基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法
【专利摘要】基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，涉及医学临床图像诊断领域。本发明是为了解决当前的传统诊断方法很难有效地诊断咀嚼系统中咀嚼肌功能异常的问题。所述通过核磁共振成像设备获取头部核磁共振图像，获取咀嚼肌动态图像，对咀嚼肌动态图像进行分割提取，获取到各组肌肉的断层图像，通过断层图像的三维叠加，获得肌肉真实的三维模型；对肌肉真实的三维模型进行量子化处理，获得了肌肉模型的点阵，采用基于全局和局部混合距离特征的非刚性点阵配准方法对不同状态下的两组点阵进行配准，获得咀嚼肌在伴随下颚运动过程中发生形变前后的对应关系，然后进行可视化，实现对人体咀嚼肌活性的模拟。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，属于医学临床图 像诊断领域。 基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法
【背景技术】
[0002] 在人体咀嚼系统中，有4组重要的肌肉：咬肌，颞肌，翼内肌和翼外肌。这4组肌 肉控制着人类的下颌运动，例如，吃饭、说话等。当人体的咀嚼系统发生功能异常时（例如、 咀嚼肌功能异常、颞下颌关节功能紊乱综合症等），会阻碍人体正常的咀嚼、吞咽、说话等功 能，也会导致脸部变形。
[0003] 上述4组咀嚼肌所处位置非常特殊，而且肌肉结构非常复杂。例如、翼内肌和翼外 肌位于下颚骨内侧，从颜面外部无法触碰；各组咀嚼肌具有多层肌纤维（或多头多翼），并 且排列方向不同，每层肌纤维具有不同的功能特性。
[0004] 这样的位置特殊性和结构复杂性，造成了传统诊断方法（触诊、肌电图、超声波检 测等）很难获取各组肌肉整体的动态活性特征。例如、使用触诊只能触碰到咬肌和颞肌位 于头部外侧部分，无法检查肌肉位于颅腔内侧的部分；使用肌电图只能获取咬肌和颞肌的 点状或面状肌肉活性，对于位于下颚骨内侧的翼内肌和翼外肌的检查，肌电图探针无法准 确地插入诊断部位进行肌肉活性检测；使用超声波只能获取到咬肌和颞肌的断层图像，但 是由于画质不高的原因，诊断也有一点难度。而且这些传统方法无法同时检查4组肌肉整 体的动态活性特征。
[0005] 由于这些技术问题，当前的传统诊断方法很难有效地诊断咀嚼系统中咀嚼肌功能 异常的问题，同时也阻碍了在此领域医学研究的深入和扩展。例如、目前针对翼外肌的上下 两个头的功能解释仍存在着争论。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决当前的传统诊断方法很难有效地诊断咀嚼系统中咀嚼肌功能 异常的问题。现提供基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法。
[0007] 基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，它包括以下步骤：
[0008] 步骤一、主治医师为患者制作塑胶咬合装置，并在核磁共振扫描过程中放入患者 口中，塑胶咬合装置用于提示患者所需保持的张口位置大小，患者根据塑胶咬合装置所要 求的张口大小，通过咀嚼肌收缩控制张口大小，在核磁共振扫描过程中，获取不同下颚运动 状态下的头部核磁共振图像，设定下颚松弛状态为下颚运动的初始位置，使用图像刚性配 准软件将其他状态基于初始位置进行图像的刚性配准，使用图像分割软件从配准后的核磁 共振图像中手动或自动对咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌4组咀嚼肌进行分割提取，获取到各 组肌肉的断层图像，通过断层图像的三维叠加，获得肌肉真实的三维模型；
[0009] 步骤二、使用劳埃德算法对步骤一中的肌肉真实的三维模型进行量子化处理，获 得肌肉模型的点阵且量子化后的每组点阵都具有相同数量的点；步骤三、采用基于全局和 局部混合距离特征的非刚性点阵配准方法对不同状态下的两组点阵进行配准，配准方法如 下：
[0010] 步骤三一、两组点阵设为{xpi = 1，2，...，X}和{y』，j = 1，2，...，￥}，义称为源 点阵即：下颚松弛状态，y称为目标点阵，即：下颚运动后的状态，点阵中的每个点包含了空 间坐标（X，y，z)，
[0011] 步骤三二、使用一个可变形的点阵xw在每一步的迭代中，获得xw在点阵y中的对 应点，其中，x w的初始状态等于源点阵X，
[0012] 步骤三三、使用当前的X和ye的对应关系更新空间变换方程，并使用更新后的空 间变换方程更新点阵x w的位置，步骤三二与步骤三三交替进行使得点阵，在空间位置和几 何形态上逐渐接近目标点阵y，从而最终找到它们在目标点阵y中的真实对应点，获得咀嚼 肌在伴随下颚运动过程中发生形变前后的对应关系；
[0013] 步骤四、对咀嚼肌在伴随下颚运动过程中发生形变前后的对应关系进行可视化， 实现对人体咀嚼肌活性的模拟。
[0014] 步骤三中使用了基于全局和局部混合距离特征，计算全局和局部混合距离特征 的方程为：
