KR20170077432A - 3d 구강 스캐너 및 이를 이용한 3d 구강 스캐닝 방법 - Google Patents

3d 구강 스캐너 및 이를 이용한 3d 구강 스캐닝 방법 Download PDF

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Abstract

3D 구강 스캐너 및 이를 이용한 3D 구강 스캐닝 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 구강 스캐너는, 치아에 광을 조사하는 광원, 치아의 단면을 촬영하는 카메라, 카메라의 초점을 치아의 각기 다른 단면들에 위치시키는 액체 렌즈 및 AC 펄스를 이용하여 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 렌즈 제어부를 포함한다. 이에 의해, 3D 구강 스캐닝의 핵심 부품인 무구동 광학계를 정확하고 빠르게 제어할 수 있게 되어, 보다 정확하고 보다 빠르게 구강을 3D 스캐닝할 수 있게 된다.

Description

3D 구강 스캐너 및 이를 이용한 3D 구강 스캐닝 방법{3D Oral Cavity Scanner and Oral Cavity Scanning Method thereof}
본 발명은 구강 스캐너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무구동 광학계를 이용하여 포커싱이 가능한 구강 스캐너에 관한 것이다.
일반적으로, 치과 병원 등에서는 환자의 치아에 대한 석고 모형을 제작하는 인상채득과정(impression taking)을 통해 환자의 손상된 치아에 대한 치료 및 진료를 수행한다. 보조적인 방법으로 엑스레이와 같은 방사선을 구강의 환부에 투사하여 2차원적인 화면을 획득하거나, 컴퓨터 단층(CT, Computer Tomography) 사진을 이용하기도 하였다.
그러나 이와 같은 방식은 환자에게 많은 불편함을 야기한다. 석고 모형을 만들기 위해서는 일정 시간 이상 동안 반고체 상태의 석고가 들어있는 틀을 입에 문 상태로 기다려야 하는데, 환자가 정확하게 물고 있지 못하거나, 물고 있는 중에 틀이 움직일 경우, 정확한 환자의 치아 모형이 만들어지지 못할 수 있다. 또한, 작업자의 숙련도에 따라 오차가 발생할 수 있으며, 틀을 정확하게 만들었다 하더라도, 기공사에서 틀에 따라 모형을 만드는 과정 중에 오차가 발생할 수도 있다. 특히, 석고틀 등을 여러 명의 환자들이 사용하기 때문에, 소독 등이 충분하게 이루어지지 않을 경우, 위생상 문제가 발생할 수도 있다.
이에 따라, 최근에는 광학기기를 이용하여 환자 구강 내부의 치아 상태를 물리적인 접촉 없이 3차원으로 스캐닝/촬영 하여 정확한 환자 치아의 형상 및 상태를 측정할 수 있는 기술이 활발하게 연구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 무구동 광학계의 정확하고 빠른 제어를 통해 정확하고 빠르게 구강을 3D 스캐닝하는 3D 구강 스캐너를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 구강 스캐너는, 치아에 광을 조사하는 광원; 상기 치아의 단면을 촬영하는 카메라; 상기 카메라의 초점을 상기 치아의 각기 다른 단면들에 위치시키는 액체 렌즈; 및 AC 펄스를 이용하여, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 렌즈 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 렌즈 제어부는, 상기 AC 펄스의 진폭, 주파수 및 듀티 중 적어도 하나를 가변 시켜, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구강 스캐너는, 상기 광원과 상기 카메라를 제어하고, 상기 카메라에서 촬영된 치아 단면 영상들과 상기 렌즈 제어부의 초점 거리로부터 계산한 치아의 뎁스 정보를 컴퓨팅 장치로 전달하는 메인 제어부;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광원은, 미러를 통해, 상기 치아에 광을 직접 조사하고, 상기 카메라는, 상기 미러를 통해, 상기 치아의 단면을 촬영할 수 있다.
또한, 상기 렌즈 제어부는, 상기 치아의 종류에 따라 각기 다른 방식으로, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 구강 스캐닝 방법은, 광원으로 치아에 광을 조사하는 단계; 액체 렌즈로, 카메라의 초점을 상기 치아의 각기 다른 단면들에 위치시키는 단계; 및 카메라로 상기 치아의 단면을 촬영하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 AC 펄스의 진폭, 주파수 및 듀티 중 적어도 하나를 가변시켜, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 구강 스캐닝 방법은, 상기 카메라에서 촬영된 치아 단면 영상들과 초점 거리로부터 계산한 치아의 뎁스 정보를 컴퓨팅 장치로 전달하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 3D 구강 스캐너의 핵심 부품인 무구동 광학계를 정확하고 빠르게 제어할 수 있게 되어, 보다 정확하고 보다 빠르게 구강을 3D 스캐닝할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 구강 스캐너를 도시한 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 3D 구강 스캐너의 제어 회로를 보다 상세하게 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 구강 스캐닝 시스템을 도시한 도면, 그리고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 구상 스캐닝 방법의 설명에 제공되는 흐름도, 그리고,
