TWI630904B - 咬合運動追蹤系統與其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種咬合運動追蹤系統與其使用方法。本發明的咬合運動追蹤系統主要包含一面顎靜態定位元件，一下顎動態追蹤元件以及一立體視覺電荷耦合元件。該系統提供上下顎相對運動與位置的訊息。該面顎靜態定位元件具有被動式與主動式反射標示器。該下顎動態追蹤元件設置有複數個光放射元件。使用開放式CV為底自行發展演算法與後處理補償，所揭示的系統高精確地記錄動態的顎的運動。所揭示的咬合運動追蹤系統與其使用方法具有最小的咬合干擾與提供平滑的運動追蹤性能。所揭示的咬合運動追蹤系統可以用於臨床牙科上。

Description

咬合運動追蹤系統與其使用方法
本發明大致上係有關於一種咬合運動追蹤系統，更具體來說是具有輕量化及最小咬合干擾之高精度咬合運動追蹤系統和其使用方法。
頜的運動系統包含：打開、關閉、突出、縮回及橫向偏移。牙醫所使用之咬合器是重複患者的口腔結構，並基於咬合架上的模型來設計與製造牙體修復。傳統的咬合器系統部件包含：傳遞顳下頜關節的位置及記錄上頜-下頜關係的咬合記錄。然而，使用咬合架不能完全記錄咬合運動。
面弓轉移的演變是來自任意面弓，運動面弓到虛擬面弓。(1)任意面弓是傳統的類型，只能將上頜咬合面靜態轉移到咬合架。然而，下顎運動包含六個自由度，因此任意面弓和咬合定位不能代表患者的實際咀嚼功能。(2)運動面弓也稱為下頜跟踪裝置。自1896年以來，圖形記錄法首先使用於追踪下頜運動。一般來說，目前有許多追踪下頜運動的方法，例如圖形法，電磁場，視頻螢光，超聲波和光電裝置。利用咬合運動追踪裝置和面弓轉移的目標包括(1)定位上頜和下頜的相關位置；(2)記錄和模擬下頜運動；(3)協助牙醫診斷和訂定治療計劃；(4)促進全口修復的假體設計和製造。
自1975年以來，電磁方法被使用來監測三維中下頜運動。該儀器配備有位於固定在下頜骨之下唇前庭中的永久磁體，以及具有附接到變化眼鏡的傳感器陣列的磁力計。經由患者佩戴後，該儀器會感測由下頜運動產生的磁場的變化。該儀器只能記錄三個自由度，並不能隨著咬合的旋轉。
超聲波運動擷取裝置被發展於75Hz的採樣頻率下記錄具有六個自由度的剛體運動。該裝置包括安裝在下顎附近的下切口處的三個超聲波發射器，以及通過面弓安裝在頭部上且具有四個接收器的上框架。在電腦的控制下，輻射超聲波脈衝，並且通過軟體測量從發射器到每個接收器的運行時間。儘管現在裝置宣稱精度小於100μm，但該裝置體積大且重，進而可能干擾患者的運動。
自1977年以來，首次使用輕量化和小型的光電裝置來追踪下頜骨的運動。通常，光電裝置由三個基本單元組成：無源或有源發射器，例如：發光二極體(Light Emitting Diodes，LED)或反射標記，一到三個攝影機作為接收器，以及具有攝影機介面和軟體的電腦來處理所提取的數據。例如：JAWS-3D的產品包括一組三個正交取向的一維光電相機，控制單元和具有LED的兩個三角形目標框架(Triangular Target Frames，TTF)，其剛性地連接到上牙弓和下牙弓以作為發射器。
目前已經有幾種產品雛形被公開。例如：Fang和Kuo(2008)提出了一個系統，使用一對電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)攝影機和三個LED固定到一對追蹤板，附著在上前牙和下前牙上以用於3D重建。Furtado,D.A.,et al.(2013)使用三個紅外攝影機和一套九個反射標記為下頜運動擷取。然而，上述儀器的發射器太龐大且複雜。Adly等人(2013)使用了兩個簡單的立方體形狀標記，在每一側都有正方形的黑白圖像，由二維(2D)條形碼和兩個相機組成。最近，Tanaka，Yuto等(2016)報導了一種追蹤沒有標記的咀嚼運動系統和相關方法。該系統包括膝上型電腦，數據分析軟體和 攝影機，其能夠即時記錄每個參與者的面部深度，紅色、綠色和藍色追蹤的深度數據，並且產生計算的3D模罩(mask)。即使系統是輕便的，但其精確性仍需要改進。
美國專利第5,143,086號授予Duret，其標題為“用於測量和分析人體或其部分運動的裝置(Device for measuring and analyzing movements of the human body or of parts thereof)”。該專利公開一種用於確定下頜運動的裝置，其中在三角形的頂點處，將三個發光二極體暫時固定到牙齒主體，發光二極體被依順序通電，並且兩個響應於發光二極體的傳感器被安裝於對象頭部的頭盔上，並且在被訓練在該發光二極體上。
