基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法，包括以下步骤：1）将患者口腔的术前牙列扫描模型，将该模型在要治疗的牙上修改出目标牙，得出其目标牙列模型，然后将术前牙列扫描模型与修改后的目标牙列模型转为点云；2）将两者转换为点云后，根据两者不变部分进行点云配准，将目标牙叠加在对应的牙齿位置上；3）对两个点云做差，再通过封底最终得到该牙的增量部分；4）对牙的增量部分进行重建，对重建后的模型表面进行孔洞填补，获得表面光滑的贴面三维模型；5）在贴面点云上进行厚度测量，提醒医师修正贴面设计。本发明能够极大地提高备牙效率，减少医患之间沟通困难与矛盾。

说明书

技术领域

本发明属于牙齿贴面修复的数字化计算机辅助设计领域，具体涉及一种基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法。

背景技术

贴面修复是通过粘结材料将修复体固定到患牙的唇面，以遮盖前牙唇面缺陷的修复方法。针对贴面修复，传统的备牙过程包括：首先牙面处理和贴面处理。其次是进行数据采集，术前牙齿形态。第三，制作诊断蜡型和外形导板，进行医患术前沟通。第四、患者条件允许者，建议备牙前先用自凝制作诊断临时冠，让患者试戴1-2周，给患者亲友看效果。试戴临时冠度过适应期后，与患者沟通，制定一个患者满意清晰有效的制作方案。第五、备牙后，利用外形导板进行检查。第六、粘结，需把牙列上贴面同时就位，同时用极小的粘结剂粘结固位每个贴面后，才开始逐个粘结。

随着口腔三维扫描技术的发展，通过便携式口腔扫描仪获取患者口内机颅颌面部数字化印模已经逐渐应用与口腔修复学领域。修复医师通过获取患者口内及面部的扫描数据，依据前牙美学修复原则，利用数字化微笑设计等美学设计软件，对修复体进行预知性设计，能够以三维虚拟形式真实地还原患者颅颌面部及口唇形态特征，达到更易于医患双方沟通的前牙美学修复效果。相比传统的备牙过程，通过计算机辅助设计来进行牙齿贴面修复的数字化设计，可以极大地提高备牙效率，减少医患之间沟通困难与矛盾。

在医师通过口腔扫描点云来进行前牙美学修复设计的基础上，通过点云处理算法和模型重建算法来自动生成牙齿贴面的数字化模型，是打通从美学修复设计到贴面制作自动化流程的重要环节。生成的贴面数字化模型可以经过进一步处理后用于3D打印，最终得到可装配的贴面材料。而贴面厚度测量则有助于在医师的设计过程中提供提示，从而避免生成的贴面模型局部过薄或过厚而造成的佩戴损坏或无法佩戴等情况。

经过论文与专利查新，目前在口腔扫描设备的硬件装置和控制系统方面已有一定成果，但是尚没有涉及牙齿贴面数字化模型生成方面的成果。李宗熹申请了中国发明专利“口腔扫描仪控制方法及口腔扫描设备”(申请号201810144955.2)，已获专利授权。该发明公开一种口腔扫描设备及扫描设备控制方法，不涉及扫描点云的处理。刘伟才等人申请了中国发明专利“口腔扫描结果与面部匹配方法”(申请号202010894616.3)，已受理。该发明专利公开了一种口腔扫描结果和面部扫描结果匹配方法，不涉及牙齿贴面的数字化模型生成问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法，提高牙齿修复设计与备牙效率，减少医患之间沟通困难与矛盾。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法，包括如下步骤：

步骤1，通过便携式口腔扫描仪得到患者口腔的术前牙列扫描模型，再由口腔医师将该模型在要治疗的一颗或多颗牙上修改出目标牙，得出其目标牙列模型，然后将术前牙列扫描模型与修改后的目标牙列模型转为点云。

步骤2，将两者转换为点云后，根据两者不变部分进行点云配准，将目标牙叠加在对应的牙齿位置上。

步骤3，通过点云间的相差运算，对两个点云做差，再通过封底最终得到该牙的增量部分。

步骤4，利用表面重建算法对该牙的增量部分进行重建，并对其表面进行孔洞填补，获得表面光滑的贴面三维数字化模型。

步骤5，对贴面对应的点云进行厚度测量，提醒医师修正贴面设计。采用AABB法计算点云的3D包围盒，获得贴面的主方向。找到正交于主方向的投影面，从上到下将贴面一层一层地投影到这个投影面，通过每层投影后得到的二维轮廓来计算贴面厚度，将贴面表面的点渲染出色阶，每个点的颜色对应该点处的厚度归一化值。

进一步的，步骤2中的配准方法是采用由粗到精的两步配准算法。粗配准采用Super4PCS算法估算初始配准矩阵，缩小待配准点云间的错位，精确配准采用ICP算法微调配准矩阵，使得两个点云的对齐误差最小。

进一步的，步骤3中含有目标牙的牙列点云和术前牙列扫描点云之间的相差运算，得到仅是由两个原点云表面所围合而成的非封闭点云，因此需要对该点云进行封底才能得到对应贴面的增量部分。

