專利名稱：可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種頭顱模型的制造方法，特別是一種可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法。
背景技術：
個性化的頭模在顱頜面骨整形外科、口腔科及其他相關學科的術前方案設計、術中方案指導、技能培訓中起著非常重要的作用。但目前個性化的頭模通常采用CT數(shù)據(jù)快速成型完成，因為CT數(shù)據(jù)的空間分辨率在毫米級別，因此牙齒咬合關系等精細的解剖關系無法得到體現(xiàn)，這就極大限制了頭模在齒科的應用。而齒科中通常通過石膏取模的方式獲得牙齒的精細模型，但這種做法僅能夠獲得部分的上下頜數(shù)據(jù)及牙齒數(shù)據(jù)，使用者不能夠確定這部分數(shù)據(jù)以外的顱頜面骨數(shù)據(jù)的解剖情況以及上下頜骨與顱頜面骨的比鄰關系。因此已有模型制作方法限制了個性化的頭模在臨床上的使用。
清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)。在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。逼真的頜部裝置，具有與真實患者一致的矢狀髁部和髁道，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術中CT顱頜面骨數(shù)據(jù)的空間分辨率低，依據(jù)其做出的顱頜面骨模型無法描述口腔的解剖細節(jié)而齒科模型僅能獲得部分的上下頜數(shù)據(jù)及牙齒數(shù)據(jù)，無法獲得上下頜骨與顱頜面骨的比鄰關系的技術問題，提供一種制造方法，能制作出可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，能有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)。
本發(fā)明的技術內(nèi)容是一種可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，包括下述步驟第一步、采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)用標準DICOM格式記錄成光盤文件保存。
第二步、顱頜面骨計算機三維重建將CT顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)進行三維重建，即采用醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件形成反映顱頜面骨原形的三維圖形數(shù)據(jù)，輸出文件格式為STL。
第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數(shù)據(jù)采集首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與患者牙齒完全相同的石膏模型，然后采用三維數(shù)字相機獲取牙模的三維圖形數(shù)據(jù)。
第四步、將第三步所得的牙齒部分三維數(shù)據(jù)和第二步對CT圖像重建的三維圖形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和分離首先進行數(shù)據(jù)融合，將兩種數(shù)據(jù)模態(tài)的三維圖形數(shù)據(jù)進行圖像配準，使兩組圖形數(shù)據(jù)的對應三維點集XA(x1，y1，z1)和XB(x2，y2，z2)達到空間位置和解剖結構上的完全一致，從上述兩組圖形數(shù)據(jù)中選擇多個對應的解剖結構點，進而采用基于輪廓特征的奇異值分解-迭代最近點的配準方法，得到兩種模態(tài)的映射關系即由下式確定的三維縮放系數(shù)c和平移矩陣tc=1σx2tr(DS)---(1),t=μy-cRμx---(2)]]>
上兩式中σx代表XAi點坐標位置的均方差，tr為矩陣的跡，D為對角陣，S為矩特征矩陣，μy代表三維點集XBi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，R為旋轉矩陣，μx代表三維點集XAi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，繼而對兩組圖形數(shù)據(jù)中重疊的部分數(shù)據(jù)，保留分辨率高的圖像數(shù)據(jù)，分辨率低的數(shù)據(jù)借用圖像三維編輯的手段去除；然后進行數(shù)據(jù)分離，即把融合后的數(shù)據(jù)作為頭顱模型的整體數(shù)據(jù)，再以下頜關節(jié)作為分界點，將下頜骨分離出來，以使后期加工出的模型才具有動態(tài)的咬合模擬功能，并將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別保存為STL格式的文件。
