CN102576465A - 用于数字化牙颌面对象的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于根据牙颌面对象的容积图像数据来捕获所述牙颌面对象的形状的方法。所述方法包括以下步骤：a)利用对牙颌面对象及其背景之间的区别加以指示并且从校准过程中获得的至少一个计算的分割参数来执行对容积图像数据的分割，以及b)从所述分割后的容积图像数据中捕获牙颌面对象的形状。

Description

用于数字化牙颌面对象的方法

技术领域

本发明涉及一种用于根据牙颌面对象的容积图像数据捕获该牙颌面对象的形状的方法。此外，本发明涉及确定用于数字化牙颌面对象的参数的方法。

背景技术

牙颌面治疗涉及牙列、头骨和面部软组织。治疗的范围如下：处理牙齿，例如对准、修复牙冠、拔出、修复牙根和牙冠；处理与治疗相关的骨头，例如包括外科重新塑模或修复头骨和牙列的上颌面手术，包括对修补(具体地，颌相互之间的错位)的外科干预的所谓正颌手术；基于面部软组织治疗的颞下颌关节(TMJ)治疗，例如组织造型(sculpting)、移植(lifting)；…。这些治疗中重要的是创建优良的咬合和笑线。其中“咬合”意为当牙齿闭合时上牙弓的牙齿与下牙弓的牙齿合在一起的方式。

因为牙颌面治疗复杂，并且对患者的面部外观有非常重要的影响，所以需要精确的治疗计划。计算机辅助牙颌面计划系统变得可用，其数字化了传统的手动治疗计划过程。为了能够优化治疗计划，通常有必要在这些系统并入牙颌面对象(例如，牙印模、牙齿骨模型或可移除的修补物)的数字化版本。因此存在使得能够对牙颌面对象进行精确数字化的需要。

牙颌面对象的特征在于表现出各种下陷和小细节的极度不规则的形状。这个特征使得数字化形状是一个挑战性的任务。

为了数字化牙颌面对象，尤其可以使用基于立体成像的表面扫描、结构光成像、激光扫描或锥光全息术。这些方法可以提供对对象非常详细的表面扫描。尽管一些技术对于其可以扫描的多种形状非常灵活，但是某些形状仍然难以数字化。

一种数字化牙颌面材料的形状的备选方法是使用容积成像(volumetric imaging)技术，例如相消(destructive)扫描或断层成像。断层成像包括产生断层图像的所有图像形态。可以将这些断层图像安排在3D图像体中。

这种断层成像的示例是CT扫描。根据这种形态，可以采用X射线来数字化牙颌面材料的形状。典型地，在工业化环境中基于工业CT扫描器或微CT扫描器来完成这种操作。然而，这种方法需要极大的投资，并且造成了后勤的麻烦。例如，当干燥时牙齿印模会变形。因此，明智的是尽早数字化印模，并且谨慎地控制储存印模的环境。

尽管多种成像技术用于扫描对象，但是仍然存在以下问题：根据容积成像数据捕获所述对象的准确轮廓或形状是非常困难或不精确的。此外，通常按照主观的方式执行这种轮廓和形状的获取。这种获取轮廓的过程通常被称作容积图像数据的分割。

因此，需要一种精确的方法，从而以更可靠的方式根据容积图像数据捕获形状，例如牙颌面材料的形状。

在WO00/19929中，通过相消扫描描述了容积成像技术，因而采用了图像条。

文献US7123767描述了用于使用例如CT扫描将数字牙列模型分割为独立部件模型的技术。描述了若干3D分割技术，其中大多数是人工辅助的。其它计算机实现的技术具有以下缺点：只创建了邻间边界(interproximal margin)，而没有精确的阈值。然而，该文献并没有涉及数字化牙列模型的分割精度，即使这是关键因素。

还需要向牙科专家提供以下可能性：利用诸如断层成像之类的可以在牙科诊所容易地访问或安装的容积成像技术来扫描牙颌面材料。这种断层成像方法的示例是利用标准医疗CT扫描器或Cone-Beam CT扫描器进行的CT扫描。

断层成像创建了一个容积图像数据集或者甚至是若干个容积图像数据集，其中需要根据该容积图像数据集来分割牙颌面对象的表面。给定多种断层成像设备，需要一种容易且高度自动化的方法，以允许对牙颌面对象的形状进行便利而精确的数字化。

文章“Geometric accuracy of digital volume tomography andconventional computed tomography”(Eggers等，British Journal ofOral and Maxillofacial Surgery，vol.46，no.8，Dec.2008，pp.639-644)涉及数字化容积断层成像是否适于以图像为指导的操作的问题。几何精度对于使患者与图像精确配准以及患者的安全是重要的。数字化容积断层被认为是适当的方法。

