本发明涉及一种用于基于细分来对齐牙齿的数字表示的方法，以及一种用于获取和处理牙齿数字表示的系统。
背景技术：
1、牙医在评估受试者的牙齿状况时，有益地利用能够扫描受试者的颌的系统，例如口内扫描仪。这些扫描仪能够产生用户颌或用户牙齿的数字表示，其可用于显示和/或进一步处理。这些种类的系统的一个非常重要的特征是设置有处理单元，这些处理单元配置为对齐颌和/或牙齿(例如，在不同时间点从同一用户获取的颌和/或牙齿)的数字表示。用于对齐这些数字表示的一种周知的技术是迭代最近点(ipc)。在评估例如旨在将牙齿从移位位置移到正常位置(例如治疗错颌畸形)的正畸治疗的进展时，对齐数字表示的能力尤为重要。这些类型的治疗尤其用于儿童或青少年，但也用于成年人。儿童的牙齿可能会移位。对于成年人，如果在儿童时期没有接受过治疗，或者甚至在牙齿因某种原因移位的情况下或者当例如过度咬合(错颌畸形)引起不适时，则可能需要治疗。
2、因此，为了评估正畸治疗的质量，重要的是能够对齐在不同时间点从用户口中获取的颌和牙齿的数字表示，或甚至将用户的颌或牙齿的数字表示与模型表示进行比较。
3、例如，在第一时间点的牙齿第一数字表示与第二时间点的相同牙齿数字表示之间的齿对齿对齐对于评估牙齿的状态非常有用，特别是通过正确对齐两个表示，随后可以更好地了解牙齿已经如何移动。
4、此外，在修复治疗中，当发生了解剖学变化(例如碎裂或贴面)时，能够对齐并随后比较同一牙齿的牙齿表示，使牙医能够很好地了解患者的牙齿状况并促进治疗规划。
技术实现思路
1、当牙齿断裂、碎裂或出现贴面时，难以通过已知技术执行齿对齿的数字表示对齐，因为未碎裂的第一牙齿表示与碎裂的第二牙齿表示之间存在严重的体积差异，反之亦然。特别地，当第一和第二牙齿数字表示之一出现碎裂、破裂、断裂或贴面时，对齐很困难，并且当前技术的效果不佳。这对牙医来说是一个问题，因为当对于一些或几个牙齿数字表示对齐失败时，牙医不能依赖系统来评估牙齿的状态。
2、本发明的目的是解决上述问题。
3、本公开涉及一种用于数字牙齿表示细分和对齐的计算机实现的方法，该方法包括以下步骤：
4、a.获得牙齿的至少第一和第二牙齿数字表示；
5、b.将至少第一和第二牙齿数字表示中的每一个细分为至少两个子区域；
6、c.应用单独的对齐过程，以将第一牙齿数字表示的子区域与第二牙齿数字表示的对应子区域对齐；和
7、d.基于子区域对齐，将第一牙齿数字表示与第二牙齿数字表示对齐。
8、在本公开的上下文中，术语“牙齿数字表示”和“牙齿表示”可互换使用并且具有相同的含义。因此，通过提供和对齐上述牙齿表示的子区域，实现了改进的对齐过程，特别是在在扫描或以其他方式获得至少第一和第二数字牙齿表示之间牙齿已被碎裂、损坏或解剖学结构发生变化的情况下在对齐两个或更多个牙齿表示时。
9、必须理解，发明人使用术语第一和第二牙齿表示的对应子区域来指与牙齿的相同解剖学部分相关的表示的子区域。例如，第一牙齿表示的颈部-颊侧-近中(cervical-buccal-mesial)子区域具有第二牙齿表示的对应颈部-颊侧-近中子区域。
10、在整个公开中，术语“牙齿(tooth)”应理解为限于单个牙齿，并且牙齿的子区域涉及该牙齿的形态学部分。
11、在本公开中，颌或牙齿(teeth)的任何数字表示可以是网格、像素云和/或基于体素的体积扫描或颌和/或牙齿的任何其他数字表示，特别是二维或三维表示。在公开的上下文中，术语“颌(jaw)数字表示”和“颌表示”可互换使用并且具有相同的含义。
12、本公开还涉及用于获取和处理牙齿数字表示的系统，该系统包括：
13、a.至少一个输入外围设备，例如扫描仪，其配置为生成颌和/或牙齿的图像数据；
14、b.至少一个输出外围设备，例如显示器，其配置为显示颌或牙齿的至少一个数字表示并提供数字表示对齐质量的视觉数据；以及
15、c.至少一个处理单元，其配置为基于图像数据生成颌和/或牙齿的数字表示，并进一步配置为基于子区域的对齐执行牙齿的对齐。
16、发明人已经意识到，本公开的系统适用于执行本公开的方法的步骤。
17、在本公开的一个实施例中，牙齿的至少第一和第二表示是通过将至少第一和第二颌表示分别分割成单独的牙齿表示而获得的。
