CN117860284A - 一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，包括以下步骤：S1、获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；S2、基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；S3、由上到下依次拼接各个轴向断层截面的牙弓曲线，获得采样曲面；S4、使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；S5、展开口腔全景曲面图；本发明通过自适应牙位的方式拟合一经过全口牙齿中心的三维曲面，基于该曲面生成全景图，在减少采样曲面厚度从而避免透视图像模糊与结构重叠的同时，使全景图的准确性不受患者缺牙影响。

Description

一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法

技术领域

本发明涉及到医学影像处理技术领域，具体涉及到一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法。

背景技术

X射线全景图是一种X射线二维投影图，呈现口腔中所有牙齿的分布，有助于医生全面了解口腔内的牙齿情况。这是一种在牙科领域被广泛采用的简便影像检查技术。然而，传统的X射线全景图存在一些问题，包括几何变形、结构叠加和图像模糊。目前，牙科锥形束CT(CBCT)以其高空间分辨率、低辐射剂量和灵活的后处理软件等优势在牙科诊断与整形领域得到广泛应用。但是由于三维CT数据无法直观观察全口牙齿，因此合成全景图已成为牙科CBCT系统中一个重要的软件功能。

现有的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的基本思路是，首先在某二维断层拟合牙弓曲线，再将该曲线应用在所有CT断层数据上，形成柱面。通过增加柱面的厚度，根据牙弓曲线的法线方向，确保覆盖全口牙齿。最后，将厚度柱面数据沿法线方向投影在中心柱面上，生成类似X射线全景图。由于人类牙齿存在一定的倾角，基于上述思路的方法，如CN116563474B、CN109584147B的专利方案，需要一定的厚度来确保全口牙齿在全景图中的显示。然而，厚度投影可能导致图像模糊，从而降低图像质量，影响诊断的准确性。

CN105608747B与CN114972239A的专利方案中，通过提取一系列牙弓曲线所经过的矢状图上的牙体长轴曲线的方式，合成一个通过全口牙齿中心的三维曲面，使用该曲面对CBCT数据进行重采样得到口腔全景图，减少了曲面厚度，解决了透视图像模糊与结构重叠的问题。但是此类方法中患者缺牙会导致矢状图中牙体长轴曲线拟合失准，进而导致全景图在缺牙处发生畸变。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法；通过自适应牙位的方式拟合一经过全口牙齿中心的三维曲面，基于该曲面生成全景图，在减少采样曲面厚度从而避免透视图像模糊与结构重叠的同时，使全景图的准确性不受患者缺牙影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，包括以下步骤：

S1、获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；

S2、基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；

S3、由上到下依次拼接各个轴向断层截面的样条曲线，获得采样曲面；

S4、使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

S5、展开口腔全景曲面图。

步骤S1具体包括：

S1.1、生成牙齿区域的CBCT影像对应的轴向最大密度投影图；

S1.2、使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将最大密度投影图中的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分中面积最大的连通域，对最大连通域进行形态学细化操作得到牙弓曲线影像；

S1.3、收集牙弓曲线影像中所有灰度值非零的像素点坐标，将这些点坐标依据曲线的延伸方向排序，获得有序点集P，对点集P进行等间隔采样得到点集N，使得点集N所含点的个数小于P，同时N中相邻点间的距离小于齿间距，点集N即为牙弓曲线的控制点。

步骤S2具体包括：

S2.1、确定各控制点处的搜寻方向与搜寻范围；

S2.2、取CBCT影像的轴向断层截面，使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将的轴向断层截面的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分的二值图，使其白色部分的像素值为1，黑色部分的像素值为0；

S2.3、在一个控制点的搜寻方向和搜索范围内，收集所有像素值为1的像素点的坐标，若收集所得坐标的数量不为零，计算所有收集所得坐标的几何中心点的坐标值，并用该几何中心点的坐标值替换该控制点的坐标值；若收集所得坐标的数量为零，则维持该控制点的坐标值不变；依次对每个控制点的坐标值进行调节；

S2.4、基于更新后的控制点坐标值生成Cardinal样条曲线。

步骤S2.1具体包括：

控制点的搜寻方向为牙弓曲线在该控制点处的法线方向和负法线方向；分别在牙弓曲线法线方向与法线负方向，获取最大密度投影图中高灰度部分的最大连通域的宽度，取二者中数值较大者作为搜寻范围的值。

