CN105528807A - 排牙设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排牙设计方法及装置，涉及数字化医疗领域，解决了X光片无法为正畸设计提供准确测量信息的问题。本发明的方法包括：获取处理对象头部扫描的CBCT数据；根据所述CBCT数据生成头影测量片；将所述头影测量片投射到三维坐标系中；根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。本发明主要用于对正畸设计进行准确的指导。
Description
技术领域
本发明涉及数字化医疗领域，特别是涉及一种排牙设计方法及装置。
背景技术
在人们的生活中牙齿的健康非常重要，如果牙齿出现畸形就会给日常生活带来极大不便，因此如何正确的校正畸形牙齿(称为正畸)成为非常重要的问题。在现有的正畸过程中需要通过头影测量为正畸提供科学的指导方案。其中，头影测量主要是测量患者侧方位头颅定位照相所得的影像，通过对颅面颌面的特征线、特征角度的分析，了解患者的软硬组织的结构、发育状况，为正畸提供科学的指导方案。其主流的测量方法分为以下几个步骤：(1)矫治过程中若干X光片的导入；(2)头影测量模板中标志点的生成；(3)由计算机自动完成各个测量项目的计算；(4)结果列表的数值输出、数值分析与图像输出；(5)提供信息管理等。上述步骤可以通过头影测量分析软件生成用于正畸的数据模型，提高头影测量的精确度，减少人工操作造成的测量误差。
在现有的数字化正畸软件中融入了头影测量，同样的在进行排牙设计时也将头影测量片加入进来。现有的数字化正畸软件与头影测量分析软件的输入主要是X光照片，通过一定的配准技术使得头影测量照片与面相、头骨等模型结合在一起，再通过头影片的特征点标记进行头影测量。现有的采用X光片作为头影片的数字化正畸技术的局限性较大，这种头影测量的方式严重依赖于患者X光照片的质量，很多对正畸设计有用的信息却由于X光仪器的限制，无法反映到X光片上，从而无法达到最佳的正畸效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种排牙设计方法及装置，主要目的在于解决X光片无法为正畸设计提供准确测量信息的问题。
依据本发明的第一个方面，本发明提出了一种排牙设计方法，包括：
获取处理对象头部扫描的CBCT数据；
根据所述CBCT数据生成头影测量片；
将所述头影测量片投射到三维坐标系中；
根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
依据本发明的第二个方面，本发明提出了一种排牙设计装置，包括：
获取单元，用于获取处理对象头部扫描的CBCT数据；
生成单元，用于根据所述CBCT数据生成头影测量片；
投射单元，用于将所述头影测量片投射到三维坐标系中；
处理单元，用于根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
借由上述技术方案，本发明实施例提供的排牙设计方法及装置，能够通过获取处理对象头部扫描的CBCT数据生成头影测量片，并将头影测量片投射到三维坐标系中，根据头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。由于头部扫描的CBCT数据包含了头骨、面部组织、牙齿等诸多信息，在CBCT数据存在的前提下，本发明由CBCT数据直接生成可以更好地满足正畸需求的头影图像，旨在展示数据的内部细节，而不仅仅局限于表面细节，从而突破X光片拍摄的限制，利用CBCT数据中包含的丰富标量与矢量信息对正畸设计进行更好的指导。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的一种排牙设计方法的流程图；
图2示出了本发明实施例提供的一种头影测量片的示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种包含测量项目的头影测量片的示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种头影测量片投射到三维坐标系中的示意图；
图5示出了本发明实施例提供的一种排牙设计装置的组成框图；
图6示出了本发明实施例提供的另一种排牙设计装置的组成框图。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
现有的采用X光片作为头影片的数字化正畸技术的局限性较大，这种头影测量的方式严重依赖于患者X光照片的质量，很多对正畸设计有用的信息却由于X光仪器的限制，无法反映到X光片上，从而无法达到最佳的正畸效果。
为了解决X光片无法为正畸设计提供准确测量信息的问题，本发明实施例提供了一种排牙设计方法，如图1所示，该方法包括：
101、获取处理对象头部扫描的CBCT数据。
锥形束CT(ConebeamCT，简称CBCT)是锥形束投照计算机重组断层影像设备，CBCT采用锥形束X线扫描可以显著提高X线的利用率，只需要旋转360度即可获取重建所需的全部原始数据，而现有的头影测量的方式严重依赖于X光照片的质量，很多对正畸有用的信息无法反映到X光片上。因此为了在正畸过程中使用更多的原始测量数据也就是对正畸有用的原始信息，从而更好的指导数字化正畸设计，本发明实施例需要获取到对处理对象进行头部扫描的CBCT数据，这些CBCT数据包含有丰富的标量及矢量信息。
