能触觉操作的齿科建模系统的制作方法

专利名称：能触觉操作的齿科建模系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于齿科修复体的系统和工具。更具体地，在一些实施例中本 发明涉及基于计算机的设计应用，配置为允许用户对齿科修复体中常见的不规则、无定形 的三维结构的直觉构造。
背景技术：
美国的齿科修复行业(冠、桥、局部及全部义齿)是个很大的市场，当前产生大于 七十亿美元的收入(全世界达200亿美元以上)。尽管规模大，然而齿科修复的设计和产生 主要表现为由地理分散的、零散的实验室小规模执行的低技术、手工过程。传统的齿科实验方法是劳动密集的、年代久远的，并且需要极大的手工灵巧度，在 许多任务中需要艺术技能。制造冠或桥的传统的过程(例如，形成蜡复制模，在石料中对蜡 熔模，熔出蜡，替代以熔化的金属，从石料中移出，添加陶瓷或其它材料)最初由埃及人在 3000多年前提出。许多实验室仅具有基本的固定设备，仅依靠简单的混合器、烤炉以及其对 设计和齿科修复多年的训练和熟练度。一些数字式齿科制造商已经引入了用于在数字环境下帮助实验设计修复的系统， 希望更迅速和有效地生产高精度修复物，提高实验室生产量、收益和质量。许多经销商在竞 争市场份额，更是目前可获得的系统都不能提供齿科实验室的技工容易采用的方案。数字 修复的数量仍小于总数的10%，渗透率很低。在修复齿科中普遍采用数字化方案的一些关键障碍在于这样的困难大多数技工 的经验是利用传统的用于机械设计的计算机界面，并且缺乏以允许技工利用他们的经验和 专业技术的方式来修改修复体的数字模型的直观工具。当前的工业售品要求技工发展对抽 象汲取、复杂设计程序的精通，这与他们的经验和训练大相径庭。此外，这些系统对设计齿 科弥补术的高器官性自然状态的处理不完善。需要一种齿科专业人员欢迎的一目了然、易于使用、并且易于学习的数字齿科系 统。数字齿科系统必须能产生高器官性形状，并且允许用户容易地、直观地修改这些形状， 就像他们用手在蜡模上操作一样。

发明内容
本发明的实施例提供了一种数字齿科系统，使用触觉界面，并且特征在于基于计 算机的设计应用，该设计应用被配置为允许齿科修复体中常见的不规则、无定形的三维结 构的直觉构造。基它实施例提供了用于自动地、半自动地或手动地修改修复体的各种三维 虚拟表示法的虚拟工具，允许有经验的技术进入输入和调节。
在一些实施例中，系统为齿科实验室在形成齿科修复体的业务中提供了广泛 的数字解决方案，利用通过触觉界面装置(例如Woburn，Massachusetts的knsAble Technologies, Inc.制造的knsAble PHANTOM(TM)触觉装置)提供的接触感觉，所述齿科 修复体例如是局部构架、冠、顶盖、桥构架、植入体等。在一些实施例中，齿科实验室系统为包括局部构架、冠、顶盖、桥构架、植入体等的 齿科修复体提供了整体解决方案。例如，在一个实施例中，系统包括可选的3D扫描仪、3D设 计软件、触觉(力反馈界面装置)、系统集成软件、网络和计算机硬件，并且在一些封装结构 中，包括快速成型(RP)装置或钻孔机构用于制造齿科修复体。在其它的结构中，齿科修复 体可以在加工中心制造，并且修复体可以被运到齿科实验室用于最终配合和完善。一般地，本发明的一个方面包括一种用于建立与三维齿科修复体对应的虚拟蜡对 象的系统，所述系统包括与用户界面通信的设计应用。所述设计应用包括一个或多个虚拟 上蜡工具，所述虚拟上蜡工具配置为根据用户通过所述用户界面的输入将与三维齿科修复 体对应的虚拟蜡对象建立到虚拟耐火模型上。在不同的实施例中，所述虚拟蜡对象是基于体单元占主导的，并且具有靠近边缘 线的边界表示法几何形。所述虚拟上蜡工具包括从虚拟网孔工具、虚拟脊工具、虚拟扣钩工 具、虚拟终止线工具和虚拟舌颈工具构成的组中选择的一个或多个组件。所述一个或多个 虚拟上蜡工具包括虚拟网孔工具。所述虚拟网孔工具以最小变形在虚拟耐火模型的表面的 任意的用户识别区域内建立虚拟蜡对象的三维图案化网孔部分。所述虚拟网孔工具将配合 到所述虚拟耐火模型的表面的用户限定的封闭环曲线分成四个边界曲线，NURBS修补配合 在所述边界曲线内。并且与所述三维图案化的网孔部分一起进一步建立用户限定厚度的空 间体。在不同的实施例中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟脊工具。所述虚拟脊 工具建立长的挤出蜡图案，所述挤出蜡图案具有适于形成局部构架中围绕网孔区域的终止 线和扣钩的端部锥形特征和轮廓。所述虚拟脊工具接收用户确定的作为输入的一个或多个 引导曲线、一个或多个横截面轮廓和一个或多个端部锥形参数。所述一个或多个弓丨导曲线、 一个或多个横截面轮廓和一个或多个端部锥形参数由用户从系统宽度参数选择数据库中 选择。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的触觉界面装置，并且其中，所述虚拟脊工 具包括由所述触觉界面装置传递到用户的一个或多个触觉辅助，以帮助用户形成并且/或 编辑所述一个或多个弓I导曲线、一个或多个横截面轮廓或这两者。所述一个或多个触觉辅 助包括与引导曲线的多个点中的每个对应的触觉吸合，方便用户用于调节选择所述引导曲 线的一个或多个点。所述一个或多个触觉辅助包括二维限制平面，方便轮廓点的选择和调 节以及/或对一个或多个横截面轮廓的处理。在不同的实施例中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟扣钩工具。所述虚拟 扣钩工具基于一个或多个用户选择的引导曲线、轮廓和限制端部锥形条件的参数建立简单 的环形扣钩、J形扣钩或T形扣钩。所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟终止线工具。所 述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟舌颈工具。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。所述用户界面是配置为向用 户提供力反馈的触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。所述齿 科修复体是局部构架、冠和桥、植入体、饰面、夜间护罩、咬住夹板或正畸。
对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一方面包括一种用于设计三维齿科修复体的方法，所述方法 包括以下步骤根据患者的嘴的压印制成的齿科石料的扫描形成原始3D计算机模型，或者 根据患者的嘴的直接扫描形成原始3D计算机模型；自动地、手动地或半自动地向所述原 始3D计算机模型添加虚拟挡出蜡；连接所述原始3D计算机模型和添加的所述虚拟挡出蜡 (例如，经由联合操作)，从而形成虚拟耐火模型。该方法还包括将虚拟设计蜡添加到所述 虚拟耐火模型上以限定所述齿科修复体的最终3D计算机模型；以及，可选择地，使用所述 齿科修复体的所述最终3D计算机模型制造所述三维齿科修复体。在不同的实施例中，所述方法还包括自动地识别用户可调节的边缘线。在形成虚 拟耐火模型时，在添加虚拟挡出蜡之前或之后，例如将虚拟释放蜡添加至原始3D计算机模 型，或者虚拟释放蜡被直接添加至虚拟耐火模型，但在任何情况下均在制造步骤之前。虚拟 释放蜡可以自动或手动添加。所述虚拟释放蜡校正齿科石料的扫描中的一个或多个扫描误 差并且/或防止在齿科修复体的铸造的过程中可能出现的一个或多个配合误差。所述一个 或多个扫描误差由所述齿科石料中的气泡和/或洞引起，所述一个或多个配合误差由所述 齿科石料中的高频和/或硬角引起。可使用配置为向用户提供力反馈的触觉界面装置执行 至少一个步骤。所述触觉界面装置可包括触针或至少六个自由度。所述方法还包括至少部 分基于所述3D计算机模型的几何形和所述三维齿科修复体的插入方向，向所述原始3D计 算机模型自动地添加虚拟挡出蜡。将虚拟设计蜡添加到所述虚拟耐火模型上以限定所述齿 科修复体的最终3D计算机模型可包括使用从包括克隆工具、主连接器工具、网孔工具、脊 工具、扣钩工具、终止工具和舌颈工具的组合中选择的一个或多个虚拟上蜡工具。所述最终 3D计算机模型可包括基于体单元的表示法和边界表示法。所述边界表示法可提高被识别的 边缘线和接合间隙(cement gap)的精度。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于在三维齿科修复体的设计中制备虚拟 耐火模型的设备，所述设备包括存储器，存储限定指令组的编码；以及处理器，执行所述 指令。从而处理器根据齿科石料或患者情形的扫描形成模型，向所述模型添加虚拟挡出蜡 以充填所述模型的咬边部分、所述模型的缺陷部分，更新模型以基于用户命令合并添加的 所述虚拟挡出蜡和虚拟释放蜡，从而制备虚拟耐火模型，所述虚拟耐火模型上可以建立与 所述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象。在不同的实施例中，模型是包括基于体单元的表示法和边界表示法的多表示法模 型。在添加虚拟挡出蜡的步骤之前，所述处理器执行所述指令，以通过雕刻或平滑气泡伪迹 或通过对制备牙齿挖沟改变所述模型，并且/或选择地以向所述齿科石料的扫描与/或所 述齿科石料的扫描形成的模型添加虚拟释放蜡来校正由扫描与/或铸造所述齿科石料引 起的一个或多个误差。虚拟释放蜡可以被自动地或手动地添加。误差由齿科石料中的气泡、 洞、高频和/或硬角引起。所述三维齿科修复体是从包括局部构架、冠、顶盖、桥构架、植入 体、饰面、夜间护罩、咬住夹板和正畸的组合中选择的组件。所述虚拟耐火模型包括与齿科 石料或患者情形对应的第一体构件和与添加到所述模型的虚拟挡出蜡的体对应的第二独 立体构件。所述处理器执行所述指令以进一步形成与所述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对 象。所述虚拟蜡对象被建立在所述虚拟耐火材料上。所述虚拟蜡对象是包括基于体单元的表示法和边界表示法的多表示法的模型。所述用户指令包括按钮的激活。在不同的实施例中，所述处理器执行所述指令以至少部分基于用户选择的插入路 径自动地识别并在图形界面上图形地显示模型的咬边部分，从而将所述模型的咬边部分与 非咬边部分区别开。咬边部分基于咬边的度以对照的颜色被显示。所述处理器执行所述指 令以随着用户通过用户界面添加虚拟挡出蜡实时地显示所述模型，其中，咬边部分的减少 随着用户添加虚拟挡出蜡实时地向用户显示。所述处理器执行所述指令以向咬边部分自动 地添加虚拟挡出蜡。所述处理器执行所述指令以在原始耐火模型中形成不齐的下结构，所 述处理器执行所述指令以基于用户指定的一个或多个参数向原始耐火模型提供一组参数 选择。所述一个或多个参数包括或对应于在齿科修复体中使用的患者数据与/或材料。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于在三维齿科修复体的设计中制备虚拟 耐火模型的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；与所述用户界面 通信的设计应用。所述设计应用配置为使用与石料或患者情形对应的扫描数据形成原始虚 拟耐火模型。所述设计应用包括虚拟挡出蜡工具，所述虚拟挡出蜡工具配置为通过将虚拟 挡出蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域上以充填一个或多个洞并且/或 平滑所述原始虚拟耐火模型的表面上的不规则，对所述原始虚拟耐火模型进行修改，其中， 所述设计应用配置为更新所述虚拟耐火模型以基于用户命令包含被添加的虚拟挡出蜡。在不同的实施例中，所述设计应用进一步配置为基于通过所述用户界面的用户输 入形成与所述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象，其中，所述虚拟蜡对象被建立在更新的 虚拟耐火模型上。所述设计应用将修补配合到用户指定区域内的原始虚拟耐火模型的表 面，所述修补在不配合到凹特征的同时与凸表面特征松配合。所述虚拟挡出蜡工具配置为 将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域上以对抽出带来的孔进行 补偿。所述三维齿科修复体是局部构架，并且其中，所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出 蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域上以对嘴缺陷进行补偿。所述三维齿科 修复体包括舌杆，并且其中，所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚 拟耐火模型的用户指定的区域上以对下腭不规则进行补偿。在不同的实施例中，所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚 拟耐火模型的用户指定的区域上以对石料伪迹进行补偿，从所述石料伪迹获得用于形成所 述原始虚拟耐火模型的扫描数据。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的触觉界面装 置，并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。所述用户界面包括鼠 标与/或控制球。所述设计应用还包括配置为在所述原始虚拟耐火模型形成不齐的下结构 的切割区域减少工具，并且/或还包括配置为基于用户指定的一个或多个参数向所述原始 耐火模型提供一组参数选择的参数选择工具。所述一个或多个参数包括或对应于在齿科修 复体中使用的患者数据与/或材料。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于建立与三维齿科修复体对应的虚拟蜡 对象的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用户界面 通信的设计应用。所述设计应用包括虚拟上蜡工具，所述虚拟上蜡工具配置为根据用户通过所述用户界面的输入将一层虚拟蜡施加到虚拟耐火模型上，以建立与三维齿科修复体对 应的虚拟蜡对象，所述虚拟蜡层自动地从耐火模型的表面偏移达用户指定的厚度。在不同的实施例中，所述三维齿科修复体是局部构架。所述用户界面是配置为向 用户提供力反馈的触觉界面装置；所述虚拟上蜡工具通过所述触觉界面装置沿着所述虚拟 耐火模型的表面被用户引导。