美國專利第8,794,962號授予Lauren，其標題為“追蹤咬合運動的組成及方法(Methods and composition for tracking jaw motion)”的美國專利。在該方法中，將多個微球目標施加到人的上牙列牙齒表面和人的下牙列牙齒表面。其可以獲得至少兩組立體圖像，其中微球目標在每個圖像的視場中可見。藉由從透視位置拍攝的圖像，以三維方式對微球的中心位置對於每組進行攝影測量。分析立體視覺圖像集合中的微球位置的變化以在數學上代表象徵人的咬合運動。
基於超聲波的咬合運動追蹤裝置和現有技術的其它開發，光電裝置通常很重並且可能引起咬合干擾。由於上述咬合運動追蹤系統對於臨床牙科應用來說太複雜或不夠精確，因此需要提供一種關於高精度和輕重量的咬合運動追踪系統及其使用方法的發明。
本發明之主要目的在於提出一種高精確且輕重量的咬合運動追蹤系統，具有最小的咬合干擾(occlusal disturbance)與提供平滑的運動追蹤性能。
為達上述之主要目的，本發明提出一種咬合運動追蹤系統，其主要包含一面顎靜態定位元件；一下顎動態追蹤元件；以及一立體視覺電荷耦合元件。該面顎靜態定位元件設置有一第一複數個光放射元件。該下顎動態追蹤元件設置有一第二複數個光放射元件。該立體視覺電荷耦合元件設置有位於兩端的兩攝影機以及一嵌入式微處理器。該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光，且該嵌入式微處理器重建一三維歐幾里德座標。該第一複數個光放射元件與該第二複數個光放射元件系選自於一主動式光放射元件與一被動式光放射元件。
根據本發明之一特徵，該面顎靜態定位元件的該第一複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光，且該第一複數個光放射元件中至少一個光放射元件設置在該面顎靜態定位元件的中央以作為該下顎動態追蹤元件的一個起始點。
根據本發明之一特徵，該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光且以表面黏著形式製成。
根據本發明之一特徵，該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件具有四個光放射元件且第四個光放射元件係用於一額外的參考點以獲得該下顎動態追蹤元件的面的一法向量。
根據本發明之一特徵，如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該下顎動態追蹤元件以三維列印製程所形成。
根據本發明之一特徵，當每一次啟動該咬合運動追蹤系統時，在該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
本發明之另一目的在於提出一種高精確咬合運動追蹤系統的使用方法，具有最小的咬合干擾與提供平滑的運動追蹤性能。
為達上述之另一目的，本發明提出一種咬合運動追蹤系統的使用方法，用於提供一患者的上下顎相對運動與位置的訊息。該方法主要包含下列步驟：配戴該面顎靜態定位元件於該患者的面顎； 黏合該下顎動態追蹤元件於該患者下顎前牙上；藉由該立體視覺電荷耦合元件的該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光；藉由該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器重建一第一三維歐幾里德座標；其中在當每一次啟動該咬合運動追蹤系統要重建該第一三維歐幾里德座標之前，該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
根據本發明之一特徵，該使用方法更包含下列步驟：以口內掃描機掃出該下顎動態追蹤元件的一第二三維歐幾里德座標；藉由在該嵌入式微處理器的一迭代近似點演算法匹配該第一三維歐幾里德座標與該第二三維歐幾里德座標以定義出該下顎動態追蹤元件的一初始運動位置；以及記錄該下顎動態追蹤元件的一運動曲線。
根據本發明之一特徵，該使用方法更包含下列步驟：藉由在該嵌入式微處理器的一卡曼(Kalman)濾波器平坦化該下顎動態追蹤元件的該運動曲線。
10‧‧‧咬合運動追蹤系統
20‧‧‧面顎靜態定位元件
22、23a、23b、24a、24b‧‧‧光放射元件
30‧‧‧下顎動態追蹤元件
32、34、36、38‧‧‧光放射元件
40‧‧‧立體視覺電荷耦合元件
42、44‧‧‧攝影機
46‧‧‧支架
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。
第1圖：本發明之咬合運動追蹤系統之示意圖。
