一种牙列牙槽骨模型的生成方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及医学数据处理技术领域，尤其涉及一种牙列牙槽骨模型的生成方法及装置。

背景技术

牙槽骨吸收是牙周炎的主要特点之一。罹患牙周炎数年后，不同患者、不同牙齿在多年牙槽骨吸收后，剩余牙槽骨的形态往往千变万化，其中部分类型的牙槽骨形态不利于牙周炎症的控制和牙周组织的愈合。在临床上，口腔医师经常通过牙周手术来纠正不良的牙槽骨形态以促进牙周组织的愈合和牙周炎症的控制。然而，不同类型的牙槽骨形态适用于不同种类的牙周手术。因此，口腔医师往往需要在个性化手术方案制定时通过锥形束CT影像，掌握剩余牙槽骨形态。但是，使用计算机读取锥形束CT影像以获取目标区域的三维结构信息，需要医师较高水平的软件操作能力和空间想象力。如何更形象地获取牙列和牙槽骨的三维结构，成为亟待解决的问题。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种牙列牙槽骨模型的生成方法及装置，根据个体口腔的实际形态生成模型，以更加形象地展现个体牙列牙槽骨的解剖形态。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种牙列牙槽骨模型的生成方法，包括步骤：

获取目标口腔的扫描数据；

利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据；

对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息；

对所述重建数据与三维空间信息中ROI区域对应的部分进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；

对所述STL格式数据进行3D打印，以生成牙齿和牙槽骨的3D打印模型；

对打印出的牙齿和牙槽骨的3D模型进行拼接组装以形成与该目标口腔匹配的牙列牙槽骨模型。

进一步的，所述ROI区域包括牙齿和牙槽骨所在区域。

进一步的，采用锥形束CT获取目标口腔的扫描数据。

进一步的，采用分割网络进行组织分割；

所述分割网络根据以下步骤建立：

构建原始分割网络，所述原始分割网络包括编码模块、特征提取模块、第一解码模块、第二解码模块和综合解码模块；

利用口腔数据集对所述原始分割网络进行训练，得到分割网络。

进一步的，对所述口腔数据集进行掩膜处理或者标注处理后，用于原始分割网络的训练。

进一步的，所述标注处理包括：

将原始的口腔数据集中的牙齿区域标注为1X，其中X标识每一颗牙齿的序号并将牙齿之外的区域标注0；

将原始的口腔数据集中的牙槽骨区域标注为2Y，其中Y标识该牙槽骨区域的序号并将牙槽骨之外的区域标注0；

序号X和Y相互对应，其对应关系与所标识的牙齿和牙槽骨区域的对应关系一致。

进一步的，所述编码模块用于对输入的重建数据进行编码，得到语义特征图；

进一步的，所述特征提取模块用于对编码模块得到的每个语义特征图进行处理，得到不同分辨率的语义特征图。

进一步的，所述第一解码模块用于根据所述语义特征图得到牙齿预测概率图；

所述第二解码模块用于根据所述语义特征图得到牙槽骨预测概率图；

所述综合解码模块用于将所述牙齿预测概率图和牙槽骨预测概率图进行综合解码以得到口腔分割概率图。

根据本发明的另一个方面，提供了一种牙列牙槽骨模型的生成装置，包括数据获取模块、数据重建模块、分割标记模块、STL数据导出模块、3D打印模块和拼接组装模块；其中，

所述数据获取模块，获取目标口腔的扫描数据；

所述数据重建模块，利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据；

所述分割标记模块，对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息；

所述STL数据导出模块，对所述重建数据与三维空间信息中ROI区域对应的部分进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；

所述3D打印模块，对所述STL格式数据进行3D打印。

所述拼接组装模块，对打印出的牙齿和牙槽骨的3D模型进行拼接组装以形成与该目标口腔匹配的牙列牙槽骨模型。

综上所述，本发明实施例提供了一种牙列牙槽骨模型的生成方法及装置，该方法包括如下步骤：获取目标口腔的扫描数据；利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据；对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息；对所述三维空间信息中对应的ROI区域进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；对所述STL格式数据进行3D打印。

