一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法及系统

本发明属于三维图像处理，涉及一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、数字化正畸是将患者口腔内的真实情况以数字化数据呈现、分析、并产生正畸流程的过程。一般地，患者在初诊阶段，会拍摄锥形束ct、口腔x光曲面断层片等影像数据，用于观察从外部不易观察的牙根、牙槽骨、软组织的形态或病变情况；此外，患者会被要求制作口腔模型，分为传统的基于咬合倒模的石膏实物模型，和更为现代化的利用口腔扫描设备重建得到的口腔三维模型(以下简称“口扫模型”)。实物石膏模型会通过三维扫描设备数字化为三维模型。由于石膏模型具有制备周期长、易损坏、不易大量保存等缺点，越来越多的口腔医院选择使用更快捷的口腔扫描设备对患者的口腔进行数字化建模。

3、在数字化正畸过程中，需要对正畸过程进行可视化，其中美观合理的牙龈对可视化效果十分重要。受限于设备精度等外部原因，口扫模型的牙龈部分通常存在较多噪声，网格质量较低。此外，在数字化正畸的过程中，随着牙齿按正畸路径移动，牙龈应做出相应形变，使用口扫网格也不易模拟牙龈随牙齿位移而发生形变的过程。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法及系统，本发明可以根据真实口扫模型及其分割结果，生成虚拟牙龈。对畸形程度较高的牙齿口扫模型也能够生成合理且有真实感的牙龈模型，且生成的网格三角形大小均匀，质量较高。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，包括以下步骤：

4、获取口腔三维模型，对模型预处理，删除低质量网格区域后，进行分割优化；

5、根据设定的相关参数，根据口腔三维模型的分割优化结果，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线，对每颗牙齿的牙龈线重新均匀采样，根据每颗牙齿的牙龈线和牙齿长轴方向信息，确定牙龈底面的中心点并构造牙龈底面轮廓线；

6、将重新均匀采样后的牙龈线顶点投影到与牙龈底面轮廓线上，确定各个关键点，构造牙窝曲线和牙龈侧面曲线，形成三角网络；

7、对各颗牙齿的牙龈进行网格布尔并运算，得到整体牙龈网格，并进行光顺和网格细分，计算牙龈形变的顶点权重信息，并进行形变，生成最终的虚拟牙龈网格模型。

8、作为可选择的实施方式，删除低质量网格区域的具体过程包括：删除口腔三维模型网格中的非流形边，通过建立哈希表，对网格中每条边，将边的两个顶点索引构成的二元组映射到一个邻接三角形数组，遍历网格中所有三角形，并将三角形索引添加到该三角形三条边所对应的邻接三角形数组中，遍历结束后，检查所有边对应的邻接三角形数组，如果一条边被大于两个三角形共享，删除所有包含该边的三角形。删除口腔三维模型网格中的非流形顶点，对网格中每个顶点，建立邻接三角形数组；遍历网格中所有三角形，对网格中每个顶点，搜索共享该顶点的三角形，对于所有共享该顶点的三角形，按照边的邻接关系，通过广度优先搜索的方式查找连通分量。如果该顶点邻接的三角形组成了多于一个连通分量，那么删除与该顶点相邻的三角形。

9、在删除非流形区域后，搜索网格的连通分量，并删除最大连通分量以外的连通分量。

10、作为可选择的实施方式，进行分割优化的具体过程包括在删除低质量区域的模型网格上进行分割，将网格按分割标签分成多个连通分量，对于每个标签，只保留最大的连通分量，对于其他较小连通分量，用该连通分量邻域的标签填充。

11、作为可选择的实施方式，设定的相关参数包括牙龈高度、宽度和牙窝深度、生成网格的光顺度和生成网格密度。

12、作为可选择的实施方式，根据口腔三维模型的分割优化结果，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线前，将口腔三维模型变换至其底面与z坐标轴垂直，且正面正对y坐标轴上。

13、作为可选择的实施方式，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线的具体过程包括：

14、将顶点标签转化为三角形面的标签；

15、提取所有牙龈牙齿边界线，对每个牙齿标签，存储一个半边数组，遍历所有半边并判断半边两侧三角面的标签，当出现本侧是牙龈，对侧是牙齿的情况时，将该半边添加到该牙齿对应的半边数组中；

16、若边界线是无序的，将边界线首尾相接连成环状。

17、作为可选择的实施方式，对每颗牙齿的牙龈线重新均匀采样后，如果有缺牙，则根据前后牙齿的位置估计缺失牙齿的位置，得到牙齿位置后并按照预定的宽度参数，并加入一圈构造的牙龈线，以补足空缺位置。

18、作为可选择的实施方式，确定牙龈底面的中心点并构造牙龈底面轮廓线的具体过程包括根据每颗牙齿的牙龈线和牙齿长轴方向信息，过牙龈线中心点沿牙齿长轴方向做延长线，计算该延长线与牙龈高度所决定的平面的交点，作为牙龈底面的中心点，以底面中心点为中心，在底面上构造一个圆角矩形作为牙龈底面轮廓线，圆角矩形的长度宽度参数由对应牙龈线的尺寸计算得到。

