CN105608747B - 一种从三维牙科锥形束ct数据中提取全景图的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,步骤如下:⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线;⑵根据生成牙弓曲线提取三维口腔全景曲面;⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。本方法可以用三维CT数据提取牙齿曲面断层图像,解决结构重叠和图像模糊的问题,提高了诊断的精度;利用该方法,可以得到单帧口腔全景图,而且该方法得到的单帧口腔全景图能够显示全口齿列,能清晰地辨识出牙齿的解剖结构,如:牙釉质、牙本质、牙髓等,有效地避免了由透视引起的图像模糊,无结构重叠。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域,涉及一种X射线全景图生成方法,尤其是一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法。
背景技术
X射线全景图是口腔中所有牙齿的X射线二维投影图像,可以直观地显示所有牙齿的分布情形,有助于医生了解口腔中牙齿的全貌。X射线全景图是牙科医生广泛使用的一类简单方便的影像检查技术。但是,传统的X射线全景图存在一些缺点,例如,几何变形、结构叠加、图像模糊等。
目前,牙科锥形束CT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,已经广泛被应用于牙科诊断与整形领域。但是根据三维CT数据,无法直观地观察全口牙齿,从CT数据中合成全景图成为牙科锥形束CT***的一个重要软件功能。
现有的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,首先在某二维断层或者三维数据在竖直方向上的最大密度投影(MIP)图像上,拟合牙弓曲线;然后将该曲线应用在所有的CT断层数据上,得到柱面;根据牙弓曲线的法线方向,增加柱面的厚度,使得厚度柱面覆盖全口牙齿;最后沿法线方向将厚度柱面数据投影在中心柱面上,得到拟X射线全景图。因为人类牙齿有一定的倾角,此类方法需要一定的厚度,才能将全口牙齿显示在全景图上,然而厚度投影,会造成图像模糊,降低图像质量,影响诊断的精度。
通过检索,尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,针对现有全景图提取方法中所存在的问题,提供一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,该方法拟合一个通过全口牙齿中心的三维曲面,得到三维口腔全景曲面;展开该三维全景曲面,最终得到口腔全景图,相对传统提取全景图的方法,减少了曲面厚度,解决了透视图像模糊与结构重叠问题,提高了诊断的精度。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,步骤如下:
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线;
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面;
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。
而且,所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为:沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像,在最大密度投影图像中分离牙弓,拟合牙弓曲线。
而且,在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为:结合基于灰度的分割方法和坐标阈值,在最大密度投影图像中分离牙弓。
而且,根据所述基于灰度的分割方法,得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域;所述坐标阈值用四边形邻域表示,计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域,使得该邻域覆盖骨头区域一定的比例p50%-100%。
而且,所述拟合牙弓曲线具体步骤为:根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上对称选取控制点,根据控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线。
而且,所述步骤⑵中根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为:根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线,并依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面。
而且,所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为:计算牙弓曲线的法向,将法向应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图;对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,从矢状图中分割出牙齿;根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线。
而且,所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为:将牙弓曲线按弧长展开成直线,并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置,记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线;根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,得到全景图。
而且,具体步骤如下:
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线:
沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像;
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法,提取聚类后最亮的骨头区域;计算骨头区域的重心点,及其四边形邻域,使得四边形邻域覆盖骨头区域的p=75%,得到四边形邻域表示的坐标范围;在骨头区域上应用坐标阈值,得到分离的牙弓;
根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上,对称选取13个控制点;根据选取的控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线;
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面:
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线;
将法线应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图;
对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,分割出牙齿;
