CN114022611A - 单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及应用 - Google Patents

单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及应用，所述的形态学测量分析系统包括：CBCT扫描设备，所述CBCT扫描设备用于扫描获取单侧正锁合患者的下颌骨原始模型，对原始模型进行功能单元分区；建模单元，所述建模单元用于对每一个功能单元分别进行三维建模并镜像，得到下颌骨镜像模型；拟合单元，所述拟合单元用于将原始模型与镜像模型进行拟合并匹配，获得原始模型与镜像模型的匹配度。本发明基于CBCT的三维可视化表面匹配测量分析技术实现了对下颌骨功能单元的三维形态学测量分析，可进行直观的形态学分析，使下颌骨各个功能单元左右两侧的对称性和形态差异达到可视化和量化。

Description

单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及 应用
技术领域
本发明属于医疗分析技术领域，涉及一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及应用。
背景技术
锁合是后牙的一种错合畸形，分为正锁合及反锁合。正锁合是指上颌后牙舌尖的舌斜面位于下颌后牙颊尖颊斜面的颊侧，临床虽较为多见，但易被患者忽视。研究发现正锁合可能导致咬合干扰，影响咀嚼效率，导致颞下颌关节紊乱(TMD)，甚至可能影响颌面部发育。临床上有很多关于正锁合治疗方法的讨论，但是关于单侧正锁合与下颌骨形态学之间关系的研究相对较少。形态学分析对于病理的分析，诊断有非常重要的作用。口腔中传统的测量方法是采用二维X线片，例如全口牙位曲面体层片，头颅侧位X线片，头颅正位片、后前位片等。但二维平片具有失真、不清晰、易受头部姿势位置原因导致误，并且只能通过测量“点”“线”“角”获得二维信息等缺点。因此，这种二维的测量方式在测量下颌骨的对称性和形态学的诊断中存在很多局限性。
CN110251275A公开了一种个性化髁突假体的设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用CBCT拍摄患者颌面部的医学影像数据；将数据以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics，生成全头颅3D虚拟模型；将下颌骨模型从全头颅模型中进行分离，输出为STL格式文件；步骤2、将下颌骨模型的STL文件导入Geomagic软件，模拟手术过程进行病损区截骨，再进行修整，得到下颌骨a的STL模型；对下颌骨a的STL模型进行逆向重建，再进行正向设计，再进行图像精细化调整，并利用四边形布点原则进行精确曲面拟合，得到髁突假体的STL模型，即所需的个性化髁突假体。
CN112150472A公开了一种基于CBCT的三维颌骨图像分割方法，所述方法包括：从待分割的CBCT图像提取多个图像子序列，输入训练好的卷积神经网络模型，对应得到多个分割结果；将所述分割结果整合得到所述待分割的CBCT图像的三维颌骨分割结果；所述训练好的卷积神经网络模型通过以下步骤得到：构建卷积神经网络模型；将已分割标记颌骨的CBCT图像预处理后，从中提取图像子序列作为训练样本，对所述卷积神经网络模型进行训练。
临床上针对单侧锁合患者下颌骨功能单元的三维评估未有报道。锁合对患者的下颌骨形态将产生怎样具体的影响值得进一步通过区分下颌骨功能单元进行细致研究，这为临床诊疗提供了思路和依据。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统、方法及应用，基于CBCT的三维可视化表面匹配测量分析技术实现了对下颌骨功能单元的三维形态学测量分析，并生成三维可视化彩图，可进行直观的形态学分析，计算匹配百分比，量化形态差异，具体分析同一下颌骨不同功能单元的情况，使下颌骨各个功能单元左右两侧的对称性和形态差异达到可视化和量化，为研究下颌骨或者今后探究其他人体骨骼结构的对称性和形态变化带来新的思路和途径。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统，所述的形态学测量分析系统包括：
CBCT扫描设备，所述CBCT扫描设备用于扫描获取单侧正锁合患者的下颌骨原始模型，对原始模型进行功能单元分区。
