一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法，包括以下步驟：獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像；將牙齒圖像與牙槽骨圖像分離，并將牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D圖像；用球形包圍的方法確定感興趣區域：以待分析磨牙的根分叉中心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r，調整球形包圍的中心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，最終將感興趣區域及感興趣區域內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域的總體積、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積、骨表面積，并據此計算出感興趣區域內牙槽骨的骨小梁數目、骨小梁厚度、骨小梁分離度和結構模型指數。
【專利說明】-種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法及裝 CP3
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機輔助評估牙槽骨領域，具體而言，涉及一種Micro-CT圖像分析 量化評估磨牙牙周炎余留牙槽骨的方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 牙槽骨（alveolar bone)也稱為牙槽突（alveolar process)，是上下頜骨包圍和 支持牙根的部分。牙槽骨的吸收是牙周炎的主要表現和診斷標準，牙槽骨吸收主要表現在 牙槽骨高度的降低和牙槽骨密度減少。由于牙槽骨內、外骨板均由骨密質構成，中間夾以骨 松質，牙槽骨唇、頰側骨板較薄，且有多數小孔通向其內的骨松質。因此牙槽骨是非均勻的， 是含氣的多孔結構，而且其骨密度很接近牙齒結構，所以在評價牙槽骨吸收時，如何量化牙 槽骨是非常困難的。
[0003] 很多學者用Micro-CT (micro computed tomography,微計算機斷層掃描技術）評 估實驗性牙周炎的牙槽骨吸收情況。目前應用Micro-CT圖像分析牙槽骨時，是按照密度進 行評估的。但是牙根與牙槽骨的密度又非常接近，常規Micro-CT圖像操作對此自動識別能 力又比較差；如果手動方法進行人為識別，又會費時費力，并且存在較大人為誤差。如：
[0004] 采用2D線性分析的方法評估牙槽骨吸收，與組織切片類似，需要選取很多張結 構清晰、標志點全面的2D切片進行測量，操作復雜繁瑣，相對精確度差（Lu Sh eng-Hua， Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine, 2013 ；Suda,Infection and immunity, 2013等）。還有學者用Micro-CT，掃描實驗性牙周炎的頜骨標本，進行牙槽骨吸 收的3D體積分數評估。該方法的3D感興趣區域（ROI)邊界是在2D切片上先進行定點， 然后3D重建之后進行體積參數分析；但是以上述及的解剖標志點，不能在同一張2D切片 上全部顯示出來，這樣定點就會存在困難和誤差，而且工作量大，實際操作比較困難，重復 性和準確性都不高（（iuimarSes，Journal of periodontal research，2011;Trombettae， Journal of dental research, 2011 ；Bak, Journal of periodontology, 2010 等）。而密 歇根大學Park等在2007年提出評估實驗性牙周炎2D及3D牙槽骨吸收的手動方法，相對 準確，有一定的可重復性，但是程序繁瑣，自動化程度低，實際可操作性較差（Park，Journal of per iodontology,2007)〇
[0005] 所以，研究探討一種準確具有高度重復性且自動化程度高的方法，對評估牙槽骨 吸收情況具有指導性意義。
【發明內容】
[0006] 本發明提供一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法及裝置，用以評 估牙周炎牙槽骨余留量，克服現有技術的缺點，提供一種可靠、準確、可重復的Micro-CT圖 像分析方法。
[0007] 為達到上述目的，本發明提供了一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的 方法，包括以下步驟：
[0008] Sl :獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像；
[0009] S2 :以待分析磨牙的根分叉、根尖孔作為標志點選取感興趣區域，具體步驟為：
[0010] S21 :調整所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值（Threshold)后，進行牙齒 圖像與牙槽骨圖像的分離，具體為：通過對所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像邊緣進行 消蝕（Erode)調整，利用區域增長（Region Growing)方法標記牙齒圖像，通過布爾運算 (Boolean Operations)提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的牙槽骨圖像膨脹（Dilate) 到消蝕前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像；
[0011] S22 :將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D圖像；
[0012] S23 :用球形包圍（Sphere)的方法確定感興趣區域的位置，以待分析磨牙的根分 叉中心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r，調整球形包圍 的中心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該球形包圍區域即為感 興趣區域；
[0013] S3 :將感興趣區域進行3D運算，得到3D的球形包圍區域的總體積TV ;將感興趣區 域內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV、骨表面積BS ; 根據球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及骨表面積BS，計算 出感興趣區域內的牙槽骨骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度Tb. Sp和結構 模型指數SMI。
[0014] 其中，計算骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度Tb. Sp和結構模型 指數SMI的公式是：
[0015] Tb. Th = 2BV/BS ；
[0016] Tb. N = BS/2TV ；
[0017] Tb. Sp = 2 (TV-BV) /BS ；
[0018] SMI = [BV(dBS/dr)]/BS2。
[0019] 本發明還提供一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的裝置，包括：
