三维物体的三维成像的配准.pdf

本发明公开了一种设计用于牙科和相关医疗(及适当的非医疗的)应用的基于三维建模的方法和系统。数据捕获装置产生代表物体(例如牙弓)的三维表面的点云。三维识别物体尤其是设置在象场中图像清晰度低的那些区域内，且具体而言设置在显现于至少两个图像重叠部分的此类区域中，以便为三维图像处理软件提供足够的位置、角度和定向信息，实现相邻和重叠图像的高度准确的组合(或“缝合”)。这有利于相关物体或其模型(如上颌弓和下颌弓)的对准和对准后物体或模型的形成。

权利要求书
1.  一种用于构建三维模型的方法，所述三维模型合并且对准上颌牙弓和相对的下颌牙弓的三维扫描的图像数据，所述方法包括：
(a)设置与所述上颌牙弓和下颌牙弓的表面相邻的、足够允许确定那些牙弓的相应位置和定向的多个识别特征；
(b)单个地对所述牙弓进行三维扫描，以得到包含且代表所述牙弓形貌特征的三维图像数据，并捕获与所述牙弓中的每个都相关联的识别特征；
(c)以咬合关系设置所述上颌牙弓和所述下颌牙弓，并且对所述牙弓进行三维扫描以得到三维图像数据，所述三维图像数据包含也能在所述单个扫描中捕获的各个所述牙弓的所述识别特征；以及
(d)处理所述三维图像数据并构建三维模型，其中对应的上颌牙弓表示与对应的下颌牙弓表示准确地对准。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牙弓形成在患者的上颌弓和下颌弓的印模或铸型中。

3.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个识别特征位于至少一个所述弓的外部。

4.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个识别特征位于至少一个所述弓的内部。

5.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设置与所述上颌牙弓和下颌牙弓的表面相邻的、足够允许确定那些牙弓的相应位置和定向的多个识别特征包括，设置多个识别特征，这些特征在与所述弓的一个或多个牙体特征一起使用时，足以允许实现至少一个牙弓位置和定向的所述确定。

6.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个所述牙弓是缺齿的。

7.  如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个弓都不是缺齿的。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一个所述弓具有缺齿区域。

9.  一种用于构建三维图像模型的方法，所述三维模型合并且对准上部牙模型组件和相对的下部牙模型组件的三维扫描的图像数据，所述方法包括：
(a)使用三维扫描器对所述上部牙模型组件和下部牙模型组件中的每个进行三维扫描，其中至少一个所述组件具有平面特征，并且在所述扫描期间，使所述组件平面特征压靠在所述三维扫描器的平面上，所述组件也具有附加的识别特征，所述附加的识别特征在与所述平面底部特征组合时，足以确定各个组件的位置和定向；
(b)以咬合关系而将所述上部牙模型组件和所述下部牙模型组件放置成贴靠所述扫描器；
(c)对所述上部牙模型组件和下部牙模型组件进行三维扫描，以获得包含在操作(a)中被扫描的所述上部牙模型组件和所述下部牙模型组件的足够数量的所述识别特征的三维图像数据，以允许对准所述组件的图像；以及
(d)处理所述三维图像数据并从中构建三维图像模型，其中，所述上部牙模型组件的表示与所述下部牙模型组件的表示被准确地对准。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，至少一个所述附加识别特征是平面特征，并且在操作(a)中所述特征被压靠在所述扫描器的配准标记上。

11.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述配准标记与所述扫描器的平面区域垂直。