建模单元，所述建模单元用于对每一个功能单元分别进行三维建模并镜像，得到下颌骨镜像模型。
拟合单元，所述拟合单元用于将原始模型与镜像模型进行拟合并匹配，获得原始模型与镜像模型的匹配度。
本发明提供了一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析方法，基于CBCT的三维可视化表面匹配测量分析技术实现了对下颌骨功能单元的三维形态学测量分析，突破了传统测量方法中仅测量“点”、“线”、“角”的二维测量方法，对测量分析方法在三维方向上做出了“面到面”的改进，与2D平面片相比，三维可视化表面匹配技术显示出更多优势，包括(1)减小失真误差；(2)减小因头部姿势位置造成的投影误差；(4)获得直观真实的解剖表面标志，而不是投影标志，根据标志点划分下颌骨功能单元；(4)可进行体积测量。本发明对功能单元进行分区后分别进行三维“面到面”的测量分析，并生成三维可视化彩图，可进行直观的形态学分析，计算匹配百分比，量化形态差异，具体分析同一下颌骨不同功能单元的情况，使下颌骨各个功能单元左右两侧的对称性和形态差异达到可视化和量化，为研究下颌骨或者今后探究其他人体骨骼结构的对称性和形态变化带来新的思路和途径。
作为本发明一种优选的技术方案，所述CBCT扫描设备扫描获取的下颌骨图像以DICOM标准存储，并导入MIMICS软件中，经预处理得到下颌骨原始模型，对下颌骨原始模型进行可视化分割，得到若干个功能单元。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的预处理过程包括如下步骤：
(1)建立原始遮罩，将预定义的阈值设置为“骨骼”，创建下颌骨分割对象；
(2)输入阈值对下颌骨图像进行精细调整；
(3)使用蒙版裁剪工具选择下颌骨区域并限制分割；
(4)通过编辑蒙版工具对活动蒙版的3D预览进行手动编辑操作，得到下颌骨蒙版；
(5)应用蒙版平滑工具和轮廓编辑，去下颌骨蒙版中的现有伪影，得到清晰的下颌骨原始模型。
作为本发明一种优选的技术方案，根据6个标志点将原始模型分为7个功能单元，分别为牙槽骨、下颌骨体、下颌骨支、髁突、颏、喙突和下颌角。
优选地，所述的6个标志点包括：乙状切迹上的最凹点、下颌联合最凹点、下颌支前缘与下颌体之间的交点、下颌角前切迹最凹点、下颌平面与下颌下缘相切点、以及髁突和下颌支相切的平面。
下颌骨由不同的功能单元组成(牙槽骨、下颌骨体、下颌骨支、髁突、颏、喙突和下颌角)，下颌骨的生长发育与各个功能单元的生长发育相关。且由于不同功能单元的位置形态、肌肉附着、功能运动等不同，各个功能单元的生长发育和差异性改变可能不尽相同。本发明对下颌骨进行分区，通过使用标志点来重建下颌骨3D图像上的每个下颌功能单元并分别进行形态学分析，这对于研究下颌骨的生长发育以及单侧锁合的诊疗有重要意义。
作为本发明一种优选的技术方案，所述建模单元以穿过颅颌正中矢状面的平面作为镜像平面，将建模后的各个功能单元进行镜像后得到下颌骨镜像模型。
作为本发明一种优选的技术方案，所述拟合单元内置Geomagic Control X软件，使用Geomagic Control X软件中的Initial Alignment工具将原始模型与镜像模型进行拟合对齐。
优选地，所述的拟合过程还包括：
使用Geomagic Control X软件中的Best Fit Alignment工具，配准精度设置为≤0.1mm，多边形表面配准百分比设置为100％，对原始模型与镜像模型进行最佳拟合对齐，减少原始模型与镜像模型之间的整体偏差。
作为本发明一种优选的技术方案，使用拟合单元内置的Geomagic Control X软件中的3D比较工具将镜像模型上的配对点投影到原始模型上，采用等距映射算法计算对齐后的镜像模型表面和原始模型表面之间的线性距离分布，绘制距离分布图。
优选地，所述距离分布图的绘制方法包括：采用不同颜色的光谱表示镜像模型表面和原始模型表面之间的距离分布情况，形成三维可视化彩图。
作为本发明一种优选的技术方案，当距离值超出容差范围的最大值时，在三维可视化彩图中以红色区域显示。
当距离值低于容差范围的最小值时，在三维可视化彩图中以蓝色区域显示。
当距离值位于容差范围内时，在三维可视化彩图中以绿色区域显示。
第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的形态学测量分析系统以非疾病诊断和/或治疗为目的形态学测量分析方法，所述形态学测量分析方法包括：
