[发明专利]基于拟合优化的自动排牙方法和装置

权利要求书

1.一种基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取牙齿STL模型，获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；

基于所述全局坐标系和牙齿局部坐标系，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；

根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；

依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；

根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿的间距计算平移向量；

根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；

若调整后的牙列还存在边界问题，则作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。

2.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，建立全局坐标系的具体方法为：

(1)首先确定坐标原点O，原点O在中线靠近嘴唇的位置，且落在咬合面上；(2)坐标Z轴垂直咬合面，方向指向上唇、人中、鼻尖及眉间点；(3)坐标Y轴与假想的中线平行，经过上颌切牙的切缘，与左右两侧的第一磨牙近中颊尖点连线垂直；(4)坐标X轴在上颌切牙的切缘方向，指向观察者的右侧。

3.如权利要求2所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，建立牙齿局部坐标系的具体方法为：

对于前磨牙，在牙齿模型质心处建立所述牙齿局部坐标系，定义颊侧尖点名称为A、舌侧尖点名称为B、牙槽沟近中侧缘点名称为C、牙槽沟远中侧缘点名称为D，以AB两点连线方向为坐标系的j轴方向，正方向由颊侧指向舌侧；再将CD两点相连，以AB和CD叉积的直线方向为坐标系的k轴方向，正方向为咬合方向；最后以j轴和k轴叉积的直线方向为坐标系的i轴方向。

4.如权利要求3所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，设平移分量为(Δx,Δy,Δz)，旋转分量为(Δα,Δβ,Δγ)，采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量具体包括：

(1)求解平移量Δx、Δy

分别对上下颌取切牙切缘两特征点的中点、尖牙的尖点、前磨牙的颊侧尖点、磨牙的颊侧两特征点的中点，并记为点集{P_N}，将{P_N}投影至全局坐标系的XOY平面，并拟合投影点集，再计算各投影点到拟合曲线的最短距离，即可求得平移量Δx、Δy；

(2)求解平移量Δz

将点集投影至全局坐标系的YOZ平面，对投影点作拟合优化时取点P_N在z轴方向到曲线的最短距离，即可求得Δz；

(3)求解旋转量Δγ，Δα

获取牙齿局部坐标轴向量，首先求解旋转量Δγ，牙齿在咬合方向近似垂直于咬合面，因此Δγ为全局坐标系Z轴与牙齿局部坐标系k轴的夹角，即可求得旋转量Δγ；再求解Δα，分别计算各颗牙齿局部坐标系的i轴与全局坐标系X轴的夹角，以该夹角为纵坐标，以点集{P_N}的X轴坐标值为横坐标，保持X轴的坐标值不变，优化牙齿局部坐标系i轴与全局坐标系X轴的夹角的值，即可求解出Δα。

5.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿具体包括：

以第一磨牙为基准，上下颌左右两侧牙齿均从远中往近中方向逐颗选取待调整牙齿：若当前的牙齿与远中方向相邻牙齿间距符合预设时，则跳过该颗牙齿；若不符合预设，则当前牙齿选取为待调整牙齿。

6.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿的间距计算平移向量具体包括：

根据碰撞检测计算出待调整牙齿与相邻其牙齿之间的间距后，由间距大小判断往近中方向还是远中方向平移，若牙齿间距大于0.5mm，则往远中方向平移，若牙齿间距小于0mm，则往近中方向平移，确定移动方向和间距后即可确定平移向量。

7.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，根据平移向量移动待调整牙齿时，采用最速下降法迭代调整。

8.如权利要求1所述的基于拟合优化的自动排牙方法，其特征在于，在调整后的牙列还存在边界问题时，作出的整体调整方法为：

保持排列好的牙齿的旋转角度不动，根据计算的中切牙间距同时将两侧牙齿整体往近中或远中方向平移，直到中切牙间距大于0且小于0.5mm。

9.一种基于拟合优化的自动排牙装置，其特征在于，所述装置包括：

数据准备单元，用于获取牙齿STL模型以及获取牙齿特征点，建立全局坐标系和牙齿局部坐标系；

拟合优化计算单元，用于采用基于拟合优化的方法计算牙齿的平移量和旋转量；

第一移动单元，用于根据计算得到的平移量和旋转量对每颗牙齿进行移动，更新牙列数据；

碰撞检测单元，用于依次对上下颌各颗牙齿进行碰撞检测，以选取待调整牙齿；

迭代计算单元，用于根据待调整牙齿与远中方向相邻牙齿间距计算平移向量；

第二移动单元，用于根据平移向量移动待调整牙齿，更新牙列数据；

判断单元，用于在调整后的牙列还存在边界问题时，作出整体调整后输出牙列数据；若不存在边界问题，则直接输出牙列数据。