專(zhuān)利名稱(chēng)：基于曲面斷層片的三維牙齒重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及口腔臨床醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種三維牙齒重建方 法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，在獲取三維牙齒方面已有相關(guān)研究工作。使用CT掃描設(shè)備、激光掃描以及 口內(nèi)照相都可進(jìn)行三維重建。美國(guó)OrthoCAD公司采用層析技術(shù)獲取牙頌?zāi)Ｐ?；GeoDigm公 司開(kāi)發(fā)eModel系統(tǒng)，基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)掃描儀獲取三維牙齒。使用三維激光掃描設(shè)備可以獲 取較高精度的牙齒細(xì)節(jié)，高速的線激光設(shè)備已經(jīng)用于獲取特定病人的數(shù)字化牙齒模型，激 光掃描獲取的牙齒模型在臨床頌面手術(shù)中已獲得應(yīng)用。結(jié)合牙齒的數(shù)字化石膏模型和三維 人臉可測(cè)量牙頌手術(shù)對(duì)于面部形態(tài)的影響，但是由于牙根隱藏在牙床內(nèi)部，激光掃描獲取 的牙頌?zāi)Ｐ筒话栏男螤钚畔ⅲ蚨鴥H使用激光掃描不能獲取患者的完整牙齒幾何模 型，但是在牙齒矯正過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間相互關(guān)系對(duì)矯正具有重要影響。完整牙頌的建模當(dāng)前主要依賴于CT (Computerized Tomography)。傳統(tǒng)CT由于劑 量大而無(wú)法為口腔正畸醫(yī)師接受。隨著CT技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)的微型CT，例如錐形束CT (Cone beamCT, CBCT)，以錐束射線替代傳統(tǒng)扇形射線，以單次旋轉(zhuǎn)完成整個(gè)頭部掃描，可以獲取口 頌部位的體圖像數(shù)據(jù)，相對(duì)射線劑量較低。但是CBCT是否可以作為口腔臨床常規(guī)項(xiàng)目，目 前國(guó)際正畸學(xué)科沒(méi)有給出定論。與三維激光掃描獲取的數(shù)字模型相比，CT重建的三維模型 分辨率較低。該問(wèn)題對(duì)于較小尺寸的牙齒就更加嚴(yán)重，在CT圖像數(shù)據(jù)重建的牙齒模型中上 下頌牙齒會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，不利于構(gòu)造精確三維牙齒。同時(shí)牙根尖等精細(xì)部位不易重建，自 動(dòng)區(qū)分牙根和牙槽骨存在難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)特定病人的牙齒建模，有研究者使用CT圖像構(gòu)造 三維牙齒作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，通過(guò)主成分分析構(gòu)造牙齒的形狀空間。利用基形狀的線性組合 近似患者掃描的牙冠石膏模型。但是，該方法獲取的牙根形狀、牙軸方向并不能保證和患者 一致。全口曲面斷層片是臨床牙科診斷中的一個(gè)例行的檢測(cè)手段。牙根的輪廓在圖像中 清晰可見(jiàn)。已有研究者提出了X光片特征提取以及牙齒的形狀匹配方法，用于身份辨別。但 是X光片中并不包含深度信息。結(jié)合其它模態(tài)的數(shù)據(jù)，X光片可用于輔助構(gòu)造個(gè)性化牙齒 模型。在牙齒模板三維空間和X光片的牙根輪廓上交互地選擇控制點(diǎn)集合，該控制點(diǎn)集被 用于訓(xùn)練徑向基函數(shù)(RBF)。訓(xùn)練得到的RBF網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)牙齒模型平滑變形。該工作僅考 慮特定牙齒的三維重建，沒(méi)有考慮不同形態(tài)的牙齒在全口曲面斷層圖像上的成像特點(diǎn)以及 對(duì)應(yīng)的三維重建。