調整システムを必要としない単一の固定焦点距離を有することができる。それは、実際、20〜25μの精度についてレンズから10mmのところで20×30×15mmの被写界を有することが光学的に可能である。
b.高精密度の焦点距離(5〜10μm)、ただしその被写界深度は、先行する被写界深度の中に包含される。zでの走査は、こうして常に単純であり先験的に知られることになる。したがって、z(被写界深度)での走査は、およそ5〜10の異なるレベルに限定される。
c.所望の精度の自由な選択および増加を可能にする、高精密度の焦点距離および可変ズーム。
a.最終的におよび好ましくは、広被写界の読取りにおいて正確な読取りがある場所を示す写真内のシーン上に投影された、例えば赤色円などのマークの存在。
b.最終的におよび好ましくは、広被写界の縁部がある場所を示す写真内のシーン上に投影された、青色円などのマークの存在。
a.機械的、光学的または電子光学的な走査、構造化された光投影の必要性が全く無い、中央管理およびアナログ/デジタル変換ユニットであって、三つの空間的次元および最終的には測定対象の物体の動きの時間に対応する第四次元を計算することを可能にしている、中央管理およびアナログ/デジタル変換ユニット。
b.センサーうちの一つの起こり得る故障を補償するかまたはカメラの体積を制限するための、ほぼリアルタイムでの3D検出を可能にする単一センサーを使用できるようにする、オリジナルなソフトウェア。
c.ケーブル、電話回線または無線回線を介したデータ伝送。
d.相補的処理、作業者との対話/表示、データ伝送および記憶用ハードウェアシステム。
1)両方のカメラ由来の二つの2D画像ストリームから出発する、リアルタイム3D再構成ダイアグラム、
2)単一カメラ由来の2D画像ストリームと加速度計由来の加速データフローから出発する、リアルタイム3Dの再構成ダイアグラム、
3)画像を介して注目対象のドットを計算しマッチングすることによる、光学トレース(複数の異なるカメラ上の同じ3Dドットの投影)をサーチするための三つのアルゴリズム上で、注目対象のドットを発見するための一つのアルゴリズム、
4)画像ストリームを空間的にコヒーレントなサブシーケンスへと、リアルタイムで自動的にシーケンシングするためのアルゴリズム、
5)光学トレースにより、3Dドットの座標および空間内のカメラの位置を並行推定するためのアルゴリズム、
6)散布図を3D補間するためのアルゴリズム、
7)3D散布図をポリゴン化し、テクスチャを計算するためのアルゴリズム、
8)3D再構成をスケーリングするためのアルゴリズム、
9)空間的精度を増強するための二つのアルゴリズム。
カメラ由来の画像ストリーム処理は、ユーザーが物体の近傍でシステムを動かすにつれて、ユーザーにより表示可能な第一の3D再構成を生成するために、リアルタイムで処理される。リアルタイム3Dグローバル再構成スキームおよびデータの機構は、二つのカメラの利用可能性に応じて変動する。
a)獲得時点における空間内のカメラの位置を見出すこと、
b)光学トレース上に投影する3D散布図を生成すること。
− 汎用PCが理解できる言語でセンサーのデータを収集、記憶および順序付けできる中央管理ユニット。それは最終的には、このファンクションが遠隔のPCに転送されない場合に、アナログ値を有するデータをデジタル値に変換することもできる。マスクまたはフリンジを投影するためにシステムを管理しなくてよいことから、中央ユニットはその最低限度まで、すなわち立体視カラー写真カメラの管理まで縮小される。
− PCの中央ユニットおよび/またはソフトウェアの制御下にあり、好ましくは実装されているプログラムに応じて特定のLEDを始動させることのできる、LED制御カード。実際、LEDは、実装されているプログラムに応じて変動する順序にしたがって、または交互にあるいは同時に制御される。ファンクションは、単純な命令の形をしているが、それを記載するのが良い。
− USBまたはバッテリ電力(例えばAC/DC)で作動できる標準的電源カード。フリーシステム(結線無し)または有線システムのいずれかに応じて、電源は、実装されている構成要素の電力消費量が低いことを考慮して、軽量性が維持される。したがって、我々のカメラは、無線接続を有し得る初めてのカメラである。
− 最終的には、USB接続または無線通信を必要とすること無く輸送可能な媒体を用いて写真を記憶しそれらをコンピュータに転送できるようにする、最終的にカメラの中に含まれる小型メモリーカード。
a.一方の被写界は、例えば、またこれに限定されないが、30×20mmの被写界上で20μm(NA:0.0125、すなわちF/8の焦点相当)の、より低い解像度で、大きい表面を網羅している。
