基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法及系统的制作方法

本发明涉及计算机辅助算法技术领域，具体涉及基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法及系统。

背景技术：

现有口内修复体设计方案，虽然能够满足数字化设计的要求，但是专家经验需要较长时间积累，初级技工需要记忆大量案例才能设计出合格的产品。尽管口内修复体的设计都需要综合考虑病人口内的解剖形态、受力分析、安全卫生等因素，但是口内修复体在具体设计实施阶段存在多种设计理念，从业技师/医生往往只能专精于一种设计理念，例如国内最顶尖的北京大学口腔医学院和华西口腔医学院在可摘局部义齿方面的设计理念方面就有着较大差异。同时随着国内生活条件的逐步提高，患者对口内修复体的设计提出了更高的要求，因此，市场上迫切需要一种能拓宽口内修复体技师/医生的设计理念的智能推荐算法及系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术所存在的不足而提出了基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法及系统，智能算法首先基于预定的牙列缺失数据建立口内修复体设计方案数据库，通过开展牙列缺失精确搜索，可以获得口内修复体设计精确主题及所对应设计方案推荐清单，也可通过开展牙列模糊精确搜索，可以获得口内修复体设计模糊主题及所对应设计方案推荐清单。基于该智能算法构建的口内修复体设计方案智能系统，在面向可摘局部义齿的数字化设计时，能够以三维形式向从业人员展示出大量的不同设计主题的口内修复体设计方案。

为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法，包括以下步骤：

步骤s1，基于预定的牙列缺失数据建立口内修复体设计方案数据库；

该数据库提供两种搜索数据途径，即牙列缺失精确搜索数据途径和牙列缺失模糊搜索数据途径。

步骤s2，通过扫描设备采集当前牙列缺失数据，并对当前牙列缺失数据进行精确编码获得一组牙列信息精确编码。

牙列信息精确编码包括：牙列缺失信息精确编码、牙列精确位置编码、牙列其他信息编码。

其中，牙列缺失信息精确编码是对牙列初始姿态调整完毕后，按照精确编码规则对当前牙列中所有牙齿进行编号的编码数据，牙列缺失信息精确编码的默认格式是1位字母和16位数字；精确编码规则如下：

(1)字母位：若编码数据表示的牙列属于上颌则字母位为u，若编码数据表示的牙列属于下颌则字母位为l；

(2)数字位：牙列初始姿态调整完毕后，对牙列中牙齿信息从左往右顺时针依次编码，若该位置上牙齿存在则该牙齿编码为1，若该位置上牙齿缺失则该牙齿编码为0。

其中，牙列缺失信息模糊编码是通过对牙列缺失信息精确编码进行数据块划分而获得的；牙列缺失信息模糊编码的格式是1位字母、若干“0”数据块、若干“1”数据位、若干“1”数据块；数据块划分规则具体如下：

(1)划分“0”数据块：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，将所有相邻且连续的“0”划分为一个“0”数据块，标记为i-0，其中，i表示该数据块中数据“0”的数量，即“0”数据块的长度；

(2)划分“1”数据位：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，将每一个备选基牙单独作为“1”数据位；

(3)划分“1”数据块：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，除去备选基牙后将所有相邻且连续的“1”划分为一个“1”数据块，标记为j-1，其中，j表示该数据块中数据“1”的数量，即“1”数据块的长度。

其中，牙列精确位置编码，是在牙列初始姿态调整完毕后，以牙列缺失信息精确编码为基础，对牙列精确位置进行编码，具体规则如下：从左往右顺时针方向，精确位置编码依次为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16。

其中，牙列模糊位置编码是通过对牙列缺失信息模糊编码的数据块中心位置进行计算而获得的；数据块中心位置计算规则是：对牙列缺失信息模糊编码中的“0“数据块或”1“数据块计算中心位置，即对”0“数据块或”1“数据块所对应的牙列区域内部的精确位置编码计算平均值。