第2(a)圖：本發明之面顎靜態定位元件之結構示意圖。
第2(b)圖：本發明之下顎動態追蹤元件之結構示意圖。
第2(c)圖：本發明之立體視覺電荷耦合元件之結構示意圖。
第3圖：本發明之咬合運動追蹤系統之設置示意圖。
第4圖：本發明之咬合運動追蹤系統之立體視覺影像(a)使用一般的具有近紅外光的頻譜取樣；(b)使用具有一波長850奈米截止的高通濾波器。
第5圖：本發明之咬合運動追蹤系統之使用方法的流程圖。
第6圖：(a)5次實驗結果的校正與重複性；(b)5次實驗結果的平均誤差可以單軸降低至一個參數在0.05847公釐。
本發明將由協同附圖之下列詳盡描述而更為全面瞭解。現將描述某些例示性實施例以提供本文所揭示之裝置及方法之結構、功能、製造及使用原理的全面瞭解。此等實施例之一個或多個實施例於附圖中加以繪示。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。
現請參考第1圖，其顯示為本發明之咬合運動追蹤系統之示意圖。該咬合運動追蹤系統10，主要包含一面顎靜態定位元件20；一下顎動態追蹤元件30；以及一立體視覺電荷耦合元件40。該咬合運動追蹤系統10提供一患者的上下顎相對運動與位置的訊息。該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30作為該咬合運動追蹤系統10的發射器(transmitter)。該立體視覺電荷耦合元件40作為該咬合運動追蹤系統10的接收器(receiver)。本發明的該咬合運動追蹤系統10是以光學基底的系統。由於在臨床環境中光的干擾非常強，這個問題必須解決。在本發明中，使用具有850奈米波長的光源，並且以近紅外光(near infrared，NIR)場的攝影機偵測。該設置可以防止例如手術燈或戶外燈等環境光源的干擾。
現請參考第2(a)圖，其顯示為本發明之面顎靜態定位元件之結構示意圖。當追蹤咬合運動時，一個不隨著下顎運動的參考結構是設置著。在本發明中，該面顎靜態定位元件20是設計為該參考結構。該面顎靜態定位元件20設置有一第一複數個光放射元件，例如光放射元件22、光放射元件23a、光放射元件23b、光放射元件24a與光放射元件24b，以及一個外部電源。該面顎靜態定位元件20係用於表示剛體的歐幾里德空間(Euclidean space)。需注意的是，在該第一複數個光放射元件的光放射元件具有兩種形式，例如主動式光放射元件與被動式光放射元件。該主動式光放射元件是一商用的發光二極體，其放射以提供光。該被動式光放射元件是一光反射球(light reflecting ball)或一光反射鏡(light reflecting lens)，其不能主動地提供光。該被動式光放射元件是反射來自一額外光源的光以提供出光。在一實施例中，光放射元件是只使用主動光放射元件。在另一實施例中，光放射元件是只使用被動光放射元件。在一實施例中，光放射元件是使用主動光放射元件與被動光放射元件的組合。該面顎靜態定位元件20所有的光放射元件，例如光放射元件22、光放射元件23a、光放射元件23b、光放射元件24a與光放射元件24b，可以提供波長850奈米的紅外光。需注意，其中該第一複數個光放射元件中至少一個光放射元件是設置在該面顎靜態定位元件20的中央，以作為該下顎動態追蹤元件30的一起始點。該面顎靜態定位元件20是以眼鏡的形式，且配戴於患者的面顎上。由於上額骨是頭蓋骨的部分，該面顎靜態定位元件20亦可以表示上額骨的位置。
現請參考第2(b)圖，其顯示本發明之下顎動態追蹤元件之結構示意圖。該下顎動態追蹤元件30亦設置有第二複數個光放射元件，例如光放射元件32、光放射元件34、光放射元件36與光放射元件38，以及一個外部電源。需注意的是，在本發明中，該第二複數個光放射元件的光放射元件亦具有兩種形式，主動式光放射元件與被動式光放射元件，如上所說明。該複數個光放射元件的數目至少是3個。 在一實施例中，該複數個光放射元件的數目是4個。該下顎動態追蹤元件30所有的該第二複數個光放射元件提供波長850奈米(nm)的近紅外光且以表面黏著形式製成。
該下顎動態追蹤元件30可以使用多種技術製作，例如熱壓、鑄造、模型燒結與三維列印。較佳地，該下顎動態追蹤元件30以三維列印製程所形成。因此，該下顎動態追蹤元件30可以非常地輕到只有20克。該下顎動態追蹤元件30使用牙科樹酯黏合於該患者下顎前牙上(labial side of the lower incisors)。該下顎動態追蹤元件30非常地小且輕，因此容易配戴，且咬合運動的干擾可以降低，特別是第一級class I與第二級class II的咬合干擾。典型上，該下顎動態追蹤元件30需要至少3個光放射元件來表示下顎的剛體的歐幾里德空間。較佳地，有4個光放射元件用來重建該下顎動態追蹤元件30的咬合運動追蹤。第四個光放射元件是額外的參考點以獲得該咬合運動追蹤系統10的該下顎動態追蹤元件的面的一法向量。
