CN105919684A

CN105919684A - 一种建立三维牙颌融合模型的方法

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Publication number: CN105919684A
Application number: CN201610359770.4A
Authority: CN
Inventors: 穆檬檬; 付琳; 谢瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2016-09-07

Abstract

一种建立三维牙颌融合模型的方法，通过在咬合状态下进行数据采集，对头颅CT图像的重建及对石膏咬合模型激光扫描的数字化处理，基于逆向工程软件Geomagic Studio的图像处理及图像匹配功能，在逆向工程软件中利用基于点配准的方法与迭代算法相结合，将石膏牙列咬合模型与CT重建牙列进行配准，并替代不清晰的CT重建牙列，最终将CT重建颌骨模型与石膏牙列咬合模型融为一体的咬合状态下配准的三维牙颌融合模型，减小由于口内金属物造成的CT成像伪影及咬合状态下上下颌牙列重叠造成融合模型中咬合关系与实际口内咬合位置的误差，从而提高计算机辅助设计的精准度和治疗的效果。

Description

一种建立三维牙颌融合模型的方法

技术领域

本发明属于数字建模技术领域，具体涉及一种建立三维牙颌融合模型的方法。

背景技术

三维牙颌融合模型，是在三维空间中，包含牙列、咬合及颌面骨骼等组织结构，由至少两种不同成像技术组合而成的数字化模型。

当金属修复体和正畸托槽存在时，CT图像显示条纹状物体并阻碍牙齿形态的精确识别。牙列需要用优化模拟的上下颌咬合关系代替，并完成治疗计划。传统的石膏模型被用来呈现准确的牙列及制备外科用固定夹板。大量的研究报告了颌面骨模型和数字牙模型的整合方法，使骨骼、牙齿和咬合可同时以三维的方式呈现。Gateno等人^[6]、Uechi等人^[7]和Nairn等人^[8]所使用基准标记的方法，如钛球、陶瓷球、软化牙胶、丙烯酸或口外弓等形成了一种精确的方法取代扭曲的牙齿图像，而无需计算有缺陷的CBCT成像效果。Swennen等人^[9]用以改良蜡咬合片和牙胶作为标记来做两次CBCT，得到具有精确牙齿表面的三维头颅模型，这样就不必用石膏牙模型以及面部软组织不变形，避免了唇部的形态和使用钛球定位时姿势的失真。Swennen等人^[10]还提出三次CBCT扫描方法，即当参与者经历了不止一次的CT扫描时，标记对于登记就不必要了。然而，这种方法的缺陷是额外的辐射暴露。Nkenke等人^[11]、Kim等人^[12]和Noh 等人^[13]提出的不同表面采用的迭代最近点算法，即通过评估基于相应的区域手动选择的两个原始图像上的表面点之间的三维欧氏距离计算的误差。最近，Lin等人^[14]提供了一种抗表面伪影的注册方法，这种方法功能强大，并适用于临床且不需要标记。Liao等人^[15]用自行决定权方法复位和重新定位与CT牙齿图像表面最适合的牙齿模型。然而，异常值仍然存在并可能会影响临床结果，所以在注册验证后建议每个任务均再使用三维叠加技术。

现有建立咬合替代的方法一方面均需为每位患者制作特定材料、特定部分的咬合参考板和标志物，增加操作者的临床用时；另一方面在口内放置有一定厚度的咬合参考板和/或对其进行外展，以用作标志物或标记点，在一定程度上导致面部软组织的变形，如唇、颊部外型的改变，最终使软组织数据失真；另外有一定厚度的口内咬合参考板会导致患者在拍摄CT时双侧颞颌关节位置的改变，对于有关节问题的患者，可能会影响治疗方案的确定。

