JP2020173850A - 歯科シミュレーション用のモデル生成 - Google Patents
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Abstract
Description
三次元モデルの生成に関する。
(商標)型シミュレータを含めて既知である。これらのシミュレータは,バーチャルリア
リティ技術により,研修医に各種の歯科的処置を練習可能とするものである。シミュレー
タは,一般的には,3Dグラスを装着した使用者が視認するための3Dイメージを表示す
るディスプレイスクリーンを備える。ディスプレイスクリーンの下方には少なくとも1つ
のハンドピースが配置され,このハンドピースは,1組のリンク部材と電動モータとを備
える機構によってシミュレータに固定されている。これらは,(ユーザによって動かされ
る際の)ハンドピースの相対位置と,ユーザが歯,歯列または顎部の仮想的な3Dイメー
ジ上で歯科的処置(例えば,歯内へのドリル操作)を行う際にユーザによって及ぼされる
力を測定するものである。ハンドピースは,歯科医のドリル操作をシミュレートし,研修
医が自らドリル操作を行う際,研修医に触覚的フィードバックを与える。
を適用する前に,歯科研修医に練習のためのシミュレーション環境を与える。患者の安全
性は,極めて重要である。シミュレーションプロセスがより現実的であるほど,研修医は
訓練に一層集中し,研修医及び患者の両者にとって一層良好な結果を得ることができる。
じて,異なるモデルが設計される。例えば,特定のモデルは,(シミュレートされた訓練
シナリオ下で研修医による補綴を必要とする)欠損歯であり得る。他のモデルにより,歯
科訓練プログラムの必要性に対応する異なる特性又は特性の組み合わせを実現することも
できる。しかしながら,遭遇し得る全ての歯科シミュレーションを正確に代表させるため
の人工的なモデルを創生することは,非実用的(及びほとんど不可能)である。従って,
包括的なモデルの使用によって,歯科用シミュレーション装置上での研修医の訓練が制約
されることとなる。
いる。1つの方法は,CTスキャニングのトモグラフィ・スライスの組み合わせから体積
モデルを生成することである。しかしながら,CTスキャニングは不便かつ効果である。
めの,コンピュータで実行される方法を提供する。この方法は:ある体積を有する三次元
物体の表面を記述するファイルを読み込み;前記三次元物体を包含する,複数のボクセル
を含むボクセルグリッドを生成し;前記三次元物体の体積内に配置される複数のボクセル
よりなるボクセルサブセットを特定し;前記ボクセルサブセットを含み,かつ,前記三次
元物体の外面を画定する三角形化された表面を生成し;前記三次元モデルの中実体積を画
定するボクセルサブセットにおける各ボクセルに密度データを割り当てるものである。こ
の方法は,実際の歯に関する情報を使用して,歯科用シミュレーションプログラムにおい
て使用するための密度データを有する三次元モデルを自動的かつ効率的に提供するもので
ある。
歯科シミュレーション環境下で使用するための中実モデルを正確かつ効率的に成形するた
めに,光学的スキャナの利便性及び柔軟性を有利に活用するものである。
する。
ティ技術を適用して歯科技術を練習するために歯科研修医によって使用されるものである
。研修医は,視認スクリーン101に対面する椅子(図示せず)に腰掛ける。ハンドレスト1
02は,概ね,研修医が歯科技術をシミュレートするエリアを画定する。電源ボタン105は
装置のオン・オフ切り替えを行い,高さ調整スイッチ106は,ユーザにより,ハンドレス
ト102及び視認スクリーン101を含む装置100の位置の高さを調整可能とする。視認スクリ
ーン101は,仮想的な三次元の移動イメージを表示するものであり,その動きは,研修医
によるハンドピースの動き(概ねハンドレスト102のエリア内に存在する)に対応する。
研修医は,受動的な3Dグラスを装着して視認スクリーン上101のイメージを視認する。
マウス104は,シミュレータのユーザにより,仮想的な三次元空間内において,視認スク
リーン101上におけるイメージの相対位置及び方位を調整可能とする。フットペダル107は
,模擬ドリル(又はその他の歯科用動力ツール)の操作制御を容易とする。
できる。)も備える。訓練スクリーン103は,研修医が訓練に関連する情報,例えば訓練
プログラム,個別レッスン,得点及び採点データ,指導医のコメント等にアクセスし,か
つ,過去の訓練教材を復習するために使用される。シミュレーションプロセスの実行中,
視認スクリーン101上に表示されるイメージは,訓練用スクリーン103にも出力され,研修
