基于口腔掃描數(shù)據(jù)和cbct數(shù)據(jù)的牙列模型生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及Ξ維數(shù)字化領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于口腔掃描數(shù)據(jù)和CBCT數(shù)據(jù)的數(shù)字 化牙齒或牙列模型生成方法，主要應(yīng)用于口腔正崎、口腔修復(fù)W及口腔種植等臨床醫(yī)學(xué)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，單一的數(shù)據(jù)不能滿足臨床需求。在正崎科、修復(fù)科、種植科室往 往需要完整的牙齒或牙列模型?？趦?nèi)掃描儀可W獲取到精確的牙冠數(shù)據(jù)，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備可 W采集到不可見的骨骼和牙根數(shù)據(jù)，但精度較低。臨床上對(duì)牙冠的精度要求較高。
[0003] 口腔掃描儀可W獲取到精確的可見的牙冠的Ξ角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備可W采 集到不可見的骨骼和牙根的CBCT(Cone Beam Computed Tomogra地y，錐形束CT)圖像數(shù)據(jù)， 經(jīng)Ξ維重建后，可W獲取Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)，但精度較低。在口腔正崎和修復(fù)中，往往需要 完整精確的牙齒或牙列模型。比如口腔正崎中，醫(yī)生需要觀測(cè)口腔掃描數(shù)據(jù)W及通過影像 學(xué)數(shù)據(jù)創(chuàng)建的Ξ角網(wǎng)格數(shù)據(jù)的真實(shí)位置關(guān)系，而采集數(shù)據(jù)的設(shè)備不同、患者姿勢(shì)不同，導(dǎo)致 數(shù)據(jù)的位置關(guān)系不正確。
[0004] 為得到滿足臨床需求的完整的牙齒或牙列模型，提出一種基于口腔掃描數(shù)據(jù)和 CBCT數(shù)據(jù)的數(shù)字化牙齒或牙列模型生成方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了基于口腔掃描數(shù)據(jù)和CBCT數(shù)據(jù)的牙列 模型生成方法，本發(fā)明所設(shè)及的口腔Ξ維多源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來自于同一患者多次掃描位姿的 不同，W及多種掃描設(shè)備的坐標(biāo)系不同。為建立患者多源數(shù)據(jù)間的真實(shí)空間位置關(guān)系，需要 將多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。對(duì)坐標(biāo)系配準(zhǔn)后的有重疊區(qū)域的口腔醫(yī)學(xué)Ξ角網(wǎng)格模 型，通過剪裁、拼接等融合方法獲取完整的牙齒或牙列模型，用于指導(dǎo)臨床手術(shù)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0007] 基于口腔掃描數(shù)據(jù)和CBCT數(shù)據(jù)的牙列模型生成方法，包括W下步驟：
[0008] 讀取口腔Ξ維多源數(shù)據(jù)模型，包括CBCT數(shù)據(jù)創(chuàng)建的Ξ角網(wǎng)格模型和口內(nèi)掃描的Ξ 角網(wǎng)格模型；
[0009] 設(shè)定配準(zhǔn)的固定模型與浮動(dòng)模型，其中固定模型為通過CBCT創(chuàng)建的Ξ角網(wǎng)格模 型，浮動(dòng)模型為口內(nèi)掃描的Ξ角網(wǎng)格模型；
[0010] 在固定模型和浮動(dòng)模型上，手動(dòng)拾取模型特征點(diǎn)對(duì)，根據(jù)模型點(diǎn)云曲率修正特征 點(diǎn)對(duì)，將特征點(diǎn)移動(dòng)到周圍鄰域中曲率最大的點(diǎn)，采用點(diǎn)到點(diǎn)的ICP算法，對(duì)特征點(diǎn)對(duì)進(jìn)行 初步配準(zhǔn)；
[0011] 計(jì)算初步配準(zhǔn)后模型點(diǎn)云誤差并結(jié)合醫(yī)學(xué)參數(shù)要求，設(shè)置精確配準(zhǔn)的參數(shù);采用 優(yōu)化的點(diǎn)到面的ICP(Iterative Closed point,最近點(diǎn)迭代)算法進(jìn)行精確配準(zhǔn)；
