基于數字化模型的牙冠數據提取方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于牙齒模型圖像處理技術領域，特別是一種對數字化牙頌模型中的牙冠 數據自動提取的方法。 技術背景
[0002] 近年來，隨著計算機圖形學與虛擬現實仿真技術的不斷完善和發展，計算機科學 和信息技術日益與現代醫學及其相關技術相互整合并相互滲透。同時，隨著計算機軟硬件 技術、圖像采集與處理技術、=維數字化成像技術等在口腔醫學領域地飛速發展，已使得計 算機技術成為口腔醫學教育、臨床、科研W及基礎建設中的一個重要組成部分。而口腔正崎 學作為口腔醫學領域的一個分支，主要研究牙頌、面、顧=維結構的生長發育W及各種原因 所造成的崎形，如今對牙頌崎形的矯治正面臨著一場數字化的革命，尤其是隨=維數字化 成像與測量技術在口腔正崎診斷、設計、治療和療效預測中越來越廣泛的應用，使得口腔正 崎學越來越朝著計算機化的方向發展，且有很好地發展前景。
[0003] 口腔正崎學是口腔醫學的一個分支學科。正崎治療主要是通過各種矯正裝置來調 整面部骨骼、牙齒及頌面部的神經及肌肉之間的協調性，也就是調整上下頌骨之間、上下牙 齒之間、牙齒與頌骨之間和聯系它們的神經及肌肉之間的不正常的關系，其最終矯治目標 是達到口頌系統的平衡、穩定和美觀。錯頌崎形的矯治主要依靠在牙齒上戴用矯治器，對牙 齒、牙槽骨及頌骨施加適當的生物力，使其產生生理性移動，從而矯治錯頌崎形。
[0004] 牙齒矯治器分為固定矯治器和隱形矯治器兩種，固定矯治器是將正崎托槽粘接固 定在牙冠上，弓絲穿過正崎托槽，通過弓絲來調節矯正的生物力。固定矯治器的缺點在于： 正崎托槽固定在牙冠上，會損傷牙冠釉面，且不易清潔牙齒。正崎托槽若固定于牙冠的頰側 面，造成外表不美觀。正崎托槽若固定于牙冠的舌側面，舌側粘膜又容易損傷。隱形矯治器 則具有外表美觀，牙齒好清潔，不會損傷口腔粘膜的優點，因此隱形矯治器被越來越廣泛地 被應用。
[0005]制作隱形矯治器時，先借助層析掃描技術獲得口腔陰模或石膏陽模進行=維數據 錄入，進行模型的=維重建；重建后的數字化模型可直接在計算機上進行各個方位的旋轉、 觀巧U、放大縮小，可對牙齒、牙弓、基骨等測量項目進行自動測量；在此研究的基礎上，結合 可視化=維圖像處理及=維激光快速成型技術，可W模擬臨床矯治設計和牙齒的移動方式 與步驟，進行可視化=維牙頌崎形的矯治，并將每個矯治階段的=維牙齒模型進行=維快 速激光成形，再在成形的母模上制作每個階段的透明壓膜隱形矯治器。通過計算機實施模 擬牙齒矯正過程中牙冠與牙銀分割的隱形牙齒矯正系統，把病人的牙齒模型讀入到系統 中，對牙齒的形狀、各項參數進行記錄和保存。并且，在計算機上模擬該患者的整個矯正治 療過程，記錄每個階段牙齒的位置變化，根據該些數據設計各個不同階段的隱形矯治器。由 此可見，牙冠和牙銀分割是重要且關鍵的一個部分。其主要目的就是將單個牙冠從牙銀中 提取出來，并且實現牙冠與牙冠之間的分離，最終時間對單個牙齒進行靈活操作的目的，為 后序對牙齒進行移動、排列W及碰撞檢測等工作奠定基礎。
[0006] 現在常用的分離牙冠與牙銀數據的方法是通過計算牙頌=維模型的離散曲率，根 據曲率分布將數字化牙頌模型劃分為不同的分組，從而分割牙銀和牙冠。利用計算離散曲 率的方法來分割牙銀和牙冠的方法存在的缺點是；1、在數學上，=維模型的曲率是定義在 連續曲面上的，而數字化模型一般采用=角形網格或多邊形網格表示，即數字化模型的曲 率是離散的，用估算的離散曲率代替數學上的連續曲率并不合理。2、在將=維模型的曲率 數字化離散的過程中不可避免地會引進噪聲，會使原本估算的曲率更不準確。
【發明內容】
[0007] 為了克服現有的牙冠和牙銀分離方法存在的準確性不高，成功率低的缺點，本發 明提供了一種能夠準確分割牙冠數據和牙銀數據，分割成功率高的基于數字化模型的牙冠 數據提取方法。
