用于预测根管长度的方法及数据采集系统与流程

本发明涉及一种用于预测根管长度的方法及数据采集系统，属于医疗设备技术领域。

背景技术：

根管长度是指前牙齿的切缘或后牙齿的窝洞边缘的某一点到根管的根尖狭窄部的距离，根管治疗中保留根尖止点的完整性非常重要，彻底清除感染源和减少根尖及根尖周损伤要求临床上精确的测量根管长度。

确定根管长度的方法通常有三种：手感法，x线牙齿片估测法，根管长度测量仪。三种方法的精确程度依次提高，所以根管长度测量仪是目前临床上最常用的根管长度测量手段。

根管长度测量仪经历了长期的发展过程。早期的直流电测法和交流电测法由于准确度极低已被淘汰，目前应用最广泛的方法是双频比值法，但其局限性在于根管内的环境复杂，易受测量条件变化干扰，依托于双频比值法的根管长度测量仪在临床应用中仍无法达到较为理想的准确度。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于预测根管长度的方法及数据采集系统，能够预测牙齿根管的长度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于预测根管长度的方法，采用如下技术方案：一种用于预测根管长度的方法，包括：

1)建立数据采集系统，数据采集系统包括容纳导电液的容器、连接在数据采集系统中的第一电极和第二电极，第二电极固定设置，第一电极用于插入根管并能够从根管的上端插入到根管的不同检测位置；

2)准备牙齿样本，牙齿样本的根管长度和各检测位置相对根管下端的距离真实值已知；

3)将牙齿样本浸没在导电液中，用第一电极从根管上端插入根管中不同的检测位置处，在不同的检测位置通过第一电极和第二电极检测并得出不同频率下的阻抗值；

4)选取所得出的多组不同频率下的阻抗值，根据所选的多组不同频率下的阻抗值得出多个阻抗值比值，以所得出的多个阻抗比值以及数值化的环境特征作为特征量；

5)使用大量包含所述特征量的牙齿样本训练出预测第一电极下端距离根管下端距离的数学模型；

6)使用含有与所述特征量相同数据的牙齿样本，通过所训练出的数学模型预测第一电极下端距离根管下端距离。

优选地，在所述步骤5)中，按照如下方式进行建模及模型训练：

5.1)通过回归系数θ并根据牙齿样本包含所述特征量的检测数据x预测第一电极下端距离根管下端的距离hθ(x)，hθ(x)＝θ^tx；

5.2)以预测值hθ(x)与真实值的残差平方和得出预测误差j(θ)，

式中，m表示样本个数，j表示特征量的维度，y表示第一电极下端距离根管下端的距离真实值；

5.3)通过j对θ求偏导，应用梯度下降法不断更新θ，其中，α为常数。

优选地，所述导电液为生理盐水。

优选地，所述第一电极为医用牙根管锉针。

更为优选地，作为特征量的环境特征包括温度、牙齿类型、锉针类型。

优选地，所述步骤5)中，训练所述数学模型的方法为统计学中的数据分析方法为神经网络或支持向量机。

优选地，所述数据采集系统的信号源为扫频信号，信号频率的变化范围为100hz至20khz。

与本发明的一种用于预测根管长度的方法相应地，本发明还提供一种用于预测根管长度的数据采集系统，用于实施上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于预测根管长度的方法，包括：

上位机，利用所采集的牙齿样本不同频率下的阻抗值以及阻抗比进行数据处理，建立并训练出预测第一电极下端距离根管下端距离的数学模型；

信号发生电路，与第一电极和上位机相连，用于根据上位机的控制并产生检测信号，所产生的检测信号通过第一电极输出；

采集电路，与第二电极和上位机相连，通过第二电极采集信号并将采集的信号传输给上位机；

容器，容纳有导电液，第一电极和第二电极都浸入导电液，第一电极可上下移动。

优选地，所述信号发生电路所产生的信号为频率可变的扫频信号，信号频率的变化范围为100hz至20khz。

优选地，所述信号发生电路所产生的信号为正弦信号。

如上所述，本发明涉及的一种用于预测根管长度的方法，具有以下有益效果：本发明的一种用于预测根管长度的方法中，通过建立预测根管长度的数学模型，该数学模型采用包括根管不同测量位置的阻抗值比以及环境特征作为特征量作为训练模型和预测根管长度的依据，并采用大量的牙齿样本对数学模型进行训练而减小预测误差，该数学模型采用了统计学中的数据分析方法，基于大量的牙齿样本的统计数据来预测待检测的牙齿的根管长度，从而能够准确地预测根管的长度。

附图说明

图1显示为本发明的一种用于预测根管长度的方法的部分步骤的流程图。

图2显示为本发明的一种用于预测根管长度的数据采集系统的结构示意图。

元件标号说明

101上位机

102信号发生电路

103第一电极

104第二电极

105容器

106采集电路

107牙齿

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参考图1和图2，本发明提供一种用于预测根管长度的方法，包括如下步骤：