12.  如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，至少一个所述牙弓是缺齿的。

13.  如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，两个弓都是缺齿的。

14.  如权利要求13所述的方法，其特征在于，至少一个所述弓具有缺齿区域。

说明书三维物体的三维成像的配准
技术领域
本发明涉及在多个扫描图像中确定物体和特征相对位置的方法和系统，具体而言涉及医疗和牙科应用，包括要求将外科和修复装置设计和制造到能够适应单个患者解剖构造所确定的解剖构造精确维数的那些应用场合。更具体地说，它旨在尽可能精确地配准患者下颌和上颌的数字化三维扫描，或等同地它们的铸型或印模的问题。
许多外科程序涉及将以极高的精度和精确度将适合患者解剖构造所需的修复装置和其它人工装置暂时或永久性地插入患者软组织或骨组织。一个此类应用涉及口腔种植学，在植入程序中一个或多个(通常是金属的)植入体锚定物通过外科手术放置在患者颌骨内，以容纳和支撑设计用来模拟和替换患者失去的一颗或多颗天然牙齿的假体组件。众所周知，要想完全成功，植入程序必须符合现有骨结构和齿系所确定的非常严格的定位、定向和尺寸大小要求，由此要装配到外科式定位的植入体锚定物上的假体组件必须得到完美设计、定形和确定尺寸大小，以符合患者精确的构造几何形状，包括相邻牙齿的位置、形状和大小，并且必须以高精确度移到支撑植入体锚定物的主轴的精确定向。
另外，正畸和修复牙科学领域提供的许多产品和服务的发展趋势是寻求对计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的利用。例如，在牙科学中，由患者嘴部印模形成的石质或塑料铸型(stone east)通常用于提供所需的产品或服务，并且不管是患者齿系或表示患者齿系的铸型的三维(3-D)扫描都能用于为牙科CAD系统提供表示相关几何形状的数据。然而，对于此类应用，牙齿CAD建模需要上颌(或上部铸型复制品)和下颌(或下部铸型复制品)图像非常准确的对准。
满足这些苛刻要求的常规方法用于形成患者颌部和齿系的模型，所述模型的制作包括将延展性物质放置在包括整个牙弓(dental arch)的患者嘴内的牙齿上和及其周围，以产生患者齿系的所谓“印模”。在植入体和修复组件的放置是一个因素时，此印模一般在植入体锚定物外科插入后而取得。一般情况下，称为印模应对(impression coping)的参考组件附接到已插入的植入体锚定物的外端，并用于参照锚定物的位置和角向。随后，从基于所述印模的铸模形成的模型将结合所谓的“模拟”锚定物以便为患者颌部中的锚定建模，并且所述锚定物的修复装置将基于如所述形成的模型几何形状而设计和制造。
在实际应用中，上述常规程序有许多困难和缺点。牙科医师无法制作在空间和位置方面持续无误差的牙印模和模型，这已得到证实；由于此类应用中对几何形状的要求如此苛刻，因此，即使亚毫米的尺寸标注误差或1或2度的定向误差就会导致置换位置产生不可接受的应力和条件。
近年来，人们一直在尝试采用基于图像的建模技术以解决常规植入体牙科手术中的这些熟知问题。在这些尝试中，通过使用所谓三维图像处理技术和软件，能够得到患者嘴部的图像，并且重建相关区域的三维模型。根源可追溯到自十九世纪三十年代摄影术发明后的十年的照相测量法的领域是“通过记录、测量和解释摄影图像和电磁辐射能量模式和其它现象而获得有关物理物体和环境的可靠信息的艺术、科学和技术”。(美国摄影测量工程与遥感协会，1980年摄影测量手册第4版。)特别是随着具有快速处理速度和大容量内存的计算机的出现及低成本数码相机及其它图像捕获装置的出现，适用于多种虚拟建模应用的现成三维图像处理软件可轻松得到。使用此类软件后，可通过使用可用的商用产品而重构已成像主体区域(subject field)相当准确的三维模型。然而，对高精确度的特殊要求和对身体成像的物理约束使得迄今在牙科领域中一直缺少可接受的三维成像技术。一个特定问题是必需以虚拟模型形式准确重构成像场景。一般情况下，从不止一个位置对物体进行成像，因此可提供更完整的三维模型。
