KR20160004863A

KR20160004863A - 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법

Info

Publication number: KR20160004863A
Application number: KR1020140083999A
Authority: KR
Inventors: 지헌주; 조헌제; 임용현
Original assignee: 주식회사 인스바이오
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-13
Also published as: WO2016003256A1

Abstract

본 발명은 치아 교정 시술을 위한 모의시술을 수행하기 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 데이터와 오차율을 최소화하여 생성한 3D 치아모델 및 치아교정 모의시술을 위한 다양한 가이드를 기반으로, 정밀한 조작이 어려운 기존의 3차원 조작 UI(User interface)에 비해 2차원적인 조작으로 세분화된 UI를 제공함으로써 사용자가 보다 편리하게 정밀한 조작을 할 수 있도록 하여 실제 교정하는 과정과 유사한 치아 이동을 실행함으로써, 치아 교정에 의한 치아 배치 구조의 변형을 실시간으로 반영하여 제공하는 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 실제 데이터와 오차율을 최소화 시키는 치아모델을 이용하여, 종래에 비해 간단한 조작에 의해 정밀한 조작이 가능하도록 하는 모의시술 방법을 제공하며, 다양한 형식의 가이드를 제공하여 정확한 모의시술 및 사용자의 편의를 도모하고, 치과 시술에 있어서 모의시술을 수행하며 환자의 치아 이동에 따라 변화되는 치아이동 변화량 및 악골 등의 구강 내부 요소들에 대한 분석 정보를 실시간으로 확인할 수 있는 모의시술 방법을 제공할 수 있다.

Description

치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법 {The virtual set-up method for the orthodontics procedure}

본 발명은 치아 교정 시술을 위한 모의시술을 수행하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 데이터와 오차율을 최소화하여 생성한 3D 치아모델 및 치아교정 모의시술을 위한 다양한 가이드를 기반으로, 정밀한 조작이 어려운 기존의 3차원 조작 UI(User interface)에 비해 2차원적인 조작으로 세분화된 UI를 제공함으로써 사용자가 보다 편리하게 정밀한 조작을 할 수 있도록 하여 실제 교정하는 과정과 유사한 치아 이동을 실행함으로써, 치아 교정에 의한 치아 배치 구조의 변형을 실시간으로 반영하여 제공하는 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법에 관한 것이다.

기존의 모의 시술에 있어 3차원 조작 방법은 컴퓨터의 모니터로 보는 2차원 화면에서 3차원의 조작을 하도록 하여, 사용자의 입장에서 공간 감각을 가지고 생각하며 이동하게 되거나 너무 많은 조작이 한번에 이루어져 정밀하게 원하는 조작을 하기가 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 모의 시술에 사용되던 치아모델은 크게 두 가지의 부류로 나눌 수 있었는데, 환자의 구강으로부터 제작된 석고모형을 이용하여 3D CAD 모델을 생성한 후 치아 개개를 나눔으로써 생성한 치아모델과, CT등을 이용하여 생성한 두부 단층 이미지 데이터(DICOM series)를 이용하여 각각의 단층 이미지에서 치아 부분을 선별(Segmentation)해 하나로 취합하여 생성한 치아모델 등이 그것이다.

전자는 석고모형을 기반으로 하기 때문에 치근(齒根) 정보와 같은 진단에 필요한 내용들을 알 수 없어 X선 촬영을 이용한 별도의 진단 데이터를 참고로 하며 모의시술을 해야만 한다는 문제점이 있고, 후자는 치근정보와 같은 진단에 필요한 정보를 확인할 수 있지만, 인체에 X선을 쐬게 되므로 일정 강도 이상의 X선량을 사용할 수 없어 낮은 해상도의 데이터를 얻게 되는데, 이는 치아모델을 생성하기 위한 선별작업에 있어 오차를 발생시킨다는 문제를 발생시켰다. 일부 전자의 치아모델을 사용하는데 있어 사용자의 입력을 받아 치근정보를 생성해 제공하는 방법이 있지만, 이 또한 실제 데이터와의 오차를 발생시키는 문제를 피해갈 수 없었다.

또, 치아 교정에 대한 기준이 되는 가이드 없이 의사의 임상경험 만으로 모의시술을 수행하였으므로 오차 발생 가능성이 있었고, 모의시술로 인한 치아의 이동에 의해 변화되는 치아이동 변화량 및 악골(顎骨) 등의 구강 내부 요소들에 대한 분석 정보를 실시간으로 파악할 수 없다는 문제가 있었다.