第五步、將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別輸入到快速原型系統(tǒng)，進而用快速成型加工成真實的模型，最后采用精細設計的彈簧將兩部分模型在下頜關節(jié)處連接，最終得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型。
技術效果本發(fā)明在第四步中通過融合和分離技術，將CT掃描的三維數(shù)據(jù)與牙齒精細的三維數(shù)據(jù)進行融合，并將下頜骨數(shù)據(jù)進行分離，得到剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)，并分別進行快速成型加工，然后進行連接，就能得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，而清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)，在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。由于頜部采用牙模三維數(shù)字相機進行較精確拍攝而得，可獲得相對CT掃描來說更逼真的頜部，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要。
優(yōu)選地，本發(fā)明所述第三步石膏模的三維數(shù)據(jù)采集采用自制的白光三維相機來實現(xiàn)，并采用自編軟件系統(tǒng)來獲得三維圖像數(shù)據(jù)。所述三維相機的成像過程和采集過程為激光光束照明微光學元件產(chǎn)生條紋結構光，經(jīng)棱鏡轉向照明被測牙齒或牙模的表面，條紋結構光受到牙齒三維形貌的調(diào)制形成的變形條紋，再經(jīng)轉像棱鏡和遠心成像系統(tǒng)成像在圖像接收器上，遠心成像系統(tǒng)的成像接收器必須是紅外成像儀，以實現(xiàn)對紅外光的探測，圖像接收器接收的變形條紋圖經(jīng)視頻輸出接口送到計算機；計算機內(nèi)的自編軟件系統(tǒng)完成如下過程原始圖像的采集、條紋自動分析、相位展開、深度像映射、牙齒輪廓的三維顯示、三維編輯，以及牙齒三維模型的多種通用格式的轉化和輸出。
采用上述自制的三維相機，采集的數(shù)字化牙齒模型空間分辨率在70納米左右，能清晰表現(xiàn)牙齒的結構和咬合關系；采用相匹配的自編的軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維圖形數(shù)據(jù)的準確建立和多種通用格式的轉化和輸出，便于與CT三維數(shù)據(jù)的融合，也便于模型的快速成型加工，使制得的模型能結合不同成像方式的優(yōu)點，得到的頭顱模型與患者真實顱頜面骨一致的并可以精細描述牙齒咬合關系，具有與真實患者一致的矢狀髁部和髁道，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要，可以用于顱頜面骨和齒科經(jīng)典手術的仿真模型及定量化手術方案的制定，可以對術后療效進行有效的評價?；顒酉骂M關節(jié)的設計，除簡單的牙齒咬合運動外，頜部裝置可以模擬多種下頜運動，如前伸運動、側方運動等，提供給醫(yī)生以真實的口腔模擬環(huán)境。
優(yōu)選地所述第二步顱頜面骨三維重建步驟中，醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件采用申請人自編軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟包括分割；提取感興趣區(qū)域；輪廓線提取、跟蹤；連接輪廓線；生成三角面片；光照效應計算；生成三維圖像；輸出文件，文件輸出格式為STL。
上述自編醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是基于表面繪制的軟件，但為了得到可旋轉的立體感和精確度更高的三維圖像，申請人采用基于體素的體繪制方法，還設計了用于診斷和手術方案制訂的三維重建醫(yī)學軟件，實現(xiàn)步驟為A、分割；B、提取感興趣區(qū)域；C、插值；D、最后利用視覺原理將體素投影到顯示平面進行顯示；其中所述分割采用多種分割模式，包括基于密度值以及形態(tài)、鄰近關系等條件的分割模式，所述插值對稀疏層片數(shù)據(jù)采用基于倒角距離的形狀插值，既可以構造完整的體數(shù)據(jù)，又可以保證數(shù)據(jù)形態(tài)的真實性。采用上述步驟的三維重建軟件，整個頭骨的三維重建過程控制在半分鐘以內(nèi)，圖像質(zhì)量清晰、逼真，具有極高的精確度。在此基礎上，該軟件還可進行三維圖像的旋轉、切割及復雜測量。不僅能為醫(yī)生提供真實感的患者影像，更有利于病情診治和醫(yī)療手術方案的制定。
