CN1068670A

CN1068670A - 用定位x线片重建活体颅骨立体形态方法

Info

Publication number: CN1068670A
Application number: CN 91104761
Authority: CN
Inventors: 姚森; 林珠; 李忠科; 孙继银
Original assignee: STOMATOLOGICAL COLLEGE OF 4TH MILITARY SURGEON UNIV CPLA
Current assignee: STOMATOLOGICAL COLLEGE OF 4TH MILITARY SURGEON UNIV CPLA
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1993-02-03

Abstract

本发明属于口腔医学的牙科测量技术领域，涉及一种活体硬组织三维立体形态的测量和重建的方法。该方法包括采用普通X线片摄影机的拍摄方法，颅颌面硬组织标志点的确定方法及利用三维坐标点的颅颌面立体形态的重建方法。该方法所需设备简单，立体成像逼真，不仅适用于颅颌畸形的诊断和治疗预测，也可用于任何活体硬组织的三维立体形态的测量和重构。

Description

本发明属于口腔医学的牙科测量技术领域，涉及一种颅骨三维立体形态的测量和重建的方法。主要适用于颅颌畸形的诊断和治疗预测，也可用于任何活体硬组织的三维立体形态的测量和重构。

对于客观、定量的颅面形态的测量分析技术，自1931年Broad-bent-BoLton最早提出X线片投影测量技术以来，至今已有50多种方法相继问世。但绝大多数方法都只限于正、侧位两维平面的测量分析，这对于三维的人体硬组织结构的准确测量和定位、以便进行畸形、伤残的诊断和为治疗提供直接依据来说，无疑存在着很大的局限性。Gr ayson等人曾经进行了三维X线片头影测量方面的研究（AM.J、ORTHOP.DENTOFAC、ORTHOP.1988.10），该研究采用了与Broadbent-BOlton同样的定位仪，并进行了X线片几何同步立体摄影技术方面的探索。这种三维测量基于标志点位置的生物学统计数据，采纳吸取了综合数据半自动分析标准数据库的优点，可在计算机屏幕上显示出颅骨的三维立体模板图形（见图1）。该项研究工作同CT技术相比（Computer Tomography，可使患者接受的X线辐射剂量少一些，同时获得头颅的三维信息比较容易。但是这项工作仍旧存在以下几个方面的明显不足：1.所得到的三维立体图形属于模板图，与人体真实颅骨的形状差距较大，不能满足临床需要。2.所需立体同步X线片摄影机为专用设备，较为昂贵，难于普及。3.该研究的测量值有种族差异，不完全适合我国的人种实际情况。

目前在国内的现有技术中，尚未发现与本发明方法相同的报导。

针对上述现有技术的缺陷和不足之处。本发明的目的在于，利用各医院目前均配有的普通X线摄影机、头颅定位仪和自制颅骨标志点定位器。采用简便易行的拍摄方法和明显易辩认的标志点。从拍摄的正、侧位X线片上取得各标志点的三维坐标信息。利用计算机的几何计算，误差修正及插值计算等研究。测量并重构出完全逼真的活体硬组织三维立体形态的构型，为疾病诊断和治疗预测提供完全可靠的依据。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

一、本发明方法所依据的原理：若从两点观察空间同一点，可获得该点的真实空间信息（参见图2）。平面LAT与PA相互垂直，可代表头颅侧位及正位定位片。其方程分别为X＝-H、X＝H直线L通过点D（-dO，O）和Dp（H.Py，Pz），直线L通过点DL（O，d，O）和Dc（Lx-H，Lz）。空间点P（x、y、z）位于L、L的交点上。

L1与L2的方程为：

L1： (X-H)/(d+H) ＝ (Y-Py)/(PY) ＝ (Z-Pz)/(Pz) 。

L2： (X-Lx)/(-Lx) ＝ (Y+H)/(d+H) ＝ (Z-Lz)/(-Lz)

由此可以解出：

X＝ (LX·d·（K-Py）)/(C) ，

Y＝ (Py·d·（K+Lx）)/(C) ，

Z＝ (Lz·d·（K-Py）)/(C) 。

其中：C＝K²+Py·Lx，K＝D+H

因此，只要能在正、侧位X线片上确定出某一骨标志点的位置，即可计算出该点的真实三维坐标。

二、本发明方法：根据上述原理，本发明方法包括头颅定位X线片的拍摄方法、颅颌面硬组织标志点的确定方法及利用三维坐标点的颅颌面立体形态的重建方法。

1.头颅定位X线片的拍摄采用分次拍摄正、侧位置的方式，即先拍侧位片，被拍物旋转90°后再拍正位片，可采用“Panoramax Aufo-Ⅱ”型全口曲面断层一头颅定位X线摄影机。也可利用各医院均配有的普通X光摄影机。拍摄正、侧两位置时将X线球管及片子支持架的位置保持不变。人及头颅定位仪的位置旋转90°，同时分别将自制颅骨标志点定位器与正、侧位X线片盒固定在X线片支架上，使颅骨标志点定位器中心点位于X射线的主光轴上，固定人头位置，使眶点指针指向左眶点，然后暴光，并进行X线片冲洗。这种拍摄方式避免了使用昂贵的且必须相互垂直的两台专用X线摄影机，而仅需要国内各医院基本上都配有的X线设备。即可得到准确的正、侧位X线片。