現請參考第2(c)圖，其表示本發明之立體視覺電荷耦合元件之結構示意圖。在本發明中，該立體視覺電荷耦合元件40用於擷取影像資料與後處理以計算該下顎動態追蹤元件30的軌跡曲線，以顯示患者的下顎運動。兩攝影機，攝影機42與攝影機44，分別地設置於該立體視覺電荷耦合元件40的支架46的左端與右端。在立體視覺重建，該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的光放射元件所傳送出來光。該立體視覺電荷耦合元件40具有一波長850奈米截止的高通濾波器(highpass filter)以獲得一大於850奈米的近紅外光(NIR)的頻譜。一嵌入式微處理器設計在該立體視覺電荷耦合元件40之內以進行處理所擷取的資料，亦即是，來自該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的光放射元件的光所提供的資訊，以重建該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的三維歐幾里德座標。
使用該咬合運動追蹤系統10的初始狀態為使得該患者的上下顎在一中心咬合狀態。如第1圖所示，藉由固定頭骨與該面顎靜態定位元件20的相對位置，位於該面顎靜態定位元件20中間的光放射元件22作為該下顎動態追蹤元件30的一個起始點。
因此，患者環境附近造成的光干擾可以被消除。使用具有850奈米波長以上的近紅外光(NIR)場的攝影機偵測，光放射元件的特徵，例如該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的位置，可以輕易地被該立體視覺電荷耦合元件40所擷取。來自手術燈或其他環境光源的干擾可以被消除。
請參考第3圖，其顯示本發明之咬合運動追蹤系統之設置示意圖。左端攝影機42的起始點作為實際空間座標(XA,YA,ZA)。右端攝影機44相對於左端攝影機42的空間轉換與旋轉矩陣[R|t]可以得到。
本發明之特徵在於使用一三角方法去測量空間中三維的歐幾里德座標。存在於該立體視覺電荷耦合元件40的該嵌入式微處理器或電腦的該三角方法可以獲得該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的三維歐幾里德座標。在一實施例中，藉由給定P1面上的座標[u1v1 ,1]T與Pr面上的座標[u2v2 ,1]T，該立體視覺電荷耦合元件40使用具有一線性轉換的三角方法，可以重建該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的任一個光放射元件的三維歐幾里德座標[X Y Z 1] T 。
本發明驗證具有一波長850奈米截止的高通濾波器的該立體視覺電荷耦合元件40可以降低臨床環境的光干擾。第4圖顯示本發明之咬合運動追蹤系統之立體視覺影像，其中(a)使用一般的具有近紅外光的頻譜取樣；以及(b)使用具有一波長850奈米截止的高通濾波器。
值得注意的是，攝影機42與攝影機44的本質(intrinsic)與異質(extrinsic)參數必須被校正以獲得精確的咬合運動追蹤。因為，每一個攝影機的鏡頭都會有特定程度的失真，亦即是，barrel失真。 因此，在本發明中，一個攝影機的校正軟體被設計在該立體視覺電荷耦合元件40的該嵌入式微處理器中。當每一次啟動該咬合運動追蹤系統10時，攝影機42與攝影機44的本質與異質參數兩者皆會被該立體視覺電荷耦合元件40先校正，藉由在初始狀態所擷取來自該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的光。相機校正的軟體是基於開放式CV(Open CV)與自迭代校正法(self-interpreted calibration method)的組合。藉由該相機的校正軟體，該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的光的空間三維歐幾里德座標的解析度可以到達次像素程度。
該立體視覺電荷耦合元件40的攝影機42與攝影機44的次像素程度的失真誤差可以幾乎被消除。對每一個相機的左右兩個影像平面的平面座標，空間的三維歐幾里德座標的解析度在校正後可以到達0.19像素。在一實施例中，攝影機42與攝影機44的品牌是IDS UI-3240CP NIR(具有1.3mega像素)，像素尺寸是5.3微米(μm)，解析度是1280*1024。每一個物件(光放射元件)與兩台相機的工作距離超過30公分且少於50公分。
