CN106570859B - 一种牙齿图像分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牙齿图像分析系统，包含电源模块、图像获取模块、数据分析模块，数据分析模块包含模型显示模块、模型修改模块、人机交互模块、模型测量模块、结果诊断模块，本发明牙齿图像分析系统将逆向工程、计算机图形学和计算几何技术引入了口腔医学领域，建立基于牙齿模型的分析及诊断系统，能够有效地提高模型分析的效率和准确性，并作为医生的实际诊断的重要依据。

Description

一种牙齿图像分析系统

技术领域

本发明涉及一种牙齿图像分析系统。

背景技术

牙周图像分析是口腔医学领域中一个重要环节，分析结果的准确性直接关系到牙齿的疾病诊断、治疗计划制定以及最终疗效的评估.目前该项测量工作主要靠手工完成，但手工测量费时费力，难以对牙齿进行完整而全面的分析。随着三维测量技术和计算机技术的发展，基于牙齿模型的诊断分析方法日益受到重视，该方法操作方便，具有广泛的应用前景，以此技术为中心可以建立一个全面的牙齿图像分析系统以突破现今的技术局限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种牙齿图像分析系统以解决以上问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种牙齿图像分析系统，其特征在于，包含电源模块、图像获取模块、数据分析模块；

电源模块，用于为牙齿图像分析系统供电；

图像获取模块，用于提取牙周区图像，包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质部分：并用计算机图表示成牙周区图像；然后通过三维细化算法获取牙周的骨架拓扑结构，并使用半监督的图像分割方法来分割牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质图像，并采用Hessian滤波方法增强牙根，牙周膜，牙骨质的结构，之后再用采用Hessian滤波方法增强牙冠的结构，进而使用图像分割区域增长法分割出牙根和牙冠图像形成完整的无噪声牙齿图像；

图像模拟模块对要检测的牙根图像建立模拟石膏模型，采用三维测量技术对模拟石膏模型进行测量，将模拟石膏模型的相关关键数据摄入，构建模拟石膏模型的数字模型；

数据分析模块包含模型显示模块、模型修改模块、人机交互模块、模型测量模块、结果诊断模块，将数字模型转换成CAD通用格式图像，用于对CAD通用格式图像进行定量分析，给出诊断结果；

模型显示模块，包含液晶屏幕以及处理芯片，液晶屏幕与处理芯片用数据线相连，在液晶屏幕上显示经过处理芯片处理过的CAD通用格式图像的多种视图，；

模型修改模块，对CAD通用格式图像进行修正，具体进行模型定位、牙齿切分、法向修正，并进行CAD通用格式图像的特征提取；

人机交互模块，根据CAD通用格式图像，建立三角网格模型，对三角网格模型进行处理，按照医学规则建立特征点与特征面，与模型修改模块提取的特征结合，计算特征数据；

模型测量模块，根据特征点构造两个互相平行的平面，同时提取三角网格模型的咬合平面，使两个互相平行的平面同时与咬合平面、特征点连线在咬合平面上的投影垂直，测量两个互相平行的平面的距离作为测量值；

测量值主要包括牙周区的可视化展示和属性测量；牙周区的可视化展示主要包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质图像之间的空间位置、大小关系以及牙髓所属的供血分支；属性测量主要包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质作为图像中的拓扑点时的三维坐标与半径，牙冠，牙根的实际长度、欧式距离、平均半径、生长角度与牙龈，牙髓所在血管系统，牙冠，牙根的体积、牙周膜，牙骨质，牙槽骨，象牙质，珐琅质的体积以及所占牙周区域的比例、牙龈，牙髓内血管的体积以及血管所占比例；

牙冠，牙根的实际长度、欧式距离、平均半径、生长角度计算方法如下：

假设牙根和牙冠图像的任意两个拓扑点坐标是(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)；

其中：(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)分别代表牙根和牙冠图像的任意两个拓扑点的x轴，y轴，z轴的坐标；

