CN106806030B - 一种冠根三维模型融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冠根三维模型融合方法，有以下步骤：制取牙列印模或牙颌石膏模型，光学扫描获得三维数字牙列模型；由颌面部锥形束CT扫描数据提取重建拥有完整牙根信息的三维数字牙列模型；基于ICP算法,依据牙冠共同区域对光学扫描和CBCT重建的三维数字牙列模型进行位置配准；建立|牙合|平面的模型坐标系；通过提取冠龈边界线并定量偏置、投影的方法，创建冠根边界线；基于冠龈和冠根边界线分别对光学扫描和CBCT重建的牙列模型进行分割剪裁；基于曲率连续算法完成三维牙冠、牙根数据的一体化融合。本发明实现了光学扫描牙冠数据与CBCT重建牙根数据的自然过渡融合，从获得更为逼近真实牙齿的冠根三维融合模型。

Description

一种冠根三维模型融合方法

技术领域

本发明涉及一种冠根三维模型融合方法，具体涉及一种基于曲率连续算法的冠根三维模型融合方法。

背景技术

随着口腔医学数字化技术的发展，数字印模技术和医学影像技术被越来越广泛地应用于口腔疾病的诊断与分析，其中以锥形束CT(Cone bean computed tomography，CBCT)技术、牙颌模型扫描技术、口内扫描技术应用报道较多。CT/CBCT类医学影像断层扫描技术可以获取患者口颌面部软、硬组织的三维体数据，是重建患者牙根、颌骨三维模型的唯一数据获取渠道，其大视野下数据精度约为100-200μm。数字印模技术主要是光学扫描技术，包括牙颌模型扫描技术和口内扫描技术，应用也较为广泛，主流可达到5-10μm的三维建模精度，可获取高分辨率的三维牙冠精细解剖结构特征(尖、窝、沟、嵴等)，为口腔正畸、正颌外科、口腔修复应用数字化软件进行虚拟调|牙合|和数字建|牙合|，进而实现数字化的治疗方案设计以及手术导板设计提供了必要的数据基础。口腔临床目前的发展趋势是将三维影像学数据和光学扫描数据相结合，发挥二者各自优势，进行综合的诊断分析和手术设计。特别是光学扫描牙冠数据与CBCT牙根数据的配准与融合方面，是近年口腔正畸和正颌领域关注的焦点，数字化正畸技术中带牙根的诊断排牙和数字化正颌中咬合导板的设计都与这项技术紧密相关。

国内外学者对光学扫描牙冠数据与CBCT牙根数据的整合研究，大多仅为实现了冠、根三维数据的配准，即三维模型的重合、叠加，叠层模型间存在大量据冗余。以往关于冠根数据融合的研究均存在一定程度的冠龈及冠根数据分割效果不佳、融合后部分解剖形态信息丢失、与真实解剖形态存在差异、模型拼合处过渡不自然等不足。本发明探索一种新的冠、根三维数据融合方法，实现光学扫描牙冠模型与CBCT重建牙根模型的自然过渡融合，从获得更为逼近真实牙齿(牙冠与牙根)生理解剖形态的冠根三维融合模型。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于曲率连续算法的冠根三维模型融合方法，实现光学扫描牙冠模型与CBCT重建牙根模型的自然过渡融合，从获得更为逼近真实牙齿从获得更为逼近真实牙齿(包括牙冠与牙根的生理解剖形态)的冠根三维融合模型。

(二)技术方案

本发明的一种冠根三维数据融合方法，包括以下步骤：

一种冠根三维模型融合方法，包括以下步骤：

1)制取牙列印模或牙颌石膏模型，光学扫描获得三维数字牙列模型；

2)由颌面部CBCT扫描数据提取重建具有完整牙根信息的三维数字牙列模型；

3)基于ICP算法、依据牙冠共同区域对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行位置配准；

4)建立基于|牙合|平面的模型坐标系；

5)通过提取冠龈边界线，并采取定量偏置、投影的方法，创建冠根边界线；

6)基于冠龈和冠根边界线分别对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行分割剪裁；

7)基于曲率连续算法实现对剪裁后的牙冠与牙根模型的自然过渡缝合，完成三维冠根数据的一体化融合。

其中，步骤3)中所述位置配准为：对光学扫描带有牙龈和牙冠信息的三维牙列模型，与CBCT重建的带有牙根和牙冠信息的三维牙列模型进行整体坐标变换，使牙冠区域重合，从而使两个模型整体位置关系产生关联，实现牙冠叠加的位置对齐。

