牙齿类型判断程序、牙齿类型位置判断装置及其方法

技术领域

本发明涉及牙齿类型判断程序、牙冠位置判断装置以及其方法。

背景技术

使用表示包括牙冠的形状的牙齿轮廓的牙齿类型数据是已知的。例如，已知的是，根据基于选自数据库(参见，例如专利文件1)的牙冠轮廓数据创建的处理数据，通过NC处理来制造牙冠假体，例如牙冠和桥。还已知的是，从不明数量的幸存者获得牙齿轮廓信息，以便识别由灾难、意外事故等引起的不明身份的人的身份，并将牙齿轮廓信息存储在预存数据库中(参见，例如专利文件2)。

此外，创建包括牙冠轮廓数据的口腔轮廓数据的各种技术是已知的。例如，已知的是，通过提供指定在牙排表面上的一个或更多个点的输入数据由用户辅助计算机来识别单个牙齿，容易由计算机创建牙龈边缘数据(参见，例如专利文件3)。

相关文件

专利文件1：日本特开专利文件第H9-10231号

专利文件2：日本特开专利文件第2009-50632号

专利文件3：日本特开专利文件第2014-512891号

发明内容

然而，如果通过由用户提供指定在牙排表面上的点的输入数据，由计算机识别出单个牙齿的位置，则在要存储在数据库中的牙冠轮廓数据的数目的量增加的情况下，会增加用户的工作量。

根据实施方式，目的是提供一种牙冠位置判断程序，其中，可以估计与牙冠轮廓数据相对应的牙冠的牙齿轴，而无需由用户提供指定在牙排表面上的点的输入数据。

根据一个方面，牙齿类型判断程序包括：从输入的三维轮廓数据中提取表示三维轮廓数据的表面的具有法线矢量的三维点组；提取在所提取的具有法线矢量的三维点组的任意分析目标区域中包括的点组；基于所提取的包括在分析目标区域中的点组的法线矢量方差来计算局部坐标系；获得局部坐标系中的与包括在分析目标区域中的点组中的每个点对应的单位法线矢量分布；以及参照存储与所述局部坐标系中的单位法线矢量(其对应于和牙齿类型相关联的点组中的每个点)的方向有关的分布信息的存储单元，并且估计与所获得的分布对应的牙齿类型作为分析目标区域中的牙齿类型。

根据一方面，可以估计与牙冠轮廓数据相对应的牙冠的牙齿轴，而无需由用户提供指定在牙排表面上的点的输入数据。

附图说明

图1是根据实施方式的牙齿类型判断装置的框图；

图2是由图1所示的牙齿类型判断装置执行的牙齿类型判断处理的流程图；

图3是牙齿的透视图；

图4A是示出包括在牙冠数据中的3D表面网格的示例的图；

图4B是示出与图4A所示的3D表面网格对应的3D点组的图；

图5是示出由图1所示的顶点提取单元提取的特征点的示例的图；

图6是示出计算特征点的法线矢量的处理的示例的图；

图7是示出在图2中所示的S103的处理中计算的特征点的法线矢量的示例的图；

图8是示出在图2中所示的S104的处理中计算的局部坐标系的示例的图；

图9是示出在图2中所示的S105的处理中的转换为极坐标系的特征点的法线矢量的方向的直方图；

图10A是示出二维直方图的示例的图；

图10B是示出二维直方图的另一示例的图；

图11是示出与图2所示的S104的处理相比更详细的处理的流程图；

图12A是示出在SHOT描述符中限定的X轴的示例的图；

图12B是示出针对牙冠限定的X轴的示例的图；

图13是示出针对牙冠限定的X轴和第二轴计算轴N的示例的图；

图14是示出针对牙冠限定的X轴、第二轴计算轴N以及Y轴的示例的图；以及

图15是示出针对牙冠限定的X轴、第二轴计算轴N、Y轴以及Z轴的示例的图。

具体实施方式

以下，将参照附图对牙冠位置判断装置进行描述。牙冠位置判断装置根据在局部坐标系中的顶点的法线矢量的方向的分布来估计与牙冠数据对应的牙冠的位置，在局部坐标系中的顶点的法线矢量的方向的分布是根据从表示牙冠的形状的牙冠数据中提取的顶点的法线矢量的方向的分布确定的。牙冠位置判断装置可以利用在局部坐标系中顶点的法线矢量的方向的分布来估计与牙冠相对应的牙齿的牙排的位置，不需要由用户指定在牙排表面上的点。

(根据实施方式的牙齿类型判断装置的构造和功能)