步骤S3具体包括：

S3.1、记牙齿区域CBCT影像的体素轴向长度为a，记步骤S1中获得的原始牙弓曲线的长度为b，b除以a的整数部分记为c；

S3.2、对步骤S2中各轴向断层截面上的样条曲线进行等距采样，在每条样条曲线上获得等距分布的(c+1)个点的坐标值；

S3.3、按照每个样条曲线所处轴向断层截面的顺序，自上而下排列每一组样条曲线的采样点，连接这些采样点生成一网格状曲面，获得采样曲面。

步骤S4具体包括：

使用步骤S3中所得到的采样曲面对CBCT影像进行采样，即对于网格采样曲面上的每一个网格顶点，设置其灰度值为与其距离最近的CBCT影像体素点的灰度值。

步骤S5具体包括：

对于第i条样条曲线上的第j个采样点，将其置于全景图中坐标[i,j]的位置，依次展开所有口腔全景曲面图的样条曲线采样点，得到展开后的口腔全景曲面图。

一种自适应牙位的口腔全景图的生成系统，包括：

牙弓曲线控制点获取模块，同于获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；

控制点调整模块，基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；

样条曲线拼接模块，同于拼接各个轴向断层截面的牙弓曲线，获得采样曲面；

采样模块，同于使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

展开模块，同于展开口腔全景曲面图。

一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的生成方法。

一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现所述的生成方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本申请考虑CBCT各轴向断层面牙位分布的实际情况，以牙位自适应的方式调整控制点，使得优化后的牙弓曲线经过断层面上的每一颗牙齿，进而使得由牙弓曲线构成的网格采样曲面不会遗漏任何牙位，无需增加曲面厚度，即可采样得到包含完整牙齿的口腔全景图；

2、相比现有技术会受到患者缺牙的影像，本申请在每个轴向断层面上都基于默认的初始牙弓曲线进行调整优化，在部分牙齿缺失的情况下，由于默认控制点的存在，不会使控制点间出现很大断层，网格采样曲面依然能够生成，从而减少了缺牙对于全景图生成的影响。

附图说明

图1为本申请实施例中的轴向最大密度投影图；

图2为本申请实施例中的牙弓曲线获取的流程图；

图3为本申请实施例中的牙弓曲线影像图；

图4为本申请实施例中的控制点搜寻范围示意图；

图5为本申请实施例中的生成样条曲线的流程图；

图6为本申请实施例中的采样曲面的示意图；

图7为本申请实施例中的采样曲面与CBCT影像的相对位置关系的示意图；

图8为本申请实施例中的口腔全景曲面的示意图；

图9为本申请实施例中的口腔全景曲面展开后的示意图；

图10为本申请实施例中的患者CBCT体绘显示的示意图；

图11为本申请实施例中的主要流程步骤图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，如图11所示，包括以下步骤：

S1、获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点，以便更好地观察和理解牙齿及其周围结构的形态和位置。

步骤S1具体包括：

S1.1、生成牙齿区域的CBCT影像对应的轴向最大密度投影图(MIP)，如图1所示；MIP是一种可视化技术，用于显示3D数据中的最大密度区域。优选的，MIP生成使用ITK影像处理库提供MaximumProjectionImageFilter方法。

S1.2、使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将最大密度投影图中的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分中面积最大的连通域，对最大连通域进行形态学细化操作得到牙弓曲线影像，如图2所示。

大津阈值算法是一种常用的图像分割方法，该方法通过自动选择一个阈值来将图像分成两个类别，以达到最大化两个类别之间的方差，从而实现图像的二值化分割。将图像分为低灰度、中灰度、高灰度三群，以便初步提取出牙齿区域，然后提取牙弓曲线；对最大连通域进行形态学细化操作可以得到更精确的牙弓曲线影像，形态学细化操作可以去除连通域内的毛刺和小分支，使牙弓曲线更加平滑和准确。

优选的，最大连通域提取由ITK库之ConnectedComponentImageFilter方法实现，形态学细化由ITK库之BinaryThinningImageFilter方法实现。

S1.3、收集牙弓曲线影像中所有灰度值非零的像素点坐标，将这些点坐标依据曲线的延伸方向排序，获得有序点集P，对点集P进行等间隔采样得到点集N，使得点集N所含点的个数小于P，同时点集N中相邻点间的距离小于齿间距，点集N即为牙弓曲线的控制点，点集N所含点在牙弓曲线上的分布如图3所示。通过设置控制点，以便后续对牙弓曲线进行调整。

S2、基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线。如图5所示，以获得更符合该轴向截面牙位分布的牙弓曲线。

