KR101744080B1

KR101744080B1 - 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법

Info

Publication number: KR101744080B1
Application number: KR1020140084000A
Authority: KR
Inventors: 지헌주; 조헌제; 임용현
Original assignee: 주식회사 인스바이오
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2017-06-09
Also published as: KR20160004864A; WO2016003257A2; WO2016003257A3

Abstract

본 발명은 치과 시술에서 시뮬레이션을 수행하기 위한 치아모델 생성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 두부 단층 이미지 데이터를 기반으로 3D 두부영상을 생성하며, 3D 구강표면 모델과 3D 두부영상에 3D 표지점을 이용한 정합의 과정을 적용하고, 상기 정합된 3D 구강표면 모델로부터 각각의 치아를 추출하여 3D 치아 크라운 모델을 획득하며, 상기 3D 두부영상으로부터 관심 영역을 추출하는 기법을 적용하여 각각의 치아 영역을 추출함으로써 3D 치아볼륨 모델을 생성한 후, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화시킴으로써 3D 치아모델을 생성하는 것에 관한 기술이다. 즉, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델의 기반 데이터인 3D 구강표면 모델과 3D 두부영상이 정합되어 있으므로, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델은 정합이 이루어진 상태이고, 이 둘을 하나의 3D 치아 모델로 하기 위해 동일 좌표계를 사용하도록 동기화 시킴으로써, 치아 교정에 의한 치아 및 구강 구조의 변형을 실시간으로 반영하여 제공하는, 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 기존의 치근 등의 진단 정보가 없지만 정밀한 석고모형 등을 기반으로 생성한 치아모델과 기존의 인체의 X선 촬영을 이용한 데이터 한계로 인해 오차율이 생기지만 진단 정보를 유지하는 치아모델 생성 방식의 장점만을 취해 새로운 방식의 치아모델을 생성하며, 종래보다 손쉬운 방법으로 추가적인 비용이나 장비 없이도 정밀한 치아 전체의 크라운 부분을 추출할 수 있는 3D 구강표면 모델을 생성하여 3D 치아 크라운 모델을 추출하고, 비교적 간단하게 진단 정보를 보유한 3D 치아볼륨 모델을 생성하여 이들을 기반으로 형성되어 실제와 유사하며 진단 정보를 보유할 뿐만 아니라 치과 시술에 있어서 시뮬레이션을 수행하여 이를 실시간으로 반영할 수 있는 3D 치아모델을 제공하고, 환자 구강 내 치근의 위치, 방향 및 길이 등과 관련하여 실제 구강 내부 데이터와의 오차를 최소화하여 정확하고 정밀한 정보를 제공할 수 있다.

Description

치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법 {Teeth-model generation method for Dental procedure simulation}

본 발명은 치과 시술에서 시뮬레이션을 수행하기 위한 치아모델 생성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 두부 단층 이미지 데이터를 기반으로 3D 두부영상을 생성하며, 3D 구강표면 모델과 3D 두부영상에 3D 표지점을 이용한 정합의 과정을 적용하고, 상기 정합된 3D 구강표면 모델로부터 각각의 치아를 추출하여 3D 치아 크라운 모델을 획득하며, 상기 3D 두부영상으로부터 관심 영역을 추출하는 기법을 적용하여 각각의 치아 영역을 추출하여 3D 치아볼륨 모델을 생성한 후, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화시킴으로써 3D 치아모델을 생성하는 것에 관한 기술이다. 즉, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델의 기반 데이터인 3D 구강표면 모델과 3D 두부영상이 정합되어 있으므로, 3D 치아 크라운 모델과 3D 치아볼륨 모델은 정합이 이루어진 상태이고, 이 둘을 하나의 3D 치아 모델로 하기 위해 동일 좌표계를 사용하도록 동기화시킴으로써, 치아 교정에 의한 치아 및 구강 구조의 변형을 실시간으로 반영하여 제공하는, 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법에 관한 것이다.