图1是根据实施方式的牙齿类型判断装置的框图。

牙齿类型判断装置1包括通信单元10、存储单元11、输入单元12、输出单元13和处理单元20。

通信单元10根据HTTP(超文本传输协议)的协议经由因特网与服务器(未示出)等进行通信。然后，通信单元10将从服务器等接收的数据提供给处理单元20。此外，通信单元10将从处理单元20提供的数据发送到服务器等。

存储单元11包括例如半导体装置、磁带装置、磁盘装置或光盘装置中至少之一。存储单元11存储用于在处理单元20中进行处理的操作系统程序、驱动器程序、应用程序、数据等。例如，存储单元11将牙齿类型判断程序存储为用于使处理单元20执行用于判断牙齿类型的牙齿类型判断处理的应用程序。可以利用已知的安装程序等将牙齿类型判断程序和牙齿轮廓数据创建程序从诸如CD-ROM、DVD-ROM等的计算机可读便携式记录介质安装在存储单元11中。

此外，存储单元11将要用于输入处理等的数据等存储为数据。此外，存储单元11可以临时存储在处理(诸如输入处理)中临时使用的数据。例如，存储单元11通过将分布信息与牙齿的类型相关联来存储与局部坐标系中的点组中的每个点对应的单位法线矢量的方向的分布信息。作为示例，存储在存储单元11中的分布信息是二维直方图。

输入单元12可以是能够输入数据的任何装置，并且可以是例如触摸面板、按键按钮等。操作者可以利用输入单元12输入字母、数字、符号等。当操作者操作时，输入单元12生成对应于该操作的信号。然后，所生成的信号作为操作者的指示被提供给处理单元20。

输出单元13可以是能够显示图像、帧等的任何装置，例如是液晶显示器或有机EL(电致发光)显示器等。输出单元13显示与从处理单元20提供的图像数据相对应的图像以及与运动图像数据对应的帧等。此外，输出单元13可以是用于允许在显示介质(诸如纸张)上打印图像、帧、字母等的输出设备。

处理单元20具有一个或更多个处理器及其外围电路。处理单元20全面地控制牙齿类型判断装置1的整体操作，并且可以是例如CPU。处理单元20基于存储在存储单元11中的程序(驱动器程序、操作系统程序、应用程序等)来执行处理。此外，处理单元20可以并行地执行程序(应用程序等)。

处理单元20包括牙冠数据获取单元21、顶点提取单元22、法线矢量计算单元23、局部坐标轴限定单元24、坐标系转换单元25、牙冠位置信息估计单元26和牙冠位置信息输出单元27。局部坐标轴限定单元24具有第一轴限定单元31、第二轴计算轴限定单元32、第二轴计算单元33和第三轴限定单元34。这些单元中的每个单元是通过由包括在处理单元20中的处理器执行的程序来实现的功能模块。可替选地，这些单元中的每个单元可以作为固件安装在牙齿类型判断装置1上。

(根据实施方式的牙齿类型判断装置的操作)

图2是由牙齿类型判断装置1进行的牙齿类型判断处理的流程图。基于预先存储在存储单元11中的程序，图2所示的牙齿类型判断处理主要由处理单元20与牙齿类型判断装置1的每个元件协作来执行。

S101的处理包括从输入的三维轮廓数据中提取表示三维轮廓数据的表面的点组的处理。S102至S107的处理包括以下处理：移动和/或旋转与特定类型的牙齿相对应的牙齿的三维轮廓数据；计算布置关系，在该布置关系中在所提取的点组的任意区域中包括的点组与牙齿的三维轮廓数据之间的误差变得最小；以及基于所计算的布置关系来估计包括在该区域中的牙齿的方向。这里，将分析目标区域设定在从用于指定牙齿的类型的目标部分起预定范围内的区域中。

首先，牙冠数据获取单元21获取表示包括顶点的牙冠的形状的牙冠数据(S101)。

图3是牙齿的透视图，图4A是示出包括在牙冠数据中的3D表面网格的示例的图，图4B是示出与图4A所示的3D表面网格对应的3D点组的图。

牙冠是整个牙齿的一部分，从牙龈呈现在外面，露出(冒出)到口腔中并被釉质覆盖。牙冠下方的部分被称为“牙根”，牙冠与牙根之间的边界线被称为“牙齿颈线”。

通过使用牙科3D扫描仪(未示出)获取牙齿类型扫描数据401作为未指定的大多数中的每一个的牙齿类型信息。作为示例，在牙科实验室、牙科诊所等获取牙齿类型扫描数据401作为牙科CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)数据。牙齿类型扫描数据401以诸如st1、ply、off和3ds等的文件格式存储在存储单元11中。牙齿类型扫描数据401是三角多边形的聚集体。3D点组数据402包括与包括在牙齿类型扫描数据401中的三角多边形的顶点对应的顶点。

