[发明专利]一种基于曲面参数化的牙齿三维模型自动分割方法

说明书

为了解决现有技术中采用几何方法分割牙齿三维模型而导致的精度低、分割效果不理想的问题，本发明提供一种基于曲面参数化的牙齿三维模型自动分割方法，其技术方案在于：获取牙齿三维模型后，利用曲面参数化算法即将三维曲面映射到二维平面，得到牙齿二维图像；然后，通过基于U‑net神经网络结构对牙齿二维图像进行自动分割，得到每颗牙齿的分割掩码；最后，通过基于网络流算法，将分割后的牙齿图像进行分割边缘细化，最终实现自动化分割牙齿三维模型。本发明所实现的方法能够自动分割牙齿三维模型，并且具有高精度高鲁棒性效果。在口腔正畸CAD系统中应用效果良好。

技术领域

本发明涉及三维牙齿模型自动分割领域，具体涉及一种包含三维模型曲面参数化，图像分割，三维模型分割边缘细化的牙齿三维模型自动分割方法。

背景技术

口腔正畸是研究牙齿咬合不正的治疗方法和学问，传统上，首先制作患者的齿颌石膏模型，临床医师手工分析石膏模型并设计正畸手术方案。随着计算机技术的发展和三维扫描设备的改进，计算机辅助设计(CAD)系统出现在越来越多的领域。它利用计算机及其图形设备，帮助设计人员高效地完成高强度和重复性工作，例如复杂计算、信息存储、图形绘制等。目前正畸CAD系统在现代牙科医学领域占有重要地位，它首先利用三维扫描设备采集三维齿颌模型数据作为输入，然后协助牙医处理三维齿颌模型，包括提取、移动、删除和重新排列牙齿等操作，以模拟治疗的结果，能够大大减轻牙科医生的工作负担。

牙齿分割是正畸CAD系统中最基本、最关键的部分。目前很多牙齿分割方法被提出，但是都没有达到完全自动化分割的效果。虽然人的牙齿有着一些基本的几何特征，但是不同人的牙齿之间都存在或大或小的差异，尤其是患者的牙齿，往往有着严重的畸形，甚至还有蛀牙、牙齿缺失等情况，因此导致传统的基于几何特征的分割方法(以下简称几何方法)往往缺乏鲁棒性。另外在制作石膏模型过程中可能出现气泡，扫描三维模型数据时可能精度不够，这些情况额外增加了牙齿分割任务的难度。由于这些挑战的存在，某些分割方法提供了人机交互的界面，加入人工干预效果，以提高分割的鲁棒性，但这样会增加牙科医生的工作负担。

目前几何方法分割牙齿三维模型，通常计算模型表面平均曲率，不同牙齿之间以及牙齿和牙龈之间的边界有着较为明显的负曲率特征。通过阈值分割，即可保留这些目标边缘的曲率特征，去除噪声曲率。然后利用形态学、最优化等原理，获取所有牙齿的完整的分割路径，从而实现牙齿分割。整个过程中，由于上文中提到的复杂情况，阈值分割往往无法达到保留目标部分，去除噪声部分的效果。首先牙龈以及磨牙表面的褶皱沟壑也有着负曲率值，都会保留下来；其次在某些目标部分负曲率不明显，容易被当作噪声去除。以上因素都会对后续的处理造成影响，使通过几何方法分割牙齿三维模型精度低、分割效果不理想。

发明内容

为了解决现有技术中采用几何方法分割牙齿三维模型而导致的精度低、分割效果不理想的问题，本发明提供一种基于曲面参数化的牙齿三维模型自动分割方法。本发明首先基于曲面参数化算法，将三角网格映射为图像，在图像层面实现自动分割，然后映射回三角网格进行边缘细化处理，最终达到高精度、高鲁棒性的自动化分割效果。

本发明解决上述技术问题所采取的技术手段是：一种基于曲面参数化的牙齿三维模型自动分割方法，其技术方案在于：获取牙齿三维模型后，利用曲面参数化算法即将三维曲面映射到二维平面，得到牙齿二维图像；然后，通过基于U-net神经网络结构对牙齿二维图像进行自动分割，得到每颗牙齿的分割掩码；最后，通过基于网络流算法，将分割后的牙齿图像进行分割边缘细化，最终实现自动化分割牙齿三维模型。

其中，基于U-net神经网络结构对牙齿二维图像进行自动分割的过程是：

a：构建模型：基于TensorFlow建立U-net神经网络结构，分别建立两个分割模型，一个是牙齿和牙龈的牙齿-牙龈模型，一个是牙齿轮廓的牙齿轮廓模型；