根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线;
依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面;
⑶展开三维全景曲面,得到单帧口腔全景图:
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线,将该曲线按弧长展开:
其中,Lj表示第j个线段的弧长,则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线:
hj=zj, (b)
其中,zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标;
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标,得到单帧口腔全景图;
⑷计算三维全景曲面上各像素点的法向,沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面,并按照公式(a)、(b)展开曲面,得到厚度全景图。
本发明取得的优点和积极效果是:
1、本方法可以用三维牙科锥形束CT数据提取牙齿曲面断层图像,解决结构重叠和图像模糊的问题,提高了诊断的精度;利用该方法,可以得到单帧口腔全景图,而且该方法得到的单帧口腔全景图能够显示全口齿列,能清晰地辨识出牙齿的解剖结构,如:牙釉质、牙本质、牙髓等,有效地避免了由透视引起的图像模糊,无结构重叠。
2、本方法也可以得到厚度全景图,无结构重叠,能清晰地辨识出牙齿的解剖结构和下颌神经。
3、给定聚类数目和比例p后,该方法可自动实施,有效减少了手动操作。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为本发明方法中生成牙弓曲线步骤的流程图;其中,图2-1为三维牙科锥形束CT数据图,图2-2为MIP图像,图2-3为分离的牙弓图,图2-4为牙弓曲线图;
图3为本发明方法中提取三维口腔全景曲面的流程图;其中,图3-1为牙弓曲线的法线,图3-2为牙齿矢状图,图3-3为牙体长轴曲线图,图3-4为三维口腔全景曲面图;
图4为本发明方法的口腔全景图;其中,图4-1为单帧口腔全景图,图4-2为厚度口腔全景图;
图5为本发明方法的口腔全景图中的牙齿解剖结构指示图;其中,左侧图为单帧口腔全景图中单颗牙齿的解剖结构指示图,右侧图为厚度口腔全景图中单颗牙齿的解剖结构指示图,其中,1为牙釉质,2为牙本质,3为牙髓。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明进一步说明;下述实施例是说明性的,不是限定性的,不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的设备,如无特殊规定,均为本领域内常用的设备;本发明中所使用的方法,如无特殊规定,均为本领域内常用的方法。
本发明中三维口腔全景曲面是经过全口牙齿中心的曲面,所述提取三维口腔全景曲面,具体包括:根据所述牙弓曲线,拟合牙体长轴曲线;并依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面,所述牙体长轴曲线,是描述上颌、下颌牙齿的牙体长轴的曲线。
实施例1
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,步骤如下:
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线;
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面;
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图。
较优地,所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为:沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像,在最大密度投影图像中分离牙弓,拟合牙弓曲线。
较优地,在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为:结合基于灰度的分割方法和坐标阈值,在最大密度投影图像中分离牙弓。
较优地,根据所述基于灰度的分割方法,得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域;所述坐标阈值用四边形邻域表示,计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域,使得该邻域覆盖骨头区域一定的比例p50%-100%。
较优地,所述拟合牙弓曲线具体步骤为:根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上对称选取控制点,根据控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线,例如,可以通过手动移动所述的控制点,可以相应地修改所述的牙弓曲线。
较优地,所述步骤⑵中根据生成牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为:根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线,并依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面。
较优地,所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为:计算牙弓曲线的法向,将法向应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图;对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,从矢状图中分割出牙齿;根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线。
较优地,所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为:将牙弓曲线按弧长展开成直线,并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置,记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线;根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,得到全景图。
实施例2
一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,能够提取三维口腔全景曲面,并展开三维曲面得到口腔全景图。
方法流程如图1所示,具体步骤如下:
1、根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线,具体实施方法如下:
沿竖直方向计算三维CT数据的MIP图像,如图2-2所示;
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法,提取聚类后最亮的骨头区域;计算骨头区域的重心点,及其四边形邻域,使得四边形邻域覆盖骨头区域的p=75%,得到四边形邻域表示的坐标范围;在骨头区域上应用坐标阈值,得到分离的牙弓,如图2-3所示;
