CN113907903A - 一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法 - Google Patents
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- A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
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Abstract
本发明公开了一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，包括以下步骤：步骤1、建立标准牙冠；步骤2、构建标准牙列形态；步骤3、获取患者解剖信息和识别个性化牙列；步骤4、确定缺牙区未来牙冠位置；步骤5、获取牙冠中心轴即未来理想种植体轴线位置。本发明避免因测量误差、主观臆断等因素对种植术前的影响，保证术前设计的科学性、精确性及可行性；并且在三维空间上自动呈现种植体位置、角度的最佳姿态，更为直观的展示种植方案的设计，利于临床医患沟通，同时节省医生临床工作时间提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及口腔医疗技术领域，具体涉及一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法。
背景技术
种植义齿正确恢复牙的形态与功能，具有良好的固位、支持和稳定，有益于口腔软、硬组织健康，坚固耐用，达到和谐、美观的外观。牙种植体的数目及尺寸，关系到种植义齿上部结构的种类及支持力的设计。种植体位置的设计是评定种植成功的基本条件，根据修复方案制定种植计划的原则，种植义齿修复中种植体的植入设计应考虑以下方面：为防止损伤神经，种植体的底端距下颌神经管壁上缘、颏孔的上缘骨质厚度应大于1~2mm；2、在种植体植入区颊舌侧骨板厚度至少要超出种植体直径2mm，即在颊侧至少要有1.5mm的骨板厚度，在舌侧至少要有0.5mm的骨板厚度；3、种植体与相邻天然牙的最佳距离应在1.5mm以上，两枚种植体轴心之间的距离应大于6~8mm，颌龈距离6mm以上。
目前临床实际操作中对种植体的位置设计仍存在一些问题：1、通常是临床医生基于专业知识与患者骨量条件，主观进行种植术前规划；2、设计、调整种植体近远中与颊舌侧距离，并没有参考边界；3、设计过程不仅存在操作者的手动误差，还会因测量平面为二维视角存在测量误差。针对以上问题，我们依据口腔专业知识，结合数字化智能技术，编写出一种可以自动进行种植设计的软件，以期通过此软件的应用，可以避免主观臆断，最大限度地减少因主观放置、人为测量等步骤产生的误差；并且在三维空间上自动呈现种植体位置、角度的最佳姿态，更为直观的展示种植方案的设计，利于临床医患沟通。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，以解决上述问题。
本发明的提供一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、建立标准牙冠；
步骤2、构建标准牙列形态
根据牙列长度和牙列宽度，采用β函数拟合正常合牙弓形态的方法或者Bonwill-Hawley牙弓形态图构建牙弓抛物线形态，根据步骤1获取的标准牙冠，排牙构建出标准牙列形态；
步骤3、获取患者解剖信息和识别个性化牙列
步骤4、确定患者的牙合平面，然后将数字化标准牙列与患者牙列形态匹配，确定缺牙区未来牙冠位置；
步骤5、获取牙冠中心轴即未来理想种植体轴线位置
未来牙冠位置确定后，识别牙冠每一层横断面的边缘，并自动计算出图像的中心点；每一层的中心点均可在三维空间内显示，以最小二乘法计算出距这些点最近的直线，即为牙冠所在轴线，牙冠轴线继续延伸即为种植体长轴的中心线，以此确定种植体位置。