所述虚拟上蜡工具具有确定虚拟蜡的输出层的范围的体取样 形状，从而确保所述输出层的连续性。所述体取样形状是球形，并且所述体取样形状的直径 可以大于被施加的虚拟蜡的所述户指定的厚度。所述虚拟耐火模型包括在对所述虚拟蜡层 建模中使用的体单元数据。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的触觉界面装置，所 述触觉界面装置包括触针；所述虚拟上蜡工具配置为由用户根据所述触针的运动交互地将 一层虚拟蜡实时地涂到所述虚拟耐火模型上。在不同的实施例中，所述虚拟上蜡工具配置为在所述虚拟耐火模型的表面上的区 域内施加所述虚拟蜡层，所述区域通过所述用户界面被用户识别。所述虚拟蜡层被施加到 以所述虚拟耐火模型的表面上由用户通过所述用户界面绘制的封闭曲线环为边界的区域 内。所述虚拟蜡层被施加到由用户通过所述用户界面绘制到所述虚拟耐火模型的表面上的 区域。所述设计应用将NURBS修补配合到所述虚拟耐火模型的表面上的区域，将NURBS修 补偏移到指定距离，并且将所述修补的上表面转换为体单元表示法。所述设计应用通过放 松所述区域内的点的二维网格以产生理想的光滑度来将NURBS修补配合到所述区域。所述 设计应用通过镶嵌所述修补以形成多网孔表示法并将所述多网孔表示法转换为体单元表 示法，将所述修补的上表面转换为体单元表示法。在不同的实施例中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的触觉界面装置， 并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的 触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。所述用户界面包括鼠标 与/或控制球。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于改变三维齿科修复体的模型以用于快 速成型机器的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用 户界面通信的设计应用。所述设计应用配置为接收包括边缘线的三维齿科修复体的模型。 所述设计应用包括刀口厚度工具，所述刀口厚度工具配置为将所述边缘线处的模型厚度增 大到根据所述快速成型机器的一个或多个限制选择的最小值。在不同的实施例中，所述快速成型机器的所述一个或多个限制包括分辨率。所述 齿科修复体包括顶盖与/或饰面。所述边缘线处的增大的模型厚度包括与所述三维齿科修 复体的模型的表面垂直的架。所述最小值约0.2mm。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面在于一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系 统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置 为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用。所述 设计应用包括工作流模块，所述工作流模块配置为响应于用户输入来通过所述图形界面向 用户显示对话框，所述对话框包括阶式列表的指令，用于引导用户经过预定的工作流来使 用所述触觉界面装置、所述图形界面和所述设计应用进行三维齿科修复体设计。
在不同的实施例中，所述工作流模块配置为向用户显示一系列对话框，其中，一系 列中的每个对话框包括阶式列表的指令以执行上述的工作流的子任务。所述三维齿科修复 体是从包含局部体、局部构架、桥、顶盖、饰面、多单元桥、咬合齿、咬合多齿、桥体、植入体、 植入桥台和植入杆的组中选取的组件。所述对话框包括一个或多个链接，用于激活上述工 作流中的一个或多个相应的功能。所述一个或多个相应的功能包括至少一项功能用于使 用具有力反馈的所述触觉界面装置执行类似蜡的建模任务。所述触觉界面装置触针界面。 所述对话框是从包含模型对话框、非模型对话框、窗口模型对话框和应用模型对话框的组 中选取的组件。在不同的实施例中，系统还包括图形用户界面，所述图形用户界面包括多个图标， 所述多个图标代表在上述工作流中被执行的功能以及选择性的一个或多个附加功能。所述 设计应用配置为显示或高亮度表示图像用户界面中与被选择的上述工作流执行的功能对 应的特别的图标组，以及可选择地被配置为隐藏或移去不与被选择的上述工作流执行的功 能对应的任意的图标。所述工作流模块包括撤销功能，所述撤销功能通过用户激活来取消 用户执行的实施上述工作流的一个或多个步骤的行为，消除用户在实施所述一个或多个被 取消的步骤中引起的对三维齿科修复体设计的任何效果，从而允许用户重复或忽略所述一 个或多个被取消的步骤。所述触觉界面装置具有至少六个自由度。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于设计三维齿科修复体的系统。所述系 统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置 为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用。所述 设计应用包括图形用户界面(GUI)，所述图形用户界面包括多个图标，所述多个图标代表使 用所述触觉界面装置、所述图形界面和所述设计应用进行三维齿科修复体设计中被执行的 功能，并且其中，至少一个所述功能包括在用户选择之前建立的默认设置。 在不同的实施例中，所述默认设置包括尺寸、一个或多个蜡模型。所述设计应用配 置为在用户对功能进行激活的基础上显示对话框，其中，所述对话框显示与用户激活的功 能对应的所述默认设置。所述默认设置通过实验室宽度情形管理系统被设定，并且可获得 作为用于所述设计应用的输入。所述默认设置通过网络服务被设定，并且可获得作为用于 所述设计应用的输入。 所述图标代表与多个工作流中被执行的功能对应的工具，并且其中，所述图标被 设置在GUI中使得代表在具体的工作流中指定使用的工具的图标在空间上邻近。代表用于 设计局部构架、顶盖和/或桥的工具的所述图标被组合在一起。代表绘制工具、类似蜡建模 工具或两者的所述图标被组合在一起。所述三维齿科修复体包括从以下组中选择的多个组 件，所述组包含局部体、局部构架、桥、顶盖、饰面、多单元桥、咬合齿、咬合多齿、桥体、植入 体、植入桥台和植入杆。所述设计应用配置为显示或高亮度表示图像用户界面中与用户选 择的工作流中执行的功能对应的特别的图标组，以及可选择地被配置为隐藏或移去不与用 户选择的工作流中执行的功能对应的任意的图标。所述工作流模块包括撤销功能，所述撤 销功能通过用户激活来取消用户执行的实施上述工作流的一个或多个步骤的行为，消除用 户在实施所述一个或多个被取消的步骤中引起的对三维齿科修复体设计的任何效果，从而 允许用户重复或忽略所述一个或多个被取消的步骤。
对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。—般地，本发明的另一个方面包括一种用于在三维齿科修复体的设计中提取边缘 线的系统。所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输 入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与用户界面通信的设计应用。所述设计应 用配置为根据石料或患者情形的扫描形成模型，并且其中，所述设计应用包括配置为识别 模型的边缘线的边缘线检测模块，所述边缘线检测模块可选地使用来自用户的触觉输入来 识别所述边缘线。在不同的实施例中，所述边缘线检测模块配置为自动地从模型检测初始边缘线， 使得所述初始边缘线可以通过所述用户界面由用户进行调节，或者可以不进行调节而被用 户接受。在扫描以强调用于自动检测的所述边缘线之前，所述石料被修改(例如，沟渠)。 所述边缘线检测模块配置为使用基于曲率的机构与/或二维轮廓检测机构识别所述边缘 线。所述边缘线检测模块配置为使用算法通过所述用户界面跟随用户对所述边缘线位于其 上的几何形带的选择识别所述边缘线，以检测代表所述边缘线的封闭环。所述几何形带由 用户使用所述触觉界面装置被绘制选取。与所述触觉界面装置通信的所述设计应用向用户 提供力反馈，以在用户对所述几何形带的绘制选取的过程中将所述触觉界面装置限制到所 述模型的表面。在不同的实施例中，所述边缘线检测模块使用视图明显的轮廓寻找算法来检测表 示所述轮廓线的封闭环。所述边缘线检测模块检测被限定的所述几何形带内的顶部和底部 多线环。所述边缘线检测模块包括触针界面。所述触觉界面装置具有至少六个自由度。所 述用户界面包括鼠标与/或控制球。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于在齿科修复体的三维模型上设置支撑 特征的系统。所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用户界面 通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为分析所述模型的特性并确定所述支撑特征的 放置点。在不同的实施例中，所述齿科修复体是局部构架、冠、顶盖、桥构架、植入体、饰面、 夜间护罩、咬住夹板以及/或正畸。所述支撑特征是冒口与/或支撑杆。所述设计应用进 一步被配置为自动地将所述支撑特征放置在所述三维模型上。所述设计应用还包括询问用 户移除被放置的支撑特征的对话框，以及/或所述设计应用包括用于分组命令的模板，所 述模板包括用于分析所述三维模型并且用于确定所述支撑特征的放置的步骤。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。一般地，本发明的另一个方面包括一种用于建立基于体单元表示法的三维齿科修 复体的系统。所述系统包括用户界面，配置接收来自用户的输入；以及与所述用户界面通 信的设计应用。所述设计应用配置为根据石料或患者情形的扫描形成模型，并且所述设计 应用包括结合间隙模块，所述结合间隙模块配置为形成基于体单元的表示法的三维齿科修 复体，允许基于体单元的表示法和所述模型之间的结合间隙。结合间隙偏移由用户指定。对本发明的其它方面的实施例的元件的描述也可以被用于本发明的这个方面。


参照以下描述的示意图以及权利要求，可以更好地理解本发明的实施例的各方面 的目的和特征。附图不一定是按照比例的，而重点主要在于示出本发明的原理。在图中，相 似的附图标记一般指不同视图中的相同部分。在以下描述中，本发明的不同实施例参照以 下附图被描述，其中图1示出了根据本发明的一个实施例的工作流向导的截屏；图2示出了根据本发明的一个实施例的板面组的截屏；图3a_;3b示出了根据本发明的实施例的设置参数选择的截屏；图4a_4b示出了根据本发明的实施例的扫描模型的截屏；图fe-恥示出了根据本发明的实施例的顶盖扫描的截屏；图6示出了根据本发明的一个实施例的齿科修复体的截屏；图7示出了根据本发明的一个实施例的工作流向导的截屏；图8示出了根据本发明的一个实施例的克隆工具操作的截屏；图9a_9c示出了根据本发明的实施例的设计模型的截屏；图10示出了根据本发明的一个实施例的充填工具的的横截面配合；图Ila-Ilb示出了根据本发明的实施例的耐火模型的表面的截屏；图12a_12b示出了根据本发明的实施例的网孔和蜡释放区域的截屏；图13示出了根据本发明的一个实施例的下拉菜单的截屏；图14示出了根据本发明的一个实施例的虚拟蜡输出的截屏；图15示出了根据本发明的一个实施例的脊工具的截屏；图16示出了根据本发明的一个实施例的扣钩参数的对话框的截屏；图17示出了根据本发明的一个实施例的终止线参数的对话框的截屏；图18示出了根据本发明的一个实施例的边缘线选项的对话框的截屏；图19示出了根据本发明的一个实施例的顶盖设定的对话框的截屏；图20a-20d示出了根据本发明的实施例的边缘线形成的截屏；图21示出了根据本发明的一个实施例的插入路径的截屏；图22a_22b示出了根据本发明的实施例的旋转窗口的截屏；图23示出了根据本发明的一个实施例的顶盖的刀口的截屏；图M示出了根据本发明的一个实施例的饰面设计的刀口的截屏；图25示出了根据本发明的一个实施例的边缘厚度对话框的截屏；图沈示出了根据本发明的一个实施例的完成的饰面的截屏；图27a_27c示出了根据本发明的混合表示法用法的截屏；图观示出了根据本发明的一个实施例的具有体单元偏移的顶盖的截屏；图四示出了根据本发明的一个实施例的参数选择对话框的截屏；并且图30示出了根据本发明的一个实施例的附件库的截屏。
具体实施例方式在说明书中，过程、系统、方法和设备被描述为具有、包括或包含具体的步骤与/ 或组件，另外，预期的是根据本发明的过程、系统、方法和装置包括或本质包括所述的步骤与/或组件。此外，应理解对系统、方法或设备的原理的描述互换地适用于所有相应的系 统、方法和设备。应理解，只要本发明可操作，步骤的顺序或执行某动作的顺序是非本质的。此外， 两个或以上的步骤或动作可以同时进行。本发明的实施例可以与以下的专利与/或申请中实施的方法和系统使用，这 里通过全文引用引入包含其公开内容Steingart等的题为〃 Systems for Haptic Design of Dental Restorations"的未决美国专利申请 No. 11/998，457、Faken 等的题 为“Systems for Hybrid Geometric/Volumetric Representation of 3D Objects " 的未决美国专利申请 No. 11/998,877、Berger 等的题为〃 Apparatus and Methods for Modifying a Model of an Object to Enforce Compliance with a Manufacturing Constraint"的美国专利 No. 7，149，596、Jennings，Jr.等的题为〃 Systems and Methods for Three-Dimensional Modeling"的美国专利 No. 6，958，752、Payne 的题为〃 Systems and Methods for Voxel Warping"的美国专利 No. 6，867，770、Shih 等的题为〃 Systems and Methods for Interacting With Virtual Objects in A Haptic Virtual Reality Environment"的美国专利No. 6，421，048和Zilles等的题为〃 Method and Apparatus for Determining Forces to be Applied to a User Through a Haptic Interface“的美国 专利 No. 6, 111, 577。为了易于阅读提供以下的标题，不旨在限制对本发明的原理的限制。如本文中使用的，以下术语一般理解为具有以下含意解剖学顶盖(copings)或冠(crowns)——该冠配合制备牙并且表现出完整的咬 合面(即，与对颚上相应的牙齿啮合的牙齿外表面)；桥台(Abutment)——配合在制备牙上的桥构架中的顶盖状结构；堵塞——将蜡施 加到石料以固定咬边，从而可以使牙齿修复体被顺利地插入；桥构架(Bridge framework)——桥修复体的内部结构，一般包括一个或多个桥台 以及任选的一个或多个桥体。桥台和桥体通过被称为连接器的物理结构连接。扣钩(Clasp)——与现有牙齿连接的局部桥中的弹簧状金属保持件；连接器(Connector)——连接桥构架中相邻的桥台和桥体的物理结构；顶盖(Coping)——正好配合在制备牙上的冠的内部结构。一般的顶盖用作为下层 结构并且加上陶瓷；压印(Impression)—在牙医办公室取得的患者的嘴的阴模；舌颈(Lingual collar)——顶盖或桥台底部处的可选择的凸缘或脊，用作为将要 在顶盖或桥台的顶部形成的陶瓷的结构支撑；主连接器(Major Connector)——用于与腭接触的上颚的局部桥的部分；边缘线(Margin line)——顶盖交切制备牙处的线；网孔区域(mesh area)——接受丙烯酸牙齿修复体的局部构架中的网孔状结构；咬合表面(Occlusional surface)——牙齿或牙齿修复体的实际外表面；局部构架(Partial framework)——连接到现有牙齿的具有扣钩的可移动金属构 架，特征为用于支撑义齿的网孔表面；