上述基于表面繪制的軟件，可以先從體數(shù)據(jù)中通過幾何單元拼接來擬合物體表面，然后利用傳統(tǒng)計算機圖形學技術對重建的物體表面進行繪制，即采用高效簡潔的輪廓線連結法對顱頜面骨的表面進行繪制，使產(chǎn)生的三維模型表面較其他算法更為光滑，光順度好，軟件輸出的STL格式的數(shù)據(jù)文件可以直接用做工業(yè)設計軟件和快速成型機的輸入數(shù)據(jù)，具備良好的兼容性能，整個三維重建過程無需人工干預，表面連結自然光滑無躍層感，且能保證很高的精確度。表面形態(tài)和數(shù)據(jù)的準確性保證了后續(xù)設計的精確。
優(yōu)選地，第一步驟的CT斷層掃描針對DICOM圖像數(shù)據(jù)采集編寫了DICOM-SLICE數(shù)據(jù)轉換壓縮軟件，其具體實現(xiàn)為對原始DICOM圖像數(shù)據(jù)順次移位、緊密方式壓縮；其次順次掃描、計算差值數(shù)據(jù)；然后差值數(shù)據(jù)的高效替換表示，最后得到高壓縮比的數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明方法的流程簡圖；圖2是本發(fā)明自制三維相機的結構示意圖；圖3是本發(fā)明基于體素的三維重建軟件的流程框圖；圖4是本發(fā)明基于表面繪制的三維重建軟件的流程框圖；圖5是本發(fā)明圖像壓縮軟件的流程框圖；圖6是本發(fā)明圖3所示三維重建軟件構筑的顱頜面三維圖；圖7是本發(fā)明用于白光三維相機的計算機軟件處理系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
見圖1，描述了本發(fā)明方法的流程簡圖，包括五個基本步驟第一步、采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)；第二步、顱頜面骨計算機三維重建；第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數(shù)據(jù)采集第四步、將第三步所得的牙齒部分三維數(shù)據(jù)和第二步對CT圖像重建的三維圖形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和分離；第五步、將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別快速成型加工成真實的模型，并進行有機連接。
其中，第一步、采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)用標準DICOM格式記錄成光盤文件保存。只有采集到圖像數(shù)據(jù)后，才能進行后續(xù)的醫(yī)學三維顯示，除上下頜骨外的顱頜面骨的圖像設計和制造，在醫(yī)院中采用CT設備對患者頭部進行精細掃描，得到顱頜面骨的斷層圖像，斷層圖像以本行業(yè)全球通用的DICOM格式存儲在光盤等存儲介質(zhì)上。優(yōu)選地，申請人根據(jù)實際工作的需要，制定了自己的符合DICOM標準的圖像文件格式-SLICE數(shù)據(jù)格式，針對DICOM圖像數(shù)據(jù)采集編寫了DICOM-SLICE數(shù)據(jù)轉換壓縮軟件，該軟件可以識別目前所有主要CT廠家的輸出數(shù)據(jù)，并自動轉換為SLICE壓縮數(shù)據(jù)格式，作為后續(xù)工作的統(tǒng)一輸入格式，這樣我們不僅能完成所有符合DICOM標準的CT圖像數(shù)據(jù)采集，并能夠完成數(shù)據(jù)的壓縮，有助于在線數(shù)據(jù)的傳輸。
圖5顯示了該DICOM-SLICE數(shù)據(jù)轉換壓縮軟件流程，為對原始DICOM圖像數(shù)據(jù)首先順次移位、緊密方式壓縮其次順次掃描、計算差值數(shù)據(jù)；然后做差值數(shù)據(jù)的高效替換表示，最后得到高壓縮比的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)壓縮的原理是CT的DICOM數(shù)據(jù)為12位數(shù)據(jù)，但占用兩個字節(jié)存儲，這樣就會產(chǎn)生4個空閑位，通過順次移位的方式，將數(shù)據(jù)以緊密方式存儲，不再有空閑位，然后采用差值法進一步壓縮圖像數(shù)據(jù)，這是一種可逆的壓縮算法，所述順次移位的方式為對于大多數(shù)DICOM中的灰度圖像，相鄰的兩個像素間的灰度值相差非常小，在計算機圖形學中經(jīng)過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)基本上都分布在-8-+8之間，因此對于每條掃描線，設第一個點的象素值為C1，第二個像素的值為C2，設X1＝C2-C1，則C2可以表示為C1+X1，以此類推，可以得到X2、X3、X4......由上可知，這些值大多分布在-8-+8之間，定義Y1、Y2、Y3......Y16分別表示0000，0001，0010....1111這十六個二進制值，得到的差值數(shù)據(jù)分別用Y1、Y2......等代替，最終得到壓縮比比較高的圖像數(shù)據(jù)。
