Brevet FR2635965A1 — publié le 19900309

Sonde optique pour la mesure tridimensionnelle des dents dans la cavité buccale et procédé de mise en oeuvre. L'invention concerne la mesure tridimensionnelle des dents dans la cavité buccale à l'aide d'une sonde. La mesure optique tridimensionnelle des dents di- rectement dans la bouche du patient permet d'obtenir des données numériques de construction pour la fabrication assistée par ordinateur de prothèses dentaires sans em- preintes et en technique de fraisage numérique semi-auto- matique ou entièrement automatique. Actuellement, on con- nait trois systèmes qui fonctionnent selon ce principe: a) Un système français produit par la firme Hennson Int. of France et reposant sur les travaux du Dr. Duret, utilise un procédé de triangulation par laser pour la mesure ponctuelle de la distance entre la surface des dents et la sonde optique introduite dans la cavité buccale du patient. Ces sondes de distance sont connues également dans la technique des mesures industrielles. Elles effectuent une mesure ponctuelle des distances ou bien elles peuvent, par balayage laser le long d'une ligne, mesurer les coordonnées de la hauteur relative de l'objet exploré le long d'une ligne. Etant donné que l'on utilise habituelle- ment pour capteur optique des capteurs de ligne CCD, on obtient des matrices ponctuelles de 256 à 4096 points d'image. b) Un système suisse, de la firme BRAINS, Brandistini Instruments, appelé CEREC, fonctionne également se- lon le procédé de la coupe optique, connu dans la technique des mesures industrielles. Selon ce procé- dé, un trait lumineux unique ou une grille parallèle de traits lumineux sont projetés sur la surface et observés à l'aide d'une caméra bidimensionnelle selon un angle de parallaxe. La hauteur relative peut être déduite à partir de la courbure des lignes de coupe optique. On connaît une variante améliorée de ce procédé, appelé procédé de décalage de phase. Il utilise un réseau optique produit par interférométrie avec modulation sinu- soidale de la luminosité en contraste avec les coupes optiques binaires. En faisant des prises de vue de l'ob- jet pour différentes positions de relation de phase de ce réseau, on peut obtenir une densité ponctuelle sensi- blement plus forte des valeurs de hauteur et l'on peut éliminer numériquement des perturbations telles qu'incons- tance de la luminosité de fond et instabilité du contraste de bande par suite des variations locales dans la ré- flexion. c) Une méthode actuellement mise au point à l'Universi- té du Minnesota sous la direction du Dr. Dianne Recow, et faisant appel à une sonde laryngoscopique prend des vues photographiques multiples de la surfa- ce des dents pour, après développement, les explorer et les numériser au moyen d'un scanneur pour document et les exploiter dans un ordinateur selon des procé- dés connus en photogrammétrie pour stéréo-restitution. Toutes les sondes dentaires optiques utilisées à ce jour sont caractérisées par le fait qu'elles n'uti- lisent, du fait de leur principe de construction, qu'un seul des procédés possibles (triangulation par laser ou coupe optique ou décalage de phase ou mesure de distance stéréo). Cependant, chacun de ces procédés présente une série d'avantages et d'inconvénients: a) Les procédés au rayon laser pour la triangulation ou les procédés de décalage de phase souffrent forte- ment de la formation de taches causées par la lumiè- re cohérente. Ceci donne lieu à des images de hauteur troublées et donc, à une diminution sensible de la résolution. b) Les procédés de coupe optique et de déphasage à ré- seau constant souffrent de problèmes d'ambiguïté dans le cas de fortes dénivellations. Ces dénivella- tions déplacent la ligne lumineuse ou la relation de phase du réseau sinusoidal de plus d'une constante de réseau. Il n'est alors plus possible de recons- truire la dénivellation. Les sondes dentaires optiques tridimensionnelles connues à ce jour déterminent le procédé tridimensionnel à utiliser par leur construction même. Elles ne sont pas modifiables, à l'exception de quelques paramètres de ré- glage tels que fréquence de balayage, décalage de phase, mise au point, grossissement. Il n'est donc pas possible d'appliquer avec une même sonde à un même objet des pro- cédés de mesure complémentaires tels que triangulation, coupe optique, déphasage et stéréo-photogrammétrie de même que toute une série de variantes de la mesure opti- que tridimensionnelle connues à partir des techniques de la mesure industrielle, comme, par exemple, les réseaux optiques codés en code Gray, en vue de combiner les avan- tages de ces procédés et d'éviter leurs inconvénients. Cet objet est atteint selon l'invention par le fait qu'une sonde dentaire optique pour mesure tridimen- sionnelle des dents contient une source lumineuse matri- cielle de haute résolution, bidimensionnelle à programma- tion ponctuelle libre, qu'un modèle de projection numéri- sé est produit par un ordinateur selon un procédé programmé mathématique ou graphigue, qu'il est mis dans