一種口腔參數化測量的方法與流程
2023-06-18 20:40:36 2
本發明涉及計算機數據處理，尤其涉及利用計算機技術，重新定義口腔的牙齒模型，實現口腔物理模型到數字模型的轉化，使牙科醫療診斷過程變得方便和高效。
背景技術：
口腔正畸學是口腔臨床醫學中的一個分支學科，主要研究牙頜畸形的發生和發展機制，診斷分析，預防和治療。對於需要正畸的患者，需要專科檢查，包括：顳下頜關節、開口度、開口型。關節症狀：疼痛，彈響等。特殊檢查，包括：牙頜模型，x線片檢查，全頜曲面斷層片，頭顱側位片。頭顱及頜面部影像學檢查，包括：頜面及牙頜攝影，口頜系統的功能檢查，x線頭影測量，側位x線頭影硬組織測量分析，側位x線頭軟硬組織測量分析，正位(後前位)頭影硬組織測量標誌點。
目前，口腔醫生對這些參數的測量基本還是印模複印和卡尺測量，隨著數位化技術的發展，國內一些廠商也積極嘗試應用數位化的方式進行測量，但基本上還是靠手工為主，不能做到智能化的階段。
計算機圖形學是利用數學算法，將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式。簡單地說，計算機圖形學主要是利用數學算法，在計算機中表示圖形，進行圖形計算、處理和顯示。本發明是利用計算機圖形學的三角網格模型，來繪製口腔牙齒的物料模型，並利用數據處理的方法，來表達口腔牙齒的特徵點和特徵線。
技術實現要素：
本發明之目的，是提供一種口腔參數化的算法，解決現有技術中，存在的需要人工測量和計算的問題。
本發明提供了一種口腔參數化的創新，融合了多種智能化的牙齒特徵識別算法，標記出牙齒基準，再結合各種參數的定義，自動計算出口腔專科檢查的各項成果，整個過程不超過1分鐘。相比較傳統的方式，提供了一種快速便捷的方式，正確率超過97％，大大提高了口腔專科檢查的效率和精度。
一種口腔參數化測量的方法，包括如下步驟：
(100)數據模型的獲取；
(200)結構模型的建立；
(300)參數模型的建立；
(400)牙齒特徵信息提取；
(500)口腔特徵測量。
所述(100)數據模型的獲取，包括如下步驟：
(101)數據模型的獲取，即：採用掃描設備獲取口腔模型數據；
(102)面部圖像數據的獲取，是使用相機，從不同角度，即正面，45°角，側面，各種狀態，即微笑狀態和非微笑狀態獲取面像照片；
(103)圖像牙齒數據的獲取，是使用相機，獲取口腔牙列照片，包括上牙列，下牙列，左側牙列，右側牙列，正面牙列；
(104)頜面部組織結構數據獲取，使用cbct或牙科影像機器設備，獲取頜面部組織結構數據。
所述數據模型的獲取(101)，採用口腔模型法(1011)，首先使用齒科藻酸鹽印模材料，獲取口腔，頜面部軟、硬組織相應的模型；然後通過桌面掃描儀進行掃描，獲取模型數據。
所述數據模型的獲取，採用口腔直接掃描法獲取口腔數據(1012)，即直接通過口內掃描儀對口腔、頜面部軟、硬組織結構進行掃描，獲取模型數據。
所述結構模型的建立(200)，包括如下步驟：
(201)數據導入：將所述數據模型的上述面像照片，牙列照片，以及頜面部組織結構數據導入到計算機，並進行命名；
(202)模型修整：對所述牙齒數據模型進行修正處理，使其最大程度接近現實的口腔牙齒形狀，包括形態修正，孔洞修補，主體提取；
(203)設定坐標：建立牙齒和牙頜的坐標系。
所述參數模型的建立(300)，包括如下步驟：
(301)結構模型特徵點的初次提取；
(302)結構模型特徵點的二次提取；
(303)網格頂點法矢計算；
