CN114708312A - 基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：通过制作上下颌标记装置；下颌运动数据采集与处理；CBCT数据图像采集与处理；下颌运动数据与CBCT图像数据融合；制作多颌位咬合板；MRI数据图像采集与处理；下颌运动数据与CBCT、MRI图像数据配准、融合步骤，以3D模型和影像形式直观再现下颌运动。本发明实现对颞下颌关节窝、关节盘、髁突三元相对运动关系及空间姿态的准确记录，以直观量化形式揭示颞下颌关节真实的功能运动状态，该方法可被用于颞下颌关节临床研究，作为颞下颌关节疾病的诊断、治疗和预后评估的辅助手段，临床操作简便，能够降低临床医师对关节盘位置判断的难度，提高对颞下颌关节疾病诊治的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及颞下颌关节运动重建领域，具体为基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法。
背景技术
近年来，多模态信息融合技术在医学领域得到了广泛关注，其中医学影像融合能够将不同成像数据结合起来，充分利用各种医学信息的优势，在一幅图像中同时展现解剖结构、功能状态等多方面的情况，从而以直观形式提供了更加全面的生理或病理信息，为口腔相关疾病的精确诊疗提供技术手段。
目前对于颞下颌关节常用的辅助检查技术为放射成像技术和下颌运动轨迹描记技术。现阶段放射成像技术只有采集静态影像数据才能获得较高质量图像，动态图像分辨率较低且仅为二维成像，任何单一的成像技术都无法获得其完整的结构、疾病信息，无法直观反映其功能运动的实时状态。下颌运动轨迹描记技术由于依靠机械式的描记、软组织的可让性、原位测量等原因，致使其测量精度不足，并且无法直接记录和观察内部结构的运动情况，只能结合解剖学知识根据运动轨迹曲线来推测颞下颌关节和其他软组织的协同运动状态。有国内外研究者利用双目视觉与CT技术结合，只能显示颞下颌关节骨组织的运动情况，而缺少重要的颞下颌关节盘运动重建，这对于颞下颌关节的研究是远远不够的。现阶段尚无任何系统或产品能够完整重建颞下颌关节运动过程，口腔医生迫切需要直观了解颞下颌关节的实时功能状态，这成为目前颞下颌关节疾病研究中亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，所述颞下颌关节运动重建方法的步骤包括：
步骤1：制作上下颌标记装置；
步骤2：下颌运动数据采集与处理：采用光学定位跟踪系统记录试戴者的下颌运动，试戴者佩戴着上下颌标记装置，端坐于椅上以具有背部支撑，双目平视前方，正对光学定位跟踪系统，眶耳平面与水平面平行，试戴者按照医生指令做相关的下颌运动，由光学定位跟踪系统实时记录上下颌标记装置上标记点的运动数据，当上、下颌骨标记装置进入光学定位跟踪系统视锥范围内，直接获得光学定位跟踪系统到标记装置坐标系的转换矩阵以及标记球运动数据；
步骤3：CBCT数据图像采集与处理：采集试戴者佩戴上下颌标记装置的牙尖交错位的颅颌面CBCT数据，利用图像处理算法对上、下颌骨进行分割并三维重建，标定上颌骨与上颌标记装置、下颌骨与下颌标记装置的相对位置关系；
步骤4：下颌运动数据与CBCT图像数据融合：将获取的上、下颌标记装置运动转化为上、下颌骨运动，实现上、下颌三维重建模型复现下颌运动；
步骤5：制作多颌位咬合板：在上、下颌三维模型下颌运动过程中，选取多个颌位对应的三维重建模型设计并3D打印解剖咬合板，以保证在采集MRI数据过程中窝-盘-突关系与采集CBCT数据端坐位时一致；
步骤6：MRI数据图像采集与处理：试戴者佩戴咬合板进行颞下颌关节区的MRI检查，采集多颌位颞下颌关节的MRI影像数据，利用图像处理算法三维重建关节窝、关节盘及髁突结构；
步骤7：下颌运动数据与CBCT、MRI图像数据配准、融合：采用基于解剖结构引导的配准方法，对CBCT和MRI影像及三维重建文件进行图像配准，结合下颌运动数据转化为颞下颌关节窝、关节盘、髁突的运动，得到一组影像和一组三维重建模型帧序列构成的动态视频，从而获得颞下颌关节的功能运动情况。
进一步的，所述制作上下颌标记装置的步骤包括：
