KR102653174B1 - 3D normal dentition model generation method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정상 치열을 가진 사용자의 상악 및 하악 치열궁의 알지네이트 인상체로부터 만들어진 석고 캐스트를 3D 스캐닝하는 단계, 상기 3D 스캐닝 데이터를 방향 전환 및 분할 (Segmentation) 하는 단계 및 개별 치아의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 개별 치아의 통계적 형상 모델은 아래의 관계식으로 도출되는 것을 특징으로 3차원 정상 치열 모형 생성 방법에 관한 것이다.
[관계식]

S는 정점 좌표의 정렬 된 목록으로 표시되는 모양 벡터를 의미하고, 은 해당 평균 모양을 정의하고, P는 고유 벡터의 행렬이고, b는 가중치 벡터임.The present invention includes the steps of 3D scanning a plaster cast made from an alginate impression of the maxillary and mandibular dental arches of a user with normal dentition, redirecting and segmenting the 3D scanning data, and generating a statistical shape model of individual teeth. It relates to a method of generating a three-dimensional normal dentition model, including the step of generating the statistical shape model of the individual teeth, wherein the statistical shape model is derived from the following relational equation.
[Relational Expression]

S stands for the shape vector represented as an ordered list of vertex coordinates, defines the corresponding average shape, P is the matrix of eigenvectors, and b is the weight vector.

Description

3차원 정상 치열 모형 생성 방법 {3D normal dentition model generation method}3D normal dentition model generation method {3D normal dentition model generation method}

본 발명은 3차원 정상 치열 모형 생성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for generating a 3D normal dentition model.

치아는 사람의 사회적 상호 작용 및 복지에 큰 영향을 주기 때문에 결손되거나 손상된 치아를 보철로 수복하는 것은 삶의 질에 크게 영향을 미친다. 이것은 음식 섭취, 발성, 및 얼굴 하부의 형상을 유지하는 것과 같은 치아의 중요한 기능에 기인한다. Because teeth have a significant impact on a person's social interaction and well-being, restoring missing or damaged teeth with prosthetics greatly affects the quality of life. This is due to the important functions of teeth such as food intake, vocalization, and maintaining the shape of the lower face.

일반적으로 3차원 분석을 통한 치아교정을 위해서는 CT(Computed Tomography, 전산화 단층촬영)로 준비된 다수의 2차원 단층 이미지 데이터를 활용한다. 그러나 CT를 이용한 단층 이미지 데이터들 자체는 진단과 분석을 위한 자료로 사용할 수 있을 뿐, 정확성 떨어져 교정치료 시뮬레이션 또는 교정치료를 위한 장치 제작이 불가능 하다는 문제가 있다.In general, to correct teeth through 3D analysis, a large number of 2D tomographic image data prepared by CT (Computed Tomography) are used. However, the tomographic image data itself using CT can only be used as data for diagnosis and analysis, but there is a problem in that it is impossible to simulate orthodontic treatment or manufacture devices for orthodontic treatment due to low accuracy.

일반적으로 교합이란 폐구 시 상악 및 하악의 치아가 서로 맞물리는 상태를 의미하며, 부정교합이란 어떤 원인에 의해 상기 치아의 배열의 문제 또는 상하악의 맞물림 상태가 정상의 위치를 벗어나서 기능적, 심미적으로 문제가 되는 부정확한 교합관계를 의미한다.In general, occlusion refers to a state in which the teeth of the upper and lower jaw mesh with each other when closed, and malocclusion refers to a problem in the alignment of the teeth or the state of engagement of the upper and lower jaw being out of the normal position due to some cause, resulting in functional and aesthetic problems. This means an incorrect occlusal relationship.

여기서, 상기 부정교합의 원인은 유전적인 영향이 큰 것으로 알려져 있으나 치아의 모양이나 크기의 문제, 환경적 영향, 좋지 않은 습관, 잘못된 자세 및 치아우식증과 같은 선천성 장애 등 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다.Here, the cause of malocclusion is known to be largely genetically influenced, but it can be caused by various causes such as problems with the shape or size of teeth, environmental influences, bad habits, incorrect posture, and congenital disorders such as dental caries.

한편, 부정교합이 발생하면, 치열이 가지런하지 않아 치아 사이에 음식물 찌꺼기가 남아 있기 쉽다. 또한, 정확한 칫솔질로 청결하게 관리하는 것도 쉽지 않기 때문에 구강 내 치태가 증가하게 되어 치아우식증이나 잇몸 염증 등 잇몸 질환으로 진행되기 쉽다. 더욱이, 정상치열에서 많이 벗어난 치아가 있거나 턱의 위치가 비정상이라면 외부에서 충격이 가해질 때 치아 파절 등 치아에 손상이 가해질 가능성도 크다.On the other hand, when malocclusion occurs, the teeth are not aligned, so it is easy for food residue to remain between the teeth. In addition, because it is not easy to keep teeth clean by brushing correctly, plaque buildup in the mouth increases, which can easily lead to gum diseases such as dental caries and gum inflammation. Furthermore, if there are teeth that deviate significantly from normal dentition or the jaw is in an abnormal position, there is a high possibility that damage to the teeth, such as tooth fracture, will occur when an external impact is applied.

이에, 상기 부정교합을 치료하기 위해 치열 교정치료가 수행된다. 여기서, 상기 치열 교정치료는 치아가 외력을 받으면 이동하는 성질을 이용한다.Accordingly, orthodontic treatment is performed to treat the malocclusion. Here, the orthodontic treatment utilizes the property of teeth to move when subjected to external force.

상세히, 치열 교정치료는 원인이나 치료 시기에 따라 다양한 장치와 방법을 이용한다. 예컨대, 위아래 턱뼈의 발육을 억제하거나 증진시키는 장치나 치아를 원하는 위치로 서서히 이동시키는 장치 등으로 분류될 수 있다.In detail, orthodontic treatment uses various devices and methods depending on the cause or treatment period. For example, it can be classified into devices that suppress or promote the development of the upper and lower jaw bones or devices that gradually move teeth to a desired position.

또한, 구강 내에 설치 및 분리 가능한 가철식 장치와 치아에 부착 후 치료가 끝날 때 떼어내는 고정식 장치로 나뉠 수도 있다.In addition, it can be divided into a removable device that can be installed and removed in the oral cavity and a fixed device that is attached to the teeth and removed at the end of treatment.

한편, 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 브라켓이라는 장치를 치아에 부착하고 교정용 철사 내지 고무줄 등의 와이어의 장력을 이용해 치아를 이동시키는 고정식 치료법으로, 다양한 종류의 치열 교정치료에 흔히 사용될 수 있다.Meanwhile, the most widely used treatment currently is a fixed treatment method that attaches a device called a bracket to the teeth and moves the teeth using the tension of wires such as orthodontic wires or rubber bands. It can be commonly used in various types of orthodontic treatment.

