CN105608747B - 一种从三维牙科锥形束ct数据中提取全景图的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，步骤如下：⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线；⑵根据生成牙弓曲线提取三维口腔全景曲面；⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。本方法可以用三维CT数据提取牙齿曲面断层图像，解决结构重叠和图像模糊的问题，提高了诊断的精度；利用该方法，可以得到单帧口腔全景图，而且该方法得到的单帧口腔全景图能够显示全口齿列，能清晰地辨识出牙齿的解剖结构，如：牙釉质、牙本质、牙髓等，有效地避免了由透视引起的图像模糊，无结构重叠。

Description

一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种X射线全景图生成方法，尤其是一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法。
背景技术
X射线全景图是口腔中所有牙齿的X射线二维投影图像，可以直观地显示所有牙齿的分布情形，有助于医生了解口腔中牙齿的全貌。X射线全景图是牙科医生广泛使用的一类简单方便的影像检查技术。但是，传统的X射线全景图存在一些缺点，例如，几何变形、结构叠加、图像模糊等。
目前，牙科锥形束CT以其高空间分辨率、低辐射剂量和灵活的后处理软件等优势，已经广泛被应用于牙科诊断与整形领域。但是根据三维CT数据，无法直观地观察全口牙齿，从CT数据中合成全景图成为牙科锥形束CT系统的一个重要软件功能。
现有的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，首先在某二维断层或者三维数据在竖直方向上的最大密度投影(MIP)图像上，拟合牙弓曲线；然后将该曲线应用在所有的CT断层数据上，得到柱面；根据牙弓曲线的法线方向，增加柱面的厚度，使得厚度柱面覆盖全口牙齿；最后沿法线方向将厚度柱面数据投影在中心柱面上，得到拟X射线全景图。因为人类牙齿有一定的倾角，此类方法需要一定的厚度，才能将全口牙齿显示在全景图上，然而厚度投影，会造成图像模糊，降低图像质量，影响诊断的精度。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，针对现有全景图提取方法中所存在的问题，提供一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，该方法拟合一个通过全口牙齿中心的三维曲面，得到三维口腔全景曲面；展开该三维全景曲面，最终得到口腔全景图，相对传统提取全景图的方法，减少了曲面厚度，解决了透视图像模糊与结构重叠问题，提高了诊断的精度。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，步骤如下：
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线；
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面；
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。
而且，所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为：沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像，在最大密度投影图像中分离牙弓，拟合牙弓曲线。
而且，在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为：结合基于灰度的分割方法和坐标阈值，在最大密度投影图像中分离牙弓。
而且，根据所述基于灰度的分割方法，得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域；所述坐标阈值用四边形邻域表示，计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域，使得该邻域覆盖骨头区域一定的比例p50％-100％。
而且，所述拟合牙弓曲线具体步骤为：根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上对称选取控制点，根据控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线。
而且，所述步骤⑵中根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为：根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线，并依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面。
而且，所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为：计算牙弓曲线的法向，将法向应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图；对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，从矢状图中分割出牙齿；根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线。
而且，所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为：将牙弓曲线按弧长展开成直线，并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置，记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线；根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，得到全景图。
而且，具体步骤如下：
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线：
沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像；
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法，提取聚类后最亮的骨头区域；计算骨头区域的重心点，及其四边形邻域，使得四边形邻域覆盖骨头区域的p＝75％，得到四边形邻域表示的坐标范围；在骨头区域上应用坐标阈值，得到分离的牙弓；
根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上，对称选取13个控制点；根据选取的控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线；
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面：
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线；
将法线应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图；
对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，分割出牙齿；
根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线；
依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面；
⑶展开三维全景曲面，得到单帧口腔全景图：
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线，将该曲线按弧长展开：
其中，Lj表示第j个线段的弧长，则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线：
hj＝zj, (b)
其中，zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标；
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标，得到单帧口腔全景图；
⑷计算三维全景曲面上各像素点的法向，沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面，并按照公式(a)、(b)展开曲面，得到厚度全景图。
本发明取得的优点和积极效果是：
1、本方法可以用三维牙科锥形束CT数据提取牙齿曲面断层图像，解决结构重叠和图像模糊的问题，提高了诊断的精度；利用该方法，可以得到单帧口腔全景图，而且该方法得到的单帧口腔全景图能够显示全口齿列，能清晰地辨识出牙齿的解剖结构，如：牙釉质、牙本质、牙髓等，有效地避免了由透视引起的图像模糊，无结构重叠。
2、本方法也可以得到厚度全景图，无结构重叠，能清晰地辨识出牙齿的解剖结构和下颌神经。
3、给定聚类数目和比例p后，该方法可自动实施，有效减少了手动操作。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法中生成牙弓曲线步骤的流程图；其中，图2-1为三维牙科锥形束CT数据图，图2-2为MIP图像，图2-3为分离的牙弓图，图2-4为牙弓曲线图；
图3为本发明方法中提取三维口腔全景曲面的流程图；其中，图3-1为牙弓曲线的法线，图3-2为牙齿矢状图，图3-3为牙体长轴曲线图，图3-4为三维口腔全景曲面图；
图4为本发明方法的口腔全景图；其中，图4-1为单帧口腔全景图，图4-2为厚度口腔全景图；
图5为本发明方法的口腔全景图中的牙齿解剖结构指示图；其中，左侧图为单帧口腔全景图中单颗牙齿的解剖结构指示图，右侧图为厚度口腔全景图中单颗牙齿的解剖结构指示图，其中，1为牙釉质，2为牙本质，3为牙髓。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的设备，如无特殊规定，均为本领域内常用的设备；本发明中所使用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
本发明中三维口腔全景曲面是经过全口牙齿中心的曲面，所述提取三维口腔全景曲面，具体包括：根据所述牙弓曲线，拟合牙体长轴曲线；并依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面，所述牙体长轴曲线，是描述上颌、下颌牙齿的牙体长轴的曲线。
实施例1
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，步骤如下：
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线；
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面；
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。
较优地，所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为：沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像，在最大密度投影图像中分离牙弓，拟合牙弓曲线。
较优地，在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为：结合基于灰度的分割方法和坐标阈值，在最大密度投影图像中分离牙弓。
较优地，根据所述基于灰度的分割方法，得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域；所述坐标阈值用四边形邻域表示，计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域，使得该邻域覆盖骨头区域一定的比例p50％-100％。
