基于數(shù)字圖像技術(shù)的牙種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)算法研究.pdf

1、基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的三維數(shù)字化種植定位導(dǎo)板的算法研究與實(shí)現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃與手術(shù)導(dǎo)航的重要內(nèi)容，是“數(shù)字醫(yī)學(xué)“領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的熱點(diǎn)?！皵?shù)字醫(yī)學(xué)”作為現(xiàn)代信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)科技的多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域，其理論研究、技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)形成一門充滿活力，朝氣蓬勃的新學(xué)科。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)、三維可視化技術(shù)、人工智能算法、高分辨螺旋CT掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)平臺的日益成熟，以及口腔種植的臨床實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)研究的深入，針對口腔種植區(qū)的切割顯

2、示與分析、術(shù)前種植手術(shù)的模擬預(yù)測與導(dǎo)航，三維數(shù)字化種植定位導(dǎo)板的制作，已成為國際間研究的新熱點(diǎn)，并且是國內(nèi)龐大的口腔種植市場的急迫需求?？谇煌饪品N植成功的關(guān)鍵因素不僅要求術(shù)前為患者作出科學(xué)、合理、安全的治療規(guī)劃，還要為該方案的可靠實(shí)施提供更為可靠的導(dǎo)航。而種植外科定位導(dǎo)板具有良好的手術(shù)導(dǎo)航效果，已在臨床上得到普遍的應(yīng)用，其更能保證手術(shù)的安全性、可靠性，降低手術(shù)操作的復(fù)雜性，從而有效提高了種植手術(shù)的成功率。
　　 本文的目標(biāo)是研究

3、口腔種植導(dǎo)板生成過程中所采用的關(guān)鍵算法，研發(fā)一套適合中國國情的，為廣大牙種植患者的經(jīng)濟(jì)能力所接受的，主要應(yīng)用于口腔外科種植的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的種植手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。其不僅對三維模型內(nèi)部的種植區(qū)域的進(jìn)行虛擬切割，測量與分析關(guān)鍵參數(shù)，而且能夠在三維空間中智能定位種植體，生成導(dǎo)航種植手術(shù)的定位導(dǎo)板，最終導(dǎo)出虛擬導(dǎo)板的體數(shù)據(jù)以制作真實(shí)導(dǎo)板，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航的效果。而該系統(tǒng)核心的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括基于樣條曲線的虛擬切割算法，空間虛擬種植體的智

4、能定位算法，虛擬導(dǎo)板自動生成算法上研究與實(shí)現(xiàn)。
　　 本文主要研究該系統(tǒng)核心模塊的算法設(shè)計(jì)，包括算法分析建模與實(shí)現(xiàn)，并且在其中提出一系列有效的新穎的解決方案。其中，論文的主要研究工作和創(chuàng)新之處包括：
　　 第一，研究三維體模型內(nèi)基于Kochanek-Bartels樣條曲線[1]的虛擬切割算法。為了對三維體繪制模型的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行更加準(zhǔn)確的，有效的，靈活的，易于控制的切割觀察與顯示，提出了基于擬合樣條曲線上的定點(diǎn)切割算法。其

5、通過手工設(shè)定系列控制點(diǎn)，再使用控制點(diǎn)生成自然光滑的樣條曲線，于是構(gòu)造手術(shù)所需的切割路線，實(shí)現(xiàn)了在虛擬空間中精確簡便地提取某特定區(qū)域的切片信息的功能。其切割路線不但可應(yīng)用于二維平面上，也可推廣到曲面上，應(yīng)用擴(kuò)展性強(qiáng)。
　　 第二，研究在三維體繪制模型內(nèi)部的虛擬種植體智能定位算法。其智能性體現(xiàn)在使用人工智能算法搜索全局最優(yōu)解來定位與設(shè)計(jì)空間虛擬種植體，其區(qū)別于國內(nèi)外的產(chǎn)品當(dāng)前所采用的人機(jī)交互定位方法。本算法建立在對顱頜面的序列CT影

6、像進(jìn)行三維體繪制的基礎(chǔ)上，以改進(jìn)的遺傳算法為核心，提取其體數(shù)據(jù)場中的種植區(qū)域信息作為參數(shù)空間，把虛擬種植體的端點(diǎn)坐標(biāo)值、長度、直徑、美觀吻合度等參數(shù)進(jìn)行編碼，構(gòu)造符合種植標(biāo)準(zhǔn)與種植要求的目標(biāo)函數(shù)與適應(yīng)度函數(shù)，最終求解虛擬種植體的全局最優(yōu)解，獲取所定位的種植體的端點(diǎn)坐標(biāo)值、長度、直徑大小等參數(shù)。算法綜合考慮多樣種植要求、種植條件、種植標(biāo)準(zhǔn)、臨床經(jīng)驗(yàn)等信息，保證種植體的空間定位與形狀設(shè)計(jì)是科學(xué)有效的，簡易操作的，智能化的。
　　 第

7、三，研究虛擬環(huán)境中定位導(dǎo)板的自動生成算法。種植體導(dǎo)板的外形設(shè)計(jì)蘊(yùn)含了種植體的植入點(diǎn)坐標(biāo)位置、深度、直徑、角度，以及種植數(shù)量等重要的信息。導(dǎo)向模板作為術(shù)前規(guī)劃的最終信息載體，其種植手術(shù)的設(shè)計(jì)思想是通過手術(shù)模板的精確定位和導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)。本研究首先使用智能算法準(zhǔn)確定位體繪制模型中的虛擬種植體，然后利用種植區(qū)的各種環(huán)境信息參數(shù)自動地生成虛擬導(dǎo)向模板。在復(fù)雜的顱骨模型內(nèi)部環(huán)境，逐層地勾畫并分割提取出受具體環(huán)境條件與種植標(biāo)準(zhǔn)約束的不規(guī)則的目標(biāo)區(qū)域，并