技术领域
[0001] 本实用新型涉及口腔医疗教学领域，具体涉及基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统。
相关背景技术
[0002] 随着数字化和物联网技术的应用，传统的教学模式也在逐步升级和变革，尤其是在需要反复训练以达到提升临床技能目的的实验教学方面，降低指导教师依赖性的自主训练和提供精确客观评估的需求使得数字化技术介入变得尤为重要。传统口腔医学实验教学中，由于牙体预备具有操作空间小、牙齿体积小、操作难度大等特点，而且实验课教师只能通过肉眼评判学生对牙齿磨削的精度，难以保证教学评价的准确性及公正性，不利于对学生牙体预备类临床技能的提升和培养。
[0003] 通过对牙齿进行扫描以得到三维点云数据的技术已经在某些现有专利文献中被提出，然而这类现有技术大都将该技术运用至口腔科的临床诊断与治疗过程中，还罕见有将其运用至口腔医疗教学领域的报道。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，以解决现有技术的口腔医学实验教学过程对指导教师的依赖性强、且实验结果评价受指导教师主观影响较大等问题。
[0005] 本实用新型通过下述技术方案实现：
[0006] 基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，包括用于夹持训练用牙齿的夹持组件、用于获取被夹持训练用牙齿三维点云的扫描组件、与所述扫描组件信号连接的评估终端。
[0007] 针对现有技术的口腔医学实验教学过程对指导教师的依赖性强、且实验结果评价受指导教师主观影响较大等问题，本实用新型提出一种基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，在学生使用训练用牙齿进行磨削操作等训练后，通过夹持组件临时固定训练操作后的训练用牙齿，然后通过扫描组件扫描该训练用牙齿的三维点云，由评估终端接收扫描得到的三维点云数据，并基于内置于评估终端内的评估方法/软件/模块等进行训练效果的评估。
[0008] 可以看出，本系统通过对训练用牙齿的三维扫描以获取点云数据，可对比获取磨削后牙齿的点云图像和参考标准牙齿的点云图像，给予成绩判定，将成绩结果实时反馈给学生，并在后台进行数据记录；本系统摒弃了传统的需由实验课教师通过肉眼评判学生对牙齿磨削精度的方式，不仅能够更加准确地评判学生磨削牙齿的精准性、降低主观因素的干扰，还能够显著降低口腔医学实验教学对指导教师的依赖性，学生可自主完成训练操作和成绩判定。
[0009] 需要说明的是：
[0010] 本申请中的训练用牙齿，是口腔医疗教学领域内的现有技术，优选的采用塑料制成。
[0011] 本申请中的夹持组件可采用本领域技术人员能够实现的任意用于夹持牙齿的装置，包括但不限于口腔医疗领域内现有的各种牙齿夹具。
[0012] 本申请中的扫描组件可采用本领域技术人员能够实现的任意现有三维点云扫描设备实现。
[0013] 本申请中的评估终端，可采用PC电脑、移动电脑、平板、智能手机或云端服务器等，其中内置的评估方法/软件/模块等基于现有的特征识别算法即可实现，只需满足能够对磨削后牙齿的点云图像与参考点云图像进行点云特征的匹配识别即可，这对于本领域技术人员而言不具有实现难度；此外，内置的评估方法/软件/模块中的具体评估指标、各指标的定量评估依据等可根据实际使用需要进行适应性设置，在此均不做具体限定。
[0014] 此外，本申请中的评估终端还可内置深度学习算法，用于根据学生当前训练结果，给予学生下一步训练方案建议，实现在不依赖指导教师的前天下，自动为学生提供个性化的指导建议，促进学生更快地掌握实操技能。当然，其中的深度学习算法采用现有算法即可，如常见的卷积神经网络算法、循环神经网络算法等，只需提前训练好所需的网络模型，并将其内置于评估终端中即可。
[0015] 进一步的，还包括用于发放训练用牙齿的发放设备。本方案通过发放设备提供了训练用牙齿的牙位存放环境，并可通过发放设备为学生发放指定的训练用牙齿。其中发放设备的具体结构在此不做限定，任意能够存放训练用牙齿、并输出指定的训练用牙齿的现有设备均可适用，如柜、箱、盒等。
[0016] 进一步的，所述夹持组件包括变位卡盘、位于变位卡盘上的牙齿夹紧机构。
[0017] 本方案通过牙齿夹紧机构对磨削实验后的训练用牙齿进行夹紧固定，并通过变位卡盘以实现自动变位，便于扫描组件对牙齿各方位的充分扫描。
[0018] 进一步的，还包括用于驱动所述变位卡盘转动的驱动机构。驱动机构为变位卡盘提供转动动力，使其可根据需要进行转动，实现带动其上被夹持的训练用牙齿的同步转动。
