(57)【要約】      （修正有）【課題】窩洞形成や支台形成の形を客観的かつ定量的に評価することができる歯科実習用評価装置及び、歯科実習用評価システムを提供する。【解決手段】３次元計測のためにポイントレーザーによるレーザー変位計１が採用されており、窩洞形成の測定では、レーザー変位計をｘ軸方向に移動させると共に非測定物８をｚ軸中心に回転させ、各々の回転角をロータリーエンコーダ７により検出することで螺旋状に点群データを取得することができ、支台形成の測定では、レーザー変位計１のレーザー照射角度をｙ軸中心に一定角度（例えば45°）回転させて、同様の制御を行い、これを演算処理することで３次元データが取得できる。形状の良否の評価は、手本となる模型歯の形状データと、実習生が作製した模型歯の形状データとの体積差異に基づいてなされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯科実習において窩洞・支台形成された模型歯に対して客観的かつ定量的な評価を行うための評価装置であって、
被測定体である模型歯の形状を非接触で測定することにより、当該形状に関する３次元計測データを取得する３次元計測手段と、
予め設定される評価パラメータを入力するための入力手段と、
実習生が作製した模型歯を計測して得られた３次元計測データ、手本となる模型歯を計測して得られた３次元手本データ、前記評価パラメータ及び、これらを用いて演算を行うことにより得られた評価データを保存するための記憶手段と、
予め入力された前記評価パラメータを用いて前記３次元計測データと前記３次元手本データとの体積差異を計算し、当該計算の結果に基づいて模型歯の形成度合いの良否を評価するための演算手段と、
前記演算手段により得られた評価結果を出力するための出力手段
とを具備すること、及び
前記３次元計測手段においては、被測定体である模型歯に対してポイントレーザー光を照射するレーザー変位計が設けられており、前記レーザー変位計が、前記模型歯を設置するための模型歯固定台の平面上にあるｘ軸方向に沿って移動すると共に、前記模型歯固定台の平面に対して垂直なｚ軸を中心として前記模型歯固定台が回転可能で、当該模型歯固定台の回転角をロータリーエンコーダによって検出することで螺旋状に点群データが取得可能であり、しかも、前記レーザー変位計が、前記ｘ軸と直交するｙ軸を中心にして一定角度だけ回転した状態となるように角度制御され、前記模型歯固定台に固定された模型歯の斜め上方からレーザーが照射可能であり、前記ｚ軸を中心として回転する前記模型歯固定台の回転角をロータリーエンコーダによって検出することで螺旋状に点群データが取得可能であることを特徴とする歯科実習用評価装置。
【請求項２】
前記ｙ軸を中心とする前記レーザー変位計の回転角度が、0〜90°であることを特徴とする請求項１に記載の歯科実習用評価装置。
【請求項３】
手本となる模型歯の形状に関する３次元手本データにより表される手本形状ラインに基づいて、当該手本形状ラインの内側及び外側に、一定のオフセット値に相当する厚みを有した複数のオフセット層が作成され、前記手本形状ラインにより表される形状と、評価対象となる模型歯の形状を非接触で測定することにより得られた３次元計測データとから、各オフセット層にはみ出ている体積差分が計算され、当該体積差分を、前記オフセット層の体積で除することによって体積差分の比率が計算され、当該体積差分の比率と、予め設定された各オフセット層の評価に対する重要性を示す係数との積に基づいて、評価対象となる模型歯の形状評価がなされることを特徴とする歯科実習用評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯科大学における実習において窩洞・支台形成された模型歯に対して客観的かつ定量的な評価を行うための評価装置（歯科実習用評価装置）及び、当該評価装置を用いた評価システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歯科大学での実技実習においては、実習生または学生は窩洞形成や支台形成などに関して治療に必要な適切な形状を理解し、形成できる技術の習得が必要となる。
従来、実習生または学生により模型歯に形成された形状の評価は、指導医による目視の評価が一般的であった。しかし、目視評価では指導医の主観的な判断による為、統一的な評価が出来ず、また、評価結果の再現にもばらつきが生じるため、実習生または学生が自分で形成した形状と適切な形状との差異を認識し、適切な形成を理解することが困難であるという問題があった。