18、牙齿随时间改变其位置是很常见的。这可能是由于不同的原因，例如正畸治疗、事故、牙齿的日常使用、成长等。
19、对于牙医来说，为了能够评估牙齿的状态，能够比较基于受试者不同时间点的颌扫描的图像是有益的。由于牙齿会随时间改变位置，因此比较颌数字表示可能还不够，并且牙医会从能够仔细检查单个牙齿的对齐受益。因此，在本公开的实施例中，执行分割以获得单个牙齿的数字表示，并进一步执行完全初始齿对齿对齐(complete initial tooth-to-tooth alignment)。然而，在牙齿(teeth)在第一和第二扫描之间其形状发生变化的情况下，例如在牙齿碎裂或断裂，或者牙齿已经施用了贴面的情况下，牙齿数字表示的完全初始齿对齿对齐将失败。发明人已经意识到可以通过将牙齿表示细分为子区域来克服这个问题。发明人已经意识到，即使在牙齿碎裂的情况下，一些不受牙齿断裂或碎裂影响的子区域也会对齐。发明人还意识到，与子区域对齐相关的信息可用于限定最终齿对齿完全对齐的起点，并且如果被成功对齐的子区域的数量通常超过一半，则这样的上次完全对齐是成功的。
20、根据本公开的一个实施例，对受试者执行第一扫描，例如口内扫描，以获得颌的图像数据。此外，通过处理单元从图像数据获得颌的第一数字表示。随后，对颌数字表示执行分割以获得单个牙齿的数字表示。例如，如果颌数字表示是网格，则分割过程将生成多个牙齿网格，每个牙齿网格对应于颌的不同牙齿。在该实施例中，在与第一扫描不同的时间点对同一受试者执行第二颌扫描，并且随后获得每个牙齿的第二数字表示。一旦获得了第一时间点的牙齿的数字表示，并且获得了第二时间点的同一牙齿的第二表示，牙医就可以从要对齐的第一和第二牙齿表示获益，以便评估牙齿的状态。如果牙齿没有遭受任何实质性的解剖学或形态学变化(例如由于事故或牙科修复工作)，则基于牙齿的完全表示的对齐将是成功的。如果牙齿遭受了碎裂或断裂，或者新近出现了贴面，则发明人已经意识到牙齿的表示可以被细分为子区域，子区域可以被单独对齐，并且子区域的对齐可以用作最终完全的牙齿对齐的起点，牙医可以成功地使用其来评估牙齿的状态。
21、发明人熟悉迭代最近点(icp)技术/方法，这是一种对齐数字表示的技术。有关icp技术的详细信息可参见这篇文章：“一种3-d形状配准方法(a method for registration of 3-d shapes)。ieee模式分析与机器智能汇刊，14(2)；239-256，1992”。有关icp的更多详细信息可参见专利申请ep2345387a2，“牙科模型的制造(manufacture of a dentalmodel)”。icp基于测量来自例如第一牙齿表示的点之间的距离，并找到来自例如第二表示的点之间的对应关系，其中彼此之间的距离最小。icp技术是迭代的，并且在迭代最近点过程的迭代结束时，第一表示中的每个点被分配第二表示上的对应点，并且表示彼此对齐。除非另有说明，否则本文讨论的对齐可以通过icp技术执行。
22、在本公开的一个实施例中，对于每个牙齿，执行该步骤以直接对齐至少第一和第二牙齿表示。该齿对齿的完全初始对齐可以基于icp(迭代最近点)，并且可能成功或可能不成功，这取决于在第一和第二数字表示中牙齿的状态。例如，如果在两个表示中的一个中牙齿碎裂或断裂或具有贴面，则两个表示可能不成功对齐。通过计算初始完全齿对齿对齐的质量的指示来衡量该完全初始齿对齿初始对齐的成功。
23、完全齿对齿对齐是指基于完全的第一牙齿表示和完全的第二牙齿表示的对齐，例如基于完全第一牙齿网格(tooth mesh)和完全第二牙齿网格的对齐。相比之下，第一牙齿表示的子区域和第二牙齿表示的对应子区域的对齐不称为完全齿对齿对齐，而称为子区域对齐。
24、在另外的实施例中，如果初始齿对齿对齐的质量的指示低于第一阈值，则触发将牙齿表示细分为子区域。根据该实施例，将第一牙齿表示细分为子区域，并将第二牙齿表示细分为对应的子区域。子区域由牙齿的形态学限定。例如，子区域可以是颊侧、舌侧、近中、远中、咬合面、颈部或它们的组合。因此，通过将牙齿表示细分为子区域，并非所有子区域都受到牙齿碎裂、断裂部分或贴面的影响。因此，当独立地对齐每个单个子区域时，许多子区域对齐得非常好。然后使用基于子区域对齐的信息来执行最终的齿对齿对齐，这提供了改进的对齐，因为在对齐期间可以忽略或不太考虑具有形态学变化(例如碎裂、贴面等)的子区域。