[0015] Cab = Gab+a -Lab (公式 1)
[0016] Cab是全局和局部混合特征矩阵，Gab和Lab分别为全局和局部距离特征，α是一个 权重变量用来控制在C ab中全局距离和局部距离之间的平衡关系，
[0017] 根据公式：
[0018]
【权利要求】
1. 基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，其特征在于，它包括以下步 骤： 步骤一、主治医师为患者制作塑胶咬合装置，并在核磁共振扫描过程中放入患者口中， 塑胶咬合装置用于提示患者所需保持的张口位置大小，患者根据塑胶咬合装置所要求的张 口大小，通过咀嚼肌收缩控制张口大小，在核磁共振扫描过程中，获取不同下颚运动状态下 的头部核磁共振图像，设定下颚松弛状态为下颚运动的初始位置，使用图像刚性配准软件 将其他状态基于初始位置进行图像的刚性配准，使用图像分割软件从配准后的核磁共振图 像中手动或自动对咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌4组咀嚼肌进行分割提取，获取到各组肌肉 的断层图像，通过断层图像的三维叠加，获得肌肉真实的三维模型； 步骤二、使用劳埃德算法对步骤一中的肌肉真实的三维模型进行量子化处理，获得肌 肉模型的点阵且量子化后的每组点阵都具有相同数量的点； 步骤三、采用基于全局和局部混合距离特征的非刚性点阵配准方法对不同状态下的两 组点阵进行配准，配准方法如下： 步骤三一、两组点阵设为{Xi，i = 1，2，...，X}和{y』，j = 1，2，...，￥}，1称为源点阵 艮P :下颚松弛状态，y称为目标点阵，即：下颚运动后的状态，点阵中的每个点包含了空间坐 标（X，y, z)， 步骤三二、使用一个可变形的点阵xw在每一步的迭代中，获得xw在点阵y中的对应点 y%其中，xw的初始状态等于源点阵X， 步骤三三、使用当前的X和ye的对应关系更新空间变换方程，并使用更新后的空间变 换方程更新点阵xw的位置，步骤三二与步骤三三交替进行使得点阵xw在空间位置和几何形 态上逐渐接近目标点阵y，从而最终找到它们在目标点阵y中的真实对应点，获得咀嚼肌在 伴随下颚运动过程中发生形变前后的对应关系， 步骤四、对咀嚼肌在伴随下颚运动过程中发生形变前后的对应关系进行可视化，实现 对人体咀嚼肌活动过程的模拟。
2. 根据权利要求1所述的基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，其特征 在于，步骤三中使用了基于全局和局部混合距离特征，计算全局和局部混合距离特征的方 程为： Cab = Gab+ Q * Lab (公式 D cab是全局和局部混合特征矩阵，Gab和Lab分别为全局和局部距离特征，α是一个权重 变量用来控制在cab中全局距离和局部距离之间的平衡关系， 根据公式：
(公式2) 获得全局距离特征Gab， 式中，ajP h分别为源点阵和目标点阵， 根据公式：
(公式3) 获得局部距离特征Lab， 式中，K是邻近点的数量，N(aj k和N(bj) k分别是对于点ai和点bj的第k个邻近点，T 是平移函数，T (N (aj k，bj) = N (aj k+ (bj-a)。
3. 根据权利要求1所述的基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，其特征 在于，步骤三二中使用一个可变形的点阵xw在每一步的迭代中，获得x w在点阵y中的对应 点f的步骤为： 根据总消耗方程：
(公式4) 获得在每一次迭代中，源点阵xw当前的对应点y% 其中
CxWy为从点阵xw到点阵y的混合距离 特征， 利用线性分配技术最小化cxwy，根据公式： yc = Μ · y (公式 5) 获得从点阵xw到y的对应关系Μ。
4. 根据权利要求1所述的基于核磁共振图像处理的人体咀嚼肌活性模拟方法，其特征 在于，步骤三三中使用当前找回的xw和y e的对应关系更新空间变换方程，并使用更新后的 变换方程更新点阵xw的位置的过程为： 根据空间变换方程： f (x, d, w) = x · d+ Φ (x) · w (公式 6) 把点阵x匹配到其对应点上， 其中，d是仿射系数矩阵，w是非刚性变形系数矩阵，Φ (X)是TPS的内核函数，在2D和 3D 的情况下分别为 Φ (X) = I I X-Xc I 12log I I X-Xc I I 和 Φ (X) = I I X-Xc I I，xc 是在点阵 X 中 选取的一组控制点， 根据能量方程：
(公式7) 获得d和w， 其中，λ是一个正规化变量，φ是由φ (X)计算而来的内核矩阵， 利用QR分解技术，将
带入公式7中，获得公式为：
(公式8) 其中，w = Q2 γ , 最终获得方程：
(公式9)
(公式10) 根据公式： xw = X · d+ Φ · w (公式 11)
【文档编号】G06T7/00GK104156970SQ201410415142
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】杨扬, 杨昆 申请人:云南师范大学