第二步、顱頜面骨計算機三維重建；即采用醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件三維數(shù)據(jù)場形成反映顱頜面骨原形的三維圖形數(shù)據(jù)(也可稱為三維圖形)，輸出文件格式為STL。醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件可采用常規(guī)的Mimics軟件系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)在用于對顱頜面這樣復雜的系統(tǒng)建立三維圖形數(shù)據(jù)時精確度還不能完全滿足后續(xù)精密鑄造的需要，因此，優(yōu)選地，采用申請人自行編制的醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件進行三維重建。
上述自編醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件，優(yōu)選包括兩個部分，第一部分為三維重建軟件，命名為3DMSee(3dimension medicine see CT)。為了給醫(yī)生提供真實感的患者顱頜面骨影像，采用基于體素的體繪制方法來實現(xiàn)三維重建，流程框圖見圖3，實現(xiàn)步驟為針對三維數(shù)據(jù)場，進行A、分割；B、提取感興趣區(qū)域；C、插值；D、最后利用視覺原理將體素投影到顯示平面進行顯示。其中A步的分割采用多種分割模式，包括基于密度值以及形態(tài)、鄰近關系等條件的分割模式，C步的插值對稀疏層片數(shù)據(jù)采用基于倒角距離的形狀插值，既可以構造完整的體數(shù)據(jù)，又可以保證數(shù)據(jù)形態(tài)的真實性，D步首先對數(shù)據(jù)賦以視覺特征，包括給每個類別的數(shù)據(jù)賦顏色值和給每個類別的數(shù)據(jù)賦部透明度，然后進行光照效應的計算，最后就可進行圖像合成，即將體素投影在顯示平面進行立體顯示。采用上述步驟的三維重建軟件，能使整個頭骨的三維重建過程控制在半分鐘以內(nèi)，圖像質(zhì)量清晰、逼真，具有極高的精確度，見圖6。該軟件還可進行三維圖像的旋轉、切割及復雜測量。不但能為醫(yī)生提供真實感的患者影像，更有利于病情診治和醫(yī)療手術方案的制定。
第二部分為基于表面繪制的軟件，目的是為了與修復件的計算機輔助設計相銜接，用于顱頜面的制造。因為基于體素的體繪制方法構造的三維圖像不能直接用于顱頜面骨快速成型，要建立描繪各數(shù)據(jù)之間幾何拓撲結構的三維表面模型才能用于制造，因此，從快速成型角度，第一部分的軟件并不是本發(fā)明方法的基本步驟。由于得到體數(shù)據(jù)前的步驟與前面第一部分相同，故可先從第一部分得到的體數(shù)據(jù)中通過幾何單元拼接來擬合物體表面，然后利用傳統(tǒng)計算機圖形學技術對重建的物體表面進行繪制，其中常用的有連接輪廓線法、Marching Cube算法以及Dividing Cube算法等，我們采用了高效簡潔的輪廓線連接法對顱頜面骨表面進行繪制，軟件命名為3DMSR(3 dimension medicine surface rendering)。該部分軟件從掃描后所得斷層圖像數(shù)據(jù)開始的流程框圖見圖4，流程為A、首先對三維空間數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)簡化和多方法的圖像分割的工作；B、并進行感興趣區(qū)提取，上述步驟與第一部分的A、B步相同，故可直接利用第一部分這兩部所得數(shù)據(jù)；C、然后進行輪廓跟蹤以確定每個感興趣區(qū)的輪廓線；D、其后巧妙的運用標記、差影等方法以確定各層輪廓線間的對應關系；E、從而準確的連接輪廓線構造三維物體表面數(shù)據(jù)，生成三角面片；F、經(jīng)過光照效應計算；G、最后生成三維圖像。高效簡潔的輪廓線連結法對顱頜面骨的表面進行繪制，使產(chǎn)生的三維模型表面較其他算法更為光滑，光順度好，軟件輸出的STL格式的數(shù)據(jù)文件可以直接用做工業(yè)設計軟件和快速成型機的輸入數(shù)據(jù)，具備良好的兼容性能，整個三維重建過程無需人工干預，表面連結自然光滑無躍層感，且能保證很高的精確度。表面形態(tài)和數(shù)據(jù)的準確性保證了后續(xù)設計的精確。
