基于拟合优化的自动排牙方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于拟合优化的自动排牙方法和装置，涉及牙齿矫正技术领域，首先在获取牙齿STL模型后建立全局坐标系和牙齿局部坐标系，然后采用基于拟合优化的方法计算牙齿平移量和旋转量，接着对上下颌牙齿进行碰撞检测，选取待调整牙齿，计算得到待调整牙齿的平移向量后对待调整牙齿进行平移，最后对存在边界问题的牙列进行整体调整，本发明专利技术的方法克服了现有技术存在的问题，排好的牙列符合正常牙列特征，使得排牙效率大大提高。

Automatic tooth arrangement method and device based on fitting optimization

The invention discloses a fitting optimization of automatic tooth based method and device, relates to technical field of Orthodontics, first established the global coordinate system and the local coordinate system in the acquisition of teeth teeth STL model, then the calculation of tooth translation and rotation parameters fitting method based on optimization, then the collision detection of the upper and lower teeth, to be selected adjust the teeth, calculate the translation vector to be adjusted after the adjustment of tooth teeth to translation, the existing boundary problem of dentition for overall adjustment, the method of the invention overcomes the problems of existing technology, a row of good teeth with normal dentition characteristics, makes the tooth arrangement efficiency is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
基于拟合优化的自动排牙方法和装置
本专利技术涉及牙齿矫正
，特别是涉及基于拟合优化的自动排牙方法和装置。
技术介绍
拥有一副整齐健康的牙齿，能够令人的笑容更加自信，迎合现代人爱美的生活观念，牙齿矫治技术逐渐受到人们重视。牙齿排列技术是牙齿矫治的关键技术之一，得益于计算机技术的发展，运用计算机可以将三维数字化牙齿的排列过程进行可视化展示，使得医生和患者可以预先了解矫治结果。传统排牙方法是人机交互式排牙，虽然该方法能够得到理想排牙效果，但过于耗费人力。随着排牙技术发展，自动化排牙逐渐取代人机交互式排牙。现有排牙技术的排牙过程大致为：首先由牙齿特征点得到上下颌咬合平面与牙弓曲线，再依次将待排牙齿移动至牙弓曲线附近，最后调整牙列使其符合正常牙列特征。上述过程的排牙方式过于依赖牙弓曲线，牙弓曲线原是沿牙颌绘制的一条假想的曲线，其形状因人而异，根据错位牙齿的牙弓形态绘制得到的曲线进行排牙，会存在一定误差，从而导致排牙结果准确度低。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了基于拟合优化的自动排牙方法和装置，可以解决现有技术中存在的问题。本专利技术实施例提供了一种基于拟合优化的自动排牙方法，所述方法包括以下步骤：获取牙齿STL模型，获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；基于所述全局坐标系和牙齿局部坐标系，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿的间距计算平移向量；根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；若调整后的牙列还存在边界问题，则作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。本专利技术实施例还提供了一种基于拟合优化的自动排牙装置，所述装置包括：数据准备单元，用于获取牙齿STL模型以及获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；拟合优化计算单元，用于采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；第一移动单元，用于根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；碰撞检测单元，用于依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；迭代计算单元，用于根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿间距计算平移向量；第二移动单元，用于根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；判断单元，用于在调整后的牙列还存在边界问题时，作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。本专利技术实施例中的基于拟合优化的自动排牙方法和装置，首先在获取牙齿STL模型后建立全局坐标系和牙齿局部坐标系，然后采用基于拟合优化的方法计算牙齿平移量和旋转量，接着对上下颌牙齿进行碰撞检测，选取待调整牙齿，计算得到待调整牙齿的平移向量后对待调整牙齿进行平移，最后对存在边界问题的牙列进行整体调整，本专利技术的方法克服了现有技术存在的问题，排好的牙列符合正常牙列特征，使得排牙效率大大提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的基于拟合优化的自动排牙方法的流程图；图2为全局坐标系示意图；图3为前磨牙的牙齿局部坐标系示意图；图4为上下颌牙齿特征点投影XOY平面的拟合图；图5为上下颌单侧牙齿特征点投影YOZ平面拟合图；图6为i轴和X轴的夹角与特征点X轴坐标关系拟合图；图7为边界问题示意图；图8为本专利技术实施例提供的基于拟合优化的自动排牙装置的功能模块图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参照图1，本专利技术实施例中提供了基于拟合优化的自动排牙方法，该方法包括以下步骤：步骤100，获取牙齿STL模型，获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系。