102、根据所述CBCT数据生成头影测量片。
为了能够更加准确的指导正畸设计，数字化正畸软件中融入了头影测量，同样的在进行排牙设计时也将头影测量片加入进来。因此，本发明实施例在通过步骤101获取到处理对象头部扫描的CBCT数据之后，需要根据CBCT数据生成头影测量片。本发明实施例中生成的头影测量片主要是对处理对象头部扫描的CBCT数据进行投射生成侧方位头颅定位所得的影像。其中，CBCT的投影数据是二维的，经过重建后可以直接得到三维的图像。
103、将所述头影测量片投射到三维坐标系中。
当在步骤102中根据CBCT数据生成头影测量片后，需要执行步骤103将所述头影测量片投射到三维坐标系中，也就是将头影测量片准确的贴附在处理对象头部扫描的三维图像的正中矢状面上，以便从侧面观察三维场景时，头影测量片能够准确的显示在三维坐标系中。
104、根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
由于在步骤102中生成的头影测量片中可以获取到多种头影测量项目，其中不仅包含有通用的测量项目，还包含本发明实施例预设的与自动化排牙相关的特征项目，并且在步骤103中将所述头影测量片投射到三维坐标系中，因此由头影测量片生成的测量项目能够被显示在三维场景(三维坐标系)中，用于在所述三维场景(三维坐标系)中指导排牙。
本发明实施例提供的排牙设计方法，能够通过获取处理对象头部扫描的CBCT数据生成头影测量片，并将头影测量片投射到三维坐标系中，根据头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。由于头部扫描的CBCT数据包含了头骨、面部组织、牙齿等诸多信息，在CBCT数据存在的前提下，本发明由CBCT数据直接生成可以更好地满足正畸需求的头影图像，旨在展示数据的内部细节，而不仅仅局限于表面细节，从而突破X光片拍摄的限制，利用CBCT数据中包含的丰富标量与矢量信息对正畸设计进行更好的指导。
为了更好的对上述图1所示的方法进行理解，作为对上述实施方式的细化和扩展，本发明实施例将针对图1中的各步骤进行详细说明。
由于CBCT是锥形束投照计算机重组断层影像设备，本质上是CT的一种，因此CBCT数据中也具有窗宽窗位。窗宽表示所显示信号强度值的范围；窗位又称窗水平，是图像显示过程中代表图像灰阶的中心位置。窗宽是指CT图像上所包含的CT值范围，在此CT值范围内的组织结构按其密度高低从白到黑分为16个灰阶供观察对比。例如：窗宽选定为80HU，则其可分辨的CT值为80/16＝5HU，即两种组织CT值的差别在5HU以上即可分辨出来，因此窗宽的宽窄直接影响到图像的对比度和清晰度。在固定窗宽下，窗位的变化也会影响图像CT值的变化范围，类似于坐标原点，表示CT值浮动的中心值，所以欲观察某组织的结构或者病变时，应以它的CT值作为其窗位。
由于本发明实施例是基于头部扫描的CBCT数据，因此需要从所述CBCT数据中获取与正畸有关的牙列数据、头骨数据等。通常在医学中牙齿、头骨、皮肤等不同的软硬组织对应着不同的窗位值与窗宽值，因此本发明实施例中具体的就是获取这些CBCT数据的窗宽窗位值。例如，本发明实施例的系统中会预置牙齿、皮肤、头骨、面部组织等的窗宽窗位值，从而不再需要操作者进行指定，通过这些预置的各组织的窗宽窗位值都能清晰的观察到各组织的结构。
当获取到所述CBCT数据中的窗宽窗位值之后，就需要通过CBCT数据中的窗宽窗位的调节与传递函数的设计，利用体绘制算法生成三维数据的渲染图，也就是头影测量片。其中，窗宽窗位的调节有助于更加清晰的观察到组织结构；而传递函数是将三维数据场的数据值(CBCT数据)转换为光学成像参数，建立采样点与光学特征的映射关系，决定了体绘制的成像质量，其中光学参数包括数据的颜色值、不透明度等等。由于在通过传递函数定义对象时需要进行大量的尝试，浪费时间和精力，因此在本发明实施例中提供了直观的传递函数调节窗口，使得传递函数的调节更加方便。进一步的，本发明实施例中传递函数的自定义域考虑了CBCT数据的标量CT值、梯度幅值、相邻体素的高阶导数值以及曲率幅值。例如，采样点的标量值是最简单、最常用的数据属性，是三维空间中多种不同物质的测量结果，如CT扫描数据，每个采样点标量值的大小取决于数据的来源，可以用于区分不同的物质。对于复杂的三维数据场，同一种物质往往具有不同的标量值，而具有同一标量值的采样点有可能属于不同的物质。因此，本发明实施例为了提高绘制的质量，需要对采样点进行插值，通过插值计算得到的标量值仍可以作为数据属性设计传递函数。具体的可以使用线性插值、三次插值、B样条插值。而梯度幅值、高阶导数值以及曲率幅值作为设计传递函数的数据属性，相应的本发明实施例也做了一定处理，例如：在常用的梯度计算方法的基础上还加上了梯度方向，根据梯度方向向量调节光学参数，改变边界面的阴影效果，增强边界面的绘制质量。当通过上述方式完成CBCT数据中窗宽窗位的调节与传递函数的设计后，就可以通过体绘制算法生成如图2所示的头影测量片。体绘制是一种直接由三维数据场产生屏幕上二维图像的技术，可以探索物体的内部结构，可以描述非常定型的物体。具体的，本发明实施例建立在特征驱动体绘制技术基础上，采用光线投射的体绘制方法，映射规则包含了梯形函数、三角函数、斜坡函数、矩形函数以及高斯型传递函数，值域集中在对于灰度值与不透明度的生成，使得生成的侧方位头影片接近于X光照片的效果。
