基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法及系统与流程

本发明涉及口腔医学，特别涉及一种基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法及系统。

背景技术：

1、在全口义齿制作过程中，获取符合患者口腔特征的人工牙列是修复能否成功的关键步骤之一，良好的人工牙列能有效恢复患者的咀嚼功能，重塑面部形态，增强患者信心。

2、目前全口自动排牙主要使用以下三种方法：

3、方法一具体为：1)建立标准牙齿的牙齿特征三维数据库；2)提取患者口腔特征信息；3)排牙。该制作全口义齿的排牙方法建立口腔与人工牙的相互约束关系，从而实现自动排牙，获取符合不同患者口腔特征的牙列，可根据患者需要作出适当调整所排牙列，以符合患者的性别、年龄等，有效满足全口义齿的临床需求。

4、方法二具体为：对原始牙列图像进行虚拟补全处理，以获得完整牙列图像；根据预设排牙规则，对所述完整牙列图像进行排牙处理，获得初始排牙结果；根据预设调整需求，对所述初始排牙结果进行调整，获得调整后的排牙结果。

5、方法三具体为：获取用于排牙的牙齿三角网格三维模型；将所述牙齿三角网格模型输入到预训练的深度学习模型，获得排牙结果的牙齿预测位置。其中所述深度学习模型包括第一特征编码器是将牙齿三角网格三维模型作为输入，获得牙齿形状特征，第二特征编码器以牙列点云作为输入，获得牙列全局特征，所述特征解码与映射器基于所述牙齿形状特征和所述牙列全局特征，获得预测的排牙结果。

6、方法四具体为：通过人工经验调整设定，并且不同人对于一个牙模的设计出现多样性，这种凭借人工经验进行牙齿排列，效率低下，人工操作误差大。

7、上面四种方法均不能解决上下颌中第一、第二、第三和第四模牙(主要位于上下颌牙列左右侧最里面的四颗牙齿，左右各四对共计八对)啮合错误问题，最终导致不合适的咀嚼功能、牙齿磨损不均、咬合不稳定、影响颞下颌关节的功能。因此牙齿矫正中的美观性和舒适性还需进一步提升。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上下颌中第一、第二、第三和第四模牙啮合错误、牙齿排列不美观的问题，提出一种基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法及系统，实现自动化全口排牙，在优先满足牙齿对完美啮合的同时，又对牙齿完成优化排列，提高排牙结果的美观整齐程度。

2、为实现上述目的，所采取的技术方案是：

3、一种基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，包含：

4、获取牙模信息，对上下颌牙模进行扫描并自动排好牙齿，进一步获取每颗牙齿的质心点坐标、每颗牙齿的第一限制距离、每颗牙齿面的特征点和设定的允许移动的方向；

5、对上下颌牙齿进行配对，得到牙齿对；将每一个牙齿对的质心点坐标的z轴对齐，根据第一限制距离、允许移动的方向对牙齿对进行粗配准；

6、根据牙齿对中两颗牙齿的点云数据，通过构建目标函数进行迭代配准使得牙齿对的啮合程度最高、贴合程度最大，完成上下颌牙齿的细配准；

7、完成牙齿对的细配准后，根据牙槽嵴顶线、同一颌中相邻两颗牙齿之间的最小间距构建目标函数，以优化牙齿排列。

8、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，获取每颗牙齿的质心点坐标包含：首先根据已有的牙齿数据库获得每颗牙齿的质心点；然后根据排列好的上下颌的牙齿模型建立每一颗牙齿在空间中的位置坐标。

9、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，每颗牙齿在x方向和y方向的第一限制距离计算过程如下：

10、对于下颌的一颗牙齿，面朝上，面的方向是z轴方向，将点云数据投影到咬合平面上得到二维投影；首先计算找到所有点在x轴/y轴上的最小值和最大值，计算x方向/y方向的宽度，这个宽度即为牙齿x方向/y方向的最大宽度，将该宽度值的二分之一作为该颗牙齿在x方向/y方向的第一限制距离；下颌中剩余的牙齿以及上颌中的牙齿第一限制距离的计算如同以上计算过程。

11、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，获取每颗牙齿面的特征点计算过程为：

12、对于上颌中一颗牙齿的点云数据，首先将该颗牙齿在z轴方向上分为三等分，取三分之一处的点云数据，得到该颗牙齿三分之一处的点云数据；

13、接着使用pca方法计算该颗牙齿三分之一处所有点的曲率值，将曲率值大于设定曲率阈值的点筛选出来，计算筛选出来的点到咬合平面的距离；

14、将计算筛选出来所有点中的最大距离的点作为该颗牙齿面上的低谷点，将最小距离的点作为该颗牙齿面上的高峰点；

15、将该颗牙齿面的低谷点与高峰点作为该颗牙齿面的特征点；在上颌中的所有牙齿面的特征点进行以上相同操作得到；

16、对于下颌中牙齿面的特征点的计算，根据咬合平面向下颌方向延伸固定距离进行截取，后续操作步骤与计算上颌中牙齿面的特征点相同。

17、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，对上下颌牙齿进行配对，得到牙齿对包含：根据每一颗牙齿的质心点位置计算与其最近质心点位置的牙齿，将其配对为牙齿对，该牙齿对表示上颌与下颌对应啮合的两颗牙齿。

18、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，对牙齿对进行粗配准的过程为：首先将每一个牙齿对的质心点坐标的z轴对齐，然后根据上下颌牙齿中设定的允许移动的方向，分别将牙齿对中上下颌中的牙齿进行移动，移动的距离小于设定的第一限制距离。

19、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，通过构建目标函数进行迭代配准使得牙齿对的啮合程度最高、贴合程度最大包含以下内容：