そこで、このような問題を解決するために、形成された窩洞や支台の形状を客観的かつ定量的に評価する手法が提案されている（例えば、下記の特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第3621525号公報
【特許文献２】特許第4338584号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、歯科医療における形成技術においては外形だけでなく、形成部の段差や、底面や壁面の滑らかさが臨床上重要であり、ラインレーザーを用いた測定では分解能が粗いため微細な形状まで測定できないという課題があった。
また、上記の特許文献１及び２の手法において使用されるラインレーザー方式の装置には、３次元計測を行うためのレーザー照射部と光を受光して撮影するカメラ部が独立して存在しており、不可視領域をなくす為に模型歯をセットするステージに傾斜テーブルを設けている為、装置が大きくなるという問題点があった。
さらに、評価においては２次元変換などにより評価領域が重複し、あるいは特徴点におけるポイントの差異を計測し評価を行っていることで、形状の一部に著しく異常な形状があった場合でもそれを検出することができないという問題がある。
【０００５】
また、これらの装置を実際に使用する実習現場では、指導医一人当たりに対する実習生または学生の数の比率が1：30〜1：100と非常に高く、指導医の時間的な制約があることが多かった。そして、実習生または学生の個々の形成物を一つ一つ装置を使用して評価していくことは時間がかかる作業であった。
【０００６】
更に、歯科の形成物においては、部位や用途などにより求められる精度や機能が様々であり、これに対して一つの評価基準で全ての形成物を妥当に評価することは困難であることから、評価においてはその課題や実習生または学生などによって評価基準を都度設定する必要があり、そのためには評価基準の設定と評価結果の確認を繰り返すことで妥当な評価基準を設定しており、これも時間がかかる作業の一つであった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決可能な本発明の歯科実習用評価装置は、歯科実習において窩洞・支台形成された模型歯に対して客観的かつ定量的な評価を行うための装置であって、
被測定体である模型歯の形状を非接触で測定することにより、当該形状に関する３次元計測データを取得する３次元計測手段と、
予め設定される評価パラメータを入力するための入力手段と、
実習生が作製した模型歯を計測して得られた３次元計測データ、手本となる模型歯を計測して得られた３次元手本データ、前記評価パラメータ及び、これらを用いて演算を行うことにより得られた評価データを保存するための記憶手段と、
予め入力された前記評価パラメータを用いて前記３次元計測データと前記３次元手本データとの体積差異を計算し、当該計算の結果に基づいて模型歯の形成度合いの良否を評価するための演算手段と、
前記演算手段により得られた評価結果を出力するための出力手段
とを具備すること、及び
前記３次元計測手段においては、被測定体である模型歯に対してポイントレーザー光を照射するレーザー変位計が設けられており、前記レーザー変位計が、前記模型歯を設置するための模型歯固定台の平面上にあるｘ軸方向に沿って移動すると共に、前記模型歯固定台の平面に対して垂直なｚ軸を中心として前記模型歯固定台が回転可能で、当該模型歯固定台の回転角をロータリーエンコーダによって検出することで螺旋状に点群データが取得可能であり、しかも、前記レーザー変位計が、前記ｘ軸と直交するｙ軸を中心にして一定角度だけ回転した状態となるように角度制御され、前記模型歯固定台に固定された模型歯の斜め上方からレーザーが照射可能であり、前記ｚ軸を中心として回転する前記模型歯固定台の回転角をロータリーエンコーダによって検出することで螺旋状に点群データが取得可能であることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、３次元計測を行うためにポイントレーザーによるレーザー変位計が採用されており、レーザー変位計と被測定物とを連動して制御することによって３次元デーが取得できるようになっており、光学三角測量に基くポイントレーザーにより変位を測定し、窩洞形成の測定においてはレーザー変位計をｘ軸方向に移動させると共に非測定物をｚ軸中心に回転させ、当該回転角をロータリーエンコーダによって検出することで螺旋状に点群データを取得することができる。