JP2022516488A - 歯の位置合わせを用いた歯のセグメンテーション - Google Patents
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Abstract
Description
a)患者の歯列の第1の3Dモデル画像を取得し、第1の3Dモデル画像のセグメンテーションを取得することであって、ここで第1のセグメンテーションは、第1の3Dモデル画像の1つ以上の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベルを供給すること、
b)患者の歯列の第2の3Dモデル画像を取得することであって、第2の3Dモデル画像は表面を有すること、
c)第1の3Dモデル画像の1つ以上のセグメント化された歯の表面輪郭を第2の3Dモデル画像の表面に位置合わせすること、
d)第2の3Dモデル画像の第2のセグメンテーションを、位置合わせされた歯の表面輪郭に従って取得することであって、ここで第2のセグメンテーションは同様に、第2の3Dモデル画像の1つ以上の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベル付けを供給すること、そして、
e)セグメント化された第2の3Dモデル画像を記憶すること、を含む。
物体相対座標系内のカメラの瞬間位置と光線の瞬間位置を画像が取得されたときに知ることにより、コンピュータ及びソフトウェアは三角測量法を使用して、平面に対する多数の照らされた表面点の座標を計算し得る。平面が移動して最終的に物体の表面の一部又はすべてと交差すると、増加する複数の点の座標が累積される。この画像取得の結果として、頂上点又は頂点の点群が識別され、ボリューム内の3D表面の範囲を表すために使用され得る。次に点群内の点は、物体の3次元表面上の実際の測定点を表す。メッシュは、例えば、点群上の点を、表面形状を特徴付ける個々の合同なポリゴン面(通常は三角形の面)を定義する頂点として連結することによって代わりに構築され得る。次に、完全な3D表面画像モデルは、メッシュによって供給される表面輪郭情報をカメラ、例えば図2のカメラ24から得られる単色又は多色画像コンテンツと組み合わせることによって形成され得る。
メッシュ画像又は別のタイプの3D表面画像のセグメンテーション問題に対処するための様々なアプローチが、例えば、以下のように提案される。
(i)Thomas Kronfeldらによる記事「Snake-Based Segmentation of Teeth from Virtual Dental Casts」(Computer-Aided Design&applications、7(a)、2010年)に記載された方法は、1回の処理反復ですべての歯と歯茎の表面を分離しようとする動的輪郭セグメンテーション方法を採用する。しかしながら、説明されるアプローチは、トポロジ非依存性方法ではなく、特に顎のメッシュに欠けている歯がある場合には失敗する場合がある。
(ii)Page,D.L.らによる「Perception-based 3D Triangle Mesh Segmentation Using Fast Marching Watershed」(Proc.CVPI volII 2003年)と題した記事は、メッシュセグメンテーションに高速マーチングウォータシェッド(Fast Marching Watershed)法を使用することを記載している。記載された高速マーチングウォータシェッド法は、ユーザに手動でシード点を入力することを要求する。シード点は、セグメンテーション下の領域の輪郭の両側に配置されなければならない。その後、この方法は、シード情報を用いて、1つのステップですべての領域をセグメント化することを試みる。顎メッシュセグメンテーションについて、このタイプの方法では、各歯と同様に歯茎も同時にセグメント化する。これにより、この方法はあまり望ましくないとされるが、それは、歯を歯茎領域からセグメント化することが、通常、歯同士を互いからセグメント化するタスクに必要となるものとは異なるパラメータ及び処理を必要とするためである。別のセグメンテーション要件を備える異なるタイプの歯列構成要素について異なるセグメンテーション戦略を用いることで、パフォーマンスがより良くなり得る。
(iii)M.J.Moonは、自身の論文「Evaluation of software developed for automated segmentation of digital dental models」を裏付けるために、セグメンテーションプロセスを2つのステップ、すなわち、歯茎構造から歯を分離することと、アーチ構造全体を個々の歯物体へセグメンテーションすることとに分解するソフトウェアツールを使用した。Moonの論文で使用されたソフトウェアツールは、メッシュの最大曲率を見つけ出し、歯をセグメント化するために使用するマージン頂点を得るために、ユーザに曲率閾値を手動で選択することを要求する。ソフトウェアはまた、誤ったセグメンテーション結果を除去するために、ユーザに手動でマージンを編集するよう要求する。このソフトウェアは、形状および位置特徴付けの分析を目的とし、歯茎領域からの歯領域の分離にカラー情報を採用することは検討していない。
(iv)Jones,T.N.らによる「Manipulation a digital dentition model to form models of individual dentition components」と題した、米国特許出願第20030039389A1号は、隣接する歯を表す歯列モデルの一部分を分離する方法を開示する。
本開示の一実施形態は、歯のセグメンテーションのための改善されたワークフローを提供し、それは以前の歯のセグメンテーションデータを利用して、セグメンテーションプロセスを前進及び効率化する。