作为上述方案进一步的优选
所述步骤2中采用β函数拟合正常合牙弓形态的方法构建牙弓抛物线形态为：选取中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点、双侧第二磨牙远中颊尖点；由中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点和双侧第二恒磨牙远中颊尖点五个点确定曲线；
β函数的一般形式为：Y=D[1－(2X/D)2]e；其中：D值为第二恒磨牙的宽度，即双侧第二恒磨牙远中颊尖点间距离；w值为第二恒磨牙的深度，即切牙接触点到两侧第二恒磨牙远中颊尖点连线的距离；e值是通过尖牙的位置求解得出，使曲线到两侧尖牙牙尖点距离最短且相等。
作为上述方案进一步的优选
所述步骤2中采用Bonwill-Hawley牙弓形态图构建牙弓抛物线形态的方法为：先作出x，y坐标轴，再根据AC=(两侧前牙宽度总和+3mm)／2作出点A，C；以点H(o，一AC)为圆心，以AC为半径，作圆心角范围为30°～150°的圆弧，再以A点为圆心，以57.15 mm为半径，作圆心角范围为180°～360°的圆弧，得到的曲线即为所求个体牙弓的基本形态图。
作为上述方案进一步的优选
所述步骤2中，牙列长度为左、右侧中切牙唇侧最突点连线与牙列左右侧最后一刻牙远中最突点连线之间的垂直距离，牙列宽度为双侧第二恒磨牙远中颊尖点之间的距离。
作为上述方案进一步的优选
所述步骤3获取患者解剖信息的方法为：患者佩戴面弓，取息止颌位，医师将外耳道支撑球放入双侧外耳道内，缓慢加压，嘱患者有轻微压力感时示意医师，锁紧面弓与弓体之间的螺丝使之不能左右移动，此时面弓前部与双侧瞳孔连线平行，侧部与同侧鼻翼耳屏线平行，并保持两侧高度一致，患者咬紧光学树脂咬合板，拍摄CBCT；获得患者的颌骨、牙列及牙合平面信息。
作为上述方案进一步的优选
所述步骤4数字化标准牙列与患者牙列形态匹配方法为：采用相位相关匹配算法进行粗匹配，然后采用以最小二乘和相位相关匹配在序列影像窗口下对粗匹配的同名点对进行纠正，并计算和比较相关系数测度，以相关系数的大小作为衡量同名匹配正确与否的指标，选择相关系数最大的匹配结果作为最终的结果。
本发明的有益效果具体如下：
1、本软件开发方案中每一步都是根据口腔专业知识且以修复为导向的对未来种植体位置进行限定，结合数字化智能技术，自动生成理想种植体中心轴，避免主观臆断，最大限度地减少因主观放置、人为测量等步骤产生的误差，保证种植位置的科学性和准确性；
2、软件自动完成种植设计，极大地缩短术前设计时间，较少临床医生工作量；同时又保留了手动设计功能，可使临床医生结合患者特点对软件给出的种植位置进行确认和修改，更加保证了种植位置的精确性和可行性；
3、并且在三维空间上自动呈现种植体位置、角度的最佳姿态，更为直观的展示种植方案的设计，利于临床医患沟通。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例中提供一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、标准牙冠的建立
根据《石膏牙雕刻训练教程》、《口腔解剖生理学》中所述的恒牙解剖学外形（冠长、冠宽、冠厚、唇面近远中径平分线、邻面长轴线、颈高标记线、冠长标记线等雕刻参数），设计出能够等比例缩放的28颗恒牙的标准三维形态；
步骤2、标准牙列形态的构建
（1）构建牙弓抛物线形态
将左、右侧中切牙唇侧最突点连线与牙列左右侧最后一刻牙远中最突点连线之间的垂直距离称为牙列长度，把双侧第二恒磨牙远中颊尖点之间距离称为牙列宽度，其中以尖牙牙尖顶间距代表牙列前段宽度、第一前磨牙中央窝间距代表牙列中段宽度、第一磨牙中央窝间距代表牙列后段宽度。我国国人上颌恒牙列宽约55mm，长约50mm；下颌恒牙列宽度约52mm，长约41mm。