KR

10-1099732

B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 실제 데이터와 오차율을 최소화 시키는 치아모델을 이용하여, 종래에 비해 간단한 조작에 의해 정밀한 조작이 가능하도록 하는 모의시술 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 다양한 형식의 가이드를 제공하여 정확한 모의시술 및 사용자의 편의를 도모하고, 치과 시술에 있어서 모의시술을 수행하여 환자의 치아 이동에 따라 변화되는 치아이동 변화량 및 악골(顎骨) 등의 구강 내부 요소들에 대한 분석 정보를 실시간으로 확인할 수 있는 모의시술 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법의 일측면에 따르면,

치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법으로서, 3D 구강표면 모델로부터 추출된 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델과 3D 두부영상으로부터 추출된 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델을 결합하여 하나 이상의 3D 치아모델을 생성하는 제 1단계; 상기 생성된 3D 치아모델들에 적용될 수 있는 가이드를 3D 뷰(view)로써 화면의 일측에 제공하고, 상기 일측을 제외한 화면을 세 면으로 구분하여 세 가지 고정 뷰로써 표시하며, 상기 세 가지 고정 뷰는 정면 뷰, 측면 뷰 및 치아 저작면 뷰로써 제공되는 제 2단계; 및 상기 제공된 3D 뷰(view)를 통해 가이드를 확인하고, 치아모델간의 위치를 확인하며, 모의시술을 수행할 치아를 선택 후 상기 세 가지 고정 뷰들을 통해 조작됨으로써 교정 모의시술이 수행되는 제 3단계; 를 포함한다.

상기 제 2단계 중 화면의 일측에 제공되는 3D 뷰(view)로서, 상기 가이드는 모의시술 또는 시뮬레이션을 위한 기준을 제공하며, 3D 구강표면 모델, 클리핑(clipping)된 3D 두부영상 또는 3D 진단 및 분석된 데이터 중 하나 이상이 함께 선택되어 사용될 수 있다.

상기 제 3단계 중 선택되어 조작되는 고정 뷰는, 상기 세 가지 뷰 중 선택된 어느 하나의 고정 뷰에서의 조작으로 나머지 다른 2가지 뷰에 표시된 치아 및 상기 3D 뷰(view)에 표시된 3D 치아모델이 동시에 움직이도록 적용될 수 있다.

상기 제 2단계 중 사용자에 의해 치아가 선택되고 조작되는 상기 3D 뷰, 정면 뷰, 측면 뷰 또는 저작면 뷰로서 제공되는 시야 중 하나인 3D 뷰는 선택된 치아와 주변 치아간의 위치 관계 및 가이드와의 위치 관계 정보를 제공하는 3D 뷰로써 표현되며; 상기 3D 뷰 이외의 나머지 세 개의 정면 뷰, 측면 뷰 또는 저작면 뷰는, 각 해당 고정된 뷰에서 수행되는 2차원적인 변환을 취합하여 3D 변환으로 재구성하여 제공할 수 있다.

치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법으로서, 사용자에 의해 선택된 치아는, 치아 이동 모의시술시 3D 두부영상에 표시된 표지점(landmarks) 또는 그를 이용한 측정값(measurement)들이 치아의 변환 상태에 따라 실시간으로 변경되며, 상기 변경된 표지점 또는 그를 이용한 측정값들이 반영되어 3D 뷰 화면에 가시화되어 환자의 해부학적 상태 분석의 변화를 실시간으로 제공한다.