又、支台形成の測定においては、レーザー変位計のレーザー照射角度をｙ軸中心に一定角度（0〜90°、好ましくは45°）回転させて、被測定物の斜め上方からレーザー光が照射されるようにし、ｚ軸を中心とする非測定物の回転制御を行い、それを幾何学的な計算式で処理することによって３次元データを取得することができる。
【０００９】
又、本発明は、歯科実習において窩洞・支台形成された模型歯に対して客観的かつ定量的な評価を行うのに適した評価システム（歯科実習用評価システム）でもあり、当該評価システムにおいては、手本となる模型歯の形状に関する３次元手本データにより表される手本形状ラインに基づいて、当該手本形状ラインの内側及び外側に、一定のオフセット値に相当する厚みを有した複数のオフセット層が作成され、前記手本形状ラインにより表される形状と、評価対象となる模型歯の形状を非接触で測定することにより得られた３次元計測データとから、各オフセット層にはみ出ている体積差分が計算（積算）され、当該体積差分を、前記オフセット層の体積で除することによって体積差分の比率が計算され、当該体積差分の比率と、予め設定された各オフセット層の評価に対する重要性を示す係数との積に基づいて、評価対象となる模型歯の形状評価がなされることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、手本となる指導医作成の模型歯形状に対して、３次元のオフセット層が複数作成され、そのオフセット層の中に、はみ出した学生作成の模型歯形状を体積の差異として計算することによって模型歯全体のバランスについての評価がなされ、この際、オフセット層の数が多いほど詳細な評価を行うことが出来る。尚、本発明の評価システムにおいては、評価に必要なプロセスを、測定部である３次元計測手段と、演算部である演算手段に切り分けて行い、測定部と演算部を独立して実行できるようにプログラムが作成される。
【００１１】
従来、指導医（評価者）は、一つ一つの形成物を測定・評価していたが、本発明の評価装置及び評価システムにおいては、測定部である３次元計測手段のみで作業を行うことができるので、例えば測定した100個分の形成物の計測データを帰宅時に一括で演算させて翌朝に評価を完了させることができ、指導医の時間節約が可能になる。
本発明では上記目的を達成する為に、あらかじめ計測により取得していた手本データと学生データ、あらかじめ記憶された評価基準とを自由に選択可能にすることで、同じ形成物であれば測定なしで評価することが可能となり、指導医の時間を節約できる。
また、再評価機能と一括演算機能を組み合わせて使用することも可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、装置駆動部を小さく設計することができ、装置の投影面積を小さくすることができる。
又、本発明によれば、窩洞形成や支台形成の形を客観的かつ定量的に評価することができ、実習生または学生が作製した形成物の形状の全体のバランスを評価することができ、指導医の作業時間を節約することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の歯科実習用評価装置の構成図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、３次元計測手段により窩洞及び支台を計測する際の状態を示す図である。
【図３】本発明の評価システムにおける評価方法の概要を示す図である。
【図４】本発明における評価システムの基本的なフローチャートである。
【図５】本発明による一括評価のフローチャートである。
【図６】本発明による再評価の概念を示す図である。
【図７】本発明による再評価のフローチャートである。
【図８】学生が作製した形成物の形状を、本発明の評価システムを用いて評価した際の結果を示す評価レポートの具体例である。
【図９】従来のラインレーザー方式による取得データと、本発明のポイントレーザー方式による取得データとの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔構成〕