(304)主曲率計算；
(305)主曲率的極值判斷；
(306)特徵線的自動生成。
所述(301)初次提取，是在初步判斷牙齒數據結構模型的基礎上，提取過度較為激烈的點，即頂點數據。
所述(302)二次提取是在修改僅根據單個三角面片的法向量的基礎上，計算獲得牙齒數據結構模型上的過度較為激烈點的位置；以便獲得更為理想的特徵區域，提高特徵點提取的正確率。
所述(303)網格頂點法矢的計算，
首先，估算出三角面片中，每一頂點p的法矢(參見圖20所示)；每個三角面片的法矢線性疊加為：
其中：vm+1＝v1；
其次，單位法矢的加權疊加計算：
其中，di,m+1＝di,1
所述牙齒局部三角網格模型的頂點法矢，採用法矢線性疊加法計算(如圖21所示)或單位法矢加權疊加法。
所述(304)主曲率計算包括主方向的計算，vj(1≤j≤m)在局部坐標系(phuv)下，其坐標值為(uj,vj,hj)，由m個鄰點得到的線性方程組為：
用最小二乘法解此方程組，即求得曲面s(u，v)方程的最小二乘解，就是使得各個鄰點到曲面距離的平方和最小時的解；以pi為球心，以最近鄰點vi到pi的距離為半徑作一球面，三角面片形的各邊與球面的交點作為新的鄰點，代入式(3)求解；由上述曲面的(1)、(2)基本公式，可得到曲面上pi處的法曲率k，即其中，的根為γ1、γ2，此時法曲率k就達到它極值k1、k2,對應的主方向為(1，γ1)，(1，γ2)或(-γ1，1)，(-γ2，1)；對曲面s(u，v)，k1,k2的值為
所述(305)主曲率的極值判斷，
(1)通過判斷特徵點pi，所述特徵點pi在m1方向以及反向延長線上(參見圖23所示)，與三角形的交點為a、b；由於兩線並不相交，是兩線的延長線，在三角面片上的垂直投影與三角形所形成的交點,當pi點主曲率k1的絕對值，大於a、b兩點在m1方向上的k值的絕對值時，則pi點就是在m1方向上的曲率極值點，標示為特徵點，a、b點的k值可由vj,vj+1在m1方向上的k1值線性組合求得，該方法同樣適用於k2，可判斷pi方向m2是否為特徵點；
(2)當比較極值時，用上述局部誤差消除因子(1-lerr)*k1來代替k1；用(1-lerr)*k2來代替k2；因此，pi點主曲率極值比a、b點的k值大到一定程度時，才認為該點是特徵點；
(3)為增強大曲率區域的影響，給每一極值點賦一個曲率權值，所述權值等於主曲率極值的絕對值，若主曲率在兩個方向上均為極值，則取極值的絕對值之和；
(4)如果加入整體誤差閥值gerr，對每一個曲率極值點，當某一點曲率權值與最大曲率權值的比值小於閥值gerr時，則將這一點從特徵點序列中去掉。
所述(306)特徵線的自動生成，包括如下步驟：
第1步：(3061)尋找特徵線的起點，按順序搜索特徵點，若特徵點p的鄰點中有兩個特徵點q和r,且線段pq和線段rp的夾角大於120度，則p可作為一條特徵線的起點(參見上圖24)；
第2步：(3062)尋找特徵線的連續點，以前一點p和當前點q的連線方向為特徵線延伸方向，若q的鄰點中有特徵點a,b，則qa與pq的夾角小於qb與pq的夾角，將a作為連續點，被加入該組點序列；若某點(如a點)的鄰點沒有特徵點，則在最靠近延伸方向的點x附近，也即a點的二重鄰點，進一步搜索特徵點，將最靠近延伸方向的特徵點c加入序列；
第3步：(3063)將起點，連續點從特徵點序列中去除；
第4步；(3064)尋找特徵點的終點，重複第2步、第3步，直至某點的鄰點和二重鄰點中均沒有特徵點，該點即為特徵線的終點；