도 5는, 본 발명의 실시예에 따라 3D 구상 스캐닝을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 구강 스캐너를 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 3D 구강 스캐너(100)는, 간단한 구조로 3D 구강 스캐너에서 요구하는 심도(Depth of Field) 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3D 구강 스캐너(100)는, 스플리터(Splitter)를 이용하지 않아 광학적 영상 시프트가 없고, 무구동 광학계를 사용하여 진동에 의한 영상 품질 저하를 방지한다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 구강 스캐너(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(110), 카메라(120), 편광 필터(130), 렌즈 하우징(140), 액체 렌즈(Liquid Lens)(150), 광학 렌즈(160), 프로브(170), 미러(180), 메인 제어회로(191) 및 뎁스 제어회로(192)를 포함한다.
광원(110)은 LED 또는 레이저 등으로 광을 생성하는 소자로, 미러(180)를 통해 치아에 광을 조사한다. 광원(110)은 프로브(170)를 통해 미러(180)에 직접 광을 조사한다.
카메라(120)는 광학계를 통해 입사되는 치아 단면의 영상을 촬영한다. 카메라(120)는 메인 제어회로(191)에 의해 제어된다.
광학계는, 미러(180), 프로브(170), 광학 렌즈(160), 액체 렌즈(150) 및 편광 필터(130)로 구성된다. 광학 렌즈(160)와 액체 렌즈(150)는 렌즈 하우징(140)에 격납되어 있다. 프로브(170)는 분리 가능한 구조이다. 액체 렌즈(150)는 전기적으로 초점 거리를 변경할 수 있는 무구동 광학계이다.
메인 제어회로(191)는 광원(110)과 카메라(120)의 동작을 제어하고, 카메라(120)에서 생성된 치아 단면 영상들을 3D 영상 구성 SW(350)에 전달한다.
뎁스 제어회로(192)는 액체 렌즈(150)를 구동하기 위한 회로로, 치아 단면 스캔을 위해 액체 렌즈(150)의 초점 거리를 연속적/순차적으로 변화시킨다.
나아가, 뎁스 제어회로(192)는 액체 렌즈(150)의 단속적으로 급변시키는 것도 가능하다. 전기적인 제어를 수행하기 때문이다.
이하에서, 제어 회로들(191, 192)에 대해, 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 2는, 도 1에 도시된 3D 구강 스캐너의 제어 회로들(191, 192)을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
메인 제어회로(191)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 카메라(120)를 제어하기 위한 카메라 컨트롤러를 포함하고, 광원(110)을 구동하기 위한 정전압/정전류 컨트롤러를 포함한다.
컨트롤러들은 MCU에 의해 제어된다. 카메라(120)에서 생성된 치아 단면 영상들을 카메라 인터페이스를 통해 입력되어, 메인 제어회로(191)를 통해 3D 영상 구성 SW(350)에 전달된다.
뎁스 제어회로(192)는, 도 2에 도시된 바와 같이, D/A 컨버터, 바이어스 회로, 주파수 발생기, DC/DC 컨버터, 풀-브리지 스위칭 회로(Full-Bridge Switching Circuit)를 포함한다.
뎁스 제어회로(192)는 DC가 아닌 AC 펄스를 액체 렌즈(150)에 인가하여, 액체 렌즈(150)의 초점 거리를 조정한다. 여기서, AC 펄스는 진폭(0V ~ 60V), 주파수(240Hz ~ 3.9KHz), 듀티(0~100%)를 가변할 수 있는 펄스이다.
뎁스 제어회로(192)에 의해 제어되는 액체 렌즈(150)의 초점 거리는 치아 단면의 뎁스에 해당한다. 뎁스 제어회로(192)는 뎁스 정보를 메인 제어회로(191)에 전달하며, 메인 제어회로(191)는 카메라(120)에서 생성된 치아 단면 영상들을 3D 영상 구성 SW(350)에 전달할 때, 뎁스 정보를 함께 전달한다.
3D 영상 구성 SW(350)은 치아 단면 영상들을 뎁스 정보에 따라 나열하여, 3D 치아 영상을 생성한다. 3D 영상 구성 SW(350)은 PC는 물론 그 밖의 다른 컴퓨팅 장치에서 구동될 수 있다.
