專利名稱：顱骨三維模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顱骨三維模型構(gòu)建方法，特別是人類顱骨三維模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：
人類顱骨三維模型的構(gòu)建，是口腔醫(yī)學(xué)中一種重要的研究手段。
文獻(xiàn)“X線片的顱頜骨特征點(diǎn)的三維確定，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，Vol.18(1)，p89-93”公開了一種利用X線片確定顱頜骨特征點(diǎn)的方法。該方法根據(jù)立體頭影測(cè)量的原理，針對(duì)顱頜骨特征點(diǎn)，在頭顱正位、側(cè)位定位片的基礎(chǔ)上增加2張斜位定位片，以側(cè)位定位片為0°，拍攝0°，45°，90°和135°4張X線頭顱定位片。每次選取特征點(diǎn)顯影最佳的2張，分別確定特征點(diǎn)的二維坐標(biāo)并且對(duì)每對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，然后從中重構(gòu)出顱頜骨的特征點(diǎn)。但是此方法使用圖像處理的方法來獲取4張X線片上的特征點(diǎn)，無法保證每個(gè)點(diǎn)在所有X線片上的投影是一一對(duì)應(yīng)的；由于4張X線片并非正交關(guān)系，難以保證它們中心轉(zhuǎn)軸一致，而特征點(diǎn)重建質(zhì)量受拍攝中心轉(zhuǎn)軸的偏移影響較大；僅能重構(gòu)出少量特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，無法得到完整顱骨的三維模型。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)無法得到完整的顱骨三維模型的不足，本發(fā)明提供一種顱骨三維模型構(gòu)建方法，采用三張正交X線片圖像，通過耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)對(duì)正交X片圖像進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)兩組耳眼眶平面點(diǎn)對(duì)顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行縮放來獲得顱骨初始模型，再根據(jù)初始模型特征點(diǎn)和實(shí)際特征點(diǎn)采用基于徑向基函數(shù)的形變算法進(jìn)行顱骨模型的構(gòu)建，可以得到完整的顱骨三維模型。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種顱骨三維模型構(gòu)建方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟 (a)用激光三維掃描儀對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顱骨進(jìn)行三維掃描，分別掃描顱骨的正位和左右側(cè)45°三張三維圖像，將圖像數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，通過對(duì)圖像進(jìn)行處理、定標(biāo)，合成為完整的顱骨三維數(shù)據(jù)模型，在該顱骨的三維數(shù)據(jù)模型上，依次拾取所需要的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)，得到標(biāo)準(zhǔn)模型的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)，完成顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板的建立； (b)在受試者面部鼻尖處粘貼一個(gè)鉛點(diǎn)，分別采集受試者正位、左側(cè)位和顱頂頦底位相互正交的三張X光頭顱定位片圖像，利用X線片圖像上耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，對(duì)X光頭顱定位片圖像進(jìn)行標(biāo)定，分別拾取耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)在三個(gè)方向上的投影，得到耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式，計(jì)算出左側(cè)位片中標(biāo)尺投影上兩個(gè)點(diǎn)圖像空間的像素距離，確定顱骨的實(shí)際大?。? (c)在步驟(a)建立的顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板上，拾取其耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，以步驟(b)采集的正交X光頭顱定位片圖像上耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)重合時(shí)的變換矩陣，并利用變換矩陣對(duì)顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板三維數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到受試者的顱骨初始三維數(shù)據(jù)模型和初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)； (d)將受試者的初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)分別在X、Y和Z方向投影，將三個(gè)方向的投影點(diǎn)分別映射到標(biāo)定后的三張X光頭顱定位片圖像上，構(gòu)建出受試者實(shí)際的特征點(diǎn)，根據(jù)公式 