這些物件是該面顎靜態定位元件20的光放射元件，例如光放射元件22、光放射元件23a、光放射元件23b、光放射元件24a與光放射元件24b，和該下顎動態追蹤元件30的光放射元件，例如光放射元件32、光放射元件34、光放射元件36與光放射元件38。方形棋盤的估算用於獲得失真係數，並重建該精確的三維空間。這些物件的(X,Y,Z軸)的失真必須最小化。
現請參考第5圖，其顯示本發明之咬合運動追蹤系統之使用方法的流程圖。該咬合運動追蹤系統的使用方法係用於提供一患者的上下顎相對運動與位置的訊息。該使用方法主要包含下列步驟：步驟一：配戴該面顎靜態定位元件於該患者的面顎；步驟二：黏合該下顎動態追蹤元件於該患者下顎前牙上； 步驟三：藉由該立體視覺電荷耦合元件的該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光；步驟四：藉由該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器重建一第一三維歐幾里德座標。
該使用方法更包含下列步驟：
步驟五：以口內掃描機掃出該下顎動態追蹤元件的一第二三維歐幾里德座標；
步驟六：藉由在該嵌入式微處理器的一迭代近似點演算法匹配該第一三維歐幾里德座標與該第二三維歐幾里德座標以定義出該下顎動態追蹤元件的一初始運動位置；
步驟七：記錄該下顎動態追蹤元件的一運動曲線。
步驟八：藉由在該嵌入式微處理器的一卡曼濾波器平坦化該下顎動態追蹤元件的該運動曲線。
在第5圖中，步驟一與步驟二可以互換。在藉由該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器重建一第一三維歐幾里德座標的步驟四更包含：使用具有一線性轉換的三角方法將空間三維點重建為該三維歐幾里德座標。
需注意的是，在每一次啟動該咬合運動追蹤系統10，當進行藉由該立體視覺電荷耦合元件40的該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的光放射元件所傳送出來的光之步驟三之後，且在藉由該立體視覺電荷耦合元件40的該嵌入式微處理器重建該第一三維歐幾里德座標之步驟四之前，該立體視覺電荷耦合元件40的該嵌入式微處理器校正該立體視覺電荷耦合元件40的 攝影機的本質與異質參數。相機校正的軟體是基於開放式CV與自迭代校正法的組合。
在步驟四之後，步驟五至步驟七係進行追蹤與記錄。步驟八的卡曼(Kalman)濾波器係用於在記錄前去除不匹配的計算結果與平坦化追蹤曲線。需注意步驟八亦可以使用在步驟三之後。
該咬合運動追蹤系統10的改善是在如第1圖的簡單特徵註冊模組(feature registeration module)，且該簡單特徵註冊方法是如步驟一至步驟八所述。簡單特徵註冊模組方法是一種基於開放式CV演算法的軟體形式。該相對的開放式CV演應用介面(application interface，API)是cv2.correctmatch。為了得到該應用介面的最佳結果，在兩個攝影機的影像的前處理工作與未失真影像的結果可以做或不做，因為這些前處理工作相當複雜。
本發明的一個特色說明如下。在設定該咬合運動追蹤系統10後，在步驟五至步驟七所做的三維歐幾里德座標的量測結果被再次後補償(post-compensation)以獲得在步驟三與步驟四所得到的校正結果。該監視狀態可以回饋至系統的初始點(sapling point)的正確性。三維歐幾里德座標的量測結果係用於在校正後取得一些參數。其中之一是規模比例誤差，會造成校正比例的前段實際放大規模或是在數值校正時的消去值。
在一實施例中，該咬合運動追蹤系統10的精確性的說明如下。在設置時，該面顎靜態定位元件20必須是相對於該下顎動態追蹤元件30的原始座標。機動的線性階段與旋轉階段係以加拿大Zaber科技公司(Technologies Inc.,)提供，且係用於評估該咬合運動追蹤系統10的精確性，藉由比較來自該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的機動的線性階段與旋轉狀態的路徑。機動的線性階段的解析度是0.1毫米與0.01度。該咬合運動追蹤系統10可以獲得該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30之間的相對運動與狀態，並藉由定義出平面座標與法線向量，可以表現出上顎與下顎的相對運動。
該咬合運動追蹤系統10的實驗可以分成幾個部分。第一部分是用來評估該面顎靜態定位元件20的位移誤差。該下顎動態追蹤元件30的質量中心被記錄，藉由比較機動的線性階段的輸出。表一顯示測試該咬合運動追蹤系統10的實驗流程。