1)建立数据采集系统，数据采集系统包括容纳导电液的容器105、连接在数据采集系统中的第一电极103和第二电极104，第二电极104固定设置，第一电极103用于插入根管并能够从根管的上端插入到根管的不同检测位置；

2)准备牙齿样本，牙齿样本的根管长度和各检测位置相对根管下端的距离真实值已知；

3)将牙齿样本浸没在导电液中，用第一电极103从根管上端插入根管中不同的检测位置处，在不同的检测位置通过第一电极103和第二电极104检测并得出不同频率下的阻抗值；

4)选取所得出的多组不同频率下的阻抗值，根据所选的多组不同频率下的阻抗值得出多个阻抗值比值，以所得出的多个阻抗比值以及数值化的环境特征作为特征量；

5)使用大量包含所述特征量的牙齿样本训练出预测第一电极103下端距离根管下端距离的数学模型；

6)使用含有与所述特征量相同数据的牙齿样本，通过所训练出的数学模型预测第一电极103下端距离根管下端距离。

本发明的一种用于预测根管长度的方法中，通过建立预测根管长度的数学模型，该数学模型采用包括根管不同测量位置的阻抗值比以及环境特征作为特征量作为训练模型和预测根管长度的依据，并采用大量的牙齿样本对数学模型进行训练而减小预测误差，该数学模型采用了统计学中的数据分析方法，基于大量的牙齿样本的统计数据来预测待检测的牙齿107的根管长度，从而能够准确地预测根管的长度。

在本发明的一种用于预测根管长度的方法中，作为一种优选的实施方式，所述导电液为生理盐水，用容器105容纳生理盐水，所述第一电极103为医用牙根管锉针，将牙齿样本放置在固定牙齿样本的支架(图中未显示)上并浸没在生理盐水中，将第一电极103从牙齿107的上方向下插入到根管中，生理盐水能够导电，从而使得第一电极103和第二电极104之间能够传递电信号。

在本发明的一种用于预测根管长度的方法中，数据采集系统采集第一电极103和第二电机之间的阻抗信号，如图1所示，信号发生器发出扫频信号作为测量牙齿107根管长度的信号源，然后，采集电路106采集第一电极103和第二电极104之间的电信号并计算得出不同频率下根管的阻抗值，并选取若干组不同频率下的阻抗值比作为特征量，接着，上位机101通过统计学方法使用大量包含所述特征量的牙齿样本训练出预测第一电极103下端距离根管下端距离的数学模型；在对待检测的牙齿107进行根管长度的预测时，使用含有与所述特征量相同数据的牙齿样本，通过所训练出的数学模型预测第一电极103下端距离根管下端距离。所述特征量包括数值化的环境特征和所选取的阻抗比，优选地，作为特征量的环境特征包括温度、牙齿107类型、锉针类型。作为特征量选取的阻抗比的数量应该严格大于1，根据不同的测量要求可对选取的阻抗比数量进行相应调整。

为了使得预测根管长度的数学模型能够准确地预测根管长度，需要建立合理的数学模型并对数学模型进行训练，使得数学模型的预测准确度越来越高。作为一种优选的实施方式，在所述步骤5)中，按照如下方式进行建模及模型训练：

5.1)通过回归系数θ并根据牙齿样本包含所述特征量的检测数据x预测第一电极103下端距离根管下端的距离hθ(x)，hθ(x)＝θ^tx；

5.2)以预测值hθ(x)与真实值的残差平方和得出预测误差j(θ)，

式中，m表示样本个数，j表示特征量的维度，y表示第一电极103下端距离根管下端的距离真实值；

5.3)通过j对θ求偏导，应用梯度下降法不断更新θ，

其中，α为常数。

训练时，通过设置训练次数或者误差的阈值作为训练终止的条件，训练结束后最终得到θ的值即为预测模型hθ(x)＝θ^tx中的θ参数。

利用上述的数学模型，用大量的样本对该数学模型进行训练，就能使得预测误差j(θ)越来越小，使得预测值与真实值越来越接近，当使用足够的牙齿样本对该数学模型训练之后，预测误差j(θ)就会足够小，该数学模型就能够对牙齿107的根管长度进行准确的预测。

在对待检测的牙齿107预测根管长度时，在环境特征相同的情况下，将第一电极103插入到根管中的不同检测位置，获得与数学模型中牙齿样本特征量相同的特征量，这样，通过将待检测的牙齿107的特征量与数学模型中牙齿样本的特征量进行比对，就可以利用数学模型中与待检测的牙齿107具有相同特征量的牙齿样本来预测待检测的牙齿107的根管长度。具体地，使用训练好的模型参数θ，检测待检测的参数x，通过公式hθ(x)＝θ^tx进行预测得到锉针距根尖的距离hθ(x)，并判断是否到达根尖。