其中，牙列其他信息编码是以一个牙列缺失信息精确编码为基础，获取牙齿其他信息，具体如下：

(1)牙齿松动程度系数：对于编码为1的牙齿，其任意一侧或两侧的相邻牙齿的编码为0，则定义该牙齿为备选基牙，优先获取其松动程度系数；对于编码为1的牙齿，其两侧的相邻牙齿的编码均为1，则定义该牙齿为一般基牙，必要时获取其松动程度系数；松动程度系数为0～1中的任意一个小数，数字越小，代表该牙齿松动程度越严重；

(2)牙齿旋转矩阵：对于编码为1的牙齿，定义三维旋转矩阵mt来反映牙齿实际空间状态与标准健康状态之间的关系，其中下标t为牙列精确位置编码。

步骤s3，在口内修复体设计方案数据库中，包含多组口内修复体部件信息，口内修复体部件信息包括：口内修复体部件类型序列、口内修复体部件位置编码。

口内修复体部件类型序列是口内修复体部件类型按照步骤s2中的牙列精确位置编码而形成的序列。

进一步，口内修复体部件类型包括：第一口内修复体部件类型、第二口内修复体部件类型、第三口内修复体部件类型。第一口内修复体部件类型，是与牙列精确位置编码强相关的重要部件；第二口内修复体部件类型，是与牙列精确位置编码弱相关的次要部件；第三口内修复体部件类型，是将第一口内修复体部件类型和第二口内修复体部件类型连接在一起的部件。

口内修复体部件位置编码包括：口内修复体部件精确位置编码、口内修复体部件模糊位置编码。口内修复体部件精确位置编码与牙列精确位置编码一致，口内修复体部件模糊位置编码与牙列模糊位置编码一致。

步骤s4，根据步骤s2中的牙列缺失信息精确编码和步骤s3中的口内修复体部件信息获取口内修复体设计主题编码，口内修复体设计主题编码包括：口内修复体设计精确主题编码、口内修复体设计模糊主题编码。

口内修复体设计精确主题编码是多组精确匹配的口内修复体部件信息的组合，口内修复体部件信息精确匹配，是指口内修复体部件类型序列和口内修复体部件位置编码均完全一致。

口内修复体设计模糊主题编码是多组模糊匹配的口内修复体部件信息的组合，口内修复体部件信息模糊匹配，是指口内修复体部件类型序列完全一致，但口内修复体部件位置编码不一致。

步骤s5，根据不同的口内修复体设计理念，本算法提供两种不同的口内修复体设计方案推荐清单，具体如下：

步骤s5-1，通过步骤s4获得的所有的口内修复体设计精确主题编码，一个牙列缺失信息精确编码可以获取m个口内修复体设计精确主题编码，因此最终获得包含m个口内修复体设计精确主题编码的第一推荐清单。

步骤s5-2，通过步骤s4获得的所有的口内修复体设计模糊主题编码中，计算得到距离函数值最小的n个牙列缺失信息精确编码，一个牙列缺失信息精确编码可以获取m个口内修复体设计精确主题编码，一个口内修复体设计精确主题编码对应一个口内修复体设计模糊主题编码，因此最终获得包含k个口内修复体设计模糊主题编码的第二推荐清单，其中k≤n×m。

其中，第二推荐清单中的口内修复体设计模糊主题编码的排序方法如下：

(1)基于患者牙列缺失信息的排序；

按照牙列缺失信息精确编码的距离函数值从小到大排序，即距离函数值越小，该牙列缺失信息精确编码所对应的口内修复体设计模糊主题编码排序位置越靠前。

对于任意两个不同的牙列缺失信息精确编码，存在对应相同的牙列缺失信息模糊编码的情况，此时这两个不同的牙列缺失信息精确编码之间的距离函数计算方法如下：

上式中，第一牙列缺失信息精确编码的牙列模糊位置编码为a1a2…ai，第二牙列缺失信息精确编码的牙列模糊位置编码为b1b2…bi，其中，且1≤i≤16。

可选的，根据牙列其他信息编码，例如：牙齿松动程度系数，牙齿旋转矩阵等多维度信息进行排序。

(2)基于主客观评分结果的自定义排序；

专家可以在卫生、力学平衡、美观等多个维度对设计主题进行主观评分，同时引入有限元计算、体外力学验证等测试手段对设计主题进行客观评分，这些主客观评分结果为用户自定义主题排序提供了依据。