상세히, 상기 브라켓은 교정대상 치아의 표면에 각각 견고하게 부착되고, 상기 와이어는 상기 브라켓을 상호 연결하도록 고정된다. 그리고, 상기 와이어에 가해지는 장력을 조정하여 상기 와이어에 가해지는 힘의 방향 및 크기를 다양하게 조절함으로써 교정대상이 되는 치아를 서서히 이동시킬 수 있다. 따라서, 상기 교정대상 치아는 상기 와이어의 장력에 의해 그 위치 및 자세가 변경되고 치아가 조금씩 이동하면서 치열 교정치료가 이루어진다.In detail, the brackets are each firmly attached to the surface of the teeth to be corrected, and the wires are fixed to interconnect the brackets. In addition, by adjusting the tension applied to the wire, the direction and magnitude of the force applied to the wire can be variously adjusted, thereby gradually moving the tooth to be corrected. Accordingly, the position and posture of the tooth to be corrected is changed by the tension of the wire, and orthodontic treatment is performed while the tooth moves little by little.

그러나, 종래의 치열 교정치료는 시술자의 경험에 의해 환자의 치아와 결속된 와이어를 직접 당기거나 풀어주는 과정을 반복하면서 치아의 이동을 미세조정하게 된다. 이는 반복적인 과정을 통해 바람직한 위치로 치아를 이동시킨다. However, in conventional orthodontic treatment, the movement of the teeth is fine-tuned by repeating the process of directly pulling or releasing the wire bound to the patient's teeth depending on the operator's experience. This moves the teeth to the desired position through a repetitive process.

종래의 치열 교정치료는 시술자의 역량에 크게 의존하기 하며, 교정치료의 결과는 시술자의 경험 및 능력에 의지해야 하므로 시술자의 능력에 따라 바람직한 치열상태를 구현하기 어려운 문제점이 있었다. 더욱이, 상기 시술자의 경험과 지식은 구체적인 자료로써 기록이 어려운 정성적인 데이터이며, 시술자 개개인의 능력과 경험에 따라 상이하다. 이로 인해, 교정의 최종목적이 되는 바람직한 치열모델 자체도 시술을 수행하는 시술자의 주관적 관점 또는 경험에 의해 형성된 것이어서 치열 교정이 보편적이고 객관적이지 못한 문제점이 있었다.Conventional orthodontic treatment relies heavily on the operator's capabilities, and the results of orthodontic treatment depend on the practitioner's experience and abilities, making it difficult to achieve a desirable dentition condition depending on the practitioner's capabilities. Moreover, the experience and knowledge of the operator are qualitative data that is difficult to record as specific data, and vary depending on the individual operator's abilities and experience. Because of this, the desirable orthodontic model itself, which is the final goal of orthodontic treatment, was formed by the subjective viewpoint or experience of the practitioner performing the procedure, so there was a problem in that orthodontic treatment was not universal and objective.

이로 인해, 치아가 원하는 배열로 교정되지 못하여 피시술자의 만족도가 저하되며, 이를 수정하기 위한 추가교정작업이 반복적으로 수행됨에 따라 치열 교정치료기간 및 교정비용이 증가하는 문제점이 있었다.As a result, the teeth cannot be corrected to the desired alignment, which reduces the satisfaction of the recipient, and as additional orthodontic work to correct this is repeatedly performed, the orthodontic treatment period and orthodontic cost increase.

한편, 상기 브라켓은 실질적으로 치아마다 단일의 규격으로 구비되되, 패드부의 일면이 접착부재에 의해 치아에 접착된다. 이러한 패드부의 일면은 각 치아의 표면의 특정한 굴곡면과 각각 밀착 고정되도록 가공되었다. 하지만 지금까지의 브라켓 패드부의 형태는 실제의 치아의 굴곡에 따라 정확히 제조되지 않아 브라켓 패드부의 일면이 치아에 각각 부착되어야 하는 위치에 정확히 부착되지 않기 때문에 상기 와이어의 장력이 상기 교정대상 치아에 제대로 전달되지 못하는 문제점이 발생하여 이를 수정하기 위한 추가 교정작업이 필요하고 치열 교정치료기간이 증가하는 문제점이 있었다.Meanwhile, the bracket is substantially provided with a single standard for each tooth, and one surface of the pad portion is adhered to the tooth by an adhesive member. One surface of this pad portion was processed to closely adhere to a specific curved surface of the surface of each tooth. However, the shape of the bracket pad so far has not been manufactured accurately according to the curve of the actual tooth, so one side of the bracket pad is not attached exactly to the tooth at the position where it should be, so the tension of the wire is not properly transmitted to the tooth to be corrected. Problems arose that prevented this from happening, requiring additional orthodontic work to correct the problem and increasing the orthodontic treatment period.

치아 교정은 금속, 세라믹, 플라스틱으로 제조된 브라켓으로 된 교정 장치를 치아 바깥쪽에 부착하는 순측교정, 치아 안쪽에 부착하는 설측 교정 등이 있다. 이 밖에도 투명한 소재로 되어 부정교합의 정상교합으로의 순차적인 치아 배열 변화를 반영한 투명한 교정장치를 구내에 적용하여 교정하는 투명 교정도 있는데, 통상 투명 치아교정기는 얇고 투명한 플라스틱으로 형성되어 치아에 장착된다. 종래 금속 재질의 와이어 및 브라켓 등을 사용하지 않고 투명한 소재의 교정기를 치아에 덮어씌우는 방식을 채택함으로써 교정기 착용이 외관상 티가 나지 않고 착탈이 가능하여 최근 관심이 증대되고 있는 교정 방식이다. Orthodontic treatment includes labial orthodontic treatment, in which braces made of metal, ceramic, or plastic are attached to the outside of the teeth, and lingual orthodontic treatment, in which braces made of metal, ceramic, or plastic are attached to the inside of the teeth. In addition, there is also transparent orthodontics, which is corrected by applying a transparent orthodontic device made of transparent material to reflect the sequential change in tooth arrangement from malocclusion to normal occlusion by applying it to the oral cavity. Usually, transparent orthodontic braces are made of thin, transparent plastic and are mounted on the teeth. . This is an orthodontic method that is gaining increasing interest in recent years because it is possible to wear braces without being noticeable and can be removed by covering the teeth with braces made of transparent material instead of using conventional metal wires and brackets.

투명 교정방식에 따르면, 교정이 필요한 치아의 이동 거리와 방향을 고려하여 다수 개의 단계로 투명 교정기를 제조하여 착용하게 된다. 각 단계별 착용기간 동안 투명 교정기를 착용하면 투명 교정기의 형상대로 치아가 이동하게 되고, 최종 단계의 투명 교정기까지 착용할 경우 최종적으로 치아 교정이 완료된다.According to the transparent braces method, transparent braces are manufactured and worn in a number of steps, taking into account the movement distance and direction of teeth requiring correction. If you wear transparent braces during each stage of wearing, your teeth will move according to the shape of the transparent braces, and if you wear transparent braces until the final stage, your teeth correction will be completed.

다만, 치아 배열의 불규칙함이 심한 경우 등 투명 교정기의 교정력만으로는 교정이 잘 되지 않는 경우 다른 교정 방식을 복합적으로 이용하여야 한다. 또한, 일정기간 착용된 투명 교정틀은 헐거워져 계속해서 주기적으로 새로운 교정틀을 제조해야만 하여 비용과 재료가 소모되는 문제가 있었다.However, in cases where the corrective power of clear braces alone does not work well, such as in cases where the tooth arrangement is severely irregular, other orthodontic methods must be used in combination. In addition, there was a problem that transparent correction frames worn for a certain period of time became loose and new correction frames had to be manufactured periodically, resulting in cost and material consumption.