同時(shí)使用二維的X光片約束特定病人的三維牙齒建模仍然存在不準(zhǔn)確的 問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，對(duì)不同形態(tài)的牙齒在全口曲面斷層圖像上的成像 特點(diǎn)進(jìn)行建模，重建滿足曲面斷層圖像中輪廓約束的三維牙齒，同時(shí)重建的牙齒具有特定病人的幾何細(xì)節(jié)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于曲面斷層圖像成像原理，約束三維牙齒的根軸方 向和輪廓形狀，同時(shí)基于三維網(wǎng)格的非剛性變形保證重建三維牙齒的牙冠部分具有病人特 定的幾何細(xì)節(jié)。本發(fā)明提供的方法包括如下步驟(流程參見(jiàn)

圖1)1)仿真曲面斷層圖像采集，建立成像面與數(shù)字化的三維石膏牙冠模型的一致坐標(biāo) 系；2)基于模板擬合的方法在坐標(biāo)系中放置三維牙齒模型；3)基于稠密徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)約束模板牙齒的牙冠部分進(jìn)行變形，使之與病人牙齒
一致；4)基于光線投影和平面假設(shè)，使用曲面斷層圖像中的牙根輪廓約束牙根變形。所述步驟1)的實(shí)現(xiàn)方法為a)獲取曲面斷層圖像；b)依據(jù)曲面斷層圖像采集過(guò)程定義坐標(biāo)系；c)定義在三維牙列和曲面斷層圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的映射函數(shù)；d)求解最優(yōu)的剛性變換T，估計(jì)病人在曲面斷層圖像采集時(shí)的頭部姿態(tài)，以及三 維牙齒的位置；e)對(duì)數(shù)字化的石膏牙冠施加變換T后，牙冠上的所有點(diǎn)投射在成像面上，做到與 曲面斷層圖像一致。所述步驟2)的實(shí)現(xiàn)方法為將每顆模板牙齒模型進(jìn)行獨(dú)立的剛性變換，使得牙冠 部分和病人的數(shù)字化石膏牙冠差異最小。所述步驟3)的實(shí)現(xiàn)方法為a)分割病人的數(shù)字化石膏牙冠模型，使得牙冠和牙齦分離；將牙冠輪廓上的頂點(diǎn) 沿法線方向移動(dòng)，直到和三維模板牙齒相交，記相交點(diǎn)在模板牙齒模型上構(gòu)成的閉合輪廓 為Bt;Bt將模板牙齒模型分割為可見(jiàn)的牙冠和不可見(jiàn)的牙根，使用采樣的牙冠頂點(diǎn)在石 膏模型和牙齒模板上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集訓(xùn)練徑向基函數(shù)回歸模型f。，滿足x。= fc(xt)其中xt￡Xf'OBtU B^c f= If U Bc U B[.b)將回歸模型應(yīng)用在Bt’為邊界的所有牙冠頂點(diǎn)，進(jìn)行非剛性變形，將三維模板牙 齒變形以具有特定病人的牙冠幾何細(xì)節(jié)。所述步驟4)的實(shí)現(xiàn)方法為a)在模板牙根模型中尋找候選的邊界點(diǎn)集合；b)基于點(diǎn)集擬合得到牙根輪廓的參考平面& ；c)沿著射影光線將X廣反向投影到三維空間獲取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集；d)牙根輪廓對(duì)應(yīng)點(diǎn)集<°"和夂；^作為變形的控制點(diǎn)集，使用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 牙根變形函數(shù)fr，滿足 f人d .e)基于變形后的牙根輪廓模型，可以方便得到牙根軸的角度
權(quán)利要求
一種基于曲面斷層片的三維牙齒重建方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)仿真曲面斷層圖像采集，建立成像面與數(shù)字化的三維石膏牙冠模型的一致坐標(biāo)系；2)基于模板擬合的方法在坐標(biāo)系中放置三維牙齒模型；3)基于稠密徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)約束模板牙齒的牙冠部分進(jìn)行變形，使之與病人牙齒一致；4)基于光線投影和平面假設(shè)，使用曲面斷層圖像中的牙根輪廓約束牙根變形。