1998年12月22日发布，授予Carlsson等人的美国专利5,851,115描述了一种用于对嘴部进行成像以便创建患者嘴部的虚拟模型，由此可设计和制作牙体部分的摄影测量方法和系统。在根据Carlsson等人的系统中，采用了一种专用相机，包括一组反射镜以允许包含两个不同角度的立体照相图像的单次曝光。Carlsson提出的系统还要求精确知道反射镜系统创建的虚拟“透镜”的相对几何形状。为帮助软件为成像特征定位和定向，Carlsson教导了使用诸如圆圈等应用到成像区域内平面的参考标记。
1999年1月12日发布，授予van Nifteric等人的美国专利5,857,853也公开了一种基于摄影测量的方法，用于捕获制造在植入体牙科中使用的牙体置换部分所需的空间数据和定向数据。为获得摄影测量软件三角测量引擎(triangulation engine)所需的至少两个视图，vanNifteric等人的方法采用具有精确已知相对位置的多个相机，或者安装在转动支架上，可在单独但准确定义的位置之间移动的单个相机。vanNifteric等人还教导了使用识别物体和点充当摄影测量软件在坐标系内定位成像场景特征中使用的参考点。van Nifteric等人因而公开了使用包括分度标记的棒条和安装在栓上的两个球体作为识别物体。
虽然Carlsson等人和van Nefieric等人专利中公开的方法构成了重大的进步，这些方法仍有几个严重缺点和缺陷，使它们对大多数植入体牙科医师不实用。两个所述方法均要求使用高度专业并因此而昂贵的相机设备，并且两者均要求此类相机设备精确对准以便从完全已知相对透镜位置捕获多个图像。两种方法在功能上均不适合对大投影区域进行准确成像，特别是在包括具有极低特征清晰度的区域的大投影区域更是如此，这对缺齿(无齿)颌是典型的且因此在植入体牙科实践中很常见的一种状况。本发明解决了现有技术的这些缺陷，并且它提供了基于三维虚拟建模的方法，它特别针对医疗和牙科应用，它成本非常低，并且特别是在需要使用组合三维图像的应用中可提供更高的特征重构准确性。
具体而言，相对于为牙科CAD系统提供上颌和下颌相对位置的问题，现有技术方法依赖于共享一个共同特性的两种方法：第一种方法依赖在单个图像中捕获上颌和下颌两者面部表面的三维图像。上颌和下颌的分离单个的扫描随后与上颌和下颌两者面部表面图像提供的公共模板进行匹配。第二种现有技术方法依赖捕获上颌牙和下颌牙两者咬合面的“咬合记录”或印模。在捕获下颌的几何形状后，将咬合记录放置在下颌表面上，并且也对其进行扫描。上颌扫描随后与咬合记录的匹配表面图像进行匹配。
在前面段落中描述的两种现有技术方法有两个基本问题。一个问题是计算的复杂性及需要操作员通过在匹配的图像相对位置的良好初始判断来将甚至更大的计算复杂性降到最低。在患者部分或完全缺齿，缺少必需的三维信息匹配上颌和下颌扫描的情况下，出现了第二个更大的困难。此外，从咬合记录中难以得到前牙的几何形状。
在某个现有技术中，使用能够捕获表示被扫描区域三维特征的数据点云的任何合适扫描方法来扫描物体。此类扫描一般需要拍摄多个重叠图像，这些图像一起覆盖象场以包括所需目标。各种方法一般用于从这些单个的扫描中重建整个三维模型。一种此类现有技术方法使用有关模型相对于相机的位置的精确信息，为多个图像定位和定向。另外，商用三维图像处理软件产品也提供通过匹配图像的重叠区域而将离散扫描组合成单个模型的工具。适合的图像处理软件熟知的示例包括Raindrop Geomagic，Inc.在市场上销售的Studio软件。
发明内容
本文公开了一种设计用于牙科和相关医疗(及合适的非医疗)应用的三维建模方法和系统。方法和系统的一个方面在于免除对特定相机的需要，并转而允许使用可产生表示三维表面的点云的任何数据捕获装置。此类数据捕获装置例如可以是手持式或框架固定式的三维激光扫描器、普通的数码相机或实际适用于特定医疗应用的任何其它成像机构。
公开内容的另一方面是使用三维识别物体以允许三维图像处理软件自动定位并准确确定象场内物体的位置和定向。