较优地，所述拟合牙弓曲线具体步骤为：根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上对称选取控制点，根据控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线，例如，可以通过手动移动所述的控制点，可以相应地修改所述的牙弓曲线。
较优地，所述步骤⑵中根据生成牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为：根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线，并依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面。
较优地，所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为：计算牙弓曲线的法向，将法向应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图；对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，从矢状图中分割出牙齿；根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线。
较优地，所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为：将牙弓曲线按弧长展开成直线，并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置，记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线；根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，得到全景图。
实施例2
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，能够提取三维口腔全景曲面，并展开三维曲面得到口腔全景图。
方法流程如图1所示，具体步骤如下：
1、根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线，具体实施方法如下：
沿竖直方向计算三维CT数据的MIP图像，如图2-2所示；
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法，提取聚类后最亮的骨头区域；计算骨头区域的重心点，及其四边形邻域，使得四边形邻域覆盖骨头区域的p＝75％，得到四边形邻域表示的坐标范围；在骨头区域上应用坐标阈值，得到分离的牙弓，如图2-3所示；
根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上，对称选取13个控制点，如图2-4的红点所示；根据选取的控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线，如图2-4的绿线所示。
2、根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面，具体实施方法如下：
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线，如图3-1中的黄色短线；
将法线应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图，如图3-2给出了三个矢状图示例；
对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，分割出牙齿；
根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线，如图3-3中的白色曲线所示；
依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面，如图3-4给出了三维口腔全景曲面的三个不同方向的视图。
3、展开三维全景曲面，得到单帧口腔全景图，具体实施方法如下：
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线，将该曲线按弧长展开：
其中，Lj表示第j个线段的弧长，则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线：
hj＝zj, (b)
其中，zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标；
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标，得到单帧口腔全景图，如图4-1所示。
4、计算三维全景曲面上各像素点的法向，沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面，并按照公式(a)、(b)展开曲面，得到厚度全景图，如图4-2所示。
综上所述，本发明是一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，本发明方法拟合三维口腔全景曲面，并展开三维曲面得到全景图。相对传统的提取全景图的方法，减少了曲面厚度，解决了透视图像模糊与结构重叠问题，提高了全景图中牙齿解剖结构的辨识度。
以上述依据本发明的理想实施案例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：步骤如下：
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线；
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面；
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图；
所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为：沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像，在最大密度投影图像中分离牙弓，拟合牙弓曲线；
在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为：结合基于灰度的分割方法和坐标阈值，在最大密度投影图像中分离牙弓；
根据所述基于灰度的分割方法，得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域；所述坐标阈值用四边形邻域表示，计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域，使得该邻域覆盖骨头区域的50％-100％。
2.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：所述拟合牙弓曲线具体步骤为：根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上对称选取控制点，根据控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线。
3.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：所述步骤⑵中根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为：根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线，并依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面。
4.根据权利要求3所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为：计算牙弓曲线的法向，将法向应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图；对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，从矢状图中分割出牙齿；根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线。
5.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为：将牙弓曲线按弧长展开成直线，并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置，记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线；根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，得到全景图。
6.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法，其特征在于：具体步骤如下：
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线：
沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像；
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法，提取聚类后最亮的骨头区域；计算骨头区域的重心点，及其四边形邻域，使得四边形邻域覆盖骨头区域的75％，得到四边形邻域表示的坐标范围；在骨头区域上应用坐标阈值，得到分离的牙弓；
根据分离出的牙弓所在的像素位置，拟合二次曲线，在该曲线上，对称选取13个控制点；根据选取的控制点，采用三次样条插值得到牙弓曲线；
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面：
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线；
将法线应用在三维CT数据的所有断层上，得到一系列的牙齿矢状图；
对每一幅矢状图，应用基于灰度的分割方法，分割出牙齿；
根据描述牙齿的像素点位置，拟合牙体长轴曲线；
依序排列所有的牙体长轴曲线，得到三维口腔全景曲面；
⑶展开三维全景曲面，得到单帧口腔全景图：
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线，将该曲线按弧长展开：
其中，Lj表示第j个线段的弧长，则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标；
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线：
hj＝zj, (b)
其中，zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标；
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标，依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线，则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标，得到单帧口腔全景图；
⑷计算三维全景曲面上各像素点的法向，沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面，并按照公式(a)、(b)展开曲面，得到厚度全景图。
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Synthesizing panoramic radiographs by unwrapping dental CT data;TOHNAK S 等;《Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc》;20060101;3329-3332 *
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