2.在确定颅骨标志点时，除了在选点时要注意选那些在生长发育过程中位置相对恒定且在X线片上较易辨认的点之外。还应保证在正、侧位X线片上辨认同一标志点的准确性，本发明设计并使用了颅骨标志点定位器，拍摄前，将定位器固定在X线片盒前，故拍摄出来的正、侧位X线片上均留下了定位器格栅的线条（参见图3），然后根据正位X线片上各格栅上某一标志点的位置，可以准确无误地在侧位X线片上找到该标志点的相应位置，保证了在两位置的X线片上辨认同一标志点的准确性，同时还可以很方便地得到任一标志点的三维空间坐标的信息。本发明设计的定位器为框架格栅式结构，框架内的格栅由X线不能透射的金属丝制成，其格栅呈锥形光束散射状，其散射角度根据X线球管中心点离X线片的距离而定。

3.在取得X线片上各标志点的三维空间坐标的信息后，本发明三维立体形态的重建方法是利用计算机在屏幕上进行立体几何图形的框架结构显示。目前通常的显示方法还有等高线法和多边形网格法。但这两种方法对计算机的图形处理能力要求很高，需要大量的数据。而且处理的时间也很长，仅靠两张X线片上取得的数据是远远不够的，故本发明采用第一种方法，即用一组空间线条来表示物体的三维结构。本发明采用的计算机为Ys-3100微机，该机显示精度为720×512个象素，可以任选16色显示，输入设备采用PC-8875数字化仪或用摄象机直接进行图象输入。输出设备采用NM-9400S汉字图形打印机，其计算机处理系统基本组成如图4所示。输入的方法有两种，当用数字化仪输入时，其方法是：用半透明硫酸纸和细硬铅笔将正、侧位定位X线片上的头颅轮廓描下来，并注明标志点（一张片子上有72个）的位置。然后将X线片描图放在数字化仪上，按照机器的指令，采用人机对话方式，顺序输入（点入）侧、正位片上的72个标志点。如用摄象机输入时，先将X线片图象输入微机屏幕，然后用鼠标器将各标志点点入并可通过伪彩处理使标志点位置更准确。这样，计算机即可显示出头颅的各种测量值，包括X、Y、Z轴（方向）上的投影距及实际空间距离和角度，并可观察到任意方向旋转的颅骨立体形态模板图。由于本发明所用的头颅正、侧位定位片是由一台X线摄影机分别摄制的，在理想情况下，左眶点与机械耳点应位于同一水平线上，然而在拍摄正位片时，因存在定位误差，头颅或多或少会挠耳杆向前或向后旋转一定角度，造成各标志点在正位片上的投影高度发生改变。为了纠正可能有的错误，本发明在计算机中增加了误差自动修正程序，若正位片上左眶点与机械耳点不在同一水平线上并因此引起其他标志点位置发生改变时，可将左眶点与机械耳点重新建立在同一水平线上，通过计算机的误差自动修正程序进行处理。由于现有技术中的模板图与实际情况有较大的差别，不太逼真，本发明在计算机图形处理时。采用了插值方法，即将已选定的72个标志点输入微机后再用数字化仪将头影轮廓输入微机并显示于屏幕上（参见图5），通过人机对话的方式，借助鼠标器在有限标志点间插入多个中间引伸点（参见图6）。将这些点联成一系列小折线代替原来的空间曲线。然后通过平移计算，旋转变换，投影变换，由点的密集和亮暗控制深度，即可将模板图变成光滑的，具有透视感，能多方向观察的颅颌面硬组织立体形态图（参见图7）。若在屏幕上同时显示两幅相差4的红、兰色图形，通过计算机中立体视觉对程序（参见图8），观察者戴上各为红、兰色镜片的双色眼镜后，则观察到的颅颌面硬组织形态图的立体感就更强。