기존 모의시술이나 시뮬레이션에 사용되는 치아모델은 환자의 구강을 본떠 생성한 석고모형을 3D 스캐너(3D Scanner)로 스캐닝하여 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 생성하거나, 구강내 3D 스캐너(3D Intra-oral-scanner)를 이용하여 환자의 구강 내부를 스캐닝하여 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 생성한 후, 이를 각각의 치아별로 분리하여 각각의 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)을 생성하는 방식을 사용해 왔다. 하지만 이 방법으로 생성한 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)은 치근(齒根)의 위치, 방향 및 길이 정보와 같은 진단에 필요한 정보를 확인할 수 없다는 단점이 있으며, 별도로 고가의 스캐닝 장비가 필요하다는 단점이 있었다.

이를 해결하고자 CT(computed tomography, 컴퓨터 단층 촬영)를 사용하여 환자의 두부 단층 이미지들을 얻고, 이 각각의 단층 이미지에서 치아부분의 경계를 구분(Segmentation)하여 하나로 취합해 치아모델을 생성하는 방법이 사용되었지만, 이는 인체에 X선을 쐬게 되므로 일정 강도 이상의 X선량을 사용할 수 없어 낮은 해상도의 데이터를 얻게 되기 때문에, 치아 모델을 생성하기 위한 경계 구분 작업(Segmentation)에 있어 오차가 발생하고 소요되는 시간 또한 길다는 단점이 있었다.

반면, 위에서 설명한 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 이용해 생성한 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)에 치근이 없다는 문제점을 해결하기 위해, 사용자의 입력을 받아 치근을 임의로 생성해 가시화하는 방법이 사용되었지만, 이 또한 오차가 심할 뿐더러 진단에는 사용이 부적절 하였다.

KR

10-1099732

B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 기존의 치근 등의 진단 정보가 없지만 정밀한 석고모형 등을 기반으로 생성한 치아모델과 기존의 인체의 X선 촬영을 이용한 데이터 한계로 인해 오차율이 생기지만 진단 정보를 유지하는 치아모델 생성 방식의 장점만을 취해 새로운 방식의 치아모델을 생성하는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래보다 손쉬운 방법으로 추가적인 비용이나 장비 없이도 정밀한 치아 전체의 크라운 부분을 추출할 수 있는 3D 구강표면 모델을 생성하여 3D 치아 크라운 모델을 추출하고, 비교적 간단하게 진단 정보를 보유한 3D 치아볼륨 모델을 생성하여 이들을 기반으로 형성되어 실제와 유사하며 진단 정보를 보유한 3D 치아모델을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 치과 시술에 있어서 시뮬레이션을 수행하여 이를 실시간으로 반영할 수 있는 3D 치아모델을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 환자 구강 내 치근(齒根)의 위치, 방향 및 길이 등과 관련하여 실제 구강 내부 데이터와의 오차를 최소화하여 정확하고 정밀한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법의 일측면에 따르면,

치과 시술 시뮬레이션을 위한 모의 시술에 사용되는 치아모델의 생성 방법으로서, 두부 단층 이미지(Dicom series)가 조합되어 3D 두부영상이 생성되고, 석고모형과 3D 스캐너가 이용된 생성, 인트라 오랄 스캐너가 이용된 생성 또는 석고모형과 CT가 이용되어 영역화, 재구축단계를 거쳐 3D 구강표면 모델이 생성되는 제 1단계; 상기 생성된 3D 구강표면 모델 및 상기 3D 두부영상에 표지점을 표시하는 제 2단계; 상기 표지점이 표시된 3D 구강표면 모델 및 3D 두부영상에 3D 표지점 기반의 정합을 수행하여 3D 두부영상에 3D 구강표면 모델을 정합하는 제 3단계; 상기 획득된, 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델로부터 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델을 추출하고, 상기 3D 두부영상으로부터 상기 추출된 치아 크라운에 대응하는 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델을 추출하는 제 4단계; 및 상기 추출된 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델과 이에 대응하여 추출된 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화하여 3D 치아모델을 생성하는 제 5단계; 를 포함한다.