公开内容的另一方面是在象场中图像清晰度低的那些区域内，且具体而言在显现至少两个图像重叠部分的此类区域中定位具有明确形貌的识别物体，以便为三维图像处理软件提供充分的位置、角度测量和定向信息，从而实现高度准确的相连和重叠图像组合(或“缝合”)。
公开内容的其它方面包括用于准确捕获上颌和下颌空间关系的方法，所述方法不取决于齿系的存在，因此完全可用于从甚至部分或完全缺齿的患者获得精确的CAD建模数据。在公开的方法中，非生理性识别物体或几何形状被添加到上颌和下颌，或者表示患者上颌和下颌的铸型以便精确提供准确的几何参考。
在本发明的另一方面，捕获牙模型上部和下部组件相对位置的备选方法利用这些模型组件的非牙平面三维几何形状。在此备选方法中，软件从三维扫描数据中配准确定模型的几何特征的位置，并采用所述几何特征的已知特性来精准与准确地定位与包括所有解剖构造和牙体特征的模型相关联的所有形貌特征(topographical feature)。确定几何特征的此类位置可以是每个模型组件上至少三个交叉面；此类特征可转而包括平面的组合和/或诸如在模型组件平面、球面上放置或涂饰的盘等特征，或诸如将提供模糊位置数据(每个物体6自由度)的任何其它非牙体物体。
在这些方法中，具有包括处于准确已知的或可确定的相对位置上的明确特征的已知几何形状的识别物体，被固定地定位在象场内，并且特别是在具有低特征清晰度的图像块内的区域中。识别物体的示例包括具有已知半径的一个或多个球体，及已知几何形状和尺度的一个或多个平面物体，如锥体。随后，对象场进行扫描，此类扫描有效地“全景拍摄(panning)”象场以覆盖所述象场，提供所需的几何形状。优选包括在此说明书中陈述的算法的三维图像处理软件随后用于组合扫描部件获得的三维图像数据，并确定以高精确度重构被扫描象场几何形状的虚拟三维模型。
通过在一起覆盖感兴趣的各个重叠或非重叠图像中将物理上连接的已知几何特征用作识别物体，从而可确定这些图像的相对位置和定向。本发明的此方面用于消除由已知“缝合”方法产生的不准确性的来源，这些方法会在对准扫描时导致偏差、歪曲和/或其它失真。
本发明的又一方面是一种用于构建三维模型的方法，该模型合并和对准上颌牙弓和相对的下颌牙弓的三维扫描图像数据。所述方法包括：设置与上颌和下颌牙弓表面相邻的多个识别特征，使得足以允许确定那些牙弓相应的位置和定向；分别对所述牙弓进行三维扫描以得到包含和表示所述牙弓形貌特征的三维图像数据，并捕获与每个所述牙弓相关联的识别特征；以咬合关系设置所述上颌牙弓和所述下颌牙弓，并且对所述牙弓进行三维扫描以得到包含也在所述单次扫描中捕获的每个所述牙弓识别特征的三维图像数据；以及处理所述三维图像数据并构建三维模型，其中对应的上颌牙弓表示与对应的下颌牙弓表示准确对准。牙弓可在患者上颌和下颌弓印模或铸型中形成。至少一个识别特征可位于至少一个所述弓的外部。此外，至少一个识别特征位于至少一个所述弓的内部。设置与上颌和下颌牙弓表面相邻的、足以允许确定与那些牙弓的相应位置和定向的多个识别特征可包括，设置多个识别特征，在与所述弓的一个或多个牙体特征一起使用时足以允许实现至少一个牙弓位置和定向的所述确定。至少一个所述牙弓可能缺齿，或者没有牙弓可能是缺齿的，或者至少一个所述牙弓可能具有缺齿区。
另一方面是一种用于构建三维图像模型的方法，该模型合并且对准上部牙模型组件和相对的下部牙模型组件的三维扫描图像数据。所述方法包括使用三维扫描器对所述上部和下部牙模型组件中的每个进行三维扫描，其中至少一个所述组件具有平面特征，并且在所述扫描期间，使所述组件平面特征压靠在(bear upon)所述三维扫描器平面特征上，所述组件也具有附加的识别特征，在与平面底部特征组合时足以用来确定每个组件的位置和定向；以咬合关系相对所述扫描器设置所述上部牙模型组件和所述下部牙模型组件；对所述上部和下部牙模型组件进行三维扫描，以得到包含在操作(a)中扫描的上部牙模型组件和下部牙模型组件的足够的所述识别特征的三维图像数据，允许对准所述组件的图像；以及处理所述三维图像数据并从中构建三维图像模型，其中所述上部牙模型组件的表示与所述下部牙模型组件的表示被准确地对准。至少一个所述附加的识别特征可能是平面特征，并且在扫描中，所述特征被压靠在所述扫描器的配准标记上。在一些情况下，配准标记垂直于所述扫描器的平面区域。至少一个所述牙弓可能是缺齿的，或者两个牙弓都可能是缺齿的，或者至少一个所述牙弓可能有缺齿区。