这里需要说明的是，在生成侧方位头影测量片之后，若不满足需求，则可以通过交互微调调整所述头影测量片的侧方位位置，通常只需要轻微的旋转场景即可。由于CBCT与体层CT(螺旋CT)的最大区别在于体层CT的投影数据是一维的，重建后的图像数据是二维的，重组的三维图像是连续多个二维切片堆积而成的，其图像金属伪影较重，而CBCT的投影数据是二维的，重建后直接得到三维图像。因此，在本发明实施例中当生成满足条件的头影测量片之后，就需要将所述头影测量片映射到重建的三维图像的坐标系中。具体的，在映射之前，本发明实施例需要在所述头影测量片中进行特征项目的测量，测量过程包括在所述头影测量片中选取牙齿标记点；根据所述牙齿标记点的位置关系生成指导正畸的特征线与特征角度。本发明实施例中头影测量标志点的选择可分为两类：一类是解剖的，这一类标志点是真正代表颅骨的一些解剖结构；另一类是引伸的，这一类标志点是通过头影图上解剖标志点的引伸而得，如两个测量平面相交的一个标志点。本发明实施例中既考虑了通用的头影测量项目，也默认设置了许多跟自动化排牙相关的特征线与特征角度，例如FH水平线、下颌GO-ME线、前牙下颌平面角L1-MP、上前牙轴倾角U1-FH等(如图3所示)，只需要进行少量的交互即可完成用于正畸设计的特征线与特征角度。这里需要说明的是，本发明实施例中的特征项目中既包含有通用的测量项目，也包含本发明实施例预设的跟自动化排牙相关的特征线与特征角度。当在头影测量片中将需要测量的项目测量完成之后，需要将所述头影测量片贴附在处理对象的正中矢状面上(如图4所示)，以便所述头影测量片中产生的特征线与特征角度一并投射到所述三维坐标系中。其中，矢状面是将人体分为左右两部分的面,不管是不是对等的,只要是左右两部分就是矢状面,而左右对等的面被称为正中矢状面。
当通过上述方式将所述头影测量片中的测量项目准确的投射到所述三维坐标系中之后，就可以根据这些测量项目的值指导牙弓线在正畸过程中的移动方向和牙齿倾角的移动。具体的，在设定牙弓线前后项位置时，可以根据正畸头影测量对上下前牙特征位置角度的定义，在正中矢状面的头影图像上选取相应的标志点构建下前牙下颌平面角(L1-MP)和上前牙轴倾角(U1-FH)，使其能在该平面上进行前后向移动，最终达到上述两角度的正常值范围(93.9°±6.2°，113.0°±6.3°)，上下颌排牙曲线与前牙标志点绑定拖动其前后移动最终确定上下颌牙列所在的目标矢状向位置。在求解前牙前后项倾角时，同样根据正畸头影测量对上下牙特征位置角度值的定义，将前牙的牙根与弓线中点的连线作为自动化排牙的约束项，对其赋予较高的权重，采用迭代的最近点匹配算法即可生成满足条件的前牙倾角值。
本发明实施例中的排牙设计方法，考虑了头影测量在自动化排牙中的作用，通过CBCT数据提高了数字化正畸方法的精度，同时通过预置的多种传递函数使得体绘制的结果更加清晰，减少了头影测量中的误差。
进一步的，作为对上述图1所示方法的应用，本发明实施例还提供了一种排牙设计装置，如图5所示，该装置包括：获取单元51、生成单元52、投射单元53以及处理单元54，其中，
获取单元51，用于获取处理对象头部扫描的CBCT数据；
生成单元52，用于根据所述CBCT数据生成头影测量片；
投射单元53，用于将所述头影测量片投射到三维坐标系中；
处理单元54，用于根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
进一步的，如图6所示，所述装置还包括：
调整单元55，用于通过交互微调调整所述头影测量片的侧方位位置。
进一步的，获取单元51用于获取处理对象CBCT数据中的牙列数据及头骨数据。
进一步的，生成单元52用于通过所述CBCT数据中窗宽窗位的调节与传递函数的设计，利用体绘制算法生成头影测量片。
进一步的，如图6所示，投射单元53包括：
测量模块531，用于在所述头影测量片中进行特征项目的测量；
投射模块532，用于将完成所述特征项目测量的头影测量片投射到三维坐标系中。
进一步的，投射单元53用于在所述头影测量片中选取牙齿标记点，并根据所述牙齿标记点的位置关系生成指导正畸的特征线与特征角度；投射单元53还用于将所述头影测量片贴附在处理对象的正中矢状面上，以便所述头影测量片中产生的特征线与特征角度一并投射到所述三维坐标系中。
进一步的，处理单元54用于根据所述头影测量片中的特征项目的测量值指导牙弓线的移动方向以及牙齿倾角的移动。