实际长度，为对应的牙根和牙冠图像长度；

欧式距离：即牙冠，牙根的两个拓扑点的欧式距离

平均半径公式为：

其中Volume(e)是牙根和牙冠图像中的三维体积数；Length(e)是牙根和牙冠图像中的实际长度；π为圆周率，用于近似计算；

生长角度为牙根和牙冠图像在三维空间中形成的立体树结构与所在牙周区域之间的生长角度；

最后对牙根和牙冠图像采取适当的平移、旋转、放缩变换，在不改变整体形状的基础之上对齐到同一个框架下，从而改变获取的原始数据的杂乱无章的状态，减少冗余信息因素对牙根和牙冠图像数据分析的影响；

最后在牙根和牙冠图像在离散空间中进行特征点搜索，特征点为图像灰度值发生剧烈变化的点或者在图像边缘上曲率较大的点，搜索到的特征点并不是真正意义上连续空间内的极值点，因而需要利用离散空间获取的随机变量点进行插值得到连续空间的极值点，这种极值点往往存在于亚尺度空间平面；

通过为特征点确定基准方向，可构造与方向相关的特征描述向量，从而使特征点的特征具备旋转不变性；特征点的方向依据其局部邻域像素的梯度分布特性确定，设特征点尺度为σ，相应牙根和牙冠图像的高斯尺度图像为L(p，q，σ)，其中p，q为牙根和牙冠图像的高斯尺度图像的特征点的坐标，L为高斯尺度图像的尺度空间转换函数，运用有限差分，计算以特征点为中心，以3×1.5σ为半径区域内图像的梯度幅值和方向角；

结果诊断模块，构建健康牙齿的数据库，包含上述过程的关键数据，用于与模型测量模块的数据结果进行比对，以报表的形式输出；

电源模块与图像获取模块、数据分析模块相连；模型显示模块与模型修改模块相连，模型修改模块与人机交互模块相连，人机交互模块与模型测量模块相连，模型测量模块与结果诊断模块相连。

附图说明

图1为本发明牙齿图像分析系统的结构图；

图2为本发明牙齿图像的剖面图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：如图1和图2，牙齿图像分析系统可以分为图像获取模块与数据分析模块，图像获取模块采用三维测量技术，从模拟石膏模型中获取数字模型，数字模型必须满足精度。牙齿的数字模型可以带来误差，需要进行误差分析，主要来自三个方面：激光扫描误差、多次扫描数据配准误差和重构中的数据拟合误差。现有精度较高的三维激光扫描设备，例如GOM公司的ATOS产品的扫描精度可达5um，能够有效地控制扫描误差。数据配准过程采用标志点进行辅助定位，可以获得非常高的配准精度。数据拟合误差取决于拟合算法以及相关参数设置，通过采用更优算法和调整控制参数可以有效地控制拟合误差，但拟合精度提高同时会增加网格中三角形数量，导致后续处理时间增加。因此，需要综合考虑模型精度和存储空间，在满足精度条件下尽可能减少数据量，提高系统整体性能。目前，常用的牙齿数字化有激光化方法、CT图像重构法和层析法三种。激光扫描法的优点是扫描速度快，扫描速度高、技术成熟，缺点是扫描程序复杂、扫描配比会降低精度，激光扫描法在医疗领域应用广泛。CT图像重构法能够获得牙齿的根部信息，但是模型精度差。层析法通过逐层获取模拟石膏模型的每层图像，但是费用较高，推广难度大。本发明采用激光扫描法，牙根处可以采用X光单独照射获取细节。激光扫描数据通常是数量巨大的点云数据，后续处理十分困难，从点云数据中可以获取线信息和面信息。从点云数据生成线信息或面信息，存在两种方法：第一种为参照牙齿模型的形状特征，从点云数据构造曲线，再从曲线构造三维曲面。这种方法生成的曲面具有良好的光顺性，并可通过编辑控制点可以灵活地控制曲面的形状，缺点是曲面相关算法复杂度高，增加了系统实现难度，而且操作烦琐，对操作人员要求过高；第二种为从点云数据中直接生成三角网格，可调整三角网格中三角形的数量以实现不同的模型精度。三角网格的相关算法简单稳定，能够显著降低系统复杂度。本发明采用第二种方法，从点云数据直接生成三角网格的边界以表示模型，并且采用相应的数据形式存储。将数字模型转换成CAD通用格式图像，为便于分析研究，医学上定义了一系列特征点、特征线和特征平面，进行模型分析时对这些特征位置进行标记。在模拟名膏模型上识别和标注特征线、特别是特征平面较为不便，与之相关的指标测量也相对困难。而在数字模型上进行特征标识可避免复杂的手工工作，并能充分利用特征识别和人机交互技术，提高测量效率和精度。对牙弓曲线进行分析包括曲线弧长计算、牙弓对称分析等内容。针对牙弓的实际形状，并考虑曲线形状以调整方便，本发明系统采用二次曲线拟合牙弓曲线。以曲线经过的初始型值点为用户在牙齿模型上提取的特征点，采用向心模型为理论点，计算曲线的节点矢量，进而反求出曲线的控制点。最后，判断的牙齿畸形类别及畸形程度，需要把测量值和本地区同类型人群的正常值进行比较，来对比是否符合要求。