19、作为可选择的实施方式，确定各个关键点，构造牙窝曲线和牙龈侧面曲线的具体过程包括将重采样后的牙龈线顶点投影到圆角矩形上，得到对应的底面顶点；

20、根据牙龈线中心点和牙龈线顶点构造牙窝曲线；

21、根据牙龈线上的点和在牙龈底面上的对应点，构造牙龈侧面曲线。

22、一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成系统，包括：

23、预处理模块，被配置为获取口腔三维模型，对模型预处理，删除低质量区域后，进行分割优化；

24、牙龈网格生成模块，被配置为根据设定的相关参数，根据口腔三维模型的分割优化结果，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线，对每颗牙齿的牙龈线重新均匀采样，根据每颗牙齿的牙龈线和牙齿长轴方向信息，确定牙龈底面的中心点并构造牙龈底面轮廓线；将重新均匀采样后的牙龈线顶点投影到与牙龈底面轮廓线上，确定各个关键点，构造牙窝曲线和牙龈侧面曲线，形成三角网络；对各颗牙齿的牙龈进行网格布尔并运算，得到整体牙龈网格，并进行光顺和网格细分，计算牙龈形变的顶点权重信息；

25、网格形变模块，被配置为进行形变，生成最终的虚拟牙龈网格模型。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、本发明根据带分割标签的口扫模型，提取牙龈线；根据重采样后的牙龈线和输入的牙齿长轴信息构造单颗牙齿牙龈；根据所有牙齿的单颗牙齿牙龈进行网格布尔并运算，得到整体牙龈。本发明根据真实口扫模型及其分割结果，生成虚拟牙龈。对畸形程度较高的牙齿口扫模型也能够生成合理且有真实感的牙龈模型，且生成的网格三角形大小均匀，质量较高。

28、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，删除低质量区域的具体过程包括：删除口腔三维模型网格中的非流形区域，通过建立哈希表，对网格中每条边，将边的两个顶点索引构成的二元组映射到一个邻接三角形数组，遍历网格中所有三角形，并将三角形索引添加到该三角形三条边所对应的邻接三角形数组中，遍历结束后，检查所有边对应的邻接三角形数组，如果一条边被大于两个三角形共享，删除所有包含该边的三角形；

3.如权利要求1或2所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，删除低质量区域的具体过程包括：删除口腔三维模型网格中的非流形顶点，对网格中每个顶点，建立邻接三角形数组；遍历网格中所有三角形，对网格中每个顶点，搜索共享该顶点的三角形，对于所有共享该顶点的三角形，按照边的邻接关系，通过广度优先搜索的方式查找连通分量。如果该顶点邻接的三角形组成了多于一个连通分量，那么删除与该顶点相邻的三角形。

4.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，进行分割优化的具体过程包括在删除低质量区域的模型网格上进行分割，将网格按分割标签分成多个连通分量，对于每个标签，只保留最大的连通分量，对于其他较小连通分量，用该连通分量邻域的标签填充。

5.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，根据口腔三维模型的分割优化结果，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线前，将口腔三维模型变换至其底面与z坐标轴垂直，且正面正对y坐标轴上。

6.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，获取牙齿和牙龈的分界线作为牙龈线的具体过程包括：

7.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，对每颗牙齿的牙龈线重新均匀采样后，如果有缺牙，则根据前后牙齿的位置估计缺失牙齿的位置，得到牙齿位置后并按照预定的宽度参数，并加入一圈构造的牙龈线，以补足空缺位置。

8.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，确定牙龈底面的中心点并构造牙龈底面轮廓线的具体过程包括根据每颗牙齿的牙龈线和牙齿长轴方向信息，过牙龈线中心点沿牙齿长轴方向做延长线，计算该延长线与牙龈高度所决定的平面的交点，作为牙龈底面的中心点，以底面中心点为中心，在底面上构造一个圆角矩形作为牙龈底面轮廓线，圆角矩形的长度宽度参数由对应牙龈线的尺寸计算得到。

9.如权利要求1所述的一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法，其特征是，确定各个关键点，构造牙窝曲线和牙龈侧面曲线的具体过程包括将重采样后的牙龈线顶点投影到圆角矩形上，得到对应的底面顶点；

10.一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成系统，其特征是，包括：

技术总结
本发明提供了一种面向数字化正畸的虚拟牙龈网格模型生成方法及系统，根据带分割标签的口扫模型，提取牙龈线；根据重采样后的牙龈线和输入的牙齿长轴信息构造单颗牙齿牙龈；根据所有牙齿的单颗牙齿牙龈进行网格布尔并运算，得到整体牙龈。本发明可以根据真实口扫模型及其分割结果，生成虚拟牙龈。对畸形程度较高的牙齿口扫模型也能够生成合理且有真实感的牙龈模型，且生成的网格三角形大小均匀，质量较高。

技术研发人员：周元峰,杨润泽,魏广顺
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15