本发明实施例提供的排牙设计装置，能够通过获取处理对象头部扫描的CBCT数据生成头影测量片，并将头影测量片投射到三维坐标系中，根据头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。由于头部扫描的CBCT数据包含了头骨、面部组织、牙齿等诸多信息，在CBCT数据存在的前提下，本发明由CBCT数据直接生成可以更好地满足正畸需求的头影图像，旨在展示数据的内部细节，而不仅仅局限于表面细节，从而突破X光片拍摄的限制，利用CBCT数据中包含的丰富标量与矢量信息对正畸设计进行更好的指导。
此外，本发明实施例中的排牙设计装置，考虑了头影测量在自动化排牙中的作用，通过CBCT数据提高了数字化正畸方法的精度，同时通过预置的多种传递函数使得体绘制的结果更加清晰，减少了头影测量中的误差。
所述排牙设计装置包括处理器和存储器，上述获取单元51、生成单元52、投射单元53、处理单元54以及调整单元55，均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来解决X光片无法为正畸设计提供准确测量信息的问题。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序代码：获取处理对象头部扫描的CBCT数据；根据所述CBCT数据生成头影测量片；将所述头影测量片投射到三维坐标系中；根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (12)
1.一种排牙设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取处理对象头部扫描的CBCT数据；
根据所述CBCT数据生成头影测量片；
将所述头影测量片投射到三维坐标系中；
根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述CBCT数据生成头影测量片之后，所述方法还包括：
通过交互微调调整所述头影测量片的侧方位位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取处理对象头部扫描的CBCT数据包括：
获取处理对象CBCT数据中的牙列数据及头骨数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述CBCT数据生成头影测量片包括：
通过所述CBCT数据中窗宽窗位的调节与传递函数的设计，利用体绘制算法生成头影测量片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述头影测量片投射到三维坐标系中包括：
在所述头影测量片中进行特征项目的测量；
将完成所述特征项目测量的头影测量片投射到三维坐标系中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述头影测量片中进行特征项目的测量包括：
在所述头影测量片中选取牙齿标记点；
根据所述牙齿标记点的位置关系生成指导正畸的特征线与特征角度；
将完成所述特征项目测量的头影测量片投射到三维坐标系中包括：
将所述头影测量片贴附在处理对象的正中矢状面上，以便所述头影测量片中产生的特征线与特征角度一并投射到所述三维坐标系中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙包括：
根据所述头影测量片中的特征项目的测量值指导牙弓线的移动方向以及牙齿倾角的移动。
8.一种排牙设计装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取处理对象头部扫描的CBCT数据；
生成单元，用于根据所述CBCT数据生成头影测量片；
投射单元，用于将所述头影测量片投射到三维坐标系中；
处理单元，用于根据所述头影测量片中的特征项目在所述三维坐标系中指导排牙。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
调整单元，用于通过交互微调调整所述头影测量片的侧方位位置。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述生成单元用于通过所述CBCT数据中窗宽窗位的调节与传递函数的设计，利用体绘制算法生成头影测量片。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述投射单元包括：
测量模块，用于在所述头影测量片中进行特征项目的测量；
投射模块，用于将完成所述特征项目测量的头影测量片投射到三维坐标系中。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于根据所述头影测量片中的特征项目的测量值指导牙弓线的移动方向以及牙齿倾角的移动。
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|---|---|---|---|
| CN201610066132.3A CN105528807A (zh) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | 排牙设计方法及装置 |
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