现将附图说明如下：

图1：Broadbent-Bolton颅骨三维立体模板图。

图2：本发明方法原理图。

图3：颅颌面硬组织标志点确定方法示意图。

图4：计算机处理系统方框图。

图5：曲线图显示处理程序方框图。

图6：空间插值处理程序方框图。

图7：用本发明方法处理的颅颌面硬组织立体形态图。

图8：立体视觉对显示处理程序方框图。

其中：1、2、3、4、不同角度显示出的Bolton颅骨三维立体模板图，5、平面LAT，6、平面PA（代表头颅正位片），7、某骨标志点，8、9、等效于双光束的X射线源，10、11、空间某骨标志点在侧、正位片上的投影点，12、定位器，13、格栅散射角刻度，14、屏幕，15、X线片描图，16、数字化仪，17、主机，18、打印机，19、鼠标器，20、键盘。

本发明同现有技术相比具有以下优点：

1.使活体颅骨的测量由平面发展到立体，由两维发展到三维，图象逼真，立体感强。

2.方法简便，不需重购专用设备，易于推广普及，仅用一台普通定位X线摄影机，解决了正、侧位X线片的获取问题。

3.有输入误差和转动位移误差修正程序，即使标志点输入有误，或转动产生位移，都可即时得到纠正，不存在人为误差。

4.由于使用了颅骨标志点定位架，保证了标志辨认的准确性和输入精确度。

由由于巧妙地使用了计算机插值技术，使有限标志点图形光滑，结果直观，解决了国外一直尚未解决的问题。

6.采用本发明方法使患者受辐射量少，整个过程时间短，能进行正常人群特征研究。

7.微机操作简单，易于撑握，在进行标志点输入时，计算机可有文字、图象、声音三种提示，就是初学者也很快能够上机操作。

本发明方法从整个构思及技术解决方案上是独创、新颖的，其应用范围不仅仅限于口腔医学方面，还可应用于骨科等其它医学领域，若将X线变成超声波后，还可将现在的二维超声波诊断变成三维超声波诊断，意义重大。由X线换成其它射线后，可重构其它物体（如一部精密仪器）内部组件的三维形态。此方法还可在法医、美容等技术领域得到广泛地应用。

Claims

1、一种利用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法，采用定位X线摄影机、头颅定位仪及微机系统，其特征在于：活体颅骨立体形态的重建方法，包括头颅定位X线片的拍摄、正、侧位颅颌面硬组织标志点的辩认确定和三维立体形态的重构再现。

2、根据权利要求1中所述的利用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法。其特征在于：头颅定位X线片正、侧位置的拍摄是将普通X线摄影机上的X线球管及片子支持架的位置保持不变，人及头颅定位仪的位置旋转90°，拍摄时分别将颅骨标志点定位器与正、侧位X线片盒固定在X线片支架上，使颅骨标志点定位器中心点位于X射线的主光轴上，固定人头位置，使眶点指针指向左眶点，然后暴光，进行X线片冲洗。

3、根据权利要求1中所述的利用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法，其特征在于：正、侧位颅颌面硬组织标志点的辩认确定和三维坐标点信息的获取是根据颅骨标志点定位器的散射光束式格栅在侧位X线片留下的条影上某标志点的位置，再从正位X线片上找到该标志点的相应位置，从而获得标志点的三维空间坐标信息。

4、根据权利要求1中所述的利用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法，其特征在于：三维立体形态的重构再现是通过微型计算机、数字化仪和汉字图形打印机或摄像机来完成的。

5、根据权利要求4中所述的利用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法，其特征在于：计算机的输入方式有两种，采用数字化仪点入或摄像机直接图象输入;数字化仪点入的方法是用半透明硫酸纸和细硬铅笔将正、侧位X线片上的头颅轮廓描下来，并注明标志点的位置。然后将X线片描图放在数字化仪上，按照机器指令，采用人机对话方式，顺序输入侧、正位片上各标志点;用摄象机直接图象输入的方法是，先将X线片图象输入微机屏幕，然后用鼠标器将各标志点点入;还可通过伪彩处理使标志点位置更准确。

6、根据权利要求4中所述的用定位X线片重建活体形态的方法，其特征在于：将三维立体模板图变为光滑的、具有透视感、能够多方向观察的颅颌面组织立体形态图的方法是通过计算机的插值处理、通过人机对话方式，借助鼠标器在有限标志点间插入多个中间引伸点。再将这些点连成一系列小折线代替原来的空间曲线，通过平移计算、旋转变换、投影变换，用点的密集和亮暗来控制图象深度。

7、根据权利要求4中所述的用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法，其特征在于：由拍摄正、侧位X线片产生的头颅挠耳杆向前或向后旋转造成各标志点在正位片上的投影高度发生的改变，可将左眶点与机械耳点重新建立在同一水平线上，通过计算机的误差自动修正程序进行处理。

8、一种根据权利要求1中所述的用定位X线片重建活体颅骨立体形态的方法而设计的定位器，其特征在于：定位器为框架格栅式结构。框架内的格栅由X线不能透射的金属丝制成，其格栅成锥形光束散射状。其散射角度根据X线球管中心点离X线片的距离而定。