[0012] 對(duì)配準(zhǔn)后的CBCT數(shù)據(jù)和口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將配準(zhǔn)融合后的牙根和牙冠模型 輸出。
[0013] 進(jìn)一步的，對(duì)配準(zhǔn)后的CBCT數(shù)據(jù)和口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的具體步驟包括：
[0014] 在口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)上，沿頸緣線繪制剪裁曲線，采用剪裁曲線將掃描數(shù)據(jù)剪裁為兩 個(gè)部分，保留牙冠部分；
[001引采用剪裁曲線上的點(diǎn)構(gòu)造化cobi矩陣，計(jì)算矩陣的特征值和特征向量，采用最小 的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為平面的法向，點(diǎn)的重屯、為平面上的一點(diǎn)，構(gòu)造平面，作為剪裁曲 線的特征平面，通過計(jì)算牙冠部分相對(duì)于特征平面的位置，確定剪裁線的偏置方向，將剪裁 線向牙冠的反方向偏置一定的距離；
[0016] 采用最近距離投影方法將偏置后的剪裁線投影到CBCT數(shù)據(jù)創(chuàng)建的Ξ角網(wǎng)格模型 上，將模型剪裁為兩個(gè)部分，根據(jù)特征平面，計(jì)算剪裁后模型的相對(duì)特征平面的位置，保留 牙根部分；
[0017] 通過縫合方法，將牙根部分和牙冠部分連接在一起，對(duì)縫合的部分網(wǎng)格進(jìn)行變形， 保證其連續(xù)性和光滑性。
[0018] 進(jìn)一步的，口腔Ξ維多源數(shù)據(jù)模型為STL格式，對(duì)于STL格式的模型讀取其中的Ξ 角面片并將重復(fù)點(diǎn)去除后，得到不重復(fù)的點(diǎn)和Ξ角面片的頂點(diǎn)索引。
[0019] 進(jìn)一步的，曲率計(jì)算的步驟如下：
[0020] 步驟1 :把點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的曲面的高斯曲率記為kG，平均曲率記為kH，主曲率記為kl，k2 ;
[0021] 步驟2:取點(diǎn)Pi周圍Ξ角面片的各法向量的平均值作為Ξ角網(wǎng)格在點(diǎn)Pi處的法向 量，記為n，過點(diǎn)Pi與η垂直的平面稱為網(wǎng)格曲面在此點(diǎn)的切平面，設(shè)tj為向量pip廟此網(wǎng)格 曲面的切平面上的單位投影，作過點(diǎn)Pi,Pj且在點(diǎn)Pi有切向tj的圓，貝雌曲面在點(diǎn)Pi處沿PiPj 方向的法曲率^近似的取為此圓半徑的倒數(shù)；
[0022] 步驟3:設(shè)u，V為網(wǎng)格曲面上由η確定的切平面上的一組基，取tu，tv為向量關(guān)于基 U，V的坐標(biāo)，eu，ev為主方向ei關(guān)于此基的坐標(biāo)，由歐拉定理，有
[0026] 利用上式可W求解ki，k2;
[0027] 步驟4:根據(jù)高斯曲率、平均曲率與主曲率的關(guān)系可W得到：
[002引
[0029] 在浮動(dòng)模型和固定模型對(duì)應(yīng)拾取特征點(diǎn)對(duì)，將特征點(diǎn)吸附到拾取點(diǎn)附近小區(qū)域的 曲率最大的點(diǎn)。
[0030] 進(jìn)一步的，根據(jù)特征點(diǎn)對(duì)采用最近點(diǎn)迭代方法，計(jì)算模型初始配準(zhǔn)的變換矩陣，將 固定模型與浮動(dòng)模型進(jìn)行初步配準(zhǔn)，其中最近點(diǎn)迭代的步驟如下：
[0031] 設(shè)兩個(gè)模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)如下：
[0032] Si = {pi I Pi ER3，i = 1，2，. . .，M}，
[0033] S2={qj|qjER3, j = l，2, . . .，N}，
[0034]步驟一:若pikESi，計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)qtES2,使I |qt-pk| I 一 min;
[0035] 步驟二:采用最優(yōu)化解析方法計(jì)算旋轉(zhuǎn)變換化和平移變換Τι，使得Σ Μ Riqt巧廣Pk 一 min;
[0036] 步驟Ξ:利用化和Τι對(duì)Si進(jìn)行變換，得到經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云Trans(Si);