在實驗一，機動的階段移動如下：由起始點開始在X軸25公釐(mm)，在Y軸25公釐與在Z軸25公釐。不同的步距離與延遲可以設定以評估該系統的精確性。這部份可以解釋成以全速(8.8mm/sec，0.5mm/step)，慢速(3.4mm/sec，0.2mm/step)與精巧的掃描規模速度(0.1mm/sec，0.05mm/step)。
系統的階段回到在每一個相同順序的起始的階段以形成一個類似迴圈的軌跡。這個測試以3種不同速度重複5次，其重複性與校正係數可以被計算出來。
實驗二是著重在旋轉運動。這個旋轉運動被每次單一的特徵點所計算，並且必須轉換該線性誤差到腳誤差。
實驗三結合了旋轉與移動運動。在實際的下顎運動，下咬合是結合了旋轉與移動運動的非線性模型。因此，這個實驗可以模擬本發明的系統在旋轉與移動運動的階段。
由於在該面顎靜態定位元件20與該下顎動態追蹤元件30的小尺寸光放射元件的特性，該咬合運動追蹤系統10可以輕易地設置其影像座標為指示點以重複與匹配其重建上的正確性。
為了探討在步驟五與步驟六所獲得的資料的相關性，對每一個資料的時間時鐘被設計為對準相關點。相對於歐幾里德空間的起始點的兩個資料庫的絕對距離可以被簡單地計算以獲得關連性係數。結果如表二所示。
第6圖顯示5次實驗結果的校正與重複性，5次實驗結果的平均誤差可以單軸降低至一個參數在0.05847公釐。(a)旋轉35°，0.5°/每步與5次實驗重複立體影像的資料；(b)旋轉40°，0.5°/每步，之後以0.5mm/每步轉移10mm。
表三、表四與表五顯示在每一個軸的誤差與重複性。相關於階段與影像資料的均方根(root mean square，RMS)誤差同步於電腦時鐘。5次實驗的平均誤差是降取樣資料的平均值。對於重複性，6終點的位置在迴圈中被使用且5次實驗的標準偏移可以計算出來。最後，每個終點的平均標準偏移被後處理去校正規模比例。
根據本發明所揭示的咬合運動追蹤系統與其使用方法，可以發現其優點在於提供一高精確且輕量化的咬合運動追蹤系統，其具有最小的咬合干擾與可提供平滑的運動追蹤性能。因此，所揭示的咬合運動追蹤系統可以用於臨床牙科上。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (23)

  1. 一咬合運動追蹤系統，主要包含：一面顎靜態定位元件，設置有一第一複數個光放射元件；一下顎動態追蹤元件，設置有一第二複數個光放射元件；以及一立體視覺電荷耦合元件，設置有位於兩端的兩攝影機以及一嵌入式微處理器，該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光，且該嵌入式微處理器重建一三維歐幾里德座標；其中該第一複數個光放射元件與該第二複數個光放射元件係選自於一主動式光放射元件與一被動式光放射元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該面顎靜態定位元件的該第一複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該第一複數個光放射元件中至少一個光放射元件設置在該面顎靜態定位元件的中央以作為該下顎動態追蹤元件的一個起始點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光且以表面黏著形式製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件具有四個光放射元件且第四個光放射元件係用於一額外的參考點以獲得該下顎動態追蹤元件的面的一法向量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該下顎動態追蹤元件以三維列印製程所形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該立體視覺電荷耦合元件具有一波長850奈米截止的高通濾波器以獲得一大於850奈米的近紅外光的頻譜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中當每一次啟動該咬合運動追蹤系統時，在該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器使用具有一線性轉換的三角方法重建該三維歐幾里德座標。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之咬合運動追蹤系統，其中該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器使用結合開放式CV與自迭代校正法以校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之咬合運動追蹤系統，其中該主動式光放射元件是一發光二極體，其放射以提供光，且該被動式光放射元件是一光反射球或一光反射鏡，反射來自一額外光源的光以提供出光。