본 발명에 의하면, 종래에 비해 간단한 조작에 의해 정밀한 조작이 가능하도록 하는 모의시술 방법을 제공하며, 다양한 형식의 가이드를 제공하여 정확한 모의시술 및 사용자의 편의를 도모하고, 치과 시술에 있어서 모의시술을 수행하여 환자의 치아 이동에 따라 변화되는 치아이동 변화량 및 악골 등의 구강 내부 요소들에 대한 분석 정보를 실시간으로 확인할 수 있는 모의시술 방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 3D 구강표면 모델로부터 추출된 육안으로 확인되는 개개별 치아 부분인 3D 치아 크라운 모델 및 3D 두부영상으로부터 추출된 치아의 뿌리 부분이 포함된 3D 치아 볼륨 모델을 결합한, 모의시술에서 사용되는 3D 치아모델을 도시한 도면
도 2는 모의시술 사용자 인터페이스를 3D 뷰 및 정면, 측면, 저작면으로 구성된 세 가지 뷰로 표현하고 교정 모의시술을 수행하는 과정을 나타내는 도면
도 3은 3D 구강표면 모델을 가이드로 사용하여 모의시술을 수행하는 것을 나타내는 도면
도 4는 클리핑된 3D 두부영상을 가이드로 사용하여 모의시술을 수행하는 것을 나타내는 도면
도 5는 치아 이동 모의시술시 3D 두부영상에 표시된 표지점 또는 그를 이용한 측정값들이 변경된 치아 위치에 따라 실시간으로 변경되며, 치아의 이동 거리, 회전 방향 및 회전 각도 등을 확인할 수 있다는 것의 예시를 나타내는 도면

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 추출된 육안으로 확인되는 개개별 치아 부분인 3D 치아 크라운 모델(10) 및 3D 두부영상(3D Head Image)으로부터 추출된 치아의 뿌리 부분이 포함된 3D 치아볼륨 모델(3D Tooth Volume Model)을 결합한 모의시술에서 사용되는 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)을 도시한 도면이다.

환자의 치아 교정을 위해, 환자의 구강으로부터 얻은 석고모델에 3D 스캐너(3D Scanner)를 이용하여 스캔하거나 또는 환자에게 구강내 3D 스캐너(Intra-Oral 3D scanner) 등을 삽입하여 스캔함으로써 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 직접 생성할 수 있다. 또는, 3D 스캐너(3D Scanner)나 구강내 3D 스캐너(Intra-Oral 3D scanner) 등의 스캐닝 장비가 구비되지 않은 경우에, 치아로부터 본뜬 석고모델을 기반으로 CT(computed tomography, 컴퓨터 단층 촬영) 또는 MRI(magnetic resonance imaging, 자기공명영상) 촬영을 하고 영역화 및 재구성(segmentation and reconstruction)하여 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 간접적으로 획득할 수 있다.

다양한 방식으로 획득된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표지점을 표시(3D Surface Landmarks)하여 후술할 3D 표지점 기반의 정합(3D landmark-transform)을 위한 데이터를 준비한다. 예컨대, 양쪽 전치, 중절치, 대구치 등에 각각 표지점을 표시할 수 있다.

한편, CT, MRI, Ultrasonic diagnostics(초음파 진단) 등의 장비로부터 두부 단층 이미지 데이터(DICOMseries)를 획득할 수 있는데, 두부 단층 이미지 데이터(DICOMseries)의 획득은 이에 한정되지 아니하고 PET(poisitron emission tomography, 양전자 단층 촬영) 등 다양한 방법으로 가능하다.

이후, 획득된 두부 단층 이미지 데이터(DICOMseries)들을 조합하여 부피(volume)를 가진 3D 두부영상(3D Head Image)을 생성하고, 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)에 표시한 표지점과 대응될 3D 두부영상(3D Head Image)상의 표지점을 표시(3D Volume Landmarks)하여 3D 표지점 기반의 정합(3D 표지점을 이용한 좌표정렬, 3D landmark-transform)을 수행한다. 이를통해 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합시킨다. 즉, 표지점을 기준으로 회전(rotate), 이동(translate) 변환 등을 수행하여 이를 정합(registration)한다. 이로써, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 얻을 수 있다.

이후, 3D 두부영상(3D Head Image)에 정합된 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)로부터 3D 치아 크라운 모델(10, 3D Tooth Crown Model)을 추출(Each Tooth-crown carving and Create Tooth-Crown surface)하고, 3D 두부영상(3D Head Image)으로부터 치아 뿌리를 포함하는 3D 치아볼륨 모델(20, 3D Tooth Volume Model)을 추출(Each Tooth Region Volume Clipping and Create Tooth Volumes)한 후, 3D 치아 크라운 모델(10, 3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(20, 3D Tooth Volume Model)을 결합함으로써 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)을 생성한다. 이때, 3D 치아 크라운 모델(10, 3D Tooth Crown Model)과 3D 치아볼륨 모델(20, 3D Tooth Volume Model)이 동기화되도록 좌표계가 공유(Coordinates Mapping, Shared local Coordinates)되고, 이와 같은 과정을 반복하여 도 1과 같은 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)을 다수 개 획득한다. 이하에서는 전술한 과정을 통해 생성된 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)들이 치아 교정 시뮬레이션을 위한 모의시술에 이용될 수 있다.