図１は、本発明の歯科実習用評価装置の構成図であり、図２は、３次元計測手段の具体的構造及び測定時の状態（（ａ）窩洞計測時及び（ｂ）支台計測時）を示す図である。
図１に示すように、本発明の歯科実習用評価装置は、３次元計測手段と、記憶手段と、演算手段と、入力手段と、出力手段とを具備し、３次元計測手段により、被測定体である実習生（学生）が作製した模型歯の形状が非接触に測定されて３次元データが取得され、この形状データが記憶手段に送られて保存され、指導医が作製した手本となる形状の３次元手本データと、評価対象となる３次元計測データとの体積差異が、予め入力手段により入力された評価パラメータを用いて演算手段により計算され、この計算結果に基づいて模型歯の形成度合いの良否が評価され、その評価結果が、記憶手段に保存されると共に出力手段にて出力されるようになっている。
【００１５】
〔評価装置〕
図２は、本発明の歯科実習用評価装置における３次元計測手段の具体的な構造を示す図である。図２（ａ）に示されるように、本発明の歯科実習用評価装置にあっては、３次元計測手段として、光学三角測量法に基づくポイントレーザーにより変位の測定が可能、即ち、時刻ｔにおける高さｚが測定可能なレーザー変位計１が使用されており、このレーザー変位計１をｘ軸方向に移動させるための第１モーター２とボールネジ４、時刻ｔにおけるｘ軸の位置検出（回転角の計測）を行う第１ロータリーエンコーダ３が存在し、測定対象となる模型歯８をセットする固定台５と、模型歯をｚ軸中心に回転させる第２モーター６と、時刻ｔにおけるｚ軸の回転角が計測可能な第２ロータリーエンコーダ７により構成されている。
【００１６】
尚、本発明の歯科実習用評価装置は、窩洞形成模型歯の測定（図２（ａ）参照）においてはレーザー変位計のｘ軸位置を回転半径とし、ｚ軸中心の回転角検出により極座標系情報を直交座標系に変換することで３次元の点群データを得る。
又、支台形成模型歯を測定する際には、図２（ｂ）に示されるようにして、レーザー変位計の照射角を45°傾けて、窩洞形成の測定と同様に、支台の回転制御を行い、極座標系情報と幾何学的な計算式を用いて直交座標系に変換することで３次元の点群データを得るのが一般的であるが、このレーザー変位計の照射角は適宜選択可能である。
本発明では、このようにレーザー変位計と被測定物を連動して制御することによって、ポイントレーザーによる３次元データの取得ができ、ポイントレーザーが高分解能であることから微細な形状まで取得することが可能となり、従来のラインレーザー方式による装置を用いて取得された計測データよりも微細な形状が得られる（図９参照）。また、本発明では、レーザー変位計と被測定物が連動して動くことによって、レーザーは１軸平行移動、被測定物は１軸回転という互いにシンプルな機構で構成することが可能になることから装置を小さくすることもできる。
【００１７】
〔評価方法〕
図３は、本発明の評価システムにおける評価方法の概要を示す図であり、手本形状ラインを基準として形成された複数のオフセット層が示されている。
本発明の評価システムにおいては、指導医が作製した手本の形状データ（３次元手本データ）を基に手本形状ラインを作成し、この手本形状ラインの内側と外側にそれぞれ、一定の層厚みを有するオフセット層を複数設け（図３参照）、評価対象形状についての体積差分の比率（切削過剰部分の体積と切削不足部分の体積を足した体積の占める割合）を計算することによって、評価対象形状全体のバランスを評価する手法を採用している。
即ち、本発明では、手本となる形成物の３次元形状データを取得し、さらに層の厚みを決めるオフセット値を用いて手本となる形状に対して複数のオフセット層を作成し、評価対象となる形成物の３次元計測データを取得し、作成した各オフセット層にはみ出ている体積差分を計算する。そして、この各オフセット層にはみ出ている評価対象形状の体積を当該オフセット層の体積で除することによって体積差分の比率（以下、差の比率という）を計算し、各層の評価に対する重要性を示す係数（以下、重み付けという）との積を計算し、その合計点を100点から引くことによって点数評価を行うものである。
【００１８】
本発明では、オフセット層の厚みを大きくとれば評価を易しく、小さく取れば厳しくすることができ、また、重み付けを小さく設定すれば評価は易しく、大きくとれば評価は厳しくなるので、この２つの評価パラメータを任意設定することで評価の難易度を自由に変えることができる。