상기 3D 구강표면 모델은, 환자의 구강으로부터 획득된 석고모형 또는 음각모형을 기반으로 단층 이미지 촬영 장비를 이용하여 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 획득하고, 이를 영역화(segmentation) 및 재구성(reconstruction)하거나 상기 석고모형 또는 음각모형을 3D 스캔하거나, 환자의 구강내를 3D 스캔하여 직접 획득할 수 있다.

상기 제 3단계 중 상기 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델은, 상기 3D 두부영상의 표지점에 상기 3D 구강표면 모델의 표지점을 맞추기 위한 이동, 회전을 3D 구강표면 모델에 적용시킴으로써, 3D 구강표면 모델이 3D 두부영상에 정합(registration)되어 동일한 좌표축 상에 위치될 수 있다.

상기 제 4단계 중 상기 3D 치아볼륨 모델은, 관심 영역만을 추출(Volume Of Interest)하고, 이에 원하는 부분의 영역을 설정하여 영역 밖의 데이터를 삭제 또는 초기화하는 과정을 거쳐 생성될 수 있다.

상기 제 5단계 중 상기 3D 치아모델은, 상기 3D 치아 크라운 모델과 상기 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화함으로써 상기 3D 치아모델 중 어느 부분이 선택되더라도 치아 전체가 하나로써 움직이게 될 수 있다.

상기 제 4단계 중 3D 두부영상으로부터 추출된 3D 치아볼륨 모델은, 상기 3D 치아볼륨 모델을 구성하는 임의의 축을 기준으로 자동 또는 수동으로 윤곽을 생성한 후, 상기 생성된 윤곽 외부의 부분을 삭제 또는 초기화하는 방식을 이용하여 3D 치아볼륨과 그 외의 부분과의 구분을 명확히 표현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존의 치근 등의 진단 정보가 없지만 정밀한 석고모형 등을 기반으로 생성한 치아모델과 기존의 인체의 X선 촬영을 이용한 데이터 한계로 인해 오차율이 생기지만 진단 정보를 유지하는 치아모델 생성 방식의 장점만을 취해 새로운 방식의 치아모델을 생성하는 효과가 있다.

또한, 종래보다 손쉬운 방법으로 추가적인 비용이나 장비 없이도 정밀한 치아 전체의 크라운 부분을 추출할 수 있는 3D 구강표면 모델을 생성하여 3D 치아 크라운 모델을 추출하고, 비교적 간단하게 진단 정보를 보유한 3D 치아볼륨 모델을 생성하여, 이들을 기반으로 형성되어 실제와 유사하며 진단 정보를 보유할 뿐만 아니라 치과 시술에 있어서 시뮬레이션을 수행하여 이를 실시간으로 반영할 수 있는 3D 치아모델을 제공하는 효과가 있다.

또, 환자 구강 내 치근의 위치, 방향 및 길이 등과 관련하여 실제 구강 내부 데이터와의 오차를 최소화하여 정확하고 정밀한 정보를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 석고모형을 CT 등의 단층촬영 장비를 이용하여 단층촬영하고, 이를 기반으로 3D 구강표면 모델을 생성하는 과정을 도시한 도면
도 2는 3D 스캐너 또는 구강내 3D 스캐너를 기반으로 3D 구강표면 모델을 생성하는 과정을 도시한 도면
도 3은 도 1 또는 도 2에 의해 생성된 3D 구강표면 모델에 3D 두부영상과의 정합을 위한 표지점을 표시한 것을 도시한 도면
도 4는 3D 두부영상에 3D 구강표면 모델과의 정합을 위한 표지점을 표시하는 것을 도시한 도면
도 5는 표지점이 표시된 3D 구강표면 모델 및 3D 두부영상을 3D 표지점 기반의 정합을 수행하여 3D 두부영상(3D Head Image)에 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)이 정합된 것을 도시한 도면
도 6은 3D 치아볼륨 모델을 생성하는 과정을 도시한 도면
도 7은 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델로부터 추출된 3D 치아 크라운 모델 및 3D 두부영상으로부터 추출된 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화시켜 3D 치아모델을 생성하는 것을 도시한 도면
도 8은 치과 시술 시뮬레이션을 위한 3D 치아모델 생성 방법을 순서도로 표시한 도면