本发明提供的技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)采用本发明实施例提供的方法生成模型，其原始锥形束CT数据直接取自目标口腔，故其牙列和牙槽骨的形态真实地反映了个体牙列和牙槽骨的实际情况。

(2)本发明实施例提供的方法根据目标口腔的扫描数据生成牙列牙槽骨模型，使用时更具有直观效果，解决了现有技术中需要借助计算机读取锥形束CT影像以获取目标区域的三维结构信息，从而需要较高水平的软件操作能力和空间想象力的问题。

(3)本发明实施例提供的模型生成方法中，通过分割网络对牙列和牙槽骨数据进行三维分割，分割效果好，能够更精确的反映图像数据中牙齿和牙槽骨各自的位置，使得所生成的模型精确度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例牙列牙槽骨模型的生成方法的流程图；

图2是本发明实施例牙列牙槽骨模型的生成装置的构成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个可选的实施例，提供了一种牙列牙槽骨模型的生成方法，图1中示出了该生成方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1、获取目标口腔的扫描数据。该步骤中，可以采用锥形束CT获取目标口腔的扫描数据，获取目标口腔中牙列和牙槽骨的锥形束CT影像数据。根据某些实施例，可以从多角度，设置不同的参数获取多组扫描数据，以获得更加全面的信息。本发明实施例采用锥形束CT数据直接从目标口腔中提取三维数据，使得其牙列和牙槽骨的形态真实地反映了目标口腔中牙列和牙槽骨的实际情况，有助于生成准确度更高的模型。

根据某些实施例，还可以对所获取的扫描数据进行三维空间校正。由于CT的拍摄角度不同，可能导致成像效果不同，通过对三维数据做刚性变化，例如包括但不限于对图像进行旋转及平移，然后利用配准的方法实现同源标志点或标志区域在相同空间坐标系中。

S2、利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据。可以利用三维重建软件，根据需要设置相应的阈值，或者采用其中的布尔运算功能和模型分离功能，来实现目标扫描数据的三维重建。

S3、对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息。本发明实施例中，基于卷积神经网络来对三维重建数据实现不同组织的分割，并对其进行标识和标记。基于卷积神经网络的分割方法具体可以包括三个过程：(1)准备训练集，(2)训练卷积神经网络，(3)测试训练后的神经网络。本发明实施例采用基于改进的U-net网络对组织进行分割，U-net神经网络属于卷积神经网络的一种，其网络结构形似字母U，故命名为U-net。整个网络通常由两大部分组成，分别为编码层和解码层，其突出的优势是可以实现任意尺寸图像的分割。本实施例中可以根据以下步骤建立分割网络：

S3.1、构建原始分割网络，所述原始分割网络包括编码模块、特征提取模块、第一解码模块、第二解码模块和综合解码模块。其中，编码模块用于对输入的重建数据进行编码，得到语义特征图；特征提取模块用于对编码模块得到的每个语义特征图进行处理，得到不同分辨率的语义特征图；第一解码模块用于根据所述语义特征图得到牙齿预测概率图；第二解码模块用于根据所述语义特征图得到牙槽骨预测概率图；综合解码模块用于将所述牙齿预测概率图和牙槽骨预测概率图进行综合解码以得到口腔分割概率图。

S3.2、利用口腔数据集对所述原始分割网络进行训练，得到分割网络。其中，对所述口腔数据集进行掩膜处理或者标注处理后，用于原始分割网络的训练。通过人工标注的方式对原始的口腔数据集进行处理，将原始的口腔数据集中的牙齿区域标注为1X，其中X标识每一颗牙齿的序号，例如1A、1B、1C……，并将牙齿之外的区域标注0；以及将原始的口腔数据集中的牙槽骨区域标注为2Y，其中Y标识该牙槽骨区域的序号，并且该序号与其对应的牙齿序号相对应，例如2a、2b、2c……并将牙槽骨之外的区域标注为0。也可以采用掩膜方式对原始的口腔数据集进行处理，将原始的口腔数据集进行人工标注后进行掩膜处理，处理后数据集中的每一张对应有每一颗牙齿区域的掩膜和对应的牙槽骨区域的掩膜。