[0020] 圖像獲取模塊，用于獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像；
[0021] 感興趣區域劃定模塊，用于以待分析磨牙的根分叉、根尖孔作為標志點選取感興 趣區域；所述感興趣區域劃定模塊包括分離模塊、牙齒3D運算模塊、感興趣區域3D化模塊， 其中：
[0022] 所述分離模塊，用于調整所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值 (Threshold)，進行牙齒圖像與牙槽骨圖像的分離，具體為：通過對所述牙槽骨與牙齒的 Micro-CT圖像邊緣進行消蝕（Erode)調整，利用區域增長（Region Growing)方法標記牙齒 圖像，通過布爾運算（Boolean Operations)提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的牙槽 骨圖像膨脹（Dilate)到消蝕前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像；
[0023] 所述牙齒3D運算模塊，用于將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D 圖像；
[0024] 所述感興趣區域3D化模塊，用球形包圍（Sphere)的方法確定感興趣區域的位置， 以待分析磨牙的根分叉中心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形 半徑r，調整球形包圍的中心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該 球形包圍區域即為感興趣區域；
[0025] 感興趣區域3D運算模塊：將感興趣區域進行3D運算，得到球形包圍區域的總體 積TV;將感興趣區域內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積 BV、骨表面積BS ;根據球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及 骨表面積BS，計算出感興趣區域內的牙槽骨骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分 離度Tb. Sp和結構模型指數SMI。
[0026] 與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：
[0027] 本發明提供一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法及裝置，應 用區域增長的標記功能，依據像素連續性的特點，能準確分離感興趣區域（Region of Interest，R0I)內的牙齒圖像和牙槽骨圖像；并且選取客觀的解剖學標志點，例如根分叉、 根尖孔等進行定點，選取R0I，可以進行余留牙槽骨的標準化數據分析，操作簡便，準確性、 可重復性好，3D分析方法高效省時（預期分析一個樣本用時15?20min)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0029] 圖1為本發明一實施例的Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法實現的 流程圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031] 如圖1所示，為本發明一實施例的Micro-CT圖像分析量化評估磨牙（包括第一磨 牙、第二磨牙、第三磨牙）牙槽骨的方法實現的流程圖。本發明提供的一種Micro-CT圖像 分析量化評估磨牙牙槽骨的方法，包括以下步驟：
[0032] 在本發明的一個實施例中，利用C57小鼠牙槽骨與牙齒組織的Micro-CT圖像，修 剪（Crop)掉多余組織的圖像，獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像。
[0033] 調整所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值（Threshold)后，進行牙齒圖像與 牙槽骨圖像的分離，具體為：對所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像邊緣進行消蝕（Erode) 調整，利用區域增長（Region Growing)方法標記牙齒圖像，通過布爾運算（Boolean Operations)提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的牙槽骨圖像膨脹（Dilate)到消蝕 (Erode)前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像；
[0034] 將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D圖像；
[0035] 用球形包圍（Sphere)的方法確定感興趣區域的位置：以待分析磨牙的根分叉中 心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r，調整球形包圍的中 心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該球形包圍區域即為感興趣 區域；
[0036] 將感興趣區域進行3D運算，得到3D的球形包圍區域的總體積TV ;將感興趣區域 內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV、骨表面積BS ;根 據球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及骨表面積BS，計算出 感興趣區域內的牙槽骨骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度Tb. Sp和結構模 型指數SMI。
[0037] 在本發明的一個實施例中，計算骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離 度Tb. Sp和結構模型指數SMI的公式是：
[0038] Tb. Th = 2BV/BS ；
[0039] Tb. N = BS/2TV ；
[0040] Tb. Sp = 2 (TV-BV) /BS ；
[0041] SMI = [BV(dBS/dr)]/BS2 ;其中dBS/dr表示骨表面積對球形包圍的半徑r求微分。
[0042] 本發明還提供一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的裝置，包括：
[0043] 圖像獲取模塊，用于獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像；
[0044] 感興趣區域劃定模塊，用于以待分析磨牙的根分叉、根尖孔作為標志點選取感興 趣區域；所述感興趣區域劃定模塊包括分離模塊、牙齒3D運算模塊、感興趣區域3D化模塊， 其中：