b.他方の被写界は、例えば、またこれに限定されないが、15×10mmの被写界上で10μm(NA:0025、すなわちF/4の焦点相当)の解像度で、より小さい表面を網羅するが、精度はより高い。被写界深度は小さく、可変深度の一連の写真記録が予測される。
c.小さい被写界は、センタリングされているか否かに関わらず、全てのレベルで大きい被写界内に全体的に包含されていて、これにより、物体の三次元(x、yおよびz)の生成のためのデータを検出し、精度の高いビューと全般的なより大きい被写界ビューとの間のリアルタイム相関を容易にする。
d.オブジェクティブは、複数のガラスまたは成形ガラス/プラスチック素子で構成され得、調整はマイクロモーターによって実施される。
○ 最初の二つの写真間のマッチング数が少なくとも400である。
○ これら二つの写真間の距離が充分大きいものである。任意には、少なくとも5mmが網羅されたという加速度計からのデータを待つ。その他の場合は、(作業者が不動状態にとどまる場合)多くとも40個の画像が獲得されるのを待つ。
○ 光学トレースは、これら二つの画像の間で計算される。(図15のアルゴリズム)。
○ 投影マトリクスP1およびP2(カメラの空間的位置を表す)は、従来の5点アルゴリズムによりマッチングから計算される。
○ 対応するドットは、3Dドットの初期推定を得るために、トライアンギュレートされる。
○ 幾何は、セルフキャリブレーションにより更新され、それにより射影幾何から近計量幾何(a nearly−metric geometry)へと移行する(一つのスケールファクタ内で)。
○ 次に、生成された3D散布図は補間され、ポリゴン化され、テクスチャ化される(図16中のアルゴリズム)。生成された表面は、部分的3D再構成の最初の推定値である。
○ シーケンシングアルゴリズム:ビデオストリームは、光学トレースを計算した後、獲得の進行とともに、領域と呼ばれるサブシーケンスに分割される。光学的サーチがトラッキングにより行われる場合、未だトラッキング段階にあるドットの百分率が70%未満に下降した時点で、領域が終了する(60)。他の光学的サーチ技術については、領域は、領域の最初の画像とのマッチング数が現行の画像の注目対象のドットの70%未満となった時点で、終了する。現行の領域が閉じられた時点で、獲得中の新しい画像を用いて新しい領域が作成され、初期化される。
○ 一つの部域が閉じられる(61)と直ちに、例えば、ただしこれに限定されないが、Tomasi Kanadeタイプの因数分解によりこの領域内に発見される光学トレースに対応する3Dドットおよびカメラの相対的位置は、並行して計算される。生成された3D散布図は補間され、その後、ポリゴン化され、テクスチャ化される(図16のアルゴリズム)。
○ このアルゴリズムがそのまま使用された場合、幾何は領域分だけ異なる。したがって生成された表面は、空間的コヒーレンスをもたない。全ての領域を同じ幾何にもってくるためには(62)、二つの隣接する領域間でいくつかの画像(典型的には3個)を人工的に共有させるように注意しなければならず、こうして、隣接する領域対間での変換ホモグラフィを導き出すことが可能になる。ホモグラフィは、生成された表面の各々の終端に適用されて、それをグローバルモデル内に統合する。
○ 可視性:モデルの四面体各々について、どのカメラからそれが再構成されたかは分かっている。したがって、それはこのカメラから可視で、カメラとそれとの間に他のいかなる四面体もあってはならない。したがって、各四面体について、可視性の項では、カメラとそれとの間の四面体の数が計数される。
○ フォトコンシステンシー:p(T)が、再構成の三角形Tについてのフォトコンシステンシーの尺度であると仮定しよう。(慣例として、この三角形のテクスチャと、その頂点が導き出される2D点のテクスチャとの間の差の平均値をとることができる)。最小化するフォトコンシステンシーエネルギーの項は、
○ 表面積:可能なかぎり小さい表面積の表面を得るよう試みる。三角形Tを共有する任意の四面体対について、ウエイトエッジWpq=aire(T)の二つのノードpとqをグラフに追加することによって最小化を行う。
2 接続部
3 ケーブル
4 接続部
5 コンピュータ
6 ケーシング
7 ヘッド
8 アーム
13 コネクタ
14 光学系
15 LED
17 保護ガラス
18 ボタン
21 口腔構造
22 マイクロモーター
29 白色LED
30 青色LED
31 緑色LED
37 開口部
38、39 センサー
41 イメージオプティクス
42 制御機構
43、44 変換器
45 画像ソフトウェア
48 HIMインターフェース
49 ビデオ制御スクリーン
50 モデム
52 加速度計
Claims (16)
