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基于数字图像技术的牙种植导板设计算法研究 报告人 侯光辉指导老师 唐平教授 题目 基于数字图像技术的牙种植导板设计算法研究 定位 数字图像处理技术 区别于石膏手工制造 空气压膜机制造 牙种植 将人工材料制成的种植体植入缺牙区的牙槽骨中 作为人工牙根 以此为基础修复失牙 导板 即种植体的手术导向模板 通过导向孔的深度和方向 形状保证种植手术的安全 可靠 研究意义 国内种植市场的广泛需求 最近的统计指出全国有2 5亿缺牙患者 且每年以5 的速度递增 随着中国经济的高速发展 人民的生活水平日益提高 对高品质的生活质量的追求必然待用国人口腔保健意识的增强和口腔保健市场的繁荣 当前种植手术对手术导板提出要求 精确 安全 可靠 术前虚拟 减少手术操作难度 图像分割和识别技术 三维可视化重建和交互技术 高精度影像技术的研究与发展 能够为人类的生产活动提供更加精确 可靠 丰富的信息 为人类带来巨大的经济和社会效益 目前已成为生物学 医学甚至社会科学等领域中各学科学习和研究的对象 技术意义 国内外研究 技术发展现状和趋势 国外 1987年 Edge首次应用模板辅助牙种植体的植入 1993年 SimPlant软件 在Windows界面下完成牙种植术前设计 2000年 Nobel Guide软件 制作出个体化外科模板 SurgCase 提供三维数据 制造个体化的种植体外科导板 历史悠久 技术垄断 缺陷 国内 国内对医学体数据场可视化研究及应用开发起步较晚 始于上个世纪90年代初 水平相比国外还有一定差距 目前 浙江大学 清华大学 东南大学 西北大学 中科院自动化所等均做了大量研究 开发了一些实验系统 如2004年中科院自动化所开发的3DMED系统 浙江大学CAD CG国家重点实验室开发的 通用交互可视化环境 第三军医大学 可视人 数据及 可视人系统 的研究等 国内的特殊情况 国外商业软件 应用于个体化手术设计和导板制作的成本太高 并且长期处于依赖进口产品和技术的不利局面 进入我国医疗市场的价格过于昂贵 超过其实际的价值 如单个定位导向模板的制造的费用高达6000元 尚不包括临床医生完成手术规划的劳务费用 而常规种植手术的全部费用为10000元人民币左右 单颗种植牙 包括材料和手术费用 我国的口腔种植医疗市场普遍难以接受 研究开发目标 利用计算机图形图像学中的图像增强 图像分割 可视化三维建模 三维空间交互操作 开发一套完整的拥有自主知识产权的牙种植计算机辅助系统 实现牙种植术前骨量及骨形态的全面分析 个体化手术设计 手术导板及修复模板的制作 手术模拟和预测 即刻修复及即刻种植等功能 并为这种方法应用于颅颌面种植及全身其他部位假体修复提供研究方向和思路 科学研究内容 1 牙种植计算机辅助系统架构牙种植计算机辅助系统由两大模块构成 牙种植计算机辅助设计 CAD 模块 牙种植计算机辅助制作 CAM 模块 2 基于拟合样条曲线的任意方向虚拟切片提取算法研究在三维模型中的任意方向的切割技术是为了通过虚拟手术操作提供的更加精确的定位 全方位 多角度进行观察诊断的需求 具有虚拟手术刀的作用 3 种植体的可视化交互定位技术研究在重建的三维模型内对种植体进行移动 拉伸 缩放 旋转以及直线或曲线测量 任意拾取点等操作 可以更为高效地准确地对种植体进行设计 预览效果 并获取了相关模型参数 还提出了针对种植体的自适应调整算法 4 目标区域的增厚处理和导板生成技术研究手术导板作为最终信息载体 结构 导向孔 厚度 将牙种植手术的设计思想通过术中模板的准确与精确定位和引导赋予实现 研究方法 本课题选用基于OpenGL的 可用于三维计算机图形学 科学计算可视化 图像处理的三维可视化工具VTK以及MFC开发框架以搭建研究平台 运用图像增强 图像分割 图像识别等图像处理技术设计种植体手术导板 