도 2는 모의시술 사용자 인터페이스(Virtual set-up User Interface)를 3D 뷰 및 정면, 측면, 저작면으로 구성된 세 가지 조작뷰로 표현하고 교정 모의시술을 수행하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 3은 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 가이드로 사용하여 모의시술을 수행하는 것을 나타내는 도면이다. 도 4는 클리핑(Clipping)된 3D 두부영상(3D Head Image)을 가이드로 사용하여 모의시술을 수행하는 것을 나타내는 도면이다. 도 5는 치아 이동 모의시술시 3D 두부영상(3D Head Image)에 표시된 표지점(landmark) 또는 그를 이용한 측정(measurement) 값들이 변경된 치아 위치에 따라 실시간으로 변경되며, 치아의 이동(50) 거리, 회전 방향 및 회전 각도 등을 확인할 수 있다는 것의 예시를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 모의시술 사용자 인터페이스(Virtual set-up User Interface)에 있어서, 네 가지의 서로 동기화된 시야(뷰(view), 이하 시야 및 뷰는 혼용하여 사용할 수 있음)를 제공한다. 이때, 화면의 좌측은 전술한 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)들의 조합이 가시화되는 시야로서, 3D 뷰(view)로 제공되며, 이때, 사용자에 의해 선택된 치아(40)는 우측에 정면 뷰(frontal view), 측면 뷰(lateral view) 및 저작면 뷰(occlusal view)로 구성된 세 가지 고정 시야(뷰)로써 제공된다.

종래에는 모의시술에 있어서, 2차원 모니터 화면상에서 정밀한 조작이 어려운 3차원 조작 UI를 제공하였기 때문에, 사용자가 모의시술을 수행함에 있어 정밀한 조작이 불편하다는 문제가 있었다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 하나의 뷰에서 3차원의 모든 조작을 해야했던 종래에 비해 3차원 조작을 2차원적인 여러 개의 조작으로 각각 세분화하여 보다 간단해진 조작에 의해 손쉽게 정밀한 조작이 가능한 사용자 인터페이스(User Interface)를 이용하는 모의시술 방법을 제안한다. 또한, 다양한 형식의 가이드를 제공하여 정확한 모의시술 및 사용자의 편의를 도모한다. 이때, 치아 구조 배치가 가이드 없이 3D 치아모델(30, 3D Tooth Model)들만의 조합으로 구성된다면, 치아 교정에 있어서 기준이 없으므로 모의시술을 수행함에 있어 사용자의 임상경험만을 의존해야 한다는 단점이 있다. 또한 사용자가 임의의 기준을 정하여서 교정 모의시술을 수행하게 되므로, 실제 교정과 오차가 클 가능성이 있다.

이에, 치아가 배치된 구강 전체의 모습을 표시한 다양한 가이드를 사용(Virtual set-up Guidance)하여 치아의 이동 정도나 변형 정도를 현재 환자의 구강구조 내에서 적용할 수 있게 한다. 여기서 가이드는 도 3에 도시된 바와 같이 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)이 사용될 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 클리핑(clipping)된 3D 두부영상(3D Head Image)이 사용될 수도 있으며, 그 외에도 모의시술 간 치아의 이동에 따른 3D 진단 및 분석(3D diagnosis and 3D analysis)에 사용된 측정값의 변화를 실시간으로 가시화할 수 있는 등 다양한 응용이 가능하다. 여기서, 3D 구강표면 모델(3D Stone Model)을 가이드로 사용하는 경우, 클리핑(clipping)된 3D 두부영상(3D Head Image)을 가이드로 사용하는 경우 또는 3D 진단 및 분석(3D diagnosis and 3D analysis)에 사용된 측정값을 사용하는 경우 중 어느 경우에도 사용자에 의해 선택되어 모의시술을 통해 변경될 치아(40)는 화면의 우측에 세 가지 뷰로써 제공된다.