[0037] 步驟四：當(dāng)最小二乘誤差小于事先給定的闊值τ(τ>〇)時(shí)返回步驟1，直到最小二 乘誤差小于τ或迭代次數(shù)大于預(yù)設(shè)的最大值時(shí)，迭代終止。
[0038] 其中，Si為一個(gè)Ξ維模型的點(diǎn)云，Pi為點(diǎn)云Si的任意一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Μ為點(diǎn)云Si的點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，S勸另一個(gè)Ξ維模型的點(diǎn)云，q功點(diǎn)云S2的任意一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，N為點(diǎn)云S2的 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，R為實(shí)數(shù)集。
[0039] 進(jìn)一步的，對(duì)初步配準(zhǔn)后的模型，計(jì)算點(diǎn)云精確配準(zhǔn)的誤差，該處誤差的計(jì)算步驟 為：
[0040] 步驟A:對(duì)固定模型的點(diǎn)云創(chuàng)建Ξ維查找樹，用于對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行Ξ維的空間劃分，便 于快速查找最近點(diǎn)；
[0041] 步驟B:對(duì)浮動(dòng)模型上的點(diǎn)，在固定模型上查找最近點(diǎn)，如果兩點(diǎn)間的誤差小于初 步配準(zhǔn)的誤差，則將其記錄為參與配準(zhǔn)的點(diǎn)，否則舍棄；
[0042] 步驟C:對(duì)所有參與配準(zhǔn)的點(diǎn)，計(jì)算其均方誤差，結(jié)合醫(yī)學(xué)精度要求，牙列配準(zhǔn)精度 要求為lOOum，取兩者中較小的數(shù)作為精確配準(zhǔn)的誤差。
[0043] 進(jìn)一步的，采用查找到的參與配準(zhǔn)點(diǎn)W及精確配準(zhǔn)誤差，使用點(diǎn)到面的最近點(diǎn)迭 代方法進(jìn)行精確配準(zhǔn)。點(diǎn)到面的最近點(diǎn)迭代與點(diǎn)到點(diǎn)的最近點(diǎn)迭代的區(qū)別在于點(diǎn)之間距離 的計(jì)算方法不同，點(diǎn)到面的最近點(diǎn)迭代計(jì)算公式為：
[0044] 對(duì)于固定點(diǎn)Si和浮動(dòng)點(diǎn)山，浮動(dòng)點(diǎn)di的法矢為m，設(shè)變換矩陣為M，則最近點(diǎn)迭代的 目的是計(jì)算一個(gè)最優(yōu)的M，使得Σ i( (M · si-di) · m)2^min。
[004引進(jìn)一步的，經(jīng)過精確配準(zhǔn)后的網(wǎng)格模型含有大量重疊的部分，需要分別提取出牙 冠部分和牙根部分，然后將其融合成為一個(gè)光滑過渡，拓?fù)錈o二義的完整網(wǎng)格模型；
[0046] 在口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)上，沿頸緣線拾取剪裁曲線的通過點(diǎn)，采用插值的方法創(chuàng)建B-樣 條曲線，將曲線上的點(diǎn)按照最近距離的方法投影到口內(nèi)掃描模型上。
[0047] 進(jìn)一步的，最近距離投影的步驟如下：
[0048] 步驟D:根據(jù)網(wǎng)格模型，計(jì)算其包圍盒，創(chuàng)建八叉樹，記錄Ξ角面片與八叉樹的節(jié)點(diǎn) 的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0049] 步驟E:對(duì)于輸入的點(diǎn)，通過遍歷樹，查找點(diǎn)距離最近八叉樹節(jié)點(diǎn)包圍盒，直到遍歷 到葉子節(jié)點(diǎn)；
[0050] 步驟F:將需要投影的點(diǎn)沿該葉子節(jié)點(diǎn)中的Ξ角面片的面法相投影，記錄投影點(diǎn)在 Ξ角面片內(nèi)部且距離最小的點(diǎn)，作為最近距離投影點(diǎn)；
[0051] 步驟G:輸出投影點(diǎn)W及投影Ξ角面片。
[0052] 沿曲線查找，相鄰的兩個(gè)曲線點(diǎn)是否在同一面片內(nèi)，如果在，則將兩點(diǎn)記錄下來， 否則，根據(jù)兩個(gè)Ξ角面片的法相與相鄰兩點(diǎn)構(gòu)成的向量的叉積構(gòu)造平面，計(jì)算平面與兩個(gè) 面片的交點(diǎn)，取曲線點(diǎn)之間的交點(diǎn)為下一次計(jì)算的端點(diǎn)，并根據(jù)網(wǎng)格模型的邊與面的鏈接 關(guān)系，計(jì)算端點(diǎn)所在的Ξ角面