专利名称：一种牙科cbct生成全景图的数据处理方法
技术领域：
本发明的方法属于口腔临床医学和计算机图形学领域，具体的涉及一种牙科CBCT 生成全景图的数据处理方法。
背景技术：
用于牙科的数字化体层摄影设备(又称为锥束计算机断层扫描设备，英文简称 CBCT)采集到的三维数据，可以看成一系列轴向面图像(参见附图I)，沿着垂直于纸面方向堆叠而成。传统的全景机能产生全口牙的二维全景图，用于牙科的数字化体层摄影设备不能直接得到二维全景图，但能利用采集到的三维数据重建出二维牙科全景图。全景图也称为曲面断层图，可以看成将所有的牙沿着牙列弯曲的方向进行曲面展开后，依次排列在一条直线上后进行投影得到，如附图2所示。在三维空间上每一点的灰度值均为已知，生成全景图的方法参照附图3所示首先沿着附图3纸面内垂直于牙弓曲线(中间那条不带箭头的曲线)的方向(即牙弓曲线的法线方向)，以牙弓曲线为中心，取一定厚度T，将曲线两边的灰度值进行叠加，得到全景图上一个点的值；然后按照轴向面图像的堆叠顺序，依次在每个轴向面图像上进行上述操作，并依次排列由每个轴向面图像上计算得到的一个点的值， 得到全景图上一列数据的值；然后沿着曲线弯曲的方向进行曲面展开，得到多列数据拼接在一起就能生成如附图2所示的全景图。展开前后坐标系的对应关系是附图3牙弓曲线拉直后为附图2图像的X轴，附图2中图像的Y轴方向是附图3中垂直于纸面的方向。附图3中的牙弓曲线决定了生成全景图的位置，这条曲线的初始化方式为，第一步通过人工在牙弓上选择几个关键点，这几个关键点等间距分布，再用直线或曲线进行连接相邻的关键点，如附图4所示。第二步需要调曲线的位置，将初始化后的曲线往内收缩或往外扩张，使曲线与真实的牙齿排列位置吻合。收缩或扩张曲线的方法是将曲线上的所有点沿着垂直于曲线的方向向内移动相同的距离，如附图5a和附图5b所示。如果曲线向内收缩距离太大，此方法可能产生曲线相互缠绕在一起的情况，如附图6a或附图6b所示，这种情况下将生成错误的全景图。必须重新执行第一步初始化曲线， 使操作变得更加繁琐。解决曲线收缩或扩张时缠绕问题关键在于判断并删除曲线收缩或扩张后缠绕的部分，并处理曲线打结部位使得筛选后的收缩或扩张曲线得以平滑过渡，本发明的方法基于此原理解决生成全景图过程中初始化曲线收缩或扩张时的缠绕问题，从而使生成正确全景图的操作步骤能得到减少。
发明内容
本发明的技术方案为一种牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于如下步骤(I)首先从口腔数字化体层摄影设备上获取全口牙的三维图像数据；
(2)初始化一条牙弓曲线CO，将其作为收缩或扩张的起点；(3)取得曲线CO上每个点的坐标，并计算曲线上每个点的法线方向；(4)按照曲线向内收缩或向外扩张的距离值d，将曲线上的每个点沿着该点的内法线方向或者外法线方向移动距离d，得到曲线Cl ；(5)计算曲线Cl上某个点到曲线CO上所有点的距离，根据距离阈值进行筛选，由曲线Cl上筛选后的点生成一条曲线C2 ；(6)首先对曲线C2进行处理，然后按照曲线C2将多列数据依次拼接在一起生成对应的全景图。进一步的，所述步骤(I)中，所述三维图像数据由一系列轴向面图像沿着垂直于纸面方向堆叠而成，这些数据包括上牙列、下牙列其中之一，或同时包括上下牙列。进一步的，所述步骤(2)中，所述初始化一条牙弓曲线具体为采用人工方式在牙弓上选择关键点，再用直线依次连接相邻的点，或用三次B样条曲线依次连接相邻的四个进一步的，所述步骤(3)中，所述取得曲线CO上每个点的坐标是通过一定的采样间隔在组成曲线CO的直线或三次B样条曲线上进行采样得到。进一步的，所述步骤(4)中，距离值d的获得采用如下方式如果用户打算将曲线 CO移动到经过图像上的某一点，此时用户在图像上指定该点的位置，然后计算该点到曲线 CO上所有点的距离最小值作为曲线CO收缩或扩张的距离d，并判断曲线向外扩张还是向内收缩。进一步的，所述步骤⑷中，距离值d的获得也可以采用如下方式用户可用鼠标滚轮操作来收缩或扩张曲线，鼠标滚轮向前滚动可以认为曲线将向外扩张，鼠标滚轮向后滚动，可以认为曲线将向内收缩。鼠标滚轮滚动的距离，转换为曲线收缩或扩张的距离d。进一步的，所述步骤(4)中，需要记录下曲线Cl上每个点的坐标，以及曲线Cl上每个点是由曲线CO上哪个点移动过来的，即曲线Cl上点与曲线CO上点的一一对应关系。进一步的，所述步骤(5)中，根据距离阈值进行筛选采用如下步骤计算曲线Cl上某个点Pl到曲线CO上所有点的距离，该点Pl与曲线CO上某个点P2的距离存在一个最小值d2，如果此最小距离d2小于步骤4中所述的距离值d，将该点Pl舍弃。进一步的，所述步骤￠)中，所述对曲线C2进行处理包括曲线C2上的点沿着曲