이때, 세 가지 시야는 정면 뷰(frontal view), 측면 뷰(lateral view) 및 저작면 뷰(occlusal view)로써 제공되며, 현재 선택된 치아모델에 각 뷰에 대한 2차원적인 이동회전변환을 적용시킴으로써 결과적으로 2차원적인 변환의 조합을 통해 3차원 변환이 이루어지므로, 교정에 의하여 치아 구조가 변형된 후의 치아배열 모습을 예측할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 이동(50)되는 거리와 회전 방향 및 회전 각도 등이 수치로써 화면에 표시된다. 다시 말하면, 사용자에 의해 선택된 치아는, 치아 이동 모의시술시 3D 두부영상(3D Head Image)에 표시된 표지점(landmarks) 또는 그를 이용한 측정(measurement) 값들이 치아 이동에 따라 실시간으로 변경됨으로써, 화면에 가시화되어 환자의 해부학적 상태 변화 정보를 제공하게 된다.

결론적으로, 종래에는 의사의 임상 경험에만 의존한 모의시술이 수행될 수 밖에 없었으나, 전술한 바에 의하여 모의시술에 대한 가이드를 제공하여 이를 해결하고, 정밀한 조작이 어려운 기존의 3차원 조작 UI에 비해 전술한 2차원적인 조작으로 세분화된 UI(User interface)를 제공함으로써 사용자가 보다 편리하게 정밀한 조작을 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 3D 치아 크라운 모델 20: 3D 치아볼륨 모델
30: 3D 치아모델 40: 모의시술을 위해 선택된 3D 치아모델
50: 3D 치아모델의 이동

Claims

치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법으로서,
3D 구강표면 모델로부터 추출된 하나 이상의 3D 치아 크라운 모델과 3D 두부영상으로부터 추출된 하나 이상의 3D 치아볼륨 모델을 결합하여 하나 이상의 3D 치아모델을 생성하는 제 1단계;
상기 생성된 3D 치아모델들에 적용될 수 있는 가이드를 3D 뷰(view)로써 화면의 일측에 제공하고, 상기 일측을 제외한 화면을 세 면으로 구분하여 세 가지 고정 뷰로써 표시하며, 상기 세 가지 고정 뷰는 정면 뷰, 측면 뷰 및 치아 저작면 뷰로써 제공되는 제 2단계; 및
상기 제공된 3D 뷰(view)를 통해 가이드를 확인하고, 치아모델간의 위치를 확인하며, 모의시술을 수행할 치아를 선택 후 상기 세 가지 고정 뷰들을 통해 조작됨으로써 교정 모의시술이 수행되는 제 3단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2단계 중 화면의 일측에 제공되는 3D 뷰(view)로서,
상기 가이드는 모의시술 또는 시뮬레이션을 위한 기준을 제공하며,
3D 구강표면 모델, 클리핑(clipping)된 3D 두부영상 또는 3D 진단 및 분석된 데이터 중 하나 이상이 함께 선택되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 3단계 중 선택되어 조작되는 고정 뷰는,
상기 세 가지 뷰 중 선택된 어느 하나의 고정 뷰에서의 조작으로 나머지 다른 2가지 뷰에 표시된 치아 및 상기 3D 뷰(view)에 표시된 3D 치아모델이 동시에 움직이도록 적용되는 것을 특징으로 하는 치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2단계 중 사용자에 의해 치아가 선택되고 조작되는 3D 뷰, 정면 뷰, 측면 뷰 또는 저작면 뷰로서 제공되는 시야 중 하나인 3D 뷰는,
선택된 치아와 주변 치아간의 위치 관계 및 가이드와의 위치 관계 정보를 제공하는 3D 뷰로써 표현되며;
상기 3D 뷰 이외의 나머지 세 개의 정면 뷰, 측면 뷰 또는 저작면 뷰는,
각 해당 고정된 뷰에서 수행되는 2차원적인 변환을 취합하여 3D 변환으로 재구성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 치아교정 시술을 위한 모의시술 방법.
치아 교정 시술을 위한 모의시술 방법으로서,
사용자에 의해 선택된 치아는,
치아 이동 모의시술시 3D 두부영상에 표시된 표지점(landmarks) 또는 그를 이용한 측정값(measurement)들이 치아의 변환 상태에 따라 실시간으로 변경되며,
상기 변경된 표지점 또는 그를 이용한 측정값들이 반영되어 3D 뷰 화면에 가시화되어 환자의 해부학적 상태 분석의 변화를 실시간으로 제공하는 것을 특징으로 하는 치아교정 시술을 위한 모의시술 방법.