在口内修复体设计方案数据库中补录新的牙列缺失信息编码的过程具体如下：无论通过牙列缺失精准搜索数据途径或者牙列缺失模糊搜索数据途径，数据库均不存在新的牙列缺失数据所对应的设计主题时，首先由技师、医生构思完成并提交所需的口内修复体设计方案，并且自动新建该牙列缺损数据的各项精确编码和模糊编码。

本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能系统，包括如下模块：

(1)口内牙列缺失数据获取模块：该模块实现手动、半自动或者自动获取牙列缺失数据，并对当前牙列缺失数据进行编码处理，获得牙列缺失信息精确编码、牙列精确位置编码、牙列其他信息编码、；根据牙列信息精确编码、牙列缺失信息模糊编码和牙列模糊位置编码；

(2)口内修复体设计方案数据库模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码存储大量不同的口内修复体设计方案；

(3)口内修复体设计方案智能推荐模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码智能推荐口内修复体设计方案；

(4)口内修复体设计方案智能修改模块：提供智能辅助工具快速修改口内修复体设计方案；

(5)口内修复体设计方案保存入库模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码新建口内修复体设计方案。

以上所有设计方案均以三维数据的形式存储和展示，其文件能直接对接制造设备，如cnc切削设备、3d打印设备等。

本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法及系统，相比现有技术，具有以下效益：

(1)基于预定的牙列缺失数据建立的口内修复体设计方案数据库，不仅存有大量的设计主题案例，还包含多源主客观评价信息，包括专家在卫生、力学平衡、美观等多个维度对设计主题的主观评分，利用有限元计算进行的客观仿真评价、利用体外力学验证等测试手段对设计主题进行的客观评分等。

(2)提出的智能系统，能直接用于可摘局部义齿的数字化设计等领域，能推荐多种设计理念的口内修复体设计方案，并且采用三维的形式展示出来，从业人员无需记忆大量案例，能在系统的辅助下在短时间内驾驭多种设计理念，能在算法辅助下选择适合患者的口内修复体设计方案，从而最终提高了患者的满意度。

附图说明

附图1是本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法，所应用的上、下牙颌模型示意图；

附图2是本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法，所应用的可摘除局部义齿的三维模型图；

附图3是本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能系统，该系统内所有设计方案均以三维数据的形式存储和展示。

具体实施方式

以下结合实施例子对本发明作进一步的详细描述。

实施例1。本发明提出基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法，该智能算法包括以下步骤：

步骤s1，基于预定的牙列缺失数据建立口内修复体设计方案数据库；该数据库提供两种搜索数据途径，即牙列缺失精确搜索数据途径和牙列缺失模糊搜索数据途径。

进一步，数据库包含牙列数据、口内修复体部件数据以及口内修复体设计主题数据，在构建数据库之前，首先对牙列数据、口内修复体部件数据以及口内修复体设计主题数据进行精确编码和模糊编码；

更进一步，数据库中的精确编码和模糊编码满足以下关系：一组精确编码对应一组模糊编码，一组模糊编码对应多组精确编码。

步骤s2，通过扫描设备采集当前牙列缺失数据，并对当前牙列缺失数据进行精确编码获得一组牙列信息精确编码；

在进行精确编码之前，首先要进行牙列初始姿态调整。以图1所示的上、下牙颌模型可以看出，上颌、下颌牙齿数量均不超过16，位于上、下颌骨的牙齿连续排列在牙槽骨形成抛物线的弓形。不论是上颌还是下颌模型，我们首先将数字模型调整三维方向，让其牙根垂直于屏幕向内，并保持牙弓线抛物线向下，这样的调整过程即为牙列初始姿态调整。