附图说明
图1是可供根据的公开方法和系统使用的第一识别物体的透视图。
图2是可供根据公开的方法和系统使用的第二识别物体的透视图。
图3是可供根据公开的方法和系统使用的第三识别物体透视图。
图4是包括第三识别物体的牙弓的透视图。
图5是包括第四识别物体的牙弓的透视图。
图6是位于表示患者上颌和下颌的铸型外部的识别物体的透视图。
图7是包括三个内部设置的识别物体的下颌铸型的视图。
图8是上颌铸型的视图，示出通过图7铸型的三个识别物体制作的印模。
图9是图8中所示铸型的视图，现在包括位于图8中可视的印模中的球体。
图10是示出特性平面(characteristic planar surface)的装配牙模型的透视图。
图11是图10牙模型下部组件的透视图。
图12是图10牙模型上部组件的透视图。
具体实施方式
现在将介绍上述方法和系统的各种方面。在介绍这些方面时，实施例将用于描述此类方法和系统的特征。应理解的是，这些实施例只作为示例示出，并且无限制目的。本发明能够以这些和众多其它形式实施。虽然这些实施例示出元件和操作的各种组件，但应意识到的是，在具有或不具有一些其它元件或操作的情况下，一些或全部此类元件或操作可以其它方式装配或实践而仍可实践本发明。
在本文使用时，某些术语或表述除非上下文使用明确指明，否则应理解为具有以下含意：“相邻”弓的表面包括直接放在弓上或者与其稍有间隔。“内部”和“外部”分别涉及嘴的内部或外部；相对于弓的内部或外部分别涉及弓U形内的区域，或沿U形弓外侧的区域。缺齿弓是没有牙齿的弓。具有缺齿区的弓有一颗或多颗牙齿和丢失一颗或颗牙齿的部分。
本发明的一个方面是一种通过使用非生理性物体作为重叠捕获图像“缝合”中的参考点，并且另外在具有低特征清晰度的视场(field ofview)中定位此类识别物体以便增强此类区域三维建模的准确性，创建被扫描视场的虚拟三维模型的方法和系统。
本发明的又一方面是一种用于获得在CAD和CAM应用中可用，特别是在必须单个扫描来自每个组件的三维数据时涉及诸如牙病患者的下颌和上颌等单个组件的相对位置的三维数据的方法和系统。所述系统和方法特别适用和旨在用于医疗和牙科应用，并且特别适合在植入体牙科和相关应用中使用。牙植入体用于支持缺失牙齿的修复。植入体固位器由牙医通过外科手术植入。这些牙植入体一般将通过基牙和冠“修复”；也就是说，在植入体固位器成功植入患者颌部后，包括基牙和冠的补充组件将附于植入的固位器，以便为患者提供患者天然牙齿的修复。
在一个方面，根据本发明一些实施例的方法和系统允许牙修复组件制造商准确地测量植入体相对于周围口腔环境的位置和定向，并由此设计和加工以极高精度和准确性定制用于患者解剖构造和现有齿系的修复组件。
在涉及牙科的应用和相关医疗应用中，此类方法和系统消除了对专用相机和相机支架的需要。相反，它们允许使用可产生表示三维表面的点云的任何数据捕获装置。此类数据捕获装置例如可以是手持式或框架固定式三维激光扫描器、普通的数码相机或实际适用于特定医疗应用的任何其它成像机构。可与本发明一起使用的图像数据捕获装置可从商业来源轻松得到，并且例如将包括三维激光扫描器，如Minolta Corporation在市场上销售的VIVID 900型扫描器。
本发明的另一方面是使用如图1-7中所示的识别物体12-26，以辅助三维图像处理软件自动定位并准确确定象场内物体的位置和定向。
本发明的又一方面是在象场中图像清晰度低的那些区域内，且具体而言在显现至少两个图像重叠部分的此类这些区域中定位具有明确形貌的识别物体，以便为成像软件提供充分的位置和定向信息，从而实现相连和重叠图像高度准确的组合(或“缝合”)。此类低特征清晰度区域的存在对缺齿状况是典型的，并因此产生了缺齿颌成像的严重问题，而本发明最先成功解决了该问题。