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에서는 석고모형을 이용하여 3D 치아모델을 제조하는 과정에 대해서 설명하고 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 환자의 구강을 본뜬 음각모형을 통하여 생성된 모델을 이용하여 3D 치아모델을 생성하는 과정에 대해서도 언급하고 있다. 그러나 3D 치아모델 생성을 위한 데이터의 수집 방법으로는 이에 한정되지 아니하고, 특정 데이터 또는 모델로부터 이미지 또는 모델을 얻을 수 있는 장치나 소프트웨어를 이용하는 방법 등 다양하게 변경이 가능하다.

도 1은 석고모형을 CT등의 단층촬영 장비를 이용하여 단층촬영하고, 이를 기반으로 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 도 2는 3D 스캐너(3D Scanner) 또는 구강내 3D 스캐너(Intra-Oral 3D Scanner)를 기반으로 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 도 3은 도 1 또는 도 2에 의해 생성된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 3D 두부영상(3D Head Image)과의 정합을 위한 표지점을 표시(3D Surface Landmarks)한 것을 도시한 도면이다.

환자의 구강을 본떠 제작한 석고모형 또는 환자의 구강을 본뜬 음각모형을 이용하여 CT(computed tomography, 컴퓨터 단층 촬영) 또는 MRI(magnetic resonance imaging, 자기공명영상) 촬영 등 다양한 방법으로 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 획득할 수 있다.

이때, 환자의 구강을 본떠 제작한 석고모형 또는 환자의 구강을 본뜬 음각모형을 기반으로 CT 촬영을 하는 이유는 3D 스캐너(3D scanner) 또는 구강내 3D 스캐너(Intra-Oral 3D Scanner) 등의 추가 장비와 추가 비용 없이 단일 장비로 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 간접적으로 획득하기 위함이다. 또한, 기존 X선을 이용한 치아모델 생성방법의 문제 중 하나인 낮은 해상도를 갖는 데이터는 인체에 X선을 사용한다는 전제를 바탕으로 하는데, 석고모형은 강한 X선 사용이 허용되는 물체이므로 CT를 이용한 높은 해상도의 이미지를 얻어낼 수 있어 이를 기반으로 빠른 시간 내에 정확한 경계구분 작업(segmetation)이 가능하기 때문에 CT를 기반으로 하는 데에 문제가 되지 않는다.

반면, 기존의 X선을 이용한 치아모델 생성 방법의 낮은 해상도 문제를 해결하기 위한 방법 중 MRI를 사용한 이미지 촬영의 경우, 인체를 직접 촬영한 경우에도 높은 해상도로 신체 구조를 자세히 살필 수 있다는 장점이 있으나, 이미지를 얻기 위해서 오랜 시간이 걸리고 치아 부위에 금속이 존재(예컨대, 임플란트 등으로 나사가 잇몸에 심겨 있는 경우나 턱뼈 수술 등으로 인하여 철심 등으로 고정된 경우 등)한다면, 이로 인해 촬영 부위의 일부를 가릴 수 있다는 문제점이 있기 때문에 환자의 구강을 본떠 제작한 석고모형 또는 본뜬 음각모형을 촬영하는 간접촬영 방법을 사용한다.

여기서, 석고모형 또는 음각모형에 CT, MRI 촬영 등으로 획득된 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 영역화 및 재구성하는 과정(segmentation and reconstruction)을 통해 3D 구강표면 모델(3D Stone Model, 3D 구강표면 CAD 모델)을 획득한다.