在本发明的一种用于预测根管长度的方法中，通过统计学方法使用大量包含所述特征量的牙齿样本训练出预测锉针位置的数学模型，作为一种优选的实施方式，所述步骤5)中，训练所述数学模型的方法包括但不局限于统计学中的数据分析方法为神经网络或支持向量机等。

如图2所示，数据采集系统中的信号发生电路102产生信号而为第一电极103和第二电极104提供信号源，作为一种优选的实施方式，数据采集系统的信号源为扫频信号，信号频率的变化范围为100hz至20khz，所述扫频信号可以采用正弦信号。

本发明的一种用于预测根管长度的方法，包括：建立模型和预测结果两部分。在建立模型阶段，通过信号发生器发出扫频信号作为测量牙齿107根管长度的信号源；通过一个包含锉针(锉针即第一电极103)和测量电路的采集系统测得电信号并计算不同频率下根管的阻抗值；选取若干组不同频率下的阻抗值比与数值化环境特征一同作为特征量，通过统计学方法使用大量包含这些特征量的样本训练出预测锉针与根尖(根尖即根管的下端)距离的数学模型。在预测结果阶段，使用上述同样的方法得到含有相应特征量的样本，通过训练得到的数学模型来预测锉针与根尖的距离。上述的根管长度测量方法，准确率高，鲁棒性强，可以有效减少测量环境中复杂因素的影响。

与本发明的一种用于预测根管长度的方法相应地，本发明还提供一种用于预测根管长度的数据采集系统，用于实施上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于预测根管长度的方法，包括：

上位机101，利用所采集的牙齿样本不同频率下的阻抗值以及阻抗比进行数据处理，建立并训练出预测第一电极103下端距离根管下端距离的数学模型；

信号发生电路102，与第一电极103和上位机101相连，用于根据上位机101的控制并产生检测信号，所产生的检测信号通过第一电极103输出；

采集电路106，与第二电极104和上位机101相连，通过第二电极104采集信号并将采集的信号传输给上位机101；

容器105，容纳有导电液，第一电极103和第二电极104都浸入导电液，第一电极103可上下移动。

本发明的一种用于预测根管长度的数据采集系统用于实施本发明的一种用于预测根管长度的方法，信号发生电路102用于向第一电极103和第二电极104提供信号源，采集电路106用于采集第一电极103和第二电极104之间的电信号，上位机101用于处理所采集的电信号并对数据进行处理，通过上位机101建立数学模型，利用所采集的牙齿样本的数据对数学模型进行训练，从而建立出能够准确预测根管长度的方法。

如图2所示，信号发生电路102的输出与第一电极103(锉针)相连，将第一电极103插入被测牙齿107的根管中，由于根管以及第二电极104都浸没在生理盐水中，因此形成通路，进而在第二电极104末端可以得到包含根管阻抗信息的电信号。

作为一种优选的实施方式，所述信号发生电路102所产生的信号为频率可变的扫频信号，信号频率的变化范围为100hz至20khz。优选地，所述信号发生电路102所产生的信号为正弦信号。具体地，信号发生电路102通过上位机101的程序控制，通过一块数字频率合成器产生一个频率可变的正弦信号，信号频率变化范围可为100hz到20khz。该扫频信号通过相应的放大电路，作为后续测量电路的信号源。

将通过测量电路测得的电信号采集并计算得到不同频率下根管的阻抗值，选取若干组不同频率下的阻抗值比作为特征量。请参阅图2，具体地，第二电极104末端包含根管阻抗信息的电信号连入采集电路106中，并通过ad采集电路106将电信号传输并保持到与之相连的上位机101中。在上位机101中，通过数据处理软件计算出不同频率下的阻抗值以及不同频率比下的阻抗比作为样本。通过改变第一电极103在根管中的位置，就能得到标签不同的样本。通过特征提取方法选择出若干个(如10个)对结果影响较大的阻抗比以及数值化的环境特征包括体温、牙齿107类型、锉针类型等一同作为样本的特征量。最后，通过统计学方法使用大量包含这些特征量的样本训练出预测锉针位置的数学模型。

基于上述实施例的技术方案，本发明的一种用于预测根管长度的方法及数据采集系统，通过建立预测根管长度的数学模型，该数学模型采用包括根管不同测量位置的阻抗值比以及环境特征作为特征量作为训练模型和预测根管长度的依据，并采用大量的牙齿样本对数学模型进行训练而减小预测误差，该数学模型采用了统计学中的数据分析方法，基于大量的牙齿样本的统计数据来预测待检测的牙齿的根管长度，从而能够准确地预测根管的长度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。