따라서, 본 발명은 종래의 치열 교정치료의 문제점을 해결하여 브라켓 패드부의 일면이 치아의 굴곡에 따라 정확하게 제조하고, 투명 치열 교정치료의 정확도를 증가시키는 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 고안하였다.Accordingly, the present invention solves the problems of conventional orthodontic treatment and devises a method for generating a three-dimensional normal orthodontic model that accurately manufactures one side of the bracket pad according to the curve of the tooth and increases the accuracy of transparent orthodontic treatment.

한편, 교정 시술 시간을 줄여 환자와 의사의 피로도를 줄이기 위한 한 방법으로 치아교정 시술유도장치를 사용하는데, 이 시술유도장치를 제작하는데 있어 종래에는 교정 시술을 구상하고 수행하는 의사의 의견을 반영하여 실제 시술유도장치를 제작하는 기공소로 분할되어 제작을 한다. 이러한 복잡한 제작 과정으로 인해 서로의 의사전달이 실시간으로 이루어지지 않을뿐더러, 시술유도장치 제작에 있어 의사의 의견이 즉각 반영되기 힘든 구조를 띄고 있을 뿐만 아니라, 시술유도장치 제작 방법에 있어 오차 발생율이 크다는 문제가 있다.Meanwhile, as a way to reduce the fatigue of patients and doctors by reducing the time of orthodontic treatment, an orthodontic treatment guide device is used. In manufacturing this treatment guide device, the opinions of the doctor who plans and performs the orthodontic treatment are reflected. The production is divided into a laboratory that produces the actual procedure guidance device. Due to this complex production process, not only is communication between parties not carried out in real time, and it is difficult to immediately reflect the doctor's opinion in the production of the procedure guidance device, but also the error rate in the method of manufacturing the procedure guidance device is high. there is a problem.

종래의 시술유도장치 제작방법을 살펴보자면, 의사가 환자의 구강으로부터 획득한 석고모델에 교정장치(브라켓)가 장착될 위치를 표시하여 기공소에 보내면, 석고모델에 표시된 위치를 기반으로 기공사가 교정장치(브라켓)를 부착하고, 글루건 등을 이용하여 치아교정 시술유도장치 (트레이)를 제작하여 병원에 납품하는 방식으로 운영되어왔다. 따라서 교정장치 및 치아교정 시술유도장치를 제조하여 납품하는 과정에 시간이 오래 걸린다는 문제와 교정장치의 정밀한 부착에 문제가 발생하고, 여러 가지 사정에 의해 변경될 수 있는 의사의 의견을 즉시 반영하는 데에도 어려움이 있었으므로, 교정에 오류가 발생할 수 있다는 가능성이 존재하였다. If we look at the conventional method of manufacturing a procedure guidance device, the doctor marks the position where the orthodontic device (bracket) will be installed on a plaster model obtained from the patient's mouth and sends it to the dental laboratory. Then, the technician installs the orthodontic device based on the position marked on the plaster model. It has been operated by attaching brackets, using glue guns, etc. to manufacture orthodontic treatment guiding devices (trays) and delivering them to hospitals. Therefore, the process of manufacturing and delivering orthodontic appliances and orthodontic treatment guide devices takes a long time, problems arise in precise attachment of orthodontic appliances, and the doctor's opinion, which may change due to various circumstances, is immediately reflected. Because there were difficulties in correcting the correction, there was a possibility that errors could occur in proofreading.

최근에 3차원 기술의 발달로 인해 교정을 위한 치아교정 시술유도장치의 제작은 석고모델 대신 3차원 구강 스캐닝 장비를 이용하여 3차원 모형을 제작할 수 있지만, 모의 치아교정시술을 수행할 수 있는 소프트웨어를 소유한 전문 치아교정 시술유도장치 제작업체에서 별도로 이루어질 수밖에 없었다.Recently, due to the development of 3D technology, the production of orthodontic treatment guidance devices for orthodontics can be made using 3D oral scanning equipment instead of plaster models, but software that can perform simulated orthodontic procedures is required. It had to be done separately by a professional orthodontic procedure guidance device manufacturer.

결국 의사와 소프트웨어 분석 업체 간의 석고모델 전달, 데이터 전송 또는 의사와 업체 간 수차례의 의사소통 과정이 필요했기 때문에, 치아교정 시술유도장치 제작에 시간이 오래 걸리고 오류의 가능성도 여전히 존재한다는 문제가 있었다.In the end, because it required several rounds of communication between the doctor and the software analysis company to deliver the plaster model, data, or between the doctor and the company, there was a problem that it took a long time to manufacture the orthodontic procedure guidance device and the possibility of error still existed. .

관심 있는 특정 수작업 단계는 석고 치아 주형(plaster teeth cast)에서 상이한 치아를 분리하는 것이다. 이 단계는 디지털 설정에서도 필수적이다. 따라서 치과 기술자는 환자의 디지털화된 구강 내 표면의 다른 치아를 분리할 수 있어야 한다. 환자의 구강 내 디지털 표면을 분리하는 것을 일반적으로 세분화 (segmentation) 라고 지칭된다. 일반적으로 표면 세분화의 목적은 표면을 다수의 의미 있는 분리된 영역으로 분할하여 해부학적인 관심구조를 묘사하는 것이다. 수동 세분화 방법은 시간이 많이 걸리고, 작업자 간 변동과 작업자 자신의 변동이 심하고, 사용자 피로가 생길 수 있으므로, 자동 또는 반-자동 표면 세분화 알고리즘이 매우 필요하다. 그리하여 (반) 자동 표면 세분화 알고리즘은 치과 기술자에게 많은 수의 응용을 용이하게 하는 필수 도구를 제공할 수 있다. 문헌에서 이미 디지털 치아 표면을 위한 다양한 (반) 자동 세분화 알고리즘을 제시하는 다수의 간행물이 존재한다. 한 예로는 "A medial point cloud based algorithm for dental cast segmentation" (Kustra et al.,Proc. Int'l Conf. on Consumer Electronics (ICCE), pp. 331-334, 2014)이 있다. 종래 기술의 간행물에 제시된 방법은 모두 환자의 구강 내 디지털 표면을 직접 이용하는 것이다.A particular manual step of interest is the separation of different teeth from the plaster teeth cast. This step is also essential in digital setups. Therefore, dental technicians must be able to isolate different teeth on the surface of a patient's digitized oral cavity. Separating digital surfaces within a patient's mouth is commonly referred to as segmentation. In general, the goal of surface segmentation is to delineate anatomical structures of interest by dividing the surface into multiple meaningful discrete regions. Manual segmentation methods are time-consuming, subject to significant inter-operator and operator variation, and may cause user fatigue, so automatic or semi-automatic surface segmentation algorithms are very necessary. Thus, (semi-)automatic surface segmentation algorithms can provide dental technicians with an essential tool that facilitates a large number of applications. There are already a number of publications in the literature presenting various (semi-)automatic segmentation algorithms for digital tooth surfaces. One example is "A medial point cloud based algorithm for dental cast segmentation" (Kustra et al., Proc. Int'l Conf. on Consumer Electronics (ICCE), pp. 331-334, 2014). The methods presented in prior art publications all directly utilize digital surfaces within the patient's mouth.