插入路径(Path of insertion)——零件、顶盖或桥被插入患者口中的方向桥体(Pontic)——桥中用于缺失牙齿的齿修复体的内部结构；制备线(ft·印aration line)——参见边缘线；耐火(refractory)模型——在局部构架设计中，这指的是其中用蜡固定咬边的闭 塞石料的复制。该耐火模型一般由围模料制成；压铸硫化(spue)——可以将植入物连接到患者的颂骨的金属柱；石料(Stone)——患者的嘴的几何学的阳模，一般由石膏材料制成。石料可以由压 印制成，或可以使用硅树脂成型过程由另一个石料复制；测量(Survey)——研究需要局部修复的患者的被扫描的石料以及确定局部修复 体插入的最佳路径的过程；咬边(Undercuts)——悬于患者的几何学上方的区域，可能导致牙齿修复体插入 失败或一旦插入后不可移动。在一些实施例中，齿科实验室系统包括以下模块病历管理模块——患者病历管 理系统集成在系统中以在每一次工作基础上跟踪信息；扫描模块一将患者的嘴的几何学 的物理表示转换为数字形式的机构。扫描模块可以通过具有力反馈的6自由度输入装置 操作，例如PHANTOM触觉装置；设计模块——为齿科专业人员设计的软件系统，允许他们使 用如PHANTOM触觉装置的装置迅速并容易地创作具有接触感觉的齿科修复体；以及建造模 士夬——由设计模块的输出产生物理修复体的机构。该机构可以包括基于RP的熔模铸造过 程、碾磨蜡模过程、RP为金属部件过程或例如碾磨陶瓷、合成物或金属部件的过程。本文以及2007年11月观日递交的共同未决美国专利申请No. 11/998, 457中公开 了这些模块的细节，这里通过全文引用包含其内容。这个文献中详细描述设计模块的实施例。设计樽块这里描述的示例齿科实验室系统内的设计模块包括软件系统，为齿科专业人员提 供了容易使用并透明的用户界面。在一些实施例中，软件系统包括工作流向导——工作 流向导是通过提供简短文字描述以及至相关工具的链接将用户引导到工作流的每一步的 窗口 ；GUI中面向工作流的工具组织——工具按照其对于每个被支持的工作流的相关被分 组，包括局部、冠和桥、种植等。用户可以选择仅看到与目前工作流相关的工具；系统宽参数 选择——齿科实验室常常具有具体的窍门，使其可重复地制作齿科修复体。该系统提供能 够用于在实验室范围的基础上加强对尺寸、虚拟蜡模等的参数选择的工具，从而无论做设 计的实际技工是谁都可以获得相同的结果；虚拟耐火模型和挡出——在传统过程中，局部 构架设计者必需将蜡加到石料来挡出咬边，并随后在开始对局部设计上蜡之前用围模料复 制该石料。该系统提供“虚拟耐火模型”的概念，原始未更改的石料在这里被扫描，并且提 供软件工具来施加虚拟“挡出”蜡。这可以手工完成，如用这里描述的充填工具，或者通过 虚拟测量过程，其中“插入路径”在彩色映射的咬边观察仪的协助下被选择并且被自动地挡 出。对冠和桥工作流也有类似的规定；虚拟上蜡工具——示例系统提供了不同的虚拟上蜡 工具，用具有触觉反馈的6D0F (6自由度)输入装置工作，具有触笔界面，允许用户通过触觉 用手添加和移除蜡、平滑过渡及执行其它类蜡的建模任务；触觉窗口——示例系统提供不 同的触觉窗口以帮助提供透明且易于使用的界面；工作流具体工具——示例系统提供用于 设计局部构架、冠、顶盖和桥以及其它未来的工作流的具体特征集。
有一些现有的用于顶盖和桥构架的CAD/CAM系统。这些都不能支持局部构架的数 字加工，也不是触觉有效的。以下内容列出本发明的示例实施例的设计模块的组成。1.工作流向导示例设计模块引入工作流的概念。工作流向导是通过提供简短文字描述以及到相 关工具的链接将用户引到工作流中的每一步的窗口。在一个实施例中，工作流向导可以实施为类似对话框模式，很像Windows安装向 导。每一步被清楚地限定，并且用户被以预定的方式引导到工具。当完成每步后，可以按下 “Next”按键来前进到下一步。该实施例最佳地用于一般不从标准路径偏移的良好限定的工 作流。在第二实施例中，工作流向导可以实施为具有到相关工具的链接的一组改进的帮 助文件(可以实施为例如html或xml的标记语言)。用户可以点击文本的标题以在工作流 中移动，并且相应的工具和目标将被激活。通过顺序地点击任务，用户可以从开始到结束完 成设计。工作流向导的每个步骤/部分应该列出在工作流的这个步骤中做什么，清楚地表 示出激活适当的工具或执行适当的功能或宏的链接。图1示出了该改进的帮助文件方法，其中用于局部构架100的工作流向导在屏幕 右侧。在该第二实施例中，向导被设计为自由的并且可以根据目的来选择。初级用户或 进行可重复工作流的用户可以在制作齿科修复体的设计中选择跟随工作流。高级用户可以 选择走在设置在向导中的引导之前并且如需要可以直接访问齿科设计工具。用户可以随时 关闭向导而不影响他们的工作。在一些实施例中，用户可以选择构造其自己的工作流向导来支持最适于他们所需 的工作流。自由式向导的示例可以使用户通过用于部分工作流的以下步骤(1)测量工具 选择插入路径并固定草案；(2)绘制曲线草绘出扣钩、网孔区域、主连接器和其它主要特 征；C3)充填充填或消除任意表面缺陷或扫描伪迹；(4)网孔以可选的偏移产生网孔区 域，具有组织止挡；( 主连接器形成主连接器；(6)终止线形成用于网孔区域的终止 线；(7)扣钩通过软件辅助锥形和其它设计特征产生扣钩；(8)克隆采用涂料状界面来 添加虚拟蜡以将局部构架的主区域彼此连接；(9)涂抹通用虚拟上蜡工具以使过渡平滑。 这些步骤仅是部分工作流的一个示例，向导可以表示出不同工具或工具的不同顺序。在一些情况中，向导可以允许更高级的结构。例如整个桥结构具有三个不同的阶 段桥台、桥体和连接器，这些阶段的每个可以具有自己的子向导。顶级桥向导可以表示你 正处于什么阶段的概览、更高级的导航显示。这可以是基于文本或可以包括图形的使用，以 示出过程中的当前步骤。对于第二实施例，用户总可以通过直接使用图形用户界面(⑶I)访问任何工具。 用户可以在任意时间继续使用向导并点击向导链接以回到向导指向的上一步。2.面向工作流的工具组织在一个实施例中，通过工作流的工具的一个可能分组总结如下。应注意仅是示例； 许多其它分组也是可以的，并且工具可以加入每个工作流或从其中去掉。表示这些功能性
22虚拟工具的图标在图1的GUI中的左侧绘出，并且在每组中从左到右、从上到下列出局部 (Partials)构架工具(102)测量(Survey)、网孔 / 冒口(Mesh/Riser)、主连接器(Major connector)、克隆(Clone)、扣钩(Clasp)、终止线(Finish Line)和充填(Filler)；顶盖 和桥(Coping/Bridges)工具(104)边缘线(Margin Line)、顶盖测量(Coping Survey) (固定咬边(Fix Undercuts))、产生顶盖 / 桥台工具(Generate Coping/Abutment Tool), 桥体(Pontic)、连接器(Connector)和联合(Combine)(产生桥构架(Generate Bridge Framework))；绘制(draw) (106)选取Gelect)、在虚拟耐火模型上绘曲线(Draw Curve on Virtual Refractory Model)、分裂(Split)、结合(Join)和显示 / 隐藏曲线(Show/ Hide Curves)；蜡工具(wax tools) (108)涂抹(Smudge)、平滑(Smooth)、平滑区域 (Smooth Area)、脊(Ridge)、浮饰区域(Emboss Area)、拖拉(Tug)、加蜡(Add Wax)、牙 膏(Toothpaste)和管(Pipe)；效果(utilities) (110)修剪扫描(Trim Scan)、测量赌 (Measure Wax)、加到耐火(Add to Refractory)、用球选择蜡(Select Wax with Ball)、选 择蜡块(Select Lump of Wax)、掩模(Mask)、示出涂料颜色(Show Paint Colors)、激活上 一(Activate Previous Piece) URW^T^i^ (Activate Next Piece)。这里更详细地描述这些虚拟工作的作用。关于蜡工具108，涂抹增加或移除材料， 取决于由用户施加的触觉力(例如，从模型内部“拉”时增加材料，从外侧“涂抹”时移除材 料)。平滑区域用于在所选的区域中降低高点并升高低点。平滑基于由用户施加的触觉力 的量交互地降低高点并升高低点，而平滑区域不使用触觉交互来确定平滑的程度。拖拉基 于与用户的触觉交互使(虚拟)蜡的表面变形。用户选取开始拖拉的点，并且基于工具尺 寸和触觉交互，蜡被“拖拉”以使之变形。根据用户的触觉输入，牙膏向模型添加蜡股(类 似于挤压牙膏的管)。管用于沿用户指定的三维曲线添加泥柱。关于效果110，用球选择蜡使用球形的虚拟工具选择蜡区域，用于输入到另一操 作。选择蜡块选择与用户接触的点连接的所有蜡。如果当时有多个不连接的蜡块，仅选择 与用户所接触的点连接的蜡。掩模指定避免受到其它工具(例如平滑和涂抹)的修改的蜡 的区域。分型线颜色/脱模角颜色工具示出或隐藏蜡上的颜色，基于当前的插入路径(拉 力方向)显示咬边将在哪发生。显示可以是多颜色的，以示出给定区域中的咬边量。测量 蜡示出几个模式中蜡的厚度。可以交互地显示耐火模型上的蜡的厚度或蜡上被选两点之间 的距离。此外，测量蜡工具可以基于最小和最大厚度给蜡着色，例如，在蜡比最小距离薄处 示出蓝色，并且在蜡比最大距离厚处示出红色。将工具组合在一起的一种可能的方法是通过将它们放置在图2所示的分离的板 200 中。用户也可以产生其自己“最喜爱(Favorites)”的工具组204，其中以选取顺序限 定认为是最有用的工具。类似地，用户可以产生可编程的工作流宏或模板以将共同的步骤 组合起来。步骤例如可以是工具使用、命令或操作，或者是其它的用户输入。用户随后可以 执行编程的工作流宏来作为一个动作执行系列步骤，而不用单独地执行步骤。针对一个工作流的工具在其它工作流工作时不需要可见。在一个实施例中，在工 作信息进入阶段过程中用户选择的工作流用于控制工具在设计阶段的可见性。例如，指定 为局部构架的工作将驱动设计模块的⑶I仅显示普通工作(绘图工具、上蜡工具和效果) 和局部工具，而不显示顶盖和桥工具，反之亦然。
2. 1结构布置工作流基于解剖学与/或设计的里程碑，宏或模板可以用于限定冒口与/或支撑杆布置 的一般位置。冒口基于模型的特性(例如塑料/蜡的厚度与/或到例如扣钩的特定末端的 距离)可以自动地设置在用于铸造的塑料或蜡模上。该方法可以基于设计规则自动地确定 冒口的最佳布置点，从而产生使气孔、短铸和其它铸造缺陷最小化的铸造模型。冒口的布置 可以用于许多齿科修复体，包括局部构架、冠/桥子结构和上结构。该技术可以用于自动地 放置支撑杆以防止印制件的扭曲和变形。2. 2自动的切割区域设计前牙的设计可以自动地包括锯齿的牙的样式。美学上好看的前牙的设计不仅需要 牙齿的整个解剖学外部的设计，还需要一些底层结构。例如，在切割区域，下牙可能看来具 有不齐的下结构，在切割边缘具有更透明的上结构。在一个实施例中，减少的切割区域被自 动地设计，从而消除了对用于形成锯齿状下结构的石料或金刚石研磨工具的需要。该方法 作为初始设计过程的一部分可以节约时间并形成看起来更自然的前牙。3.系统宽度参数在大部分齿科实验室中，使用大量的知识和经验来能可重复的过程建造齿科修复 体，产生始终如一的产品质量。典型地，这包括对从供应商购买的蜡模型的具体选择，对于 典型的特征尺寸的具体知识(例如，扣钩的厚度和锥度特征以及连接器和网孔的厚度)。这 是确保操作人员之间的一致性的方法。为了支持实验室宽度公差和设计参数，我们提供的机构在设计阶段对所有关键参 数的关键参数选择在组织阶段过程中的事件管理应用等级进行限定。实验室所有者从而可 以将标准的方法强加于实验室中的所有用户。参数选择作为对每个特征的默认设定反应在 设计模型中，通常以尺寸、蜡模型的选取的形式。用户可以改变这些设定以适应具体的用户 情形，但是默认值在用户之间的一致的。图3a是通过组织(ktup)对话框300可以在实验室宽度等级设定的参数选择 的类型的截屏，图北是从实验室宽度参数得到其默认的关键参数的特征的示例；这里在 "Settings l_HalfRound”对话框 302 中示出。4.虚拟耐火材料或石料以及虚拟挡出在用于形成局部构架传统的齿科实验室工作流中，通过从压印材料浇注石膏石 料、用蜡将其挡出以对咬边和其它问题进行校正、然后用石膏围模料复制该挡出的石料来 形成“耐火模型”。形成的产品称为“耐火模型”，并且是所有后续手控上蜡以形成局部构架 的基础。该复制通过硅树脂模形成，有无意地扭曲新的耐火模型的几何形状的风险。这里描述的示例系统引入“虚拟耐火”的概念，消除了该耗时且不精确的步骤。代 替用真实蜡挡出咬边，原始石料被扫描，并且软件可以被用于设定插入方向并随后基于那 个方向自动地固定所有咬边。执行该“挡出”步骤之后的技术基于2006年12月12日出版 的美国专利No. 7，149，596 (Berger等)中教导的装置，通过引用包含于此。此外，扫描过程中形成的STL网孔文件非常大并且是整体的。为了在齿科系统中 进一步处理，通常按照需要将网孔分为较小的分段(对应于单个牙齿)。在一个示例中，这 可以手工完成，通过让用户根据描绘或平面选择，选择网孔上的三角的一个范围，并随后基 于该手工输入形成分段。
