基于三維CT圖像的牙齒牙根方向計(jì)算及其應(yīng)用.pdf

1、在牙種植手術(shù)和牙科手術(shù)術(shù)前規(guī)劃中,缺省牙區(qū)域骨骼三維結(jié)構(gòu)的科學(xué)分析和骨質(zhì)情況認(rèn)知以及缺牙毗鄰牙齒和咬合牙齒主軸方向的檢測(cè),對(duì)牙種植操作的順利進(jìn)行都有非常重要的作用。種植體的型號(hào)、位置以及植入角度的選擇一旦發(fā)生錯(cuò)誤,將會(huì)發(fā)生穿孔竇、神跡損傷等一系列外科并發(fā)癥。在牙齒正畸治療中,牙齒牙根矯正方向與牙齒主軸方向平行,才能獲得穩(wěn)定的正畸效果。在醫(yī)學(xué)信息學(xué)中,獲得牙齒的表明形狀和牙齒牙根方向的統(tǒng)計(jì)信息也同樣非常重要—這些統(tǒng)計(jì)信息有助于準(zhǔn)確提取牙齒

2、或者重定位破損牙齒。
　　然而,由于和其他毗鄰牙齒以及頜骨數(shù)據(jù)存在高度地粘連,單顆牙齒及其主軸方向難以自動(dòng)從牙齒CT數(shù)據(jù)中計(jì)算得到。根據(jù)牙齒解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)知識(shí),可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)單根牙齒的牙根方向和其牙髓腔的主軸方向一致。根據(jù)這一信息,我們提出了一些計(jì)算和分析牙齒牙根方向的方法,并且開發(fā)了相關(guān)的系統(tǒng)模塊。主要包括以下幾個(gè)方面:
　　(1).交互式的單根牙齒牙根方向提取方法。首先,我們從三維C T圖像中重建得到頜骨骨質(zhì)結(jié)構(gòu)以及牙齒

3、的三維模型,接著,在每一顆感興趣牙齒附近人工調(diào)整得到合適的虛擬剖切面。根據(jù)觀察,可以交互調(diào)整確定牙齒的牙根方向及位置。最后,二維的牙齒牙根方向可以從交互面上繪制得到。另外,本文實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)空間到多種二維虛擬剖切面的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換,可用于實(shí)現(xiàn)二維牙齒牙根方向計(jì)算得到三維牙齒牙根方向。
　　(2).半自動(dòng)的單根牙齒牙根方向提取方法。為了簡(jiǎn)化交互式單根牙齒牙根方向提取的操作,我們提出了一種半自動(dòng)的牙齒牙根方向提取方法。同樣的,我們首先產(chǎn)生

4、穿過牙髓腔中心區(qū)域的虛擬剖切平面,然后利用區(qū)域生長(zhǎng)的方法從三維CT數(shù)據(jù)中分割得到感興趣的牙齒牙髓區(qū)域。最后,我們通過計(jì)算牙髓區(qū)域每一切片的中心點(diǎn),然后用最小二乘法擬合這些中心點(diǎn),得到了表示牙髓腔中軸線的三維方向量。這一三維方向量即是最后計(jì)算得到感興趣牙齒牙根方(3).基于P C A的多根牙齒牙根方向計(jì)算方法。多根牙齒具有多個(gè)不規(guī)則的牙根,CT數(shù)據(jù)的每一個(gè)切片中心點(diǎn)并不非常明確。因此,半自動(dòng)的牙齒牙根方向計(jì)算方法在計(jì)算多根牙齒牙根方向時(shí)并

5、不能得到很好的結(jié)果。針對(duì)多根牙齒幾何形狀不明顯的特點(diǎn),我們提出了基于PCA求取多根牙齒主方向的方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析,多根牙齒的牙髓形狀的朝向和多根牙齒整體形狀的朝向并沒有很高的相關(guān)性。為此,我們提出了一種基于交互擋板分割多根牙齒的方法,首先從牙合平面和沿著牙弓線的展開平面上標(biāo)記二維的分割線,接著由兩個(gè)二維平面上的分割線計(jì)算得到三維的牙齒分割擋板,繼而分割開單顆牙齒和與起毗鄰的牙齒。最后,我們使用PCA的方法求得單個(gè)多根牙齒數(shù)據(jù)的主方向,實(shí)

6、驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了基于PCA的主方向求取方法在多根牙齒牙根方向計(jì)算中的合理性。
　　(4).基于四元數(shù)插值的缺省牙齒牙根方向估算。我們假設(shè)缺省牙齒和未缺省牙齒都沿著牙弓線均勻地分布,因此可以從毗鄰處未缺省牙齒的牙根方向估算出缺省牙齒的牙根方向。缺省牙齒的牙根方向估算問題可以描述為已知三維方向量(即未缺省牙齒的牙根方向)的插值問題。一般來說,線性插值的方法并不適用于三維曲線上三維方向量的平滑插值,四元數(shù)squad插值方法被我們應(yīng)用于解決這

7、個(gè)問題。
　　(5).牙齒牙根方向計(jì)算在虛擬剖切面重建中的應(yīng)用。虛擬剖切面重建的目的是在一個(gè)二維剖切面上重新顯示感興趣部位的三維CT數(shù)據(jù)?；诼窂降奶摂M剖切面重建算法可以沿著特定的剖切面重建出感興趣區(qū)域的CT數(shù)據(jù),然而,傳統(tǒng)的基于路徑的虛擬剖切面重建算法任意一點(diǎn)的剖切方向并沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜?jì)算。我們將牙齒牙根方向計(jì)算的方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的基于路徑虛擬剖切面算法。具體的實(shí)現(xiàn)是,將已知牙齒的牙根方向作為控制方向,矢量插值得到三維路徑上任意一