第5步：(3065)判斷特徵線的封閉情況，若終點的鄰點或二重鄰點包含起點p,則將這些點序列連成一條封閉b樣的條線；若不包含p點，則特徵線不封門，以pr為特徵線延伸方向進行反方向搜索，重複第4步將得到連續點插入起點前作為新的起點；
第6步：(3066)重複第1～5步連接所有的特徵線。
所述(400)牙齒特徵點提取，包括如下三步驟：
第1步：(401)頰面特徵線的提取，所述頰面特徵線是牙齒數據結構模型的參數，以用於牙齒數據結構模型橫向的特徵判斷；所述頰面特徵線的提取(401)包含：
(4011)收集所有特徵線信息，並記錄所有特徵線的交叉信息，以及經過三角面點的主曲率值；
(4012)按照牙頜坐標的y軸正向，或者負向，特徵線主曲率值和y軸夾角不超過90°，找到單顆牙齒特徵線上的最低點，並向兩邊延展，找到頰面特徵點的交點(a點)，如果沒有交叉，最低點即為a點；
(4013)沿頰面特徵線進行搜索，找到與頜面特徵的交叉點b點；
第2步：(402)頜面特徵點的提取：所述頜面特徵點是牙齒數據結構模型的主要參數，用於牙齒模型垂直向的特徵判斷，頜面特徵點的提取包含如下兩步驟：
(4021)按照牙頜坐標的z軸負向，特徵線主曲率值和z軸夾角不超過90°找到頜面特徵線；
(4022)在頜面特徵線上z值最大值的點zmax，並收集zmax-δ的點集，按照主曲率極值，收集到主曲率最大的4個點；
第3步：(403)頜面特徵線的提取，所述頜面特徵線是數據結構模型的參數，用於牙齒模型咬合狀態的特徵判斷，包括如下兩步驟：
(4031)按照牙頜坐標的z軸負向，特徵線主曲率值和z軸夾角不超過90°找到頜面特徵線；
(4032)在頜面特徵線上z值最大值的點zmin，有可能會收集到多條特徵線，篩選主流方向按照與x軸平行即可。
所述口腔特徵測量(500)的步驟為：
第1步(501)擁擠度的測量：擁擠度＝牙弓應有長度-牙弓現有長度；一般分為三度：i度擁擠，相差2～4mm；ii度擁擠，相差4～8mm；iii度擁擠(拔牙邊緣)，相差>8mm(一般採取拔牙)；
第2步(502)側切牙間距測量：motakawa(1987)提出，下頜左、右側切牙，遠中面間的距離約等於下頜尖牙、前磨牙的總寬度；
第3步(503)下切牙傾斜度的測量：對於下頜切牙傾斜度的分析常常採用tweed分析法，在tweed分析法中，不論錯頜的部位在何處，tweed認為fmia是建立良好面型的重要條件，因此fmia成為矯治追求目標。其中fh-mp(fma)較難用一般正畸方法來改變(參見圖25)；
第4步(504)bolton指數測量：bolton指數＝下頜(6-6)冠寬之和/上頜(6-6)冠寬之和；
第5步(505)前牙排列測量：所述前牙排列特徵，主要通過上前牙(13、12、11、21、22、23)，下前牙(43、42、41、31、32、33)的切牙切緣角體現(參見圖15)；所述切牙切緣角的特徵，包括：合平面，牙弓曲線，前牙區牙齒切緣，切緣中點；採用計算機輔助生成的元素有：(a).投影到合平面上的六條前牙區牙齒切緣；(b).六個切緣中點與牙弓曲線距離最近的六個點；(c).六條過切緣中點的切線(lq)；(d).牙弓曲線上六個點的切線(ly)；切緣角α＝lq與ly夾角；
第6步(506)下後牙排列測量：(參見圖16)所述左、右下後牙排列特徵＝(dl-ds)/dl，其中dl為：邊界曲線與牙弓曲線的最長距離，ds：邊界曲線與牙弓曲線的最短距離；所述邊界曲線為擬合1、2、3、4、5、6六個點形成的兩條光滑曲線；