(Ⅰ)采用CBCT扫描设备扫描获取单侧正锁合患者的下颌骨原始模型，对原始模型进行功能单元分区；
(Ⅱ)对每一个功能单元分别进行三维建模并镜像，得到下颌骨镜像模型；
(Ⅲ)将原始模型与镜像模型进行拟合并匹配，获得原始模型与镜像模型的匹配度。
第三方面，本发明提供了一种第一方面所述的形态学测量分析系统和/或第二方面所述的形态学测量分析方法在单侧锁合患者下颌骨功能单元的三维评估中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
下颌骨的生长发育与各个骨单元的生长发育有紧密联系，这对于研究下颌骨的生长发育，单侧锁合的诊疗有重要意义，传统的二维测量方式多局限于“点线角”的二维测量，忽视了下颌骨表面起伏的曲面形态，所以二维的测量方法具有较多局限性。本发明提供了一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析方法，基于CBCT的三维可视化表面匹配测量分析技术实现了对下颌骨功能单元的三维形态学测量分析，突破了传统测量方法中仅测量“点”、“线”、“角”的二维测量方法，对测量分析方法在三维方向上做出了“面到面”的改进，与2D平面片相比，三维可视化表面匹配技术显示出更多优势，包括(1)减小失真误差；(2)减小因头部姿势位置造成的投影误差；(4)获得直观真实的解剖表面标志，而不是投影标志，根据标志点划分下颌骨功能单元；(4)可进行体积测量。本发明对功能单元进行分区后分别进行三维“面到面”的测量分析，并生成三维可视化彩图，可进行直观的形态学分析，计算匹配百分比，量化形态差异，具体分析同一下颌骨不同功能单元的情况，使下颌骨各个功能单元左右两侧的对称性和形态差异达到可视化和量化，为研究下颌骨或者今后探究其他人体骨骼结构的对称性和形态变化带来新的思路和途径。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的形态学测量分析方法的流程图；
图2为本发明一个具体实施方式的下颌骨功能单元分区示意图；
图3为本发明一个具体实施方式提供的镜像模型图；
图4为本发明一个具体实施方式提供的下颌骨功能单元的最佳拟合效果图；
图5为本发明一个具体实施方式提供的下颌骨功能单元的三维可视化偏差分析彩图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析方法，所述的形态学测量分析方法如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)采用CBCT扫描设备扫描获取单侧正锁合患者的原始图像，原始图像以DICOM标准存储并导入MIMICS软件中，建立原始遮罩，将预定义的阈值设置为“骨骼”，创建下颌骨分割对象，输入阈值对精下颌骨图像进行精细调整，使用蒙版裁剪工具选择下颌骨区域并限制分割，通过编辑蒙版工具对活动蒙版的3D预览进行手动编辑操作，得到下颌骨蒙版，应用蒙版平滑工具和轮廓编辑，去下颌骨蒙版中的现有伪影，得到清晰的下颌骨原始模型；
(2)如图2所示，根据6个标志点将原始模型分为7个功能单元，分别为牙槽骨Ap、下颌骨体Mb、下颌骨支Ra、髁突Co、颏Ch、喙突Cr和下颌角Ma；6个标志点包括：乙状切迹上的最凹点Sg、下颌联合最凹点B、下颌支前缘与下颌体之间的交点Ri、下颌角前切迹最凹点Ag、下颌平面与下颌下缘相切点Mp、以及髁突和下颌支相切的平面Rp；
(3)如图3所示，以穿过颅颌正中矢状面的平面作为镜像平面，将建模后的各个功能单元进行镜像后得到下颌骨镜像模型，并储存为stl格式；
(4)如图4所示，使用Geomagic Control X软件中的Initial Alignment工具将原始模型与镜像模型进行拟合对齐，为了提高叠加精度，使用Geomagic Control X软件中的Best Fit Alignment工具，配准精度设置为≤0.1mm，多边形表面配准百分比设置为100％，对原始模型与镜像模型进行最佳拟合对齐，减少原始模型与镜像模型之间的整体偏差；
(5)进行模型最佳拟合后，使用Geomagic Control X软件中的3D比较工具将镜像模型上的配对点投影到原始模型上，采用等距映射算法计算对齐后的镜像模型表面和原始模型表面之间的线性距离分布，采用不同颜色的光谱表示镜像模型表面和原始模型表面之间的距离分布情况，形成三维可视化彩图(如图5所示)；