根据牙列长度和牙列宽度，采用β函数拟合正常合牙弓形态的方法构建牙弓抛物线形态，具体为：选取中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点、双侧第二磨牙远中颊尖点；由中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点和双侧第二恒磨牙远中颊尖点五个点确定曲线。β函数的一般形式可以简化为：Y=D[1－(2X/D)2]e。其中：D值为第二恒磨牙的宽度，即双侧第二恒磨牙远中颊尖点间距离。w值为第二恒磨牙的深度，即切牙接触点到两侧第二恒磨牙远中颊尖点连线的距离。e值是通过尖牙的位置而求解出来的，使曲线到两侧尖牙牙尖点距离最短且相等。
（2）排牙
牙弓抛物线形态确定后，参考《口腔修复学》第七章，牙列缺失的全口义齿
修复的排牙具体方法，根据步骤1获取的标准牙冠，构建出标准牙列形态。
步骤3、患者解剖信息获取
患者佩戴面弓（例如Artex面弓系统），取息止颌位，医师将外耳道支撑球放入双侧外耳道内，缓慢加压，嘱患者有轻微压力感时示意医师，锁紧面弓与弓体之间的螺丝使之不能左右移动，此时面弓前部与双侧瞳孔连线平行，侧部与同侧鼻翼耳屏线（鼻翼中点-耳屏中点、鼻翼中点-耳屏上点、鼻翼下点-耳屏下点都与颌平面近似平行，可作为定位颌平面的标志线）平行，并保持两侧高度一致，患者咬紧光学树脂咬合板，拍摄CBCT；获得患者的颌骨、牙列及（牙合）平面信息，其中该咬合板需CBCT显影或其上有显影标志点以便在CBCT上提取患者（牙合）平面信息。
步骤4、个性化牙列识别
识别患者牙弓，建立个性化牙列的方法为：根据国人标准牙列长度与宽度，以牙弓宽度为X轴，过牙弓宽度中点作X轴垂线作为Y轴，牙冠宽度中点为原点，建立直角坐标系；在此坐标系中，可根据牙弓宽度获取坐标A(x1,0）、B(x2,0），以及中点坐标C（0,y3），并根据此三点坐标求解出一元二次方程，上颌外侧：y= -0.066x2+50，内侧：y= -0.09x2+42.9；下颌外侧：y=-0.061x2+41，内侧：y=-0.082x2+35.3；CBCT图像得出患者牙列长度、宽度，代入方程式得出牙弓形态。
步骤5、确定缺牙区未来牙冠位置，具体步骤如下：
（1）、确定患者（牙合）平面
确定（牙合）平面，当患者上颌中切牙、双侧第一磨牙或双侧第二磨牙等参照缺失或全牙列缺失时，可采用面弓辅助，患者佩戴面弓拍摄CBCT，面弓咬合板需采用X线显影材料制作或其上有显影标志点以确定其（牙合）平面位置（（牙合）平面即咬合板所在平面）。其二：当患者上颌中切牙与双侧第一磨牙存在时，从上颌中切牙的近中切角到双侧第一磨牙的近中颊尖顶所构成的假想平面，该平面与鼻翼耳屏线平行，基本上平分颌间距离（即处于正中平衡合时，上下牙槽嵴顶的距离）。在文献报道中，也有人采用双侧第二磨牙的近中舌尖顶或远中颊尖顶作为定位点定义（牙合）平面；
（2）、数字化标准牙列与患者牙列形态匹配
匹配方法具体为：采用相位相关匹配算法进行粗匹配，然后采用以最小二乘和相位相关匹配在序列影像窗口下对粗匹配的同名点对进行纠正，并计算和比较相关系数测度，以相关系数的大小作为衡量同名匹配正确与否的指标，选择相关系数最大的匹配结果来作为最终的结果，通过实验验证本方法能够对粗匹配的同名点对进行匹配纠正，提高匹配准确度。
前述最小二乘匹配算法是灰度匹配算法中的典型算法，其是以协方差最小求解影像中几何畸变参数和辐射畸变参数，并以协方差最小作为迭代的条件最终使影像的误差平方和最小。
前述相位相关算法：首先通过对原始影像进行尺度变换，获得图像多尺度下的尺度空间表示序列，并对其进行主轮廓提取获取特征向量，然后通过比较每一个像素点与其相邻点寻找高斯差分金字塔的极值点，完成关键点初步检测；