3D 영상 구성 SW(350)은 메인 제어회로(191)를 통해 뎁스 제어회로(192)를 제어할 수 있다. 이에, 3D 영상 구성 SW(350)는 액체 렌즈(150)를 step 모드나 sweep 모드로 동작시킬 수 있으며, 액체 렌즈(150)의 초점 거리(즉, 치아 단면 영상의 뎁스)를 0~4096 step으로 제어할 수 있다.
한편, 뎁스 제어회로(192)는 AC 펄스의 진폭, 주파수, 듀티를 치아의 종류 마다 각기 다르게 제어할 수 있다. 구체적으로, 치아의 종류(앞니, 송곳니, 어금니)에 따라 AC 펄스의 진폭, 주파수, 듀티를 다르게 적용하는 것이다.
또한, 3D 스캐닝되는 영상을 분석하여 차이의 형상을 파악하고, 파악된 형상에 적합하도록 AC 펄스의 진폭, 주파수, 듀티를 조정하는 것도 가능하다.
나아가, 3D 영상 구성 SW(350)은 메인 제어회로(191)를 제어하여, 궁극적으로 광원(110)과 카메라(120)의 동작을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 구강 스캐닝 시스템을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른, 3D 구강 스캐닝 시스템은, 3D 구강 스캐너(100), 시스템 바디(200), 프로세서(300) 및 3D 프린터(400)를 포함한다.
시스템 바디(200)에는 프로세서(300)가 수납되고, 디스플레이가 마련되며, 3D 구강 스캐너(100) 및 3D 프린터(400)가 연결된다. 프로세서(300)는 전술한 3D 영상 구성 SW(350)이 실행되고, 디스플레이에는 3D 치아 영상이 표시된다.
3D 프린터(400)는 3D 영상 구성 SW(350)의 제어 하에, 치료에 사용할 치아를 생성한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 구상 스캐닝 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 구강 스캐너(100)를 이용하여 치아 단면 영상들을 획득할 수 있다. 치아 단면을 따라 3D 구강 스캐너(100)를 이동할 때, 치아 번호 순서대로 진행할 수 있다. 치아 번호는 FDI World Dental Federation Notation을 사용할 수 있다. 즉, 영구치는 상악우측 대문니를 11번으로 시작하여 상악우측 사랑니를 18번으로, 상악좌측치아들은 21번부터 28번, 하악조측치아들은 31번부터 38번, 하악우측치아들은 41번부터 48번으로 부를 수 있다. 따라서, 상기한 치아 번호 순서대로 진행함에 있어, 사용자가 먼저 치아 번호를 수동으로 입력하여, 그 순서대로 치아를 스캐닝할 수도 있다. 그러나, 이를 한정하는 것은 아니며, 사용자가 랜덤하게 치아를 스캐닝한 후, 연속적으로 취득된 스캐닝 영상을 통해 자동으로 해당 치아의 종류를 이미지 처리를 통해 확인하는 것도 가능하다(S10).
S10단계에서 치아 단면 영상이 획득되면, 프로세서(300)는 3D 구강 스캐너(100)가 생성한 치아 단면 영상을 DB에 저장된 표준 치아 영상들과 비교하여(S20), 차이종류를 확인한다(S30).
치아 종류의 확인은, 치아의 전체적인 윤곽 스캐닝이 종료될 경우, 이 정보를 바로 DB의 표준 치아 영상들과 비교하여 수행할 수도 있고, 전체적인 치아 모양이 스캐닝 되기 전에 취득된 부분 영상들만으로 비교 판단하는 것도 가능하다.
현재 스캐닝하고 있는 치아의 종류가 어떤 종류인지 확인가능하면(S30-Y), 해당 치아에 최적화된 뎁스(포커싱 설정값)들을 선택한다(S40).
예컨대, 송곳니는 치아 단면이 급격하게 변화하므로 포커싱 간격들을 작게 설정하고, 앞니와 어금니는 치아 단면이 완만하게 변화하므로 포커싱 간격들을 송곳니 보다 크게 설정하는 것이 가능하다.
설정값을 치아의 종류에 따라 설정하면, 스캐닝을 수행할 경우 보다 신속하면서도 정확하게 구강 스캐닝이 가능하다.
S40에서 치아별 포커싱 설정값이 선택되면, 프로세서(300)는 설정값을 3D 구강 스캐너(100)의 뎁스 제어회로(192)에 전달하여 액체 렌즈(150)의 포커싱을 제어한다(S50).
한편, 사용자의 실수 또는 블리딩이나 이물질 등에 의해 정확한 스캐닝이 이루어지지 않아 치아 종류 확인이 불가능한 경우(S30-N), 또는 각각의 단층 이미지 구간의 촬영된 이미지를 비교하여, 인접한 영상정보가 갑작스럽게 차이가 날 경우에는 경고 메시지를 발생시킬 수 있다.
이와 함께, 스캐닝 단층 구간을 세분화하여 잘못 스캐닝 된 부분이 정상적으로 스캐닝 될 수 있도록 설정값을 조정할 수 있다. 만일 잘못 스캐닝된 것이 아니라면, 각각의 영상들 사이 영역이 지나치게 넓게 형성된 것이기 때문에, 이를 보정할 수 있도록 단층영상 구간을 보다 세분화할 수 있도록 구성할 수 있다. 그리고, 세분화된 단층 구간으로 다시 S10단계로 진행하여 치아 이미지를 다시 획득할 수 있다(S60).
도 5에는, 본 발명의 실시예에 따라 3D 구상 스캐닝을 수행한 결과를 예시하하였다. 도 5는 3D 데이터를 얻기 바로 전단계인 Cloud Point data를 이용한 3차원 조합 영상이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 3D 구강 스캐너 110 : 광원
120 : 카메라 130 : 편광 필터
140 : 렌즈 하우징 150 : 액체 렌즈
160 : 광학 렌즈 170 : 프로브
180 : 미러 191 : 메인 제어회로
192 : 뎁스 제어회로