自动分割需要与被分段的牙齿的中心对应的一套输入的水平的χ和y的位置(单 位为毫米)。这些位置由扫描装置指定，并在扫描过程中由用户输入。利用该输入，系统通 过沿-ζ方向向下的投射光线计算每个χ、y处的竖直的ζ位置以找到网孔的ζ插入点。形 成的xyz点随后用作为网孔三角的“满溢充填”选择的种子点。在满溢充填中，从起点所有 相邻连接的三角形在迭代过程中被选择。选择传播由指定距离(从种子点沿-ζ方向向下 测量)处的下中止平面和多边形的中止数量限制，防止沿χ和y方向过多的选择、满溢。每 个选择区域表示一个牙齿，随后成为独立的网孔扫描段。可视化技术(例如从特殊的拉力方向观察向咬边施加色彩图)可以用于帮助用户 找到齿科修复体的最佳插入路径。这代表生产力相对于齿科实验室中采取的传统成就的显
者提尚。图如示出了使用来源“扫描模型” 400a以显出咬边402。在一个实施例中，彩色 图可以用于表示咬边402。图4b示出了该模型的咬边用虚拟挡出蜡404充填以形成“虚拟 耐火”模型404b。当用传统的工作流形成顶盖或桥构架时，通常没有耐火模型步骤，但是仍有典型 地由手充填的咬边。再一次，该过程不精确并且容易发生人为误差。本公开描述的虚拟耐火模型可以延扩展到冠、顶盖和桥构架工作流。扫描模型可 以由终端用户评定；插入路径可以在多种可视化技术的帮助下选取，例如咬边量的颜色编 码。此外，咬边可以随后基于插入路径被自动地固定。图fe和图恥分别示出了用虚拟蜡自动充填咬边之前和之后的顶盖扫描500a、 500b。在图如中，咬边502在线504以下的区域中被示出。这些区域在图恥的扫描500b 中用虚拟蜡506被充填。在一个实施例中，虚拟耐火模型作为两个独立的体组件被存储。一个体组件表示 被扫描的患者数据，另一个体组件表示算法和用户产生的“挡出”内容。这两个体形成“虚 拟耐火模型”。用户形成的对齿科修复体的后续设计工作被存储在“虚拟蜡”对象体中，其被维持 为耐火体和设计蜡的合成物。在工作流末端，将执行体积布尔减运算以将虚拟耐火体积从 虚拟蜡体积移除。结构是可制造的虚拟蜡部件，精确地适合患者扫描数据，并且计算出挡出 以满足理想的插入路径和用户限定的平滑。因此，桥构架可以由多个独立部件构成，每个具有其各自的扫描、挡出和蜡体。这 些部件能通过体结合操作以适当的方式组合以产生连续整体，可以从其中减去耐火体以产 生可制造的虚拟蜡桥部件。4. 1 虚拟的释放蜡(relief wax)在制造齿科修复体之前自动、半自动或手工添加释放蜡可以优化修复体在以下区 域中的配合，例如区域中有高频或硬角出现在石料或患者情况中。使用传统修复方法的设 计人员可能基于适合于修补的自身经验和知识向石料与/或由石料扫描形成的模型手工 添加释放蜡。本发明的实施例也包括用于自动地确定需要虚拟的释放蜡的模型区域、自动 地施加虚拟的释放蜡从而使形成的铸模恰当地配合的方法，使最终铸模的手工用户研磨和 表面修饰最小化。虚拟的释放蜡可以自动地、手工地或半自动地施加到石料与/或模型的 形成孔的区域，孔例如由患者的唾液引起的泡沫形成。图6示出了在一个实施例中的齿科修复体的模型600。释放蜡602被添加到一些区域，并且该方法自动地确定释放蜡在其它区 域604中可能是有益的。5.虚拟上蜡工具在实际中，用户习惯蜡堆积的过程，其中蜡被添加并随后被雕刻以形成用于齿科 修复体的理想的特征。这里描述的示例设计模型提供了被称为虚拟上蜡工具的一类工具， 远远比手工上蜡的触觉和感觉得心应手。虚拟上蜡工具包括5. 1克隆工具——以恒定的厚度交互式蜡添加克隆工具是主要用于制作局部构架而创造的工具，但是可以用于其它工作流。图 7示出了用于顺序复制命令的克隆工具操作。交互作用包括通过触觉装置接触并感觉虚拟 模型700。在按压触针的同时前后移动模型700将在蜡的层702上绘制，层702从耐火模型 700的表面704自动地偏移至用户指定的厚度。这形成模仿在耐火模型上敷设一片蜡的效 果的交互式工具。对标准的工具的改进是厚度可以被明确控制而不依赖于用户的“眼睛”。 应注意，球形刷706的直径可以大于可被指定为数字参数的施加的蜡702的厚度。克隆工具在2005年3月15日出版的中出版的美国专利No. 6，867，770 (Payne)的 Freei^orm中的体积工具操作构架内实现，这里通过全文引用引入其内容。这是沿参考体 R(耐火模型)的等值面由3D位置轨道引导的交互式操作，克隆操作的轨道基于用户通过触 觉界面装置跟踪参考体积表面、由2002年7月16日出版的美国专利No. 6，421，048 (Shih et al)和2000年8月29日出版的美国专利No. 6，111，577 (Zilles等)(这里通过全文引 用引入其内容)教导的表面接触点算法产生。克隆操作的输出产生一致的对象体V。克隆 操作被处理为来自R的局部体积复制的顺序，被转变并合并成V。应注意，鉴于本公开的目的，沿着耐火模型的3D位置轨道，R，也可以由非触觉装 置产生；例如由鼠标输入或由独立的计算机程序自动产生。克隆工具操作通过将输入的3D轨道分解为顺序的线段来操作，如图8所示。每个 线段由体坐标系中的开始位置Ptl e R3和末端位置P1 e R3描述。线段用于扫掠用于确定克隆 输出的边界的体积取样形状S。该过程的扫掠本质确保输出体积的连续。在优选的实现中， 该体积取样形状是球形，由半径r e R描述，并且以位置轨道为中心。表面法线^ =-VA(A1) 基于每段的开始位置Ptl处参考体的负梯度被取样，并且用于整体的段方式操作。此外，在 优选实施中，在体单元(voxel)坐标系中设置克隆的厚度δ e R0厚度和法线提供了从参 考体到对象体的用于克隆体单元数据的局部偏移向量ν= - δΑ。在取样形状S内的每个输 出对象体位置q e V，克隆样品可以由参考体获得并通过表达式V(q) =max(V(q),R(q+v)) 合成为对象体。在图8中，示出了三个离散的克隆体操作802，每个具有各自的克隆偏移向量804。 点线806表示输出对象体的表面，作为参考体的局部偏移被获得。从参考体的局部偏移复 制生产对象体的这个过程接近体偏移，但是没有维持距离场或距离询问数据结构的存储和
计算机管理。5. 2主连接器工具——将恒定的蜡层施加到模型上的标记区域主连接器工具的目的是允许用户以批操作向模型施加恒定的蜡层。目前的技工施 加预先形成的蜡层并将其向下按压到耐火模型。目的是数字地模仿该操作，从而技工将在 提供输出用于计算机控制加工或快速成型的文件的能力的同时具有对所需步骤更深的理
在图9a_9c中所示的示例设计模块中，用户可以用涂料状的范例或绘制封闭的曲 线环902以包围模型900上的区域904来标出耐火模型900上的区域。一旦边界902被标 出，NURBS修补可以宽松地配合到在下面的模型。NURBS修补然后偏移到指定距离，并且通 过镶嵌到多网孔表示法中，然后从多网孔表示法转换为体单元，该修补的上表面转换回体 单元表示法。边界的自动平滑通过施加影响算法区域以将边界附近的多边形平滑为在下的 体单元模型来实现。NURBS至体单元装置在2005年10月25日出版的美国专利 No. 6，958，752 (Jennings等)中被教导，通过全文引用引入其内容。主连接器特征基于耐火模型900的表面908和封闭的环边界曲线904计算虚拟蜡 的加厚的层906。获得该加厚的层的一种方法是通过使用封闭的环区域内的三角形耐火模 型表面的“表面法线浮饰(surface normal emboss) ”。然而，形成的浮饰表面复制原始耐火 模型几何学的所有不规则细节，从而对于主连接器期望具有平滑的上表面。此外，用于高分 辨率数据的三角表面浮饰的处理既可以是存储加强的也可以是计算加强的，尤其对于大的 表面区域。因此，被主连接器使用的改变步骤是将NURBS修补配合到接近耐火模型的表面 并且随后加厚修补，既提供了理想的平滑特性又使处理更有效。将NURBS修补配合到体数 据被Freei^orm中的一些特征所有，包括用包装的图像浮饰(Emboss With Wrapped Image), 由共同未决的美国专利20050128211 (Berger等)教导。用于将光滑NURBS修补充填到接近致密取样表面的技术最初由 Krishnamurthy (Krishnamurthy等)研究，用于施加到密集多边形网孔。这些技术之后用 在kns Able FreeR)rm软件中用于将NURBS修补配合到密集体单元体的等值面。配合算 法以两个阶段执行。首先，通过在有界区域内配合并松弛2D网格点来获得等值面的常规取 样。点使用虚拟弹力迭代地松弛，虚拟弹力抑制点均勻地分开并跟随平行以及垂直于修补 边界的平滑的等轮廓线。在每个松弛迭代之后，点通过沿体梯度投影重新配合到等值面。 一旦网格点被充分地松弛并配合到等值面，点可以接近使用最少的正方形网格数据充填算 法。网格点的数量和修补表面中相关的控制点的数量控制从等值面取样并由修补表示的细 节的量。这可以通过试探确定或由用户控制，以实现充分地平滑装配到耐火模型表面。主连接器通过镶嵌NURBS修补被计算，并且然后由镶嵌的修补的复制计算“表面 法线浮饰”。这两个表面形成主连接器的上表面和下表面。这些表面的边界与一条三角形 连接以形成封闭的三角边界表面。该封闭的边界表面然后分为临时体单元体并随后与对象 体合并。图9a和9b示出了标记要被平滑的区域的两种方法，图9c示出了在限定的区域内 施加的虚拟蜡的层902。5. 3充填工具——平滑模型上的标记区域中的表面伪迹充填工具的目的是表明在形成局部构架或其它齿科修复体时对于手工地向虚拟 耐火添加“挡出”蜡的不同的客户需求，例如，按照以下步骤。1.对由提取形成的孔进行充 填。有时，患者经历提取后进行压印，为了在提取孔被完全修补并用组织充填之前调整修复 体。形成的石料将在提取处具有深的凹痕，之后随着口腔修补用组织充填。2.平滑多年受 吸烟的持续损害的患者口中的缺陷。吸烟者可能在上腭上具有多个凹痕，不能被局部构架的下侧反应。3.制备光滑表面以与舌形杆接触。用于下部分的舌形杆需要具有光滑的表 面，而不是反应下腭上的每个块和纹理。4.平滑可能包括在灌注石料复制过程中产生的伪 迹的石膏石料的表面。现在的齿科实验室的技工应对这些问题的方式是使用一些热蜡来平滑石料本身。 蜡滴到裂缝和孔中，并且在顶部形成很好的光滑表面。该上蜡模型然后用于重新铸造新的 石膏耐火模型。用于设计齿科修复体的后续的上蜡任务随后在该“润色的(touched up)” 石料上被执行。这里描述的触觉激活的齿科建模系统的优势是可以以很简单并且被控制的方式 将数字蜡添加到原始的数字耐火模型。该改进的模型随后可以按照要求立即变成新的耐火 模型。为了模仿以上列出的过程，虚拟充填工具允许用户通过用触觉装置接触模型来标 记要被平滑的区域，例如通过以下步骤。1.通过用触觉装置接触模型来绘制选择一个区域， 并且通过在上下移动触觉装置的同时按压按键来在其表面上绘制。2.例如用鼠标通过2D 操作绘制。3.绘制封闭的曲线环以标记模型的要被平滑的区域。为了实施(3)，充填工具平滑由封闭的曲线环限定的区域内的耐火模型表面。平滑 通过用修补替换耐火模型表面的区域来实现，该修补已经与规定的对象配合。耐火模型表 面通过使用边界曲线环将表面分裂并且用镶嵌的NURBS修补表面替换内部区域来被修改。 该被修改的表面通过2005年10月25日出版的美国专利No. 6，958，752 (Jennings，Jr.等) 中教导的技术可能符合耐火模型体的表示，在这里通过全文引用引入其内容。将NURBS修补配合到耐火模型表面的过程使指定的对象最优化，以松弛地配合到 凸表面特征而不配合到凹表面特征。充填工具的横截面配合的示例性示例1000在图10中 示出。耐火模型1002在上表面1006上包含缺陷1004。充填添加粘土 1008以形成平滑表 面1010，包括毛刺的或混合的边缘1012。该方法执行为5. 2中的主连接器所描述的修补配合方法的改变。配合取决于建立 使用2D网格点接近的表面的常规取样。点被初始地松弛为均勻间隔以均一地表示耐火模 型表面的识别区域的形状和细节。每个点基于局部曲率被分级，并且仅在一维或二维具有 凹曲率的点被考虑。平滑处理然后用于替代地修改这些2D网格的凹点。在每个迭代处，至 少一维的最凹曲率的点基于相邻点的加权平均被修改并移动到新的位置。边界处的点不允 许被改变。该平滑处理的限制导致仅添入边界表面点的完全平滑表面。然而，用户可以通 滑动控制网格的识别和平滑量这两者以实现在消除凹缺陷的同时配合到耐火的理想平衡。图Ila示出了在施加平滑操作前耐火模型1100的表面。图lib中的封闭包括如 上所述平滑过的区域1102。5. 4网孔工具——施加虚拟蜡图案以形成用于局部修复体的网孔区域该工具提供了用于可移动局部构架建模工作流的形成网孔和释放蜡区域的改进 方法，如图1 和12b所示。“释放蜡区域” 1202是耐火模型上的升高区域，确保局部构架 上的替代齿某种程度上浮在患者的牙龈上方。网孔1204是局部构架的保持替代牙齿的部 分，并且包括图案化的圆形或正方形孔的网孔，当替代牙齿粘到局部构架中时捕获环氧物。释放蜡区域1202仅在形成网孔1204时必需，因此本发明将两项的形成结合为一 个工作流并且省去用户的一些看似重复的步骤。
