[发明专利]三维数字化牙列模型牙龈曲线自动提取方法

说明书

技术领域

本发明属于数字化设计领域，涉及计算机图形学和生物医学工程等技术领域。

背景技术

如何准确地获取患者牙列模型上每颗牙齿的牙龈曲线形态是口腔修复成功得以实现的重要前提。传统的修复方法需要根据美学要求和专家经验，手工雕刻蜡型或牙石膏模型以仿真出与邻牙协调一致的牙龈曲线，然而这种方法存在效率和精度方面的问题，尤其是当患者缺失多颗牙齿的情况下，这一问题尤为突出。

随着计算机的迅速发展，国外已经涌现了大批口腔修复CAD／CAM系统设备。然而，由于有限的测量精度和网格重建等因素的影响，通过光学测量技术获得的三维数字化牙列模型表面上，牙齿之间的缝隙往往融合在一起，因此牙龈曲线的提取方法主要采用手动交互式分割。Kondo等(Kondo T， Ong SH，Foong KW.Tooth Segmentation of Dental Study Models Using Range Images.IEEE Transactions on Medical Imaging，2004,23(3)：350-362)提出基于深度图像的牙龈线提取方法，该方法首先在三角网格模型的平面深度图像中利用探测到的牙齿特征点拟合牙弓线，并展开牙弓线计算出全景深度图像，然后分别在平面图和全景图中探测牙龈线位置，最后综合两幅图像的结果来确定每颗牙齿的分割边界；但是由于深度图像并不能精确反映牙齿的三维信息，因此该方法对于严重畸形和齿间干涉的模型可能会出现较大的分割偏差。南京航空航天大学的袁天然等(YuanT，LiaoW，Dal N，Cheng X，Yu Q.Single-toothmodeling for 3D dental model.Journal ofBiomedical Imaging，2010)利用形态学以及孔洞修复等技术提取牙龈骨架线，并恢复出每颗牙齿具有一阶连续的解剖形态；但该过程需要大量的交互式操作。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明从整个牙列模型解剖形态特性出发，提出一种利用离散几何、图论、小波以及B样条曲线等技术进行牙龈曲线提取的方法，以最大程度地减少手动干预，提高牙龈曲线提取的效率和精度。

本发明所采用的技术方案是：

步骤1、模型定位：首先在三维数字化牙列模型上选取左右两颗第一前磨牙的颊尖以及左右两颗第一磨牙的远中颊尖，利用这四个参考点拟合为咬合平面，然后将咬合平面对齐到XY平面，YZ平面穿过两中切牙中缝，两个远中颊尖定位在X轴上，从而将三角网格牙列模型定位到一个标准的方向。

步骤2、牙龈特征线搜索：由于牙齿和牙龈软组织分界面呈“凹状”分布，因此这些区域可通过模型的主曲率信息进行提取，而要探测的牙龈特征线实际上是反映牙龈特征区域的一条最佳路径。因此，本发明区别以往的交互式提取策略，采用基于曲率分析和路径搜索相结合的技术进行牙龈特征线探测。首先利用Voronoi方法对牙列模型进行离散曲率估算，然后将基于曲率提取的特征区域映射为带权的无向连通图，并结合模型的曲率值和解剖形态特征利用Floyd最优路径算法搜索牙龈特征线。由于Floyd最优路径算法能够将目标轮廓探测问题转化为区域内寻找最小割集问题，所以能够有效避免牙缝干涉分支，获得真正意义上的全局最优解。

步骤3、牙龈特征线分割：牙龈线特征线分割旨在对特征线进行单颗牙齿区域划分。由于牙齿之间以牙缝为分界线，而牙缝位置大致坐落在所提取的牙龈特征线弯曲程度最大的地方，因此分割的任务就归结为寻找牙龈特征线上曲率较大的位置。但由于牙龈特征线是来自于三角网格中连续抖动的网格顶点，因此为有效探测到特征线上的牙缝位置，首先采用B样条小波技术对探测到的牙龈特征线进行自动光顺，以修复其高频抖动成分，然后结合特征线的一阶和二阶微分特性以及牙龈特征线在颊舌侧不同的方向特征性，来探测牙缝位置以分割出每颗牙齿的牙龈特征型值点。

步骤4、齿间牙龈线干涉分析：为修复牙龈侧面缺失形态以及避免牙龈线发生齿间轮廓干涉，采用基于映射平面和齿间相切约束的曲线拟合方法进行牙龈曲线重建。首先利用牙龈特征型值点拟合出每颗牙齿的牙龈B样条曲线以及牙弓B样条曲线，并投影到牙列模型自身的咬合平面上，通过计算投影后牙弓曲线和牙龈曲线的交点来确定两两相邻牙齿之间的相切约束点，并映射回至三维空间当中，最后利用基于特征约束的曲线拟合方法重构齿间无干涉的封闭牙龈曲线。