2.如權(quán)利要求1所述的三維牙齒重建方法，其特征在于，所述步驟1)的實(shí)現(xiàn)方法為a)獲取曲面斷層圖像；b)依據(jù)曲面斷層圖像采集過(guò)程定義坐標(biāo)系；c)定義在三維牙列和曲面斷層圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的映射函數(shù)；d)求解最優(yōu)的剛性變換T，估計(jì)病人在曲面斷層圖像采集時(shí)的頭部姿態(tài)，以及三維牙 齒的位置；e)對(duì)數(shù)字化的石膏牙冠施加變換T后，牙冠上的所有點(diǎn)投射在成像面上，做到與曲面 斷層圖像一致。
3.如權(quán)利要求2所述的三維牙齒重建方法，其特征在于，所述步驟2)的實(shí)現(xiàn)方法為， 將每顆模板牙齒模型進(jìn)行獨(dú)立的剛性變換，使得牙冠部分和病人的數(shù)字化石膏牙冠差異最
4.如權(quán)利要求3所述的三維牙齒重建方法，其特征在于，所述步驟3)的實(shí)現(xiàn)方法為a)分割病人的數(shù)字化石膏牙冠模型，使得牙冠和牙齦分離；將牙冠輪廓上的頂點(diǎn)沿法 線方向移動(dòng)，直到和三維模板牙齒相交，記相交點(diǎn)在模板牙齒模型上構(gòu)成的閉合輪廓為Bt ；b)Bt將模板牙齒模型分割為可見(jiàn)的牙冠和不可見(jiàn)的牙根，使用采樣的牙冠頂點(diǎn)在石膏 模型和牙齒模板上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集訓(xùn)練徑向基函數(shù)回歸模型f。，滿足x。= fc(xt)其中xt € xj UBtU Bl^c € xf U Bc U B'hc)將回歸模型應(yīng)用在Bt’為邊界的所有牙冠頂點(diǎn)，進(jìn)行非剛性變形，將三維模板牙齒變 形以具有特定病人的牙冠幾何細(xì)節(jié)。
5.如權(quán)利要求4所述的三維牙齒重建方法，其特征在于，所述步驟4)的實(shí)現(xiàn)方法為a)在模板牙根模型中尋找候選的邊界點(diǎn)集合；b)基于點(diǎn)集擬合得到牙根輪廓的參考平面&；c)沿著射影光線將夂廣反向投影到三維空間獲取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集；d)牙根輪廓對(duì)應(yīng)點(diǎn)集"和作為變形的控制點(diǎn)集，使用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造牙根 變形函數(shù)f；，滿足足.e)基于變形后的牙根輪廓模型，可以方便得到牙根軸的角度 r -x. -xtip cen, Xcen =其中Xtip是平均的牙根尖位置，是對(duì)應(yīng)牙齒的重心，牙根軸角度定義為牙根軸和Z 軸之間的夾角；f)使用全口曲面斷層圖像中的牙根輪廓約束重建牙齒的牙根形態(tài)，使三維模型的牙根具有特定病人的形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于曲面斷層片的三維牙齒重建方法，屬于口腔臨床醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的方法主要包括仿真曲面斷層圖像采集，建立成像面與數(shù)字化的三維石膏牙冠模型的一致坐標(biāo)系；坐標(biāo)系中放置三維牙齒模型；對(duì)牙冠部分進(jìn)行變形，使之與病人牙齒一致；使用曲面斷層圖像中的牙根輪廓約束牙根變形。本發(fā)明提出的方法可以依據(jù)曲面斷層圖像中牙冠根的投影形態(tài)以及石膏牙冠構(gòu)造特定的三維整體牙齒模型，有效克服了傳統(tǒng)方法中通用模型中的特征缺失，缺乏個(gè)性化的問(wèn)題。同時(shí)基于本方法，避免了CT等放射性設(shè)備的使用，利用現(xiàn)有的曲面斷層圖像數(shù)據(jù)，可重建特定病人的三維完整牙齒幾何信息。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101950430SQ201010289480
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月23日
發(fā)明者姜若萍, 查紅彬, 石福昊, 裴玉茹, 許天民, 陳樺, 魏嘉 申請(qǐng)人:北京大學(xué)