CN115984529B

CN115984529B - 口腔内牙齿三维模型自动分割方法

Info

Publication number: CN115984529B
Application number: CN202310264434.1A
Authority: CN
Inventors: 艾毅龙; 黄峰; 邹晨; 邵青; 吴斯媛; 李晓东; 蒋自然; 吴妍; 周椰; 何楚莹
Original assignee: Foshan Stomatological Hospital Foshan Dental Disease Prevention And Treatment Guidance Center; Foshan University
Current assignee: Foshan Stomatological Hospital Foshan Dental Disease Prevention And Treatment Guidance Center; Foshan University
Priority date: 2023-03-20
Filing date: 2023-03-20
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2043-03-20
Also published as: CN115984529A

Abstract

本发明提供了口腔内牙齿三维模型自动分割方法，通过口腔CBCT获取牙齿三维模型，将牙齿三维模型加载至医学建模软件中，在医学建模软件中，通过网格划分算法对牙齿三维模型进行网格划分，得到牙齿三维有限元模型，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线，利用曲率边缘线完成牙齿三维模型的自动分割。所述方法能够提高口腔内牙齿三维模型自动分割的分割精度，正确地分割出每颗牙齿的个体模型，避免过度分割或份分割失败，提高数字化口腔的实际应用质量，减少由牙齿边缘模糊而导致的分割错误，降低模型化数据的诊断难度。

Description

口腔内牙齿三维模型自动分割方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，特别涉及口腔内牙齿三维模型自动分割方法。

背景技术

在口腔医学领域中，开展种植外科、种植修复、正畸、牙周病学等治疗项目时都需要对口腔内牙齿进行医学图像扫描，而口腔CBCT是利用环形DR获得口腔三维图像的主流方式，通过三维重建技术获得口腔内牙齿的三维可视化模型，在治疗过程中能够辅助设计具体手术方案，同时三维模型能够提供更详细、更直观的口腔数据，大幅降低诊断难度。

牙齿分割是自动化排牙的技术基础，通过3D数字成像、数字化口腔等技术对三维模型中的牙齿完成自动化分割，从而分离出每颗牙齿以便临床诊断，能够充分提高诊断过程中的工作效率和服务质量。然而，由于不同患者口腔内牙齿的三维特征不同，例如部分患者的牙齿存在结构不标准、牙齿缺失、存在蛀牙或畸形等现象，导致牙齿自动分割的识别结果错误，仍需要人工地结合实际情况对牙齿模型进行调整。因此，如何在口腔牙齿三维模型中对牙齿完成高精度的自动分割，是完成数字化手术方案设计的关键。

发明内容

本发明的目的在于提出口腔内牙齿三维模型自动分割方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明提供了口腔内牙齿三维模型自动分割方法，通过口腔CBCT获取牙齿三维模型，将牙齿三维模型加载至医学建模软件中，在医学建模软件中，通过网格划分算法对牙齿三维模型进行网格划分，得到牙齿三维有限元模型，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线，利用曲率边缘线完成牙齿三维模型的自动分割。所述方法能够提高口腔内牙齿三维模型自动分割的分割精度，正确地分割出每颗牙齿的个体模型，避免过度分割或分割失败，提高数字化口腔的实际应用质量，减少由牙齿边缘模糊而导致的分割错误，降低模型化数据的诊断难度。

为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供口腔内牙齿三维模型自动分割方法，所述方法包括以下步骤：

S100，通过口腔CBCT获取牙齿三维模型，将牙齿三维模型加载至医学建模软件中；

S200，在医学建模软件中，通过网格划分算法对牙齿三维模型进行网格划分，得到牙齿三维有限元模型；

S300，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线；

S400，利用曲率边缘线完成牙齿三维模型的自动分割。

进一步地，步骤S100中，所述医学建模软件为3D-Doctor、Geomagic Wrap、WithinMedical、Medical Design Studio中的任意一种。

可选地，步骤S100中，通过口腔CBCT获取牙齿三维模型的方法具体为：通过口腔CBCT对患者的牙齿进行扫描，得到多张DICOM格式的牙齿图像，将所述多张DICOM格式的牙齿图像输入至Mimics软件，在Mimics软件中打开SEGMENT菜单中的New Mask面板，在NewMask面板中将Min参数项设置为3000HU并点击确定后，得到牙齿的三维模型。