第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數(shù)據(jù)采集首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與患者牙齒完全相同的石膏模型，然后采用三維數(shù)字相機獲取牙模的三維圖形數(shù)據(jù)，三維數(shù)字相機優(yōu)選空間分辨率高的相機。
普通的CT數(shù)據(jù)因為空間分辨率在毫米級，所以無法清晰的重構出牙齒的精細結構，牙齒的咬合關系的描述不夠準確，因此我們希望借助先進的牙科數(shù)字化方式完成這部分的數(shù)字采集工作。首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與受試者牙齒完全相同的石膏模型，牙模在幾何形狀和拓撲上都極為復雜，為保證石膏模型數(shù)字化過程中保持其自身的精度，優(yōu)選地，采用自主研發(fā)的白光三維相機來實現(xiàn)牙模數(shù)字化的工作。所述白光三維相機采用高精度的多分辨三維數(shù)字成像與造型技術，融合了靈敏度可變能力的編碼照明理論和相應的變靈敏度多重相位圖重建方法。該技術的原理是將條紋自動分析技術與光學莫爾原理相結合，通過對位相調(diào)制的投影條紋圖進行數(shù)字解調(diào)獲取空間物體表面的三維數(shù)字像。紅外激光器選用850nm的激光二極管。白光三維相機結構見圖2，包括分別與轉像棱鏡1光連接的遠心成像系統(tǒng)2和微光學元件3，微光學元件3可將激光轉化為白光，以使相機能對牙齒進行直接照相以采集三維數(shù)據(jù)，遠心成像系統(tǒng)2與圖像接收器4的輸入端相連，圖像接收器4的輸出端5輸出視頻圖像數(shù)據(jù)到計算機軟件處理系統(tǒng)；微光學元件3則設置在紅外二極管6產(chǎn)生的激光光路上，紅外二極管6另一端接電源接口7。
白光三維相機的成像過程和圖像采集過程為激光光束照明微光學元件產(chǎn)生條紋結構光經(jīng)轉向棱鏡1轉向照明被測牙齒的表面，條紋結構光受到牙齒三維形貌的調(diào)制形成的變形條紋，再經(jīng)轉像棱鏡1和遠心成像系統(tǒng)2成像在圖像接收器4上，成像接收器4必須是紅外成像儀，以實現(xiàn)對紅外光的探測。接收的變形條紋圖經(jīng)視頻輸出接口4送到計算機，用于該白光三維相機的計算機軟件處理系統(tǒng)的流程圖見圖7，除完成原始圖像的采集，還完成條紋自動分析、相位展開、深度像映射、牙齒輪廓的三維顯示、三維編輯，以及牙齒三維模型的多種通用格式的轉化和輸出等功能。通過上述白光三維相機采集的數(shù)字化牙齒模型空間分辨率在70納米左右，能清晰表現(xiàn)牙齒的結構和咬合關系。
第四步、將第三步所得的牙齒部分三維數(shù)據(jù)和第二步對CT圖像重建的三維圖形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和分離首先進行數(shù)據(jù)融合，將兩種數(shù)據(jù)模態(tài)的三維圖形數(shù)據(jù)進行圖像配準，使兩組圖形數(shù)據(jù)的對應三維點集XA(x1，y1，z1)和XB(x2，y2，z2)達到空間位置和解剖結構上的完全一致。CT數(shù)據(jù)重構出的三維圖像和激光三維數(shù)碼相機掃描獲得的石膏牙模的三維圖像來源于不同的成像方式，在掃描過程中存在方向和尺度上的對不齊現(xiàn)象，因此需要我們將兩種模態(tài)的三維圖像進行配準。所謂圖像配準，即通過尋找某種空間變換，使兩組圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致。配準的結果應使兩幅圖像上所有的解剖點，都達到匹配。兩幅圖像XA(x1，y1，z1)和XB(x2，y2，z2)的配準，就是尋找一種映射關系TXA→XB，使XA的每一個點在XB上都有唯一的點與之相對應，并且這兩點對應于同一解剖位置，映射關系T表現(xiàn)為一組連續(xù)的空間變換。由于獲取的兩組圖像在方向和尺度上都存在誤差，我們采取仿射變幻的映射關系。配準的時候我們通過經(jīng)驗的方式，從CT三維圖像與激光三維數(shù)碼相機掃描獲得的石膏牙模的三維圖像中選擇多個對應的解剖結構點，進而采用基于輪廓特征的奇異值分解-迭代最近點的配準方法。這種方法結合了奇異值分解最優(yōu)化解析方法和迭代搜索的優(yōu)點來解決圖象輪廓點的匹配問題，對選擇的多組解剖結構特征點采用奇異值分解方法將空間點列進行匹配，通過疊代得到輪廓點的最優(yōu)配準參數(shù)。
基于輪廓特征的奇異值分解可以描述為對兩個三維點集XAi和XBi，計算μx=1nΣi=1nxi,μy=1nΣi=1nyi,]]>其中μx代表三維點集XAi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，μy代表三維點集XBi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，