また、オフセット層によって手本となる形状全体に対して評価する領域を設けることができる為、実習生または学生の形成物の一部に著しく異常な形成があった場合でも評価結果に反映させることが可能になる。
【００１９】
〔評価フローチャート〕
図４に、本発明における評価システムの基本的なフローチャートを示す。
step1として、手本として形成された模型歯についての形状測定を行い、３次元手本データを取得する。
step2として、２種類の評価パラメータである、オフセット値と重みづけの設定を行う（評価パラメータの入力）。
step3として、評価対象となる実習生または学生によって形成された模型歯についての形状測定を行い、３次元計測データを取得する。
step4として、手本となる形成された模型歯の形状データと、予め設定されているオフセット値に基づいて手本形状に対して複数のオフセット層を作成し、さら手本形状データと評価対象となる模型歯の３次元計測データとの体積差分を計算し、作成した各オフセット層にはみ出している体積差分を各オフセット層の体積で除することによる差の比率を計算し、各層における差の比率と予め設定された各層における重みづけとの積の総和を計算し、それを100点から引くことによって評価する演算処理を行う。なお、特に指定がなければstep3と4は同時に実行される。
step5として、取得した３次元手本データと評価対象となる３次元計測データを３次元データ表示、または３次元データを重ね合わせた表示、または３次元データを重ね合わせたときの任意断面における２次元重ね合わせ表示、または２次元重ね合わせ時の手本データと評価対象となる計測データの差分の距離の表示などの表示処理を行う。
step6として、step4で得られた評価結果を評価レポートとして出力し、また、なにか特筆するコメントがあればそれを入力手段によって入力し、評価レポートに反映させる処理を行う。
【００２０】
〔一括評価フローチャート〕
図５に、本発明の評価システムによる一括評価のフローチャートを示す。
step1として、手本となる形成された模型歯の測定を行い、３次元手本データを取得する。
step2として、２種類の評価パラメータである、オフセット値と重みづけの設定を行う。
step3として、評価対象となる実習生または学生によって形成された模型歯の測定を行う。
step4として、その他に評価対象となる実習生または学生によって形成された模型歯の測定が必要であればstep3を必要回数だけ実行し、必要がなければstep5を実行する。
step5として、step3と4において取得された複数の評価対象となる計測データとstep2において予め設定されたオフセット値に基づいて手本形状に対して複数のオフセット層を作成しさらに手形状データと評価対象となる模型歯の形状データとの体積差分を計算し、作成した各オフセット層にはみ出している体積差分を各オフセット層の体積で除することによる差の比率を計算し、各層における差の比率と予め設定された各層における重みづけとの積の総和を計算し、それを100点から引くことによって点数評価する演算処理を行う。
この時に複数の評価対象となる３次元計測データに対し、点数評価する演算処理を実行するデータと実行しないデータを任意に選択することができる。
step6として、step5で得られた評価結果を評価レポートとして出力する処理を行う。
【００２１】
〔再評価〕
図６に、本発明の評価システムによる再評価の概念図を示す。
通常の評価は図５で示しているように、手本となる形成された模型歯の３次元手本データと評価パラメータ、そして評価対象となる３次元計測データが１つのセットとなって評価結果が演算される。
しかし、再評価を行う場合には、図６に示されるように、３次元手本データ、評価パラメータ、評価対象形状データ（３次元計測データ）をそれぞれ手本データA、評価パラメータA、評価対象形状データAとすると、これらを組み合わせて評価結果Aが演算され、さらにこれらのデータは本発明の装置の記憶手段によって記憶されている為、例えば評価結果Aが指導医の意図よりも低く（もしくは高く）評価された場合でも、新たに評価パラメータBを設定し、記憶されている手本形状データAと評価対象形状データAとの組み合わせによって演算を実行することで、模型歯を再測定せずに指導医の意図する評価結果Bを得ることができる。