步骤S2具体包括：

S2.1、确定各控制点处的搜寻方向与搜寻范围。

控制点的搜寻方向为牙弓曲线在该控制点处的法线方向和负法线方向；分别在牙弓曲线法线方向与法线负方向，获取最大密度投影图中高灰度部分的最大连通域的宽度，取二者中数值较大者作为搜寻范围的值。如图4中所示，为某控制点的法线方向，L1与L2中的较大者为该控制点处的搜寻范围值。通过确定法线和负法线方向，可以更好地理解牙弓曲线的局部特征；取法线方向与负法线方向上连通域宽度的较大值作为搜寻范围的值，能够更全面地覆盖牙弓曲线的变化，确保分析的准确性和完整性。

S2.2、取CBCT影像的轴向断层截面，使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将的轴向断层截面的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分的二值图，使其白色部分的像素值为1，黑色部分的像素值为0。

S2.3、在一个控制点的搜寻方向和搜索范围内，收集所有像素值为1的像素点的坐标，若收集所得坐标的数量不为零，计算所有收集所得坐标的几何中心点的坐标值，并用该几何中心点的坐标值替换该控制点的坐标值；若收集所得坐标的数量为零，则维持该控制点的坐标值不变；依次对每个控制点的坐标值进行调节。

通过计算像素值为1的像素点的几何中心点，并将该中心点坐标作为控制点的新的坐标值，可以使得数据更加平滑，这种平滑处理有助于减少噪声和异常值的影响，另一方面，可以提取出图像中代表了牙齿的某些特定部分或结构，对于牙齿排列、形状和可能的异常的识别非常关键。

S2.4、基于更新后的控制点坐标值生成Cardinal样条曲线。优选的，使用VTK库之vtkCardinalSpline方法生成样条曲线。Cardinal样条曲线能够通过控制点的坐标值进行拟合，从而逼近原始数据。这种方法能够提供一种平滑的曲线，更好地描述数据点之间的变化趋势和模式。通过生成样条曲线，可以平滑处理原始数据中的噪声和异常值，提高数据的平滑度和质量，减少误差并提高准确性。

S3、由上到下依次拼接各个轴向断层截面的样条曲线，获得采样曲面。通过拼接各个轴向断层截面的牙弓曲线对应的样条曲线，可以获得牙齿和口腔结构在三维空间中的完整形态，有助于建立准确的三维模型。

步骤S3具体包括：

S3.1、记牙齿区域CBCT影像的体素轴向长度为a，记步骤S1中获得的原始牙弓曲线的长度为b，b除以a的整数部分记为c。确定采样密度，确保采样曲面的精度与CBCT影像的分辨率相匹配，从而在保持足够细节的同时避免不必要的计算和数据冗余。

S3.2、对步骤S2中各轴向断层截面上的样条曲线进行等距采样，在每条样条曲线上获得等距分布的(c+1)个点的坐标值；确保采样点在曲线上均匀分布，从而在生成采样曲面时能够捕捉到牙弓曲线的详细形状和特征。

优选的，利用VTK库vtkSplineFilter过滤器的SetNumberOfSubdivisions方法进行等距采样。

S3.3、如图6所示，按照每个样条曲线所处轴向断层截面的顺序，自上而下排列每一组样条曲线的采样点，连接这些采样点生成一网格状曲面，获得采样曲面。获得一个连续的、网格状的采样曲面，该曲面能够精确地表示牙齿和口腔结构的形状和排列，为后续的分析、诊断和治疗提供基础数据。

该采样曲面与CBCT影像的相对位置关系如图7所示，其中患者CBCT以体绘形式显示。

S4、使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

步骤S4具体包括：

使用步骤S3中所得到的采样曲面对CBCT影像进行采样，即对于网格采样曲面上的每一个网格顶点，设置其灰度值为与其距离最近的CBCT影像体素点的灰度值。采样所得口腔全景曲面如图8所示。通过将采样曲面与CBCT影像进行匹配，可以确保曲面上的数据与实际牙齿和口腔结构的数据相一致，有助于提高分析的准确性和可靠性；由于采样曲面是通过对样条曲线进行等距采样生成的，因此能够保留牙齿和口腔结构的详细形状和特征，将采样曲面与CBCT影像进行匹配，可以进一步增强这些细节的保留。