线的走向依次进行编号，记为LI，L2，L3......LN，N为曲线C2上点的总个数；在断开的接
头处，用多点平均的方式，对接头附近的点进行平滑。进一步的，所述步骤￠)中，所述生成对应的全景图包括以下步骤(6. 1)C2曲线上点与CO曲线上点的——对应关系可以通过Cl曲线上点与CO曲线上点的一一对应关系得到，近似认为C2曲线上某点的法线方向与其在CO曲线上对应点相同；(6. 2)沿着C2曲线上的点LI的法线方向，以C2曲线为中心，取一定厚度T，将曲线两边的灰度值进行叠加，得到全景图上一个点的值；(6.3)按照轴向面图像的堆叠顺序，依次在每个轴向面图像上进行上述步骤6. 2 的操作，并依次排列由每个轴向面图像上计算得到的一个点的值，得到全景图上一列数据的值；(6. 4)依次对C2曲线上的L2，L3......LN点进行步骤(6. 2) -(6. 3)的操作，得到
多列数据依次拼接在一起生成对应的全景图。本发明和以往的技术相比，只需要一次初始化一条曲线，然后通过简单的操作收缩或扩张该曲线就能使改变后的曲线与真实的牙齿排列位置吻合，从而生成正确的全景图，无需重复初始化曲线
图I为轴向面图像示意图，从轴向面图像中可见牙齿排列在弓行的牙槽骨内， 形成上牙列或下牙列，带箭头的曲线为牙列弯曲的方向；图2为牙科全景图示意图，图中的X轴表示图一中牙列弯曲的方向，y轴为垂直于图一的纸面方向；图3为牙科全景图生成过程示意图，图中不带箭头的曲线为牙弓曲线，T表示以牙弓曲线取厚度T进行叠加；图4为初始化牙弓曲线示意图，图中的点为人工在牙弓上选择的关键点，它们之间用直线或曲线进行连接；图5a为牙弓曲线向外扩张示意图，箭头所指方向垂直于初始化的牙弓曲线，是牙弓曲线向外扩张方向，虚线所指为扩张后的牙弓曲线；图5b为牙弓曲线向内收缩示意图，箭头所指方向垂直于初始化的牙弓曲线，是牙弓曲线向内收缩的方向，虚线所指为收缩后的牙弓曲线；图6a为初始化曲线(实线)向内收缩后相互缠绕在一起(虚线)；图6b为初始化曲线(实线)向外扩张后缠绕在一起(虚线)；图7a为针对牙弓曲线收缩后的情形，对曲线Cl上的点进行筛选的示意图；图7b为针对牙弓曲线扩张后的情形，对曲线Cl上的点进行筛选的示意图；图8a为针对牙弓曲线收缩后的情形，对接头点附近的若干个点的坐标进行处理，最终生成C2曲线的示意图；图Sb为针对牙弓曲线扩张后的情形，对接头点附近的若干个点的坐标进行处理，最终生成C2曲线的示意图。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
如下I.首先从口腔数字化体层摄影设备上获取全口牙的三维图像数据，这些数据由一系列如附图I所示的轴向面图像沿着垂直于纸面方向堆叠而成，这些数据可以只包括上牙列、只包括下牙列或同时包含上下牙列。如果仅获取上牙列的三维数据，将生成仅包含上牙列的半幅全景图；如果仅获取下牙列的三维数据，将生成仅包含下牙列的半幅全景图；如果获取上下牙列的三维数据，将生成同时包含上下牙列的整幅全景图。2.初始化一条牙弓曲线，记为CO曲线，将其作为收缩或扩张的起点，收缩或扩张后的曲线将作为展开全景图时使用的牙弓曲线。曲线初始化的方式为首先通过人工在一系列轴向面图像中任意选取其中一幅包含整个牙弓区域的轴向面图像，然后在图像上的牙弓区域内沿着牙弓弯曲的方向上选择关键点，再用直线依次连接相邻的点，或用三次B样条曲线依次连接相邻的四个点，初始化后的曲线应能覆盖整个牙弓，并且符合牙弓弯曲的形状。3.取得CO曲线上每个点的坐标，这可以以足够小的采样间隔(小于一个像素的大小，如0. I个像素)在组成本曲线的直线或三次B样条曲线上进行采样得到。4.计算CO曲线上每个点的法线方向，定义曲线扩张的方向为外法线方向，曲线收缩的方向为内法线方向。如果连接关键点的为直线，两个关键点间连线上点的法线方向为 (1，k)，k为此直线斜率；如果用于连接关键点的曲线为三次B样条曲线，由于三次B样条曲线为参数方程即X = X (u), y = y (U)将B样条曲线方程对此参数u求导后得到切线方程，然后根据曲线上每一点的切线方向，求出该点法线方向。5.