第7步(507)上後牙排列測量：(參見圖17)所述左、右上後牙排列特徵＝(dl-ds)/dl，其中dl為：中間曲線與牙弓曲線的最長距離，ds為：中間曲線與牙弓曲線的最短距離。所述中間曲線為擬合1、2、3、4四段曲線形成一條光滑曲線。
第8步(508)咬合關係測量：
(1)angel氏i類的測量：
(a)所述上頜尖牙(13)牙尖到同側下頜尖牙(43)牙尖與第一前磨牙(14、44)頰尖連線中點的距離；
(b)上頜第一前磨牙頰尖到同側下頜兩個前磨牙頰尖連線中點的距離；
(c)上頜第二前磨牙頰尖到同側下頜第二前磨牙頰尖與第一磨牙近中頰尖連線中點的距離；
(d)上頜第一磨牙近中頰尖到同側下頜第一磨牙頰溝間的距離；
(e)上頜第二磨牙近中頰尖到同側下頜第二磨牙頰溝間的距離；
(2)angel氏ii類的測量：上頜第一磨牙近中頰尖到同側下頜第二前磨牙頰尖與第一磨牙近中頰尖連線中點的距離。上頜第二磨牙近中頰尖到同側下頜第一磨牙遠中頰尖與第二磨牙近中頰尖連線中點的距離；
(3)angel氏iii類的測量：下頜前磨牙拔除。上頜第二前磨牙頰尖到同側下頜第一磨牙頰溝的距離；
509前牙相對位置測量：
(5091)覆蓋(overjet)：所述覆蓋，是指上前牙蓋過下前牙的水平距離；所述覆蓋量，為兩個中切牙覆蓋的平均值；
其中，覆蓋量<0為反覆蓋；
覆蓋量＝0為對刃；
0<覆蓋量<＝3mm以內為正常覆蓋；
3<覆蓋量<＝5mm稱為一度深覆蓋；
5<覆蓋量8mm稱為三度深覆蓋；
(5092)個別牙覆蓋：包括上下6組值，上下3-3；
(5093)覆合(overbite)：所述覆合，為上下切牙切緣中點在facc曲線上的一段投射長度與下切牙facc曲線總長度之比；覆合比例＝長度l1/facc曲線長度；開合度＝l2；
l2>5mm,三度開合；
3mm<l2<＝5mm,二度開合；
0mm<l2<＝3mm,一度開合；
l2＝0mm，對刃；
0<覆合比例<＝30％，正常覆合；
30％<覆合比例<＝60％，一度深覆合；
60％<覆合比例<＝90％，二度深覆合；
90％8mm，通常處於拔牙邊緣，應採取拔牙。
502側切牙間距的測量：
1987年，motakawa提出，下頜左、右側切牙，遠中面間的距離，約等於下頜尖牙、前磨牙的總寬度，用於快速計算前牙的輕微擁擠量。
503下切牙傾斜度的測量
對於下頜切牙傾斜度的分析常常採用tweed分析法，在tweed分析法中，不論錯頜的部位在何處，tweed認為fmia是建立良好面型的重要條件，因此fmia成為矯治追求目標。其中fh-mp(fma)較難用一般正畸方法來改變，參見圖25。
504bolton指數的測量
bolton指數＝下頜(6-6)冠寬之和/上頜(6-6)冠寬之和
505前牙排列的測量
5051前牙排列特徵，主要通過上前牙(13、12、11、21、22、23)，下前牙(43、42、41、31、32、33)的切牙切緣角體現，參見圖15。所述切牙切緣角的特徵，包括：合平面、牙弓曲線、前牙區牙齒切緣和切緣中點。
5052採用計算機輔助生成下列元素：a)投影到合平面上的六條前牙區牙齒切緣；b)六個切緣中點與牙弓曲線距離最近的六個點；c)六條過切緣中點的切線lq；d)牙弓曲線上六個點的切線ly。
5053切緣角α＝lq與ly夾角。
506下後牙排列的測量
所述左、右下後牙排列特徵＝(dl-ds)/dl；其中，dl為：邊界曲線與牙弓曲線的最長距離，ds為：邊界曲線與牙弓曲線的最短距離；所述邊界曲線為擬合1、2、3、4、5、6六個點，形成的兩條光滑曲線(估計特徵值接近1)，參見圖16。