优选的，利用VTK库之vtkProbeFilter方法实现采样，其中牙齿CBCT影像为源数据，采样曲面为输入数据。

S5、展开口腔全景曲面图。

步骤S5具体包括：

对于第i条样条曲线上的第j个采样点，将其置于全景图中坐标[i,j]的位置，依次展开所有口腔全景曲面图的样条曲线采样点，得到展开后的口腔全景曲面图。所得展开后全景图如图9所示，对比图10患者CBCT的体绘显示可知，展开后全景图包含患者所有牙齿，不存在遗漏的牙位。展开后的口腔全景曲面图能够清晰地展示牙齿和口腔结构之间的空间位置关系。通过观察不同牙齿、组织间的相对位置和关系，医生可以对牙齿异常、错位等问题进行准确的诊断和评估。

本发明的另一方面，还提供一种自适应牙位的口腔全景图的生成系统，包括：

牙弓曲线控制点获取模块，同于获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；

控制点调整模块，基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；

样条曲线拼接模块，同于拼接各个轴向断层截面的牙弓曲线，获得采样曲面；

采样模块，同于使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

展开模块，同于展开口腔全景曲面图。

本发明的另一方面，还提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的生成方法。

本发明的另一方面，还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现所述的生成方法。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；

S2、基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；

S3、由上到下依次拼接各个轴向断层截面的样条曲线，获得采样曲面；

S4、使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

S5、展开口腔全景曲面图。

2.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S1.1、生成牙齿区域的CBCT影像对应的轴向最大密度投影图；

S1.2、使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将最大密度投影图中的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分中面积最大的连通域，对最大连通域进行形态学细化操作得到牙弓曲线影像；

S1.3、收集牙弓曲线影像中所有灰度值非零的像素点坐标，将这些点坐标依据曲线的延伸方向排序，获得有序点集P，对点集P进行等间隔采样得到点集N，使得点集N所含点的个数小于P，同时点集N中相邻点间的距离小于齿间距，点集N即为牙弓曲线的控制点。

3.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S2.1、确定各控制点处的搜寻方向与搜寻范围；

S2.2、取CBCT影像的轴向断层截面，使用大津阈值算法，以二值图分割的形式将的轴向断层截面的像素分为低灰度、中灰度、高灰度三群，提取高灰度部分的二值图，使其白色部分的像素值为1，黑色部分的像素值为0；

S2.3、在一个控制点的搜寻方向和搜索范围内，收集所有像素值为1的像素点的坐标，若收集所得坐标的数量不为零，计算所有收集所得坐标的几何中心点的坐标值，并用该几何中心点的坐标值替换该控制点的坐标值；若收集所得坐标的数量为零，则维持该控制点的坐标值不变；依次对每个控制点的坐标值进行调节；

S2.4、基于更新后的控制点坐标值生成样条曲线。

4.根据权利要求3所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S2.1具体包括：

控制点的搜寻方向为牙弓曲线在该控制点处的法线方向和负法线方向；分别在牙弓曲线法线方向与法线负方向，获取最大密度投影图中高灰度部分的最大连通域的宽度，取二者中数值较大者作为搜寻范围的值。

5.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S3.1、记牙齿区域CBCT影像的体素轴向长度为a，记步骤S1中获得的原始牙弓曲线的长度为b，b除以a的整数部分记为c；

S3.2、对步骤S2中各轴向断层截面上的样条曲线进行等距采样，在每条样条曲线上获得等距分布的(c+1)个采样点的坐标值；

S3.3、按照每个样条曲线所处轴向断层截面的顺序，自上而下排列每一组样条曲线的采样点，连接这些采样点生成一网格状曲面，获得采样曲面。

6.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

使用步骤S3中所得到的采样曲面对CBCT影像进行采样，即对于网格采样曲面上的每一个网格顶点，设置其灰度值为与其距离最近的CBCT影像体素点的灰度值。

7.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

对于第i条样条曲线上的第j个采样点，将其置于全景图中坐标[i,j]的位置，依次展开所有口腔全景曲面图的样条曲线采样点，得到展开后的口腔全景曲面图。

8.根据权利要求1所述的一种自适应牙位的口腔全景图的生成系统，其特征在于，包括：

牙弓曲线控制点获取模块，同于获取牙弓曲线影像及牙弓曲线的控制点；

控制点调整模块，基于控制点在各轴向断层截面调整牙弓曲线，生成样条曲线；

样条曲线拼接模块，同于拼接各个轴向断层截面的牙弓曲线，获得采样曲面；

采样模块，同于使用采样曲面对牙齿区域的CBCT影像进行采样，获得口腔全景曲面图；

展开模块，同于展开口腔全景曲面图。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至7中任意一项所述的生成方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至7中任意一项所述的生成方法。