进一步的，步骤4中采用的表面重建算法为贪婪三角重建算法，输出为带小孔洞的STL模型，因此需要下一步骤的去除孔洞处理。

进一步的，步骤5中的通过每层投影后得到的二维轮廓来计算贴面厚度，包括两种计算依据。一是水平距离法，即找到水平线，计算水平线与贴面二维投影轮廓左右边界相交的交点，计算两点之间距离。二是对贴面二维投影轮廓形状进行细化得到骨架，然后再骨架上遍历采样点，在每个采样点上计算切线，计算切线与贴面二维投影轮廓左右边界相交的交点之间的距离。

进一步的，步骤5中的提醒医师修正贴面设计，是设定厚度阈值，对超过过厚阈值或者超过过薄阈值的点云渲染特定颜色，从而达到提醒的作用。

进一步的，步骤3中所述的含有目标牙的牙列点云，既包含修改后的牙齿点云又包含无需改动的其它牙齿点云。

进一步的，步骤1、2、3中所述的术前牙列扫描模型和目标牙模型的数据格式为STL文件，所述术前牙列扫描点云和目标牙点云的数据格式为OBJ文件。

本发明的有益效果是：

本发明公开了基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法，对于生成牙齿贴面所需的术前牙列扫描模型与修改后的目标牙列模型，无需手动将两者配准，而是采用算法自动配准方式，不仅大大节省配准时间，且配准效果也比手动配准更精准。

对于做差得到的牙列增量部分点云，对其表面重建得到可供生成后续牙齿贴面的STL模型，且相对于已有技术，增加了孔洞填补功能，使得到的模型更为平滑。

能够将自动生成的牙齿贴面局部过薄或者过厚区域反馈给医师，从而辅助医师改进牙齿贴面设计。医师可将该贴面数模经过进一步处理和3D打印最终得到可装配的贴面材料。

附图说明

图1为本发明实施的整体流程图；

图2为点云配准后的效果图；

图3为对点云增量部分表面重建的效果图；

图4为牙列扫描模型贴面前、贴面配准后以及贴面后效果图；

图5为贴面点云的包围盒与主轴；

图6为贴面中某层点云向投影面投影所得的二维轮廓效果；

图7为贴面过薄区域提示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明公开了基于口腔扫描点云的牙齿贴面模型生成与厚度测量方法，主要包括五个步骤：

步骤1，将术前牙列扫描模型与目标牙列模型转为点云。

通过便携式口腔扫描仪得到患者口腔的术前牙列扫描模型，再由口腔医师将该模型在要治疗的一颗或多颗牙上修改出目标牙，得出其目标牙列模型，然后将术前牙列扫描模型与修改后的目标牙列模型转为点云。

步骤2，点云配准。

将两者转换为点云后，根据两者不变部分进行点云配准，将目标牙叠加在对应的牙齿位置上。由于点云精确配准算法对于待配准点云的初始位置要求较高，一般采用先初始配准再精确配准的方法完成点云拼接。粗配准采用Super4PCS算法估算初始配准矩阵，缩小待配准点云间的错位。Super4PCS算法在传统4PCS算法的基础上，通过优化算法减少了传统算法寻找匹配对时无效对的产生，从而加快算法执行速度。精确配准采用ICP算法微调配准矩阵，使得两个点云的对齐误差最小。对于待匹配点对的目标点云P和源点云Q，ICP算法在一定的约束条件下通过迭代找到最邻近点(p

其中n为最邻近点对的个数，p

步骤3，点云做差得到增量部分。

点云做差包括相差运算与封底运算。两个点云的相差运算得到由两个原点云表面所围合而成的非封闭点云，再对该点云进行封底得到对应贴面的增量部分，图2箭头所指的门牙虚影部分即对应贴面的增量部分。

步骤4，利用表面重建算法对该牙的增量部分进行重建。

所述的贴面增量重建是利用贪婪三角算法重建算法，该方法通过选取一个样本三角片作为初始曲面，不断扩张曲面边界，最后形成一张完整的三角网格曲面，最后根据投影点云的连接关系确定各原始三维点间的拓扑连接，所得的三角网格即为重建得到的曲面模型，所得三角网格曲面模型如图3所示。

对重建后得到的模型表面进行孔洞填补，获得表面光滑的贴面三维模型。图4则示出了光滑贴面三维模型，以及贴面模型配准在牙列模型上的效果图。

步骤5，对贴面对应的点云进行厚度测量，提醒医师修正贴面设计。

采用AABB法计算点云的3D包围盒，获得贴面的主方向。然后根据主方向对贴面进行旋转矫正，使得主方向与z轴平行，厚度方向与y轴平行，方便厚度测量。找到正交于主方向的投影面，从上到下将贴面一层一层地投影到这个投影面，如图5所示。

通过每层投影后得到的二维轮廓来计算贴面厚度，包括两种计算依据，如图6所示。一是水平距离法，将通过AABB法得到的厚度方向作为水平线，计算水平线与贴面二维投影轮廓左右边界相交的交点，计算两点之间距离。二是对贴面二维投影轮廓形状进行细化得到骨架，然后在骨架上遍历采样点，在每个采样点上计算切线，计算切线与贴面二维投影轮廓左右边界相交的交点之间的距离。将贴面表面的点渲染出色阶，每个点的颜色对应该点处的厚度归一化值。最后设定厚度阈值，对超过过厚阈值的点云渲染特定颜色或者圈出过薄区域，从而达到提醒的作用，如图7所示。