欧洲专利申请EP1808129公开了一种人体信息提取设备，用于从通过CT信息等获得的关于人体器官的3D信息中提取人体信息，包括取决于参考位置的位置信息，其中与人体器官相关的所述取决于参考位置的位置信息是未知的。在所建议的解决方案中，通过检测与来自CT信息的3D人体信息和来自人体模型的3D模型信息中包括的公共定位成员相关的信息，来检测用于定位的参考平面。

发明目的

本发明的目的在于提供一种用于根据容积图像数据集合产生牙颌面对象的形状的数字模型的方法，从而克服现有技术的缺陷和限制。

发明内容

本发明涉及一种用于根据牙颌面对象的容积图像数据来捕获牙颌面对象的形状的方法。所述方法包括以下步骤：利用对所述牙颌面对象及其背景之间的区别加以指示的至少一个计算的分割参数执行对所述容积图像数据的分割，以及根据所述分割后的容积图像数据捕获所述牙颌面对象的形状。

现有技术的方法依赖于通过系统的用户进行的直觉分割来获得对材料的数字化。然而，这种主观的方法隐含着与形状的正确性相关的巨大风险。在根据本发明的解决方案中，自动地解决了这个问题，同时满足了临床医生或牙科医生使用容易且可用的设备(例如CT扫描器)的需求。

本发明还涉及一种用于确定(即计算)牙颌面对象的容积图像数据的至少一个分割参数的方法，因此所述方法包括以下步骤：利用与在获取所述牙颌面对象的所述容积图像数据中使用的成像协议相同的成像协议来获取校准对象的容积成像数据，以及通过所述校准对象的形状和所述校准对象的所述容积图像数据来确定所述至少一个分割参数。在所建议的方法中，所述至少一个分割参数通过以下步骤来确定：将校准对象的图像数据集合与校准对象的容积图像数据相对准，获取用于比较对准后的数据集合的测量值，以及基于与所述测量值相关的选择准则来获取所述至少一个分割参数。

在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：计算通过应用所述至少一个分割参数获得的分割的精度测量值。

在具体实施例中，通过基于三维像素的配准方法或通过基于点的对准方法来执行对准。

在另一具体实施例中，选择准则基于直方图，其中通过在对准后的校准对象的表面处测量校准对象的容积图像数据中的图像值来建立所述直方图。

在优选实施例中，通过包括CT扫描的断层成像技术来获取容积图像数据。

在实施例中，针对特定成像技术，校准对象具有与牙颌面对象的材料特性实质上相同的材料特性。在另一实施例中，校准对象具有与牙颌面对象的形状实质上相同的形状特性。在另一实施例中，校准对象具有与牙颌面对象的尺寸实质上相同的尺寸。

在另一方面，本发明涉及一种用于数字化牙颌面对象的方法，所述方法包括以下步骤：a)得到校准对象，其中所述校准对象被设计为具有适于断层成像技术的材料特性，并且可选地，所述校准对象与牙颌面对象在形状和尺寸上实质相同；b)利用断层成像设备扫描所述校准对象；c)获取至少一个分割参数；d)利用与步骤b中用于所述校准对象相同的成像设备和设置扫描牙颌面对象；以及e)利用从步骤c中获得的所述至少一个分割参数来对扫描后的牙颌面对象实施分割。

在优选实施例中，本发明方法的所述分割是阈值化操作。

在另一方面，本发明涉及一种程序，所述程序可在包括指令的可编程设备上执行，当执行所述指令时，执行如上所述方法中的任一项方法。

在另一方面，本发明还涉及一种成套工具，所述成套工具包括校准对象以及包括如上所述程序的数据载体。在一个实施例中，所述成套工具还包括用于在成像设备中放置校准对象的载体对象，所述载体对象与所述校准对象成像显著不同。

本发明还公开了一种用于设计校准对象的方法。

本发明的方法的主要益处在于：利用医生或牙医容易使用的设备对材料进行了正确、鲁棒和可靠地数字化。所述方法保证了在给定通过断层成像方法获得的容积图像容积的分辨率的情况下，自动地产生详细而精确的表面。