根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上,对称选取13个控制点,如图2-4的红点所示;根据选取的控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线,如图2-4的绿线所示。
2、根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面,具体实施方法如下:
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线,如图3-1中的黄色短线;
将法线应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图,如图3-2给出了三个矢状图示例;
对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,分割出牙齿;
根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线,如图3-3中的白色曲线所示;
依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面,如图3-4给出了三维口腔全景曲面的三个不同方向的视图。
3、展开三维全景曲面,得到单帧口腔全景图,具体实施方法如下:
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线,将该曲线按弧长展开:
其中,Lj表示第j个线段的弧长,则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线:
hj=zj, (b)
其中,zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标;
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标,得到单帧口腔全景图,如图4-1所示。
4、计算三维全景曲面上各像素点的法向,沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面,并按照公式(a)、(b)展开曲面,得到厚度全景图,如图4-2所示。
综上所述,本发明是一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,本发明方法拟合三维口腔全景曲面,并展开三维曲面得到全景图。相对传统的提取全景图的方法,减少了曲面厚度,解决了透视图像模糊与结构重叠问题,提高了全景图中牙齿解剖结构的辨识度。
以上述依据本发明的理想实施案例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:步骤如下:
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线;
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面;
⑶展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图;
所述步骤⑴中根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线具体步骤为:沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像,在最大密度投影图像中分离牙弓,拟合牙弓曲线;
在最大密度投影图像中分离牙弓的具体步骤为:结合基于灰度的分割方法和坐标阈值,在最大密度投影图像中分离牙弓;
根据所述基于灰度的分割方法,得到最大密度投影图像中最亮的骨头区域;所述坐标阈值用四边形邻域表示,计算所述骨头区域像素点的重心点及其四边形邻域,使得该邻域覆盖骨头区域的50%-100%。
2.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:所述拟合牙弓曲线具体步骤为:根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上对称选取控制点,根据控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线。
3.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:所述步骤⑵中根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面的具体步骤为:根据牙弓曲线拟合牙体长轴曲线,并依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面。
4.根据权利要求3所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:所述拟合牙体长轴曲线具体步骤为:计算牙弓曲线的法向,将法向应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图;对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,从矢状图中分割出牙齿;根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线。
5.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:所述步骤⑶中展开三维口腔全景曲面得到口腔全景图的具体步骤为:将牙弓曲线按弧长展开成直线,并计算牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点在展开直线上的位置,记为对应牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线;根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,得到全景图。
6.根据权利要求1所述的从三维牙科锥形束CT数据中提取全景图的方法,其特征在于:具体步骤如下:
⑴根据三维牙科锥形束CT数据生成牙弓曲线:
沿竖直方向计算三维CT数据的最大密度投影图像;
在最大密度投影图像上应用k-means++聚类方法,提取聚类后最亮的骨头区域;计算骨头区域的重心点,及其四边形邻域,使得四边形邻域覆盖骨头区域的75%,得到四边形邻域表示的坐标范围;在骨头区域上应用坐标阈值,得到分离的牙弓;
根据分离出的牙弓所在的像素位置,拟合二次曲线,在该曲线上,对称选取13个控制点;根据选取的控制点,采用三次样条插值得到牙弓曲线;
⑵根据生成的牙弓曲线提取三维口腔全景曲面:
根据样条插值函数的导函数计算牙弓曲线的法线;
将法线应用在三维CT数据的所有断层上,得到一系列的牙齿矢状图;
对每一幅矢状图,应用基于灰度的分割方法,分割出牙齿;
根据描述牙齿的像素点位置,拟合牙体长轴曲线;
依序排列所有的牙体长轴曲线,得到三维口腔全景曲面;
⑶展开三维全景曲面,得到单帧口腔全景图:
牙体长轴曲线与牙弓曲线的交点组成分段曲线,将该曲线按弧长展开:
其中,Lj表示第j个线段的弧长,则wi即为第i条牙体长轴曲线在全景图上的横坐标;
将牙体长轴曲线按其竖直坐标展开成直线:
hj=zj, (b)
其中,zj是牙体长轴曲线上第j个像素点的竖直坐标;
根据牙体长轴曲线在全景图上的横坐标,依次排序展开牙体长轴曲线得到的直线,则(wi,hj)即为第i条牙体长轴曲线上第j个像素点在全景图上的坐标,得到单帧口腔全景图;
⑷计算三维全景曲面上各像素点的法向,沿着一定长度的法线透视投影三维CT数据到全景曲面,并按照公式(a)、(b)展开曲面,得到厚度全景图。
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