[0019] 进一步的，所述扫描组件包括扫描方向朝向所述变位卡盘的激光扫描设备、用于监测变位卡盘转动角速度和/或角度的传感器。其中激光扫描设备用于直接扫描得到被夹持训练用牙齿三维点云数据，传感器用于实时监测变位卡盘的整体旋转速度和/或角度，保证被夹紧的牙齿旋转指定的角度，以准确地获取牙齿的三维点云，且可以匹配激光扫描设备与变位卡盘之间的位置关系，以实时保证激光扫描设备的激光线能扫描到被夹紧的训练用牙齿。
[0020] 其中，激光扫描设备可采用现有的能够扫描点云数据的三维激光扫描仪器实现，传感器可采用现有的任意能够感应被监测物的角速度和/或角度的感应技术实现。
[0021] 进一步的，所述驱动机构包括电机、以及与所述变位卡盘相连的转轴，所述电机的输出端与所述转轴之间带传动。
[0022] 本方案对变位卡盘的驱动机构进行限定，通过电机带动转轴转动，进而通过转轴带动变位卡盘转动。其中，电机的输出端与所述转轴之间为带传动方式，具有缓冲吸振、且便于减速等优点，有利于控制变位卡盘的稳定转动，进而提高三维点云数据的扫描精确性。该带传动的具体传动带的带型、尺寸以及配套的带轮等在此均不做限定，可根据实际工况进行适应性选择。
[0023] 进一步的，所述激光扫描设备安装在机械臂上。便于通过机械臂带动激光扫描设备自由旋转，进而更加有利于保证激光扫描设备多方位对牙齿进行三维点云数据的扫描。
[0024] 进一步的，所述发放设备包括：
[0025] 用于存放训练用牙齿的箱体；
[0026] 位于箱体上的取牙窗口；
[0027] 位于箱体内部的推牙机构，所述推牙机构用于驱动指定的训练用牙齿移动至所述取牙窗口。
[0028] 本方案对训练用牙齿的发放设备进行具体限定，其主体为箱体，训练用牙齿存放在箱体内部，箱体表面具有取牙窗口。推牙机构可将学生当次教学实验所需使用的训练用牙齿驱动至取牙窗口处，学生直接在取牙窗口处拿取即可。这种方法设备可避免学生错误的拿取训练用牙齿。
[0029] 进一步的，还包括位于箱体表面的身份识别模块和/或人机交互模块。
[0030] 本方案可通过身份识别模块识别当前取牙的学生身份，进而为该学生赋予教师提前指定好的训练用牙齿、或学生提前预约好的训练用牙齿；本方案也可通过人机交互模块实现学生与箱体之间的人机交互，使得学生可以根据自身学习进度选择所需的训练用牙齿进行实验操作。可以看出，本方案能够显著提高本申请的使用安全性，避免学生错取或乱取训练用牙齿、保证每次取用都能够被记录，实现每颗训练用牙齿使用的可追溯性。
[0031] 其中的身份识别模块可采用任意现有的身份识别技术实现，如人脸识别、指纹识别等生物识别技术，又如基于二维码、学生证、身份证等的扫码或射频识别技术等。其中的人机交互模块可采用任意现有的人机交互技术实现，如按键、触摸屏、甚至语音控制、基于智能手机APP/小程序的无线通讯交互等。
[0032] 进一步的，所述推牙机构包括若干储牙工位、与所述取牙窗口连通的滑槽、用于将储牙工位上存放的训练用牙齿推动至所述滑槽内的推块或推块组。
[0033] 本方案将待使用的训练用牙齿放置在各储牙工位上，在需要取用某训练用牙齿时，通过对应的推块或推块组将该训练用牙齿推动至滑槽内，使其沿滑槽自动滑落至取牙窗口处即可。其中的推块或推块组，分别代表尽采用一个推块就可将训练用牙齿推动至指定滑槽内的实施方式、与需要采用至少两个推块共同配合将训练用牙齿推动至指定滑槽内的实施方式。推块或推块组的具体设置方式，可由本领域技术人员根据具体的储牙工位的布局方式来做适应性设计，其工作原理可参考常见的自动售货机对货物的推出方式。
[0034] 本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0035] 1、本实用新型基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，摒弃了传统的需由实验课教师通过肉眼评判学生对牙齿磨削的精度的方式，不仅能够更加准确地评判学生磨削牙齿的精准性、降低主观因素的干扰，还能够显著减轻口腔医学实验教学对指导教师的依赖性，使得学生可自主完成训练操作和成绩判定。
[0036] 2、本实用新型基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，通过发放设备显著提高了对训练用牙齿的取用安全性，避免学生错取或乱取训练用牙齿、保证每次取用都能够被记录，实现每颗训练用牙齿使用的可追溯。
[0037] 3、本实用新型基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，通过缓冲吸振和有效减速的传动方式，实现了对变位卡盘的稳定转动与精确控制，保证牙齿变位角度的精度。