S4、对所述三维空间信息中对应的感兴趣区域(Region of Interests，以下简称“ROI区域”)进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；本实施例中涉及的ROI区域包括牙齿和牙槽骨所在区域。还可以通过将所导出的STL格式数据进行网格调整,删除多余的尖角特征,并进行平滑处理,以去掉不需要的起伏特征；进行曲面拟合，利用四边形布点原则，得到拟合效果较好的STL格式数据。在进行内部填充时，可以根据模型的最小壁厚来确定切片层厚并进行切片得到各切片层，按照从上到下的顺序依次根据各切片层的输入轮廓获得对应的内轮廓，从而根据该内轮廓进行填充和封闭。

S5、对所述STL格式数据进行3D打印，从而分别得到各个牙齿和牙槽骨的3D打印模型。通过将前述步骤得到的牙齿和牙槽骨STL格式数据，经过裁剪和去噪处理后，分别进行3D打印，以得到各自的3D打印模型。

S6、对打印出的牙齿和牙槽骨3D打印模型进行拼接组装以形成与该目标口腔匹配的牙列牙槽骨模型。利用本实施例提供的方法获得的牙列牙槽骨模型，可以真实地反映个体牙列和牙槽骨的实际情况，针对性强，并且精确度高，解决了现有技术中需要借助计算机读取锥形束CT影像以获取目标区域的三维结构信息，从而需要较高水平的软件操作能力和空间想象力的问题。

根据本发明的另一个可选的实施例，提供了一种牙列牙槽骨模型的生成装置，图2中示出了本发明实施例牙列牙槽骨模型的生成装置的构成框图，该生成装置包括数据获取模块、数据重建模块、分割标记模块、STL数据导出模块和3D打印模块。

数据获取模块，获取目标口腔的扫描数据；

数据重建模块，利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据；

分割标记模块，对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息；

STL数据导出模块，对所分割的牙齿和牙槽骨的三维数据进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；

3D打印模块，对所述STL格式数据进行3D打印。

根据某些实施例，该装置还可以包括拼接组装模块，所述拼接组装模块对打印出的牙齿和牙槽骨3D打印模型进行拼接组装以形成与该目标口腔匹配的牙列牙槽骨模型。

本发明该实施例中各模块实现其功能的具体过程均与本发明上述实施例中方法中涉及的步骤相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例涉及一种牙列牙槽骨模型的生成方法及装置，该方法包括如下步骤：获取目标口腔的扫描数据；利用所述扫描数据，进行三维重建以得到重建数据；对所述重建数据进行组织分割和标记，以获得不同组织的三维空间信息；对所述三维空间信息中对应的ROI区域进行内部填充、封闭和数据平滑，导出STL格式数据；对所述STL格式数据进行3D打印。采用本发明实施例提供的方法生成模型，其原始锥形束CT数据直接取自目标口腔，故其牙列和牙槽骨的形态真实地反映了个体牙列和牙槽骨的实际情况；本发明实施例提供的方法根据目标口腔的扫描数据生成牙列牙槽骨模型，使用时更具有直观效果，解决了现有技术中需要借助计算机读取锥形束CT影像以获取目标区域的三维结构信息，从而需要较高水平的软件操作能力和空间想象力的问题；本发明实施例提供的模型生成方法中，通过分割网络对牙列和牙槽骨数据进行三维分割，分割效果好，能够更精确的反映图像数据中牙齿和牙槽骨各自的位置，使得所生成的模型精确度更高。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。