정상 (Normal) 이라는 단어는 패턴이나 규칙을 따르는 것을 의미하는 라틴어 Normalis 에서 유래된 것이다. 정상 (Normal) 은 구조의 정상 또는 표준 모양을 나타내는 설명 해부학에서 사용되며, 치과 및 의료 분야에서 질병이나 장애를 결정하기 위해서는 정상의 기준이 중요하다.The word normal comes from the Latin word normalis, meaning to follow a pattern or rule. Normal is used in descriptive anatomy to indicate the normal or standard shape of a structure, and in the dental and medical fields, the standard of normality is important for determining disease or disorder.

일반적으로 이상적인 정상은 치과 및 치열 교정에서 중요한 임상적 요인인 생물학적 변수과 관련이 깊다. 정상값은 이상적인 얼굴 비율과 교합을 가진 피험자 그룹에서 파생되어 관련 집단의 환자와 비교하기 위한 참조 범위를 제공한다. 교정치료는 이상적인 교합을 가진 피험자의 기준 범위를 기반으로 비정상 또는 기형의 불일치를 치료하여 사회적 상호 작용 또는 기능적 문제를 해결하는 것을 주된 목표로 한다.In general, the ideal normal is closely related to biological variables, which are important clinical factors in dentistry and orthodontics. Normal values are derived from a group of subjects with ideal facial proportions and occlusion to provide a reference range for comparison with related populations of patients. The main goal of orthodontic treatment is to solve social interaction or functional problems by treating abnormalities or deformities based on the reference range of subjects with ideal occlusion.

정상적인 치열은 상악과 하악 치아의 이상적인 정렬과 그 사이의 정상적인 관계, 즉 전후방 또는 횡적 불일치가 없는 상하악의 관계를 특징으로 한다. 종래부터 치료의 목표가 되는 정상 치열에 대한 연구가 진행되어 왔다. 특히, Andrews는 치료 목표로 치료받지 않은 환자의 정상적인 교합 관계를 기반으로 하는 straight wire appliance를 개발하였다.Normal dentition is characterized by the ideal alignment of the maxillary and mandibular teeth and the normal relationship between them, that is, the relationship between the maxilla and mandible without anteroposterior or lateral discrepancies. Research has been conducted on normal dentition, which is the target of treatment. In particular, Andrews developed a straight wire appliance based on the normal occlusal relationship of untreated patients as a treatment goal.

Andrews의 발명 이후, 치아를 정상 위치로 이동시키기 위한 정상 치열에 대한 다양한 정보가 기기에 내장되기 시작했고, 정상 치열에 대한 데이터를 얻기 위한 방법은 치열궁 (Arch)과 치아의 치수를 측정하여 수행되어왔다.After Andrews' invention, various information about normal dentition began to be embedded in devices to move teeth to their normal positions, and the method of obtaining data about normal dentition was performed by measuring the dental arch and the dimensions of the teeth. It has been done.

하지만, 2차원 축 또는 점을 다양한 형상을 가지는 3차원 치열궁과 치아 표면에 적용하는 점에 있어서 오류가 발생되는 문제가 있었다. 반복성과 재현성의 측면에서 측정 오류를 줄이고, 측정 편의성을 높이기 위해 3차원 분석 방식이 2차원 분석 방식보다 뛰어나다. 그러나, 지금까지의 종래 발명은 3차원 물체를 2차원으로 만들어 평면에서 측정을 수행하는 방식을 채택하여 왔다.However, there was a problem that errors occurred when applying 2D axes or points to 3D dental arches and tooth surfaces with various shapes. In terms of repeatability and reproducibility, the three-dimensional analysis method is superior to the two-dimensional analysis method in order to reduce measurement errors and increase measurement convenience. However, conventional inventions so far have adopted a method of making a three-dimensional object two-dimensional and performing measurement on a plane.

통계적 형상 분석은 통계적 방법에 의해 주어진 기능 집합의 기하학적 특성을 분석한 것이다. 통계적 형상 모델 (SSM) 은 통계적 형상 분석을 사용하여 의미가 유사한 물체를 간결하게 설명하는 기하학적 모델을 의미한다.Statistical shape analysis is the analysis of the geometric characteristics of a given set of features using statistical methods. Statistical shape model (SSM) refers to a geometric model that succinctly describes objects with similar meaning using statistical shape analysis.

3차원 객체에서 얻은 3차원 통계적 형상 모델 (SSM) 은 실체 객체의 특성을 보다 직관적으로 표현하고 2차원화로 인한 오류를 방지할 수 있다.A 3D statistical shape model (SSM) obtained from a 3D object can express the characteristics of the actual object more intuitively and prevent errors caused by two-dimensionalization.

또한, 통계적 형상 모델을 사용하면 3차원 객체 간의 차이를 정량화 할 수 있다. 본 발명의 목적은 정상적인 치아의 형상 모델을 제공하여 치과 교정 치료의 효율성을 높이기 위한 정상 치아의 3차원 통계적 형상 모델을 제공하는 것이다.Additionally, statistical shape models can be used to quantify differences between three-dimensional objects. The purpose of the present invention is to provide a three-dimensional statistical shape model of normal teeth to increase the efficiency of orthodontic treatment by providing a shape model of normal teeth.

본 발명은 3차원 통계적 형상 모델을 사용하여 도출된 정상적인 치아의 형상 모델을 제공하여 치과 교정 치료의 효율성을 높이기 위한 정상 치아의 3차원 통계적 형상 모델을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.The present invention aims to solve the problem of providing a three-dimensional statistical shape model of normal teeth to increase the efficiency of orthodontic treatment by providing a shape model of normal teeth derived using a three-dimensional statistical shape model.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 정상 치열을 가진 사용자의 상악 및 하악 치열궁의 알지네이트로 모형으로부터 만들어진 석고 캐스트를 3D 스캐닝하는 단계, 상기 3D 스캐닝 데이터를 방향 전환 및 분할 (Segmentation) 하는 단계 및 개별 치아의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 개별 치아의 통계적 형상 모델은 아래의 관계식으로 도출되는 것을 특징으로 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.In order to solve the above-described problem, the present invention includes the steps of 3D scanning a plaster cast made from an alginate model of the upper and lower dental arches of a user with normal dentition, redirecting and segmenting the 3D scanning data. and generating a statistical shape model of an individual tooth, wherein the statistical shape model of the individual tooth is derived from the following relational expression. As a means of solving the problem, a method for generating a three-dimensional normal dentition model is provided. do.