结合软件或硬件的技术优势提升系统性能 可视化交互 三维重建 通过控制点拟合样条曲线对三维模型进行多角度自由灵活地切割处理 探讨优良的曲线 曲面拟合算法对图像的关键区域进行边缘提取并重建三维手术导板 技术路线 1 搭建牙种植计算机辅助系统架构系统的控制流程描述 通过高精度的螺旋CT获取CT图片和进行必要的图像预处理 采用加速三维重建技术构建三维模体 根据用户选择针对模型进行各种交互性切割 对不同切割角度的图片观察和测量计算基础上 定位虚拟种植体的方位 尺寸 然后对种植体周围的目标区域进行分割处理 最后对目标区域三维重建 得到种植体手术导板 2 基于拟合样条曲线的任意方向虚拟切片提取算法研究拟合样条曲线 根据自定义数量的控制点研究拟合光滑的可灵活控制的样条曲线 在生成曲线通过鼠标拖动控制点以拉伸曲线或拖动曲线到平面上的任意的位置 由于Cardinal样条插值可以在少量的手工描绘点间产生大量的点 既保持了牙槽骨弓弧线的大致形状特征 同时让其过渡比较平缓 是三次Hermite曲线的 使牙槽骨弓弧线具有自然光滑的特点 因此本课题探讨采用Cardinal样条曲线构建算法来实现该功能 种植体 交互切割及切片序列的提取在拟合的样条曲线上选择某一点的坐标 以该坐标为中心获取该点周围的多张切片序列 针对Cardinal曲线的特征 作采用微分法设计 3 种植体的可视化交互定位技术研究 种植体设计和生成框架图种植体设计路线分成2个步骤 1 测量 首先涉及确定切片的缩放比例 同时通过点间距离测量操作在显示的切片上丈量种植体初始化的长度 大小等基本参数 2 动态调整 根据已有的参数创建初始化的种植体 并置于三维图像中 通过旋转 拉伸等操作使种植体放置在理想位置 同时在不断的调整 响应 实时显示中 逐步获取实际需要的效果 九视图 关键点 确定种植体位置 方向 尺寸 种植体自适应调整算法 问题分析 在一个三面封闭的形状不规则的空间区域中 插放一个种植体 使种植体的位置 方向 尺寸满足指定的约束条件 对象如右下第一张图所示 实现步骤 基于切割面增长的采样过程在九视图中的拟合曲线选择位于牙种植区域一点 在曲线一定范围内搜索一个坐标点 使从该点的所切割的图片中的牙洞的截面积最大 以该截面出发通过平面区域增长算法对每一个层面进行勾画 2 计算种植体的初始化的半径3 种植体放置和参数调节 4 目标区域的增厚处理和导板生成 实现路线分三个步骤设计 目标区域的分割 增厚及生成导板 分割的目标 如图所示分割的难点 边缘不明显 不确定 分割方法 基于拟合曲线的边缘提取 拟合曲线 构造边缘 进行第一次分割 然后再用区域增长法进一步提取目标区域 设计采样算法点 圆的采样过程 两条拟合曲线叠加创造封闭区域 区域增长法 控制点采样 最小面积法 1 根据牙齿结构的对称性 拟合中心直线 2 在中心直线选取一个参考点 一该点为中心 在圆周平面内发出射线 扫描当前的平面区域 3 扫描射线与白色像素的牙齿重合部分的长度为L 但任意一个牙齿扫描时 L的长度由小到大 再由大到小 于是L对于角度的导数存在零点 并且从正零转为负零 取该射线的入射点与出射点为内外曲线拟合所需的采样点 4 不断提取拟合直线上的点进行迭代 提取一个点使从该点出发进行采样所拟合的两条曲线所围成的面积最小 此点就是最有采样点 基于选择基准面的空间区域增长算法 首先在目标区域的分割操作中 提取一个已经分割的感兴趣区域 即目标区域 的作为一个基准面 在此基准面上通过区域增长法进行增厚处理 描述如下图 导板生成 对不规则形状的增厚体进行三维重建以生成导板 如图所示的导板暂时没有设定导向孔 也未经平滑处理 只给出一个初步的探索结果 空间区域增长法 非光滑 课题特色与创新性 目标 开发一套完整的拥有自主知识产权的牙种植计算机辅助系统 1 基于拟合样条曲线的任意方向虚拟切片提取算法研究 间接达到 基于平面和曲面的拟合样条曲线上进行切割观察 比现有商业软件提供更为丰富的切割功能 并且这种切割