医によるシミュレータ装置の使用を傍観者により確認可能とする。
ナを使用して1本又は複数本の歯をスキャンする。口腔内スキャナは,治療前,治療中又
は治療後に歯及び歯肉のイメージを生成するために,歯科医又は他の医療専門家がしばし
ば使用する手持ち型の光学スキャナである。口腔内スキャナで生成したイメージは,口腔
内のエリアを,場合によってはオフサイトで,又は後の時点で詳細に観察可能とする。口
腔内スキャナで生成したイメージは,従来,診断又は予後判断の一助としての視覚的分析
のために歯科医によって使用されている。一般的に,口腔内スキャニングは,三次元レー
ザスキャニング技術を適用するものであり,その詳細は当業者がアクセスできる情報であ
る。
本の歯の表面ジオメトリが,ASCII又はバイナリの何れかで,複数の三角形を含むメ
ッシュとして表されるSTLフォーマットに変換される。STLフォーマットの詳細は,
当業者がアクセスできる情報である。
が,その内部についての情報を提供するものではない。しかしながら,特定の歯科シミュ
レーションにおいて,研修医は,歯の内部又は外周部にドリル処置を施して歯の体積を減
らすことが求められる場合がある。図3を参照して後述するアルゴリズムは,歯の表面ジ
オメトリに加えて歯それ自体も記述する歯科シミュレーション用の三次元モデルを提供す
るものである。これは,図2に示す方法のステップ213において達成される。
者特有の訓練セッション/レッスンの一環として,ユーザアプリケーションを介して研修
医によりアクセス可能となる。これは,他の訓練セッションと同様に,セッション/レッ
スンを完了するためのタイムスケールを規定する期日や,患者特有のモデルが研修医によ
ってアクセスできなくなる日付を規定する満了日を有する場合がある。特定のモデルは,
1名又は複数名の研修医に割り当てることができる。研修医が,ユーザアプリケーション
に「ログイン」すれば,その研修医が現在使用している歯科シミュレータ装置に対するモ
デルのローディングが容易となる。
を生成した後,歯科用シミュレータ装置上での三次元モデルへのアクセスを許容するに先
立ち,例えば指導医又はメンターが患者のスキャンデータのライブラリからその三次元モ
デルを検索し,そのモデルをレビューしてモデルが特定のレッスン又は特定の研修医に対
して適当であるか否かを評価する。従って,指導医又はメンターは,ケースマネージメン
トプログラムを介して,サーバ,マシン又は他の蓄積設備から三次元モデルをアクセス可
能とすべきか否か,どの時点でアクセス可能とすべきかを決定することができる。
を介してレッスンにアクセスした研修医によりアクセス可能となると,その三次元モデル
はシミュレーションプログラムの一環として使用することが可能となる(ステップ104)
。シミュレーションプログラムを実行すれば,ユーザは,そのモデルを三次元にて視認ス
クリーン103上で見ると共に,その倍率及び方位を調整することができる。研修医は,1
つ又は複数のハンドピース108を,あたかもドリル等の歯科ツールを操作しているかのご
とく物理的に動かす。図4は,訓練エクササイズの間に研修医が典型的に見ることのでき
るイメージを示す。三次元モデル442は4本の歯を含み,そのうちの1本はドリル441のバ
ール部441により処置すべきものである。上述したように,歯科用シミュレータ装置100は
,三次元モデルに対する模擬ドリル操作に従ってドリルを操作する研修医に触覚的フィー
ドバックを与える(ステップ215)。研修医が歯内に穿孔すると,プログラムは,歯の体
積を適切に減らすことによる固体材料の除去をシミュレートする。歯が密度(従って,材
料を除去するためにドリルに加えるべき圧力)を有するため,歯の内部に仮想的な密度を
割り当てることにより,シミュレータ100の触覚制御ユニットは,ハンドピース108に連結
した電動モータを介して研修医に適当な抵抗を伝達することができる。
ナによりスキャンした歯について典型的に提供されるSTLファイルは,メモリーにイン
ポートされ,ここに記載するアルゴリズムを実行するプログラムによって読み取られる。
STLファイルは,閉表面の物体,すなわち表面が閉じて接続している物体を記述する。
口腔内スキャナにより撮像された歯のスキャンデータは光学的なものであり,その歯は当
然のことながら歯肉及び顎に連結しているため,口腔内スキャナを使用して歯の完全な閉
表面スキャニングは不可能であり,そのようなスキャニングは常に「開放型」であり,そ
の「開放部」は通常は顎の平面に対して並行な平面内に存在する。STLファイルにより
特定される表面ジオメトリは,STLファイルのフォーマットに従って,三角形のメッシ
