医学图像处置专家讲座

题目：基于数字图像技术牙种植导板设计算法研究定位：数字图像处理技术（区分于石膏手工制造，空气压膜机制造

）牙种植：将人工材料制成种植体植入缺牙区牙槽骨中，作为人工牙根，以此为基础修复失牙。导板：即种植体手术导向模板。经过导向孔深度和方向,形状确保种植手术安全，可靠。

医学图像处置专家讲座第1页研究意义国内种植市场广泛需求：最近统计指出全国有2.5亿缺牙患者,且每年以5%速度递增；伴随中国经济高速发展，人民生活水平日益提升，对高品质生活质量追求必定待用国人口腔保健意识增强和口腔保健市场繁荣。当前种植手术对手术导板提出要求：

准确，安全，可靠，术前虚拟，降低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，高精度影像技术研究与发展，能够为人类生产活动提供愈加准确，可靠，丰富信息，为人类带来巨大经济和社会效益，当前已成为生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科学习和研究对象。技术意义：医学图像处置专家讲座第2页国内外研究/技术发展现实状况和趋势

国外：1987年，Edge首次应用模板辅助牙种植体植入。1993年，SimPlant软件：在Windows界面下完成牙种植术前设计。年，Nobel-Guide软件：制作出个体化外科模板。SurgCase：提供三维数据，制造个体化种植体外科导板。历史悠久，技术垄断，缺点国内：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。当前，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，开发了一些试验系统。如年中科院自动化所开发3DMED系统，浙江大学CAD&CG国家重点试验室开发“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”研究等。

医学图像处置专家讲座第3页国内特殊情况

国外商业软件，应用于个体化手术设计和导板制作成本太高，而且长久处于依赖进口产品和技术不利局面。

进入我国医疗市场价格过于昂贵，超出其实际价值：如单个定位导向模板制造费用高达6000元（尚不包含临床医生完成手术规划劳务费用），而常规种植手术全部费用为10000元人民币左右（单颗种植牙，包含材料和手术费用），我国口腔种植医疗市场普遍难以接收。医学图像处置专家讲座第4页研究开发目标

利用计算机图形图像学中图像增强，图像分割，可视化三维建模、三维空间交互操作，开发一套完整拥有自主知识产权牙种植计算机辅助系统，实现牙种植术前骨量及骨形态全方面分析、个体化手术设计、手术导板及修复模板制作、手术模拟和预测、即刻修复及即刻种植等功效，并为这种方法应用于颅颌面种植及全身其它部位假体修复提供研究方向和思绪。医学图像处置专家讲座第5页科学研究内容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组成：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.基于拟合样条曲线任意方向虚拟切片提取算法研究在三维模型中任意方向切割技术是为了经过虚拟手术操作提供愈加准确定位，全方位，多角度进行观察诊疗需求，含有虚拟手术刀作用。3.种植体可视化交互定位技术研究在重建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，能够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自适应调整算法。4.目标区域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），将牙种植手术设计思想经过术中模板准确与准确定位和引导赋予实现。医学图像处置专家讲座第6页研究方法本课题选取基于OpenGL，可用于三维计算机图形学、科学计算可视化、图像处理三维可视化工具VTK以及MFC开发框架以搭建研究平台。利用图像增强，图像分割，图像识别等图像处理技术设计种植体手术导板，结合软件或硬件技术优势提升系统性能（可视化交互，三维重建），经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，探讨优良曲线,曲面拟合算法对图像关键区域进行边缘提取并重建三维手术导板。医学图像处置专家讲座第7页技术路线1.搭建牙种植计算机辅助系统架构系统控制流程描述：经过高精度螺旋CT获取CT图片和进行必要图像预处理，采取加速三维重建技术构建三维模体，依据用户选择针对模型进行各种交互性切割，对不一样切割角度图片观察和测量计算基础上，定位虚拟种植体方位，尺寸，然后对种植体周围目标区域进行分割处理，最终对目标区域三维重建，得到种植体手术导板。医学图像处置专家讲座第8页2.基于拟合样条曲线任意方向虚拟切片提取算法研究拟合样条曲线：依据自定义数量控制点研究拟合光滑可灵活控制样条曲线。在生成曲线经过鼠标拖动控制点以拉伸曲线或拖动曲线到平面上任意位置。因为Cardinal样条插值能够在少许手工描绘点间产生大量点，既保持了牙槽骨弓弧线大致形状特征，同时让其过渡比较平缓，是三次Hermite曲线，使牙槽骨弓弧线含有自然光滑特点，所以本课题探讨采取Cardinal样条曲线构建算法来实现该功效。

医学图像处置专家讲座第9页种植体交互切割及切片序列提取

在拟合样条曲线上选择某一点坐标，以该坐标为中心获取该点周围多张切片序列。针对Cardinal曲线特征，作采取微分法设计。医学图像处置专家讲座第10页3.种植体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：首先包括确定切片缩放百分比。同时经过点间距离测量操作在显示切片上丈量种植体初始化长度，大小等基本参数。（2）动态调整：依据已经有参数创建初始化种植体，并置于三维图像中，经过旋转，拉伸等操作使种植体放置在理想位置，同时在不停调整，响应，实时显示中，逐步获取实际需要效果。九视图关键点：确定种植体位置，方向，尺寸医学图像处置专家讲座第11页种植体自适应调整算法问题分析：在一个三面封闭形状不规则空间区域中，插放一个种植体，使种植体位置，方向，尺寸满足指定约束条件。对象如右下第一张图所表示：实现步骤：基于切割面增加采样过程

在九视图中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，使从该点所切割图片中牙洞截面积最大。以该截面出发经过平面区域增加算法对每一个层面进行勾画。2.计算种植体初始化半径

3.种植体放置和参数调整医学图像处置专家讲座第12页4.目标区域增厚处理和导板生成实现路线分三个步骤设计：目标区域分割，增厚及生成导板。分割目标：如图所表示分割难点：边缘不显著，不确定医学图像处置专家讲座第13页分割方法：基于拟合曲线边缘提取拟合曲线，结构边缘，进行第一次分割，然后再用区域增加法深入提取目标区域设计采样算法点-圆采样过程两条拟合曲线叠加创造封闭区域区域增加法医学图像处置专家讲座第14页控制点采样+最小面积法1.依据牙齿结构对称性，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，扫描当前平面区域。3.扫描射线与白色像素牙齿重合部分长度为L，但任意一个牙齿扫描时，L长度由小到大，再由大到小。于是L对于角度导数存在零点，而且从正零转为负零。取该射线入射点与出射点为内外曲线拟合所需采样点。4.不停提取拟合直线上点进行迭代，提取一个点使从该点出发进行采样所拟合两条曲线所围成面积最小，此点就是最有采样点。医学图像处置专家讲座第15页基于选择基准面空间区域增加算法首先在目标区域分割操作中，提取一个已经分割感兴趣区域（即目标区域）作为一个基准面，在此基准面上经过区域增加法进行增厚处理。描述以下列图：医学图像处置专家讲座第16页导板生成对不规则形状增厚体进行三维重建以生成导板。如图所表示导板暂时没有设定导向孔，也未经平滑处理，只给出一个初步探索结果。空间区域增加法-》非光滑医学图像处置专家讲座第17页课题特色与创新性

目标：开发一套完整拥有自主知识产权牙种植计算机辅助系统。1.基于拟合样条曲线任意方向虚拟切片提取算法研究（间接到达）基于平面和曲面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切割功效，而且这种切割方式能够推广到其它生物器官切割处理