在实施例二中：本发明设计了一个正常合数据库，以记录不同地区、不同人群正常的基本数据，作为衡量测量值是否处于正常范围的依据。正常范围的数据来源于临床积累数据及已公布的典型医学文献，具有一定的权威性。本发明将当前测量结果同种人群正常值进行详细的比较分析，并且以报表形式呈现，为医生诊断提供了参考数据。

实施例二中电源模块，用于为牙齿图像分析系统供电；

图像获取模块，对要检测的牙齿建立模拟石膏模型，采用三维测量技术对模拟石膏模型进行测量，将模拟石膏模型的相关关键数据摄入，构建模拟石膏模型的数字模型；

数据分析模块包含模型显示模块、模型修改模块、人机交互模块、模型测量模块、结果诊断模块，将数字模型转换成CAD通用格式图像，用于对CAD通用格式图像进行定量分析，给出诊断结果；

模型显示模块，包含液晶屏幕以及处理芯片，液晶屏幕与处理芯片用数据线相连，在液晶屏幕上显示经过处理芯片处理过的CAD通用格式图像的多种视图，；

模型修改模块，对CAD通用格式图像进行修正，具体进行模型定位、牙齿切分、法向修正，并进行CAD通用格式图像的特征提取；

人机交互模块，根据CAD通用格式图像，建立三角网格模型，对三角网格模型进行处理，按照医学规则建立特征点与特征面，与模型修改模块提取的特征结合，计算特征数据；

模型测量模块，根据特征点构造两个互相平行的平面，同时提取三角网格模型的咬合平面，使两个互相平行的平面同时与咬合平面、特征点连线在咬合平面上的投影垂直，测量两个互相平行的平面的距离作为测量值，根据公式以及测量值计算Bolton指数和Pont指数；

结果诊断模块，构建健康牙齿的数据库，包含上述过程的关键数据，用于与模型测量模块的数据结果进行比对，以报表的形式输出；

电源模块与图像获取模块、数据分析模块相连；模型显示模块与模型修改模块相连，模型修改模块与人机交互模块相连，人机交互模块与模型测量模块相连，模型测量模块与结果诊断模块相连。

本发明的有益成果在于：本发明牙齿图像分析系统将逆向工程、计算机图形学和计算几何技术引入了口腔医学领域，建立基于牙齿模型的分析及诊断系统，能够有效地提高模型分析的效率和准确性，并作为医生的实际诊断的重要依据。

Claims (1)

1.一种牙齿图像分析系统，其特征在于，包含电源模块、图像获取模块、图像模拟模块、数据分析模块；

所述电源模块，用于为所述牙齿图像分析系统供电；

所述图像获取模块，用于提取牙周区图像，包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质部分：并用计算机图表示成牙周区图像；然后通过三维细化算法获取牙周的骨架拓扑结构，并使用半监督的图像分割方法来分割所述牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质图像，并采用Hessian滤波方法增强所述牙根，牙周膜，牙骨质的结构，之后再用采用Hessian滤波方法增强所述牙冠的结构，进而使用图像分割区域增长法分割出所述牙根和牙冠图像形成完整的无噪声牙齿图像；

所述图像模拟模块对要检测的所述牙根和牙冠图像建立模拟石膏模型，采用三维测量技术对所述模拟石膏模型进行测量，将所述模拟石膏模型的相关关键数据摄入，构建所述模拟石膏模型的数字模型；

