1.本技术涉及牙科根尖片技术领域，具体而言，涉及一种牙科根尖片虚拟教学系统及虚拟根尖片的获取方法。
背景技术：2.根尖片是通过牙片机拍摄的x光片，可以有效地帮助牙科医生诊断牙科病症，包括牙齿龋坏、根尖周炎、牙周炎等疾病都在根尖片上有对应的影像学表现。目前我国大部分医院和诊所使用的根尖片投影方式为分角线投照法(angle-bisecting technique)。该方法的原理是：由于口腔是一个狭小而无法直视的空间，因此一般来说很难确定患者口内每颗牙的角度，因此胶片很难做到与牙齿平行，而是会呈一个夹角。因此当x射线球管的中心线垂直于这个夹角的角平分线时，构成了一个等腰三角形，牙齿实际长度就和胶片上牙齿的投影长度相等，即分角线投照的原理。
3.根尖片作为临床上最常用的影像辅助诊断方法，每位牙科医生都必须掌握分角线投照技术，所以根尖片拍摄教学和考核就非常重要。但是由于x线放射对人体健康存在放射性，并且分角线技术本身就需要大量经验的积累。长期以来，分角线投照技术的学习和考核就是一个难题。在传统方法中，医学生只能机械式地记忆经验角，并且受到x射线的限制而无法大量练习，且没有直接图像反馈，导致学习效率很低。
4.针对相关技术中，医学生在根尖片学习过程中因受到x射线的限制而无法大量练习，且没有直接图像反馈，导致学习效率很低的问题，相关技术中尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：5.本技术实施例提供了一种牙科根尖片虚拟教学系统及虚拟根尖片的获取方法，以至少解决相关技术中医学生在根尖片学习过程中因受到x射线的限制而无法大量练习，且没有直接图像反馈，导致学习效率很低的问题。
6.在本技术的一个实施例中，提出了一种牙科根尖片虚拟教学系统，包括工作站和牙片机，其中，所述牙片机包括安装板、立柱、头部固定装置、五轴机械臂、球管和座椅，所述立柱设置在所述安装板上方，所述头部固定装置和所述座椅分别固定安装于所述立柱的上下位置，所述五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，所述五轴机械臂的两端分别连接所述立柱的顶部和所述球管；所述工作站与所述牙片机通信连接，以使所述牙片机通过所述球管对牙列模型中的标准牙进行定位，产生所述标准牙在虚拟平面的虚拟投影图像数据，并将所述虚拟投影图像数据发送到所述工作站进行渲染，得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片。
7.在一实施例中，所述五轴机械臂包括：第一关节模组，设置在所述立柱与第一连杆之间；第二关节模组，设置在所述第一连杆和第二连杆之间；第三关节模组，设置在所述第二连杆和第三连杆之间；第四关节模组，设置在所述第三连杆和第四连杆之间；第五关节模
组，设置在所述第四连杆和第五连杆之间，所述第五连杆连接所述球管；其中，每个所述关节模组内包含一多圈绝对值编码器，配置为获取对应所述关节模组的转动圈数。
8.在一实施例中，所述系统还包括：可编程逻辑控制器plc和交换机，依次设置在所述牙片机和所述工作站之间，其中，每个所述关节模组的转动圈数通过所述plc发送到所述交换机，然后通过所述交换机发送到所述工作站，所述工作站根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵，进而渲染得到对应的所述虚拟根尖片。
9.在一实施例中，所述牙片机还包括：脚轮，安装在所述安装板的下方。
10.在本技术的另一个实施例中，还提供了一种虚拟根尖片的获取方法，包括：获取牙列模型不同角度的初始渲染图像；通过牙片机的球管拍摄所述牙列模型在预设位置的图像，其中，所述牙片机包括五轴机械臂，所述五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，所述五轴机械臂的端部连接所述球管；根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵；根据所述牙列模型在球管坐标系下的坐标、所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵、球管的空间姿态和欧拉角，结合所述牙列模型的初始渲染图像，得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片。