可选地，步骤S200中，在医学建模软件中，通过网格划分算法对牙齿三维模型进行网格划分，得到牙齿三维有限元模型的方法具体为：将牙齿三维模型导入医学建模软件中，设置第一边界条件为最小四边形内角大于D1度和最大四边形内角小于D2度，设置第二边界条件为最小三角形内角大于D3度和最小三角形内角小于D4度，以第一边界条件和第二边界条件为模型约束，在医学建模软件中，选择Mesh Generation面板中的Free参数完成网格划分（选择Free参数即选择使用***格划分算法完成划分），得到牙齿三维有限元模型；其中，D1设置为[30,40]，D2设置为[130,140]，D3设置为[10,20]，D4设置为[140,150]，所述D1、D2、D3、D4为角度。

进一步地，步骤S300中，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线的方法具体为：

S301，将牙齿三维有限元模型导入到有限元分析软件，通过有限元分析软件中的应力分析计算牙齿三维有限元模型中每个网格受到的应力大小，记第i个网格的应力大小为N_i，i=1,2,…,M，M为牙齿三维有限元模型内的所有网格数量（经过网格划分后），将M个数N₁,N₂,…,N_M组成应力序列，将应力序列中值最大的元素和值最小的元素分别记为首交叉元素N_c1和次交叉元素N_c2，转至S302；

S302，初始化整数变量j=1，j∈[1,M]，设置两个零值变量分别为roll_a=0和roll_b=0，创建两个空白序列分别为list_a和list_b；

S303，更新roll_a的值为N_c1减去N_j，更新roll_b的值为N_j减去N_c2，比较当前roll_a的值和roll_b的值；当roll_a>roll_b时，将当前变量j的值加入序列list_a中；当roll_a≤roll_b时，将当前变量j的值加入序列list_b中；

S304，若当前变量j的值小于M，则将变量j的值增加1，转至S303；若当前变量j的值等于M，创建空白的数组Am，则转至S305；

S305，记list_a(k1)为序列list_a中的第k1个元素，记list_b(k2)为序列list_b中的第k2个元素，k1=1,2,…,M1，k2=1,2,…,M2，M1为序列list_a中所有元素的数量，M2为序列list_b中所有元素的数量，记NA1=[N_{list_a(1)}+N_{list_a(2)}+…+N_{list_a(M1)}]/M1，记NA2=[N_{list_b(1)}+N_{list_b(2)}+…+N_{list_b(M2)}]/M2；其中，k1、k2为序号；

S306，当NA1的值不等于N_c1的值时，或者，当NA2的值不等于N_c2的值时，转至S307；当NA1的值等于N_c1的值时，或者，当NA2的值等于N_c2的值时，转至S308；

S307，记A1=[list_a(1)+list_a(2)+…+list_a(M1)]/M1，记A2=[list_b(1)+list_b(2)+…+list_b(M2)]/M2，将首交叉元素N_c1的值更新为当前NA1的值，将首交叉元素N_c2的值更新为当前NA2的值，将A1的值和A2的值加入到数组Am中；将变量j的值重置为1，将变量roll_a的值重置为0，将变量roll_b的值重置为0，清空序列list_a内的所有元素，清空序列list_b内的所有元素，转至S303；

S308，记Am(k)为数组Am内的第k个元素，k是序号，依次将数组内每个Am(k)的值更新为INT(Am(k))，INT()表示对括号内的数进行向上取整，初始化变量k3=1，k3∈[1,L]，L为数组Am内所有元素的数量；

S309，从k3=1开始，于k3的取值范围遍历k3，在牙齿三维有限元模型的所有网格中，筛选出属于第Am(k3)个网格的辖缩网格，记曲率边缘线为：将每个属于第Am(k3)个网格的辖缩网格的中心依次与第Am(k3)个网格的中心以直线连接所得到的线段；

其中，筛选出属于第Am(k3)个网格的辖缩网格的方法具体为：记牙齿三维有限元模型中任意一个网格为A，连接A的中心和第Am(k3)个网格的中心得到线段LINE，记线段LINE的长度为D；以线段LINE的中点为圆心、以D/2为半径构造一个圆O1，当牙齿三维有限元模型中没有任何网格的中心内含于圆O1时，记当前的网格A为属于第Am(k3)个网格的辖缩网格。

