[发明专利]使用偏振条纹投影的牙齿表面成像

说明书

技术领域

本发明一般涉及使用结构光的诊断成像领域并且更具体地涉及用于使用条纹投影对牙齿及其他结构的表面进行三维成像的方法。

背景技术

条纹投影成像使用图案化的或者结构化的光以获得对各种类型的结构的表面轮廓信息。在条纹投影成像中，将干涉条纹或者光栅的线的图案从指定的方向朝对象的表面投影。来自所述表面的投影图案随后从另一个方向作为轮廓图像被查看，利用三角测量以便基于轮廓线的外观来分析表面信息。典型地将相位偏移用作条纹投影成像的一部分，在相位偏移时在空间上增量地移动所述投影图案用于在新的位置获得另外的测量，其被使用以便完成所述表面的轮廓映射并且增加所述轮廓图像中的总的分辨率。

条纹投影成像已经被有效地用于固态的、高度不透明的对象的表面轮廓成像并且已经被用于为人体的一些部分成像表面轮廓并且被用于获得关于皮肤结构的详细数据。然而，多个技术障碍已经妨碍了牙齿的条纹投影成像的有效使用。一个牙齿表面成像的特定挑战涉及牙齿半透明性。半透明的或者不完全半透明(semi-translucent)材料通常被认为对于条纹投影成像而言是特别困难的。半透明的结构中的子表面散射可以减小总的信噪比(S/N)并且偏移所述光强度，导致不精确的高度数据。另一个问题涉及各种牙齿表面的高度的反射。高度反射的材料，尤其是空心的反射结构可以有效地减小这种类型的成像的动态范围。

在条纹投影成像整体中，对比度典型地不足，且噪声作为显著的因素。为了提高对比度，许多条纹投影成像系统采取措施以减小所述轮廓图像中的噪声的数量。一般来说，对于使用条纹成像技术的精确的表面几何测量而言，重要的是获得直接从在试验中的结构的表面反射的光并且拒绝从位于所述表面以下的材料或者结构反射的光。这是通常被推荐用于半透明对象的3D表面扫描的方法。类似的方法必须被用于口内成像。

从光学的角度，牙齿自身的结构呈现对条纹投影成像的多个另外的挑战。如前所述，穿过牙齿表面以下的光趋向于在所述半透明的牙齿材料内经历显著的散射。此外，从牙齿表面以下的不透明结构(feature)的反射也可能发生，增加了使所感测的信号衰减的噪声并且因此使牙齿表面分析的任务进一步复杂。

已被尝试以使条纹投影可用于牙齿的轮廓成像的一种纠正措施是涂敷改变牙齿表面自身的反射特性的涂层。此处，为了补偿由牙齿的相对半透明性所导致的问题，多个常规的牙齿轮廓成像系统在表面轮廓成像之前将涂料或者反射粉末涂敷到牙齿表面。为了条纹投影成像的目的，该增加的步骤提高了牙齿的不透明度并且消除或者减小了前面所述的散射光效应。然而，这种类型的方法有缺陷。涂敷涂层粉末或者液体的步骤增加了牙齿轮廓成像过程的成本和时间。因为在整个牙齿表面上所述涂敷层的厚度常常是非一致的，所以测量误差易于产生。更重要地，在所涂敷的涂层促进轮廓成像的同时，其可能趋向于掩盖牙齿的其他问题并且可能因而减小可以获得的信息的总量。

然而，即使在牙齿的涂层或者其他类型的表面修整被使用的地方，由于牙齿表面的明显的轮廓，结果可能是令人失望的。可能难以提供足量的光到所有的牙齿表面上并且感测从所有的牙齿表面反射回的光。所述牙齿的不同表面可以被定向在相对于彼此90度处，使得难以引导足够的光用于准确地成像牙齿的所有部分。

已有使结构光表面轮廓成形技术适合于牙齿结构成像的问题的许多尝试。举例来说，Massen等人的题为“用于牙齿的三维测量的光探测器和方法(Optical Probe and Method for the Three-DimensionalSurveying of Teeth)”的美国专利No.5,372,502描述了使用LCD矩阵以形成用于到牙齿表面上的投影的条形图案。类似的方法由O’Keefe等人在题为“用于3D成像相机的前端(Front End for 3-D ImagingCamera)”的美国专利申请公开文本2007/0086762中描述。Trissel的题为“用于口内扫描的偏振复用器及方法(Polarizing Multiplexer andMethods for Intra-Oral Scanning)”的美国专利No.7,312,924描述了用于使用三角测量和偏振光对牙齿表面进行轮廓成形的方法，但是需要涂敷荧光涂层用于操作。类似地，Pfeiffer等人的题为“尤其为了牙科目的的用于记录表面结构的3D相机(3-D Camera for Recording SurfaceStructures，In Particular for Dental Purposes)”的美国专利No.6,885,464公开了使用三角测量的牙齿成像设备，但是也需要将不透明的粉末涂敷到牙齿表面用于成像。