例如，在一个实施例中，执行以下五个步骤以数字地设计局部构架的网孔部分 1.将选择的、用户绘制的曲线环作为输入。2.用户可以设定用于释放蜡和网孔的参数，包 括释放蜡的厚度和网孔从释放蜡边缘的偏移(因为网孔区域从释放蜡区域插入)。3.通过 缺省，从系统宽度参数选择得到最常用的网孔。用户也可以从列出的其它标准网孔图案中 选择，或者可以进一步通过改变厚度、孔的尺寸、频率、形状和其它类似参数来定制当前的 网孔图案。4.出现网孔图案的预览，如图1 所示。孔尺寸通过数字控制由用户指定。用 户然后使用允许用户自由地转动和并调整图案大小的触觉的(例如3D)或2D窗口(例如 触觉或非触觉鼠标或跟踪球)调整网孔图案预览。5.当完成时，网孔工具产生偏移“释放 蜡”以添加到具有恰当高度的耐火模型(参见图12b)；并且将新的网孔添加到表示局部构 架的当前的蜡。在实施步骤G)，应注意用于无变形地将网孔施加到由封闭的曲线环限定的区域 的机构基于2005年6月16日出版的共同未决美国专利申请No. 2005/0128211 (Berger等)， 在此通过全文引用引入其内容。网孔工具执行对现有的用包装的图像浮饰(Emboss With Wrapped Image)设 备(EffffI)延伸。该操作使用配合到对象体表面的封闭环曲线作为输入。该曲线被自 动地分成四个修补边界曲线，并且随后NURBS修补被配合到该区域内。对象体的表面 被这些边界曲线分开，并且内部区域由修补表面的镶嵌代替。由共同未决美国专利申请 No. 2005/0128211 (Berger等)教导的EVVVVI处理提供了 NURBS修补表面内的正投影UV映 射，用于使纹理图案倾斜而不变形。网孔工具执行基于该修补、UV映射和镶嵌执行额外的 处理以产生理想厚度Ss的间隔(释放蜡)体和具有厚度δm的图案化网孔体。间隔(释放蜡)体通过沿平均表面法线偏移镶嵌的修补表面达δ s产生。沿边界 的镶嵌点没有偏移。间隔体的底面通过对象体分裂由省略一部分的内部区域获得。这些镶 嵌的表面被结合并被栅格化以产生被添加到数字耐火体的体单元体间隔。图案化的网孔体作为“EWWI浮饰”的改变被形成。首先，镶嵌的修补表面沿平均表 面法线偏移达\。修补边界附近的镶嵌点的偏移基于线性斜坡下降函数被削弱。这确保 了图案化的网孔体的边界从间隔(释放蜡)体的边界略被插入。每个顶点在被浮饰纹理图 案调整的同时又沿其各自的表面法线偏移达Sm。修补边界附近的镶嵌点的“浮饰”也基于 线性斜坡下降函数被削弱。下降函数进一步确保图案化的网孔的边界从间隔(释放蜡)体 的边界充分地被插入。此外，假定该浮饰和偏移的镶嵌表面的边界没有移动，从而对象体表 面可以仍被评价为固体。基于2005年10月25日出版的美国专利6，958，752 (Jennings， Jr.等)教导，该镶嵌的表面被栅格化以产生被修改的对象体，这里通过全文引用引入其内 容。最后，当耐火体随后从蜡对象体中减去时，图案化的网孔体将以理想间隔距离δ s 和理想网孔厚度δω自由浮动。5. 5脊工H族一一系歹I丨齿禾443掠/悬梓等工H在局部构架和顶盖/桥构架工作流中，有许多修复体上的物理特征基于长的挤压 蜡图案。例如，例如CMP和Bego的许多经销商出售标准的蜡图案，具有适于在局部构架中 的网孔区域周围形成扣钩和终止线的不同轮廓和端部锥形特性。对于顶盖和桥构架，舌颈 通常由蜡自由形式地形成，但是颈仍类似设置在蜡顶盖的表面上的横截面变化的突出。
在这里描述的示例设计模块中，可以通过使用这里称为“脊”的虚拟工具族来实现 这类特征。脊工具族接受一个或多个引导曲线；以及可以由系统宽度参数选择数据库得到 的一个或多个横截面轮廓和附加的端部锥形特征。这些输入被用于沿着在一端或两端具有 可选锥形端的引导曲线形成扫掠或悬挂轮廓。支持的内部机制是基于使用描述载荷形状并且随着用户编辑引导曲线而交互地 校正的临时NURBS修补，改变轮廓的尺寸或方向，编辑每个悬挂轮廓的形状。或改变限定端 点处的锥形条件的参数。一旦用户接受该预览，激励连接器和充填工具(参见上文)的相 同的机制被用于首先镶嵌NURBS修补，然后将形成的多网孔转变为虚拟蜡。图13 屏幕底部的下拉菜单1300示出了用于不同类型用于脊的工具的典型的横 截面轮廓(例如，HalfRound或Domesharp)，用于脊的工具包括环扣钩(Ring clasps)、J 扣钩(J—clasps)、T扣钩(T-clasps)、终止线(Finish lines)、用于主连接器的加强支柱， 和用于顶盖和桥的舌颈。图14示出了使用这些不同轮廓的虚拟蜡输出1400。触觉辅助用于帮助用户形成和编辑横截面轮廓的引导曲线。通过接触虚拟耐火模型的表面上的点绘制引导曲线。在这些编辑点之间，曲线跟 随轮廓配合到表面。一旦形成，引导曲线可以通过将编辑点拖到表面上新的位置被更改，或 通过添加或移除点被更改。当编辑点被更改时，曲线被自动地重新配合到表面。为了帮助 编辑点选择，每个点具有“触觉吸合”，当接近时较小的力吸引并将触觉装置锁定到点。通过在二维平面上操作一系列连接的线和曲线来编辑轮廓。触觉装置的运动被限 制到χ和y，并且给出接触平板的物理感觉。对于引导曲线编辑点，触觉吸合辅助轮廓点的 选择和移动，以及把手的操纵，以在那些点处控制曲线切向。图15示出了脊工具用于编辑轮廓的屏幕，示出了二维平面1506上的线1502和曲 线 1504。提供进一步的触觉控制以调节轮廓在沿引导曲线扫掠时的对准和尺寸。旋转窗口 沿圆形轨迹锁止触觉装置的移动，允许围绕引导曲线的轴的轮廓的法线方向被设定。尺寸 窗口将触觉装置的移动锁止到直线轨迹，允许轮廓的宽度或高度被设定。具体地，有几个对于局部构架设计人员尤其有用的工作流具体交互作用。5. 5. 1扣钩工具类似所有这里描述的示例，扣钩工具接受一个或多个引导曲线、两个轮廓和限定 端部锥形条件的参数。引导曲线由用户通过点击以在虚拟耐火模型的表面上绘制曲线来输 入。轮廓从系统宽度参数选择得到并且也可以用于定制由用户编辑。沿引导曲线的轮廓的锥形可以被指定为扫掠轮廓的终点宽度(End Width)，可以 大于或小于相应的起点宽度(Mart Width)。引导曲线宽度(Width)从起点到终点线性地 衡量。轮廓的高度(Height)(厚度(Thickness))与宽度成比例被衡量。锥形可以为扣钩 的每个构件单独地设定。为了使形成的锥形的末端变圆，增加端帽。这通过将轮廓旋转到 围绕端点的表面来形成。被支撑的扣钩的类型包括简单环形(Simple Ring)扣钩、J形扣钩和T形扣钩。简 单环形扣钩连在一端上接到主连接器，并且在另一端上为锥形。扣钩工具接受单独的引导 曲线作为该类扣钩的输入。对于该扣钩类型有单套锥形参数。J形扣钩具有两个支架。基
30础支架连接到主连接器。基础支架的另一端略为锥形。该末端然后连接到具有尖锐过渡的 短支架。对于该扣钩类型有两个单套锥形参数。T形扣钩具有三个支架。基础支架连接到 主连接器。基础支架的另一端略为锥形。该末端然后连接到每个都比基础支架呈更显著的 锥形的两个短支架。对于该扣钩类型扣钩工具接收两个或三个曲线作为输入，取决于用户 是否将短支架绘制为一个或两个曲线。对于该扣钩类型有单套锥形参数。扣钩一般需要引导曲线位于虚拟耐火模型上。形成的悬挂几何形根据用户的选择 可以依靠于耐火模型或从其偏移。图16是示出限定每种扣钩的典型参数的对话框1600。5. 5. 2 终Ih线工具终止线工具的目的是在形成局部构架时向由网孔工具产生的几何形提供边界。典 型地，终止线使用三角形状的轮廓，并且得到的悬挂的形状被形成为使得轮廓沿引导曲线 被自由地扫掠，而使扫掠轮廓的方向不受下方的耐火模型的表面法线的影响。图17是示出限定每种终止线的典型参数的对话框1700。5. 5. 3舌颈工具舌颈工具在形成顶盖和桥构架时使用。金属顶盖上的舌颈的目的是为了为将要被 筑建在金属顶盖的顶部的陶瓷的提供结构支撑。一般地，顶盖可能没有舌颈，有局部舌颈， 或有整体舌颈。图18示出了示例用户界面中对于顶盖的这三种舌颈选择1800。对于顶盖，舌颈通常被限定为使得其平滑地弯曲为边缘线。对于桥构架，舌颈通常 被设计为平滑地流动到连接器。舌颈因此由掌控颈的底部的至少一个引导曲线限定。可选 择地，可以提供另外的引导曲线来表示舌颈的顶部。舌颈的横截面跟随由用户输入参数定 制的标准形状。局部舌颈的端部向下弯曲以遇到底部引导曲线，但是急剧地沿底部引导曲 线以形成台阶。图19示出了顶盖设定对话框，示出了限定舌颈所需要的参数。5. 6用于顶盖和桥的触觉辅助自动边缘线提取对于顶盖和桥，首先要限定的最重要的特征是边缘线，是跟随制备牙齿上的制备 线的封闭环。一般地，引入的表示“沟渠”模型，指是的石膏石料用手被修改以强调软件应用使 用的制备线。在该事件中，边缘线将清楚地可发觉。然而，有些情况下沟渠可能粗糙或不完 整，这种情况下边缘线必需通过观察手动地察觉。5. 6. 1对边缘线的可能输入在一个实施例中，当可得到沟渠模型时，整个扫描可以用于范围特征线检测算法， 可以基于插入路径、牙体解剖学知识或一些其它机制使用基于曲率的机制或2D轮廓检测 算法以从扫描数据获得边缘线。在另一个实施例中，用户可以使用触觉装置以绘制选择边缘线位于其上的小条的 几何形。该简单的、非解剖学的几何形然后由算法使用以检测表示边缘线的封闭环。在第三实施例中，用户可以使用触觉装置以绘制最终的边缘线。一个方式是在接 触扫描模型的同时点击边缘线上的点以输入样本点。NURBS曲线然后可以通过被点击的点 配合，使用最小平方配合机制以接近地表示扫描模型上的几何学。将曲线紧密地配合到规定公差可以是迭代的，并且可以占用较长时间。可以使用各种窍门来提高该步骤的迭代，包 括在初始定义状态中使用松弛配合曲线用于粗配合，并且在离开边缘线定义阶段前进行精 配合作为成批过程。5. 6. 2自动边缘线检测方法在一个实施例中，边缘线可以由明显视图的轮廓决定算法。给定插入路径和适当 的沟渠模型，以及靠近制备线被分段的模型，整个边缘线应该作为轮廓线可见。标准的轮廓 检测算法可以用于该模型的2D视图以找到边缘线。在另一个实施例中，使用环的几何形作为输入，可以通过在几个取样角处取得存 储的模型横截面(平面通过连接两个多线环的重心的线，两个多线环限定多网孔几何形的 顶和底)确定边缘线。横截面的轮廓点对于每个平面是相同的，并且这些点代表模型上的 取样点，随后可用作NURBS曲线配合算法的输入以产生紧密配合曲线。或者，连接这些轮廓 点的多线可以被用作为边缘线。或者，可以产生NURBS曲线然后投影回初始模型以找到位 于扫描模型的面上的多线。5. 6. 3用于确定边缘线的示例件技术用于确定边缘线的示例技术首先由用户用触觉装置手工地“扫掠”感兴趣的理想 3D区域，随后通过分析形成的表面曲线算法地确定边缘线。用户用触觉装置感觉边缘线，通过触觉装置的输入在包含边缘线的耐火模型的等 值面上产生带。基于用户的技术，在扫描数据中带在边缘线周围具有变化的宽度。由于解剖学表面形状，以及系统触觉地将扫掠(例如绘制选择)工具限制到理想 区域的能力，系统提供了指定包含边缘线的带的有效的方式。为了自动地检测并提取边缘线，运用5. 6. 2中描述的执行“两个环”的方法。通过包含边缘线的多边形“扫掠带”，称为质心轴的参考向量和指定的原点形成并 被存储。这是基于带顶和带底的边界的质心。称为质心的原点是带顶和带底的边界的质心 的中点。质心轴通过取得带顶的质心和带底的质心的差向量获得。Z轴是另一个潜在的质 心轴。在这对向量上使用加权判定算法以限定带的法线。该轴称为贝它(beta)。根据beta产生一组平面。这些平面围绕质心轴被均勻地参数化。这组平面用于 对带取样以改善改良的质心和质心轴的后续选择。在图20a中，示出质心轴2000，带2004的顶2002和带2004的底2006用虚线标记。根据平均间隔的平面组，产生具有等值面的每个平面的交叉。对于每个平面，与具 体的平面相交的边缘形成多线并以其连通性排为表面上的三角的边缘。通过该排序，中间 的顶点或顶点对与包围这些点的带被识别并被收集。新的顶和顶的多线通过这组顶和底中 间顶点形成。新的质心通过对每个平面取返回的中间顶点的中点的质心形成，该曲线被称 为“临时边缘线(PML) ”。新的质心轴通过中间顶点的新的上带和下带形成。通过新的质心轴和质心，用更大的平面的集合对带取样。带被故意地过采样。平 面的数量和间隔由顶环和底环(来自PML结构前产生的原始环)中的边缘的数量和改变确 定，并且顶环和底环产生用于PML。每个平面与带和临时边缘线分割，称该点为PML点。该平面与带的交点由其在平 面上的位置按照以前被安排。
对于Z轴和质心轴两者，通过对PML点和沿的Z轴及质心轴的质心的差进行投影 计算局部质心。使用这些点作为原点形成局部构架。根据这些点，计算排列好的交点的几 何特征。这包括相对于局部构架的凹度。并且，法线切平面到交叉多线中的点处的表面的改变被近似。成倍技术用于形成 该近似。这包括用NURBS曲线近似多线并提取曲线的作为结构的几何信息，特别是多线中 的点处的Frenet构架。此外，分析多线的弦偏离的变化。加权判定算法使用被收集的几何信息用于在通过将平面与带2004交叉产生的交 叉点2008中选择最佳的适当点，如图20b所示。取样点2008通过局部密度的加权重要性抽样和多线上的点的算法的变化减到较 小的数量，如图20c中较少数量的点2010所示。然后，用多线加权重要性抽样和NURBS结点插入对曲线平滑，使该更小的点2010 的组被精练。这些操作的结果是边缘线2010，如图20d所示。一旦被限定，边缘线也可以被用户编辑。触觉装置可以利用触觉重力井被吸引到 曲线上的被点击的编辑点。用户然后可以点击按键并且托动以移动该点，并且/或者向曲 线添加或移除点以改变曲线的形状。控制曲线配合的其它参数也可以被改变，包括控制点 的数目、配合的公差、结点向量是否均勻地间隔或被适应性地确定等。6触觉交互工具触觉向导和约束作为生产力增强辅助来说是无价的。可以使用例如线、面约束的 触觉向导和约束。此外，这里介绍齿科专用的触觉绘制窗口以实现齿科应用软件的直接和 透明的用户界面。这包括6. 1使用虚拟触觉控制球诜择插入路径对于几乎所有的修复体，需要选择插入路径，即修复体插入患者口中所沿的方向。 对于局部，齿科专业人员常使用称为“Ney (TM) Surveyor”的装置，本质上是具有移动平台的 桌面型装置。垂直方向是插入的期望路径。用户将患者的嘴的石膏铸件放在平台上，然后 在从侧面观察铸件的同时略微转动平台。一旦用户找到使咬边最小的插入路径，使用具有 石墨尖的工具标记轮廓的高度用于进一步处理。在这里描述的示例性系统中，触觉测量工具提供了 Ney Surveyor的类似物。在图 21中，插入路径由白箭头2100和线2102表示。该路径默认到扫描方向的Z轴。为了用触 觉装置改变插入路径，用户首先接触石膏铸件的扫描模型上或其周围的空间中的点，从模 型中心限定半径，然后以球面运动拖拉。以该方式，触觉装置移动被限制到球壳，给予虚拟 触觉控制球(Virtual Haptic Tradiball)的球形的感觉，允许模型在所有轴上精确地转 动。随着模型被转动，插入路径相对于视图保持被固定，但是相对于模型改变。作为结构的 效果非常像Ney Surveyor的行为。应注意，该虚拟触觉控制球界面可以被一般地用于准确地指定任意计算机模型3D 转动并且不限于该具体内容。应进一步注意，描述的“虚拟齿科测量”系统也可以实现2D输入，例如从鼠标或写 字板输入。类似的交互作用用于选择顶盖和桥的插入路径。在该类型的工作流中，齿科专业 人员通常选择向下直视插入路径使得顶盖或桥台的边缘线清楚地可见。