σx=1nΣi=1n||xi-μx||2,σy=1nΣi=1n||yi-μy||2]]>式中σx，σy代表坐標位置的均方差，矩陣H=Σxy=1nΣi=1n(yi-μy)(xi-μx)T]]>式中H為數(shù)據(jù)點坐標的協(xié)方差矩陣，T代表矩陣轉置然后對H作奇異值分解H＝UDVT，其中D為對角陣，U和V為規(guī)一正交陣。
旋轉矩陣R由U、V確定R＝VSUT兩種模態(tài)的映射關系縮放系數(shù)c和平移矩陣t由下式確定c=1σx2tr(DS)---(1),t=μy-cRμx---(2)]]>上兩式中σx代表XAi點坐標位置的均方差，tr為矩陣的跡，D為對角陣，S為矩特征矩陣。
繼而對兩組圖形數(shù)據(jù)中重疊的部分數(shù)據(jù)，保留分辨率高的圖像數(shù)據(jù)，分辨率低的數(shù)據(jù)借用圖像三維編輯的手段去除；然后進行數(shù)據(jù)分離，即把融合后的數(shù)據(jù)作為頭顱模型的整體數(shù)據(jù)，再以下頜關節(jié)作為分界點，將下頜骨分離出來，以使后期加工出的模型才具有動態(tài)的咬合模擬功能，并將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別保存為STL格式的文件。
第五步、將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別輸入到快速原型系統(tǒng)，進而用快速成型加工成真實的模型，最后采用精細設計的彈簧將兩部分模型在下頜關節(jié)處連接，最終得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型。
通過上述步驟得到的頭顱模型結合了不同成像方式的優(yōu)點，與患者真實顱頜面骨一致的并可以精細描述牙齒咬合關系，可以用于顱頜面骨和齒科經(jīng)典手術的仿真模型及定量化手術方案的制定，可以對術后療效進行有效的評價?；顒酉骂M關節(jié)的設計，除簡單的牙齒咬合運動外，頜部裝置可以模擬多種下頜運動，如前伸運動、側方運動等，提供給醫(yī)生以真實的口腔模擬環(huán)境。
權利要求
1.一種可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，包括下述步驟第一步、采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)用標準DICOM格式記錄成光盤文件保存；第二步、顱頜面骨計算機三維重建將CT顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)進行三維重建，即采用醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件形成反映顱頜面骨原形的三維圖形數(shù)據(jù)，輸出文件格式為STL；第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數(shù)據(jù)采集首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與患者牙齒完全相同的石膏模型，然后采用三維數(shù)字相機獲取牙模的三維圖形數(shù)據(jù)；第四步、將第三步所得的牙齒部分三維圖形數(shù)據(jù)和第二步對CT圖像重建的三維圖形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和分離首先進行數(shù)據(jù)融合，將兩種數(shù)據(jù)模態(tài)的三維圖形數(shù)據(jù)進行圖像配準，使兩組圖形數(shù)據(jù)的對應三維點集XA(x1，y1，z1)和XB(x2，y2，z2)達到空間位置和解剖結構上的完全一致，從上述兩組圖形數(shù)據(jù)中選擇多個對應的解剖結構點，進而采用基于輪廓特征的奇異值分解-迭代最近點的配準方法，得到兩種模態(tài)的映射關系即由下式確定的三維縮放系數(shù)c和平移矩陣tc=1σx2tr(DS)---(1)]]>t＝μy-cRμx(2)上兩式中σx代表XAi點坐標位置的均方差，tr為矩陣的跡，D為對角陣，S為矩特征矩陣，μy代表三維點集XBi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，R為旋轉矩陣，μx代表三維點集XAi中所有數(shù)據(jù)的平均坐標值，繼而對兩組圖形數(shù)據(jù)中重疊的部分數(shù)據(jù)，保留分辨率高的圖像數(shù)據(jù)，分辨率低的數(shù)據(jù)借用圖像三維編輯的手段去除；然后進行數(shù)據(jù)分離，即把融合后的數(shù)據(jù)作為頭顱模型的整體數(shù)據(jù)，再以下頜關節(jié)作為分界點，將下頜骨分離出來，以使后期加工出的模型才具有動態(tài)的咬合模擬功能，并將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別保存為STL格式的文件；第五步、將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別輸入到快速原型系統(tǒng)，進而用快速成型加工成真實的模型，最后采用精細設計的彈簧將兩部分模型在下頜關節(jié)處連接，最終得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型。