25、根据本公开的单独对齐过程可以基于对齐对应于牙齿的形态和/或解剖学没有变化的部分的子区域。由于牙齿的该部分没有形态变化，因此对应的子区域可以正确对齐。因此，根据本公开的方法可以包括应用单独的对齐过程以对齐第一牙齿数字表示的子区域与第二牙齿数字表示的对应子区域，其中，子区域和对应的子区域对应于牙齿的形态和/或解剖学没有变化的部分。
26、第一牙齿数字表示的至少一个其他子区域和第二牙齿数字表示的其对应子区域，如果表示受形态和/或解剖学变化影响的牙齿部分，则可在单独的对齐过程中将其忽略。忽略可指在单独的对齐过程期间完全忽略或不太考虑。这样，在单独的对齐过程中不考虑与受形态和/或解剖学变化影响的牙齿部分对应的子区域。
27、通过应用单独的对齐过程，第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示可被引入对齐阶段，在该对齐阶段，仅需要最终细化步骤即可实现完全对齐，其中第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示之间的对应点的距离可以低于阈值，例如低于0.3mm或优选地低于0.1mm。因此，根据本公开的方法可以包括基于子区域对齐，通过执行完全的齿对齿对齐将第一牙齿数字表示与第二牙齿数字表示对齐。这可以称为最终细化步骤，并且可以在应用单独的对齐过程之后，通过在第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示之间应用完全的齿对齿对齐来执行。最终细化步骤可以包括使用具有较小搜索距离值的icp技术。
28、在本公开的一个实施例中，第一牙齿表示与第二牙齿表示的对齐质量的指示基于对齐矩阵和/或对齐参数和/或统计直方图和/或牙齿差异图和/或中心点的平移。
29、在本公开的一个实施例中，处理单元还配置为测量对齐质量的指示。质量的指示可以基于对第一和第二表示之间的对应点的距离的直方图的分析。距离尺度(distancescale)可以定义如下：1.5mm距离可以被认为是非常大；1.5-0.5mm距离可以被认为是大的；0.5-0.3mm是可以容忍的；0.3-0.1mm可以是预期距离值，并且小于0.1mm可以被认为是好值。特别地，大的平均距离或具有大或非常大的距离的大量对应点会产生对齐质量差的指示。相反，小的平均距离和/或较小数量的具有大距离的对应点会提供对齐质量足够或良好的指示。根据icp技术，对齐可以基于在要对齐的两个表示中找到对应点。对于每对对应点，可以测量距离。所有对应点的所有距离的列表可以用直方图或差异图表示。可以通过计算第一和第二牙齿表示的中心点之间的距离来检索进一步的信息。可以按照下述方式找到第一和第二表示中的对应点。给定第一表示中的点，可以选择第二表示中与其距离最小的点并将其视为对应。必须强调的是，icp是迭代的，因此一旦在第一迭代中找到点之间的对应，就可以在第二迭代中找到不同的对应，依此类推。当对应点的距离达到最小值时，算法收敛。在icp算法结束时，可以提取直方图的统计数据和/或中心点距离以获得对齐质量的指示。
30、在实施例中，公开了一种数据处理设备，其包括用于执行所提出的实施例中的任一个或多个的方法的装置。
31、该数据处理设备可以配置为执行用于数字牙齿表示细分和对齐的计算机实现方法，该方法包括以下步骤：
32、-获得牙齿的至少第一和第二牙齿数字表示；
33、-将至少第一和第二牙齿数字表示中的每一个细分为至少两个子区域；
34、-应用单独的对齐过程以将第一牙齿数字表示的子区域与第二牙齿数字表示的对应子区域对齐，其中，第一牙齿数字表示的子区域和第二牙齿数字表示的对应子区域对应于牙齿的形态没有变化的部分；和
35、-基于子区域对齐，通过执行完全的齿对齿对齐将第一牙齿数字表示与第二牙齿数字表示对齐。
36、还公开了一种计算机程序产品。根据一个实施例的计算机程序产品可以包括指令，当计算机执行程序时，该指令使计算机执行所提出的实施例中的任一个或多个的方法。
37、计算机程序产品可以包括指令，当计算机执行程序时，该指令使计算机执行用于数字牙齿表示细分和对齐的方法，该方法包括以下步骤：