[관계식][Relational Expression]

S는 정점 좌표의 정렬 된 목록으로 표시되는 모양 벡터를 의미하고, 은 해당 평균 모양을 정의하고, P는 고유 벡터의 행렬이고, b는 가중치 벡터임.S stands for the shape vector represented as an ordered list of vertex coordinates, defines the corresponding average shape, P is the matrix of eigenvectors, and b is the weight vector.

또한, 상기 개별 치아의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계는 ICP (iterative closest point) 기반 리지드 등록 알고리즘을 사용하여 소스 메시를 타겟 메시에 등록하는 등록 단계, 소스 정점 타겟 메시에 강성 정렬한 이후, 대상 메시에 소스 메시의 비-강성 등록을 적용하는 포인트 대응 단계 및 프로크푸스테스 분석 (Procrustes Analysis) 을 적용하여 통계적 형상 모델을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.In addition, the step of generating the statistical shape model of the individual tooth includes a registration step of registering the source mesh to the target mesh using an iterative closest point (ICP)-based rigid registration algorithm, rigid alignment of the source vertices to the target mesh, and then rigid registration of the source mesh to the target mesh. Provides a method for generating a three-dimensional normal dentition model, comprising a point correspondence step of applying non-rigid registration of the source mesh and a step of generating a statistical shape model by applying Procrustes Analysis. This is used as a means of solving the problem.

또한, 상기 등록 단계는 소스 및 타겟 메시는 기본 관성 축에 따라 정렬되고, 상기 리지드 등록 알고리즘음 ICP 알고리즘에 적응된 버전으로 최적화되도록 구비되며, 양방향 정점 대응을 사용하고 거리 기반 이상 값은 제외되는 것을 특징으로 하는 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.Additionally, the registration step is provided so that the source and target meshes are aligned along the primary inertial axis, the rigid registration algorithm is optimized with an adapted version of the ICP algorithm, bidirectional vertex correspondence is used, and distance-based outliers are excluded. The solution to the problem is to provide a method for generating a characteristic 3D normal dentition model.

또한, 상기 포인트 대응 단계는 가우스 함수의 폭을 정의하는 변수와 함께 가우스 방사형 기저 함수의 합으로 모델링된 비-강성 변환을 사용하여 소스 정점을 대상 메시에 매핑하는 것을 특징으로 하는 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.In addition, the point correspondence step maps the source vertices to the target mesh using a non-rigid transformation modeled as a sum of Gaussian radial basis functions with a variable defining the width of the Gaussian function. A three-dimensional normal dentition model, characterized in that Providing a creation method is a means of solving the problem.

또한, 전체 치아궁의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 정상 치열 모형 생성 방법을 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.In addition, a means of solving the problem is to provide a method for generating a three-dimensional normal dentition model, which further includes the step of generating a statistical shape model of the entire dental arch.

본 발명은 3차원 통계적 형상 모델을 사용하여 도출된 정상적인 치아의 형상 모델을 제공하여 치과 교정 치료의 효율성을 높이기 위한 정상 치아의 3차원 통계적 형상 모델을 제공할 수 있다.The present invention can provide a three-dimensional statistical shape model of normal teeth to increase the efficiency of orthodontic treatment by providing a shape model of a normal tooth derived using a three-dimensional statistical shape model.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 방향 전환 및 분할 (re-orientation and segmentation) 하는 단계의 참조 평면을 도시한 것이다.
도 2 는 3 차원 샘플 모델의 개별 세그먼트 치아 모델을 도시한 것이다.
도 3 은 개별 치아의 통계적 형태 모델 및 전체 치열궁의 통계적 형태 모델을 도시한 것이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정상 치열 모형 생성 모델에 의해 생성된 정상 치열의 남성 통계적 형태 모델을 도시한 것이다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정상 치열 모형 생성 모델에 의해 생성된 정상 치열의 여성 통계적 형태 모델을 도시한 것이다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정상 치열 모형 생성 모델에 의해 생성된 상악와 하악이 중첩된 통계적 형태 모델을 도시한 것이다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 정상 치열 모형 생성 모델에 의해 생성된 상악와 하악이 중첩된 통계적 형태 모델의 단면을 도시한 것이다.
도 8 은 자연 치열의 Spee 곡선 및 Wilson 곡선을 도시한 것이다.Figure 1 shows a reference plane for 3D re-orientation and segmentation according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an individual segment tooth model of a three-dimensional sample model.
Figure 3 shows a statistical shape model of individual teeth and a statistical shape model of the entire dental arch.
Figure 4 shows a male statistical shape model of normal dentition generated by a 3D normal dentition model generation model according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a female statistical shape model of normal dentition generated by a 3D normal dentition model generation model according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a statistical shape model in which the maxilla and mandible are overlapped, generated by a 3D normal dentition model generation model according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a cross-section of a statistical shape model in which the maxilla and mandible are overlapped, generated by a 3D normal dentition model generation model according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the Spee curve and Wilson curve of natural dentition.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted. Additionally, it should be understood that the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the described embodiments.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 정상 치열 모형 생성 방법의 실시예는 아래와 같다.An example of a method for generating a 3D normal dentition model according to an embodiment of the present invention is as follows.

(1) 정상 치열을 가진 자의 치아모형을 수집하는 단계(1) Step of collecting dental models of people with normal dentition

상기 정상 치열을 가진 자는 아래의 조건을 만족하도록 구비될 수 있다.A person with the above normal dentition can be equipped to satisfy the following conditions.

(가) 세 번째 어금니를 제외한 치아 누락 없을 것(a) No teeth are missing except for the third molar.

(나) 세 번째 어금니를 제외한 모든 치아가 완전히 맹출될 것(B) All teeth except the third molar must be fully erupted

(다) 구강 악안면 부위의 기능 장애가 없을 것(c) There must be no functional impairment in the oral and maxillofacial region.

(라) 구치의 교합 관계가 좋은 규칙적인 아치형(D) Regular arch shape with good occlusal relationship of posterior teeth

(마) 양측 송곳니와 어금니가 1급관계 일 것(E) The canines and molars on both sides must be in a first-degree relationship.

(바) 보철 치료 또는 교정 치료 이력이 없을 것(f) No history of prosthetic or orthodontic treatment

(사) 2mm 미만의 밀집된 치열을 가질 것(G) Must have dense dentition of less than 2mm

(아) 1mm 미만의 치열 공극을 가질 것(H) Have a dental gap of less than 1mm

(자) 정상 범위 (2mm-4mm) 내의 수평피개 (overjet) 및 수직피개 (overbite) 를 가질 것(I) Must have horizontal overjet and vertical overbite within the normal range (2mm-4mm)

(차) 눈에 띄는 구강 내 또는 구강 외 비대칭이 없을 것(J) There must be no noticeable intraoral or extraoral asymmetry.

(카) 손상되거나 비정상적인 모양이 없는 온전한 치아를 보유할 것(k) Have intact teeth without damage or abnormal shape

(파) 15 ~ 30 세의 연령대를 가질 것(W) Should have an age range of 15 to 30 years

사용자의 연령대는 치열궁의 변화에 영향을 줄 수 있다. The user's age can affect changes in the dental arch.