其中，步骤7)中所述曲率连续算法为基于二阶导数连续的三角网格模型修复缝合算法，能实现经剪裁的牙冠与牙根三维模型间过渡带形态的自然移形缝合，实现基于曲率连续的三维冠根数据的一体化融合。

(三)有益效果

本发明的优点在于：实现了光学扫描牙冠数据与CBCT重建牙根数据的自然过渡融合，从获得逼近真实牙齿(包括牙冠与牙根的生理解剖形态)的冠根三维融合模型。本发明首创的冠根三维模型融合方法可快速、批量实现半口14颗牙齿或全口28颗牙齿的冠根三维模型融合，其通过基于二阶导数连续的曲率连续缝合算法进行冠根过渡带形态的自然移形构建方法，可实现与生理解剖形态最为逼近的冠根三维融合效果。

附图说明

图1是本发明冠、根模型分别剪裁后存在的间隙带的示意图；

图2基于曲率连续过渡缝合的冠根三维融合模型唇侧的示意图；

图3基于曲率连续过渡缝合的冠根三维融合模型舌侧的示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种冠根三维模型融合方法，包括以下步骤：

1)制取牙列印模或牙颌石膏模型，光学扫描获得三维数字牙列模型；

2)由颌面部CBCT扫描数据提取重建具有完整牙根信息的三维数字牙列模型；

3)基于ICP算法、依据牙冠共同区域对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行位置配准；

4)建立基于|牙合|平面的模型坐标系；

5)通过提取冠龈边界线，并采取定量偏置、投影的方法，创建冠根边界线；

6)基于冠龈和冠根边界线分别对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行分割剪裁；

7)基于曲率连续算法实现对剪裁后的牙冠与牙根模型的自然过渡缝合，完成三维冠根数据的一体化融合。

所述步骤3)中所述位置配准为：对光学扫描带有牙龈和牙冠信息的三维牙列模型，与CBCT重建的带有牙根和牙冠信息的三维牙列模型进行整体坐标变换，使牙冠区域重合，从而使两个模型整体位置关系产生关联，实现牙冠叠加的位置对齐。

所述步骤7)中所述曲率连续算法为基于二阶导数连续的三角网格模型修复缝合算法，能实现经剪裁的牙冠与牙根三维模型间过渡带形态的自然移形缝合，实现基于曲率连续的三维冠根数据的一体化融合。

本发明的一种冠根三维模型融合方法，包括以下具体步骤：

A)制取印模，翻制石膏模型，使用SmartOptics(德国)牙颌模型扫描仪扫描下颌石膏模型获取三维数字牙列模型，输出STL格式的三维数据，命名为模型A；使用NewTomVGi(意大利)锥形束CT为患者拍摄大视野正畸诊断用数字影像，拍摄完成后，以0.125mm的体分辨率重建数据，输出DICOM格式体层数据；

B)将DICOM格式体层数据导入Mimics17.0(比利时)软件，应用软件阈值分割、区域增长、蒙版编辑的功能，设定2000-4100的阈值范围进行交互修改，提取出14颗拥有完整牙根信息的下颌牙列三维模型，牙列模型导出为STL格式的三维模型数据，命名为模型B；

C)将模型A与模型B一同导入Geomagic Studio 2012(美国)软件中，选定两模型上牙冠部分的共同区域，由软件ICP算法自动进行最优匹配，完成模型A和模型B的位置配准；计算二者牙列区域的配准误差为0.21±0.23mm，重合度相对较好，评估可以进行数据融合；