牙列信息精确编码包括：牙列缺失信息精确编码、牙列精确位置编码、牙列其他信息编码。

牙列缺失信息精确编码是对牙列初始姿态调整完毕后，按照精确编码规则对牙列中所有牙齿进行编码的编码数据，该编码数据的默认格式是1位字母和16位数字，其中，精确编码规则如下：

(1)字母位：若编码数据表示的牙列属于上颌则字母位为u，若编码数据表示的牙列属于下颌则字母位为l；

(2)数字位：牙列初始姿态调整完毕后，对牙列中牙齿信息从左往右顺时针依次编码，若该位置上牙齿存在则该牙齿编码为1，若该位置上牙齿缺失则该牙齿编码为0。

本优选实施例中，牙列缺失信息精确编码为u0100100100011111。

在输入牙颌模型时，牙列缺失信息精确编码的获得方式很多，可以是用户手动输入方式，也可以是机器学习算法、图形算法等算法自动生成后再由用户确认的方式。

更进一步，以一个牙列缺失信息精确编码为基础，可以推断出牙列精确位置编码，在牙列初始姿态调整完毕后，对牙列精确位置进行编码，具体规则如下：从左往右顺时针方向，精确位置编码依次为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16。

更进一步，以一个牙列缺失信息精确编码为基础，获取牙齿其他信息，具体如下：

(1)牙齿松动程度系数：对于编码为1的牙齿，其任意一侧或两侧的相邻牙齿的编码为0，则定义该牙齿为备选基牙，优先获取其松动程度系数；对于编码为1的牙齿，其两侧的相邻牙齿的编码均为1，则定义该牙齿为一般基牙，必要时获取其松动程度系数；松动程度系数为0～1中的任意一个小数，数字越小，代表该牙齿松动程度越严重；

(2)牙齿旋转矩阵：对于编码为1的牙齿，定义三维旋转矩阵mt来反映牙齿实际空间状态与标准健康状态之间的关系，其中下标t为牙列精确位置编码。

传统的医学上采用牙齿的轴倾角和转矩角来定义牙齿的畸形程度，但这种方式并不适合于计算机进行大规模计算。本发明中将轴倾角和转倾角分别转化成角-轴表示矩阵，即m(轴倾)和m(转倾)。此时畸变关系矩阵可以表示为mt＝m(轴倾)×m(转倾)。

角-轴表示的方法，在三维中，旋转可以通过单一的旋转角θ和所围绕的单位向量方向来定义：

本优选实施例中，对应牙列缺失信息精确编码u0100100100011111的牙齿其他信息如下表所示：

上表中，位置编码为2、5、8、12的牙齿为备选基牙，位置编码为13、14、15、16的牙齿为一般基牙。当位置编码为12的备选基牙的松动程度系数过小时，优选的当松动程度系数小于0.5时，需要获取与其相邻、且牙齿编码为1的牙齿，即位置编码为13的一般基牙的松动程度系数，并且将该牙齿作为替代的备选基牙。

对牙列缺失信息精确编码进行数据块划分，获得牙列缺失信息模糊编码；数据块划分，是指以一个牙列缺失信息精确编码为基础，将所有相邻且连续的同一个编码划分为一个数据块，具体来说，将所有相邻且连续的“0”划分为一个“0”数据块，在除去备选基牙后将所有相邻且连续的“1”划分为一个“1”数据块。

牙列缺失信息模糊编码的格式是1位字母、若干“0”数据块、若干“1”数据位、若干“1”数据块。模糊编码规则具体如下：

(1)划分“0”数据块：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，将所有相邻且连续的“0”划分为一个数据块，标记为i-0，其中，i表示该数据块中数据“0”的数量，即“0”数据块的长度；

(2)划分“1”数据位：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，将每一个备选基牙单独作为“1”数据位；

(3)划分“1”数据块：以一个牙列缺失信息精确编码为基础，除去备选基牙后将所有相邻且连续的“1”划分为一个数据块，标记为j-1，其中，j表示该数据块中数据“1”的数量，即“1”数据块的长度。