然而，触觉交互仍是相同的——用户首先接触点然后移动触觉装置以利用虚拟触觉控制球技术实现模型围 绕其中心的转动。图21示出了作用中的转动窗口，用于选择局部构架2104的插入路径。6. 2用于桥体布置的平移、转动和比例窗口为了形成桥构架修复体，缺失的牙齿被桥体替换，并且相邻的顶盖和桥体通过连 接器连接。在物理世界中，齿科专业人员使用标准的蜡桥体和融化的蜡手工制作这些连接器。在这里描述的示例性系统中，提供了虚拟桥体和连接器的库，形状基于所涉及的 具体牙齿。此外，提供了触觉窗口，允许用户通过与其接触、按压按键并以x-y-z平移模式、 旋转模式或6自由度(DOF)模式拖动，移动或重新定向单个桥体或连接器。图2 示出了用于桥体2200的平移/旋转窗口。X轴2202、y轴2204和ζ轴2206 示出了局部x-y-z系统，并且交叉点2208示出了局部旋转原点。此外，放置的桥体2200和连接器工件可能需要被调整大小或拉伸。示例性系统提 供了触觉窗口，其中用户接触工件后开始拖拉。按照接触工件的位置和用户移动的方向，工 件可以沿χ-y-z坐标的三个局部方向的一个被不均勻地缩放。当工件被接触时，缩放的方向基于表面法向量被选择。法线对齐最靠近的任何主 局部轴成为缩放轴。随着触觉装置被移动，锁定到沿缩放轴的直线轨迹。为了更好的缩放 控制，自动推杆器修正器相对于触觉装置的移动减慢缩放动作。图22b示出了用于桥体2200的比例窗口。在该情况下，在面对X方向的一侧接触 工件，因此箭头2210绘制为平行于χ轴2202。6. 3触觉向导触觉理论可以用于检查外科手术向导，例如用于插入物和杆的对齐，以帮助设定 钻角，并且/或者产生用于外科手术固定设备的向导固定设备。本发明的实施例描述通过共边地构成针对患者的修复的向导固定设备或外科手 术设计，用于提高齿科程序的执行的系统和方法。该向导固定设备或外科手术设计可以用 作为使齿科医生优化修复在患者中的最终布置的指令。触觉界面然后可以用于确定患者情 况和设计的修复之间的向导的对齐。此外，触觉界面可以用于直接确定患者情况和设计的 修复之间的匹配。以与齿科医生通过用手指推动修复体并感觉形成的运动来测试局部构架 或冠的配合大致相同的方式，可以编排触觉界面以在虚拟安装中提供这样的交互。此外，如果外科手术设计(例如植入物的钻孔路径)沿针对患者的植入物形成时， 可以直接用触觉向导实施外科手术设计，其中齿科医生的手被其工具直接引导以沿正确路 径钻孔。本发明的一个实施例是改变典型的齿科医生的钻孔以包括致动器(例如电动机) 或制动器来在每个结点限制钻移动的范围；译码器或其它位置传感器使得钻末端的位置在 3D空间中可知(称该改变的钻为6D0F触觉钻)；以及患者登记步骤，其中钻、患者和外科手 术设计之间的3D关系被限定。患者登记可以通过以下来完成通过用患者情况的钻接触外科手术计划中可得到 的分界点；通过清楚引入在外科手术中可获得的附于患者的基准点；或通过“实时方法”， 其中使用钻的端部附近的传感器和匹配的软件以得到传感器数据和要执行的外科手术设 计之间的通信。
通过移去对设计的修复构件的要求可以使该触觉向导概念扩大。在植入外科手术 中，齿科医生选择现有的植入物并且执行适当的外科手术设计以使可获得的骨组织在颚内 的利用最优化的技术是最重要的。在这种情况下，6D0F触觉钻(Haptic Drill)通过“静止 形成”控制策略可以帮助执行植入的外科医生通过触觉地加强钻方向沿具体路径的对齐并 通过提供用于钻末端的穿过深度的信息，执行必要的钻操作“静止形成”控制策略使用触觉装置被开发(例如knsAble制造的I^remium 6D0F 触觉装置，其中钻末端概念地位于触觉界面点处)，并且是重力补偿的结合并在装置被释放 时维持用户的操作方向。一般的自由空间运动被允许，直到预排程序的限制、触觉壁或其它 引导路径被接近。触觉向导可以用于牙齿制备、植入和其它齿科外科手术过程。这些向导可以采用 两种形式在过程进行前被放到患者口中的引导固定结构，或作为触觉向导，其中典型的齿 科医生的钻孔被改变为包括(1)致动器或制动器来限制钻移动的范围；( 译码器或其它 位置传感器使得钻末端的位置在3D空间中可知；以及/或C3)患者登记步骤，其中钻和患 者之间的3D关系被限定。通过使用钻的端部附近的传感器和匹配的软件以得到传感器数 据和要执行的外科手术设计之间的通信，患者登记可以实时发生。触觉向导还可以被用于咬合登记。许多良好配合的齿科修复体，例如对于冠/桥， 需要用于适当闭塞的方法，其中上颂骨和下颚上的牙齿相对。用于咬合登记的触觉引导可 以允许实验室技工在感觉对手的同时对冠/桥进行建模。例如，实验室技工可以在感觉对 手的同时使用工具来使其设计的牙齿上的尖端变形，从而将尖端与相对的牙尖窝或用户限 定的其它接触点接触。该方法可以提供用于该设计的非常直观和快速的界面。体单元和/或触觉反馈也可以用于动态咬合。许多齿科修复体使用物理咬合器被 设计并被测试，其中上颚和下颚可能彼此作用，允许实验室技工提供具有适当闭塞或配合 的设计。使用触觉，用户可以以模拟物理模型和咬合的形式相对于上颚操纵下颚以物理地 感觉虚拟配合。此外，传感器可以用于测量患者的物理咬合与/或颚移动。这些传感器可以测量 移动，并且还可以在患者将牙齿闭牢时测量定时和力。该信息然后可以被用于自动地改变 用于动态咬合的修复体设计。例如，在冠和桥中，“高速路”是在牙齿设计中提供的允许自然 咀嚼、突出、散开和其它移动的额外的空间。使用具有体单元和/或触觉的动态咬合，实验 室技工首次可以以齿科医生最小的研磨和调整设计配合到患者口中的冠或桥。7.多种表示法以平衡精度与可量测性使虚拟耐火和虚拟蜡建模成为可能的基于体单元的3D表示法具有固有的强项和 弱点。强项包括通过使用测定体积的结合、插入和布尔减、混合和变形操作容易地仿效现实 世界建模过程的能力。然而，不像真实世界材料，体单元表示法具有固有的空间分辨率限 制，影响表面位置的精度和最小特征尺寸两者。记忆和处理代表性地随分辨率增大而指数 增大。相比之下，例如多边形表面或样条表面边界表示法(B-Mp)可以通过相对较小的记 忆和处理要求表示任意小特征和精确的表面位置两者，但是不提供与用于仿效真实世界建 模过程的体单元表示法相同的容易性。顶盖和桥建模过程的重要部分包括实现与边缘线的精确配合。体单元表示法将需 要以很高的精度被取样以满足边缘线所需要的10微米尺度的制造公差。使用这种高精度将禁止齿科技工提供交互式和时间有效的建模经验。相比之下，示例性系统使用多种表示 法。这允许用于体单元体的足够准确的空间分辨率，以在用靠近边缘线的更准确的边界表 示法几何补充表面表示法的同时表示法多数设计部分。该过程的输出是三角形的表面，其 中许多表面基于从虚拟蜡体的等值面提取，并且通过从我们的虚拟耐火模型去除扫描的患 者几何形，仅靠近边缘的被设计被的内表面上的三角形被获得。可选择地，镶嵌的样条表面 可以被用于限定边缘附近的外表面。用于制备、去除和缝合虚拟蜡的过程可以如下执行。可以用于顶盖或桥的一个或 多个边缘线连接以及局部扫描数据。该过程的输入是用于具有相应的被精确限定的边缘 线曲线的每个顶盖的三角形患者扫描数据。作为制备步骤，边缘线曲线用于去除三角患者 扫描数据以形成干净并且精确的表面边界。边缘以下从扫描数据超过的几何形被描述。此 外，耐火体从蜡体中减掉以形成顶盖或桥的单独的蜡部分。不保证边缘附近的表面部分平 滑并且没有拓扑缺陷。因此，与插入路径垂直的小突出表面采用向下扫掠以开关体的边缘 线形成。该体从蜡部分减去，以消除边缘附近的偏离的几何形并且形成用于去除的干净表 面。此外，体积注满充填选择被执行以识别并移除与蜡部分不连接的虚拟蜡的所有偏离部 分。—旦虚拟蜡和扫描数据几何被制备，去除过程用于将边缘附近的几何形部分从虚 拟蜡和扫描数据分离。去除表面基于扫掠环轮廓由边缘环形成。环轮廓的半径基于理想尺 寸以及三角体单元数据和三角扫描数据之间过渡区域被选择，典型地是多个多边形宽度的 尺寸。扫掠环轮廓表面被计算为之后被镶嵌的悬挂NURBS表面。去除表面用于修饰和从三 角蜡等值面的提取消除缺陷，同时还去除患者扫描数据以为更精确的内部边缘区域形成更 精确的表面数据的带。相同的去除表面用于表面的两者，以确保结果的一致和连续。三角 注满充填用于聚合外部和内部去除表面，同时去掉边缘附近的虚拟蜡表面的部分。此外，注 满充填用于从最靠近边缘环的扫描数据聚合表面带。处理的最后阶段是将去除的外部和内部虚拟蜡表面缝合到扫描数据表面以形成 要被加工的部分的密封的两层三角边界表示法。来自内部、外部和扫描数据带的边界多线 基于接近被识别并组合。然后这些成对的多线边界使用三角带被连接。7. 1边缘厚度另外的参数化和几何结构被执行以更好地利用用于齿科设计的快速成型(RP)的 能力。可以直接打印三维部件的RP机器例如由3DSyStemS、Objet和其它公司制造。因为 这些RP机器具有有限的精度量，小的、薄的特征以及/或刀口设计(边缘薄到零厚度)可 能呈现设计部分和快速成型机器的实际产出之间的不配合。顶盖和饰面可能终止在这样的 刀口，边缘在这里理想地薄到零厚度。图23示出了顶盖2302中的刀口 2300。类似地，图 M示出了饰面设计对02中的刀口 2400。在顶盖和饰面的两种情况中，刀口的位置可以由牙齿的解剖学边缘线限定。用于 “边缘厚度”的另一个参数可能被添加，在图M所示的边缘线M04处构成几何形“架”，可 能具有.2mm的宽度。该值可以是可变的以与不同RP机器的分辨率和齿科设计中的任意其 它限制匹配。图25示出了具有新的参数边缘厚度的结构对话框2500。最后，图沈示出了具有.2mm的边缘厚度沈02的完成的饰面沈00。因为在设计软 件中可获得大范围的缩放，架虚拟地看起来很大，而实际的物理尺寸可能小于毫米。架可能定向为大体上垂直于被设计的饰面的原始表面。此外，尽管以上对本发明的描述以设计顶盖和饰面的形式，然而应理解对具有另 外的边缘厚度参数的边缘线的这种利用也可以用于其它齿科修复体或植入物的几何结构。图27a至27c示范了混合表示法使用，并且示出了边缘线和接合间隙的精度。图 27a示出了用于基于顶盖出口 2700的体单元的边缘(参见出口 2700的边缘附近的区域 2702，示出了与制备牙齿的不一致)。图27b示出了用于扫描数据缝合的顶盖出口 2704的 边缘(示出了边缘2708附近的区域2706非常精确)。图27c示出体单元表示法2710准确 地表现了 100微米的接合间隙2712。8.制备用于顶盖的牙齿通过接合、脱水或结合间隙，制备的牙齿的桩可以被包壳以形成配合在制备牙齿 上的顶盖或桥结构。体单元表示法可以用于形成具有脱水间隙的顶盖或桥结构。体单元偏移可以用于解剖学顶盖，如图观所示。体单元可以用于从全轮廓牙齿设 计自动地得到解剖学顶盖观00。解剖学顶盖可以在用户指定的偏移处获得。解剖学顶盖可 以选择性地包括用于不透明层的用户指定的间隔(通常是浅颜色材料以掩饰深色的顶盖， 使得陶瓷的上层结构看起来自然而没有暗点)。不像样品，套管状的顶盖，解剖学顶盖可以 提供更强的下层结构，并且允许施加均勻的陶瓷上层结构厚度，可以降低应力破碎和破裂。9.技工辅助设计技工可以根据由具体的牙科医生放置的顺序选择参数。系统可以提供用户限定的 参数至通常使用的参数组。这些参数可以设定到用户、实验室与/或齿科医生。当为具体 的患者开始新的病例时，适当的参数随后可以自动地施加以影响最终的修复体设计。例如， 齿科医生可能选择一定轮廓和尺寸的扣钩或具有紧或松配合的修复体。当用于齿科医生的 一个患者的修复被设计时，这些参数可以被自动地继承。技工可以根据在齿科修复体中使用哪种材料进行参数选择四00，如图四所示。如 上所述，系统可以使用用于修复体的目标材料的知识来自动地改变设计和设计参数。例如， 半精度的顶盖可能是XX mm厚，而精确的金顶盖可能是yy mm厚，并且系统可以自动地分配 这些厚度。在另一个示例中，用于按压的陶瓷层可以有不同卖主并且具有彼此不同的材料 表述，再一次，系统可以自动地补偿这些不同的制造技术，例如，添加的RP树脂、激光烧结、 锆/其它陶瓷/金属的研磨。10.附件库图30示出了附件实验室3000的一个实施例，包括固定到现有牙齿结构的第一元 件以及第二元件。第二元件可以被技工选择，被加到局部构架设计，作为可塑树脂被输出， 并随后铸造。并不是提供配对，本发明的实施例提供单性附件系统，其中一个部件被指定为 虚拟设计蜡。附件部分可以被存储在虚拟部件库中。这些部分可以被放置在系统中以自动地与 插入路径或其它任意方向排列以确保适当的对齐。用户可以将两个或多个附件平行地对 齐，从而允许修复体被插入以及移出而没有捆绑。使用触觉，虚拟附件部分可以自动地被限 制到理想的方向，例如插入路径，以加速设计和完成的修复体的精确性。等同尽管具体选择实施例具体地示出并描述了本发明，然而本领域技术人员应理解，只要不背离权利要求所限定的本发明的精神和范围，在这里可以进行各种形式和细节的改 变。目前这只是临时申请，申请人的发明在权利要求范围内所考虑的不一定被限制到实施 例。
权利要求
1.一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括工作 流模块，所述工作流模块配置为响应于用户输入来通过所述图形界面向用户显示对话框， 所述对话框包括阶式列表的指令，用于引导用户经过预定的工作流来使用所述触觉界面装 置、所述图形界面和所述设计应用进行三维齿科修复体设计。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作流模块配置为向用户显示一系列对话 框，其中，一系列中的每个对话框包括阶式列表的指令以执行上述的工作流的子任务。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述三维齿科修复体是从包含局部体、局部构 架、桥、顶盖、饰面、多单元桥、咬合齿、咬合多齿、桥体、植入体、植入桥台和植入杆的组中选 取的组件。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对话框包括一个或多个链接，用于激活上述 工作流中的一个或多个相应的功能。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述一个或多个相应的功能包括至少一项功能 用于使用具有力反馈的所述触觉界面装置执行类似蜡的建模任务。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述触觉界面装置触针界面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对话框是从包含模型对话框、非模型对话 框、窗口模型对话框和应用模型对话框的组中选取的组件。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括图形用户界面，所述图形用户界面包括多个图 标，所述多个图标代表在上述工作流中被执行的功能以及选择性的一个或多个附加功能。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述设计应用配置为显示或高亮度表示图像用 户界面中与被选择的上述工作流执行的功能对应的特别的图标组，以及可选择地被配置为 隐藏或移去不与被选择的上述工作流执行的功能对应的任意的图标。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述工作流模块包括撤销功能，所述撤销功能 通过用户激活来取消用户执行的实施上述工作流的一个或多个步骤的行为，消除用户在实 施所述一个或多个被取消的步骤中引起的对三维齿科修复体设计的任何效果，从而允许用 户重复或忽略所述一个或多个被取消的步骤。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。