所述数据分析模块包含模型显示模块、模型修改模块、人机交互模块、模型测量模块、结果诊断模块，将所述模拟石膏模型的数字模型转换成CAD通用格式图像，用于对所述CAD通用格式图像进行定量分析，给出诊断结果；

所述模型显示模块，包含液晶屏幕以及处理芯片，所述液晶屏幕与所述处理芯片用数据线相连，在所述液晶屏幕上显示经过所述处理芯片处理过的所述CAD通用格式图像的多种视图；

所述模型修改模块，对所述CAD通用格式图像进行修正，具体进行模型定位、牙齿切分、法向修正，并进行所述CAD通用格式图像的特征提取；

所述人机交互模块，根据所述CAD通用格式图像，建立三角网格模型，对所述三角网格模型进行处理，按照医学规则建立特征点与特征面，与所述模型修改模块提取的特征结合，计算特征数据；

所述模型测量模块，根据所述特征点构造两个互相平行的平面，同时提取所述三角网格模型的咬合平面，使两个所述互相平行的平面同时与所述咬合平面、所述特征点连线在所述咬合平面上的投影垂直，测量两个所述互相平行的平面的牙齿区和牙周区的测量值；

所述测量值包括牙周区的可视化展示和属性测量；所述牙周区的可视化展示包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质图像之间的空间位置、大小关系以及牙髓所属的供血分支；所述属性测量包括牙冠，牙根，牙周膜，牙骨质，牙槽骨，牙龈，牙髓，象牙质，珐琅质作为图像中的拓扑点时的三维坐标与半径，牙冠，牙根的实际长度、欧式距离、平均半径、生长角度与牙龈，牙髓所在血管系统，牙冠，牙根的体积、牙周膜，牙骨质，牙槽骨，象牙质，珐琅质的体积以及所占牙周区域的比例、牙龈，牙髓内血管的体积以及血管所占比例；

所述牙冠，牙根的实际长度、欧式距离、平均半径、生长角度计算方法如下：

假设所述牙根和牙冠图像的任意两个拓扑点坐标是(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)；

其中：(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)分别代表所述牙根和牙冠图像的任意两个拓扑点的x轴，y轴，z轴的坐标；

所述实际长度，为对应的所述牙根和牙冠图像长度；

所述欧式距离：即牙冠，牙根的两个拓扑点的欧式距离为：

所述平均半径公式为：

其中Volume(e)是所述牙根和牙冠图像中的三维体积数；Length(e)是所述牙根和牙冠图像中的实际长度；π为圆周率，用于近似计算；

所述生长角度为所述牙根和牙冠图像在三维空间中形成的立体树结构与所在牙周区域之间的生长角度；

然后对所述牙根和牙冠图像采取适当的平移、旋转、放缩变换，在不改变整体形状的基础之上对齐到同一个框架下，从而改变获取的原始数据的杂乱无章的状态，减少冗余信息因素对所述牙根和牙冠图像数据分析的影响；

最后在所述牙根和牙冠图像在离散空间中进行特征点搜索，所述特征点为图像灰度值发生剧烈变化的点或者在图像边缘上曲率较大的点，搜索到的所述特征点并不是真正意义上连续空间内的极值点，因而需要利用离散空间获取的随机变量点进行插值得到连续空间的极值点，这种极值点往往存在于亚尺度空间平面；

通过为所述特征点确定基准方向，可构造与方向相关的特征描述向量，从而使所述特征点的特征具备旋转不变性；所述特征点的方向依据其局部邻域像素的梯度分布特性确定，设所述特征点尺度为σ，相应所述牙根和牙冠图像的高斯尺度图像为L(p，q，σ)，其中p，q为所述牙根和牙冠图像的高斯尺度图像的所述特征点的坐标，L为所述高斯尺度图像的尺度空间转换函数，运用有限差分，计算以所述特征点为中心，以3×1.5σ为半径区域内图像的梯度幅值和方向角；

所述结果诊断模块，构建健康牙齿的数据库，包含上述过程的关键数据，用于与所述模型测量模块的数据结果进行比对，以报表的形式输出；

所述电源模块与所述图像获取模块、所述数据分析模块相连；所述模型显示模块与所述模型修改模块相连，所述模型修改模块与所述人机交互模块相连，所述人机交互模块与所述模型测量模块相连，所述模型测量模块与所述结果诊断模块相连。

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