（3）、确定缺牙区未来牙冠位置
数字化标准牙列与患者牙列初步拟合后，缺牙区未来牙冠的大体位置范围已经确定，再结合Andrews六项标准（磨牙关系、冠角、轴倾角、冠倾斜、冠转矩）以及《口腔解剖生理学》上对于接触与接触位置的定义：相邻两牙借其邻面突度紧密相接触，接触之处称为接触点；前牙及后牙邻面突度分别在切1/3和（牙合）1/3处；第一、二前磨牙近远中面接触区及第一磨牙近中面接触区均在颌1/3偏颊侧；第一磨牙远中面接触区及其余牙的邻面接触区躲在近（牙合）缘中1/3处等设置边界条件，通过计算机中设计的防牙齿碰撞、缝隙检测等功能确定最终未来牙冠的位置；
步骤6、获取牙冠中心轴即未来理想种植体轴线位置
遵循以修复为导向的种植原则，未来牙冠位置确定后，软件自动识别牙冠每一层横断面的边缘，并自动计算出图像的中心点。每一层的中心点均可在三维空间内显示，以最小二乘法计算出距这些点最近的直线，即为牙冠所在轴线。根据牙体长轴概念，认为牙冠与种植体轴线应为同一条直线，即牙冠轴线继续延伸即为种植体长轴的中心线，以此确定种植体位置。
步骤7、机械防撞合理检测
参考《口腔颌面外科学》，种植义齿修复中种植体的植入设计应考虑以下方面：为防止损伤神经，种植体的底端距下颌神经管壁上缘、颏孔的上缘骨质厚度应大于1~2mm；2、在种植体植入区颊舌侧骨板厚度至少要超出种植体直径2mm，即在颊侧至少要有1.5mm的骨板厚度，在舌侧至少要有0.5mm的骨板厚度；3、种植体与相邻天然牙的最佳距离应在1.5mm以上，两枚种植体轴心之间的距离应大于6~8mm，颌龈距离6mm以上。
通过颌骨对排牙后的牙根与牙槽骨的合理性进行在线检测，即种植体位于牙槽骨范围内，没有出现骨开裂、骨开窗等情况。当出现牙根突出颌骨且牙根平行时，可执行软件命令将牙根整体移动直至牙根包含于颌骨中。
步骤8、人工审核确认功能。
采用本实施例的前述步骤完成种植体位置设计后，需要临床医生对最终位置进行审核，若符合种植体位置要求则采纳；若不满足要求，如按照此设计会出现骨开裂、骨开窗等情况需手动调整整体轴向以保证种植体包含于颌骨中。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例的不同之处在于，步骤2中，采用Bonwill-Hawley牙弓形态图构建牙弓抛物线形态，具体为：六个前牙宽度之和不仅确定了前部圆弧的半径和弧长，而且由它构建的等腰三角形也决定了后部两侧线段的走向，最后代表第二、第三磨牙位置的线段要稍向中线转折；先作出x，y坐标轴，再根据AC=(两侧前牙宽度总和+3mm)／2作出点A，C。由于HC=HA=AC，从而∠CHA=60。以H为圆心(坐标(o，一AC))，以AC为半径，作圆心角范围为30°～150°的圆弧，再以A点为圆心，以57.15 mm为半径，作圆心角范围为180°～360°的圆弧，曲线即为所求个体牙弓的基本形态图(Bonwill—HawIey图)。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例的不同之处在于，步骤4中，建立个性化牙列的方法为：灰度值（明暗）对比找出牙槽骨内外侧边界，以矩阵or最小二乘法，多次识别选点拟合形成牙弓形态。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例的不同之处在于，步骤4中，建立个性化牙列的方法为：根据CBCT图像数据信息采用分段线性变换、中值滤波进行图像增强、降噪，利用最大密度投影选取牙齿边界区域；
实施例5
在实施例1的基础上，本实施例的不同之处在于，步骤4中，建立个性化牙列的方法为：抑制非感兴趣组织的全景图像合成算法，基于滤波的图像增强处理，改善全景图像的对比度。
实施例6