接下来，顶点提取单元22均匀地(即平均地)对包括在来自聚集体的整个区域的牙齿类型扫描数据的分析目标区域中的顶点进行采样(S102)。作为示例，顶点提取单元22对包括在牙齿类型扫描数据的分析目标区域中的约20万至60万个顶点进行采样，并提取约1万个特征点。将分析目标区域设定在从用于指定牙齿的类型的目标部分起预定范围内的区域中。

图5是示出由顶点提取单元22提取的特征点的示例的图。在图5中，特征点由黑点表示。

接下来，法线矢量计算单元23计算通过S102的处理提取的特征点的法线矢量(S103)。法线矢量计算单元23通过根据多边形的面积对包括特征点的三角多边形的法线矢量的方向进行加权来计算特征点的法线矢量。换言之，局部坐标轴限定单元24基于包括在所提取的分析目标区域中的点组的法线矢量方差来计算局部坐标系。

图6是示出计算特征点的法线矢量的处理的示例的图。

特征点600是五个多边形(即第一多边形601、第二多边形602、第三多边形603、第四多边形604和第五多边形605)的顶点。第一法线矢量611是第一多边形601的法线矢量，第二法线矢量612是第二多边形602的法线矢量，第三法线矢量613是第三多边形603的法线矢量。此外，第四法线矢量614是第四多边形604的法线矢量，第五法线矢量615是第五多边形605的法线矢量。第一法线矢量611、第二法线矢量612、第三法线矢量613、第四法线矢量614和第五法线矢量615具有相同的单位长度。

法线矢量计算单元23通过用第一多边形601至第五多边形605的面积中的每个面积对第一法线矢量611至第五法线矢量615中的每一个进行加权，来计算特征点600的法线矢量610的方向。特征点600的法线矢量610具有与第一法线矢量611至第五法线矢量615的单位长度一样的单位长度。换言之，坐标系转换单元25获得与包括在局部坐标系中的分析目标区域中的点组中的每个点对应的单位法线矢量分布。

图7是示出在S103的处理中计算的特征点的法线矢量的示例的图。在S103的处理中计算特征点的法线矢量，即，根据用于计算的多边形的面积对包括特征点的三角多边形的法线矢量的方向进行加权，并且所有的法线矢量具有相同的单位长度。

接下来，对于每个特征点，局部坐标轴限定单元24基于在S103的处理中计算的法线矢量的方向的分布来限定局部坐标轴(S104)。换言之，局部坐标轴限定单元24基于所提取的包括在分析目标区域中的点组的法线矢量方差来计算局部坐标系。

图8是示出在S104的处理中计算的局部坐标系(局部参考系，LRF)的示例的图。

在局部坐标系中，X方向被限定为其中在S103的处理中计算的法线矢量的方向的分布最为多样的方向，换言之，为其中方差最大的方向。此外，Y方向是与X方向正交的方向，Z方向是与X方向和Y方向都正交的方向。

接下来，坐标系转换单元25将在S103的处理中针对每个特征点计算的特征点的法线矢量的方向转换为在S104的处理中计算的局部坐标系(S105)。换言之，坐标系转换单元25获得在局部坐标系中的与包括在分析目标区域中的点组中的每个点相对应的单位法线矢量分布。

图9是示出在S105的处理中的被转换为极坐标系的特征点的法线矢量的方向的直方图。图9所示的直方图也被称为SHOT描述符。

坐标系转换单元25可以通过将在S103的处理中计算的特征点的法线矢量中的每个的起始点描述为原点，并且将特征点的法线矢量中的每个的终点描述为球形布置的直方图，来表示特征点周围的形状。

然后，牙冠位置信息估计单元26根据在S105的处理中被转换为局部坐标系的特征点中的每个的法线矢量的方向的分布来指定表示与牙冠相对应牙齿的牙排的位置的牙冠位置信息(S106)。换言之，牙冠位置信息估计单元26参照存储单元(其存储所述局部坐标系中的对应于与牙齿类型相关联的点组中的每个点的单位法线矢量的方向的分布信息)，并且估计与所获得的分布对应的牙齿类型作为分析目标区域中的牙齿类型。作为示例，牙齿的牙排的位置对应于由表示牙排中具有牙冠的牙齿的位置的FDI(世界口腔联盟)的符号表示的编号。

牙冠位置信息估计单元26通过机器学习根据每个特征点的法线矢量的方向的分布来估计表示牙冠的位置的牙冠位置信息。换言之，当获得了许多数值的矢量数据并且在所获得的矢量数据中存在图案时，牙冠位置信息估计单元26习得该图案，并且基于所习得的图案来估计由FDI符号表示的编号。