D)在Geomagic Studio 2012软件中，在模型A下颌牙列模型上，通过拾取左下中切牙近中舌侧切角点和双侧第一磨牙近中颊尖顶点，三点建立|牙合|平面；中切牙近中舌侧切角点为坐标原点O，双侧第一磨牙近中颊尖顶点连线方向为X轴方向，|牙合|平面内垂直于X轴的方向为Y轴方向，过O点垂直于XOY平面的方向为Z轴方向，Z轴正方向为|牙合|向，建立模型坐标系；X轴、Y轴为平行于地面的轴线方向，Z轴为垂直于地面的轴线方向；

E)在Geomagic Studio 2012软件中，使用“从样条创建边界”功能，在模型A上依次描绘每颗牙齿的冠龈边界线并形成各自独立的闭环曲线，光学扫描数据牙冠唇颊侧和舌侧的龈缘线清晰易拾取，邻牙间邻接处的龈缘边界拾取时适当沿牙齿表面偏向Z轴正方向1mm以避免各闭环曲线间产生交叉，命名为边界线A；将边界线A沿坐标系Z轴负方向(根方)偏置1mm，使用“曲线投影”功能以在模型B上寻找投影曲线(边界线A)采样点的最近投影点的方式进行曲线投影，从而创建模型B上的投影边界线B，即为本发明创建的冠根分界线；

F)在Geomagic Studio 2012软件中，以边界线A为分界线，选取并删除模型A上沿Z轴负方向冠龈分界线以下的数据，仅保留高分辨率的牙冠数据，以边界线B为分界线，选取并删除模型B上沿Z轴正方向冠根边界线以上的牙冠数据，仅保留CBCT牙根数据；

G)在Geomagic Studio 2012软件中，经分割剪裁后的模型A牙冠与模型B牙根数据间存在一条空白间隙带，使用“填孔”功能中的“曲率搭桥”和“曲率填孔”功能自动缝合间隙带，实现间隙带两侧数据二阶导数连续的移形过渡，从而完成三维牙冠、牙根数据的一体化融合。

ICP算法：迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)算法。

下面对本发明作进一步说明。

1、冠根三维模型的融合方法

牙根三维建模的主要数据来源为口腔CBCT，考虑到正畸、正颌对全牙列及颌骨视野范围的需要，主流设备可以达到的最优体层分辨率约为100～200μm，此分辨率下成像的牙冠数据较为粗糙，精细解剖结构大多丧失，无法满足口腔临床咬合分析、矫治器及导板设计的需求。光学扫描技术(包括牙颌模型扫描技术及口内扫描技术等)仍然是口腔临床高精度牙颌(主要是牙冠)数字模型的主流获取方式，精度可以达到5μm，可弥补CBCT数据牙冠精度欠佳的问题，二者数据的融合是临床需要也是发展趋势。但CBCT与光学扫描的精度与分辨率相差较大，二者模型如何做到自然过渡的衔接是冠根数据融合的技术难点。

以往研究对于冠根三维数据整合的报道大多停留在冠、根数据重叠和配准的程度，直到2003年美国学者Enciso等将CBCT颌骨及牙根模型与光学扫描牙列模型及下颌运动模型三者整合，实现了虚拟的下颌运动分析，其冠根数据实现了一体化融合，但具体方法未做报道；2006年意大利学者Macchi等对光学扫描牙列模型使用平面剪裁去除大部分牙龈数据，并对剩余牙冠及牙龈模型进行单牙位独立分割，每个分割出得牙冠模型与其对应的CBCT牙根模型(已去除牙冠)进行合并，从而依次完成全牙列的冠根数据融合。该方法的软件操作相对复杂，且光学扫描的牙冠和牙龈数据分离不彻底，导致最终融合的单牙模型与真实牙齿解剖形态存在一定差异。2010年周晶等、2011年高一等、2012年唐敏等及2013年郭宏铭等分别报道了通过自定义的参考平面(有牙列中牙龈高度最低的三颗牙龈缘连线构建)对位置配准后光学扫描及CBCT牙列模型进行分割剪裁，保留光学印模牙冠部分数据和CBCT牙根部分数据，并将二者保留的数据进行合并完成冠根数据融合。该方法简化了软件操作流程，批量完成全牙列冠根、冠龈数据的剪裁分割，便于临床医生操作，但仍存在冠龈分离不彻底，融合数据形态与真实牙齿解剖存在差异，冠根交界区域形态丧失等不足。因此，本发明采用了一种新的冠根及冠龈数据分割方法，即通过交互提取光学扫描牙颌模型上的龈缘线，精确分割牙冠、牙龈数据，再通过曲线整体偏置和投影的方式获得CBCT牙列模型上仿釉牙骨质界轮廓的冠根分界线，从而实现仿生的批量冠根分割。本发明进而对分割剪裁后不同来源的牙冠、牙根离散模型，通过基于二阶导数连续的曲率连续缝合算法进行过渡带形态的自然移形构建，从而实现了与生理解剖形态最为逼近的冠根三维融合效果。