ュとして記述され,その数及び相対寸法は口腔内スキャナの解像度に依存する。STLフ
ァイルは,各三角形の頂点の座標を与える。幾つかのSTLファイルが,メッシュを形成
する各三角形に対するファセット法線を提供し,他の幾つかはそうでない場合がある。既
知の技術に従って,法線は,STLファイルにおいて提供されない場合でも,計算するこ
とができる。本発明の他の実施形態において,中実三次元モデルを生成するためのアルゴ
リズムはX3Dファイルを処理する。
とにより座標軸と整列させ,これによりSTLファイルに記述された歯の方位及びスケー
ルを決定することができる。代替案として,任意に整列させた最小境界ボックスを使用す
ることもできる。ステップ332において,ボクセルの三次元グリッド構造を最小境界ボッ
クスから生成する。グリッドw含むキューブの相対寸法が,グリッドの解像度を決定する
。触覚制御ユニットに適当な解像度を与えるため,三次元グリッド構造の各キューブにつ
いて0.2mmの縁長さを選択する。
(従って,スキャンした歯の体積を実質的に含み),どのボクセルが表面メッシュ外にあ
るかを決定するため,x,y,zの各方向で三次元グリッドの各グリッド線に沿う(すな
わち,三次元グリッドの各キューブの各縁に沿う)仮想的なラスタースキャン又は線トレ
ースを行って,STLメッシュの三角形と交差するグリッド線(すなわち,キューブの縁
)上のポイントを特定する。交差点が特定されたら,交差点を有するキューブの頂点にお
けるデータポイントが特定される。STLメッシュ内にある頂点を,三角形のファセット
法線を使用して決定し,その方向は表面メッシュ外を示す。従って,STLメッシュ内に
あると決定された頂点は,STLメッシュ内にあるとみなされる頂点を特定する(ステッ
プ333)。
STLメッシュは「開放型」であるため,閉じたメッシュへの近似が必要となる。線トレ
ースされた2方向における交差点は,閉じたメッシュへの近似のための十分なデータを提
供する。例えば,開口部がz−y面内にあれば,x方向における線トレースは,(閉じた
メッシュの場合に該当する2つではなく)1つの交差点しか与えないことがある。しかし
ながら,z及びy方向における線トレースはそれぞれ2つの交差点を与えるものであり,
これはz−y面内における閉じたメッシュへの近似化に十分である。
て,キューブの三角形セットを提供する。このセットにおいては,キューブの頂点がST
Lメッシュの内外にある。これにより,交差点を使用することにより,STL表面内に配
置されるボクセルに接する三角形の新たな表面メッシュを生成する(ステップ334)。こ
れは,グラフィカルで触覚的なレンダリングのための三次元モデルの外面を画定する仮想
的な構造を生成するものである。STL表面の三角形とは異なり,新たな表面は三次元グ
リッド内におけるキューブの寸法に適合する特定の解像度を有する。
値が割り当てられる。計算効率の観点から,全ての関連するボクセル(すなわち,メッシ
ュの内側にあるボクセル)には同一の密度が割り当てられ,その値はエナメル質を表す。
研修医が三次元モデル内に仮想的に穿孔すると,触覚制御ユニットにより制御された研修
医へのフィードバックが,エナメル質への穿孔をシミュレートするのに適当なものとなる
。
の密度は断面方向に変化する。別の実施形態において,この密度変化をシミュレータ装置
上での訓練プログラムにおいて使用する仮想的な歯においてシミュレートすることにより
,歯科研修医が疑似ドリル操作を行う際に,シミュレータ装置の触覚制御ユニットからの
応答を,ドリル操作対象の歯の層における割り当てられた密度値に応じて調整する。その
ためには,異なる頂点に,その位置に応じて異なる密度値を割り当てる。例えば,三次元
モデルの外殻に向けて配置されている頂点にエナメル質の密度値を割り当てるも,歯の中
心部側に配置されているボクセルにはエナメル質よりも軟質である象牙質に対応する密度
値を割り当てることができる。これにより,三次元モデルは歯の構造と一致する密度デー
タを有するので,歯へのドリル操作のシミュレーションがより現実的なものとなる。密度
値が割り当てられると,その三次元モデルは,歯科用シミュレータ装置100にロードする
ことができる。
ータは,スキャンデータに対応する三次元モデルの表面に付加される。カラーデータは,
歯の内部をより詳細に表すために,ボクセルに付加することもできる。
クラウンを必要とするものである。シミュレーションの間,研修医はクラウン543及び643
のベース部周りに対してドリル操作を行って,新たなクラウン(図示せず)を取付け可能
とする凹部を形成することが求められる場合がある。図5a及び5bは,4本の歯のセッ