【００２２】
〔再評価フローチャート〕
図７に、本発明の評価システムによる再評価のフローチャートを示す。
step1として、２種類の評価パラメータである、オフセット値と重みづけの設定を行う。
step2として、手本となる形成された模型歯の形状データとstep1で設定されたオフセット値に基づいて手本形状に対して複数のオフセット層を作成し、さらに手本形状データと評価対象となる模型歯の形状データとの体積差分を計算し、作成した各オフセット層にはみ出している体積差分を各オフセット層の体積で除することによる差の比率を計算し、各層における差の比率とstep1で設定された各層における重みづけとの積の総和を計算し、それを100点から引くことによって評価する演算処理を行う。
step3として、取得した手本形状データと評価対象となる形状データを３次元データ表示、または３次元データを重ね合わせた表示、または３次元データを重ね合わせたときの任意断面における２次元重ね合わせ表示、または２次元重ね合わせ時の手本形状データと評価対象となる形状データの差分の距離の表示などの表示処理を行う。
step4として、step2で得られた評価結果を評価レポートとして出力し、また、なにか特筆するコメントがあればそれを入力手段によって入力し、評価レポートに反映させる処理を行う。
このように再評価機能を用いれば評価の難易度を変更した際の評価を模型歯の測定なしに実行することができる。また、一括評価機能と組み合わせることもできる。
【実施例】
【００２３】
図２に示される構成の３次元計測手段を有した本発明の歯科実習用評価装置を作製し、この装置を用いて、指導医が作製した模型歯についての窩洞形状を測定し、３次元手本データを取得し、評価を実施するための評価パラメータとして、オフセット値（0.2mm単位で４段階×２）と重みづけ（各オフセット層とも0.2）を設定した。そして、評価対象となる実習生または学生によって形成された模型歯についての窩洞形状を同様に測定し、３次元計測データを取得した。
３次元手本データと予め設定したオフセット値に基づき、手本形状に対して複数のオフセット層を作成し、更に、３次元手本データと３次元計測データとの体積差分を計算し、作成した各オフセット層にはみ出している体積差分を各オフセット層の体積で除することによる差の比率を計算し、各層における差の比率と予め設定された各層における重みづけとの積の総和を計算し、その値を100点から引くことによって評価する演算処理を行った。
【００２４】
上記の演算処理により得られた評価結果については、評価レポートとして出力した。図８は、学生が作製した模型歯の形状を、本発明の装置及び評価システムを用いて評価した際の結果を示す評価レポートの具体例であり、100点満点とした点数と共に、切削過剰及び切削不足の箇所が図示されている。
そして、本発明の歯科実習用評価システムの場合には、実習生の技能レベルに応じた評価パラメータを予め設定しておくことによって、評価の最適化を図ることができた。又、上記装置を用いて、支台形成された模型歯について評価を行った場合も、同様の効果が得られた。
本発明のポイントレーザー方式による装置を用いて取得された計測データは、図９に示されるように、従来のラインレーザー方式による装置を用いて取得された計測データに比べて、模型歯表面の微細な凹凸形状まで表現され、しかも、本発明の装置の場合には、装置駆動部を小さく設計することができるため、装置全体の体積も小さくすることが可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の歯科実習用評価装置は、実習により作製された模型歯の形状を客観的かつ定量的に評価するのに有用であり、本発明の歯科実習用評価システムを用いることによって、簡単な処理で、模型歯の形状が客観的かつ定量的に評価できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  レーザ変位計
２  第１モーター
３  第１ロータリーエンコーダ
４  ボールネジ
５  模型歯固定台
６  第２モーター
７  第２ロータリーエンコーダ
８  模型歯
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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