11.在一实施例中，所述根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵，包括：根据每个所述关节模组的转动圈数确定每个所述关节模组的转动角度；通过机械臂dh坐标系和变换矩阵确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵。
12.在一实施例中，在得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片之后，所述方法还包括：确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，其中，所述真实x光片为使用x光机拍摄的所述牙列模型的 x光片，所述x光机在拍摄所述真实x光片时，与所述牙片机在拍摄所述虚拟根尖片时的所述牙列模型的放置位置和球管角度保持一致；在确定存在偏差时，根据所述真实x光片和所述虚拟根尖片的偏差调整所述牙列模型的放置位置和所述球管角度。
13.在一实施例中，所述确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，包括：将所述x光机的每个关节模组的转动角度和所述牙片机的每个所述关节模组的转动角度保持一致；同时操作所述x光机和所述牙片机，得到所述真实x光片和所述虚拟根尖片；对比真实x光片和所述虚拟根尖片中的牙根长度和总体轮廓偏移程度；在所述牙根长度的差异大于1mm或所述总体轮廓偏移程度的差异大于或等于0.2时，确定所述真实x光片和所述虚拟根尖片之间存在偏差。
14.在本技术的一个实施例中，还提出了一种计算机可读的存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
15.在本技术的一个实施例中，还提出了一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征
在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
16.通过本技术实施例，提出了一种牙科根尖片虚拟教学系统，包括工作站和牙片机，其中，牙片机包括安装板、立柱、头部固定装置、五轴机械臂、球管和座椅，立柱设置在安装板上方，头部固定装置和座椅分别固定安装于立柱的上下位置，五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂的两端分别连接立柱的顶部和球管；工作站与牙片机通信连接，以使牙片机通过球管对牙列模型中的标准牙进行定位，产生标准牙在虚拟平面的虚拟投影图像数据，并将虚拟投影图像数据发送到工作站进行渲染，得到牙列模型对应的虚拟根尖片，解决了传统根尖片分角线投照教学中存在x射线辐射、无直接图像反馈、学习效率低等问题，本技术实施例提供的牙科根尖片虚拟教学系统通过五轴机械臂(多连杆多关节)的设置，可以在学生操作牙片机教学平台时，实时渲染出准确度极高、精度达千分之一度的虚拟根尖片，极大提高了学生在学习分角线投照技术时的学习效率，并且避免了x射线的危害。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本技术实施例的一种可选的牙科根尖片虚拟教学系统的整体结构示意图；
19.图2是根据本技术实施例的一种可选的牙片机结构示意图；
20.图3是根据本技术实施例的一种可选的五轴机械臂结构示意图；
21.图4是根据本技术实施例的一种可选的第一关节模组内部结构示意图；
22.图5是根据本技术实施例的一种可选的机械臂坐标系示意图；
23.图6是根据本技术实施例的一种可选的虚拟根尖片的获取方法流程图；
24.图7是根据本技术实施例的一种可选的电子装置结构示意图。
25.附图标记说明
26.1，工作站；2，牙片机；3，脚轮；4，安装板；5，立柱；6，头部固定装置；7，五轴机械臂；8，球管；9，座椅；701，第一连杆；702，第二连杆；703，第三连杆；704，第四连杆；705，第五连杆；706，第一关节模组；707，第二关节模组；708，第三关节模组； 709，第四关节模组；710，第五关节模组；7061，法兰盘；7062，传动轴；7063，卡簧；7064，轴承；7065，固定外壳；7066，第一连接板；7067，多圈绝对值编码器；7068，固定杆；7069，阻尼轴； 70610，第二连接板。
具体实施方式
27.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
32.为使本技术的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术的保护范围。