Akhoondaliらの「Rapid Automatic Segmentation and Visualization of Teeth in CT-Scan Data」、Journal of Applied Sciences、pp2031-2044、(2009)、及び、
Gaoらの「Tooth Region Separation for Dental CT Images」、2008年第3回Convergence and Hybrid Information Technologyの国際会議の議事録、pp897-901、(2008)
表面輪郭の各点の法線情報は、コンピュータグラフィックスのよく知られた手法を使用して推定され得て、例えばpointclouds.orgのWebサイトのdocumentation/tutorials/normal_estimation.phpで説明される。探索点では、点の局所近傍が定義される。共分散行列は、点の局所近傍を使用して計算される。共分散行列Cは次の形式で行う。
(i)1セットの特徴記述子を、画像データからの法線とカラーを使用して、表面輪郭ごとに、及び成長表面輪郭について推定する。表面輪郭の特徴記述子は、剛体変換(回転/並行移動)に対して不変である局所表面記述を表す。例えば、高速点特徴ヒストグラム(Fast Point Feature Histogram)(FPFH)は、表面輪郭の探索点ごとに法線を使用して計算され得る。これは、例えば、Rusu,R.B.による、「Semantic 3D Object Maps for Everyday Manipulation in Human Living Environments」(2009年8月17日)によって記述される。点群からのカラー情報を含む別の記述子もまた使用され得る。
(ii)特徴記述子の両方のセットを使用して、特徴マッチングを実行し、相対配置とスコアを生成する。法線を有する移動表面輪郭からの特徴記述子のセットと、法線を有するターゲット表面輪郭からの特徴記述子のセットとの間の特徴マッチングは、特徴記述子間の対応の生成を伴う。FPFH特徴記述子はヒストグラムであり、距離は2つの特徴記述子間のヒストグラム差のノルムとして定義され得る。対応は、1つの特徴記述子から別の特徴記述子のセットまでの最小距離として定義される。次に、特徴マッチングは、対応のグループの選択を含み、相対配置を生成する。このステップは通常、ランダムサンプルコンセンサス(RANSAC)アルゴリズムを使用して実行され、このアルゴリズムは、3つの対応をランダムに選択して候補相対変換を計算し、この候補相対変換と一致する対応の数を計数することからなる。対応は、2つの特徴記述子で形成され、1つは移動体からのもので、もう1つは法線を有するターゲット点群からのものである。各特徴記述子は探索点に対応する。対応は、候補相対変換を使用して移動された移動探索点が、ターゲット探索点から事前定義された距離内にある場合に候補相対変換に一致する。一致した対応の数が最も多い候補相対変換が、最終的な相対配置になる。スコアは、最終的な相対配置の品質を示し、対応する一致した対応の数になり得る。
(iii)スコアに基づき相対配置を受け入れ、又は拒否する。相対配置は、スコアが所定の閾値を下回っている場合に拒否される場合がある。この場合、スティッチング処理は不可能であり、画像データは破棄される。
(iv)反復最接近点アルゴリズムを使用して相対配置をリファインメント処理(refine)し、距離測定値を生成する。反復最接近点(ICP)アルゴリズムを使用した相対配置のリファインメントは、移動表面輪郭とターゲット表面輪郭の間の点対応を、相対配置が移動表面輪郭に適用されたときに最接近の一致を見つけることにより定義する。一致間の最小二乗距離の最小化により、相対配置が更新される。次に、点対応の選択と相対配置の更新は、コンバージェンスまで、又は事前定義された反復回数に達するまで反復される。距離の測定は、最終的に更新された相対配置に対応する、最小二乗距離の最小化に使用されるコスト関数の値にし得る。
(v)生成された距離測定に基づいて、相対配置を受け入れ、又は拒否する。更新された相対配置は、距離測定が所定の閾値を下回っている場合に拒否され得る。この場合、スティッチング処理は不可能であり、画像データは破棄される。それ以外の場合、スティッチング処理は成功する。
Claims (15)
- 患者の歯列の3Dモデル画像をセグメント化する方法であって、
a)前記患者の歯列の第1の3Dモデル画像を取得し、前記第1の3Dモデル画像のセグメンテーションである第1のセグメンテーションを取得することであって、ここで前記第1のセグメンテーションは、前記第1の3Dモデル画像の1つ以上の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベルを供給することと、
b)前記患者の歯列の第2の3Dモデル画像を取得することであって、前記第2の3Dモデル画像は表面を有することと、
c)前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つのセグメント化された歯の表面輪郭を前記第2の3Dモデル画像の前記表面に位置合わせすることと、
d)前記第2の3Dモデル画像の第2のセグメンテーションを前記位置合わせされた歯の表面輪郭に従って取得することであって、ここで前記第2のセグメンテーションは、前記第2の3Dモデル画像の1つ以上の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベル付けを供給することと、
e)前記セグメント化された第2の3Dモデル画像を記憶することと、を含む、