鉴于现有牙颌融合模型所存在的问题，即如果在咬合状态下进行单颌匹配，需分别配准上下颌，此时人工手动分割上下颌牙列，费时费力，并且对操作者要求高，要熟悉牙体形态，容易出现人为误差；而对于有些人提出在上下颌非接触位进行CT扫描，上下颌分别配准后，再旋转下颌至咬合位置，这样虽不用手工分牙，但是下颌旋转过程中势必会出现误差，旋转轴不可能与患者实际情况一致，最终影响手术效果；同时张口位进行CT扫描，势必改变了颞颌关节的正常位置。所以本文提出的建模方法中上下颌咬合关系是在数据采集阶段石膏模型上确定的，然后由激光扫描采集，保证了精度；并且石膏模型可真实地反应口内实际情况，很大程度地减少了金属物的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是建立一种咬合状态下配准生成三维牙颌融合模型的方法，通过对头颅CT图像的重建及对石膏咬合模型激光扫描的数字化处理，基于逆向工程软件Geomagic Studio的图像处理及图像匹配功能，在逆向工程软件中利用基于点配准的方法与迭代算法相结合，将石膏牙列咬合模型与CT重建牙列进行配准，并替代不清晰的CT重建牙列，最终将CT重建颌骨模型与石膏牙列咬合模型融为一体的咬合状态下配准的三维牙颌融合模型，减小由于口内金属物造成的CT成像伪影及咬合状态下上下颌牙列重叠造成融合模型中咬合关系与实际口内咬合位置的误差，从而提高计算机辅助设计的精准度和治疗的效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种建立三维牙颌融合模型的方法，包括以下步骤：

1）数据采集，将烫软后剪裁为马蹄状的蜡片放入患者口中，咬合，即利用蜡片记录患者咬合位置，此咬合位置为影像数据及模型数据的共同唯一咬合位置；放松面部软组织，在上述咬合状态下拍摄头颅CT，完成影像数据的采集；对患者进行常规口内硅橡胶印模材料制取印模，灌注石膏模型，使用上述蜡片确定石膏模型咬合关系完成模型数据的采集；

2）影像数据处理，将步骤1）所述头颅CT文件导入Mimics中，在Mimics中分别重建完整颌骨及牙列的三维图像，存为STL文件，在重建颌骨时，将“阈值”设为骨CT，最小值：226，最大值：3071；在重建牙列时，将“阈值”调整为成人牙釉质，最小值：1553，最大值：3071，可生成相对准确的颌骨与牙列三维图像，为便于后期手术设计，在生成三维重建颌骨图像前需对颌骨CT数据进行处理，得到完整上颌骨时，在CT水平图像区逐层删除双侧髁突顶部，保留完整的关节盘结构，直至双侧髁突与上颌骨完全分离；得到完整下颌骨时，在CT水平图像区逐层删除双侧关节盘底部，保留完整的髁突结构，直至与下颌骨完全分离，得到咬合状态下的去除髁突和去除关节盘的牙颌三维重建数据以及牙列数据，将三者存为STL文件；

3）模型数据，将步骤1）所述上、下颌石膏模型及上下颌咬合状态（与拍摄头颅CT时咬合位置相同）石膏模型分别经模型三维扫描仪扫描，生成上、下颌处于咬合位置的独立两个模型数据，将其存为STL文件；

4）建立融合模型，在逆向工程软件Geomagic Studio中打开步骤2）及步骤3）所述STL文件，此时上下颌石膏模型数据已处于咬合位置，首先将石膏咬合模型与CT重建牙列进行配准，配准后分别建立上、下颌骨与咬合位置牙列的融合模型，便于后期手术设计的应用；

5）牙列配准，对步骤4）的石膏模型数据进行修整，去除底座、前庭沟等部分，仅保留龈缘及龈缘以上的牙冠部分，将上下颌石膏模型数据进行联合，使其由原独立的两个数据合成为一个咬合模型数据，将此合成模型与CT重建牙列模型进行配准，第一步进行手动配准，使合成模型与CT重建牙列在大体位置上接近，其中选择n点配准，以CT重建牙列为固定参照，以合成模型为浮动，分别在上下颌牙列的中切牙、尖牙、第二前磨牙、第一磨牙的颊面及舌/腭面或颈缘位置选择配准点进行标记，配准后二者实现大体重合；第二步进行全局配准，通过迭代算法使合成模型与CT重建牙列实现精细匹配,通过合成模型与CT重建牙列模型配准步骤完成石膏牙列代替CT重建牙列；