보다 구체적으로, 치열궁의 치수는 15 세 이후에는 크게 변하지 않고, 30 세 이후에는 치아의 마모 및 손상에 의해 치아 모양이 크게 변화하기 때문에 사용자의 연령대는 15 내지 30 세로 구비될 수 있다.More specifically, since the dimensions of the dental arch do not change significantly after the age of 15, and the shape of the teeth changes significantly due to wear and damage of the teeth after the age of 30, the user's age range may be 15 to 30 years old.

(2) 정상 치열을 가진 사용자의 상악 및 하악 치열궁의 알지네이트 (alginate) 인상으로부터 석고 캐스트를 준비하는 단계(2) Preparing a plaster cast from an alginate impression of the maxillary and mandibular dental arches of a user with normal dentition.

(3) 상기 석고 캐스트를 3D 스캐닝하는 단계(3) 3D scanning the plaster cast

상기 석고 캐스트는 3D 모델 스캐너 (T300, Medit, Seoul, Korea)를 사용하여 위상 이동 광학 삼각 측량 방법으로 3D 모델로 스캔될 수 있다. 구강 스캐너 (i500, Medit, Seoul, Korea)를 이용하여 교합 접촉을 등록한 후, 구축 된 상악 및 하악 아치를 교합 접촉 정보로 정렬될 수 있다.The plaster cast can be scanned into a 3D model using a phase shift optical triangulation method using a 3D model scanner (T300, Medit, Seoul, Korea). After registering the occlusal contact using an intraoral scanner (i500, Medit, Seoul, Korea), the constructed maxillary and mandibular arches can be aligned with the occlusal contact information.

(4) 3D 방향 전환 및 분할 (re-orientation and segmentation) 하는 단계(4) 3D re-orientation and segmentation step

도 1 에 도시된 바와 같이 3D XYZ 좌표축은 상악 및 하악 중절치의 절단 가장자리 중간 점과 좌우 상악 제 1 대구치의 중앙 구덩이 사이의 평균점을 갖는 평면에 따라 방향이 변경될 수 있다.As shown in Figure 1, the 3D

좌표계에서 상대 좌표 값을 추출한 후 각 치아를 분할하여 개별 3D 치아 모델을 생성할 수 있다. 각 치아 모델에 대해 질량 중심이 자동으로 계산될 수 있다.After extracting relative coordinate values from the coordinate system, each tooth can be segmented to create an individual 3D tooth model. The center of mass can be automatically calculated for each tooth model.

(5) 개별 치아의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계(5) Creating a statistical shape model of individual teeth

샘플 메쉬 사이의 표면 등록은 주성분 분석 (PCA)에 의해 통계적 형상 모델 (SSM) 의 구성에 대한 점 대응을 정의하기 위해 반복적으로 가장 가까운 점 (ICP)을 사용하여 수행될 수 있다.Surface registration between sample meshes can be performed using the nearest point (ICP) iteratively to define point correspondences for the construction of a statistical shape model (SSM) by principal component analysis (PCA).

- 등록 단계- Registration stage

소스 메시를 타겟 메시에 등록하는데 ICP 기반 리지드 등록 알고리즘이 사용 될 수 있다. 보다 구체적으로, 소스 및 타겟 메시는 기본 관성 축에 따라 정렬될 수 있다. 이후, 리지드 얼라인먼트는 리지드 ICP 알고리즘의 적응된 버전으로 최적화되도록 구비될 수 있며, 양방향 (target to source 및 back) 정점 대응을 사용하고 거리 기반 이상 값은 제외될 수 있다. An ICP-based rigid registration algorithm can be used to register the source mesh to the target mesh. More specifically, the source and target meshes can be aligned along a primary axis of inertia. Rigid alignment can then be provided to be optimized with an adapted version of the rigid ICP algorithm, using bidirectional (target to source and back) vertex correspondence and distance-based outliers excluded.

- 포인트 대응 단계 (Point correspondences)- Point correspondences

소스 정점 타겟 메시에 강성 정렬 한 이후, 대상 메시에 소스 메시의 비-강성 등록이 적용될 수 있다.After rigid alignment of source vertices to the target mesh, non-rigid registration of the source mesh can be applied to the target mesh.

보다 구체적으로, 가우스 함수의 폭을 정의하는 변수와 함께 가우스 방사형 기저 함수의 합으로 모델링 된 비-강성 변환을 사용하여 소스 정점을 대상 메시에 매핑할 수 있다.More specifically, source vertices can be mapped onto a target mesh using a non-rigid transformation modeled as a sum of Gaussian radial basis functions with a variable defining the width of the Gaussian function.

이후, 다음 매핑은 국부적 탄성 변형에 의해 정제되고 소스 및 대상 메시를 정렬하는 가중치가 적용된 국부적으로 경직된 변형으로 정의될 수 있다.Afterwards, the next mapping can be refined by the local elastic deformation and defined as a weighted local rigid deformation that aligns the source and target meshes.

- 통계적 형상 모델 생성 단계 (Genetation of SSM)- Statistical shape model generation step (Generation of SSM)

일반화된 프로크푸스테스 분석 (procrustes analysis) 은 상동 세트의 정렬과 유사성 (회전, 변환 및 스케일링) 변환 차이의 제거를 위해 적용될 수 있다.Generalized procrustes analysis can be applied for alignment of homology sets and removal of translation differences by similarity (rotation, translation and scaling).

이후, PCA를 적용하여 데이터 세트 내에서 형태 학적 차이의 분산을 결정하여 아래와 같은 통계적 형상 모델 (SSM) 을 생성할 수 있다.Then, PCA can be applied to determine the variance of morphological differences within the data set, creating a statistical shape model (SSM) as shown below.

여기서 S는 정점 좌표의 정렬 된 목록으로 표시되는 모양 벡터를 의미하고, 은 해당 평균 모양을 정의하고, P는 고유 벡터의 행렬이고, b는 가중치 벡터이다. 통계적 형상 모델 (SSM) 은 평균 모양과 얻은 편차의 가중치 합계를 사용하여 근사화 할 수 있다.where S refers to the shape vector represented as an ordered list of vertex coordinates, defines the corresponding average shape, P is the matrix of eigenvectors, and b is the weight vector. A statistical shape model (SSM) can be approximated using a weighted sum of the average shape and the obtained deviations.

(6) 전체 치열궁 (whole dental arch) 의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계(6) Creating a statistical shape model of the whole dental arch

치열궁은 자신의 모양을 가진 다양한 치아의 존재와 치열궁의 자체의 특징적인 기능 때문에 인체의 다른 기관과 다른 특별한 특징을 가지고 있다.Dental arches have special characteristics that are different from other organs of the human body due to the presence of various teeth with their own shapes and the characteristic functions of the dental arches themselves.

따라서 각 치아의 위치와 3D 벡터는 그 자체로 의미가 있을 뿐만 아니라 치열궁에서 치아 간의 상대적 관계도 중요하다.Therefore, not only are the positions and 3D vectors of each tooth meaningful in themselves, but the relative relationships between teeth in the dental arch are also important.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 3차원 정상 치열 모형으로부터 디지털화된 구강 내 표면으로부터 하나 이상의 치아의 형상, 위치 및 배향 중 적어도 하나의 요소를 컴퓨터에 기반하여 추정하도록 구비될 수 있고, 이는 아래의 단계를 포함하도록 구비될 수 있다.Meanwhile, at least one element of the shape, position, and orientation of one or more teeth may be estimated based on a computer from the intraoral surface digitized from the three-dimensional normal dentition model generated according to an embodiment of the present invention, This may be equipped to include the following steps.