2.根據(jù)權利要求2所述的可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，其特征在于所述第三步石膏模的三維數(shù)據(jù)采集采用自制的白光三維相機來實現(xiàn)，并采用自編軟件系統(tǒng)來獲得三維圖形數(shù)據(jù)，所述三維相機的成像過程和圖像采集過程為激光光束照明微光學元件產(chǎn)生條紋結構光，經(jīng)棱鏡轉向照明被測牙齒或牙模的表面，條紋結構光受到牙齒三維形貌的調(diào)制形成的變形條紋，再經(jīng)轉像棱鏡和遠心成像系統(tǒng)成像在圖像接收器上，遠心成像系統(tǒng)的成像接收器必須是紅外成像儀，以實現(xiàn)對紅外光的探測，圖像接收器接收的變形條紋圖經(jīng)視頻輸出接口送到計算機；計算機內(nèi)的自編軟件系統(tǒng)完成如下過程原始圖像的采集、條紋自動分析、相位展開、深度像映射、牙齒輪廓的三維顯示、三維編輯，以及牙齒三維模型的多種通用格式的轉化和輸出。3、根據(jù)權利要求1或2所述的可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，其特征在于在所述第二步顱頜面骨三維重建步驟中，醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件采用申請人自編軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟包括分割；提取感興趣區(qū)域；輪廓線提取、跟蹤；連接輪廓線；生成三角面片；光照效應計算；生成三維圖像；輸出文件，文件輸出格式為STL。
4.根據(jù)權利要求3所述的可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，其特征在于上述自編軟件系統(tǒng)，還包括一基于體繪制方法的軟件系統(tǒng)，其實現(xiàn)步驟為A、分割；B、提取感興趣區(qū)域；C、插值；D、最后利用視覺原理將體素投影到顯示平面進行顯示。
5.根據(jù)權利要求4所述的可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，其特征在于所述分割采用多種分割模式，包括基于密度值以及形態(tài)、鄰近關系等條件的分割模式，所述插值對稀疏層片數(shù)據(jù)采用基于倒角距離的形狀插值。
6.根據(jù)權利要求4所述的鈦制材料顱頜面骨修復體制備方法，其特征在于特別地，第一步驟的CT斷層掃描針對DICOM圖像數(shù)據(jù)采集編寫了DICOM-SLICE數(shù)據(jù)轉換壓縮軟件，其具體實現(xiàn)為對原始DICOM圖像數(shù)據(jù)順次移位、緊密方式壓縮；其次順次掃描、計算差值數(shù)據(jù)；然后差值數(shù)據(jù)的高效替換表示，最后得到高壓縮比的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，解決現(xiàn)有技術中CT掃描的頭顱模型無法精確描述牙齒咬合關系的缺陷。該方法包括采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數(shù)據(jù)；顱頜面骨計算機三維重建；牙的石膏取模與石膏模的三維數(shù)據(jù)采集；將第三步所得的牙齒部分三維數(shù)據(jù)和第二步對CT圖像重建的三維圖形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合和分離；將下頜骨數(shù)據(jù)與剝離了下頜骨的頭顱數(shù)據(jù)分別快速成型加工成真實的模型，并進行有機連接等基本步驟，本發(fā)明能得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，而清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)，在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。
文檔編號G06F17/00GK1919157SQ20061011313
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權日2006年9月15日
發(fā)明者李曉峰, 曹會志, 劉燦, 姜謙 申請人:李曉峰