6）牙列—颌骨融合，对步骤2）所述的重建颌骨数据进行处理，将重建处理后的两个颌骨模型上牙列部分均沿龈缘处删除牙冠部分后，便可去除不完整的上颌骨及下颌骨，保留无牙列的剩余完整颌骨部分，对合成模型的上颌牙列部分选择有界组件后即可将其删除，使仅剩的下颌牙列与完整下颌骨模型进行布尔运算，使二者结合，便可得到一个CT重建下颌骨与下颌石膏牙列融合模型，同法操作，将合成模型的下颌牙列部分选择有界组件后即可将其删除，使仅剩的上颌牙列与完整上颌骨模型进行布尔运算，使二者结合，便可得到一个CT重建上颌骨与上颌石膏牙列融合模型。

进一步，在咬合状态下数据采集。

进一步，在对CT牙列数据进行重建时，所选择的阈值上限即3071，由于牙列表面贴有金属托槽，当阈值上限设定过小时，重建后的牙列在不包含金属托槽的前提下，与金属托槽相连的部分牙面数据也会一同丧失，将阈值设定为可包含金属托槽重建的上限。

进一步，在Geomagic Studio中配准石膏咬合模型与CT重建牙列时需注意配准点的选择，配准点要包含模型的各个方向，当配准点过于集中到颊面或舌面时，会导致配准时浮动模型发生某一方向上的转动，造成配准误差。

本发明的有益效果是：

三维牙颌融合模型的建立，基于逆向工程软件Geomagic Studio的图像处理及图像匹配功能，除此以外，本模型与现有其他三维牙颌融合模型相比，优势集中体现在对于咬合位置的理解与应用，具体表现为以下几点：

1）在数据采集阶段，本模型建立的前提也是关键所在，即CT拍摄时患者口内咬合、石膏模型咬合与患者口内实际咬合的三者一致性。对于咬合位置稳定患者，可不需要在口内咬合蜡片拍摄CT；对于咬合位置不稳定的患者，需咬合蜡片进行拍摄头颅CT，蜡片大小、形状以不影响唇、颊软组织外型且记录咬合关系即可。在采集咬合信息时利用这样的方法，不需要制作复杂的咬合参考板及附加特殊材料的标志物，以临床现有常规获取咬合关系的方法及头颅CT拍摄方法即可获取有效的牙列、颌骨信息，节省了大量的临床工作时间及人力物力。

2）在数据处理阶段，由于本模型为咬合整体配准，故不需要在CT图像数据中进行人工分割牙列，既节省了操作时间，提高了工作效率，简化了图像处理的流程，同时也大大减小了因CT图像误差、人工分割误差而带来的牙列有效信息的丢失。

3）在模型建立阶段，本模型在咬合状态下将石膏模型与CT重建牙列模型进行配准，在逆向工程软件中经过一次手动标记点和一次“迭代算法”，即可完成配准过程。相对于单颌配准，减少了配准次数，同时也减小了上、下颌分别配准可能带来的误差。

4）在模型精度评价阶段，同样是在模型咬合状态下进行精度分析，将建模模型与CT原始数据进行对照，进行统计学分析，得到建模模型的精度评价。

5）计算机辅助外科可以采集更为精确真实的影像信息用于诊断、可以通过虚拟手术和效果预测为正颌手术提供更好术中指导，同时达到更佳的术后功能和美学效果，使患者满意度增加。

6）保证了手术设计到手术实施的精确转化。

7）减小融合模型中咬合关系的误差，提高治疗的效果。

附图说明

图1为咬合状态下的去除髁突和去除关节盘的牙颌三维重建模型图，其中，A为去除髁突顶部的头颅CT重建模型，B为去除关节盘底部的头颅CT重建模型，C为头颅CT三维重建后的牙列模型。

图2为上、下颌及处于咬合位置的扫描模型图，其中，A为上颌牙列扫描模型，B为下颌牙列扫描模型，C为咬合扫描模型。

图3为头颅三维重建模型上配准后的石膏咬合模型与CT重建牙列模型图。

图4为无牙列的剩余完整颌骨部分模型图。

图5为CT重建上颌骨与上颌石膏牙列融合模型图。

图6 为人工分割牙列后上、下颌牙列模型图。

图7为单颌配准后的石膏模型图与人工分割牙列图，其中浅色部分为人工分割牙列图，深色部分为配准后的石膏模型图。

图8为标记点图，其中分别在2组牙列的切牙切缘中点、尖牙牙尖、第二前磨牙颊尖和第一磨牙近中颊尖建立标记。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