507上後牙排列的測量
所述左、右上後牙排列特徵＝(dl-ds)/dl；其中，dl為：中間曲線與牙弓曲線的最長距離，ds為：中間曲線與牙弓曲線的最短距離。所述中間曲線為擬合1、2、3、4四段曲線形成一條光滑曲線，參見圖17。
508咬合關係的測量
1)angel類別：臨床上是以上頜第一後磨牙(16、26、36、46)為標準，參見圖17所述。所述上頜第一後磨牙(16、26)的上頜近中頰尖連線mdlk(用虛線表示)和上頜遠中頰尖連線dblk(用虛線表示)；下頜第一後磨牙(46、36)的近中頰尖連線mdlk(用實線表示)和遠中頰尖dblk連線(用虛線表示)，在牙弓曲線(archformcurve)的弧長上的投影的位置關係，能表示三類情況：即angel氏i類((上牙落後半粒牙屬正常)情況、angel氏ii類(上牙超前半粒牙)情況、angel氏iii類(下牙落後一粒牙)情況。
(1)angel氏i類的測量：
(a)所述上頜尖牙(13)牙尖到同側下頜尖牙(43)牙尖與第一前磨牙(14、44)頰尖連線中點的距離。
(b)上頜第一前磨牙頰尖到同側下頜兩個前磨牙頰尖連線中點的距離。
(c)上頜第二前磨牙頰尖到同側下頜第二前磨牙頰尖與第一磨牙近中頰尖連線中點的距離。
(d)上頜第一磨牙近中頰尖到同側下頜第一磨牙頰溝間的距離。
(e)上頜第二磨牙近中頰尖到同側下頜第二磨牙頰溝間的距離。
(2)angel氏ii類的測量：上頜第一磨牙近中頰尖到同側下頜第二前磨牙頰尖與第一磨牙近中頰尖連線中點的距離。上頜第二磨牙近中頰尖到同側下頜第一磨牙遠中頰尖與第二磨牙近中頰尖連線中點的距離。
(3)angel氏iii類的測量：下頜前磨牙拔除。上頜第二前磨牙頰尖到同側下頜第一磨牙頰溝的距離。
通過上述量化計算，能確定angel氏分類。
509前牙相對位置測量：
前牙相對位置主要用前牙覆蓋和覆合來表示
5091覆蓋(overjet)
所述覆蓋，是指上前牙蓋過下前牙的水平距離。覆蓋的幾何定義：過上頜3-3md連線的中點；垂直於md投影到合平面的線；平行於合平面；到下頜對應牙面的距離。使用到的特徵包括：切牙切緣，牙合平面。
所述覆蓋量，為兩個中切牙覆蓋的平均值。
其中，覆蓋量<0為反覆蓋；
覆蓋量＝0為對刃；
0<覆蓋量<＝3mm以內為正常覆蓋；
3<覆蓋量<＝5mm稱為一度深覆蓋；
5<覆蓋量8mm稱為三度深覆蓋。
5092個別牙覆蓋：包括上下6組值，上下3-3。
5093覆合(overbite)：
所述覆合，為上下切牙切緣中點在facc曲線上的一段投射長度與下切牙facc曲線總長度之比。
覆合的幾何定義：
過上頜3-3md連線的中點；
平行於合平面獲得a平面；
a平面截取下頜對應牙的facc曲線上半部分的長度l1；
a平面與下頜對應牙的facc曲線無交點，測量facc曲線合點到a平面距離l2；覆合比例＝長度l1/facc曲線長度；開合度＝l2。
使用到的特徵包括：切牙切緣，牙合平面，facc曲線。
開合度和覆合比例：均取下頜中切牙覆合的平均值。
l2>5mm,三度開合；
3mm<l2<＝5mm,二度開合；
0mm<l2<＝3mm,一度開合；
l2＝0mm，對刃；
0<覆合比例<＝30％，正常覆合；
30％<覆合比例<＝60％，一度深覆合；
60％<覆合比例<＝90％，二度深覆合；
90％<覆合比例，三度深覆合。
5094個別下切牙覆合：包括上下6組值，上下3-3。