(1) 상기 추정을 필요로 하는 하나 이상의 치아를 표시하는 단계(1) Indicating one or more teeth requiring the estimation

(2) 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 3차원 정상 치열 모형으로부터 도출된 가상 치아 셋업을 제공하는 단계(2) providing a virtual tooth setup derived from a three-dimensional normal dentition model created according to an embodiment of the present invention

(3) 상기 추정을 필요로 하는 하나 이상의 표시된 치아를 포함하는 환자의 구강 내 영역의 디지털화된 표면 메쉬를 제공하는 단계(3) providing a digitized surface mesh of the area within the patient's oral cavity containing one or more marked teeth for which the estimation is required.

(4) 가상 치아 셋업에 대한 품질 척도를 나타내는 에너지 함수를 적용하고 최적화하여 환자의 구강 내 해부학적 상황에 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 3차원 정상 치열 모형으로부터 도출된 가상 치아 셋업을 적용시키는 단계(4) Applying a virtual tooth setup derived from a three-dimensional normal dentition model created according to an embodiment of the present invention to the anatomical situation in the patient's oral cavity by applying and optimizing an energy function representing a quality measure for the virtual tooth setup. step of ordering

(5) 최적화된 에너지 함수로부터 초래된 가상 치아 셋업을 사용하여 적어도 하나의 치아에 대한 형상, 위치 및 배향 중 적어도 하나의 요소를 추정하는 단계(5) estimating at least one element of shape, position, and orientation for at least one tooth using the virtual tooth setup resulting from the optimized energy function.

따라서, 본 발명은 치아와 치열궁에 대한 통계적 형상 모델 (SSM) 을 별도로 생성할 수 있다. 그 결과 상악 및 하악 치열궁의 통계적 형상 모델 (SSM) 이 개별 치아 통계적 형상 모델 (SSM) 생성과 동일한 방식으로 생성될 수 있다.Therefore, the present invention can separately generate statistical shape models (SSM) for teeth and dental arches. As a result, statistical shape models (SSMs) of the maxillary and mandibular dental arches can be created in the same way as individual tooth statistical shape models (SSMs).

전체 치열궁의 통계적 형상 모델 (SSM) 은 개별 치아 통계적 형상 모델 (SSM) 의 등록을 위한 기준으로 사용될 수 있다. 즉, 이 접근 방식은 통계적 형상 모델 (SSM) 을 독립적으로 모델링 된 여러 부분으로 나누어 모델 유연성을 높이는 효과가 있다. 작은 부품이 전체 형상에 대한 변형보다 적은 훈련 샘플로 캡처 할 수 있는 변형이 적기 때문에 모델링이 보다 정확해지는 효과가 있다.The statistical shape model (SSM) of the entire dental arch can be used as a basis for registration of individual tooth statistical shape models (SSM). In other words, this approach has the effect of increasing model flexibility by dividing the statistical shape model (SSM) into several independently modeled parts. Smaller parts have the effect of making modeling more accurate because there are fewer deformations that can be captured with training samples than the deformation of the entire shape.

SSM은 3D 개체의 평균 모양을 구성하고 모양 변화를 분석하기 위해 많은 분야에서 사용되어왔다. 그러나 정상 치열을 대상으로 하는 SSM에 대한 연구는 아직 제한적이다. 본 발명은 SSM을 사용하여 정상 치열의 3D 평균 치과 모델을 생성하도록 구비될 수 있다. 종래의 발명과 달리 본 발명은 치과 모델에서 측정 한 수치를 사용하지 않고 평균 3D 모델을 제시할 수 있다. SSM has been used in many fields to construct the average shape of 3D objects and analyze shape changes. However, research on SSM targeting normal dentition is still limited. The present invention can be equipped to create a 3D average dental model of normal dentition using SSM. Unlike conventional inventions, the present invention can present an average 3D model without using values measured from a dental model.

수치 측정을 사용하는 경우 측정 된 값을 평균화하여 프로세스가 개선되기 때문에 샘플 수가 증가해야하는 문제가 있다. 하지만, SSM에서는 모델링 프로세스에 관련된 주관적 요인없이 모든 프로세스를 프로그래밍하여 높은 재현성과 신뢰성을 제공하므로 SSM에서는 필요하지 않은 효과가 있다. 또한 본 발명의 SSM 은 치아와 치열 아크의 3D 표면 형태에 대한 정량 및 정성 정보를 모두 할 수 있다.When using numerical measurements, the problem is that the number of samples needs to be increased because the process is improved by averaging the measured values. However, SSM provides high reproducibility and reliability by programming all processes without subjective factors related to the modeling process, so there is an effect that is not necessary in SSM. Additionally, the SSM of the present invention is capable of providing both quantitative and qualitative information about the 3D surface shape of teeth and dentition arcs.

종래의 발명에서는 2D 또는 3D 에서 정상 치열의 치과 모델을 조사하는 시도가 이루어져 왔다. 그러나 대부분의 발명은 정상 군의 정확한 범주를 정의하지 않았거나 정상으로 정의하기 어려운 샘플을 포함하지 않은 한계가 있다. In conventional inventions, attempts have been made to examine dental models of normal dentition in 2D or 3D. However, most inventions have limitations in that they do not define the exact category of the normal group or do not include samples that are difficult to define as normal.

예를 들면, 보통의 밀집과 상악과 하악 사이의 비대칭 및 상대적 교합 관계를 고려하지 않은 한계가 있다. 본 발명은 치아 손상의 영향을 최소화하기 위해 연구에 참여한 표본 집단의 연령대를 제한하였다. 또한 환자군은 한국인으로 제한되었다. 따라서 엄격한 선택 과정에서 초기 샘플의 50 % 이상이 제외되어 3D SSM을 이상에 가깝게 만드는 효과가 존재한다.For example, there are limitations in not considering normal crowding and asymmetry and relative occlusal relationships between the maxilla and mandible. The present invention limited the age range of the sample population participating in the study to minimize the impact of dental damage. Additionally, the patient group was limited to Koreans. Therefore, during the rigorous selection process, more than 50% of the initial samples are excluded, which has the effect of making the 3D SSM closer to the ideal.

3D 객체의 2D 접근 방식의 방법론적 한계에 대해 많은 논의가 있다. There is much discussion about the methodological limitations of 2D approaches for 3D objects.

첫째, 2D 모니터에서 3D 모델을 보는 것은 재현성이 떨어지는 문제가 있었다. First, viewing a 3D model on a 2D monitor had the problem of poor reproducibility.

둘째, 3D 객체의 2D 접근은 여러 평면에서 특징점을 확인해야하기 때문에 3 차원으로 보는 동안 2 차원에서 실제 측정보다 시간이 더 걸리는 문제가 있었다. Second, because the 2D approach to a 3D object requires checking feature points on multiple planes, there was a problem that viewing it in 3D took more time than actually measuring it in 2D.