本优选实施例中，对应牙列缺失信息精确编码u0100100100011111的模糊编码为u【1-0】1【2-0】1【2-0】1【3-0】1【3-1】1。进一步，更加简略的模糊编号可以忽略“0”数据块和“1”数据块的长度，则模糊编码简化为u0101010111。通过模糊编码和简化模糊编码，可以显著提高算法运算速度。

更进一步，以一个牙列缺失信息模糊编码为基础，可以推断出牙列模糊位置编码，在牙列初始姿态调整完毕后，对牙列精确位置进行牙列区域分块实现编码转换，该编码规则是：分别计算每个“0”数据块的中心位置和每个“1”数据块的中心位置，即对每个”0“数据块或每个”1“数据块所对应的牙列区域内部的精确位置编码计算平均值。

本优选实施例中，从左往右顺时针方向，牙列模糊位置编码依次为1，2，(3+4)/2，5，(6+7)/2，8，(9+11)/2，12，(13+15)/2，16。

通过上面的分析可见，一个牙列缺失信息精准编码对于一个牙列缺失信息模糊编码，而一个牙列缺失信息模糊编码对于多个牙列缺失信息精准编码。

步骤s3，在口内修复体设计方案数据库中，包含多组口内修复体部件信息，所述口内修复体部件信息包括：口内修复体部件类型序列、口内修复体部件位置编码。

口内修复体部件类型序列是口内修复体部件类型按照牙列精确位置编码，即数字1至16，而形成的序列；其中，口内修复体部件类型包括：第一口内修复体部件类型、第二口内修复体部件类型、第三口内修复体部件类型。

进一步，第一口内修复体部件类型，是与牙列精确位置编码强相关的重要部件，例如：卡环、固位网、颌支托等部件；第二口内修复体部件类型，是与牙列精确位置编码弱相关的次要部件，例如：小连接体、固位钉等部件；第三口内修复体部件类型，是将第一口内修复体部件类型和第二口内修复体部件类型连接在一起的部件，例如：大连接体，舌杆等部件。

本优选实施例中，以如图2所示的可摘除局部义齿为例，一种可能的口内修复体部件类型信息如下表所示：

因此，口内修复体部件类型序列为：【联合卡环(3-4)，固位网(9-10)，t型卡环(11)，固位网(12-14)，三臂卡环(15)，小连接体(3)，螺旋固位钉(9)，螺旋固位钉(10)，舌杆(4-13)】。

口内修复体部件位置编码包括：口内修复体部件精确位置编码、口内修复体部件模糊位置编码。口内修复体部件精确位置编码与牙列精确位置编码一致，口内修复体部件模糊位置编码与牙列模糊位置编码一致。

步骤s4，根据步骤s2中的牙列缺失信息精确编码和步骤s3中的口内修复体部件信息获取口内修复体设计主题编码，口内修复体设计主题编码包括：口内修复体设计精确主题编码、口内修复体设计模糊主题编码。

进一步，该步骤中获取的口内修复体设计主题编码也可以根据口内修复体部件的类型进行有针对性的编码规则微调，微调规则一般为根据经验将多个子类合并为一个类。

口内修复体设计精确主题编码是多组精确匹配的口内修复体部件信息的组合；口内修复体部件信息精确匹配，是指口内修复体部件类型序列和口内修复体部件位置编码均完全一致；

本优选实施例中，以可摘除局部义齿为例，一种可能的口内修复体设计精准主题编码如下：

精准主题编码＝【联合卡环(3-4)，固位网(9-10)，t型卡环(11)，固位网(12-14)，三臂卡环(15)，小连接体(3)，螺旋固位钉(9)，螺旋固位钉(10)，舌杆(4-13)】。

口内修复体设计模糊主题编码是多组模糊匹配的口内修复体部件信息的组合；口内修复体部件信息模糊匹配，是指口内修复体部件类型序列完全一致，但口内修复体部件位置编码不一致。