在实践本文教导的方案中，具有包括处于准确知道或可确定相对位置上明确特征的已知几何形状的识别物体固定地包含在象场内，并且特别是在具有低特征清晰度的图像块内的区域中。与此技术一起使用的一些识别物体实施例包括诸如图1所示物体12等物体，包括具有精确已知半径的、分别固定在带角度桩13-A、13-B和13-C上精确地已知位置的三个链接的球体12-A、12-B、12-C。识别物体的另一个有用形式是使用如图3物体16中面16-A和16-B所示的多个面，图3示出了已知尺寸的锥体多边形示例。识别物体还有的其它有用形式是如图4中18所示，在末端具有固定矩形物体的棒条、如图5中22所示，具有隔开的识别特征的精确弓形线材及如图5(其中，特征是球体)-7和图9中所示的、半径已知的简单球体。图8示出在球形物体附到上颌且印模制作后形成的印模。图4和图5示出放在上颌弓或下颌弓铸型40附近的识别物体。在图6中，识别物体是位于上颌42和下颌44印模外部的球体。
在本文教导方法的实践中，如图1-7、图9所示的识别物体被结合在象场内。就植入体牙科而论，一个或多个识别物体可固定到已通过外科手术植入患者颌部的牙植入体。每个优选的是此类识别物体包括补充牙植入体界面特征的附件特征。识别物体可通过接合件固定，接合件具有在可沿植入体固位器主轴定向的识别物体孔内可插入的螺纹轴。在视场包括患者上颌和下颌铰接铸型之处，识别物体可固定到用螺丝固定或以其它方式固定到铸型的桩。
根据另一方面，本发明包括一种用于形成牙修复领域虚拟三维模型的方法和系统。在一个方面，本发明提供用于在通过三维扫描部件获得的一个或多个扫描图像中确定识别物体和识别物体特征的相对位置，并检测三维扫描物体中已知特征的位置和定向的部件。
在另一方面，本发明包括一种利用定位在或固定到实体(即，到上颌和下颌或到表示上颌和下颌的铸型或印模)的识别物体，准确捕获诸如牙病患者上颌和下颌等两个单个实体之间的空间关系的系统和方法。
识别物体可以是原物体(或物体集)固有的但非解剖构造特征，也可以是添加到原物场的人造物。任一情况下，识别物体具有已知几何形状。使用有关识别物体已知几何形状的信息，软件允许相对于被扫描数据确定识别物体的精确位置和定向。此外，给定视场的多次扫描可以被“配准”，并且其相对位置和/或定向被精确对准，而无需任何人工干预。类似地，尤其是包括由诸如上颌和下颌或其表示铸型等两个单个扫描组件组成的视场的两个或多个物体的相对位置和定向，可通过使用每个视场的多次扫描而得到精密和高空间准确度的准确对准，其中至少一次扫描包含来自各个所述视图的识别物体。
要扫描的视场因此必须包括具有已知几何形状和尺寸的一个或多个识别特征的至少一个物体，所述特征足以完整地定义位置和/或定向。图1-7示出了这些类型物体的非限制性示例。使用三维扫描器扫描识别(位置)物体，并且经常将被扫描的数据收集为无序ASCII文本格式；然而，三维点数据(three-dimensional point)的任何收集均适用。
成像软件从被扫描的数据检测到识别物体，并且每个识别物体位置和/或定向的确定(使用其已知几何形状)也允许在被扫描数据中确定捕获的所有其它物体和特征的位置和定向。
此过程可在采用有效计算机代码的全自动过程中快速执行。例如，在用于限定位置和定向的三个球体的示例(参见图1)中，软件检测三个球体(直径已知且相互之间的距离也已知)的中心。随后，使用几何关系计算原点(origin)，并且一般将原点位置输出为三相数据点(x，y，z)。软件也可将识别物体的定向计算为两个单位向量，也可表示为三相数据点。类似的方法用于确定主体场(subject field)内由已知几何形状的其它物体限定的位置和定向，如图1-7中所示的球形、平面形、多边形、柱形和其它形状的其它物体。这样，可获得完全限定每个识别物体位置和定向的一组数据。
在三维扫描中检测已知几何形状的物体有许多可能应用。本发明主要涉及的医疗和牙科应用涉及有机表面和制造物体的组合，并且在这些应用中，以高精确度检测定位在解剖构造的视场内几何形状已知的物体的位置和定向的能力，引起了设计为此解剖构造的视场形貌而定制的组件部分的能力。