이때, 영역화(segmentation)는 경계선을 형성하여 원하는 영역을 선택하는 작업을 의미하는데, 일 예로 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)는 이미지를 층층으로 쌓은 것에 불과하여 경계 구분이 없으므로, 예컨대 석고모형 표면과 공기층이 맞닿는 매질이 변하는 부분 등에 경계를 부가하여 구분이 용이하도록 하는 작업을 수행하며, 그러한 작업이 영역화(segmentation)에 해당한다. 즉, 치아의 크라운 부분, 잇몸, 치아 뿌리 등 CT, MRI 영상으로부터 획득한 영상 중 사용자가 데이터로서 사용할 부분을 구분하는 것을 의미한다. 이후, 영역화(segmentation)된 정보를 기반으로 3D 구강 영상에 마칭큐브 알고리즘(Marching cube algorism) 등의 기법을 이용하여 재구성(reconstruction)함으로써, 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 생성한다.

이러한 과정을 통하여 획득된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)은 점, 선 및 면으로 구성되며 방향성을 가지는 3D CAD 모델로서, 새로운 모델을 제작하거나 시뮬레이션을 수행하는 것과 같은 CAD 모델 기반의 응용 프로세스가 가능하다.

이후, 도 1 또는 도 2의 과정을 통하여 획득된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에, 도 3에 도시된 바와 같이 표지점을 표시(10, 3D Surface Landmrks)하게 되는데, 일 예로 양쪽 전치, 중절치, 대구치 등에 각각 표지점을 표시할 수 있다. 이는, 이후에 진행할 3D 표지점 기반의 정합(3D landmark-transform)을 통해 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델을(변환된 3D CAD 모델(Transformed 3D Stone Model))획득하려는 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

도 4는 3D 두부영상(3D Head Image)에 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)과의 정합을 위한 표지점을 표시(20, 3D Volume Landmarks)하는 것을 도시한 도면이다. 도 5는 표지점이 표시(10, 20)된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model) 및 3D 두부영상(3D Head Image)을 3D 표지점 기반의 정합(3D Landmark-Transform)을 수행하여 3D 두부영상(3D Head Image)에 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)이 정합된 것을 도시한 도면이다. 이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 3D 표지점 기반의 정합(3D 표지점을 이용한 좌표정렬)과정을 설명한다.

도 4를 참조하면, CT, MRI, Ultrasonic diagnostics(초음파 진단) 등의 장비로부터 두부 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 획득한다. 다만, 두부 단층 이미지 데이터(DICOM series)는 이에 한정되지 아니하고 PET(poisitron emission tomography, 양전자 단층 촬영) 등 다양한 방법으로 얻을 수 있다.

이후, 획득된 두부 단층 이미지 데이터(DICOM series)들을 조합하여 부피(volume)를 가진 3D 두부영상(3D Head Image)을 생성한다.

이때, 전술한 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표시한 표지점(10)과 대응되는 위치에 표지점(20)을 표시(3D Volume Landmarks)하고, 이러한 표지점(10, 20)을 이용한 정합(registration)을 수행한다. 즉, 3D 두부영상(3D Head Image)에 표시된 표지점(20)에 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표시된 표지점(10)을 최소한의 오차로 맞추기 위한 회전(rotate), 이동(translate) 하는 변환 과정을 3D 구강표면 모델에 동일하게 적용시켜 결과적으로 3D 구강표면 모델이 3D 두부영상에 정합된다. 이러한 과정을 3D 표지점 기반의 정합(3D 표지점을 이용한 좌표정렬, 3D Landmark-Transform)이라고 한다.

도 6은 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)을 생성하는 과정을 도시한 도면이다. 도 7은 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 추출된 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model) 및 3D 두부영상(Head 3D Volume)으로부터 추출된 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)의 좌표계를 동기화시켜 3D 치아모델을 생성하는 것을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 전술한 과정으로부터 생성된 3D 두부영상(3D Head Image)에 관심 영역만을 선택하는 과정(50)(VOI, Volume of Interest)과 3D 이미지 마스킹(3D Image masking) 과정을 거쳐 치아 개개별 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)을 획득한다. 여기서 3D 이미지 마스킹 과정이란, 상기 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)을 구성하는 임의의 축을 기준으로 컨투어 드로잉(contour drawing, 윤곽선 그리기)을 수행하는 것과 같은 수동방식 또는 명령어 입력에 의하여 윤곽을 생성하는 등의 자동방식으로 윤곽선을 생성한 후, 상기 생성된 윤곽 외부의 부분을 삭제 또는 초기화하여 선택부분과 그 외의 부분과의 구분을 명확히 표현하는 것을 의미한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 치아의 크라운 부분만을 추출하여 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model)을 생성(Tooth-crown carving and Create Tooth-Crown surface)한다. 여기서 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model)은 환자의 구강에서 치아 중 뿌리와 잇몸을 제외하고 육안으로 관찰할 수 있는 부분인 치관(齒冠)을 의미하는데, 마우스를 이용한 컨투어 드로잉(contour drawing, 윤곽선 그리기)과 같이 간단한 조작(carving) 또는 자동으로 구강 내 전체 치아의 크라운 부분을 추출할 수 있다.