2、冠根融合模型的临床应用

数字化技术在口腔正畸领域的应用越来越深入，全数字化正畸是发展趋势，其中，诊断排牙是正畸治疗的基础。正畸传统的石膏模型诊断排牙正逐渐被数字排牙取代，然而基于仅有牙冠信息的数字印模进行数字排牙，不可避免骨开裂、骨开窗的风险。带有牙根信息的数字牙列+颌骨模型，是数字化正畸诊断排牙的理想模型。借助高精度牙冠信息与牙根信息的冠根融合模型，正畸医生的诊断设计可以充分考虑到牙根方向与解剖形态、牙根与牙槽骨关系、咬合接触关系等问题。冠根融合模型也可为无托槽隐形矫治器设计和个性化舌侧矫治器设计提供安全可靠地数字诊断设计方案。

在口腔正颌外科领域，冠根融合模型可用于数字正颌的手术方案设计，整合牙根、颌骨及高精度牙冠咬合面信息的冠根融合模型，是设计制作正颌手术咬合导板的基础；冠根融合模型在口腔种植领域主要用作数字种植导板的设计，CBCT牙根、颌骨信息用于种植手术方案的设计，精确的牙冠信息可提供种植导板的准确就位。此外，冠根融合模型今后将有望在牙周、牙体牙髓手术上有更多应用。

|牙合|(occlusion)也称作咬合，是指上下牙列间的静态接触关系。

如上所述，便可较为充分的实现本发明。以上所述仅为本发明的较为合理的实施实例，本发明的保护范围包括但并不局限于此，本领域的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变性变更均包括在本发明包括范围之内。

Claims (2)

1.一种冠根三维模型融合方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制取牙列印模或牙颌石膏模型，光学扫描获得三维数字牙列模型；

2)由颌面部CBCT扫描数据提取重建具有完整牙根信息的三维数字牙列模型；

3)基于ICP算法、依据牙冠共同区域对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行位置配准；

4)建立基于|牙合|平面的模型坐标系；

5)通过提取冠龈边界线，并采取定量偏置、投影的方法，创建冠根边界线；

6)基于冠龈和冠根边界线分别对步骤1)获得的三维数字牙列模型和步骤2)获得的三维数字牙列模型进行分割剪裁；

7)基于曲率连续算法实现对剪裁后的牙冠与牙根模型的自然过渡缝合，完成三维冠根数据的一体化融合；

步骤7)中所述曲率连续算法为基于二阶导数连续的三角网格模型修复缝合算法，能实现经剪裁的牙冠与牙根三维模型间过渡带形态的自然移形缝合，实现基于曲率连续的三维冠根数据的一体化融合。

2.如权利要求1所述的一种冠根三维模型融合方法，其特征在于：步骤3)中所述位置配准为：对光学扫描带有牙龈和牙冠信息的三维牙列模型，与CBCT重建的带有牙根和牙冠信息的三维牙列模型进行整体坐标变换，使牙冠区域重合，从而使两个模型整体位置关系产生关联，实现牙冠叠加的位置对齐。