具体而言，就牙植入体而论，例如，通过将图1-3中所示识别物体之一安装到现有制造部分(即植入体本身)上，可确定患者牙弓内此部分相对于其它识别物体的确切位置和定向。此确定又允许进行虚拟装配，该装配将扫描图像和提议的替换和补充部分组合起来，以便选择并随后制造正好补充患者解剖构造状况的几何要求的替换和补充部分。此外，在缺齿区或不具有重要解剖构造特征的其它区域内放置识别缺点允许准确地配准包含识别物体的扫描。
拍摄物体的多个三维图像(例如，由于大小或模糊视图的原因)时，必需定义各个图像的相对位置和定向，以便将捕获的图像数据重新对准成原视场的完整和准确表示。为此，必须在该组图像的每个图像中捕获也在该组的下一个图像中出现的、几何形状已知的识别物体(如图1-7中所示的那些物体)。每个图像中已知物体的位置和/或定向随后可用于定位图像相对于彼此的位置以便重建原视场。
此方法也可结合和补充当前实践中的“缝合”或“配准”方法。这些方法对准多个扫描而不使用已知的几何形状，但对许多应用而言，这是不够准确。添加如图1-6中所示的、根据本发明的一个或多个识别物体的视场，这大大增强了邻接图像缝合的准确性。此外，除用作每个包括给定识别物体的邻接图像之间的相对参考点外，在具有低特征清晰度的视场的任何区域内的此类识别物体的定位将大大提高此类区域的三维建模。
具体而言，所述方法实现了牙病患者的上颌和下颌独立数字化扫描(或分别表示患者上颌和下颌的铸型的扫描)的精确关连和配准。从这些方法中形成的三维模型实现了上颌和下颌的位置和定向的准确限定，包括确定咬合特性的形貌方面的精确确定。此类三维模型随后可用于形成正确解决咬合接触及表面的最佳位置/定向的牙修复。
实现上颌和下颌相对位置准确配准的第一种方法利用图6中所示的识别组件。如图6所示，已知半径的一组三个球体24分别附在患者上颌铸型和患者下颌铸型的外部。
在上颌和下颌单个实现的数字化扫描后，捕获如图6所示的上颌和下颌上如此定位的所有球体的一次扫描或一组扫描可用于构建三维模型，该模型可准确地表示下颌和上颌及其相应特征的相应位置、定向和尺寸。
在根据本发明的、用于形成患者上颌和下颌之间铰接关系的三维模型的第二方法中，只使用单组(优选地)三个球体。如图7所示，将该组球体26定位在患者上颌或下颌弓44内，或者如图7所示，设置在表示此类弓的铸型内，并且得到该组物体在位于相对的颌元件内的柔软材料上印记的“印模”。随后对相应颌进行扫描，而“印记”表面则保持(如图8所示)以对识别物体形成的凹痕46进行成像，或者如图9所示以在凹痕内放置附加的大小一样的反射球体48后得到更好照明。
通过在一起覆盖感兴趣视场的单个、重叠或非重叠的图像中，将物理上连接的已知几何特征用作识别物体，就能够可确定这些图像的相对位置和定向。本发明的此方面用于消除由已知“缝合”方法产生的不准确性的来源，这些“缝合”方法会在对准扫描时导致偏差、歪曲和/或其它失真。图4示出此解决方案的示例：在此情况中，要对牙弓进行扫描。已知几何形状以两个尺寸已知且通过也具有已知尺寸的棒条链接的多边形形式而引入扫描，这允许检测牙齿部分的扫描的位置和/或定向。口腔内扫描必需使用小的扫描器，以便每次扫描允许只捕获一部分牙弓。
在本发明的实践中，空间信息可通过使用口腔内扫描而直接获得，并随后如上所述处理。然而如上所述，本发明可结合常规实践使用，由此得到患者齿系的印模，并且以由所述印模制作的主铸型形式复制所述齿系。在植入情况下，主铸型将包含牙植入体的相似体。根据本发明，通过使用识别物体，可以使为设计植入体要支撑的修复组件部分的目的而确定这些植入体相似体(implant analog)的位置和定向的准确性得以提高。
在本发明的另一方面，捕获牙模型上部和下部组件的相对位置及由此用于“对准”所述模型组件的备选方法，利用这些模型组件的非牙平面的三维几何形状。在此备选方法中，软件从扫描数据配准确定模型的几何特征的位置，并采用所述几何特征的已知特性来精准且准确地定位所有的形貌特征，这种特征与包括所有解剖构造和牙体特征的模型相关联。确定几何特征的此类位置可以是每个模型组件上的至少三个交叉面；此类特征可转而包括平面组合和/或诸如在模型组件平面、球面上放置或涂饰的盘等特征，或诸如是将提供模糊位置数据(每个物体6自由度)的任何其它非牙体物体。