步骤11、上颌标记装置以面弓式支架作为主体结构，支架左右两端设计滑道和螺母结构，支架左右侧的前、后端分别设置有两条头带，用魔术贴完成左右侧头带粘接，起到固定的作用，并在面弓式支架标记架粘接四个被动式反射标记球一；
步骤12、下颌标记装置以个性化下颌牙弓夹板式牙合叉作为主体结构，在牙合叉末端设有标记架，粘有与上颌标记装置相同的四个被动式反射标记球二；
步骤13、为试戴者佩戴粘有反光标志球的上下颌标记装置：首先佩戴已粘有四个被动式反射标志球一的上颌标记装置，利用硅橡胶印模材制作鼻托放置于试戴者鼻根点与上颌标记装置两镜圈连接体之间，调整左右侧固定架距离，使其无压迫紧贴志愿者左右头侧，调整装置的上下缘与瞳孔连线平行后，使用越过头顶和枕骨下方的两条头带固定，调整预先制作的个性化下颌牙弓夹板式牙合叉至试戴者进行下颌运动时无干扰，配合生物胶将其固定于下牙列，并保证其手柄与面中线一致，在预定位置固定粘有四个反射标记球二的标记架。
进一步的，所述反射标记球一和反射标记球二均用于被光学定位跟踪系统识别。
进一步的，所述步骤12中个性化下颌牙弓夹板式牙合叉由前端牙弓夹板和手柄组成。
进一步的，所述反射标记球一和反射标记球二均采用ABS材料制成，具有反射红外线图层。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过转化、分割、配准等步骤，将光学定位跟踪系统获得的下颌运动数据与颞下颌关节的CBCT、MRI图像数据融合，具有以下优点：
(1)、以3D模型和影像形式全面、直观再现颞下颌关节真实的功能运动状态，克服了以往设备只能记录运动轨迹曲线或颞下颌关节骨组织运动的缺点，增加了对关节盘的运动记录，获得了完整的颞下颌关节内部结构的空间姿态和相对位置关系，能够从任一时刻和空间视角进行观察，为颞下颌关节运动生理、病例模型的建立提供依据；
(2)、使用计算机基于运动学算法直接获取并计算上下颌相对运动，取代以往利用描记针寻找患者铰链轴位置的方法，简化实验操作流程，并降低因设备干扰、术者主观认识偏差和操作技术不熟练等原因对结果造成的影响，提高记录和测量的准确度；
(3)、实现仅拍摄一次CBCT配准多个颌位MRI影像，减少患者所受放射的剂量，降低图像采集成本；
(4)、本发明设计装置具有可调节性，可多次重复利用，适用范围广，降低制作成本；
(5)、作为颞下颌关节疾病的诊断、治疗和预后评估的辅助手段，操作简便，降低临床医师对关节盘位置判断的难度，提高对颞下颌关节疾病诊治的准确性。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的上颌标记装置的正视图；
图3是本发明的上颌标记装置的俯视图；
图4是本发明的上颌标记装置的右视图；
图5是本发明的下颌标记装置的正视图；
图6是本发明的下颌标记装置的俯视图；
图7是本发明的下颌标记装置的右视图；
图8是本发明的上下颌标记装置的结构示意图；
图9是本发明的下颌开闭口运动数据的示意图。
图中的附图标记及名称如下：
1、支架；2、反射标记球一；3、标记架；4、反射标记球二；5、手柄；6、牙弓夹板。
具体实施方式
如附图1所示，本发明提供的基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，所述颞下颌关节运动重建方法的步骤包括：
步骤1：制作上下颌标记装置：
步骤11、如附图2、3、4所示，上颌标记装置以面弓式支架作为主体结构，支架1左右两端设计滑道和螺母结构，支架1左右侧的前、后端分别设置有两条头带，用魔术贴完成左右侧头带粘接，起到固定的作用，并在面弓式支架标记架粘接四个被动式反射标记球一2，用于被光学定位跟踪系统识别，所述反射标记球一2采用ABS材料制成，具有反射红外线图层；
步骤12、如附图5、6、7所示，下颌标记装置以个性化下颌牙弓夹板式牙合叉作为主体结构，所述个性化下颌牙弓夹板式牙合叉由前端牙弓夹板6和手柄5组成，在牙合叉末端设有标记架3，粘有与上颌标记装置相同的四个被动式反射标记球二4，所述反射标记球二4也采用ABS材料制成，具有反射红外线图层；
所述牙弓夹板和手柄的制备步骤为：制取试戴者下牙列石膏模型，制作下颌牙列压膜保持器，磨除其与上颌牙列存在咬合接触区域，得到牙弓夹板，于下中切牙唇侧位置连接手柄，以便于握持和固定标记架；