33.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。贯穿本说明书中，相同或相似的附图标号代表相同或相似的结构、元件或流程。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.本技术中所用的术语“包括”及其任何衍生词，意图在于覆盖不排他的包含。
35.除非有明确定义，本技术中当一元件被称为“连接于”另一个元件，它可以直接连接/固定于另一个元件，也可以存在居中的元件。
36.如图1、2所示，本技术实施例提供了一种牙科根尖片虚拟教学系统，包括：工作站1牙片机2其中，牙片机包括安装板4、立柱5、头部固定装置6、五轴机械臂7、球管8和座椅9，立柱5设置在安装板4上方，头部固定装置6和座椅9分别固定安装于立柱5的上下位置，五轴机械臂7包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂 7的两端分别连接立柱5的顶部和球管8；工作站1与牙片机2通信连接，以使牙片机2通过球管8对牙列模型中的标准牙进行定位，产生标准牙在虚拟平面的虚拟投影图像数据，并将虚拟投影图像数据发送到工作站1进行渲染，得到牙列模型对应的虚拟根尖片。为了方便移动，还可以在安装板4下方安装脚轮。其中，牙列模型可以是提前制作好的3d模型，标准牙可以理解为牙列模型中的牙齿形态符合通用的标准要求。
37.头部固定装置6和座椅9用于将教学头模进行固定以便进行拍摄，在本技术实施例的牙科根尖片虚拟教学系统，使用牙列模型进行拍摄，可以不涉及真人拍摄。
38.如图3、图4和图5所示，在一实施例中，五轴机械臂包括：第一关节模组706(关节1)，设置在立柱5与第一连杆701(连杆1) 之间；第二关节模组707(关节2)，设置在第一连杆701和第二连杆702(连杆2)之间；第三关节模组708(关节3)，设置在第二连杆702和第三连杆703(连杆3)之间；第四关节模组709(关节 4)，设置在第三连杆703和第四连杆704(连杆4)之间；第五关节模组710(关节5)，设置在第四连杆704和第五连杆705之间，第五连杆705(连杆5)连接球管；其中，每个关节模组内包含一多圈绝对值编码器，配置为获取对应关节模组的转动圈数。
39.在一实施例中，所述系统还包括：可编程逻辑控制器plc和交换机，依次设置在牙片机2和工作站1之间，其中，每个关节模组的转动圈数通过plc发送到交换机，然后通过交换机发送到工作站 1，工作站1根据每个所述11关节模组的转动圈数、每个所述11关节模组的长度、每个所述11连杆的长度以及所述11牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵，进而渲染得到对应的虚拟根尖片。
40.以第一关节模组706为例，本技术中的关节模组包括：法兰盘 7061，用于与下一级连杆相连，传动轴7062，卡簧7063，轴承7064，固定外壳7065，第一连接板7066，多圈绝对值编码器7067，固定杆 7068，阻尼轴7069，第二连接板70610。其中，多圈绝对值编码器是核心部件，其精度可达到19bit，通过计算转动圈数可以得到每个关节模组转动的角度，从而方便进行机械臂各坐标系的转换，不仅避免了现有的红外脉冲系统容易受阻挡失去定位的缺点，并且角度的精度也大大提高，可轻松达到千分之一度以下的精度。
41.在本技术的另一个实施例中，还提供了一种虚拟根尖片的获取方法，如图6所示，包括：
42.步骤s602，获取牙列模型不同角度的初始渲染图像；
43.步骤s604，通过牙片机的球管拍摄牙列模型在预设位置的图像，其中，牙片机包括五轴机械臂，五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂的端部连接球管；
44.步骤s606，根据每个关节模组的转动圈数、每个关节模组的长度、每个连杆的长度以及牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵；
45.步骤s608，根据牙列模型在球管坐标系下的坐标、世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵、球管的空间姿态和欧拉角，结合牙列模型的初始渲染图像，得到牙列模型对应的虚拟根尖片。其中，欧拉角是用来唯一确定定点转动刚体位置的三个一组独立角参量，简单来说就是物体绕坐标系三个坐标轴(x，y，z轴)的旋转角度。