di＝Pi-Qi 計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的位移di，式中Pi為實(shí)際特征點(diǎn)，Qi為初始特征點(diǎn)；通過計(jì)算N個(gè)已知特征點(diǎn)的位移，構(gòu)造一個(gè)插值函數(shù)di＝f(Pi)，i＝1，...N，采用徑向基函數(shù)來構(gòu)造插值函數(shù)，通過解方程組以矩陣形式可表示為λikAij＝fk，其中Aij＝φ(‖Pi-Pj‖)，fk(Pi)＝Pi-Qj，通過解線性方程組求得λik在計(jì)算出λik后，利用插值函數(shù)，將初始特征點(diǎn)的每個(gè)頂點(diǎn)代入徑向基函數(shù)中，求出其它非特征點(diǎn)的位移，計(jì)算出實(shí)際模型中每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的新坐標(biāo)，構(gòu)建出顱骨三維數(shù)據(jù)模型。
本發(fā)明的有益效果是由于采用三張正交X線片圖像，通過調(diào)整特征點(diǎn)，得到了精確的顱骨實(shí)際的三維特征點(diǎn)；根據(jù)兩組耳眼眶平面點(diǎn)對(duì)顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行縮放來獲得顱骨初始模型，使用初始模型特征點(diǎn)和實(shí)際特征點(diǎn)，采用基于徑向基函數(shù)的形變算法進(jìn)行顱骨模型的構(gòu)建，得到了完整的顱骨三維模型。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。



附圖是本發(fā)明顱骨三維模型構(gòu)建方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 參照附圖，本實(shí)施例針對(duì)某男性青年，年齡22歲，軟組織直面型，左右對(duì)稱，面部形態(tài)無異常且無正畸、正頜及外傷史進(jìn)行顱部硬組織三維構(gòu)建。具體步驟如下 第一步，用激光三維掃描儀，采用高保質(zhì)掃描方式，對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顱骨進(jìn)行三維掃描，分別掃描顱骨的正位和左右側(cè)45°三張三維圖像，掃描過程中保持顱骨水平端正，這樣可以保證獲得的顱骨圖像是端正的。將這三張圖像數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，通過運(yùn)行掃描儀自帶軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理合成為一個(gè)完整的顱骨三維數(shù)據(jù)模型。
對(duì)獲得的顱骨三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行定標(biāo)。在顱骨三維數(shù)據(jù)模型上拾取耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，包括左右耳點(diǎn)和左右眼眶點(diǎn)，計(jì)算左右耳點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo)，由這個(gè)坐標(biāo)值構(gòu)造一個(gè)平移矩陣，對(duì)顱骨三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行平移，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，使得耳眼眶平面位于坐標(biāo)軸XOZ平面上，且左右耳點(diǎn)在X軸上，且關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱，平面四個(gè)點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)近似為0，這樣就完成了對(duì)顱骨三維數(shù)據(jù)模型的定標(biāo)，得到顱骨的標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)模型。
預(yù)先確定所需要的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)和特征點(diǎn)選擇的順序，在完成定標(biāo)的顱骨的標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)模型上，依次拾取這些特征點(diǎn)，得到標(biāo)準(zhǔn)模型的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)，完成顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板的建立。
第二步，在受試者面部鼻尖處粘貼一個(gè)鉛點(diǎn)，然后將受試者面部固定在頭顱定位儀中進(jìn)行X光攝影，分別采集正位、左側(cè)位和顱頂頦底位三張X光頭顱定位片，這三張圖像相互正交。
對(duì)采集的X線片圖像，進(jìn)行基本圖像增強(qiáng)處理。根據(jù)X線片圖像的視覺效果，采用直方圖均衡化、對(duì)比度和亮度調(diào)節(jié)的方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)。還可對(duì)圖像進(jìn)行反色處理，使圖像的特征清晰、易于辨識(shí)，達(dá)到最佳的視覺效果。