이후에는 치아 각각에 대하여, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 추출된 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model)과 3D 두부영상(3D Head Image)으로부터 추출된 치아 뿌리(치근(齒根))를 포함한 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)의 좌표계를 동기화하여 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 생성한다.

예를 들어, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 윗부분의 좌측 어금니 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model)을 추출하고, 이에 대응하는 뿌리 부분을 포함한 3D 두부영상(3D Head Image)으로부터 추출한 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)을 획득하여 두 가지 모델의 좌표계를 동기화하여 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 생성한다. 이와 같이, 얻어진 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model) 및 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model) 각각에 대하여, 이들의 좌표계를 동기화하는 과정을 반복하여 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 다수 개 획득한다.

이때 생성된 3D 치아모델(3D Tooth Model)들은 전술한 과정을 통해 3D 두부영상(3D Head Image)과 그에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 기반으로 생성되기 때문에, 이미 정합되어 있는 상태로 생성이 된다. 전술한 과정을 통해 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 이루는 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)의 좌표계가 동기화 되어있으므로, 3D 치아모델(3D Tooth Model)의 어느 부분을 움직이더라도 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)이 하나로써 움직이게 되는 실제 치아와 유사한 모습을 띄므로, 치아교정 시뮬레이션을 위한 모의시술에 이용될 수 있다.

도 8은 치과 시술 시뮬레이션을 위한 3D 치아모델(3D Tooth Model) 생성 방법을 순서도로 표시한 도면이다.

첫째, 환자의 구강으로부터 얻은 석고모형 또는 환자의 구강을 본뜬 음각모형을 CT, MRI 등으로 촬영하고, 이로써 획득된 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 영역화 및 재구성(segmentation and reconstruction)의 과정을 거치는 방법 또는 석고모형을 3D 스캔(3D Scan)하거나 구강내 3D 스캐너(Intra-Oral 3D Scanner)를 구강에 삽입하고 스캔하는 방법을 통해 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 얻을 수 있다.

둘째, 앞에서 얻은 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표지점을 표시(10, 3D Surface Landmarks)하여 데이터를 준비한다.

셋째, CT, MRI 등을 이용하여 촬영된 두부 단층 이미지 데이터(DICOM series)들을 조합하여 3D 두부영상(3D Head Image)을 생성한다.

넷째, 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표시된 표지점(10)에 대응할 3D 두부영상(3D Head Image)상 표지점을 표시(20, 3D Volume Landmarks)하여 데이터를 준비한다.

다섯째, 3D 두부영상(3D Head Image)의 표지점(20)을 기반으로 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)의 표지점(10)을 이용한 3D 표지점 기반의 정합(3D Landmark-Transform)을 수행하여 3D 두부영상에 정합(registration)된 3D 구강표면 모델을 얻는다.

여섯째, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 치아의 크라운 부분만을 추출하여 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model)을 생성하고, 상기 3D 두부영상(3D Head Image)으로부터 치아 뿌리(치근(齒根))를 포함하는 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)을 생성한다. 이후, 상기 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model) 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model)을 획득하여 두 모델의 좌표계를 동기화함으로써, 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 생성한다.

이와 같이, 얻어진 3D 치아 크라운 모델(30, 3D Tooth Crown Model) 및 3D 치아볼륨 모델(40, 3D Tooth Volume Model) 각각에 대하여, 이들의 좌표계를 동기화하는 과정을 반복하여 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 다수 개 획득한다.