46.在一实施例中，在得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片之后，所述方法还包括：确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，其中，所述真实x光片为使用x光机拍摄的所述牙列模型的 x光片，所述x光机在拍摄所述真实x光片时，与所述牙片机在拍摄所述虚拟根尖片时的所述牙列模型的放置位置和球管角度均保持一致；在确定存在偏差时，根据所述真实x光片和所述虚拟根尖片的偏差调整牙列模型的放置位置和球管角度。其中，牙列模型的放置位置可以理解为激光指示器或x线中心线所对准的体表标志点，球管角度可以理解为球管在空间坐标系中xyz轴的角度。比较虚拟根尖片与真实根尖片需要控制变量，虚拟机球管上绑定了一个激光指示器，模拟x射线中心线，拍摄根尖片时要确定x射线中心
线在牙齿上的投影位置。
47.在一实施例中，所述确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，包括：将所述x光机的每个关节模组的转动角度和所述牙片机的每个所述关节模组的转动角度保持一致；同时操作所述 x光机和所述牙片机，得到所述真实x光片和所述虚拟根尖片；对比真实x光片和所述虚拟根尖片中的牙根长度和总体轮廓偏移程度；在所述牙根长度的差异大于1mm或所述总体轮廓偏移程度的差异大于或等于0.2时，确定所述真实x光片和所述虚拟根尖片之间存在偏差。
48.具体的，上述方法可以通过以下步骤实现：
49.步骤一、虚拟平面牙投影图像的三维模型建立。
50.在口腔颌面影像学中，x射线影像的特征可以作为一种“纹理”进行处理，这样的话我们就能将三维模型的某一个截面处理为添加了“x射线纹理”的二维影像，这也是我们模拟根尖片的最核心思路。具体步骤如下：
51.1)灌制牙列模型，将带有牙髓空腔的树脂牙齿放置在牙列阴模中对应位置(17-27，37-47)，将超硬石膏粉、水混合后加入到阴模中，震动，赶出多余气泡，静置25-30分钟，得到按照标准模型排列的上下牙列模型一副。
52.2)cbct扫描：使用cbct机器(newtom vgi evo)扫描上下牙列模型，导出相应的dicom文件。cbct就是cone beam ct的简称，即锥形束ct。顾名思义是锥形束投照计算机重组断层影像设备，其原理是x线发生器以较低的射线量(通常球管电流在10毫安左右) 围绕投照体做环形dr(数字式投照)。然后将围绕投照体多次(180次
‑ꢀ
360次，依产品不同而异)数字投照后"交集"中所获得的数据在计算机中"重建，reconstruction"后进而获得三维图像。
53.3)三维重建：使用mimics medical 21.0对得到的dcm文件进行三维重建，去除石膏模型中的气泡并提取其中的牙列(包括牙髓腔)。提取后牙列模型储存为stl格式，使用meshmixer软件进行分离壳体等处理，得到包含牙髓腔的牙列模型(可3d打印)。
54.4)图像预渲染：在blender软件中，将牙齿模型按照一定方式摆放，相机朝向为射线入射方向，相机设置为正交投影(即没有近大远小的效果)，参考实际根尖片图像，为模型手动绘制纹理，并设置模型的材质透明度，牙髓腔和外壳的材质反射光颜色不同，牙髓腔部分反射深色，外壳反射白色，使用python脚本控制渲染过程，变换角度，根据角度值和上面的原理图，计算出牙齿模型需要缩放的比例，然后进行渲染，将所有角度的图片渲染后保存到本地，写 exe程序根据输入的角度找到对应图片并显示并将图片连成视频。
55.步骤二、机械臂dh空间坐标系建立。
56.组装后的新型牙片机根尖片虚拟平台可以视作一个有五个关节的rrrrr机械臂(五轴机械臂)系统，具体见图。牙列模型固定于世界坐标系的某点不动，牙列模型的坐标m0在世界坐标系下已知，通过不同连杆坐标系的转换，我们最终可以计算出m0在球管坐标系(即连杆5坐标系)中的坐标以及世界坐标系和球管坐标系之间的旋转矩阵。通过旋转矩阵，牙片机虚拟教学平台的工作站可以实时计算牙列模型在球管坐标系中的坐标，并且根据空间姿态和欧拉角等数据渲染出对应的虚拟根尖片。
57.步骤三、牙片机虚拟教学平台的关节模组详解。
58.为了坐标计算的精确性，牙片机虚拟教学平台的关节必须具备以下几个特点：稳
定性、精确性、不可回弹性。为实现以上目标，其关节模组包括了几个部分：法兰盘(与下一级手臂连接)、轴承卡簧、轴承、传动轴、多圈绝对值编码器、阻尼转轴、固定外壳。其中，多圈绝对值编码器是新型牙片机虚拟教学平台的核心部件，其精度高达19bit，通过计算转动圈数可以得到每个关节转动的角度，从而方便进行机械臂各坐标系的转换，不仅避免了上一代红外脉冲系统容易受阻挡失去定位的缺点，并且角度的精度也大大提高，可轻松达到千分之一度以下的精度。
