專利名稱：體內(nèi)牙齒位移的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于口腔正畸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種體內(nèi)牙齒位移的測量裝置，可用于口腔臨床正畸以及牙齒的剛度實驗。
背景技術(shù)：
口腔研究和臨床中需要進行病人牙齒剛度實驗，即對牙齒加載并測量出加載位移。該測量對于口腔正畸臨床中確定矯治力的大小、判斷牙齒的松動情況，以及研究口腔正畸的機理具有重要的作用?？谇谎芯恐醒例X剛度實驗中位移測量的要求是微米精度三維測量；測量次數(shù)每秒在10次以上；測量點的載荷和位移的大小和方向都能夠準(zhǔn)確確定。當(dāng)前實現(xiàn)病人口內(nèi)牙齒剛度實驗的裝置雖有報道，但不能滿足要求。文獻“Invivo measurement of the elastic modulus of the human periodontal ligament(Yoshida N，Koga Y，Peng C L， et al. (J) Medical Engineering & Physics.2001,23(8): 567-572)”公布了 通過在人牙安裝一個鋁框，讓牙齒保持豎直方向，使用鉛塊水平加載，使用附加在牙齒上的磁強計口內(nèi)測量了牙齒位移。文獻“Biomechanicalfeatures of the periodontium:An experimental pilot study in vivo (Cronau M,Ihlow D, Kubein-Messenburg D, et al. [J]. Am J rthop. 2006, 129: 599.el3_599.e21.)”提出在人的下頜前磨牙上體外施加轉(zhuǎn)矩，通過使用鄰近牙齒上的一套光學(xué)系統(tǒng)口內(nèi)測量了牙齒的轉(zhuǎn)角。文獻“Development of a novel intraoral measurement device todetermine the biomechanical characteristics of the human periodontal ligament(Drolshagen M, Keilig L, Hasan I, et al. [J]. Journal of Biomechanics, 2011,44(11) :2136 - 2143.)”公布了一套口內(nèi)加載測量裝置(通過磁場變化測量位移)，從體外加載，測量了牙齒的受力位移。上述口內(nèi)測量方法從體外加力，力的大小受到頭部和加力裝置相對運動的影響，加載力的方向難以準(zhǔn)確確定，也難以對實驗精確建模仿真來驗證牙周膜的生物力學(xué)模型，加力方法需要改進。牙齒剛度測量中，如果用接觸式方法測量牙齒位移會改變加載的大小，無接觸方法比較理想。上述文獻中的無接觸位移測量裝置需要放在口內(nèi)，受儀器體積限制精度難以保證，造價高、不適合臨床使用。當(dāng)前已有的國內(nèi)外無接觸測量裝置為三維掃描儀和位置跟蹤儀，兩者精度在20微米以下，而牙齒的彈性位移的測量需要保證微米精度；三維掃描儀單幅掃描時間IOs以上，不能滿足測量速度的要求；位置跟蹤儀的追蹤頭(標(biāo)靶)尺寸較大，無法安裝于口內(nèi)?；陔p目視覺的立體攝影測量裝置在國內(nèi)外已經(jīng)得到較多的應(yīng)用，但大多數(shù)為大視場測量，測量精度較低；少數(shù)小視場測量裝置只能用于小物體的靜態(tài)形貌測量。對于牙齒這種尺度在厘米級、測量精度要求微米級、需要動態(tài)測量的對象上尚未有合適的儀器來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提供一種體內(nèi)牙齒位移的測量裝置，該裝置實現(xiàn)對體內(nèi)牙齒加載和位移測量，