또한 랜드마크로 설정된 모든 형태의 포인트 클라우드 간의 조밀한 포인트의 대응을 설정하는 것은 모델의 품질에 영향을 미치는 주요 요인으로 3D 모델 구성에서 가장 어려운 부분이었다. Additionally, establishing dense point correspondence between all types of point clouds set as landmarks was the most difficult part of 3D model construction as it was a major factor affecting model quality.

2D 모델의 경우에도 지루하고 시간이 많이 걸리는 작업과 결과의 재현성 부족으로 인해 수동 랜드 마크 등록의 인기가 점차 줄어들고 있다. Even for 2D models, manual landmark registration is gradually becoming less popular due to the tedious and time-consuming task and lack of reproducibility of results.

이전에는 평균적인 3D 모델을 제작하려는 시도가 있었지만 수동으로 랜드마크를 설정한 후 아치 형태를 재구성한 모델에 불과하였다. 수동으로 랜드마크를 설정하는 3D 모델의 개발은 2D 관점에서 3D 구조를 분석하려는 시도와 위치에 따라 랜드마크의 수동 등록에 큰 변이가 있기 때문에 오류가 발생하기 쉬운 프로세스이다. 결과적으로 3D 개체를 3D 관점에서 검사 할 필요성이 있다. Previous attempts were made to create an average 3D model, but these were models that reconstructed the shape of the arch after manually setting landmarks. The development of 3D models with manual landmarks is an error-prone process due to the attempt to analyze 3D structures from a 2D perspective and the large variations in manual registration of landmarks depending on their location. As a result, there is a need to inspect 3D objects from a 3D perspective.

본 발명은 수동 랜드마크 설정 방법을 사용하는 대신 위의 단점을 극복하기 위해 치열궁과 개별 치아에 자동화 알고리즘으로 3D SSM을 구현한 점에 있어서 종래의 기술과 큰 차이점을 가진다.The present invention has a significant difference from the conventional technology in that instead of using a manual landmark setting method, 3D SSM is implemented using an automated algorithm on the dental arch and individual teeth to overcome the above shortcomings.

치열궁 내 치아의 상대적인 3D 위치와 개별 치아의 특성이 모두 중요하기 때문에 치열궁과 치아를 포함하는 치과 모델을 생성할 때는 특별히 고려해야 한다. 하나의 참조가 설정되고 다른 샘플이 참조에 등록 된 경우 결과 모델은 종종 참조의 특성을 따른다. 본 발명은 기준에 의한 오차를 줄이기 위해 치열궁에서 치아를 분리하여 SSM을 적용하도록 구비될 수 있다. 따라서 치아 위치 및 축과 같은 전체적인 특성은 참조 샘플의 강조된 단일 특성이 아닌 평균 모델에서 결합되도록 구비될 수 있다.Because the relative 3D positions of teeth within the dental arch and the characteristics of individual teeth are both important, special consideration must be given when creating dental models containing dental arches and teeth. When one reference is established and other samples are registered to the reference, the resulting model often follows the characteristics of the reference. The present invention can be equipped to apply SSM by separating teeth from the dental arch in order to reduce errors due to standards. Therefore, global characteristics such as tooth position and axis can be provided to be combined in an average model rather than a single highlighted characteristic of a reference sample.

교정 치료에 널리 사용되는 straight wire appliance는 치아에 부착된 브라켓과 브라켓에 삽입된 아치 와이어로 구성된다. straight wire appliance를 사용하여 정상적인 치열을 얻으려면 각 치아의 임상 크라운 (the clinical crown)의 안면 축(facial axis) 을 기준으로 아치 와이어 슬롯의 평면을 특정 각도로 배치하여 브라켓이 크라운의 안면점 (facial point) 지점에 정렬되어야 한다. 기기를 제작하기 위해 정상 샘플에서 각도 및 경사와 같은 특정 각도를 수집하여 평균을 내고 이를 브라켓에 처방으로 포함할 수 있다. 석고 모델, 클리노미터, 템플릿 및 각도기, 셋업 모델 검사기를 사용한 많은 연구에서 치아의 정상적인 각도와 경사 값이 보고되었다. 비교를 위해 SSM에서 각도 치수를 측정했을 때, 본 발명의 각도 측정은 정상 치열을 사용하여 이전 연구에서보고 된 것과 유사한 패턴을 나타내었다. 본 발명의 SSM은 각 치아의 3D 표면 형태에 대한 정보를 제공하기 때문에 표면 정보와 결합 된 각도 측정은 브라켓 베이스의 3D 형상을 포함하여 보다 정확한 브라켓 처방을 제공하여 교정 치료 중 와이어 굽힘을 최소화하여 보다 정확한 치아 움직임을 허용 할 수 있는 효과가 있다.The straight wire appliance, widely used in orthodontic treatment, consists of a bracket attached to the teeth and an arch wire inserted into the bracket. To achieve normal dentition using a straight wire appliance, the plane of the arch wire slot is positioned at a specific angle relative to the facial axis of the clinical crown of each tooth so that the brackets are aligned with the facial axis of the crown. point) must be aligned at the point. To build a device, certain angles, such as angles and inclinations, can be collected from normal samples, averaged, and included as prescriptions in brackets. Many studies using plaster models, clinometers, templates and protractors, and set-up model checkers have reported normal angle and inclination values for teeth. When angular dimensions were measured in SSM for comparison, our angular measurements showed a similar pattern to that reported in previous studies using normal dentition. Because the SSM of the present invention provides information about the 3D surface shape of each tooth, angular measurements combined with surface information provide more accurate bracket prescriptions, including the 3D shape of the bracket base, thereby minimizing wire bending during orthodontic treatment, resulting in more stable teeth. It has the effect of allowing precise tooth movement.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the scope of the rights of the present invention is not limited thereto, and the scope of the rights of the present invention extends to the scope substantially equivalent to the embodiments of the present invention. Various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the above.

Claims (7)

정상 치열을 가진 사용자의 상악 및 하악 치열궁의 캐스트를 3D 스캐닝하는 단계;
상기 3D 스캐닝 데이터를 방향 전환 및 분할 (Segmentation) 하는 단계; 및
개별 치아의 통계적 형상 모델을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 개별 치아의 통계적 형상 모델은 아래의 관계식으로 도출되는 것을 특징으로 3차원 정상 치열 모형 생성 방법.
[관계식]

S는 정점 좌표의 정렬 된 목록으로 표시되는 모양 벡터를 의미하고, 은 해당 평균 모양을 정의하고, P는 고유 벡터의 행렬이고, b는 가중치 벡터임.3D scanning casts of the maxillary and mandibular dental arches of a user with normal dentition;
Redirecting and segmenting the 3D scanning data; and
Generating a statistical shape model of an individual tooth,
A method of generating a three-dimensional normal dentition model, wherein the statistical shape model of the individual teeth is derived from the following relational equation.
[Relational Expression]

S stands for the shape vector represented as an ordered list of vertex coordinates, defines the corresponding average shape, P is the matrix of eigenvectors, and b is the weight vector. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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