59.图5是根据本技术实施例的一种可选的机械臂坐标系示意图，图5中的各参数的描述对应如下表1。
60.表1
[0061][0062][0063]
在一实施例中，根据每个关节模组的转动圈数、每个关节模组的长度、每个连杆的长度以及牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵，包括：根据每个关节模组的转动圈数确定每个关节模组的转动角度；通过机械臂dh坐标系和变换矩阵确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵。m0在牙列模型参考系中是原点(0，0)，在世界坐标系中因为牙列模型是不动的，根据它与基座标系原点(机器立柱)之间的距离确定在世界坐标系中的坐标。
[0064]
dh坐标系参数表：θi代表坐标系{o
i-1
}和坐标系{oi}之间x轴的夹角；di代表坐标系{oi}想对于坐标系{o
i-1
}在z
i-1
轴方向的偏移量；αi代表连杆i的驱动轴和传动轴之间的夹角；ai代表连杆i的数学意义上的长度。各参数对应的值如下表2所示：
[0065]
表2
[0066][0067][0068]
根据变换矩阵
[0069][0070]
得出各个连杆坐标系的变换矩阵：
[0071][0072][0073][0074][0075][0076]
在已知牙列模型坐标系原点m0在世界坐标系下的坐标，求m0 在教学机末端坐标系即连杆坐标系5下的坐标旋转矩阵如下：
[0077][0078][0079]
其中h0是教学机金属立柱的高度(关节1到地面的垂直高度)。
[0080]
牙列模型固定在桌面不动，其坐标系为牙列模型坐标系{m}。牙科教学平台本体是一个五轴的rrrrr机械手臂，各关节的转动角度和关节长度如图5所示。最终的计算目标是计算出球管坐标系 (即连杆5坐标系)中牙列模型的坐标，并且通过该坐标和其旋转矩阵可以渲染出对应牙位的虚拟根尖片。
[0081]
步骤四、不同牙位虚拟投影图像一致性评价。
[0082]
在评价根尖片图像质量时，国际上一般采用以下几个标准，如 1)图像是否拉伸或缩短2)患牙图像是否在根尖片中央3)患牙是否与邻牙发生重叠4)胶片是否曝光完全等，同样地，对不同牙位的虚拟根尖片也需要进行质量评价，为了模拟学生在练习时出现的各种情况，比如垂直角过大/过小造成的图像变形，牙齿图像重叠等，必须确保虚拟牙片机可以完全模拟与现实牙片机一致的情况，在实际使用此机器进行根尖片训练之前，需要确定这种模拟是否可以与真正的牙科x射线机完全相同地工作，如果和x射线机之间存在明显的偏差，则对于牙科x射线训练将是无效的，或者由于重复错误的操作而变得更糟，为了将新型的牙片机教学平台与原始机器进行全面比较，需要确保在相同条件下，渲染图像和x射线图像之间不会有差异，因此，需要为两台机器设置完全相同的环境，这意味着两台机器必须设置为相同的位置，相同的角度和相同的姿势，尤其是同时控制x，y和z轴上的角度。在控制角度前提下，对比真实x 光片和虚拟根尖片的差异。为了对比差异，本技术实施例采用了控制投照角度的前提下，比较相同牙位的牙齿长度和轮廓差异系数等参数。
[0083]
具体比较方法为：
[0084]
以下所有设备和相关实验均在标准的辐射防护室中进行。在进行根尖片投照时，操作人员必须使用辐射防护装置；
[0085]
此步骤的基本要素是每个轴的角度必须尽可能精确(误差必须小于1度)，完成这些步骤后，操作员将关闭防辐射室的门，并将控制器用于两台机器，并同时按下曝光按钮。一秒钟之内，可以从计算机上获得渲染的图像，然后，操作员将放置在牙科x光机上的 ip板放入图像读取机中。因此，可以比较这两个图像，为了进行科学比较，主要考虑以下两个参数：牙根长度和总体轮廓偏移程度。总样本包括12个不同的牙齿，分为以下几组：中切牙，后切牙，切牙，前磨牙和磨牙，口内射线照相由一名口腔医学研究生完成，使用的机器分别是新型的牙片机教学平台以及一台工作电压为70kv，工作电流为7ma的mayo m机器，磨牙和前磨牙的曝光时间为 0.20s，而前牙的曝光时间为0.14s，
[0086]
使用开源图像查看器horos软件对牙齿长度进行了测量，最小单位为0.1mm，使用horos中的长度测量工具测量从颊尖到影像学根尖的距离，如果是双根和三根牙，则测量到最长根的顶点，记录通过测得的参考齿长后，将两台机器测得的齿长进行成对比较，将测得的牙根长度小于1.0mm的差异视为两台机器之间的偏差。
[0087]