本發(fā)明所提供的一種體內(nèi)牙齒位移的測量裝置包括體內(nèi)加力組件、體外攝影測量組件、含有圖像采集程序以及圖像處理程序的計算機以及被測位移的兩顆牙齒；所述體內(nèi)加力組件由粘接在所述兩顆牙齒7上的門字形框架6和體內(nèi)加力部件3構(gòu)成，所述體內(nèi)加力部件3安裝在門字形框架6上；所述體外攝影測量組件由兩個或以上微距攝像機9構(gòu)成，所述微距攝像機9呈直線或者一定角度排列，安裝在萬向臺架5上，所述微距攝像機9以門字型框架間隙為中心對焦；所述微距攝像機9通過數(shù)據(jù)線10與電腦8連接。所述的門字形框架6是由門字型框架左桿件I以及門字型框架右桿件2組成的門字型，所述門字型框架左桿件I和門字型框架右桿件2分別粘接到待測的兩顆牙齒7上，所述桿件為矩形截面桿，桿件材料為輕質(zhì)合金桿構(gòu)成，桿件截面寬度小于2mm，厚度小于1mm，裝配時在兩桿末段留有O. 5_以內(nèi)間隙d，該間隙d視測量需要調(diào)整，桿件經(jīng)過精密加工，表面經(jīng)過研磨，粗糙度Ra O. I以下，尺寸精度達(dá)到1、2級精度。所述體內(nèi)加力部件加力部件3安裝在門字形框架6上，體內(nèi)加力部件3為彈簧或橡皮條或者其機械、液壓電氣元件，其重量不超過兩牛頓。加力裝置在門字形框架上的安裝位置要求保證足夠的精度，如必須保證彈簧在框架上的連接點的位置精度等。所述體外攝影測量組件由兩臺或兩臺以上的微距攝像機組成，所述微距攝像機是帶微距鏡頭的攝像機或者帶攝像頭的顯微鏡，所述微距攝像機成像放大倍數(shù)O. 75-3倍，所述微距攝像機為長焦距鏡頭的微距攝像機，所述微距攝像機按直線或者一定角度安裝在萬向臺架5上，組成雙目或者多目視覺系統(tǒng)。所述計算機中含有的圖像采集程序的功能是控制多臺微距攝像機按一定周期同步攝像，將同一時刻拍攝的圖像分成一組編號，一組內(nèi)圖片根據(jù)拍攝相機也分別編號，并記錄各組圖片拍攝時刻直接保存到存儲介質(zhì)中，測量過程中不對圖像做任何處理，每秒可實現(xiàn)拍攝并保存圖片10組以上。所述的計算機中含有的圖像處理程序是基于雙目視覺原理計算測量點的三維坐標(biāo)，由測量點坐標(biāo)和框架的尺寸計算牙齒相對移動位移，該程序功能模塊包括圖像過濾降噪、二值化處理、邊緣識別、特征匹配技術(shù)圖片測量部分或全部功能外，還包括門字框架兩桿件的相對位移到牙齒相對位移的轉(zhuǎn)化計算程序。測量流程如圖3所示幾臺微距攝像機由圖像采集程序控制按一定周期同步拍攝，將拍攝圖片按時間分組保存并記錄拍攝時刻和照片對應(yīng)的相機，測量完畢后，由圖像處理程序進行計算，算出測量點的位移。本發(fā)明裝置實現(xiàn)了牙齒口內(nèi)加載和加載位移的三維動態(tài)測量，牙齒位移測量精度為微米級，測量裝置使用現(xiàn)場能高精度仿真，能夠直接測量人體牙齒在矯治力幅度作用下的三維空間位移，為確定牙周膜的力學(xué)特性奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明裝置具有以下特點
(O 口內(nèi)加載，頭部的活動不影響測量的精度。(2)將牙齒位移首先通過測量框架放大，然后使用無接觸光測方法測量，位移測量不影響力的加載，測量速度快，可以撲捉到較短時間的牙齒位移變化。(3)測量方法簡單，能夠通過數(shù)值仿真準(zhǔn)確再現(xiàn)，可靠的驗證牙周膜等模型的合理性。


圖I :本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成示意圖2 :體內(nèi)加力組件結(jié)構(gòu)示意圖3 :本發(fā)明裝置工作流程示意圖。圖中1 :門字型框架左桿件；2 門字型框架右桿件；3 :體內(nèi)加力部件；4 :框架底面；5 :萬向臺架；6 :門字型框架；7 :有間歇的兩顆牙齒；8 :計算機；9 :微距攝像機；10 數(shù)據(jù)線。