参照图10、图11和图12，图中示出了典型的牙模型50，包括下部组件52(在图11中单独示出)和上部组件62(在图12中单独示出)。如图10-12所示，牙模型一般具有由于其制作而产生的多个平面表面(或者此类面可容易地被增加)，并且这些面提供了位置确定数据的丰富来源，这些数据可从模型扫描中获取，以用作定位与模型相关联的所有形貌特征位置的基础。
参照图11，它示出了模型50的下部组件52。下部组件52包括多个平面，以作为模型制作的人造物，或者随后创建到模型制作中并明确地用作位置确定参考特征。所述平面包括底面54(图11中看不到，但与下部牙弓55相对)、背平面56、第一(例如，右)侧面58及第二(例如，左)侧面(未示出)。类似的，图12中单独示出的上部模型组件62包括底面64(图12中看不到，但与上部牙弓65相对)、背平面66、第一侧面68A及第二侧面68B。具体而言，形成每个模型组件“底部”的平面可用作参考特征(模型组件的“底部”为与组件的牙弓表面相对的平面)。在下述示例中，下部模型组件52的底面54(在图11中单独示出)用作参考面；然而，实际上，任一模型组件的另一平面都可用作参考。类似地，为此示例选择了三个平面，但也可选择三个或更多个面或面与其它非牙体特征的组合。(一些情况下，一个或多个牙体特征甚至可用作由平面和/或其它非牙体特征增强的识别特征，。)
下部模型组件与上部模型组件的对准在此示例中通过使用每个模型组件的三个面而实现。应注意的是，在用于实现对准的这些相应模型组件的特定图像中，来自上部和下部模型的选定面不必为形成上部和下部模型组件的准确对准而以任何特定方式对准。(如果在感兴趣的面上或附近存在非平面特征，这些特征可以且一般应通过使用本领域中已知的适合处理技术而去除。)
装配的模型(图10)提供了分别装配下部模型组件(图11)和上部模型组件(图12)的单个三维图像所需的面的相对位置。从每个模型选择三个面。装配的模型在图10中示出，并且下部模型组件52在图11中示出时，下部模型52的底面54是看不到的；类似地，在图12中，上部模型组件62的底面64是看不到的。然而，每个模型组件的底面在扫描时靠在三维扫描器的参考面上，优选为与一个或多个参考标记对准，因此，在扫描中这些底面的几何定向是已知的。
由于三个图像(装配的、下部的和上部的图像)的每个图像中的底面是已知的，因此，对于上部和下部组件中的每个组件而言，只有两个附加面需要由软件来确定以便精确地确定该组件的几何形状，每个附加面在组件的单个图像和装配图像中都是可见的。类似地，为确定完全装配模型的几何形状及因此而对准上部和下部组件，必须从图10所示的图像中确定选自各模型组件的两个面，加上上部模型组件62的唯一的在前不可见、但“已知”的底面64。
例如，从下部模型组件底面54(图11中看不到)的认识和下部组件背平面56和下部组件侧面58的确定中，可确定下部模型组件52的几何形状。类似地，从上部模型组件的底面64(图12中看不到)的认识和上部组件背平面66和上部组件侧面68A或68B的确定中，可确定上部模型组件62的几何形状。假设给定上述面的位置，则可装配单个图像以匹配装配中的面的位置。
因此，要从图10所示的装配模型的图像中实现模型50的上部和下部组件的对准，则在此图像中只需确定上述四个面(每个模型组件两个面)的定向(即，上部组件的背平面56和侧面58及下部组件的背平面66和侧面68)，并且另外如图10中所示而确定上部组件底面64的定向。
也可使用不止三个面及过约束模型组件位置的解的其它物体(虽然过约束时一般可优选至少均方或类似解)。可选的，附加的参考特征可连接到模型组件表面的平面，也用作位置确定参考特征。例如，颜色与模型表面颜色差异明显的小圆盘可涂饰在任何表面上或以其它方式附到任何表面。也可在精确测量的间隔位置，将两个或多个的此类圆盘设置在同一平面上，并由此提供标量测量。