12.一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括图形 用户界面(GUI)，所述图形用户界面包括多个图标，所述多个图标代表使用所述触觉界面装 置、所述图形界面和所述设计应用进行三维齿科修复体设计中被执行的功能，并且其中，至 少一个所述功能包括在用户选择之前建立的默认设置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述默认设置包括尺寸、一个或多个蜡模型或 包括两者。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述设计应用配置为在用户对功能进行激活的基础上显示对话框，其中，所述对话框显示与用户激活的功能对应的所述默认设置。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述默认设置通过实验室宽度情形管理系统 被设定，并且可获得作为用于所述设计应用的输入。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述默认设置通过网络服务被设定，并且可获 得作为用于所述设计应用的输入。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述图标代表与多个工作流中被执行的功能 对应的工具，并且其中，所述图标被设置在GUI中使得代表在具体的工作流中指定使用的 工具的图标在空间上邻近。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，代表用于设计局部构架、顶盖和/或桥的工具 的所述图标被组合在一起。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，代表绘制工具、类似蜡建模工具或两者的所述 图标被组合在一起。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述三维齿科修复体包括从以下组中选择的 多个组件，所述组包含局部体、局部构架、桥、顶盖、饰面、多单元桥、咬合齿、咬合多齿、桥 体、植入体、植入桥台和植入杆。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述设计应用配置为显示或高亮度表示图像 用户界面中与用户选择的工作流中执行的功能对应的特别的图标组，以及可选择地被配置 为隐藏或移去不与用户选择的工作流中执行的功能对应的任意的图标。
22.根据权利要求17所述的系统，其中，所述工作流模块包括撤销功能，所述撤销功能 通过用户激活来取消用户执行的实施上述工作流的一个或多个步骤的行为，消除用户在实 施所述一个或多个被取消的步骤中引起的对三维齿科修复体设计的任何效果，从而允许用 户重复或忽略所述一个或多个被取消的步骤。
23.一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为根据石料或患者情形的扫描 形成模型，并且其中，所述设计应用包括配置为识别模型的边缘线的边缘线检测模块，所述 边缘线检测模块可选地使用来自用户的触觉输入来识别所述边缘线。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述边缘线检测模块配置为自动地从模型检 测初始边缘线，使得所述初始边缘线可以通过所述用户界面由用户进行调节，或者可以不 进行调节而被用户接受。
25.根据权利要求23所述的系统，其中，在扫描以强调用于自动检测的所述边缘线之 前，所述石料被修改。
26.根据权利要求23所述的系统，其中，所述边缘线检测模块配置为使用基于曲率的 机构与/或二维轮廓检测机构识别所述边缘线。
27.根据权利要求23所述的系统，其中，所述边缘线检测模块配置为使用算法通过所 述用户界面跟随用户对所述边缘线位于其上的几何形带的选择识别所述边缘线，以检测代 表所述边缘线的封闭环。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述几何形带由用户使用所述触觉界面装置被绘制选取。
29.根据权利要求观所述的系统，其中，与所述触觉界面装置通信的所述设计应用向 用户提供力反馈，
30.以在用户对所述几何形带的绘制选取的过程中将所述触觉界面装置限制到所述模 型的表面。
31.根据权利要求23所述的系统，其中，所述边缘线检测模块使用视图明显的轮廓寻 找算法来检测表示所述轮廓线的封闭环。
32.根据权利要求27所述的系统，其中，所述边缘线检测模块检测被限定的所述几何 形带内的顶部和底部多线环。
33.根据权利要求23所述的系统，其中，所述边缘线检测模块包括触针界面。
34.根据权利要求23所述的系统，其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。
35.一种用于建立与三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象的系统，所述系统包括 用户界面，配置为接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括一个或多个虚拟上蜡工具， 所述虚拟上蜡工具配置为根据用户通过所述用户界面的输入将与三维齿科修复体对应的 虚拟蜡对象建立到虚拟耐火模型上。
36.根据权利要求34所述的系统，其中，所述虚拟蜡对象是基于体单元占主导的，并且 具有靠近边缘线的边界表示法几何形。
37.根据权利要求34所述的系统，其中，所述虚拟上蜡工具包括从虚拟网孔工具、虚拟 脊工具、虚拟扣钩工具、虚拟终止线工具和虚拟舌颈工具构成的组中选择的一个或多个组 件。
38.根据权利要求34所述的系统，其中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟网孔工具。
39.根据权利要求37所述的系统，其中，所述虚拟网孔工具以最小变形在虚拟耐火模 型的表面的任意的用户识别区域内建立虚拟蜡对象的三维图案化网孔部分。
40.根据权利要求38所述的系统，其中，所述虚拟网孔工具将配合到所述虚拟耐火模 型的表面的用户限定的封闭环曲线分成四个边界曲线，NURBS修补配合在所述边界曲线内。
41.根据权利要求38所述的系统，其中，所述虚拟网孔工具与所述三维图案化的网孔 部分一起进一步建立用户限定厚度的空间体。
42.根据权利要求34所述的系统，其中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟脊工具。
43.根据权利要求41所述的系统，其中，所述虚拟脊工具建立长的挤出蜡图案，所述挤 出蜡图案具有适于形成局部构架中围绕网孔区域的终止线和扣钩的端部锥形特征和轮廓。
44.根据权利要求41所述的系统，其中，所述虚拟脊工具接收用户确定的作为输入的 一个或多个引导曲线、一个或多个横截面轮廓和一个或多个端部锥形参数。
45.根据权利要求43所述的系统，其中，所述一个或多个引导曲线、一个或多个横截面 轮廓和一个或多个端部锥形参数由用户从系统宽度参数选择数据库中选择。
46.根据权利要求41所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的触觉界面装置，并且其中，所述虚拟脊工具包括由所述触觉界面装置传递到用户的一个或 多个触觉辅助，以帮助用户形成并且/或编辑所述一个或多个引导曲线、一个或多个横截 面轮廓或这两者。
47.根据权利要求45所述的系统，其中，所述一个或多个触觉辅助包括与引导曲线的 多个点中的每个对应的触觉吸合，方便用户用于调节选择所述引导曲线的一个或多个点。
48.根据权利要求46所述的系统，其中，所述一个或多个触觉辅助包括二维限制平面， 方便轮廓点的选择和调节以及/或对一个或多个横截面轮廓的处理。
49.根据权利要求34所述的系统，其中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟扣钩 工具。
50.根据权利要求48所述的系统，其中，所述虚拟扣钩工具基于一个或多个用户选择 的引导曲线、轮廓和限制端部锥形条件的参数建立简单的环形扣钩、J形扣钩或T形扣钩。
51.根据权利要求34所述的系统，其中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟终止线工具。
52.根据权利要求34所述的系统，其中，所述一个或多个虚拟上蜡工具包括虚拟舌颈工具。
53.根据权利要求34所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的 触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。
54.根据权利要求34所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的 触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。
55.根据权利要求34所述的系统，其中，所述齿科修复体是局部构架、冠和桥、植入体、 饰面、夜间护罩、咬住夹板或正畸。
56.一种用于设计三维齿科修复体的方法，所述方法包括以下步骤(a)根据患者的嘴的压印制成的齿科石料的扫描形成原始3D计算机模型，或者根据患 者的嘴的直接扫描形成原始3D计算机模型；(b)自动地、手动地或半自动地向所述原始3D计算机模型添加虚拟挡出蜡；(c)连接所述原始3D计算机模型和添加的所述虚拟挡出蜡，从而形成虚拟耐火模型；(d)将虚拟设计蜡添加到所述虚拟耐火模型上以限定所述齿科修复体的最终3D计算 机模型；以及，可选择地，(e)使用所述齿科修复体的所述最终3D计算机模型制造所述三维齿科修复体。
57.根据权利要求55所述的方法，还包括添加虚拟释放蜡的步骤。
58.根据权利要求56所述的方法，其中，所述虚拟释放蜡被自动地添加。
59.根据权利要求56所述的方法，其中，所述虚拟释放蜡被手动地添加。
60.根据权利要求56所述的方法，其中，所述虚拟释放蜡校正齿科石料的扫描中的一 个或多个扫描误差并且/或防止在齿科修复体的铸造的过程中可能出现的一个或多个配 合误差，并且其中，所述一个或多个扫描误差由所述齿科石料中的气泡和/或洞引起，所述 一个或多个配合误差由所述齿科石料中的高频和/或硬角引起。
61.根据权利要求55所述的方法，包括自动地识别用户可调节的边缘线。
62.根据权利要求55所述的方法，其中，使用配置为向用户提供力反馈的触觉界面装 置执行至少一个步骤。
63.根据权利要求61所述的方法，其中，所述触觉界面装置包括触针。
64.根据权利要求61所述的方法，其中，所述触觉界面装置包括至少六个自由度。
65.根据权利要求55所述的方法，其中，包括至少部分基于所述3D计算机模型的几何 形和所述三维齿科修复体的插入方向，向所述原始3D计算机模型自动地添加虚拟挡出蜡。
66.根据权利要求55所述的方法，其中，步骤(d)包括使用从包括克隆工具、主连接器 工具、网孔工具、脊工具、扣钩工具、终止工具和舌颈工具的组合中选择的一个或多个虚拟 上蜡工具。
67.根据权利要求55所述的方法，其中，所述最终3D计算机模型包括基于体单元的表 示法和边界表示法。
68.根据权利要求66所述的方法，其中，所述边界表示法提高了被识别的边缘线和接 合间隙的精度。
69.一种用于在三维齿科修复体的设计中制备虚拟耐火模型的设备，所述设备包括(a)存储器，存储限定指令组的编码；以及(b)处理器，执行所述指令，从而(i)根据齿科石料或患者情形的扫描形成模型；( )向所述模型添加虚拟挡出蜡以充填所述模型的咬边部分、所述模型的缺陷部分或 这两者；(iii)更新模型以基于用户命令合并添加的所述虚拟挡出蜡和虚拟释放蜡，从而制备 虚拟耐火模型，所述虚拟耐火模型上可以建立与所述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象。
70.根据权利要求68所述的设备，其中，在步骤(ii)的添加虚拟挡出蜡之前，所述处理 器执行所述指令，以通过雕刻或平滑气泡伪迹或通过对制备牙齿挖沟改变所述模型。
71.根据权利要求68所述的设备，其中，在步骤(iii)的更新所述模型之前，所述处理 器执行所述指令，以向所述齿科石料的扫描与/或所述齿科石料的扫描形成的模型添加虚 拟释放蜡来校正由扫描与/或铸造所述齿科石料引起的一个或多个误差。
72.根据权利要求68所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以自动地添加虚拟 释放蜡。
73.根据权利要求68所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以使用户能手动地 添加虚拟释放蜡。
74.根据权利要求68所述的设备，其中，所述一个或多个误差由齿科石料中的气泡、 洞、高频和/或硬角引起。
75.根据权利要求68所述的设备，其中，所述模型是包括基于体单元的表示法和边界 表示法的多表示法的模型。
76.根据权利要求68所述的设备，其中，所述三维齿科修复体是从包括局部构架、冠、 顶盖、桥构架、植入体、饰面、夜间护罩、咬住夹板和正畸的组合中选择的组件。
77.根据权利要求68所述的设备，其中，所述虚拟耐火模型包括与齿科石料或患者情 形对应的第一体构件和与添加到所述模型的虚拟挡出蜡的体对应的第二独立体构件。