本步骤的有益效果为：在通过 CT图像建立牙齿三维模型完成牙齿分割的过程中，由于不同牙齿的形状特征以及生长位置存在较大差异，导致单颗牙齿的独立分割工作比较困难，在相邻牙齿出现粘连、过度嵌入牙床或牙根结构差异大等情况下，通过一般的牙齿分割算法难以清楚正确地分离出每颗牙齿，本步骤的方法可以计算出牙齿模型中的曲率边缘线，曲率边缘线能够将区分度模糊的区域进行正确划分，构造辖缩网格能够防止属于正确划分的区域被错误分割，进而避免了分割出错的现象，通过在模型中添加曲率边缘线，提高牙齿分割完整度的同时还能够提高分割精度，提高自动化排牙的模型质量。

进一步地，步骤S400中，利用曲率边缘线对牙齿三维模型完成自动分割的方法具体为：将牙齿三维模型加载于Mimics软件中，通过Mimics软件中的Edit Masks工具将所有曲率边缘线添加至牙齿三维模型作为辅助分割线，通过Mimics软件中的Region Grow功能（即调用区域生长算法完成分割）加载所述辅助分割线完成对牙齿的分割。

由于牙齿的自动分割过程中存在过度分割的现象，导致分割区域划分错误，容易造成牙齿分割不准确，为解决该问题，并提高自动分割的精度，利用曲率边缘线对牙齿三维模型完成自动分割的方法还可以为：

优选地，在牙齿三维有限元模型中，将所有存在相交关系的曲率边缘线所组成的闭区域记为辖缩区域，计算每个辖缩区域的应力交叉值，在所有辖缩区域中筛选出相邻的两个辖缩区域并记为流形区域，判断流形区域是否属于点态区域，将属于点态区域的流形区域进行合并（即，将流形区域内的两个辖缩区域合并为一个辖缩区域），将合并后的流形区域内的曲率边缘线删除，将牙齿三维模型加载于Mimics软件中，通过Mimics软件中的Edit Masks工具将所有曲率边缘线添加至牙齿三维模型作为辅助分割线，通过Mimics软件中的Region Grow功能（即调用区域生长算法完成分割）加载所述辅助分割线完成对牙齿的分割；

其中，计算每个辖缩区域的应力交叉值的方法为：记辖缩区域内的第r个网格受到的应力为Q_r，r为变量，r=1,2,…,R，R为辖缩区域内所有网格的数量，记辖缩区域内应力值最大的网格的应力大小为Q_M，从r=1开始，依次将Q_M减去每个Q_r得到R个值T₁,T₂,…,T_R，记sum(T)= T₁+ T₂+…+ T_R，记sqrt(1/(R-1)*sum(T))为辖缩区域的应力交叉值，sqrt()表示对括号内的数取根号运算；

判断流形区域是否属于点态区域的方法为：将流形区域内的两个辖缩区域分别记为A1和A2（流形区域由相邻的两个辖缩区域构成），记A1内的网格数量为G1，记A2内的网格数量为G2；

当G1的值大于G2的值时，以集合SET2储存A2内所有网格的应力大小的值，在A1内任意选取G2个网格记为观测网格，以集合SET1储存所有观测网格的应力大小的值，以集合SET3储存所有非观测网格的应力大小的值，所述非观测网格为A1内未被选为观测网格的网格；

当G1的值小于G2的值时，以集合SET2储存A1内所有网格的应力大小的值，在A2内任意选取G1个网格记为观测网格，以集合SET2储存所有观测网格的应力大小的值，以集合SET3储存所有非观测网格的应力大小的值，所述非观测网格为A2内未被选为观测网格的网格；

记S(n)=sqrt(SET1(n))*SET2(n)，式中，SET1(n)表示集合SET1中的第n个元素，SET2(n)表示集合SET2中第n个元素，n=1,2,…,min{G1,G2}，sqrt()表示对括号内的数取根号运算，min{}表示对{}内的数取最小值；当sum(S(n))/sum(SET3)大于A1_CR/A2_CR时，记流形区域属于点态区域；其中，sum(S(n))= S(1)+ S(2)+…+ S(G2)，sum(SET3)表示集合SET3中所有元素的总和，A1_CR为辖缩区域A1的应力交叉值，A2_CR为辖缩区域A2的应力交叉值。