为了评估和定位下颌骨不对称，公差范围设置为±0.5mm，当距离值大于公差范围的正限值(+0.5mm)时，在三维可视化彩图中显示为红色表示；当距离值小于负限值(-0.5mm)时，在三维可视化彩图中显示为蓝色表示；当距离值包含在容差范围内时，在三维可视化彩图中显示为绿色表示。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种单侧正锁合下颌骨功能单元的形态学测量分析系统，其特征在于，所述的形态学测量分析系统包括：
CBCT扫描设备，所述CBCT扫描设备用于扫描获取单侧正锁合患者的下颌骨原始模型，对原始模型进行功能单元分区；
建模单元，所述建模单元用于对每一个功能单元分别进行三维建模并镜像，得到下颌骨镜像模型；
拟合单元，所述拟合单元用于将原始模型与镜像模型进行拟合并匹配，获得原始模型与镜像模型的匹配度。
2.根据权利要求1所述的形态学测量分析系统，其特征在于，所述CBCT扫描设备扫描获取的下颌骨图像以DICOM标准存储，并导入MIMICS软件中，经预处理得到下颌骨原始模型，对下颌骨原始模型进行可视化分割，得到若干个功能单元。
3.根据权利要求2所述的形态学测量分析系统，其特征在于，所述的预处理过程包括如下步骤：
(1)建立原始遮罩，将预定义的阈值设置为“骨骼”，创建下颌骨分割对象；
(2)输入阈值对下颌骨图像进行精细调整；
(3)使用蒙版裁剪工具选择下颌骨区域并限制分割；
(4)通过编辑蒙版工具对活动蒙版的3D预览进行手动编辑操作，得到下颌骨蒙版；
(5)应用蒙版平滑工具和轮廓编辑，去下颌骨蒙版中的现有伪影，得到清晰的下颌骨原始模型。
4.根据权利要求1-3任一项所述的形态学测量分析系统，其特征在于，根据6个标志点将原始模型分为7个功能单元，分别为牙槽骨、下颌骨体、下颌骨支、髁突、颏、喙突和下颌角；
优选地，所述的6个标志点包括：乙状切迹上的最凹点、下颌联合最凹点、下颌支前缘与下颌体之间的交点、下颌角前切迹最凹点、下颌平面与下颌下缘相切点、以及髁突和下颌支相切的平面。
5.根据权利要求1-4任一项所述的形态学测量分析系统，其特征在于，所述建模单元以穿过颅颌正中矢状面的平面作为镜像平面，将建模后的各个功能单元进行镜像后得到下颌骨镜像模型。
6.根据权利要求1-5任一项所述的形态学测量分析系统，其特征在于，所述拟合单元内置Geomagic Control X软件，使用Geomagic Control X软件中的InitialAlignment工具将原始模型与镜像模型进行拟合对齐；
优选地，所述的拟合过程还包括：
使用Geomagic Control X软件中的Best Fit Alignment工具，配准精度设置为≤0.1mm，多边形表面配准百分比设置为100％，对原始模型与镜像模型进行最佳拟合对齐，减少原始模型与镜像模型之间的整体偏差。
7.根据权利要求1-6任一项所述的形态学测量分析系统，其特征在于，使用拟合单元内置的Geomagic Control X软件中的3D比较工具将镜像模型上的配对点投影到原始模型上，采用等距映射算法计算对齐后的镜像模型表面和原始模型表面之间的线性距离分布，绘制距离分布图；
优选地，所述距离分布图的绘制方法包括：采用不同颜色的光谱表示镜像模型表面和原始模型表面之间的距离分布情况，形成三维可视化彩图。
8.根据权利要求7所述的形态学测量分析系统，其特征在于，当距离值超出容差范围的最大值时，在三维可视化彩图中以红色区域显示；
当距离值低于容差范围的最小值时，在三维可视化彩图中以蓝色区域显示；
当距离值位于容差范围内时，在三维可视化彩图中以绿色区域显示。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的形态学测量分析系统以非疾病诊断和/或治疗为目的形态学测量分析方法，其特征在于，所述形态学测量分析方法包括：
(Ⅰ)采用CBCT扫描设备扫描获取单侧正锁合患者的下颌骨原始模型，对原始模型进行功能单元分区；
(Ⅱ)对每一个功能单元分别进行三维建模并镜像，得到下颌骨镜像模型；
(Ⅲ)将原始模型与镜像模型进行拟合并匹配，获得原始模型与镜像模型的匹配度。
10.权利要求1～8任一项所述的形态学测量分析系统和/或权利要求9所述的形态学测量分析方法在单侧锁合患者下颌骨功能单元的三维评估中的应用。
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