CN100538745C - 颅骨三维模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颅骨三维模型构建方法，通过采集受试者正位、左侧位和颅顶颏底位相互正交的三张X光头颅定位片图像，利用X线片图像上耳眼眶平面的四个点，对X光头颅定位片图像进行标定；根据两组耳眼眶平面点对颅骨标准模板进行缩放来获得受试者颅骨初始三维数据模型和初始特征点三维坐标；再根据初始特征点和受试者实际特征点采用基于径向基函数的形变算法进行受试者颅骨模型的构建，得到了完整的颅骨三维模型。

Description

颅骨三维模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种颅骨三维模型构建方法，特别是人类颅骨三维模型的构建方法。

背景技术

人类颅骨三维模型的构建，是口腔医学中一种重要的研究手段。

文献“X线片的颅颌骨特征点的三维确定，计算机辅助设计与图形学学报，2006，Vol.18(1)，p89-93”公开了一种利用X线片确定颅颌骨特征点的方法。该方法根据立体头影测量的原理，针对颅颌骨特征点，在头颅正位、侧位定位片的基础上增加2张斜位定位片，以侧位定位片为0°，拍摄0°，45°，90°和135°4张X线头颅定位片。每次选取特征点显影最佳的2张，分别确定特征点的二维坐标并且对每对数据进行了校正，然后从中重构出颅颌骨的特征点。但是此方法使用图像处理的方法来获取4张X线片上的特征点，无法保证每个点在所有X线片上的投影是一一对应的；由于4张X线片并非正交关系，难以保证它们中心转轴一致，而特征点重建质量受拍摄中心转轴的偏移影响较大；仅能重构出少量特征点的三维坐标，无法得到完整颅骨的三维模型。

发明内容

为了克服现有技术无法得到完整的颅骨三维模型的不足，本发明提供一种颅骨三维模型构建方法，采用三张正交X线片图像，通过耳眼眶平面四个点对正交X片图像进行标定，根据两组耳眼眶平面点对颅骨标准模板进行缩放来获得颅骨初始模型，再根据初始模型特征点和实际特征点采用基于径向基函数的形变算法进行颅骨模型的构建，可以得到完整的颅骨三维模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种颅骨三维模型构建方法，其特点是包括以下步骤：

(a)用激光三维扫描仪对一个标准颅骨进行三维扫描，分别扫描颅骨的正位和左右侧45°三张三维图像，将图像数据读入计算机，通过对图像进行处理、定标，合成为完整的颅骨三维数据模型，在该颅骨的三维数据模型上，依次拾取所需要的解剖结构特征点，得到标准模型的解剖结构特征点，完成颅骨标准模板的建立；

(b)在受试者面部鼻尖处粘贴一个铅点，分别采集受试者正位、左侧位和颅顶颏底位相互正交的三张X光头颅定位片图像，利用X线片图像上耳眼眶平面的四个点，对X光头颅定位片图像进行标定，分别拾取耳眼眶平面的四个点在三个方向上的投影，得到耳眼眶平面四个点的三维坐标，根据两点间的距离公式，计算出左侧位片中标尺投影上两个点图像空间的像素距离，确定颅骨的实际大小；

(c)在步骤(a)建立的颅骨标准模板上，拾取其耳眼眶平面的四个点，以步骤(b)采集的正交X光头颅定位片图像上耳眼眶平面四个点的三维坐标为基准点，计算颅骨标准模板耳眼眶平面四个点与基准点一一对应重合时的变换矩阵，并利用变换矩阵对颅骨标准模板三维数据进行变换，得到受试者的颅骨初始三维数据模型和初始特征点三维坐标；

(d)将受试者的初始特征点三维坐标分别在X、Y和Z方向投影，将三个方向的投影点分别映射到标定后的三张X光头颅定位片图像上，构建出受试者实际的特征点，根据公式

d_i＝P_i-Q_i

计算每个特征点的位移d_i，式中P_i为实际特征点，Q_i为初始特征点；通过计算N个已知特征点的位移，构造一个插值函数d_i＝f(P_i)，i＝1，...，N，采用径向基函数来构造插值函数，通过解方程组： $f_k\left(P_i\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}\mathrm{\φ}\left(\right||P_i-P_j|\left|\right)i,j=1,...,N,$ k＝1，2，3；以矩阵形式可表示为：λ_ikA_ij＝f_k，其中A_ij＝φ(‖P_i-P_j‖)，f_k(P_i)＝P_i-Q_j，通过解线性方程组求得λ_ik；在计算出λ_ik后，利用插值函数，将初始特征点的每个顶点代入径向基函数中，求出其它非特征点的位移，计算出实际模型中每个网格顶点的新坐标，构建出颅骨三维数据模型。