一种建立三维牙颌融合模型的方法，包括以下步骤：

2）影像数据处理，将步骤1）所述头颅CT文件导入Mimics中，在Mimics中分别重建完整颌骨及牙列的三维图像，存为STL文件，在重建颌骨时，将“阈值”设为骨CT，最小值：226，最大值：3071；在重建牙列时，将“阈值”调整为成人牙釉质，最小值：1553，最大值：3071，可生成相对准确的颌骨与牙列三维图像，为便于后期手术设计，在生成三维重建颌骨图像前需对颌骨CT数据进行处理，得到完整上颌骨时，在CT水平图像区逐层删除双侧髁突顶部，保留完整的关节盘结构，直至双侧髁突与上颌骨完全分离；得到完整下颌骨时，在CT水平图像区逐层删除双侧关节盘底部，保留完整的髁突结构，直至与下颌骨完全分离，得到咬合状态下的去除髁突和去除关节盘的牙颌三维重建数据以及牙列数据，将三者存为STL文件，如图1；

5）牙列配准，对步骤4）的石膏模型数据进行修整，去除底座、前庭沟等部分，仅保留龈缘及龈缘以上的牙冠部分，将上下颌石膏模型数据进行联合，使其由原独立的两个数据合成为一个咬合模型数据，将此合成模型与CT重建牙列模型进行配准。第一步进行手动配准，使合成模型与CT重建牙列在大体位置上接近，其中选择n点配准，以CT重建牙列为固定参照，以合成模型为浮动，分别在上下颌牙列的中切牙、尖牙、第二前磨牙、第一磨牙的颊面及舌/腭面或颈缘位置选择配准点进行标记，配准后二者实现大体重合；第二步进行全局配准，通过迭代算法使合成模型与CT重建牙列实现精细匹配,通过合成模型与CT重建牙列模型配准步骤完成石膏牙列代替CT重建牙列，如图3；

6）牙列—颌骨融合，对步骤2）所述的重建颌骨数据进行处理，将重建处理后的两个颌骨模型上牙列部分均沿龈缘处删除牙冠部分后，便可去除不完整的上颌骨及下颌骨，保留无牙列的剩余完整颌骨部分，如图4，对合成模型的上颌牙列部分选择有界组件后即可将其删除，使仅剩的下颌牙列与完整下颌骨模型进行布尔运算，使二者结合，便可得到一个CT重建下颌骨与下颌石膏牙列融合模型，同法操作，将合成模型的下颌牙列部分选择有界组件后即可将其删除，使仅剩的上颌牙列与完整上颌骨模型进行布尔运算，使二者结合，便可得到一个CT重建上颌骨与上颌石膏牙列融合模型，如图5。

以下结合实施例对本发明进一步叙述。

实验分组:

以17例牙颌面畸形病例为研究对象，建模咬合牙列（组1）、单颌配准牙列（组2）为实验组，以CT原始牙列图像为对照组进行比较。每组前5例为骨性II错颌畸形病例，后12例为骨性III类错颌畸形病例。

1）建模咬合牙列（组1）：将建模咬合牙列模型存为STL文件，导入Mimics中，显示轮廓线。

2）单颌配准牙列（组2）：

A、建立单颌配准参照：在Mimics中重建牙列，方法同前。在重建后的牙列矢状图像区和冠状图像区辅助判断上、下颌牙尖、牙窝位置，对水平图像区牙列进行处理，即通过逐层区分上、下颌牙咬合位置，逐层擦除下颌牙齿部分，直至上颌牙列与下颌牙列完全分离；再利用重建牙列运行与人工分割上颌牙列相减的运算程序，由此得到分割下颌牙列（图6）。将上、下颌牙列存为STL文件。