附图说明

图1示出了根据本发明的数字化方法的工作流。

图2示出了用于定义最优阈值的算法的略图。

图3示出了(a)扫描时的校准对象设计以及(b)以聚碳酸酯制造的校准对象设计。

图4示出了(a)具有容器部分和顶部部分的校准对象；以及(b)在容器部分上方的顶部部分的定位。

图5示出了(a)顶部以及利用牙印模材料填充的容器部分；以及(b)去除顶部部分之后的容器部分中的牙印模。

具体实施方式

术语“容积扫描(volumetric scan)”意味着通过诸如断层成像(tomographic imaging)或相消扫描之类的容积成像技术获得的数据。贯穿本文，使用的同义词是“容积图像数据”或“容积图像数据集合”。

为了进一步储存、处理、设计和制造医疗领域的各种产品，需要对反映了人体形状的材料执行精确的数字化。因为这种形状可能极度不规则，所以快速地一次使整个形状成像是困难的。

在牙颌面领域，多种对象用于该目的。一种材料族是印模材料。印模由诸如牙、脸、耳朵之类的解剖器官制成。另一种材料族是石膏模型。典型地，通过印模制造各种解剖学模型的石膏模型。诸如修补物之类的其它材料或者尤其是诸如X光线照相术指南(radiographic guide)和蜡型(wax-up)之类的设计型材料也需要被数字化。

为了数字化牙颌面对象，可以使用诸如相消成像或断层成像之类的容积成像技术。在另一实施例中，可以使用表面扫描技术。

典型的断层扫描技术使用X射线。在临床或牙科环境中，可以将利用CT扫描器进行的扫描用于对患者的人体(anatomy)进行数字化。CT扫描器可以是医学CT扫描器、cone-beam CT扫描器(CBCT)或微CT扫描器(μCT)。

可以将反映人体形状的牙颌面对象定位在成像材料区别很大的载体材料上。当这两种材料的材料特性不同时，可以清楚地看见反应人体形状的对象。当扫描材料时，就像其是漂浮的一样。对于使用X射线成像，对于射线透明的载体材料较好，例如海绵。然而对于医疗和牙科领域中存在的大范围的设备而言，从该容积扫描中分割准确的形状需要新的步骤，以适于医疗或牙科的工作环境。基于此目的，本发明提供了校准和分割过程。

图1示出了用于根据本发明数字化对象的方法的工作流。

在一个实施例中，通过执行对校准对象(3)的扫描(4)来校准断层扫描器(2)。通过该扫描，自动地计算(5)一个或多个分割参数(6)。所述校准对象(3)被专门设计用于利用校准后的断层扫描器(7)进行数字化的对象(1)。对扫描的材料执行校准后的分割(8)，以提供所述材料的精确表面模型(9)。

设计校准对象(3)。对于断层成像方法，用于校准对象的材料与需要被数字化的目标材料具有相类似的材料特性。通过设计，已知可能与需要被数字化的真实材料的形状相类似的准确形状的信息(10)。

利用与扫描目标材料相同的方式以及相同的扫描器来扫描校准对象(4)。基于来自扫描的容积图像数据(11)和来自设计的已知形状(10)来确定(5)对于具体的分割方法来产生准确形状的参数(6)。根据这些参数，确定扫描对象的准确形状所处的二值化决策点。除此之外，还可以计算所得到的分割的精度测量值(12)。

现在，利用与校准扫描(7)相同的扫描协议来扫描实际的材料。将确定的参数(6)用于分割算法(8)。通过这种方式，获得材料的准确形状(9)。

可以容易地在按照以下情况进行重新校准扫描：按照时间上规则的频率、或当改变或更新CT扫描设备时、或改变或更新所使用的材料时。这种方法是快速的，并且可由牙医及其团队自行处理。

在具体实施例中，通过阈值化操作从容积图像体中分割出表面。阈值限定了材料与背景之间的转折点，从而限定了材料的表面。

图2示出了用于自动地计算最优阈值或分割参数(5)的算法。

算法需要两个输入数据集合：校准对象的设计(10)和校准对象的图像容积(11)。算法包括如下的主要步骤：将两个输入数据集合对准(13-14)，(例如，通过建立直方图(15-16))获取用于比较对准后的数据集合的测量值，以及最后获取分割参数的值，例如，最优阈值(17-20)。

因为校准对象的设计10)和图像容积(11)没有对准，所以需要对准步骤。将对准定义为：搜索变换关系，使得变换后的对象与图像容积享有相同的3D空间，从而一致。为了实现这种对准，可以使用不同的过程。可能的方法如下。首先，计算基于校准对象的设计(10)的图像容积。接下来，将该图像容积数据与通过断层成像(11)获得的校准对象的图像容积数据相对准。该算法的结果是一种变换关系，然后将该变换关系用于校准对象的设计(10)，以获得对准后的校准对象的设计(14)。对准后的校准对象的设计(14)与相同3D空间中的校准对象的图像容积(11)相符。