本发明的有益效果是：由于采用三张正交X线片图像，通过调整特征点，得到了精确的颅骨实际的三维特征点；根据两组耳眼眶平面点对颅骨标准模板进行缩放来获得颅骨初始模型，使用初始模型特征点和实际特征点，采用基于径向基函数的形变算法进行颅骨模型的构建，得到了完整的颅骨三维模型。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

附图1是本发明颅骨三维模型构建方法的流程图。

具体实施方式

参照附图1，本实施例针对某男性青年，年龄22岁，软组织直面型，左右对称，面部形态无异常且无正畸、正颌及外伤史进行颅部硬组织三维构建。具体步骤如下：

第一步，用激光三维扫描仪，采用高保质扫描方式，对一个标准颅骨进行三维扫描，分别扫描颅骨的正位和左右侧45°三张三维图像，扫描过程中保持颅骨水平端正，这样可以保证获得的颅骨图像是端正的。将这三张图像数据读入计算机，通过运行扫描仪自带软件对图像进行处理合成为一个完整的颅骨三维数据模型。

对获得的颅骨三维数据模型进行定标。在颅骨三维数据模型上拾取耳眼眶平面的四个点，包括左右耳点和左右眼眶点，计算左右耳点的中点坐标，由这个坐标值构造一个平移矩阵，对颅骨三维数据模型进行平移，再进行旋转调整，使得耳眼眶平面位于坐标轴XOZ平面上，且左右耳点在X轴上，且关于坐标原点对称，平面四个点的Y轴坐标近似为0，这样就完成了对颅骨三维数据模型的定标，得到颅骨的标准三维数据模型。

预先确定所需要的解剖结构特征点和特征点选择的顺序，在完成定标的颅骨的标准三维数据模型上，依次拾取这些特征点，得到标准模型的解剖结构特征点，完成颅骨标准模板的建立。

第二步，在受试者面部鼻尖处粘贴一个铅点，然后将受试者面部固定在头颅定位仪中进行X光摄影，分别采集正位、左侧位和颅顶颏底位三张X光头颅定位片，这三张图像相互正交。

对采集的X线片图像，进行基本图像增强处理。根据X线片图像的视觉效果，采用直方图均衡化、对比度和亮度调节的方法对图像进行增强。还可对图像进行反色处理，使图像的特征清晰、易于辨识，达到最佳的视觉效果。

利用X线片图像上耳眼眶平面的四个点，在坐标系中对每幅图像进行平移、旋转调整，使得正位片图像中的犁状孔投影位于Y轴、耳眼眶平面四个点的投影位于X轴，使得侧位片中左右耳点投影位于原点，左右眼眶点的投影位于Z轴，颅顶颏底位片图像中犁状孔投影位于Z轴。然后利用三张X线片的正交性质，确定铅点在颅顶颏底位片图像上投影坐标是惟一的，完成三张X线片图像的标定。

在完成标定的三张正交X线片图像上，分别拾取耳眼眶平面的四个点，根据这三幅X线片图像是正交的关系，而拾取的三组点为三维空间中耳眼眶平面四个点在三个方向上的投影，根据这个原理可直接得到耳眼眶平面四个点的三维坐标。

利用侧位X光片图像存在的标尺，拾取标尺上表示1cm的两个点P1、P2，设这两个点的图像坐标分别为X₁、Y₁和X₂、Y₂，根据两点间的距离公式 $D=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2},$ 计算出这两个点图像空间的像素距离，即得到了实际空间中1cm代表的图像空间的像素距离，即确定了颅骨的实际大小。

第三步，导入颅骨标准模板的三维数据模型和该标准模板所对应的解剖结构的特征点。在这个颅骨三维数据模型上，拾取其耳眼眶平面的四个点，以正交X线片图像耳眼眶平面四个点的三维坐标为基准点，计算标准模板耳眼眶平面四个点与基准点一一对应重合时的变换矩阵。利用这个变换矩阵对标准模板三维数据进行变换，得到受试者的颅骨的初始三维数据模型；同理利用这个变换矩阵对标准模板的解剖结构特征点进行变换，得到受试者的初始特征点三维坐标。