B、进行单颌配准：将单颌配准参照牙列导入Geomagic Studio中。将步骤3）中的上、下颌石膏模型分别与单颌人工分割上、下颌牙列进行配准。简述配准步骤如下：在Geomagic Studio中首先将上颌石膏模型与人工分割上颌牙列进行手动配准，分别选择上颌切牙切缘中点、尖牙、第二前磨牙颊尖、第一磨牙近颊尖及颊面、舌/腭面为配准点进行“n点配准”；然后利用“迭代算法”，进行全局配准；下颌牙列配准方法与此相同（图7）。将分别配准的上、下颌石膏牙列存为STL文件，导入Mimics中，显示轮廓线。精度检测：

1）建立标记点：分别在2组牙列的切牙切缘中点、尖牙牙尖、第二前磨牙颊尖和第一磨牙近中颊尖建立标记点（图8），每组中每个模型均为20个标记点。

2）距离测量：分别在矢状图像区和冠状图像区测量3组各个标记点至原CT图像的距离。每个标记点反复测量3次，取其平均值进行统计学分析。

综上所述：

在Mimics中大体观察组1与组2生成牙列轮廓线，可发现以下几点：

1）在骨性II类错颌畸形病例中，上颌牙列两组间、两组与CT原始牙列数据相比，重叠均相对较好，而下颌牙列在两组间出现了较大分离，组1与CT原始数据位置更为接近。而在骨性III类错颌畸形病例中，下颌牙列两组间、两组与CT原始数据重叠均相对较好，而上颌牙列组1与CT原始数据位置更为接近，组2出现了较大的分离。

2）在与CT原始牙列数据重叠度较好的前提下，即在骨性II类错颌病例的上颌牙列、骨性III类错颌病例的下颌牙列中，两组均表现为前牙区的重叠优于尖牙位置，尖牙优于磨牙区；组1在磨牙区的重叠明显优于组2。

统计分析：

将组1、组2与CT原始牙列数据的各标记点位置偏差值（单位：mm），记录并输入SPSS21.0中进行配对t检验，得到以下结果：

1）描述性统计：均以（均数±标准差）表示。组1整体观测误差为0.151mm±0.14mm，组2整体观测误差为0.272mm±0.186mm，见表1骨性II类错颌畸形偏差分析（±s），表2骨性III类错颌畸形偏差分析（±s）。

2）t检验：对组1、组2中骨性II类、III类错颌畸形的前牙区、尖牙及磨牙区偏差值分别进行配对t检验，得到以下结论。在骨性II类错颌畸形中上颌切牙、尖牙在两种配准方法上无统计学差异（P＞0.05）；上颌磨牙、下颌切牙、尖牙及磨牙在两种配准方法上存在差异（P＜0.05）。在骨性III类错颌畸形中下颌切牙、尖牙和上颌切牙在两种配准方法上无统计学差异（P＞0.05）；下颌磨牙、上颌尖牙及磨牙在两种配准方法上存在差异（P＜0.05），见表3建模咬合模型与单颌配准模型偏差值分析（P）。

本方案将建模咬合模型与原始CT数据在切牙切缘中点、尖牙牙尖第二前磨牙颊尖和第一磨牙近颊尖位置进行比较，得到建模模型整体观测误差为0.151mm±0.14mm，最小观测误差为0.083mm±0.044mm，最大观测误差为0.286mm±0.1mm，与其他研究模型结果基本相似，并在临床上可以接受。

Claims

1.一种建立三维牙颌融合模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种建立三维牙颌融合模型的方法，其特征在于，在咬合状态下数据采集。

3.根据权利要求1所述的一种建立三维牙颌融合模型的方法，其特征在于，在对CT牙列数据进行重建时，所选择的阈值上限即3071，由于牙列表面贴有金属托槽，当阈值上限设定过小时，重建后的牙列在不包含金属托槽的前提下，与金属托槽相连的部分牙面数据也会一同丧失，将阈值设定为可包含金属托槽重建的上限。

4.根据权利要求1所述的一种建立三维牙颌融合模型的方法，其特征在于，在GeomagicStudio中配准石膏咬合模型与CT重建牙列时需注意配准点的选择，配准点要包含模型的各个方向，当配准点过于集中到颊面或舌面时，会导致配准时浮动模型发生某一方向上的转动，造成配准误差。