具體實施例方式選擇一名臨床患者，選擇排牙出現(xiàn)間隙或者使用分牙圈進行分牙，測量的兩顆牙之間的牙被拔除的情況最好，測量牙與其他周邊牙齒應(yīng)有2mm以上間隙。將門字型框架的左桿件I和右桿件2放置于一個平面內(nèi)，并保證頂部間隙d合乎測量要求，使用夾具固定兩者相對位置，然后將門字型框架的左桿件I和右桿件2末端4分別牢固粘接到兩顆牙上，然后去掉夾具。使用硅膠對測量的兩顆牙齒連同測力框架一同印模制成石膏模型，使用激光掃描儀進行掃描，通過逆向工程得出測量框架相對于牙齒的位置的三維數(shù)字模型，由該模型可以確定彈簧相對于牙齒的位置。使病人采取躺或者坐的姿勢，頭部可用綁帶固定，將微距攝像機對準(zhǔn)門字框架的間隙。根據(jù)測量框架上兩彈簧連接點的長度b (如圖2所示)，在測量機上篩選出一系列長度的彈簧來提供一定范圍內(nèi)的力，譬如分別選取初始長度為1cm、I. 2cm、I. 4cm、I. 6cm的彈簧來施加2N、1. 5N、1. ON、O. 5N的加載力。使用萬向臺架，將攝像頭對準(zhǔn)測量框架間隙處，把彈簧逐一掛載到測量框架上，保持10分鐘，通過圖像采集程序控制所有微距攝像機按一定時間間隔(如每隔O. Is)同步拍攝圖片，并分組存儲。一個彈簧加載后應(yīng)恢復(fù)一段足夠長的時間，使測量的組織完全恢復(fù)，然后換另一個長度的彈簧，繼續(xù)加載。直至所用彈簧加載完畢。加載完畢后，對每組圖像使用雙目視覺原理進行處理，計算出每一時刻的待測特征點的三維坐標(biāo)，并計算出待求特征點的相對距離。由測量的特征點的距離計算出加力彈簧在該測量時刻的實際長度，根據(jù)該實際長度和彈簧的初始長度，在測力計上使該彈簧拉伸到測量的實際長度，該時的測力計讀數(shù)即為彈簧實際施加的力。如果選擇剛度較小的彈簧或橡皮條，加載時長度的變化對加載力的影響較小，可以忽略。對每一彈簧加載的數(shù)據(jù)進行處理，制成該力加載下牙齒位移和時間關(guān)系的曲線，通過所有的曲線可以研究牙齒在受力加載后的位移變化情況，包括力值大小和蠕變效應(yīng)對牙齒位移的影響。通過測量前對牙頜的CT掃描，使用逆向工程方法可建立測量牙齒、牙周膜和牙槽骨的模型，通過圖像配準(zhǔn)將激光掃描的牙冠和測量框架模型和牙齒、牙周膜和牙槽骨模型組合、裝配到一起可以形成實驗中完整的仿真模型。力的加載可在框架模型相應(yīng)位置加載，通過仿真可以直接獲得測量特征點的坐標(biāo)和多個特征點的相對坐標(biāo)，從而得出牙齒的相對移動。整個實驗可以高精度仿真。測量中，通過微距鏡頭或者測量顯微鏡將測量視場小于或者等于攝像機的靶面尺
5寸，如采用1/2英寸靶面的130萬像素CXD攝像機，通過將視場調(diào)節(jié)到5mm作用，可以使得圖像中一像素對應(yīng)的實際尺寸為5微米。牙齒本身移動的最小位移在微米級，但連接長度為IOcm的測力框架，在這種加載方式下，間隙處位移在幾十個微米數(shù)量級。通過圖像處理，實現(xiàn)幾個或十幾個像素的精度是比較容易實現(xiàn)的，通過將多目視覺測量系統(tǒng)的圖像處理程序放到測量后運行，可以實現(xiàn)動態(tài)或準(zhǔn)動態(tài)測量。 該測量方法中，加載是在口內(nèi)進行的，頭部運動不影響加載，測量使用無接觸攝影測量，牙齒位移的測量不會對加力狀態(tài)產(chǎn)生影響。同時加力點、測量點相對于牙齒的位置非常明確，可以較準(zhǔn)確地反算出牙齒的實際受力和實際位移。
權(quán)利要求