在一个实施例中，基于三维像素的配准(vowel-basedregistration)可以基于互信息最大化(“Multimodality imageregistration by maximization of mutual information”，Maes等，IEEE Trans.Medical Imaging，16(2)：187-198，April 1997)来进行对准。在另一实施例中，使用了基于点的对准方法(“Least squarefitting of Two 3D Point Sets”，Arun等，IEEE Trans.Pattern Analysisand Machine Intelligence，9(5)，Sept.1987)。这种基于点的对准方法首先提取校准对象的设计(10)上以及校准对象的图像容积(11)中的良好可定义点或特征。接下来，该方法搜索与两种数据集合的相应3D点对准的变换关系。

在第二步骤中，算法计算对准后的校准对象的设计(14)的表面处的校准对象的图像容积(11)中的图像值。存储所有的测量图像值，并建立存储的图像值的直方图(15)。为了提高算法的稳定性，可以朝着校准后的校准对象的设计(14)的表面周围的小区域扩展测量区域。按照这种方式，可以部分地去除对准算法或扫描数据中的噪声。

通过使用选择准则(18)以及所产生的图像值直方图(16)来获得(17)至少最优阈值(19)，换句话说是分割参数。可能的选择准则(18)是：平均图像值、最频图像值、最大图像值等。不同的选择准则可能导致产生些微不同的阈值，以及最优选择准则取决于最终的应用。

在定义了最优阈值之后，可以获得分割的整体精确的期望测量值(20)。为了计算该值，使用行进立方体算法(Proc.ofSIGGRAPH，pp.163-169，1987)以及所获得的最优阈值，从扫描后的校准对象的图像容积(11)产生表面表示。接下来，可以计算该表面表示与校准对象的设计(10)之间的距离图。该距离图或所获取的来自该距离图的任何统计值可以表示在给定断层成像方法以及根据成像协议的设备的情况下，针对要数字化的材料的整体数字化过程的期望精度。

一种用于自动计算最优阈值的备选方法包括以下步骤：将扫描后的校准对象与虚拟校准对象的设计相对准，针对任意阈值产生扫描后的对象的重构表面与对象设计的虚拟表面之间的距离图，以及基于所计算的距离图获取最优阈值。

示例1：针对丙烯酸假牙的校准对象的设计(10)

在要数字化的材料(1)是丙烯酸假牙的情况下，当设计校准对象(10)时，可以考虑一些特定的指导方针。首先，优选地，所设计的对象的容积大致等于典型假牙的容积。此外优选地，对象表面包括足够详细的3D信息，即，形状变化，使得可以保证算法的精度。最后，针对特定断层成像技术，用于校准对象的材料的特性应该与要数字化的材料的特性类似或相同。

对于所述丙烯酸假牙，在断层成像方法是CT扫描的情况下，可以如下设计校准对象(10)。校准对象包括典型牙表面，该典型牙表面实际安置在不太高的圆柱上。将设计的对象制造成聚碳酸酯的，其中该聚碳酸酯具有与用于制造假牙的丙烯酸材料相类似的射线不透性(图3)。这种聚碳酸酯的示例是TECANAT^TM。

示例2：针对牙印模的校准对象的设计(10)

在要数字化的材料是牙印模以及断层成像方法是CT扫描的情况下，当设计校准对象(10)时，可以考虑一些特定准则。首先，应该注意存在多种牙印模材料。所有这些材料具有不同的射线不透性。因此，所设计的校准对象应该可用于这些牙印模材料中的任何一种。其次，优选的是校准对象的容积大致等于典型牙印模的容积。最后优选地，校准对象包括足够详细的3D信息，即，形状变化，使得可以保证算法的精度。为了满足这些准则，可以生成校准对象以及可以精细地进行具体的校准过程。

一个具体设计的实施例如下。在具体实施例中，如图4所示，所设计的对象(10)包括两个部分：顶部部分和容器部分。顶部部分是立方形块，其中，在立方形块的下侧具有类似上牙列的结构。容器部分包括两个空腔。第一空腔(图4b中的C1)的大小稍微大于顶部部分。第二空腔(图4b的C2)稍微小于顶部部分。由于两个空腔具有不同的大小，可以将顶部部分放置在容器部分的顶部的已知位置上。为了校准印模材料，用印模材料填充较低的空腔C1(参见图4b)。接下来，将顶部部分放置在容器上，挤压这两部分以使得彼此紧密接触。在几秒钟之后，当印模材料变硬时，可以去除顶部部分。余下部分，即，具有印模材料的容器部分，限定了最终的校准对象，将扫描该最终的校准对象以获得校准对象的图像容积(11)。顶部部分下侧的牙列表面用作校准对象设计(10)。