在实施例1的基础上，本实施例的不同之处在于，步骤5中，数字化标准牙列与患者牙列形态匹配时采用的匹配方法为：结合 sift 特征描述算子和最近邻居距离比算法，完成图像的特征点匹配。就是对特征点周围一定范围内的像素进行分块，然后计算块区间内梯度直方图，生成描述每个特征点的特征向量，最近邻居距离比算法求匹配点对。
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立标准牙冠；
步骤2、构建标准牙列形态
根据牙列长度和牙列宽度，采用β函数拟合正常合牙弓形态的方法或者Bonwill-Hawley牙弓形态图构建牙弓抛物线形态，根据步骤1获取的标准牙冠，排牙构建出标准牙列形态；
步骤3、获取患者解剖信息和识别个性化牙列；
步骤4、确定患者的牙合平面，然后将数字化标准牙列与患者牙列形态匹配，确定缺牙区未来牙冠位置；
步骤5、获取牙冠中心轴即未来理想种植体轴线位置
未来牙冠位置确定后，识别牙冠每一层横断面的边缘，并自动计算出图像的中心点；每一层的中心点均可在三维空间内显示，以最小二乘法计算出距这些点最近的直线，即为牙冠所在轴线，牙冠轴线继续延伸即为种植体长轴的中心线，以此确定种植体位置。
2.根据权利要求1所述的利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，所述步骤2中采用β函数拟合正常合牙弓形态的方法构建牙弓抛物线形态为：选取中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点、双侧第二磨牙远中颊尖点；由中切牙接触点、双侧尖牙牙尖点和双侧第二恒磨牙远中颊尖点五个点确定曲线；
β函数的一般形式为：Y=D[1－(2X/D)2]e；其中：D值为第二恒磨牙的宽度，即双侧第二恒磨牙远中颊尖点间距离；w值为第二恒磨牙的深度，即切牙接触点到两侧第二恒磨牙远中颊尖点连线的距离；e值是通过尖牙的位置求解得出，使曲线到两侧尖牙牙尖点距离最短且相等。
3.根据权利要求1所述的利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，所述步骤2中采用Bonwill-Hawley牙弓形态图构建牙弓抛物线形态的方法为：先作出x，y坐标轴，再根据AC=(两侧前牙宽度总和+3mm)／2作出点A，C；以点H(o，一AC)为圆心，以AC为半径，作圆心角范围为30°～150°的圆弧，再以A点为圆心，以57.15 mm为半径，作圆心角范围为180°～360°的圆弧，得到的曲线即为所求个体牙弓的基本形态图。
4.根据权利要求1所述的利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，牙列长度为左、右侧中切牙唇侧最突点连线与牙列左右侧最后一刻牙远中最突点连线之间的垂直距离，牙列宽度为双侧第二恒磨牙远中颊尖点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，所述步骤3获取患者解剖信息的方法为：患者佩戴面弓，取息止颌位，医师将外耳道支撑球放入双侧外耳道内，缓慢加压，嘱患者有轻微压力感时示意医师，锁紧面弓与弓体之间的螺丝使之不能左右移动，此时面弓前部与双侧瞳孔连线平行，侧部与同侧鼻翼耳屏线平行，并保持两侧高度一致，患者咬紧光学树脂咬合板，拍摄CBCT；获得患者的颌骨、牙列及牙合平面信息。
6.根据权利要求1所述的利用人工智能技术用于缺牙区种植体位置的设计方法，其特征在于，所述步骤4数字化标准牙列与患者牙列形态匹配方法为：采用相位相关匹配算法进行粗匹配，然后采用以最小二乘和相位相关匹配在序列影像窗口下对粗匹配的同名点对进行纠正，并计算和比较相关系数测度，以相关系数的大小作为衡量同名匹配正确与否的指标，选择相关系数最大的匹配结果作为最终的结果。
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