第四步，将受试者的初始特征点三维坐标分别在X、Y和Z方向投影，将三个方向的投影点分别映射到标定后的三张X线片图像上。观察每幅图像上映射的特征点是否与图像上该特征点的位置重合，对于不重合的特征点进行调整，使得映射特征点与图像实际特征点的位置重合。基于正交三视图的原理，对调整过后的所有图像特征点构建出受试者实际的特征点。

根据这两组初始特征点和实际的特征点，计算每个特征点的位移d_i＝P_i-Q_i，其中P_i为实际的特征点，Q_i为初始模板的特征点。通过计算N个已知特征点的位移，构造一个插值函数d_i＝f(P_i)，i＝1，...，N，采用径向基函数来构造插值函数。给定N个特征点，设一点P的三维坐标为x、y、z，则径向基函数的插值函数形式可表示为： $f_k\left(P\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}\mathrm{\φ}\left(\right||P-P_i|\left|\right)k=\mathrm{1,2,3},$ 式中f_k为径向基函数，P为对应网格顶点的三维坐标，P_i对应于模型特征点的三维坐标，λ_ik为特征点P_i的权值，φ(r)为基函数，选择高斯函数作为基函数，N为特征点的个数，‖P-P_i‖为计算P-P_i的欧氏范数。

由实际特征点和初始模型特征点的三维坐标已知，为了求得插值函数中特征点的权值系数λ_ik，通过解方程组： $f_k\left(P_i\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}\mathrm{\φ}\left(\right||P_i-P_j|\left|\right)$ i，j＝1，...，N，k＝1，2，3。以矩阵形式可表示为：λ_ikA_ij＝f_k，其中A_ij＝φ(‖P_i-P_j‖)，f_k(P_i)＝P_i-Q_j，通过解线性方程组求得λ_ik。

在计算出λ_ik后，利用这个插值函数，将初始模型上的每个顶点代入径向基函数中，求出其它非特征点的位移，进而计算出实际模型中每个网格顶点的新坐标，构建出颅骨三维数据模型。

Claims (1)

1、一种颅骨三维模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)用激光三维扫描仪对一个标准颅骨进行三维扫描，分别扫描颅骨的正位和左右侧45°三张三维图像，将图像数据读入计算机，通过对图像进行处理、定标，合成为完整的颅骨三维数据模型，在该颅骨的三维数据模型上，依次拾取所需要的解剖结构特征点，得到标准模型的解剖结构特征点，完成颅骨标准模板的建立；

(b)在受试者面部鼻尖处粘贴一个铅点，分别采集受试者正位、左侧位和颅顶颏底位相互正交的三张X光头颅定位片图像，利用X线片图像上耳眼眶平面的四个点，对X光头颅定位片图像进行标定，分别拾取耳眼眶平面的四个点在三个方向上的投影，得到耳眼眶平面四个点的三维坐标，根据两点间的距离公式，计算出左侧位片中标尺投影上两个点图像空间的像素距离，确定颅骨的实际大小；

(c)在步骤(a)建立的颅骨标准模板上，拾取其耳眼眶平面的四个点，以步骤(b)采集的正交X光头颅定位片图像上耳眼眶平面四个点的三维坐标为基准点，计算颅骨标准模板耳眼眶平面四个点与基准点一一对应重合时的变换矩阵，并利用变换矩阵对颅骨标准模板三维数据进行变换，得到受试者的颅骨初始三维数据模型和初始特征点三维坐标；

(d)将受试者的初始特征点三维坐标分别在X、Y和Z方向投影，将三个方向的投影点分别映射到标定后的三张X光头颅定位片图像上，构建出受试者实际的特征点，根据公式

d_i＝P_i-Q_i

计算每个特征点的位移d_i，式中P_i为实际特征点，Q_i为初始特征点；通过计算N个已知特征点的位移，构造一个插值函数d_i＝f(P_i)，i＝1，...，N，采用径向基函数来构造插值函数，通过解方程组： $f_k\left(P_i\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}\mathrm{\φ}\left(\right||P_i-P_j|\left|\right)$ i，j＝1，...，N，k＝1，2，3；以矩阵形式可表示为：λ_ikA_ij＝f_k，其中A_ij＝φ(‖P_i-P_j‖)，f_k(P_i)＝P_i-Q_j，通过解线性方程组求得λ_ik；在计算出λ_ik后，利用插值函数，将初始特征点的每个顶点代入径向基函数中，求出其它非特征点的位移，计算出实际模型中每个网格顶点的新坐标，构建出颅骨三维数据模型。

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