20、根据获得的牙齿三分之一处的点云数据，计算当前牙齿对的贴合程度a1：将一个牙齿对中两颗牙齿三分之一处接触区域的点云数据使用三角网格重建算法，将点云数据转换为三维网络模型，对于每个三角形，计算它的面积，并将接触区域的所有三角形的面积加起来，得到接触程度a1，a1值越大，说明两个牙齿面的接触程度越高；

21、根据获得的牙齿三分之一处的点云数据，计算当前牙齿对的啮合程度a2：计算当前牙齿对中上颌牙齿面的特征点中高峰特征点与下颌牙齿面的特征点中低谷特征点的距离大小、计算下颌牙齿面的特征点中高峰特征点与上颌牙齿面的特征点中低谷特征点的距离大小，将两个距离的和作为当前牙齿对的啮合程度a2，a2值越小，说明两个牙齿面的啮合程度越大；

22、对于一个牙齿对，构建目标函数j1：

23、

24、其中，w1、w2分别为参数的权重；当j1达到最大值时，该牙齿对的啮合程度最高、贴合程度最大。

25、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，根据牙槽嵴顶线、同一颌中相邻两颗牙齿之间的最小间距构建目标函数包含：

26、首先将牙齿对中上下颌的牙齿分别沿z轴向上和向下移动，使牙齿面与咬合平面相接触；

27、然后通过构建目标函数j2对于上颌/下颌牙槽嵴顶线上迭代的移动调整每颗牙齿在空间中位置坐标，使得牙齿与牙槽嵴顶线的偏离程度最小、同一颌中相邻两颗牙齿之间距离的一致性最大，当目标函数j2的值达到最小，完成优化牙齿排列。

28、根据本发明基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，进一步地，计算牙齿与牙槽嵴顶线的偏离程度b1：将上颌牙槽嵴顶线投影到咬合平面上，将上颌中每颗牙齿的质心点z轴坐标投影到咬合平面上，计算每颗牙齿的质心点投影到咬合平面上的位置坐标与投影到咬合平面上的牙槽嵴顶线最短距离的和，记为b1，该值越大，说明上颌牙齿中牙齿的质心点的位置坐标越偏离上颌的牙槽嵴顶线；

29、计算同一颌中相邻两颗牙齿之间距离的一致性b2：计算上颌牙齿中每颗牙齿质心点z轴坐标投影到咬合平面上之后的相邻两颗牙齿质心点之间的距离，进一步计算相邻两颗牙齿质心点之间的距离的方差，记为b2，该值越大说明上颌牙齿中相邻两颗牙齿之间的距离差别越大，上颌牙齿排列一致性较差；

30、对于下颌牙齿中牙齿与牙脊线的偏离程度、相邻两颗牙齿之间距离的一致性的计算与上颌牙齿中牙齿与牙脊线的偏离程度、相邻两颗牙齿之间距离的一致性的计算一致，并分别记为b3、b4；

31、目标函数j2构建如下：

32、j2＝w3(b1+b2)+w4(b3+b4)

33、其中，w3、w4分别为参数的权重。

34、进一步地，本发明还提供一种基于咬合平面特征点的全口自动排牙系统，用于实现如上述的基于咬合平面特征点的全口自动排牙方法，系统包含：

35、自动排牙模块，用于获取牙模信息，对上下颌牙模进行扫描并自动排好牙齿，进一步获取每颗牙齿的质心点坐标、每颗牙齿的第一限制距离、每颗牙齿面的特征点和设定的允许移动的方向；

36、粗配准模块，用于对上下颌牙齿进行配对，得到牙齿对；将每一个牙齿对的质心点坐标的z轴对齐，根据第一限制距离、允许移动的方向对牙齿对进行粗配准；

37、细配准模块，用于根据牙齿对中两颗牙齿的点云数据，通过构建目标函数进行迭代配准使得牙齿对的啮合程度最高、贴合程度最大，完成上下颌牙齿的细配准；

38、牙齿排列优化模块，用于完成牙齿对的细配准后，根据牙槽嵴顶线、同一颌中相邻两颗牙齿之间的最小间距构建目标函数，以优化牙齿排列。

39、采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

40、1、提高效率：本发明通过自动化牙齿排列和配准减少了人工操作的时间，提高了工作效率。其中自动化牙齿排列功能通过使用计算机软件处理牙模数据，能够自动生成理想的牙齿排列，这对于牙科医生来说，能够以更高的精度和效率处理复杂的牙齿排列问题，使得更多的患者能够得到及时的治疗。

41、2、精确性增强：通过计算牙齿的质心点、第一限制距离、牙齿面的特征点等，确保了牙齿排列和配准的精确性，这有有助于提高牙齿矫正效果的准确性，减少误差。

42、3、改进患者舒适度：首先通过对牙齿对进行粗配准确保了上下颌牙齿的准确配对；然后细配准过程通过迭代调整，使得上下颌牙齿的咬合关系得以优化，精确的牙齿配准能够提高咬合的舒适度，减少牙齿矫正过程中可能出现的不适感。

43、4、数据驱动的决策：利用已有的牙齿数据库中的信息进行分析和决策，使得牙齿排齐和配准的过程更加科学、数据驱动，从而提供个性化的治疗方案。

44、5、减少错误和冲突：在细配准过程中，通过构建目标函数并进行迭代调整，确保了上下颌牙齿之间的贴合度最大，减少了牙齿间的冲突和穿模现象。

45、6、提高上下颌排牙模型的美观：对细配准后的牙齿进一步优化牙齿排列，确保了牙齿模型的美观，使得最终的牙齿排列既符合功能要求，又具有美观性。