使用opencv中的matchshape()函数对不同牙位的轮廓差异进行比较。认为轮廓差异系数小于0.2(accuracy》80％)为无明显差异。
[0088]
步骤五、虚拟牙片机的功能模块集成。
[0089]
各关节的圈数编码器将会通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller，简称为plc)发送到微型网络交换机，最终通过教学平台中的小型工作站实时计算出球管坐标系的旋转矩阵和牙列模型在球管坐标系的对应坐标，并通过软件进行对应虚拟根尖片的渲染。
[0090]
传统根尖片分角线投照教学中存在x射线辐射、无直接图像反馈、学习效率低等问题，本技术通过机械臂(多连杆关节)以及圈数编码器的方式，可以在学生操作牙片机教学平台时，实时渲染出准确度极高、精度达千分之一度的虚拟根尖片，极大提高了学生在学习分角线投照技术时的学习效率，并且避免了x射线的危害。
[0091]
现有技术中的lighthouse红外定位系统中存在红外脉冲易受到障碍物阻挡，即人体可能会影响红外脉冲的发出和接收，导致系统故障；同时红外定位系统需要确定坐标系的原点并进行校正，对于非专业人员来说校正时间较长，次数较多，操作较困难。与上一代基于红外脉冲定位的lighthouse系统不同，本技术中的新型牙片机根尖片教学平台采用了新一代的机械定位方法，操作既简单直接，同时结果准确性提升。
[0092]
与上一代基于lighthouse红外脉冲定位相比，本技术中的牙科根尖片虚拟教学系统在牙齿长度和轮廓差异系数等参数上更接近于真实根尖片，如下表3所示。
[0093]
表3
[0094][0095]
根据本技术实施例的又一个方面，还提供了一种用于实施上述虚拟根尖片的获取方法的电子装置，上述电子装置可以但不限于应用于服务器中。如图7所示，该电子装置包括存储器702和处理器 704，该存储器702中存储有计算机程序，该处理器704被设置为通过计算机程序执行上述任一项方法实施例中的步骤。
[0096]
可选地，在本实施例中，上述电子装置可以位于计算机网络的多个网络设备中的至少一个网络设备。
[0097]
可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
[0098]
s1，获取牙列模型不同角度的初始渲染图像；
[0099]
s2，通过牙片机的球管拍摄牙列模型在预设位置的图像，其中，牙片机包括五轴机械臂，五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂的端部连接球管；
[0100]
s3，根据每个关节模组的转动圈数、每个关节模组的长度、每个连杆的长度以及牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵；
[0101]
s4，根据牙列模型在球管坐标系下的坐标、世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵、空间姿态和欧拉角，结合牙列模型的初始渲染图像，得到牙列模型对应的虚拟根尖片。
[0102]
可选地，本领域普通技术人员可以理解，图7所示的结构仅为示意，电子装置也可以是智能手机(如android手机、ios手机等)、平板电脑、掌上电脑以及移动互联网设备(mobile internet devices，mid)、pad等终端设备。图7其并不对上述电子装置的结构造成限定。例如，电子装置还可包括比图7中所示更多或者更少的组件 (如网络接口等)，或者具有与图7所示不同的配置。
[0103]
其中，存储器702可用于存储软件程序以及模块，如本技术实施例中的虚拟根尖片的获取方法和装置对应的程序指令/模块，处理器704通过运行存储在存储器702内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的虚拟根尖片的获取方
法。存储器702可包括高速随机存储器，还可以包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器702可进一步包括相对于处理器704 远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。其中，存储器702具体可以但不限于用于储存虚拟根尖片的获取方法的程序步骤。
[0104]