利用X線片圖像上耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，在坐標(biāo)系中對(duì)每幅圖像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)調(diào)整，使得正位片圖像中的犁狀孔投影位于Y軸、耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的投影位于X軸，使得側(cè)位片中左右耳點(diǎn)投影位于原點(diǎn)，左右眼眶點(diǎn)的投影位于Z軸，顱頂頦底位片圖像中犁狀孔投影位于Y軸。然后利用三張X線片的正交性質(zhì)，確定鉛點(diǎn)在顱頂頦底位片圖像上投影坐標(biāo)是惟一的，完成三張X線片圖像的標(biāo)定。
在完成標(biāo)定的三張正交X線片圖像上，分別拾取耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，根據(jù)這三幅X線片圖像是正交的關(guān)系，而拾取的三組點(diǎn)為三維空間中耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)在三個(gè)方向上的投影，根據(jù)這個(gè)原理可直接得到耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
利用側(cè)位X光片圖像存在的標(biāo)尺，拾取標(biāo)尺上表示1cm的兩個(gè)點(diǎn)P1、P2，設(shè)這兩個(gè)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)分別為X1、Y1和X2、Y2，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式計(jì)算出這兩個(gè)點(diǎn)圖像空間的像素距離，即得到了實(shí)際空間中1cm代表的圖像空間的像素距離，即確定了顱骨的實(shí)際大小。
第三步，導(dǎo)入顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板的三維數(shù)據(jù)模型和該標(biāo)準(zhǔn)模板所對(duì)應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)。在這個(gè)顱骨三維數(shù)據(jù)模型上，拾取其耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，以正交X線片圖像耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模板耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)重合時(shí)的變換矩陣。利用這個(gè)變換矩陣對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板三維數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到受試者的顱骨的初始三維數(shù)據(jù)模型；同理利用這個(gè)變換矩陣對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)進(jìn)行變換，得到受試者的初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)。
第四步，將受試者的初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)分別在X、Y和Z方向投影，將三個(gè)方向的投影點(diǎn)分別映射到標(biāo)定后的三張X線片圖像上。觀察每幅圖像上映射的特征點(diǎn)是否與圖像上該特征點(diǎn)的位置重合，對(duì)于不重合的特征點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使得映射特征點(diǎn)與圖像實(shí)際特征點(diǎn)的位置重合?；谡蝗晥D的原理，對(duì)調(diào)整過后的所有圖像特征點(diǎn)構(gòu)建出受試者實(shí)際的特征點(diǎn)。
根據(jù)這兩組初始特征點(diǎn)和實(shí)際的特征點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的位移di＝Pi-Qi，其中Pi為實(shí)際的特征點(diǎn)，Qi為初始模板的特征點(diǎn)。通過計(jì)算N個(gè)已知特征點(diǎn)的位移，構(gòu)造一個(gè)插值函數(shù)di＝f(Pi)，i＝1，...N，采用徑向基函數(shù)來構(gòu)造插值函數(shù)。給定N個(gè)特征點(diǎn)，設(shè)一點(diǎn)P的三維坐標(biāo)為x、y、z，則徑向基函數(shù)的插值函數(shù)形式可表示為式中fk為徑向基函數(shù)，P為對(duì)應(yīng)網(wǎng)格頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，Pi對(duì)應(yīng)于模型特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，λik為特征點(diǎn)Pi的權(quán)值，φ(r)為基函數(shù)，選擇高斯函數(shù)作為基函數(shù)，N為特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)，‖P-Pi‖為計(jì)算P-Pi的歐氏范數(shù)。
由實(shí)際特征點(diǎn)和初始模型特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)已知，為了求得插值函數(shù)中特征點(diǎn)的權(quán)值系數(shù)λik，通過解方程組以矩陣形式可表示為λikAij＝fk，其中Aij＝φ(‖Pi-Pj‖)，fk(Pi)＝Pi-Qj，通過解線性方程組求得λik。