步骤13、如附图8所示，为试戴者佩戴粘有反光标志球的上下颌标记装置：首先佩戴已粘有四个被动式反射标志球一2的上颌标记装置，利用硅橡胶印模材制作鼻托放置于试戴者鼻根点与上颌标记装置两镜圈连接体之间，调整左右侧固定架距离，使其无压迫紧贴志愿者左右头侧，调整装置的上下缘与瞳孔连线平行后，使用越过头顶和枕骨下方的两条头带固定，调整预先制作的个性化下颌牙弓夹板式牙合叉至试戴者进行下颌运动时无干扰，配合生物胶将其固定于下牙列，并保证其手柄5与面中线一致，在预定位置固定粘有四个反射标记球二4的标记架。
步骤2：下颌运动数据采集与处理：采用光学定位跟踪系统记录试戴者的下颌运动，试戴者佩戴着上下颌标记装置，端坐于椅上以具有背部支撑，双目平视前方，正对光学定位跟踪系统，眶耳平面与水平面平行，试戴者按照医生指令做相关的下颌运动，由光学定位跟踪系统实时记录上下颌标记装置上标记点的运动数据，当上、下颌骨标记装置进入光学定位跟踪系统视锥范围内，直接获得光学定位跟踪系统到上、下颌标记装置坐标系的转换矩阵
和
以及标记球运动数据Pt(x，y，z)；
坐标系建立：本发明将世界参考坐标系定义为W＝{OW，XW，YW，ZW}，将上颌标记装置坐标系定义为
下颌标记装置坐标系定义为
上颌骨坐标系定义为U＝{OU，XU，YU，ZU}，下颌骨坐标系定义为L＝{OL，XL，YL，ZL}，关节盘坐标系定义为C＝{OC，XC，YC，ZC}；其中上颌骨坐标系以鼻根点作为坐标系原点，定义矢状向为X轴，水平向为Y轴，垂直向为Z轴，与下颌骨坐标系和关节盘坐标系中每个对应的坐标轴平行。
光学定位系统获取下颌运动数据：当上、下颌骨标记装置进入光学定位跟踪系统视锥范围内，获得上下颌标记装置的标记点P在t时刻在世界坐标系中的空间坐标Pt(x，y，z)，t时刻上颌标记装置标记点组的空间坐标Pu1(t)、Pu2(t)、Pu3(t)、Pu4(t)和下颌标记装置标记点组的空间坐标Pl1(t)、Pl2(t)、Pl3(t)、Pl4(t)。
步骤3：CBCT数据图像采集与处理：采集试戴者佩戴上下颌标记装置的牙尖交错位的颅颌面CBCT数据，利用图像处理算法对上、下颌骨进行分割并三维重建，标定上颌骨与上颌标记装置、下颌骨与下颌标记装置的相对位置关系，得到变换矩阵
和
步骤4：下颌运动数据与CBCT图像数据融合：将获取的上、下颌标记装置运动转化为上、下颌骨运动，实现上、下颌三维重建模型复现下颌运动；
具体利用标记CBCT图像的方法，得到了上、下颌标记装置上四个反射球的球中心位置，根据四个球心的位置建立上、下颌标记装置坐标系UM、LM。由于CBCT图像数据同时包括了上、下颌骨和上、下颌标记装置，因此获取上、下颌骨坐标系与上、下颌标记装置坐标系之间的转换关系
和
根据光学定位跟踪系统和上、下颌标记装置的坐标系转换矩阵以及获得的运动数据，够得到上、下颌骨坐标系与光学定位跟踪系统坐标系的转换关系
和
从而实现CBCT图像数据与下颌运动数据的配准融合。；
如附图9所示，得到下颌开闭口运动数据，其中X为矢状向髁突位移量；Y为水平向髁突位移量；Z为垂直向髁突位移量；S为空间内髁突位移量；
正常颞下颌关节下颌运动范围:前伸运动时应该达到10-14mm,开闭口运动过程中应该达到10-16mm；侧方运动中,下颌运动应在8-12mm范围内。
步骤5：制作多颌位咬合板：在上、下颌三维模型下颌运动过程中，选取多个颌位对应的三维重建模型设计并3D打印解剖咬合板，以保证在采集MRI数据过程中窝-盘-突关系与采集CBCT数据端坐位时一致；
步骤6：MRI数据图像采集与处理：试戴者佩戴咬合板进行颞下颌关节区的MRI检查，采集多颌位颞下颌关节的MRI影像数据，利用图像处理算法三维重建关节窝、关节盘及髁突结构；
步骤7：下颌运动数据与CBCT、MRI图像数据配准、融合：采用基于解剖结构引导的配准方法，对CBCT和MRI影像及三维重建文件进行图像配准，结合下颌运动数据转化为颞下颌关节窝、关节盘、髁突的运动，得到一组影像和一组三维重建模型帧序列构成的动态视频，从而获得颞下颌关节的功能运动情况，具体包括：
(1)影像配准：分别在CBCT和MRI图像中识别髁突、关节窝影像并进行特征提取，将二者图像进行空间对齐，使得CBCT和MRI影像中关节窝、髁突表面边缘轮廓一致且完全重合，边缘无重叠，得到CBCT和MRI影像的配准矩阵，进行图像融合至一个CBCT-MRI图像；