可选地，上述的传输装置706用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括有线网络及无线网络。在一个实例中，传输装置706包括一个网络适配器(network interfacecontroller，nic)，其可通过网线与其他网络设备与路由器相连从而可与互联网或局域网进行通讯。在一个实例中，传输装置906为射频(radio frequency，rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
[0105]
此外，上述电子装置还包括：显示器708，用于显示虚拟根尖片的获取过程；和连接总线710，用于连接上述电子装置中的各个模块部件。
[0106]
本技术的实施例还提供了一种计算机可读的存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
[0107]
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
[0108]
s1，获取牙列模型不同角度的初始渲染图像；
[0109]
s2，通过牙片机的球管拍摄牙列模型在预设位置的图像，其中，牙片机包括五轴机械臂，五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂的端部连接球管；
[0110]
s3，根据每个关节模组的转动圈数、每个关节模组的长度、每个连杆的长度以及牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定牙列模型在球管坐标系下的坐标以及世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵；
[0111]
s4，根据牙列模型在球管坐标系下的坐标、世界坐标系与球管坐标系之间的旋转矩阵、空间姿态和欧拉角，结合牙列模型的初始渲染图像，得到牙列模型对应的虚拟根尖片。
[0112]
可选地，存储介质还被设置为存储用于执行上述实施例中的方法中所包括的步骤的计算机程序，本实施例中对此不再赘述。
[0113]
可选地，在本实施例中，本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令终端设备相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory， rom)、随机存取器(random access memory，ram)、磁盘或光盘等。
[0114]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0115]
上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
[0116]
在本技术的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有
详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0117]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0118]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0119]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0120]
以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。
技术特征：1.一种牙科根尖片虚拟教学系统，其特征在于，包括工作站和牙片机，其中，所述牙片机包括安装板、立柱、头部固定装置、五轴机械臂、球管和座椅，所述立柱设置在所述安装板上方，所述头部固定装置和所述座椅分别固定安装于所述立柱的上下位置，所述五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，所述五轴机械臂的两端分别连接所述立柱的顶部和所述球管；所述工作站与所述牙片机通信连接，以使所述牙片机通过所述球管对牙列模型中的标准牙进行定位，产生所述标准牙在虚拟平面的虚拟投影图像数据，并将所述虚拟投影图像数据发送到所述工作站进行渲染，得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述五轴机械臂包括：第一关节模组，设置在所述立柱与第一连杆之间；第二关节模组，设置在所述第一连杆和第二连杆之间；第三关节模组，设置在所述第二连杆和第三连杆之间；第四关节模组，设置在所述第三连杆和第四连杆之间；第五关节模组，设置在所述第四连杆和第五连杆之间，所述第五连杆连接所述球管；其中，每个所述关节模组内包含一多圈绝对值编码器，配置为获取对应所述关节模组的转动圈数。