通过以下步骤(i)至(iii)来准备牙冠位置信息估计单元26，牙冠位置信息估计单元26根据牙齿类型扫描数据来检测和指定属于由FDI符号表示的编号的牙冠部的特征点，例如：

(i)从数千个牙齿类型扫描数据中，获取由FDI符号表示的编号的牙冠的中心位置处的二维直方图。

(ii)使牙冠位置信息估计单元习得由FDI符号表示的编号与二维直方图之间的对应关系。

(iii)确认在步骤(ii)中已经习得了对应关系的牙冠位置信息估计单元26是否具有预定的检测性能。

图10A是示出二维直方图的示例的图，图10B是示出二维直方图的另一示例的图。在图10A和图10B中，水平轴和垂直轴表示在S105的处理中被转换的特征点的极坐标系的偏转角θ和

图10A示出了与由FDI符号表示的编号11对应的二维直方图的示例，图10B示出了与由FDI符号表示的编号14对应的二维直方图的示例。

然后，牙冠位置信息输出单元27输出表示在S106的处理中指定的牙冠位置信息的牙冠位置信息信号(S107)。

图11是示出比S104的处理更详细的处理的流程图。

首先，第一轴限定单元31将X轴限定为其中在法向量的方向上计算的方差变得最大的方向上的第一轴(S201)。

图12A是示出在SHOT描述符中限定的X轴的示例的图，图12B是示出针对牙冠限定的X轴的示例的图。

在图12A所示的示例中，在X轴PC1的延伸方向和与X轴PC1的延伸方向相反的方向上均存在许多法线矢量，因此X轴PC1的延伸方向是其中法线矢量方向的方差变得最大的方向。

接下来，第二轴计算轴限定单元32将用于计算第二轴的第二轴计算轴N限定在其中所计算的法线矢量方向的方差变得最小的方向上(S202)。第二轴计算轴限定单元32将第二轴计算轴N限定在其中在所计算的法线矢量方向的方差变得最小的方向上，即法线矢量的方向被平均化的方向上。第二轴计算轴N是用于确定第二轴(即Y轴)的方向的轴。

图13是示出针对牙冠限定的X轴和第二轴计算轴N的示例的图。

由于第二轴计算轴N沿着其中所计算的法线矢量方向的方差变得最小的方向延伸，所以X轴的延伸方向与第二轴计算轴N的延伸方向并不总是正交。

接下来，第二轴计算单元33根据X轴与第二轴计算轴N的外积来计算第二轴，即Y轴(S203)。第二轴计算单元33将与X轴正交并且也与第二轴计算轴N正交的方向计算为Y轴方向。

图14是示出针对牙冠限定的X轴、第二轴计算轴N以及Y轴的示例的图。Y轴在与X轴正交并且也与第二轴计算轴N正交的方向上延伸。

然后，第三轴限定单元34将Z轴限定为在与X轴和Y轴都正交的方向上的第三轴(S204)。

图15是示出针对牙冠限定的X轴、第二轴计算轴N、Y轴以及Z轴的示例的图。Z轴在与X轴正交并且也与Y轴正交的方向上延伸。

在S104的处理中，在局部坐标系的计算中，其中包括在所提取的分析目标区域中的所提取的点组的法线矢量方差变得最大的第一轴、其中方差变得最小的第二轴以及与第一轴和第二轴具有预定关系的第三轴被设定为坐标系。这里，第一轴是其中包括在分析目标区域中的所提取的点组的单位法线矢量方差变得最大的轴，第二轴是其中包括在分析目标区域中的所提取的点组的单位法线矢量方差变得最小的轴。此外，预定关系是正交关系或预定的非正交关系

(根据实施方式的牙冠位置判断装置的功能和效果)

通过利用每个特征点的法线矢量的方向的分布，牙冠位置判断装置1能够估计与牙冠对应的牙齿的牙排的位置，不需要由用户指定在牙排表面上的点，所述牙冠与牙冠数据的形状对应。

此外，牙冠位置判断装置1能够通过对包括在牙齿类型扫描数据的分析目标区域中的顶点进行采样并且提取特征点来抑制用于判断牙冠位置所需的计算量。

此外，根据牙齿轴估计装置1，通过根据多边形的面积对包括顶点的多边形的法线矢量的方向进行加权来计算顶点的法线矢量的方向，因此，法线矢量的方向是考虑包括顶点的多边形的面积而计算的。

此外，当限定了用于创建SHOT描述符的局部坐标系时，牙齿轴估计装置1将用于计算第二轴的第二轴计算轴限定在其中法线矢量的方向的方差变得最小的方向上，并且根据第一轴与第二轴计算轴的外积来计算第二轴。通过在计算第二轴时使用第二轴计算轴，可以以高再现性来创建SHOT描述符。