(2)模型配准：分别在CBCT和MRI图像的三维重建模型中识别髁突骨皮质轮廓并进行特征提取，将二者图像进行空间对齐，得到CBCT和MRI三位重建模型的配准矩阵，进行图像融合至一个CBCT-MRI三维重建模型；
(3)根据光学定位跟踪系统坐标系与CBCT的转换关系和CBCT、MRI的配准转换关系，得出光学定位跟踪系统坐标系与MRI的转换关系，进而得到在下颌运动过程中关节盘的空间位置，从而获得颞下颌关节的功能运动情况。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (5)
1.基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：所述颞下颌关节运动重建方法的步骤包括：
步骤1：制作上下颌标记装置；
步骤2：下颌运动数据采集与处理：采用光学定位跟踪系统记录试戴者的下颌运动，试戴者佩戴着上下颌标记装置，端坐于椅上以具有背部支撑，双目平视前方，正对光学定位跟踪系统，眶耳平面与水平面平行，试戴者按照医生指令做相关的下颌运动，由光学定位跟踪系统实时记录上下颌标记装置上标记点的运动数据，当上、下颌骨标记装置进入光学定位跟踪系统视锥范围内，直接获得光学定位跟踪系统到标记装置坐标系的转换矩阵以及标记球运动数据；
步骤3：CBCT数据图像采集与处理：采集试戴者佩戴上下颌标记装置的牙尖交错位的颅颌面CBCT数据，利用图像处理算法对上、下颌骨进行分割并三维重建，标定上颌骨与上颌标记装置、下颌骨与下颌标记装置的相对位置关系；
步骤4：下颌运动数据与CBCT图像数据融合：将获取的上、下颌标记装置运动转化为上、下颌骨运动，实现上、下颌三维重建模型复现下颌运动；
步骤5：制作多颌位咬合板：在上、下颌三维模型下颌运动过程中，选取多个颌位对应的三维重建模型设计并3D打印解剖咬合板，以保证在采集MRI数据过程中窝-盘-突关系与采集CBCT数据端坐位时一致；
步骤6：MRI数据图像采集与处理：试戴者佩戴咬合板进行颞下颌关节区的MRI检查，采集多颌位颞下颌关节的MRI影像数据，利用图像处理算法三维重建关节窝、关节盘及髁突结构；
步骤7：下颌运动数据与CBCT、MRI图像数据配准、融合：采用基于解剖结构引导的配准方法，对CBCT和MRI影像及三维重建文件进行图像配准，结合下颌运动数据转化为颞下颌关节窝、关节盘、髁突的运动，得到一组影像和一组三维重建模型帧序列构成的动态视频，从而获得颞下颌关节的功能运动情况。
2.根据权利要求1所述的基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：所述制作上下颌标记装置的步骤包括：
步骤11、上颌标记装置以面弓式支架作为主体结构，支架左右两端设计滑道和螺母结构，支架左右侧的前、后端分别设置有两条头带，用魔术贴完成左右侧头带粘接，起到固定的作用，并在面弓式支架标记架粘接四个被动式反射标记球一；
步骤12、下颌标记装置以个性化下颌牙弓夹板式牙合叉作为主体结构，在牙合叉末端设有标记架，粘有与上颌标记装置相同的四个被动式反射标记球二；
步骤13、为试戴者佩戴粘有反光标志球的上下颌标记装置：首先佩戴已粘有四个被动式反射标志球一的上颌标记装置，利用硅橡胶印模材制作鼻托放置于试戴者鼻根点与上颌标记装置两镜圈连接体之间，调整左右侧固定架距离，使其无压迫紧贴志愿者左右头侧，调整装置的上下缘与瞳孔连线平行后，使用越过头顶和枕骨下方的两条头带固定，调整预先制作的个性化下颌牙弓夹板式牙合叉至试戴者进行下颌运动时无干扰，配合生物胶将其固定于下牙列，并保证其手柄与面中线一致，在预定位置固定粘有四个反射标记球二的标记架。
3.根据权利要求2所述的基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：所述反射标记球一和反射标记球二均用于被光学定位跟踪系统识别。
4.根据权利要求2所述的基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：所述步骤12中个性化下颌牙弓夹板式牙合叉由前端牙弓夹板和手柄组成。
5.根据权利要求2所述的基于多模态信息融合的颞下颌关节运动重建方法，其特征在于：所述反射标记球一和反射标记球二均采用ABS材料制成，具有反射红外线图层。
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