une mémoire-image et affiché sur la source lumineuse matri- cielle par l'intermédiaire d'un interface numérique/ analogique et est projeté sur la surface à mesurer par une optique de projection. Selon l'invention, les sour- ces lumineuses matricielles utilisées sont des mo- niteurs ou,écrans de contrôle vidéo, de préférence, tubes de projection à traits fins ou modulateurs de lu- mière spatiaux (en anglais: "spatial light modulators"). Ces derniers en particulier existent sous la forme d'écrans de contrôle vidéo à cristaux liquides, noir et blanc ou couleurs, disponibles à bas prix dans les appa- reils de télévision miniatures et il est facile de les intégrer dans une sonde dentaire de ce type sous forme de "diapositive" à commande électronique. La source lumi- neuse matricielle peut aussi être formée d'un scanneur XY avec modulateur de lumière optique. L'essence de l'invention sera décrite à titre d'exemple non limitatif en prenant l'exemple d'une sonde dentaire ayant un modulateur de lumière à cristaux liqui- des comme source lumineuse programmable. Par un exemple de procédé, on montrera aussi comment la programmabilité du modèle de projection permet de projeter des repères d'étalonnage et/ou des modèles de mesure différents en succession rapide et de traiter ces images selon diffé- rents procédés d'interprétation pour éliminer les incon- vénients précités des taches, des ambiguïtés, etc. Avantageusement, on projette une lumière cons- tante sans modèle pour l'observation visuelle ainsi que pour la détection automatique des zones d'ombre. Avantageusement encore, on projette des modèles de grille successifs de différentes fréquences locales et on réalise ainsi des mesures approximative et fine exemptes d'ambiguïtés. Des modèles lumineux codés successifs sont projetés et interprétés, ou bien on projette sur la sur- face des dents à mesurer des modèles et des images de référence mémorisés, ou encore des images de la surface d'occlusion antihomologue. Avantageusement, des mesures locales de hauteur sont exécutées par le procédé de la triangulation, par projection ponctuelle de différents points d'image. Avantageusement encore, au moyen d'une source lumineuse matricielle couleurs on projette des couleurs qui optimisent le contraste entre la surface des dents et la gencive. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente à titre d'exemple le schéma logique d'une sonde dentaire conforme à l'inven- tion. La figure 2 représente par exemple une série de modèles de projection tels qu'ils peuvent être utilisés dans l'application du procédé de déphasage. L'essence de l'invention sera décrite selon un exemple de réalisation conformément à la figure 1. Le modèle à projeter est projeté à la surface des dents à mesurer au moyen d'une optique endoscopique 1. Une deu- xième conduite optique 2 conduit une image de la surface des dents ainsi repérée sur une caméra vidéo bidimen- sionnelle 3 qui délivre ses données à l'ordinateur d'image 4 assurant l'exploitation. Le ou les modèles à projeter sont créés en mode numérique par le même ordi- nateur ou par un second ordinateur d'image, mis en mode numérique dans la mémoire d'images de projection 5 et transformés, en passant par un interface numérique/ analogique et un interface vidéo 9 en un signal vidéo pour la commande de la matrice moniteur vidéo à cristaux liquides 7. Cet écran à cristaux liquides est, grace à un dispositif d'éclairage 8, irradié d'une lumière cons- tante et modulé ponctuellement sous haute résolution et avec un grand nombre de degrés de gris possibles de la lumière constante. Le rayon lumineux modulé est, par l'intermédiaire d'une optique d'image 6, représenté dans l'optique endoscopique et il est projeté à la surface des dents. La figure 2 représente à titre d'exemple, une série de modèles de projection qui, avec les sondes anté- rieures, ne pourraient être obtenus sans changement de la sonde. Dans une première étape, le modèle projeté 1 est "tout blanc". On peut ainsi contrôler facilement l'orientation de la sonde, le réglage de la netteté, etc. sur l'écran du système de traitement de l'image (10, figure 1) sans apparition de bandes perturbatrices. D'autre part, les zones d'ombre se signalent automati- quement par interprétation directe de luminosité, zones dans lesquelles la mesure tridimensionnelle ultérieure sera impossible ou incertaine. Un deuxième modèle de pro- jecticn 2 peut être composé de repères par exemple, dont la déformation permet de calculer des données de calibra- ge (rapport d'image, distance à un niveau de référence, etc.). A partir de la déformation en ellipse d'un repère circulaire, on peut obtenir les rapports d'image, la position du fond dans l'espace et autres données néces- saires à l'étalonnage de l'ensemble du système optique. Le modèle 3 est par exemple une grille sinusoïdale gros- sière pour la mise en oeuvre d'un procédé de déphasage à faible résolution. Ce modèle est pris en trois diffé- rentes relations de phase 3a, b, c et permet d'obtenir une image en hauteur grossière de la dent. Par