78.根据权利要求76所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以进一步形成与所 述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象，其中，所述虚拟蜡对象被建立在所述虚拟耐火材料 上。
79.根据权利要求77所述的设备，其中，所述虚拟蜡对象是包括基于体单元的表示法 和边界表示法的多表示法的模型。
80.根据权利要求68所述的设备，其中，所述用户指令包括按钮的激活。
81.根据权利要求68所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以至少部分基于用 户选择的插入路径自动地识别并在图形界面上图形地显示模型的咬边部分，从而将所述模 型的咬边部分与非咬边部分区别开。
82.根据权利要求80所述的设备，其中，咬边部分基于咬边的度以对照的颜色被显示。
83.根据权利要求80所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以随着用户通过用 户界面添加虚拟挡出蜡实时地显示所述模型，其中，咬边部分的减少随着用户添加虚拟挡 出蜡实时地向用户显示。
84.根据权利要求80所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以向咬边部分自动 地添加虚拟挡出蜡。
85.根据权利要求68所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以在原始耐火模型 中形成不齐的下结构。
86.根据权利要求68所述的设备，其中，所述处理器执行所述指令以基于用户指定的 一个或多个参数向原始耐火模型提供一组参数选择。
87.根据权利要求85所述的设备，其中，所述一个或多个参数包括或对应于在齿科修 复体中使用的患者数据与/或材料。
88.一种用于在三维齿科修复体的设计中制备虚拟耐火模型的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为使用与石料或患者情形 对应的扫描数据形成原始虚拟耐火模型，并且其中，所述设计应用包括虚拟挡出蜡工具，所 述虚拟挡出蜡工具配置为通过将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的 区域上以充填一个或多个洞并且/或平滑所述原始虚拟耐火模型的表面上的不规则，对所 述原始虚拟耐火模型进行修改，其中，所述设计应用配置为更新所述虚拟耐火模型以基于 用户命令包含被添加的虚拟挡出蜡。
89.根据权利要求87所述的设备，其中，所述设计应用进一步配置为基于通过所述用 户界面的用户输入形成与所述三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象，其中，所述虚拟蜡对象 被建立在更新的虚拟耐火模型上。
90.根据权利要求87所述的设备，其中，所述设计应用将修补配合到用户指定区域内 的原始虚拟耐火模型的表面，所述修补在不配合到凹特征的同时与凸表面特征松配合。
91.根据权利要求87所述的设备，其中，所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添 加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域上以对抽出带来的孔进行补偿。
92.根据权利要求87所述的设备，其中，所述三维齿科修复体是局部构架，并且其中， 所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区 域上以对嘴缺陷进行补偿。
93.根据权利要求87所述的设备，其中，所述三维齿科修复体包括舌杆，并且其中，所 述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域 上以对下腭不规则进行补偿。
94.根据权利要求87所述的设备，其中，所述虚拟挡出蜡工具配置为将虚拟挡出蜡添 加到所述原始虚拟耐火模型的用户指定的区域上以对石料伪迹进行补偿，从所述石料伪迹 获得用于形成所述原始虚拟耐火模型的扫描数据。
95.根据权利要求87所述的设备，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的 触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。
96.根据权利要求87所述的设备，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈的 触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。
97.根据权利要求87所述的设备，其中，所述用户界面包括鼠标与/或控制球。
98.根据权利要求M所述的设备，其中，所述设计应用还包括配置为在所述原始虚拟 耐火模型形成不齐的下结构的切割区域减少工具。
99.根据权利要求87所述的设备，其中，所述设计应用还包括配置为基于用户指定的 一个或多个参数向所述原始耐火模型提供一组参数选择的参数选择工具。
100.根据权利要求98所述的设备，其中，所述一个或多个参数包括或对应于在齿科修 复体中使用的患者数据与/或材料。
101.一种用于建立与三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括虚拟上蜡工具，所述虚拟上 蜡工具配置为根据用户通过所述用户界面的输入将一层虚拟蜡施加到虚拟耐火模型上，以 建立与三维齿科修复体对应的虚拟蜡对象，所述虚拟蜡层自动地从耐火模型的表面偏移达 用户指定的厚度。
102.根据权利要求100所述的系统，其中，所述三维齿科修复体是局部构架。
103.根据权利要求100所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，并且其中，所述虚拟上蜡工具通过所述触觉界面装置沿着所述虚拟耐火 模型的表面被用户引导。
104.根据权利要求100所述的系统，其中，所述虚拟上蜡工具具有确定虚拟蜡的输出 层的范围的体取样形状，从而确保所述输出层的连续性。
105.根据权利要求103所述的系统，其中，所述体取样形状是球形。
106.根据权利要求103所述的系统，其中，所述体取样形状的直径大于被施加的虚拟 蜡的所述户指定的厚度。
107.根据权利要求103所述的系统，其中，所述虚拟耐火模型包括在对所述虚拟蜡层 建模中使用的体单元数据。
108.根据权利要求103所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，所述触觉界面装置包括触针，并且其中，所述虚拟上蜡工具配置为由用户 根据所述触针的运动交互地将一层虚拟蜡实时地涂到所述虚拟耐火模型上。
109.根据权利要求100所述的系统，其中，所述虚拟上蜡工具配置为在所述虚拟耐火 模型的表面上的区域内施加所述虚拟蜡层，所述区域通过所述用户界面被用户识别。
110.根据权利要求108所述的系统，其中，所述虚拟蜡层被施加到以所述虚拟耐火模 型的表面上由用户通过所述用户界面绘制的封闭曲线环为边界的区域内。
111.根据权利要求108所述的系统，其中，所述虚拟蜡层被施加到由用户通过所述用户界面绘制到所述虚拟耐火模型的表面上的区域。
112.根据权利要求108所述的系统，其中，所述设计应用将NURBS修补配合到所述虚拟 耐火模型的表面上的区域，将NURBS修补偏移到指定距离，并且将所述修补的上表面转换 为体单元表示法。
113.根据权利要求111所述的系统，其中，所述设计应用通过放松所述区域内的点的 二维网格以产生理想的光滑度来将NURBS修补配合到所述区域。
114.根据权利要求111所述的系统，其中，所述设计应用通过镶嵌所述修补以形成多 网孔表示法并将所述多网孔表示法转换为体单元表示法，将所述修补的上表面转换为体单 元表示法。
115.根据权利要求100所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置包括触针界面。
116.根据权利要求100所述的系统，其中，所述用户界面是配置为向用户提供力反馈 的触觉界面装置，并且其中，所述触觉界面装置具有至少六个自由度。
117.根据权利要求100所述的系统，其中，所述用户界面包括鼠标与/或控制球。
118.一种用于改变三维齿科修复体的模型以用于快速成型机器的系统，所述系统包括用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为接收包括边缘线的三维 齿科修复体的模型，并且其中，所述设计应用包括刀口厚度工具，所述刀口厚度工具配置为 将所述边缘线处的模型厚度增大到根据所述快速成型机器的一个或多个限制选择的最小值。
119.根据权利要求117所述的系统，其中，所述快速成型机器的所述一个或多个限制包括分辨率。
120.根据权利要求117所述的系统，其中，所述齿科修复体包括顶盖与/或饰面。
121.根据权利要求117所述的系统，其中，所述边缘线处的增大的模型厚度包括与所 述三维齿科修复体的模型的表面垂直的架。
122.根据权利要求117所述的系统，其中，所述最小值约0.2mm。
123.—种用于在齿科修复体的三维模型上设置支撑特征的系统，所述系统包括 用户界面，配置为接收来自用户的输入；以及与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为分析所述模型的特性并 确定所述支撑特征的放置点。
124.根据权利要求122所述的系统，其中，所述齿科修复体是局部构架、冠、顶盖、桥构 架、植入体、饰面、夜间护罩、咬住夹板以及/或正畸。
125.根据权利要求122所述的系统，其中，所述支撑特征是冒口与/或支撑杆。
126.根据权利要求122所述的系统，其中，所述设计应用进一步被配置为自动地将所 述支撑特征放置在所述三维模型上。
127.根据权利要求125所述的系统，其中，所述设计应用还包括询问用户移除被放置 的支撑特征的对话框。
128.据权利要求122所述的系统，其中，所述设计应用包括用于分组命令的模板，所述模板包括用于分析所述三维模型并且用于确定所述支撑特征的放置的步骤。
129.—种用于建立基于体单元表示法的三维齿科修复体的系统，所述系统包括用户界面，配置接收来自用户的输入；以及与所述用户界面通信的设计应用，其中，所述设计应用配置为根据石料或患者情形的 扫描形成模型，并且所述设计应用包括结合间隙模块，所述结合间隙模块配置为形成基于 体单元的表示法的三维齿科修复体，允许基于体单元的表示法和所述模型之间的结合间 隙。
130.据权利要求1 所述的系统，其中，结合间隙偏移由用户指定。
131.一种用于触觉地引导对患者执行的齿科过程的系统，所述系统包括存储介质，用于存储外科手术计划或患者身体的部分的三维表示法；传感器，用于检测外科手术工具的位置；致动器，用于限制所述外科手术工具的移动；以及处理器，用于从所述传感器接收与所述外科手术工具的位置对应的信号，将所述位置 与所述三维表示法进行比较，并且进行响应向所述致动器发出信号以限制所述外科手术工 具的运动。
132.根据权利要求130所述的系统，其中，所述外科手术工具包括齿科钻。
133.根据权利要求130所述的系统，其中，所述患者身体的部分包括牙齿。
134.根据权利要求130所述的系统，其中，所述处理器实时地将所述位置与所述三维 模型进行比较。
135.一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括用于 修改所述三维齿科修复体的计算机模型的虚拟上蜡工具，并且其中，所述虚拟上蜡工具包 括通过所述触觉界面装置传递到用户的一个或多个触觉辅助，以帮助用户确定所述三维齿 科修复体的闭塞点。
136.根据权利要求134所述的系统，其中，所述闭塞点包括尖端。
137.根据权利要求134所述的系统，其中，所述齿科修复体是冠或桥。
138.—种用于测试咬合的系统，所述系统包括触觉界面装置，配置为向用户提供力反馈并接收来自用户的输入；图形界面，配置为向用户提供图像反馈；以及与所述触觉界面装置和所述图形界面通信的设计应用，其中，所述设计应用包括患 者嘴的模型，所述模型包括三维齿科修复体、上颚、下颚；咬合模块，用于打开和闭合所述下 颚；以及闭塞模块，用于测试所述三维齿科修复体关于所述上颚和下颚的至少一者的配合。
139.根据权利要求137所述的系统，其中，还包括用于监测患者的颚运动的传感器。
140.根据权利要求138所述的系统，其中，所述设计应用还包括修改模块，以基于所述 患者的颚运动自动地修改所述三维齿科修复体。
141.根据权利要求137所述的系统，其中，所述三维齿科修复体包括体单元。
142.一种用于设计三维齿科修复体的系统，所述系统包括原始建模模块，用于根据患者的嘴的压印制成的齿科石料的扫描形成原始3D计算机 模型，或者根据患者的嘴的直接扫描形成原始3D计算机模型；挡出模块，用于自动地、手动地或半自动地向所述原始3D计算机模型添加虚拟挡出蜡；合并模块，用于连接所述原始3D计算机模型和添加的所述虚拟挡出蜡，从而形成虚拟 耐火模型；最终建模模块，用于将虚拟设计蜡添加到所述虚拟耐火模型上以限定所述齿科修复体 的最终3D计算机模型；以及，可选择地，制造模块，使用所述齿科修复体的所述最终3D计算机模型制造所述三维齿科修复体。
全文摘要
本发明提供了一种数字齿科系统，使用触觉界面，并且特征在于基于计算机的设计应用，该设计应用被配置为适当地利用用户的设计技能允许齿科修复体中常见的不规则、无定形的三维结构的直觉构造。在一些实施例中，系统为齿科实验室在形成齿科修复体的业务中提供了广泛的数字解决方案，利用通过触觉界面装置提供的触觉，所述齿科修复体例如是局部构架、冠、顶盖、桥构架、植入体等。
文档编号A61C19/045GK102083387SQ200980110530
公开日2011年6月1日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者乔·威斯奇, 亚寇·艾浦勒鲍姆, 伊莱恩·陈, 卡特·罗勒, 大卫·子-为·陈, 布兰登·伊特科伍兹, 布莱恩·库珀, 布莱恩·詹姆斯, 戴夫·吉拉德, 文卡特蕾海文·古力杉卡, 文森特·M·哈蒙, 斯科特·戴维森, 泰瑞·林格伦, 艾贝·J·科恩, 迈克·塌巴兹维奇, 鲍伯·斯坦加特 申请人:森瑟博科技有限公司