[0038] 4、本实用新型基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，可匹配激光扫描设备与变位卡盘之间的位置关系，并结合机械臂的使用，以实时保证激光扫描设备的激光线能扫描到被夹紧的训练用牙齿。
[0039] 5、本实用新型基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，还可通过深度学习技术，使得评估终端能够基于学生当前训练结果，给予学生下一步训练方案建议，实现在不依赖指导教师的前天下，自动为学生提供个性化的指导建议，促进学生更快地掌握实操技能。
具体实施方式
[0047] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
[0048] 实施例1：
[0049] 如图1所示的基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，包括用于夹持训练用牙齿的夹持组件、用于获取被夹持训练用牙齿三维点云的扫描组件、与所述扫描组件信号连接的评估终端。
[0050] 本实施例中的夹持组件包括变位卡盘5、位于变位卡盘5上的牙齿夹紧机构8。其中变位卡盘5由驱动机构驱动进行转动。
[0051] 本实施例中的扫描组件包括扫描方向朝向所述变位卡盘5的激光扫描设备4、用于监测变位卡盘5转动角速度和/或角度的传感器7，所述激光扫描设备4安装在机械臂3上，由机械臂3带动激光扫描设备4在指定自由度下灵活调整方位。
[0052] 本实施例中的驱动机构包括电机14、以及与所述变位卡盘5相连的转轴9，所述电机14的输出端与所述转轴9之间通过减速传动机构进行传动。
[0053] 如图1所示，本实施例的主要设备均位于台面1上，机械臂3由机械臂控制箱2进行控制，传感器7安装在支架6上；电机14优选的采用伺服电机以便于更为精确的控制转动精度，伺服电机的输出端连接小带轮13，小带轮13与大带轮11之间带传动，大带轮11带动转轴9转动。其中固定台10用于安装大带轮11与转轴9，其左右两端有端盖，确保传动的稳定性。
[0054] 在更为优选的实施方式中，若干的牙齿夹紧机构8通过螺栓连接环形均布在变位卡盘5上，牙齿夹紧机构8可采用夹紧臂和齿轮组传动，由内置的驱动件进行驱动夹紧。
[0055] 在更为优选的实施方式中，减速传动机构的设计思路为：首先根据伺服电机的额定功率和变位卡盘需求的速度，确定出小带轮13与大带轮11的转速；再根据伺服电机的额定功率和小带轮转速，确定出所使用的传动带的带型，并确定出小带轮13、大带轮11的基准直径，确定两带轮的中心距。其中传动带优选的使用V型带12。
[0056] 实施例2：
[0057] 基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，在实施例1的基础上，还包括用于发放训练用牙齿的发放设备。本实施例的发放设备如图2所示，包括：
[0058] 用于存放训练用牙齿的箱体15、位于箱体15上的取牙窗口18、位于箱体15内部的推牙机构，所述推牙机构用于驱动指定的训练用牙齿移动至所述取牙窗口18。
[0059] 还包括位于箱体15表面的身份识别模块16、人机交互模块17。
[0060] 所述推牙机构包括若干储牙工位、与所述取牙窗口18连通的滑槽19、用于将储牙工位上存放的训练用牙齿推动至所述滑槽19内的推块或推块组。
[0061] 如图2与图3所示，本实施例中的箱体15中包括若干层板20，每层层板20上设置有若干并排分布的储牙台21，每个储牙台21上均匀分布有若干储牙工位，每个储牙工位均配备有一个第一推块22，每个储牙台21的旁边均设置有开设在层板20上的滑槽19，第一推块22的推动方向朝向对应的滑槽19所在方向；每层层板20的前端面还设置有挡板24，滑槽19延伸至挡板24所在位置，且在滑槽19远离挡板24的一端还设置有第二推块23；每块挡板24所在区域的底面均朝向取牙窗口18所在方向倾斜，且挡板24的最低端所在位置与取牙窗口
18之间通过内置于箱体15内部的通道连通。
[0062] 其中，第一推块22、第二推块23均可采用任意现有的可做直线往复运动的动力机构进行驱动。箱体15前侧可设置透明且可上锁和打开的箱门，便于观察内部情况并放置或回收训练用牙齿。
[0063] 本实施例在使用时，训练用牙齿装在盒体内，盒体放置在对应的储牙工位上；当需要取用某训练用牙齿时，首先启动对应的第一推块22，将装有该训练用牙齿的盒体从储牙台21上退落，使其掉落至对应的滑槽19内，再启动对应的第二推块23，将该盒体推动至挡板24处，盒体在重力作用下沿挡板24所在区域的底面向下滑动，最终进入取牙窗口18内。