取得CO曲线向内收缩或向外扩张的距离，这个距离可以由用户的软件交互获得。例如用户打算将CO曲线移动到经过图像上的某一点，此时用户在图像上指定这个点的位置，然后本方法将计算这个点到CO曲线上所有点的距离最小值作为CO曲线移动的距离d，并判断曲线向外扩张还是向内收缩。再例如用户可用鼠标滚轮操作来收缩或扩张曲线，鼠标滚轮向前滚动可以认为曲线将向外扩张，鼠标滚轮向后滚动，可以认为曲线将向内收缩。鼠标滚轮滚动的距离，可以转换为曲线收缩或扩张的距离d。如果鼠标滚轮滚动前的牙弓曲线处于向外扩张状态，到 CO曲线的距离为do，则鼠标滚轮向前滚动后牙弓曲线将继续向外扩张，到CO曲线的距离将变为do+d;鼠标滚轮向后滚动后牙弓曲线将向内收缩，到CO曲线的距离将变为do-d。如果鼠标滚轮滚动前的牙弓曲线处于向内收缩状态，到CO曲线的距离为d0，则鼠标滚轮向前滚动后牙弓曲线将向外扩张，到CO曲线的距离变为dO-d ；鼠标滚轮向后滚动后牙弓曲线将继续向内收缩，到CO曲线的距离变为d0+d。6.如果第5步中判断曲线将向外扩张，本方法将曲线上的每个点沿着该点的外法线方向移动距离d ;如果第5步中判断曲线将向内收缩，将曲线上的每个点沿着该点的内法线方向移动距离d。由这些移动后的点得到一条新的曲线，记为Cl，记录下Cl曲线上每个点的坐标，以及Cl曲线上每个点是由CO曲线上哪个点移动过来，即Cl曲线上点与CO曲线上点的对应关系。7.计算Cl曲线上某个点到CO曲线上所有点的距离,这个点与CO曲线上某个点的距离存在一个最小值d2，如果此最小距离小于第5步中所述的距离d，将这个点标记为被舍弃。如附图7a所示，由第6步可知，新曲线Cl中的Pl点由原始曲线上的PO点向内移动距离d而来，而Pl点到CO曲线上所有点中的P2点的距离d2最小，且d2小于d，则Cl曲线上的Pl点将被舍弃。曲线收缩的情形如图7a所示，曲线扩张的情形如图7b所示。8.由Cl曲线上所有没有被舍弃的点生成一条新的曲线，记为C2曲线，并重新对
C2曲线上的点沿着曲线的走向依次进行编号，记为LI，L2，L3......LN, N为点的总个数。
曲线收缩的情形如附图8a所示，曲线扩张的情形如附图Sb所示，在断开的接头处，用多点平均的方式，对接头附近的点(选取10个左右在接头附近的点)进行平滑，解决接头处不连续的问题，方法是对接头点附近的某个编号为Ln的点(0 < n < N)，取Ln点的X坐标
和其编号接近的左右各a个点(编号为Ln-a, Ln-a+1, Ln-a+2,......Ln+1,......Ln+a)
X坐标的平均值，作为这个点Ln的X坐标；取Ln点的Y坐标和其编号接近的左右各a个点
(同样的，编号为Ln-a, Ln-a+1, Ln-a+2,......Ln+1,......Ln+a) Y坐标的平均值，作为这
个点的Y坐标。9.由于C2曲线上点与CO曲线上点的——对应关系可以通过Cl曲线上点与CO曲线上点的一一对应关系得到，近似认为C2曲线上某点的法线方向与其在CO曲线上对应点相同。沿C2曲线的法线方向采样一定的厚度的值叠加后生成全景图，方法是第一步沿着 C2曲线上的点LI的法线方向，以C2曲线为中心，取一定厚度T，将曲线两边的灰度值进行叠加，得到全景图上一个点的值；第二步按照轴向面图像的堆叠顺序，依次在每个轴向面图像上进行上述操作，并依次排列由每个轴向面图像上计算得到的一个点的值，得到全景图
上一列数据的值；依次对C2曲线上的L2，L3.......点进行上述两个步骤的操作，得到多列
数据依次拼接在一起生成对应的全景图。
8
权利要求
1.一种牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于(1)首先从口腔数字化体层摄影设备上获取全口牙的三维图像数据；(2)初始化一条牙弓曲线CO，将其作为收缩或扩张的起点；(3)取得曲线CO上每个点的坐标，并计算曲线CO上每个点的法线方向；(4)按照曲线向内收缩或向外扩张的距离值d，将曲线CO上的每个点沿着该点的内法线方向或者外法线方向移动距离d，得到曲线Cl ；(5)计算曲线Cl上某个点到曲线CO上所有点的距离，根据距离阈值进行筛选，由曲线 Cl上筛选后的点生成一条曲线C2 ；(6)首先对曲线C2进行处理，然后按照曲线C2将多列数据依次拼接在一起生成对应的全景图。