  12. 一咬合運動追蹤系統的使用方法，用於提供一患者的上下顎相對運動與位置的訊息，該系統主要包含一面顎靜態定位元件，設置有一第一複數個光放射元件；一下顎動態追蹤元件，設置有一第二複數個光放射元件；以及一立體視覺電荷耦合元件，設置有位於兩端的兩攝影機以及一嵌入式微處理器，該第一複數個光放射元件與該第二複數個光放射元件系選自於一主動式光放射元件與一被動式光放射元件，該方法主要包含下列步驟：配戴該面顎靜態定位元件於該患者的面顎；黏合該下顎動態追蹤元件於該患者下顎前牙上；藉由該立體視覺電荷耦合元件的該兩攝影機擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光；以及藉由該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器重建一第一三維歐幾里德座標；其中在重建該第一三維歐幾里德座標之前，該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中配戴該面顎靜態定位元件的步驟和黏合該下顎動態追蹤元件的步驟可以互換。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中擷取來自該面顎靜態定位元件與該下顎動態追蹤元件的光放射元件所傳送出來的光的步驟更包含：使得該患者的上下顎在一中心呈咬合狀態。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中藉由該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器重建一第一三維歐幾里德座標的步驟更包含：使用具有一線性轉換的三角方法以重建該三維歐幾里德座標。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該立體視覺電荷耦合元件的該嵌入式微處理器使用結合開放式CV與自迭代校正法以校正該立體視覺電荷耦合元件的攝影機的本質與異質參數。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，更包含下列步驟：以口內掃描機掃出該下顎動態追蹤元件的一第二三維歐幾里德座標；藉由在該嵌入式微處理器的一迭代近似點演算法匹配該第一三維歐幾里德座標與該第二三維歐幾里德座標以定義出該下顎動態追蹤元件的一初始運動位置；以及記錄該下顎動態追蹤元件的一運動曲線。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，更包含下列步驟：藉由在該嵌入式微處理器的一卡曼濾波器平坦化該下顎動態追蹤元件的該運動曲線。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該面顎靜態定位元件的該第一複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光，且該第一複數個光放射元件中至少一個光放射元件設置在該面顎靜態定位元件的中央以作為該下顎動態追蹤元件的一個起始點。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件提供波長850奈米的紅外光且以表面黏著形式製成。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該下顎動態追蹤元件的該第二複數個光放射元件具有四個光放射元件且第四個光放射元件係用於一額外的參考點以獲得該下顎動態追蹤元件的面的一法向量。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該立體視覺電荷耦合元件具有一波長850奈米截止的高通濾波器以獲得一大於850奈米的近紅外光的頻譜。
  23. 如申請專利範圍第12項所述之咬合運動追蹤系統的使用方法，其中該主動式光放射元件是一發光二極體，其放射以提供光，且該被動式光放射元件是一光反射球或一光反射鏡，反射來自一額外光源的光以提供出光。
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