1.一種體內(nèi)牙齒位移的測量裝置，其特征在于所述測量裝置包括體內(nèi)加力組件、體外攝影測量組件、含有圖像采集程序以及圖像處理程序的計算機以及被測位移的兩顆牙齒；所述體內(nèi)加力組件由粘接在所述兩顆牙齒(7)上的門字形框架(6)和體內(nèi)加力部件(3)構(gòu)成，所述體內(nèi)加力部件(3)安裝在門字形框架(6)上；所述體外攝影測量組件由兩個或以上微距攝像機(9)構(gòu)成，所述兩臺或兩臺以上的微距攝像機(9)呈直線或者一定角度排列，安裝在所述萬向臺架(5)上，所述微距攝像機(9)以門字型框架(6)的間隙為中心對焦；所述微距攝像機(9 )通過數(shù)據(jù)線(10 )與計算機(8 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述的門字形框架)(6)是由門字型框架左桿件(I)以及門字型框架右桿件(2)組成的門字型，所述門字型框架左桿件(I)和門字型框架右桿件(2)分別粘接到待測的兩顆牙齒(7)上，所述桿件為矩形截面桿，桿件材料為輕質(zhì)合金桿構(gòu)成，桿件截面寬度小于2mm,厚度小于Imm,裝配時在兩桿末段留有O. 5mm以內(nèi)間隙d，該間隙d視測量需要調(diào)整，桿件經(jīng)過精密加工，表面經(jīng)過研磨，粗糙度Ra 0.1以下，尺寸精度達(dá)到1、2級精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述的體內(nèi)加力部件(3)為彈簧或橡皮條或其機械、液壓電氣元件，其重量不超過兩牛頓，體內(nèi)加力部件(3)在門字形框架上的安裝位置要求保證足夠的精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述的體外攝影測量組件由兩臺或兩臺以上的微距攝像機組成，所述微距攝像機是帶微距鏡頭的攝像機或者帶攝像頭的顯微鏡，所述微距攝像機成像放大倍數(shù)O. 75-3倍，所述微距攝像機為長焦距鏡頭的微距攝像機，所述微距攝像機按直線或者一定角度安裝在萬向臺架5上，組成雙目或者多目視覺系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述計算機中含有的圖像采集程序的功能是控制多臺微距攝像機按一定周期同步攝像，將同一時刻拍攝的圖像分成一組編號，一組內(nèi)圖片根據(jù)拍攝相機也分別編號，并記錄各組圖片拍攝時刻直接保存到存儲介質(zhì)中，測量過程中不對圖像做任何處理，每秒可實現(xiàn)拍攝并保存圖片10組以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述的計算機中含有的圖像處理程序是基于雙目視覺原理計算測量點的三維坐標(biāo)，由測量點坐標(biāo)和框架的尺寸計算牙齒相對移動位移，該程序功能模塊包括圖像過濾降噪、二值化處理、邊緣識別、特征匹配技術(shù)圖片測量部分或全部功能外，還包括門字框架兩桿件的相對位移到牙齒相對位移的轉(zhuǎn)化計算程序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種體內(nèi)牙齒位移的測量裝置，屬于口腔正畸技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明裝置包括體內(nèi)加力組件、體外攝影測量組件、含有圖像采集程序以及圖像處理程序的計算機以及被測位移的兩顆牙齒，微距攝像機呈直線或者一定角度排列，微距攝像機以門字型框架間隙為中心對焦，微距攝像機通過數(shù)據(jù)線與電腦連接。該裝置通過無接觸測量，獲得加力組件測量端的位移，然后計算出牙齒的實際位移。該測量裝置能夠高精度測量出口內(nèi)牙齒在加載下的位移，消除頭部活動對測量帶來的影響；測量過程可以通過數(shù)值仿真準(zhǔn)確再現(xiàn)，為口腔正畸的理論研究和臨床操作提供數(shù)據(jù)。該裝置也可以用于測量牙齒的松動，以及其它高精度三維微測量場合。
文檔編號A61C19/04GK102908203SQ20121044676
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月11日
發(fā)明者魏志剛, 文國, 余曉流 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)