本优选实施例中，以可摘除局部义齿为例，一种可能的口内修复体设计精准主题编码如下：

模糊主题编码＝【联合卡环，固位网，t型卡环，固位网，三臂卡环，小连接体，螺旋固位钉，螺旋固位钉，舌杆】。

可见，每个口内修复体设计精准主题编码对应一个口内修复体设计模糊主题编码，而一个口内修复体设计模糊主题编码对应多个口内修复体设计精准主题编码。

步骤s5，根据不同的口内修复体设计理念，本算法提供两种不同的口内修复体设计方案推荐清单，具体如下：

步骤s5-1，通过步骤s4获得的所有的口内修复体设计精确主题编码，一个牙列缺失信息精确编码可以获取m个口内修复体设计精确主题编码，因此最终获得包含m个口内修复体设计精确主题编码的第一推荐清单；

步骤s5-2，通过步骤s4获得的所有的口内修复体设计模糊主题编码中，计算得到距离函数值最小的n个牙列缺失信息精确编码，一个牙列缺失信息精确编码可以获取m个口内修复体设计精确主题编码，一个口内修复体设计精确主题编码对应一个口内修复体设计模糊主题编码，因此最终获得包含k个口内修复体设计模糊主题编码的第二推荐清单，其中k≤n×m。

在实际应用中，第一推荐清单和第二推荐清单分别由牙列缺失精准搜索数据途径和牙列缺失模糊搜索数据途径提供。

第一推荐清单和第二推荐清单中，口内修复体设计主题编码排序方法包括两种方式：

(1)基于患者牙列缺失信息的排序；

按照牙列缺失信息精确编码的距离函数值从小到大排序，即距离函数值越小，该牙列缺失信息精确编码所对应的口内修复体设计模糊主题编码排序位置越靠前。

对于任意两个不同的牙列缺失信息精确编码，存在对应相同的牙列缺失信息模糊编码的情况，此时这两个不同的牙列缺失信息精确编码之间的距离函数计算方法如下：

上式中，第一牙列缺失信息精确编码的牙列模糊位置编码为a1a2…ai，第二牙列缺失信息精确编码的牙列模糊位置编码为b1b2…bi，其中，且1≤i≤16。

可选的，根据牙列其他信息编码，例如：牙齿松动程度系数，牙齿旋转矩阵等多维度信息进行排序。

(2)基于主客观评分结果的自定义排序；

专家可以在卫生、力学平衡、美观等多个维度对设计主题进行主观评分，同时引入有限元计算、体外力学验证等测试手段对设计主题进行客观评分，这些主客观评分结果为用户自定义主题排序提供了依据。

在口内修复体设计方案数据库中补录新的牙列缺失信息编码的过程具体如下：无论通过牙列缺失精准搜索数据途径或者牙列缺失模糊搜索数据途径，数据库均不存在新的牙列缺失数据所对应的设计主题时，首先由技师、医生构思完成并提交所需的口内修复体设计方案，并且自动新建该牙列缺损数据的各项精确编码和模糊编码。

实施例2。本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能系统，如图3所示，包括如下模块：

(1)口内牙列缺失数据获取模块：该模块实现手动、半自动或者自动获取牙列缺失数据，并对当前牙列缺失数据进行编码处理，获得牙列缺失信息精确编码、牙列精确位置编码、牙列其他信息编码、；根据牙列信息精确编码、牙列缺失信息模糊编码和牙列模糊位置编码；

(2)口内修复体设计方案数据库模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码存储大量不同的口内修复体设计方案；

(3)口内修复体设计方案智能推荐模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码智能推荐口内修复体设计方案；

(4)口内修复体设计方案智能修改模块：提供智能辅助工具快速修改口内修复体设计方案；

(5)口内修复体设计方案保存入库模块：基于牙列精确位置编码和牙列模糊位置编码新建口内修复体设计方案。

如图3所示，以上所有设计方案均以三维数据的形式存储和展示，其文件能直接对接制造设备，如cnc切削设备、3d打印设备等。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的基于大数据的口内修复体设计方案的智能算法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。