尽管已经参考具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员显而易见的是本发明不限于上述实施例的细节，并且本发明可以包括没有背离本发明范围的各种变型和改型。因此，本文实施例的所有方面应该被认为是说明性的而非限制，本发明的范围由所附权利要求来指示而非通过上述说明书，因而本发明旨在包括落在权利要求的等同物的意图和范围内的所有改变。换句话说，本发明意欲涵盖落在基本潜在原理的范围内的并且本质属性已经在本专利申请中声明的所有改型、变型或等同物。此外，本专利申请的读者应该理解，词语“包括”不排除其它元件或步骤，词语“一个”不排除多个，以及诸如计算机系统、处理器、另外的集成单元之类的单个元件可以满足权利要求中记载的若干装置的功能。权利要求中的任何参考标记不应该解释为限制所提及的相应权利要求。当术语“首先”、“其次”、“再次”、“a”、“b”、“c”等在说明书或权利要求书中使用时，被用于区分类似元件或步骤，而非一定是描述次序或时间顺序。类似地，术语“顶部”、“底部”、“在…之上”、“在…之下”等被用于描述性目的，而非一定指示相对位置。应该理解，如此使用的术语可以根据适当的环境而可以互换，并且本发明的实施例能够根据本发明以其它顺序或以不同于以上描述或示出的方向来操作。

Claims (14)

1.一种用于从牙颌面对象的容积图像数据中捕获所述牙颌面对象的形状的方法，所述方法包括以下步骤：

a.利用对所述牙颌面对象及其背景之间的区别加以指示的至少一个计算的分割参数来执行对所述容积图像数据的分割，以及

b.从分割后的容积图像数据中捕获所述牙颌面对象的形状。

2.一种用于确定牙颌面对象的容积图像数据的至少一个分割参数的方法，所述方法包括以下步骤：

a.利用与用于获取所述牙颌面对象的所述容积图像数据的成像协议相同的成像协议来获取给定形状的校准对象的容积图像数据(10)；

b.将所述校准对象的所述容积图像数据(10)与所述校准对象的图像数据集合(11)相对准，

c.获取用于比较对准后的数据集合的测量值；

d.使用基于所述测量值的选择准则来确定所述至少一个分割参数，从而考虑到所述校准对象(10)的形状和所述校准对象的所述容积图像数据(11)。

3.如权利要求2所述的方法，包括以下步骤：计算通过应用所述至少一个分割参数而获得的分割的精度测量值(12)。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中，通过基于三维像素的配准方法或通过基于点的对准方法来执行所述对准步骤。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述选择准则基于直方图，其中通过在对准后的校准对象(14)的表面处测量所述校准对象的所述容积图像数据(11)中的图像值来建立所述直方图。

6.如前述利要求中任一项所述的方法，其中，通过包括CT扫描的断层成像技术来获取所述容积图像数据。

7.如权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，针对所述成像协议，所述校准对象(10)具有与所述牙颌面对象的材料特性实质上相同的材料特性。

8.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，所述校准对象(10)具有与所述牙颌面对象的形状实质上相同的形状。

9.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，所述校准对象(10)具有与所述牙颌面对象的尺寸实质上相同的尺寸。

10.一种用于数字化牙颌面对象的方法，所述方法包括以下步骤：

a.得到校准对象(10)，其中所述校准对象(10)被设计为具有适于断层成像技术的材料特性，并且可选地，所述校准对象(10)与所述牙颌面对象在形状和尺寸上实质相同；

b.利用断层成像设备扫描所述校准对象(10)；

c.获取至少一个分割参数；

d.利用与步骤b中用于所述校准对象(10)的成像设备和设置相同的成像设备和设置，来扫描所述牙颌面对象；以及

e.利用从步骤c中获得的所述至少一个分割参数来对扫描后的牙颌面对象进行分割。

11.一种如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述分割是阈值化操作。

12.一种程序，可在包括指令的可编程设备上执行，当执行所述指令时，执行如权利要求2至11中任一项所述的方法。

13.一种成套工具，所述成套工具包括校准对象(10)以及包括如权利要求12所述的程序的数据载体。

14.如权利要求13所述的成套工具，还包括用于在成像设备中放置所述校准对象(10)的对象，所述对象成像与所述校准对象(10)显著不同。

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