2.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(1)中，所述三维图像数据由一系列轴向面图像沿着垂直于纸面方向堆叠而成，这些数据包括上牙列、下牙列其中之一，或同时包括上下牙列。
3.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(2)中，所述初始化一条牙弓曲线具体为采用人工方式在轴向面图像上的牙弓区域选择关键点，再用直线依次连接相邻的点，或用三次B样条曲线依次连接相邻的四个点。
4.根据权利要求3所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(3)中，所述取得曲线CO上每个点的坐标是通过一定的采样间隔在组成曲线CO的直线或三次B样条曲线上进行采样得到。
5.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(4)中，距离值d的获得采用如下方式如果用户打算将曲线CO移动到经过图像上的某一点，此时用户在图像上指定该点的位置，然后计算该点到曲线CO上所有点的距离最小值作为曲线CO收缩或扩张的距离d，并判断曲线向外扩张还是向内收缩。
6.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(4)中，距离值d的获得采用如下方式用户可用鼠标滚轮操作来收缩或扩张曲线，鼠标滚轮向前滚动可以认为曲线将向外扩张，鼠标滚轮向后滚动，可以认为曲线将向内收缩。鼠标滚轮滚动的距离，转换为曲线收缩或扩张的距离d。
7.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于所述步骤(4)中，记录下曲线Cl上每个点的坐标，以及曲线Cl上每个点是由曲线CO上哪个点移动过来的，即曲线Cl上点与曲线CO上点的——对应关系。
8.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(5)中，根据距离阈值进行筛选采用如下步骤计算曲线Cl上某个点Pl到曲线CO上所有点的距离，该点Pl与曲线CO上某个点P2 的距离存在一个最小值d2，如果此最小距离d2小于步骤(4)中所述的距离值d，将该点Pl 舍弃。
9.根据权利要求I所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(6)中，所述对曲线C2进行处理包括曲线C2上的点沿着曲线的走向依次进行编号，记为 LI，L2，L3......LN，N为曲线C2上点的总个数；在断开的接头处，用多点平均的方式，对接头附近的点进行平滑。
10.根据权利要求9所述的牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，其特征在于步骤(6)中，所述生成对应的全景图包括以下步骤(6. 1)C2曲线上点与CO曲线上点的——对应关系可以通过Cl曲线上点与CO曲线上点的一一对应关系得到，近似认为C2曲线上某点的法线方向与其在CO曲线上对应点相同； (6. 2)沿着C2曲线上的点LI的法线方向，以C2曲线为中心，取一定厚度T，将曲线两边的灰度值进行叠加，得到全景图上一个点的值；(6.3)按照轴向面图像的堆叠顺序，依次在每个轴向面图像上进行上述步骤(6.2)的操作，并依次排列由每个轴向面图像上计算得到的一个点的值，得到全景图上一列数据的值；(6. 4)依次对C2曲线上的L2，L3......LN点进行步骤(6. 2)-(6. 3)的操作，得到多列数据依次拼接在一起生成对应的全景图。
全文摘要
本发明是一种牙科CBCT生成全景图的数据处理方法，首先从口腔数字化体层摄影设备上获取全口牙的三维图像数据，初始化一条牙弓曲线，将其作为收缩或扩张的起点，收缩或扩张后的曲线将作为展开全景图时使用的牙弓曲线，取得曲线上每个点的坐标，并计算曲线上每个点的法线方向，设定曲线向内收缩或向外扩张的距离，将曲线上的每个点沿着该点的外法线方向或者内法线方向移动距离d；计算新曲线上某个点到原曲线上所有点的距离，根据距离阈值进行筛选，由新曲线上所有没有被舍弃的点生成一条最终曲线，按照最终曲线得到多列数据依次拼接在一起生成对应的全景图。
文档编号G06T11/00GK102609965SQ20121003181
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者吴宏新, 马晓昕 申请人:北京朗视仪器有限公司