suite de la constante de grille élevée il n'y a pas d'ambiguïtés. Le modèle 4a, b, c est constitué d'une grille sinusoïdale beaucoup plus fine et permet une mesure de hauteur de haute définition, mais toutefois il y a des ambiguïtés. On peut les éliminer au moyen des résultats de la mesure grossière 3. Finalement, il est possible par exemple de prendre dans une bibliothèque d'images une série de pro- fils dentaires mémorisés par voie numérique et de les projeter sur la dent pour apprécier directement en mode visuel sur l'écran de contrôle connecté (10 en figure 1) la qualité de la concordance et choisir éventuellement un modèle de dents existant. Il n'est pas nécessaire de rappeler ici les particularités du procédé de déphasage car elles correspondent à l'état de la technique et sont suffisamment publiées. De même, on n'expliquera pas da- vantage les autres procédés de mesure tridimensionnelle, tels que procédés de triangulation, photogrammétrie, modèle de projection codé et autres car ils sont publiés dans l'état de la technique. Une autre caractéristique de l'invention est de projeter une image de référence, telle que, par exemple l'image mémorisée de la surface d'occlusion de la dent antihomologue, pour observer le problème d'occlusion. Lorsque l'on utilise les écrans vidéo à cristaux liqui- des, pour couleurs, ainsi qu'ils existent déjà sur le marché, le médecin traitant peut, indépendamment de la mesure tridimensionnelle de la dent à traiter, apprécier directement et visuellement la problématique de l'occlusion. L'exemple donné montre quelle est l'ampleur des nouvelles possibilités ouvertes par la sonde de mesure tridimensionnelle optique à modèle de projection de programmation libre en comparaison des possibilités rigides et limitées qu'offrent les sondes optiques con- nues actuellement. REVENDICATIONS 1. Sonde de mesure tridimensionnelle optique pour la mesure de la géométrie tridimensionnelle des dents dans la cavité buccale, caractérisée par le fait que la sonde (1) comprend une source lumineuse matriciel- le de haute résolution (7), bidimensionnelle, et à libre programmation ponctuelle, qu'un modèle de projection nu- mérisé est mis dans une mémoire d'image (5) et commande la source lumineuse matricielle (7) par l'intermédiaire d'un interface vidéo (9), et que cette image est proje- tée sur la surface des dents à mesurer par l'intermédiai- re d'une optique d'image (6). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la source lumineuse matricielle (7) est formée par un moniteur vidéo. 3. Sonde selon les revendications 1 et 2, carac- térisée par le fait que le moniteur vidéo comprend un tube de projection vidéo. 4. Sonde selon les revendications 1 et 2, carac- térisée par le fait que la source lumineuse matricielle (7) est constituée d'un modulateur de lumière spatial. 5. Sonde selon les revendications 1 et 4, carac- térisée par le fait que le modulateur de lumière utilisé est un écran de télévision à cristaux liquides. 6. Sonde selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'écran à cristaux liquides est un écran noir et blanc. 7. Sonde selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'écran à cristaux liquides est un écran couleurs. 8. Disposition selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que la source lumineuse matricielle (7) est formée d'un scanneur XY avec modulateur de lumiè- re optique. 9. Procédé de mesure tridimensionnelle optique des dents dans la cavité buccale au moyen d'une sonde optique (1) qui contient une source lumineuse matriciel- le programmable selon les revendications 1 à 8, caracté- risé par le fait que sont projetés des repères d'étalon- nage et/ou des modèles de mesure successifs. 10. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé par le fait qu'on projette une lumière constante sans modèle pour l'observation visuelle ainsi que pour la détection automatique des zones d'ombre. 11. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé par le fait qu'on projette des modèles de grille suc- cessifs de différentes fréquences locales et qu'on réa- lise ainsi des mesures approximative et fine exemptes d'ambiguïtés. 12. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé par le fait que sont projetés et interprétés des modè- les lumineux codés successifs. 13. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé par le fait qu'on projette sur la surface des dents à mesurer des modèles et des images de référence mémo- risés. 14. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé par le fait qu'on projette sur la surface des dents à mesurer des images de la surface d'occlusion anti- - homologue. 15. Procédé selon la revendication 9,caractérisé par le fait que des mesures locales de hauteur sont exé- cutées par le procédé de la triangulation, par projection ponctuelle de différents points d'image. 16. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'au moyen d'une source lumineuse matriciel- le (7) couleurs on projette des couleurs qui optimisent le contraste entre la surface des dents et la gencive.