- 歯科分野で使用され、活性のまたは構造化された光の投影の不在下での測定を目的とした、三次元測定デバイスであって、画像をキャプチャするための手段と前記画像用のデータ処理手段とを含み、前記画像キャプチャ手段(38、39)が、少なくとも二つの画像を同時にまたはほぼ同時にキャプチャできるように設計された手段で構成され、該二つの画像のうちの一方は他方の画像の中に完全にまたは部分的に包含されており、前記包含された画像が、他方の画像の被写界よりも狭い被写界を描写し、かつ他方の画像の精度よりも高い精度を有している、三次元測定デバイス。
- 画像キャプチャ手段が少なくとも二つの電子画像センサーで構成されており、そのうち一方の電子画像センサー(38)が、広い被写界を平均的精度で検分し、他方の電子画像センサー(39)が、前記広い被写界の中に完全にまたは部分的に包含された、より狭い被写界をより高い精度で検分し、前記センサーには光学系が結びつけられている、請求項1に記載の三次元測定デバイス。
- センサーに結びつけられた複数の光学系が、異なる焦点距離を有し、それにより二つの異なる精度レベルが可能になっている、請求項2に記載の三次元測定デバイス。
- センサーがカラーまたはモノクロのCCDまたはCMOS電子センサーで構成されている、請求項3に記載の三次元測定デバイス。
- 画像キャプチャ手段の空間的位置に関する全般的および連続的な情報を提供することのできる加速度計/ジャイロ/3D磁力計(52)をさらに含む、請求項1〜4のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 中央管理およびアナログ/デジタルデータ変換ユニットと、
− ケーブル、電話回線または無線回線を介したデータ伝送と、
− 追加の処理、作業者との対話/表示、データ伝送および記憶のためのハードウェアシステムと、
− USBまたはバッテリ(例えばAC/DC)で作動できる電源カードと、
を含む、請求項1〜5のいずれかに記載の三次元測定デバイス。 - 鏡面またはランバート正則曲面の測定を可能にする一つまたは複数の波長のLEDによる、ならびに、3D表面上に転送された3D画像上の診断機能のための純度(コンシステントがあるか否か)、タイプ(色)および強度(出力)に関する特定の特性を有する構造化されていない光を有するLEDによる、受動的な構造化されていない照明を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- LEDが既定の波長を有する、請求項7に記載の三次元測定デバイス。
- センサーの一つが、被写界深度についての全般的情報を標示できるように設計され、こうして他方のセンサーの焦点距離が、第一のセンサーにより分析された現実に近い領域の中に予め位置づけされるようになっている、請求項2〜8のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- より高い精度で最も狭い被写界内で画像をキャプチャするための手段には、他方のキャプチャ手段が網羅する被写界全体を迅速に走査できるようにする変位手段が結びつけられている、請求項1〜9のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- より高い精度で最も狭い被写界内で画像をキャプチャするための手段には、可変的ズームが結びつけられている、請求項1〜10のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 包含された画像の被写界および/または他方の画像の被写界を取り囲む、有色光の少なくとも一つの円を投影するための手段を含む、請求項1〜11のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 超高速パルスLEDを伴うフラッシュシステムを含む、請求項1〜12のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 光学系が液体タイプのレンズを含む、請求項1〜13のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 光学系が、被写界深度を調整するためのマイクロモーターと結びつけられた、入力面上に瞳を有するガラスまたは成形ガラス/プラスチックレンズを含む、請求項1〜13のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
- 光学系が、非対称ファセットにより取り囲まれた平坦な上面で構成された、いわゆる「フリーフォーム」の熱可塑性レンズを含む、請求項1〜13のいずれかに記載の三次元測定デバイス。
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