[0045] 所述分離模塊，用于調整所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值 (Threshold)，對牙齒圖像與牙槽骨圖像進行分離，具體為：通過對所述牙槽骨與牙齒的 Micro-CT圖像邊緣進行消蝕（Erode)調整，利用區域增長（Region Growing)標記牙齒圖 像，通過布爾運算（Boolean Operations)提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的牙槽骨 圖像膨脹（Dilate)到消蝕前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像；
[0046] 所述牙齒3D運算模塊，用于將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D 圖像；
[0047] 所述感興趣區域3D化模塊，用球形包圍的方法確定感興趣區域的位置，選擇待分 析磨牙的根分叉中心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r， 調整球形包圍的中心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該球形包 圍區域即為感興趣區域；
[0048] 感興趣區域3D運算模塊：將感興趣區域進行3D運算，得到球形包圍區域的總體 積TV;將感興趣區域內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積 BV、骨表面積BS ;根據球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及 骨表面積BS，計算出感興趣區域內的牙槽骨骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分 離度Tb. Sp和結構模型指數SMI。
[0049] 將本發明一個實施例的3D分析牙槽骨的量化結果用2D分析的數據進行線性回歸 驗證，得到的的結果是R 2X). 996,兩者結果趨于一致性，說明了本方法得到的結果準確性。
[0050] 本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或 流程并不一定是實施本發明所必須的。
[0051] 本領域普通技術人員可以理解：實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分 布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上 述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
[0052] 最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然 可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換； 而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和范 圍。
【權利要求】
1. 一種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像； 52 :以待分析磨牙的根分叉、根尖孔作為標志點選取感興趣區域，具體步驟為： 521 :調整所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值后，進行牙齒圖像與牙槽骨圖像 的分離，具體為：通過對所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的邊緣進行消蝕調整，利用區 域增長方法標記牙齒圖像，通過布爾運算提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的牙槽骨 圖像膨脹到消蝕前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像； 522 :將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D圖像； 523 :用球形包圍的方法確定感興趣區域的位置：以待分析磨牙的根分叉中心點到近 中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r，調整球形包圍的中心至待分 析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該球形包圍區域即為感興趣區域； 53 :將感興趣區域進行3D運算，得到3D的球形包圍區域的總體積TV ;將感興趣區域內 的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV、骨表面積BS ;根據 球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及骨表面積BS，計算出感 興趣區域內牙槽骨的骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度Tb. Sp和結構模型 指數SMI。
2. 如權利要求1所述的Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的方法，其特征在于， 其中計算骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度Tb. Sp和結構模型指數SMI的 公式是： Tb.Th = 2BV/BS ； Tb. N = BS/2TV ； Tb.Sp = 2 (TV-BV)/BS ； SMI = [BV(dBS/dr)]/BS2。
3. -種Micro-CT圖像分析量化評估磨牙牙槽骨的裝置，其特征在于，包括： 圖像獲取模塊，用于獲取包含待分析磨牙的牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像； 感興趣區域劃定模塊，用于以待分析磨牙的根分叉、根尖孔作為標志點選取感興趣區 域；所述感興趣區域劃定模塊包括分離模塊、牙齒3D運算模塊、感興趣區域3D化模塊，其 中： 所述分離模塊，用于調整牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像的閾值后，進行牙齒圖像與牙 槽骨圖像的分離，具體為：通過對所述牙槽骨與牙齒的Micro-CT圖像邊緣進行消蝕調整， 利用區域增長方法標記牙齒圖像，通過布爾運算提取牙槽骨圖像，將消蝕過程中調整過的 牙槽骨圖像膨脹到消蝕前的相應像素水平，從而分離牙齒圖像與牙槽骨圖像； 所述牙齒3D運算模塊，用于將分離出來的牙齒圖像進行3D運算，得到牙齒的3D圖像； 所述感興趣區域3D化模塊，用球形包圍的方法確定感興趣區域，以待分析磨牙的根分 叉中心點到近中根根尖孔中心點距離的平均值，作為球形包圍的球形半徑r，調整球形包圍 的中心至待分析磨牙的根分叉中心處，將2D的球形包圍區域3D化，該球形包圍區域即為感 興趣區域； 感興趣區域3D運算模塊：將感興趣區域進行3D運算，得到球形包圍區域的總體積TV ; 將感興趣區域內的牙槽骨圖像進行3D運算，得到感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV、骨 表面積BS ;根據球形包圍區域的總體積TV、感興趣區域內牙槽骨的骨小梁體積BV及骨表 面積BS，計算出感興趣區域內牙槽骨的骨小梁數目Tb. N、骨小梁厚度Tb. Th、骨小梁分離度 Tb. Sp和結構模型指數SMI。
【文檔編號】G06T17/00GK104240241SQ201410452800
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】林江, 張旭, 劉雪飛 申請人:哈爾濱醫科大學