本步骤的有益效果为：由于模型中存在过度分割，即生成不完整的牙齿个体模型，本步骤通过计算辖缩区域的应力交叉值，整合流形区域，对影响分割结果的曲率边缘线进行剔除，保留模型完整率的同时最大程度地提高分割正确率，避免了过度分割的问题，同时能够进一步地提高分割精度。

本发明的有益效果为：所述方法能够提高口腔内牙齿三维模型自动分割的分割精度，正确地分割出每颗牙齿的个体模型，避免过度分割或分割失败，提高数字化口腔的实际应用质量，减少由牙齿边缘模糊而导致的分割错误，降低模型化数据的诊断难度。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为口腔内牙齿三维模型自动分割方法的流程图；

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

如图1所示为根据本发明的口腔内牙齿三维模型自动分割方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的口腔内牙齿三维模型自动分割方法。

本公开提出口腔内牙齿三维模型自动分割方法，所述方法包括以下步骤：

S300，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线；

S400，利用曲率边缘线完成牙齿三维模型的自动分割。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims

1.口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S300，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线；

S400，利用曲率边缘线完成牙齿三维模型的自动分割；

其中，步骤S300中，通过牙齿三维有限元模型计算曲率边缘线的方法具体为：

S301，将牙齿三维有限元模型导入到有限元分析软件，通过有限元分析软件中的应力分析计算牙齿三维有限元模型中每个网格受到的应力大小，记第i个网格的应力大小为N_i，i=1,2,…,M，M为牙齿三维有限元模型内的所有网格数量，将M个数N₁,N₂,…,N_M组成应力序列，将应力序列中值最大的元素和值最小的元素分别记为首交叉元素N_c1和次交叉元素N_c2，转至S302；

S309，从k3=1开始，于k3的取值范围遍历k3，在牙齿三维有限元模型的所有网格中，筛选出属于第Am(k3)个网格的辖缩网格，记曲率边缘线为：将每个属于第Am(k3)个网格的辖缩网格的中心依次与第Am(k3)个网格的中心以直线连接所得到的线段。

2.根据权利要求1所述的口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，步骤S100中，所述医学建模软件为3D-Doctor、Geomagic Wrap、Within Medical、Medical DesignStudio中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，步骤S100中，通过口腔CBCT获取牙齿三维模型的方法具体为：通过口腔CBCT对患者的牙齿进行扫描，得到多张DICOM格式的牙齿图像，将所述多张DICOM格式的牙齿图像输入至Mimics软件，在Mimics软件中打开SEGMENT菜单中的New Mask面板，在New Mask面板中将Min参数项设置为3000HU并点击确定后，得到牙齿的三维模型。

4.根据权利要求1所述的口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，步骤S200中，在医学建模软件中，通过网格划分算法对牙齿三维模型进行网格划分，得到牙齿三维有限元模型的方法具体为：将牙齿三维模型导入医学建模软件中，设置第一边界条件为最小四边形内角大于D1度和最大四边形内角小于D2度，设置第二边界条件为最小三角形内角大于D3度和最小三角形内角小于D4度，以第一边界条件和第二边界条件为模型约束，在医学建模软件中，选择Mesh Generation面板中的Free参数完成网格划分，得到牙齿三维有限元模型；其中，D1设置为[30,40]，D2设置为[130,140]，D3设置为[10,20]，D4设置为[140,150]，所述D1、D2、D3、D4为角度。

5.根据权利要求1所述的口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，筛选出属于第Am(k3)个网格的辖缩网格的方法具体为：记牙齿三维有限元模型中任意一个网格为A，连接A的中心和第Am(k3)个网格的中心得到线段LINE，记线段LINE的长度为D；以线段LINE的中点为圆心、以D/2为半径构造一个圆O1，当牙齿三维有限元模型中没有任何网格的中心内含于圆O1时，记当前的网格A为属于第Am(k3)个网格的辖缩网格。

6.根据权利要求1所述的口腔内牙齿三维模型自动分割方法，其特征在于，步骤S400中，利用曲率边缘线对牙齿三维模型完成自动分割的方法具体为：将牙齿三维模型加载于Mimics软件中，通过Mimics软件中的Edit Masks工具将所有曲率边缘线添加至牙齿三维模型作为辅助分割线，通过Mimics软件中的Region Grow功能加载所述辅助分割线完成对牙齿的分割。