其中获取牙齿特征点可以采用人机交互的方式或计算机自动识别的方式。具体地，对STL模型按单颗牙齿分离后的牙冠数据，采用FDI牙位表示法对牙齿进行编号，以全口28颗牙齿的牙颌数据为例，从观察者角度来看，上颌左侧从中切牙起至第三磨牙编号为11～17，上颌右侧编号为21～27，下颌右侧编号为31～37，下颌左侧编号为41～47。以观察者的角度，按照如下步骤建立全局坐标系OXYZ：(1)首先确定坐标原点O，原点O在中线靠近嘴唇的位置，且落在咬合面上；(2)坐标Z轴垂直咬合面，方向指向上唇、人中、鼻尖及眉间点；(3)坐标Y轴与假想的中线平行，经过上颌切牙的切缘，与左右两侧的第一磨牙近中颊尖点连线垂直；(4)坐标X轴在上颌切牙的切缘方向，指向观察者的右侧。如图2所示，三个坐标轴符合右手定则。以前磨牙为例，在牙齿模型质心处建立局部坐标系，定义颊侧尖点名称为A、舌侧尖点名称为B、牙槽沟近中侧缘点名称为C、牙槽沟远中侧缘点名称为D。以AB两点连线方向为坐标系的j轴方向，正方向由颊侧指向舌侧；再将CD两点相连，以AB和CD叉积的直线方向为坐标系的k轴方向，正方向为咬合方向；最后以j轴和k轴叉积的直线方向为坐标系的i轴方向，图3展示了前磨牙的局部坐标系。应理解，全局坐标系只是作为参考坐标系使用，理论上，空间中任何一点均可作为全局坐标系的原点；牙齿局部坐标系的建立方式还可以通过包围盒建立，其中建立包围盒的方式也有AABB包围盒、OBB包围盒、k-DOPs包围盒等。步骤110，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；设平移分量为(Δx,Δy,Δz)，旋转分量为(Δα,Δβ,Δγ)，计算方法如下：(1)求解平移量Δx、Δy。分别对上下颌取切牙切缘两特征点的中点、尖牙的尖点、前磨牙的颊侧尖点、磨牙的颊侧两特征点的中点，并记为点集{PN}。将{PN}投影至全局坐标系的XOY平面，并拟合投影点集。为方便观察，将下颌的投影点集Y轴坐标取相反数，如图4所示，再计算各投影点到拟合曲线的最短距离，即可求得平移量Δx、Δy。(2)求解平移量Δz将点集投影至全局坐标系的YOZ平面，如图5所示。由于上下颌左右两侧的牙齿高度相差不大，所以只展示单侧的上下颌点集投影。而在求得平移量Δz时需注意，此时牙齿的Δy已确定，因此对图5所示数据作拟合优化时只取点PN在z轴方向到曲线的最短距离，即可求得Δz。(3)求解旋转量Δγ，Δα与平移量不同的是，旋转量之间存在约束关系，只需要任意求得其中两个，便可完成坐标系对应轴的旋转，因此以求解Δγ，Δα为例。获取牙齿局部坐标轴向量，首先求解旋转量Δγ，牙齿在咬合方向近似垂直于咬合面，因此Δγ即为全局坐标系Z轴与牙齿局部坐标系k轴的夹角，即可求得旋转量Δγ；再求解Δα，分别计算各颗牙齿局部坐标系的i轴与全局坐标系X轴的夹角，以该夹角为纵坐标，以点集{PN}的X轴坐标值为横坐标，得到数据如图6所示。与求解Δγ类似，保持X轴的坐标值不变，优化牙齿局部坐标系i轴与全局坐标系X轴的夹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取牙齿STL模型，获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；基于所述全局坐标系和牙齿局部坐标系，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿的间距计算平移向量；根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；若调整后的牙列还存在边界问题，则作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取牙齿STL模型，获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；基于所述全局坐标系和牙齿局部坐标系，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿的间距计算平移向量；根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；若调整后的牙列还存在边界问题，则作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。2.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，建立全局坐标系的具体方法为：(1)首先确定坐标原点O，原点O在中线靠近嘴唇的位置，且落在咬合面上；(2)坐标Z轴垂直咬合面，方向指向上唇、人中、鼻尖及眉间点；(3)坐标Y轴与假想的中线平行，经过上颌切牙的切缘，与左右两侧的第一磨牙近中颊尖点连线垂直；(4)坐标X轴在上颌切牙的切缘方向，指向观察者的右侧。3.如权利要求2所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，建立牙齿局部坐标系的具体方法为：对于前磨牙，在牙齿模型质心处建立所述牙齿局部坐标系，定义颊侧尖点名称为A、舌侧尖点名称为B、牙槽沟近中侧缘点名称为C、牙槽沟远中侧缘点名称为D，以AB两点连线方向为坐标系的j轴方向，正方向由颊侧指向舌侧；再将CD两点相连，以AB和CD叉积的直线方向为坐标系的k轴方向，正方向为咬合方向；最后以j轴和k轴叉积的直线方向为坐标系的i轴方向。4.如权利要求3所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，设平移分量为(Δx,Δy,Δz)，旋转分量为(Δα,Δβ,Δγ)，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量具体包括：(1)求解平移量Δx、Δy分别对上下颌取切牙切缘两特征点的中点、尖牙的尖点、前磨牙的颊侧尖点、磨牙的颊侧两特征点的中点，并记为点集{PN}，将{PN}投影至全局坐标系的XOY平面，并拟合投影点集，再计算各投影点到拟合曲线的最短距离，即可求得平移量Δx、Δy；(2)求解平移量Δz将点集投影至全局坐标系的YOZ平面，对投影点作拟合优化时取点PN在z轴方向到曲线的最短距离，即可求得Δz；(3)求解旋转量Δγ，Δα获取牙齿局部坐标轴向量，首...

【专利技术属性】
技术研发人员：李占利，付敬鼎，胡阿敏，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61