[0008] 基于數字化模型的牙冠數據提取方法，包括W下步驟： 1) 、獲取患者的口腔數據，利用患者的口腔數據重建患者的S維牙頌模型，將S維 牙頌模型轉換為數字化牙頌模型，數字化牙頌模型用空間S角網格M=佑時表示，其中 G=(V，E，巧是由頂點集V={vi}、邊集E={(vi，vj)}、S角形面集F={(vi，vj，vk)}組成的連 通圖，且網格模型滿足二維流形性質； 2)、由操作者依次點選數字化牙頌模型上的待分割牙齒，W操作者點擊的點作為當前 被點擊牙齒的中屯、； 3) 、利用PCA(主成分分析）算法，計算整個數字化牙頌模型的最小二乘平面，該最小二 乘平面的法向記為N; 4) 、依次對每個牙齒進行如下操作： (4. 1)過當前牙齒的中屯、和最小二乘平面的法線創建一個基準平面，W基準平面的法 線為基準線；將基準線按時針方向步進式旋轉，基準線每步進一步均與當前牙齒的中屯、創 建一個步進平面；當前步進平面與數字化牙頌模型求交獲得當前步進平面與數字牙頌模型 的交點，該些交點組成當前步進平面與數字化牙頌模型的交線； (4. 2)、W每個交線上的凹點作為特征點，采用雙邊濾波算法，檢測每個交線上的特征 占. '?、、 ? (4. 3)、尋找特征點最少的交線作為種子交線，將該種子交線上的特征點作為種子點； (4. 4)、設置相鄰步進平面上的特征點之間的權值，規則如下： a、 分別W當前步進平面的任意一特征點A與跟其相鄰步進平面的任意一特征點B的距 離作為特征點A-特征點B的權值； b、 處于同一個步進平面上的兩個特征點的權值設為無窮大； C、處于非相鄰步進平面上的兩個特征點的權值設為無窮大； (4. 5)根據圖論中的最短路徑算法(迪杰斯特拉算法)，W種子點為起始點，按時針方向 依次經過每條交線，并W該種子點為終點，尋找種子點繞所有交線一圈形成的最短路徑，該 最短路徑做為牙冠的分割線。
[0009] 進一步，步驟（4. 5)包括： (4. 5. 1)獲取一個種子點作為當前點A; (4. 5. 2)從當前點A開始，按時針方向獲取當前點所在交線的相鄰交線； (4. 5. 3)當前相鄰交線上的特征點為{A，S2，...，A)，分別獲取特征點A-特征點A權 值，特征點馬為當前相鄰交線上的第i個特征點，尋找最小的特征點A-特征點馬權值，記 錄特征點，累加該最小的特征點A-特征點權值獲得當前路徑權值； (4. 5. 4)W特征點Sj'作為新的當前點A，重復步驟（4. 5. 2)- (4. 5. 4)，直到當前點回到 種子點，權值累加的結果為該閉合路徑的路徑權值； (4. 5. 5)判斷該種子點是否其交線上未進行路徑計算的最后一個種子點，若否，則獲取 下一個種子點作為當前點A，重復步驟（4. 5. 2)- (4.5.5); (4. 5. 6)若是，尋找最小的路徑權值，W與該最小路徑權值對應的閉合路徑作為牙冠的 分割線。
[0010] 本發明無需估算模型的=維曲率分布，同時將=維模型處理轉化為二維平面數據 的處理，降低了噪聲數據的干擾，保證了提取的成功率；本發明能夠一次性自動提取所有牙 齒的分割線，無需過多人為干預，降低了對操作技師的要求；此方法極大地提高了系統的處 理效率，更好地滿足批量化生產的要求。
[0011] 本發明的優點在于： 1、本發明只需操作技師在每個牙齒上點選一個中屯、，降低了人工交互的復雜度。
[0012] 2、本發明屏蔽了 =維網格模型曲率估算過程，將=維模型的計算轉化為二維平面 數據的處理，提高了方法的穩定性和可用性。
[0013] 3、本發明采用圖論中最短路徑理論，通過設置各結點間的權重，尋在到W種子點 為起始點繞所有交線一圈后回到種子點所形成的一圈最短閉合路徑，W該閉合路徑作為牙 冠與牙銀的分割線，成功解決了確定分割線的瓶頸問題。
[0014] 4、一次性自動提取所有牙齒分割線方法，極大地提高了系統處理效率。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的流程圖。
[0016] 圖2是操作者點選每個牙齒的中屯、的示意圖。
[0017] 圖3是單個牙冠上的所有步進平面和牙頌模型的交線的示意圖。
[0018] 圖4是單個牙冠的分割線候選點的示意圖。
[0019] 圖5是單個牙冠的分割線的示意圖。
[0020] 圖6是所有牙冠的分割線的示意圖。
[0021] 圖7是牙冠提取結果的示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 參照附圖，進一步說明本發明： 基于數字化模型的牙冠數據提取方法，包括W下步驟：