方法。 - f)前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯について歯の特徴を識別し、前記第2の3Dモデル画像の対応する歯の特徴を前記第1の3Dモデル画像の前記識別された少なくとも1つの歯の特徴に基づいて識別することを更に含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯について前記識別された歯の特徴は、軸、咬頭、又は窩のうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の3Dモデル画像を取得することは、口腔内スキャナ又はコーンビームコンピュータ断層撮影法のうちの少なくとも1つから複数の画像を取得することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の3Dモデル画像を取得することは、口腔内スキャナ又はコーンビームコンピュータ断層撮影法のうちの少なくとも1つから複数の画像を取得することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1のセグメンテーションを取得することは、前記少なくとも1つの歯の頚部限界を識別することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第2のセグメンテーションを取得することは、
(i)前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯の頚部限界を前記第2の3Dモデル画像に投影すること、及び、
(ii)前記第2の3Dモデル画像の前記対応する歯の表面輪郭を、前記投影された頚部限界を使用して抽出すること、を更に含む、
請求項6に記載の方法。 - 前記投影された頚部限界を曲率検出を使用してリファインメント処理した後に、前記抽出ステップを行うことを更に含む、請求項7に記載の方法。
- 前記第1の3Dモデル画像の各セグメント化された歯の輪郭を前記第2の3Dモデル画像の対応する輪郭に位置合わせすることは、特徴マッチングアルゴリズムを使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の3Dモデル画像のセグメント化された歯を前記第2の3Dモデル画像の対応する輪郭に位置合わせすることは、前記特徴マッチングアルゴリズムが適用される前記第2の3Dモデル画像の領域を定義することを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記第1の3Dモデル画像の各セグメント化された歯の輪郭を前記第2の3Dモデル画像の対応する輪郭に位置合わせすることは、前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの臼歯を前記第2の3Dモデル画像の対応する特徴に位置合わせすることを更に含む、請求項9に記載の方法。
- 歯の位置合わせを、反復最接近点アルゴリズムを使用してリファインメント処理することを更に含む、請求項11に記載の方法。
- 患者の歯列の3Dモデル画像をセグメント化する方法であって、
a)前記患者の歯列の第1の3Dモデル画像を、口腔内スキャナを使用して取得し、前記第1の3Dモデル画像のセグメンテーションを生成することであって、ここで前記セグメンテーションは、前記第1の3Dモデルの複数の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベルを供給することと、
b)前記患者の歯列の第2の3Dモデル画像を取得することであって、前記第2の3Dモデル画像は表面を有することと、
c)前記第1の3Dモデル画像の各セグメント化された歯の表面輪郭を前記第2の3Dモデル画像の前記表面に位置合わせすることと、
d)前記第2の3Dモデル画像の第2のセグメンテーションを前記位置合わせされた歯の表面輪郭に従って取得することであって、ここで前記第2のセグメンテーションは同様に、前記第2の3Dモデル画像の複数の歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベル付けを供給することと、
e)前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯について歯の特徴を識別し、前記第2の3Dモデル画像の対応する歯の特徴を前記第1の3Dモデル画像の前記識別された少なくとも1つの歯の特徴に基づいて識別することと、
f)前記セグメント化された第2の3Dモデル画像を記憶することと、を含む、
方法。 - 前記第2のセグメンテーションを取得することは、前記第2の3Dモデル画像の1つ以上の歯の軸の向きを取得することを更に含む、請求項13に記載の方法。
- 患者の歯列の3Dモデル画像を生成するための装置であって、
a)患者の歯列の複数の画像を取得するように構成された口腔内スキャナと、
b)前記口腔内スキャナと信号通信状態にあり、プログラムされた命令を実行して、
(i)前記患者の歯列の第1の3Dモデル画像を取得し、前記第1の3Dモデル画像のセグメンテーションを取得し、ここで前記セグメンテーションは、前記第1の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベルを供給し、
(ii)前記患者の歯列の第2の3Dモデル画像を取得し、前記第2の3Dモデル画像は表面を有し、
(iii)前記第1の3Dモデル画像の各セグメント化された歯の表面輪郭を前記第2の3Dモデル画像の前記表面に位置合わせし、
(iv)前記第2の3Dモデル画像の第2のセグメンテーションを前記位置合わせされた歯の表面輪郭に従って取得し、ここで前記第2のセグメンテーションは同様に、前記第2の3Dモデル画像の少なくとも1つの歯に少なくとも歯の表面輪郭及び歯のラベル付けを供給する、ように構成可能なプロセッサと、
c)前記セグメント化された第2の3Dモデル画像を表示するために前記プロセッサと信号通信にあるディスプレイと、を含む、
装置。
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