이때 생성된 3D 치아모델(3D Tooth Model)들은 전술한 과정을 통해 3D 두부영상(3D Head Image)과 그에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 기반으로 생성되기 때문에 이미 정합되어 있는 상태로 생성이 된다.

전술한 과정을 통해 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 이루는 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)의 좌표계가 동기화 되어있으므로, 3D 치아모델(3D Tooth Model)의 어느 부분을 움직이더라도 3D 치아 크라운 모델(3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)이 하나로써 움직이게 되는 실제 치아와 유사한 3D 치아모델(3D Tooth Model)을 얻을 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 3D 구강표면 모델에 표시된 표지점
20: 3D 두부영상에 표시된 표지점
30: 3D 치아 크라운 모델 40: 3D 치아볼륨 모델
50: VOI(volume of interest, 관심 영역 추출)

Claims

치과 시술 시뮬레이션을 위한 모의 시술에 사용되는 치아모델의 생성 방법으로서,
두부 단층 이미지(DICOM series)가 조합되어 3D 두부영상이 생성되고, 석고모형과 3D 스캐너가 이용된 생성, 인트라 오랄 스캐너가 이용된 생성 또는 석고모형과 CT가 이용되어 영역화, 재구축단계를 거쳐 3D 구강표면 모델이 생성되는 제 1단계;
상기 생성된 3D 구강표면 모델 및 상기 3D 두부영상에 표지점을 표시하는 제 2단계;
상기 표지점이 표시된 3D 구강표면 모델 및 3D 두부영상에 3D 표지점 기반의 정합을 수행하여 3D 두부영상에 3D 구강표면 모델을 정합하는 제 3단계;
상기 획득된, 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델로부터 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델을 추출하고, 상기 3D 두부영상으로부터 상기 추출된 치아 크라운에 대응하는 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델을 추출하는 제 4단계; 및
상기 추출된 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델과 이에 대응하여 추출된 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화하여 3D 치아모델을 생성하는 제 5단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 3D 구강표면 모델은,
환자의 구강으로부터 획득된 석고모형 또는 환자의 구강을 본뜬 음각모형을 기반으로 단층 이미지 촬영 장비를 이용하여 구강 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 획득하고, 이를 영역화(segmentation) 및 재구성(reconstruction)하여 생성하거나, 상기 석고모형 또는 음각모형을 3D 스캔하여 생성, 또는 환자의 구강내를 3D 스캔하여 직접 생성하는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 3단계 중 상기 3D 두부영상에 정합된 3D 구강표면 모델은,
상기 3D 두부영상의 표지점에 상기 3D 구강표면 모델의 표지점을 맞추기 위한 이동, 회전을 3D 구강표면 모델에 적용시킴으로써 3D 구강표면 모델이 3D 두부영상에 정합(registration)되어 동일한 좌표축 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 4단계 중 상기 3D 치아볼륨 모델은,
관심 영역만을 추출(Volume Of Interest)하고 이에 원하는 부분의 영역을 설정하여 영역 밖의 데이터를 삭제 또는 초기화하는 과정을 거쳐 생성되는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제 5단계 중 상기 3D 치아모델은,
상기 3D 치아 크라운 모델과 상기 3D 치아볼륨 모델의 좌표계를 동기화함으로써
상기 3D 치아모델 중 어느 부분이 선택되더라도 치아 전체가 하나로써 움직이게 되는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 4단계 중 3D 두부영상으로부터 추출된 3D 치아볼륨 모델은,
상기 3D 치아볼륨 모델을 구성하는 임의의 축을 기준으로 자동 또는 수동으로 윤곽을 생성한 후,
상기 생성된 윤곽 외부의 부분을 삭제 또는 초기화하는 방식을 이용하여 3D 치아볼륨과 그 외의 부분과의 구분을 명확히 표현하는 것을 특징으로 하는 치과 시술 시뮬레이션을 위한 치아모델 생성 방법.