[0064] 在更为优选的实施方式中，第一推块22由于其行程较短，可使用电磁驱动、弹簧复位的弹性块；第二推块23的行程相对更长，可使用电动推杆或气缸、液压缸、丝杆等驱动。
[0065] 本实施例中，学生可采用如下任一方法领取训练用牙齿：
[0066] 1)教师提前指定好各学生当次实验操作的训练用牙齿，学生抵达箱体15后，通过身份识别模块16识别学生身份，并输出教师提前指定的训练用牙齿至取牙窗口18；
[0067] 2)学生提前预约好所需的训练用牙齿，学生抵达箱体15后，通过身份识别模块16识别学生身份，并输出预约好的训练用牙齿至取牙窗口18；其中预约方式可采用APP、小程序等，教师可在后台可对该次预约进行审核，给出批准或拒绝的反馈；
[0068] 3)学生直接抵达箱体15，通过人机交互模块17选择所需的训练用牙齿，然后通过身份识别模块16识别学生身份，识别通过后，输出所选的训练用牙齿。
[0069] 除此之外，其余本领域技术人员能够实现的、基于身份识别与人机交互技术的领取方法也可用于本系统中。
[0070] 实施例3：
[0071] 一种基于牙齿3D特征识别的牙齿磨削教学评估系统，在实施例2的基础上，本实施例还可将夹持组件、扫描组件均集成在箱体15外表面或箱体15内部，有利于提高系统的整体性和使用方便性，同时便于回收使用后的训练用牙齿。
[0072] 在更为优选的实施方式中，可在箱体15表面开设回收口，学生可将使用后的训练用牙齿投入回收口内。
[0073] 在更为优选的实施方式中，当扫描组件均集成在箱体15内部时，回收口可与本申请中的扫描组件连通，学生使用牙科高速涡轮手机对训练用牙齿进行磨削操作，磨削完成后将其放置在回收口处，然后使训练用牙齿自动进入扫描组件内的指定位置；如，在回收口处设置另一个转运机械臂，当检测到回收口处有训练用牙齿时，则通过该转运机械臂夹持该训练用牙齿、并将其转运到集成于箱体15内部的变位卡盘5上。
[0074] 在更为优选的实施方式中，箱体内部还可集成回收容器，在对训练用牙齿的扫描结束后，可通过转运机械臂将该训练用牙齿转运至回收容器内，便于统一回收处理。
[0075] 实施例4：
[0076] 基于实施例1或2中的牙齿磨削教学评估系统的使用方法，包括以下步骤：
[0077] S1、学生领取训练用牙齿；
[0078] S2、学生使用牙科高速涡轮手机对训练用牙齿进行磨削操作，磨削完成后放到变位卡盘5上的牙齿夹紧机构上将其夹紧；
[0079] S3、通过伺服电机驱动，使变位卡盘5在指定速度下低速转动；
[0080] S4、通过机械臂控制箱2控制机械臂3运行，同时打开传感器7和激光扫描设备4，获取磨削后牙齿的三维点云数据；
[0081] S5、将获取的磨削后牙齿的三维点云数据传输到评估终端，由评估终端对磨削后牙齿进行成绩判定。
[0082] 在更为优选的实施方式中，评估终端还可酌情给予学生下一步训练方案的建议。
[0083] 实施例5：
[0084] 一种牙齿磨削教学评估方法，在实施例4的基础上，如图4所示，评估终端对磨削后牙齿进行成绩判定的方法包括如下步骤：
[0085] S501、将激光扫描获取的多个方位的点云图像配准到一个坐标系下，进行特征提取、修正和去噪，消除掉所获取的牙齿以外的其它特征干扰；
[0086] S502、进行点云图像配准，通过图像配准算法配准磨削后的牙齿点云图像和参考标准牙齿点云图像，将配准特征参数输入到训练分类标签，进行评估和成绩判定；
[0087] S503、将成绩结果实时反馈给学生，并在后台进行数据记录；
[0088] S504、基于学生的成绩和操作数据，为学生提供下一步的训练方案建议。
[0089] 可以看出在本实施例中，能够基于大数据和机器学习算法能够分析学生的操作习惯、错误点和进步轨迹，进而为学生提供下一步的训练方案建议。所以本系统不仅为学生提供了高度个性化和灵活的学习方式，同时也可延伸性的通过机器学习技术手段提高教学质量和资源利用效率。
[0090] 在更为优选的实施方式中，评估终端采用体积法，结合磨削后的牙齿点云的轮廓曲线与标准模型参考线之间的相关性进行成绩判定；另外，具体的评分指标可包括但不限于：切削量、窝洞形态、体积比等任意一种或多种。
[0091] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。
[0092] 以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