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：可编程逻辑控制器plc和交换机，依次设置在所述牙片机和所述工作站之间，其中，每个所述关节模组的转动圈数通过所述plc发送到所述交换机，然后通过所述交换机发送到所述工作站，所述工作站根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵，进而渲染得到对应的所述虚拟根尖片。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述牙片机还包括：脚轮，安装在所述安装板的下方。5.一种虚拟根尖片的获取方法，其特征在于，包括：获取牙列模型不同角度的初始渲染图像；通过牙片机的球管拍摄所述牙列模型在预设位置的图像，其中，所述牙片机包括五轴机械臂，所述五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，所述五轴机械臂的端部连接所述球管；根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵；根据所述牙列模型在球管坐标系下的坐标、所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵、球管的空间姿态和欧拉角，结合所述牙列模型的初始渲染图像，得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据每个所述关节模组的转动圈数、每个所述关节模组的长度、每个所述连杆的长度以及所述牙列模型在世界坐标系下的坐标，确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵，包括：
根据每个所述关节模组的转动圈数确定每个所述关节模组的转动角度；通过机械臂dh坐标系和变换矩阵确定所述牙列模型在球管坐标系下的坐标以及所述世界坐标系与所述球管坐标系之间的旋转矩阵。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在得到所述牙列模型对应的虚拟根尖片之后，所述方法还包括：确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，其中，所述真实x光片为使用x光机拍摄的所述牙列模型的x光片，所述x光机在拍摄所述真实x光片时，与所述牙片机在拍摄所述虚拟根尖片时的所述牙列模型的放置位置和球管角度保持一致；在确定存在偏差时，根据所述真实x光片和所述虚拟根尖片的偏差调整所述牙列模型的放置位置和所述球管角度。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定真实x光片和所述虚拟根尖片之间是否存在偏差，包括：将所述x光机的每个关节模组的转动角度和所述牙片机的每个所述关节模组的转动角度保持一致；同时操作所述x光机和所述牙片机，得到所述真实x光片和所述虚拟根尖片；对比真实x光片和所述虚拟根尖片中的牙根长度和总体轮廓偏移程度；在所述牙根长度的差异大于1mm或所述总体轮廓偏移程度的差异大于或等于0.2时，确定所述真实x光片和所述虚拟根尖片之间存在偏差。9.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求5至8任一项中所述的方法。10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求5至8任一项中所述的方法。
技术总结本申请实施例提供了一种牙科根尖片虚拟教学系统及虚拟根尖片的获取方法，所述系统包括工作站和牙片机，其中，牙片机包括安装板、立柱、头部固定装置、五轴机械臂、球管和座椅，立柱设置在安装板上方，头部固定装置和座椅分别固定安装于立柱的上下位置，五轴机械臂包括五个关节模组和五个连杆，五轴机械臂的两端分别连接立柱的顶部和球管；工作站与牙片机通信连接，以使牙片机通过球管定位牙列模型中的标准位置牙在虚拟平面产生虚拟投影图像数据，并将图像数据发送到工作站进行渲染，得到牙列模型对应的虚拟根尖片。对应的虚拟根尖片。对应的虚拟根尖片。
技术研发人员：孙卫斌 廖倬逸 曹汛 张艺迪
受保护的技术使用者：南京九阵维医疗科技有限公司
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2022/7/5