38、-获得牙齿的至少第一和第二牙齿数字表示；
39、-将至少第一和第二牙齿数字表示中的每一个细分为至少两个子区域；
40、-应用单独的对齐过程以将第一牙齿数字表示的子区域与第二牙齿数字表示的对应子区域对齐，其中，第一牙齿数字表示的子区域和第二牙齿数字表示的对应子区域对应于牙齿的形态没有变化的部分；以及
41、-基于子区域对齐，通过执行完全的齿对齿对齐将第一牙齿数字表示与第二牙齿数字表示对齐。
42、此外，还公开了一种非暂时性计算机可读介质。该非暂时性计算机可读介质可以包括指令，当由计算机执行时，该指令使计算机执行所提出的实施例中的任一个或多个的方法。
43、该非暂时性计算机可读介质可以包括指令，当由计算机执行时，该指令使计算机执行用于数字牙齿表示细分和对齐的方法，该方法包括以下步骤：
44、-获得牙齿的至少第一和第二牙齿数字表示；
45、-将至少第一和第二牙齿数字表示中的每一个细分为至少两个子区域；
46、-应用单独的对齐过程以将第一牙齿数字表示的子区域与第二牙齿数字表示的对应子区域对齐，其中，第一牙齿数字表示的子区域和第二牙齿数字表示的对应子区域对应于牙齿的形态没有变化的部分；以及
47、-基于子区域对齐，通过执行完全的齿对齿对齐将第一牙齿数字表示与第二牙齿数字表示对齐。
1.一种计算机实现的方法，用于数字地选择受形态变化影响的牙齿的修复体，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，完全的齿对齿对齐的质量的指示基于所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示之间对应点的距离的统计直方图和/或牙齿差异图。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算质量的指示包括计算所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的对应顶点之间的平均距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，计算质量的指示包括计算所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的对应顶点之间的距离的平方和。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括在显示器上可视化对齐的第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示是网格、点云、基于体素的体积扫描或牙齿的任何其他数字表示或数字模型。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括通过分割第一颌表示来获得所述第一牙齿数字表示的步骤。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述库牙齿模型是预先设计的数字模型或使用机器学习设计的牙齿模型。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过颊侧-舌侧平面被细分为颊侧子区域和舌侧子区域。
10.根据前述权利要求9所述的方法，其中，对于门牙和犬齿，通过识别高正曲率面来获得所述颊侧-舌侧平面。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，对于臼齿和/或前臼齿，通过使用以牙齿中心点为中心的中心矢量场来获得颊侧-舌侧平面。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过近中-远中平面被细分为近中子区域和远中子区域。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过至少一个附加平面、优选两个附加平面被细分为至少一个颈部子区域和至少一个咬合子区域。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，单独对齐每个子区域的步骤基于至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的对应子区域中的点之间的对应关系。