在計(jì)算出λik后，利用這個(gè)插值函數(shù)，將初始模型上的每個(gè)頂點(diǎn)代入徑向基函數(shù)中，求出其它非特征點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際模型中每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的新坐標(biāo)，構(gòu)建出顱骨三維數(shù)據(jù)模型。
權(quán)利要求
1.一種顱骨三維模型構(gòu)建方法，其特征在于包括以下步驟
(a)用激光三維掃描儀對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顱骨進(jìn)行三維掃描，分別掃描顱骨的正位和左右側(cè)45°三張三維圖像，將圖像數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，通過對(duì)圖像進(jìn)行處理、定標(biāo)，合成為完整的顱骨三維數(shù)據(jù)模型，在該顱骨的三維數(shù)據(jù)模型上，依次拾取所需要的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)，得到標(biāo)準(zhǔn)模型的解剖結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)，完成顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板的建立；
(b)在受試者面部鼻尖處粘貼一個(gè)鉛點(diǎn)，分別采集受試者正位、左側(cè)位和顱頂頦底位相互正交的三張X光頭顱定位片圖像，利用X線片圖像上耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，對(duì)X光頭顱定位片圖像進(jìn)行標(biāo)定，分別拾取耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)在三個(gè)方向上的投影，得到耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式，計(jì)算出左側(cè)位片中標(biāo)尺投影上兩個(gè)點(diǎn)圖像空間的像素距離，確定顱骨的實(shí)際大小；
(c)在步驟(a)建立的顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板上，拾取其耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，以步驟(b)采集的正交X光頭顱定位片圖像上耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板耳眼眶平面四個(gè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)重合時(shí)的變換矩陣，并利用變換矩陣對(duì)顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板三維數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到受試者的顱骨初始三維數(shù)據(jù)模型和初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)；
(d)將受試者的初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)分別在X、Y和Z方向投影，將三個(gè)方向的投影點(diǎn)分別映射到標(biāo)定后的三張X光頭顱定位片圖像上，構(gòu)建出受試者實(shí)際的特征點(diǎn)，根據(jù)公式
di＝Pi-Qi
計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)的位移di，式中Pi為實(shí)際特征點(diǎn)，Qi為初始特征點(diǎn)；通過計(jì)算N個(gè)已知特征點(diǎn)的位移，構(gòu)造一個(gè)插值函數(shù)di＝f(Pi)，i＝1，...N，采用徑向基函數(shù)來構(gòu)造插值函數(shù)，通過解方程組以矩陣形式可表示為λikAij＝fk，其中Aij＝φ(‖Pi-Pj‖)，fk(Pi)＝Pi-Qj，通過解線性方程組求得λik；在計(jì)算出λik后，利用插值函數(shù)，將初始特征點(diǎn)的每個(gè)頂點(diǎn)代入徑向基函數(shù)中，求出其它非特征點(diǎn)的位移，計(jì)算出實(shí)際模型中每個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的新坐標(biāo)，構(gòu)建出顱骨三維數(shù)據(jù)模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顱骨三維模型構(gòu)建方法，通過采集受試者正位、左側(cè)位和顱頂頦底位相互正交的三張X光頭顱定位片圖像，利用X線片圖像上耳眼眶平面的四個(gè)點(diǎn)，對(duì)X光頭顱定位片圖像進(jìn)行標(biāo)定；根據(jù)兩組耳眼眶平面點(diǎn)對(duì)顱骨標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行縮放來獲得受試者顱骨初始三維數(shù)據(jù)模型和初始特征點(diǎn)三維坐標(biāo)；再根據(jù)初始特征點(diǎn)和受試者實(shí)際特征點(diǎn)采用基于徑向基函數(shù)的形變算法進(jìn)行受試者顱骨模型的構(gòu)建，得到了完整的顱骨三維模型。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101216953SQ20081001722
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者張艷寧, 施建宇, 洪 周, 翟培芳, 孫瑾秋, 郗潤(rùn)平 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)