Claims (8)

  1. 치아에 광을 조사하는 광원;
    상기 치아의 단면을 촬영하는 카메라;
    상기 카메라의 초점을 상기 치아의 각기 다른 단면들에 순차적으로 위치시키는 액체 렌즈; 및
    AC 펄스를 이용하여, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 렌즈 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐너.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈 제어부는,
    상기 AC 펄스의 진폭, 주파수 및 듀티 중 적어도 하나를 가변 시켜, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐너.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원과 상기 카메라를 제어하고, 상기 카메라에서 촬영된 치아 단면 영상들과 상기 렌즈 제어부의 초점 거리로부터 계산한 치아의 뎁스 정보를 컴퓨팅 장치로 전달하는 메인 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐너.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은,
    미러를 통해, 상기 치아에 광을 직접 조사하고,
    상기 카메라는,
    상기 미러를 통해, 상기 치아의 단면을 촬영하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐너.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈 제어부는,
    상기 치아의 종류에 따라 각기 다른 방식으로, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐너.
  6. 광원으로 치아에 광을 조사하는 단계;
    액체 렌즈로, 카메라의 초점을 상기 치아의 각기 다른 단면들에 위치시키는 단계; 및
    카메라로 상기 치아의 단면을 촬영하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐닝 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 AC 펄스의 진폭, 주파수 및 듀티 중 적어도 하나를 가변시켜, 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐닝 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 카메라에서 촬영된 치아 단면 영상들과 초점 거리로부터 계산한 치아의 뎁스 정보를 컴퓨팅 장치로 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 스캐닝 방법.
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