15.一种用于获取和处理牙齿数字表示的系统，所述系统包括：
16.一种计算机程序产品，计算机程序产品包括指令，当计算机执行程序时，所述指令使计算机执行根据权利要求1-14中的任一项所述的方法。
17.一种计算机实现方法，用于数字牙齿表示细分和对齐，所述方法包括以下步骤：
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示是网格、点云、基于体素的体积扫描或牙齿的任何其他数字表示或数字模型。
19.根据前述权利要求17-18中的任一项所述的方法，还包括通过分别分割至少第一颌表示和第二颌表示来获得所述至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少第一颌表示和第二颌表示是在不同时间点从同一受试者的口内扫描获得的。
21.根据前述权利要求17-19中的任一项所述的方法，还包括使用迭代最近点技术直接基于完全的初始第一齿对齿对齐来对齐所述至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括计算所述完全的初始第一齿对齿对齐的质量的指示的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，当所述完全的初始第一齿对齿对齐的质量的指示低于第一阈值时，触发将所述至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示细分为子区域。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述完全的初始第一齿对齿对齐的质量的指示基于第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示之间对应点的距离的统计直方图和/或牙齿差异图。
25.根据前述权利要求17-24中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过颊侧-舌侧平面被细分为颊侧子区域和舌侧子区域。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，对于门牙和犬齿，通过识别高正曲率面而获得所述颊侧-舌侧平面。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，对于臼齿和/或前臼齿，通过使用以牙齿中心点为中心的中心矢量场来获得所述颊侧-舌侧平面。
28.根据前述权利要求17-27中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过近中-远中平面被细分为近中子区域和远中子区域。
29.根据前述权利要求17-28中的任一项所述的方法，其中，所述第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示通过至少一个附加平面、优选两个附加平面被细分为至少一个颈部子区域和至少一个咬合子区域。
30.根据前述权利要求17-29中的任一项所述的方法，其中，单独对齐每个子区域的步骤基于所述至少第一牙齿数字表示和第二牙齿数字表示的对应子区域中的点之间的对应关系。
31.一种用于获取和处理牙齿数字表示的系统，所述系统包括：
32.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，当计算机执行程序时，所述指令使计算机执行根据权利要求17-30中的任一项所述的方法。
33.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括指令，当计算机执行所述指令时，所述指令使计算机执行根据权利要求17-30中的任一项所述的方法。
34.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括指令，当计算机执行所述指令时，所述指令使计算机执行根据权利要求1-14中的任一项所述的方法。