ト542及び642の表面メッシュを示し,その表面メッシュは,交差点を使用して生成した三
角形を含んでいる。図5b及び6bは,対応する完成したグレースケールの三次元モデル
を示す。
,図3に関連して上述した三次元モデルを生成するためにより高い処理能力が必要とされ
る。一実施形態において,STLで表される関心領域を,三次元モデルを生成するための
処理対象として抽出することができる。この場合,STLファイルの一部のみが使用され
る。例えば,歯科技能者,メンター又は指導医が,STLファイルによって提供されるイ
メージを見て,複数本の歯のうちの1本だけのスキャンが必要であると決定する。図7は
,STLファイルから生成された3本の歯のセットを示し,このファイルは更なる歯を含
んでいたものである。
Claims (17)
- 歯科シミュレーション用の三次元モデルを製造するための,コンピュータで実行される
方法であって:
ある体積を有する三次元物体の表面を記述するファイルを読み込み;
前記三次元物体を包囲する,複数のボクセルを包含するボクセルグリッドを生成し;
前記三次元物体の体積内に配置される複数のボクセルよりなるボクセルサブセットを特
定し;
前記ボクセルサブセットを含み,かつ,前記三次元物体の外面を画定する三角形化され
た表面を生成し;
前記三次元モデルの中実体積を画定するボクセルサブセットにおける各ボクセルに密度
データを割り当てる,方法。 - 請求項1に記載の方法であって,前記ファイルが,STLファイルである,方法。
- 請求項2に記載の方法であって,前記ファイルが,1本又は複数本の現実の歯の表面ジ
オメトリを記述する,方法。 - 請求項1〜3の何れか一項に記載の方法であって,前記三次元モデルを歯科用シミュレ
ータ装置におけるディスプレイに出力することを更に含む,方法。 - 請求項1〜4の何れか一項に記載の方法であって,シミュレーションプログラムへの前
記三次元モデルのローディングを更に含む,方法。 - 請求項1〜5の何れか一項に記載の方法であって,前記ボクセルグリッド内における各
キューブの体積が,0.2mm3である,方法。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の方法であって,前記ボクセルサブセット内における
異なるボクセルが,異なる密度値を有する,方法。 - 請求項1〜7の何れか一項に記載の方法であって,前記ボクセルグリッドを生成するス
テップが
前記三次元物体の周りで軸線整列させた最小境界ボックスを生成することを含む,方法。 - 請求項2〜8の何れか一項に記載の方法であって,前記三次元物体の体積内に配置され
る1つ又は複数のボクセルを特定するステップは,前記STLファイルで記述される三次
元物体の三角化表面と交差するキューブエッジのポイントを特定することを含み,前記キ
ューブは前記三次元グリッドにより規定される,方法。 - 請求項9に記載の方法であって,表面の生成が前記交差ポイントの使用を含む,方法。
- 請求項1〜10の何れか一項に記載の方法であって,前記STLファイルの一部を抽出
し,選択されたポイントのみに基づいて三次元モデルを生成することを更に含む,方法。 - プロセッサにより実行したときに,請求項1〜11の何れか一項に記載した方法を実行
するインストラクションを蓄積した,機械読み取り可能な蓄積媒体。 - 歯科訓練用の三次元モデルを提供する方法であって:
患者の口腔の一部を構成する1本又は複数本の歯の光学的に走査し;
前記1本又は複数本の歯の三次元表面イメージを生成し;
前記三次元表面イメージを処理して,前記1本又は複数本の歯の三次元中実モデルを生
成し;
前記三次元中実モデルを,歯科用シミュレータ装置におけるディスプレイ上に表示する
,方法。 - 請求項13に記載の方法であって,前記三次元モデルを歯科訓練用ソフトウェアプログ
ラムにアップロードすることを更に含む,方法。 - 歯科用シミュレータ装置であって:
請求項1〜14の何れか一項に従って生成された三次元モデルを,歯科訓練用ソフトウ
ェアプログラムで使用するために選択する手段と;
訓練プログラムの実行中に,前記選択された三次元モデルを視認スクリーン上に表示す
る手段と:
を備える,シミュレータ装置。 - 請求項15に記載の歯科用シミュレータ装置であって,前記訓練プログラムの実行中に
,前記三次元モデルを修正するためのインストラクションを生成する手段を更に備える,
シミュレータ装置。 - 請求項1〜11の何れか一項に記載された方法を実行するように構成された装置。
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