可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法技術

本發(fā)明專利技術可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，解決現有技術中ＣＴ掃描的頭顱模型無法精確描述牙齒咬合關系的缺陷。該方法包括采用ＣＴ斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數據；顱頜面骨計算機三維重建；牙的石膏取模與石膏模的三維數據采集；將第三步所得的牙齒部分三維數據和第二步對ＣＴ圖像重建的三維圖形數據進行數據融合和分離；將下頜骨數據與剝離了下頜骨的頭顱數據分別快速成型加工成真實的模型，并進行有機連接等基本步驟，本發(fā)明專利技術能得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，而清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)，在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種頭顱模型的制造方法，特別是一種。
技術介紹
個性化的頭模在顱頜面骨整形外科、口腔科及其他相關學科的術前方案設計、術中方案指導、技能培訓中起著非常重要的作用。但目前個性化的頭模通常采用CT數據快速成型完成，因為CT數據的空間分辨率在毫米級別，因此牙齒咬合關系等精細的解剖關系無法得到體現，這就極大限制了頭模在齒科的應用。而齒科中通常通過石膏取模的方式獲得牙齒的精細模型，但這種做法僅能夠獲得部分的上下頜數據及牙齒數據，使用者不能夠確定這部分數據以外的顱頜面骨數據的解剖情況以及上下頜骨與顱頜面骨的比鄰關系。因此已有模型制作方法限制了個性化的頭模在臨床上的使用。清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)。在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。逼真的頜部裝置，具有與真實患者一致的矢狀髁部和髁道，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要
技術實現思路
本專利技術解決現有技術中CT顱頜面骨數據的空間分辨率低，依據其做出的顱頜面骨模型無法描述口腔的解剖細節(jié)而齒科模型僅能獲得部分的上下頜數據及牙齒數據，無法獲得上下頜骨與顱頜面骨的比鄰關系的技術問題，提供一種制造方法，能制作出可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，能有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)。本專利技術的
技術實現思路
是一種，包括下述步驟第一步、采用CT斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數據，將數據用標準DICOM格式記錄成光盤文件保存。第二步、顱頜面骨計算機三維重建將CT顱頜面骨斷層圖像數據進行三維重建，即采用醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件形成反映顱頜面骨原形的三維圖形數據，輸出文件格式為STL。第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數據采集首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與患者牙齒完全相同的石膏模型，然后采用三維數字相機獲取牙模的三維圖形數據。第四步、將第三步所得的牙齒部分三維數據和第二步對CT圖像重建的三維圖形數據進行數據融合和分離首先進行數據融合，將兩種數據模態(tài)的三維圖形數據進行圖像配準，使兩組圖形數據的對應三維點集XA(x1，y1，z1)和XB(x2，y2，z2)達到空間位置和解剖結構上的完全一致，從上述兩組圖形數據中選擇多個對應的解剖結構點，進而采用基于輪廓特征的奇異值分解-迭代最近點的配準方法，得到兩種模態(tài)的映射關系即由下式確定的三維縮放系數c和平移矩陣tc=1σx2tr(DS)---(1),t=μy-cRμx---(2)]]> 上兩式中σx代表XAi點坐標位置的均方差，tr為矩陣的跡，D為對角陣，S為矩特征矩陣，μy代表三維點集XBi中所有數據的平均坐標值，R為旋轉矩陣，μx代表三維點集XAi中所有數據的平均坐標值，繼而對兩組圖形數據中重疊的部分數據，保留分辨率高的圖像數據，分辨率低的數據借用圖像三維編輯的手段去除；然后進行數據分離，即把融合后的數據作為頭顱模型的整體數據，再以下頜關節(jié)作為分界點，將下頜骨分離出來，以使后期加工出的模型才具有動態(tài)的咬合模擬功能，并將下頜骨數據與剝離了下頜骨的頭顱數據分別保存為STL格式的文件。第五步、將下頜骨數據與剝離了下頜骨的頭顱數據分別輸入到快速原型系統(tǒng)，進而用快速成型加工成真實的模型，最后采用精細設計的彈簧將兩部分模型在下頜關節(jié)處連接，最終得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型。技術效果本專利技術在第四步中通過融合和分離技術，將CT掃描的三維數據與牙齒精細的三維數據進行融合，并將下頜骨數據進行分離，得到剝離了下頜骨的頭顱數據，并分別進行快速成型加工，然后進行連接，就能得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型，而清楚的牙齒咬合關系有助于醫(yī)生直觀地了解患者的口腔解剖細節(jié)，在頭模上使用者可以找到治療所需要的各種點、平面和角度，以便更好的掌握臨床手術操作技能。由于頜部采用牙模三維數字相機進行較精確拍攝而得，可獲得相對CT掃描來說更逼真的頜部，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要。優(yōu)選地，本專利技術所述第三步石膏模的三維數據采集采用自制的白光三維相機來實現，并采用自編軟件系統(tǒng)來獲得三維圖像數據。所述三維相機的成像過程和采集過程為激光光束照明微光學元件產生條紋結構光，經棱鏡轉向照明被測牙齒或牙模的表面，條紋結構光受到牙齒三維形貌的調制形成的變形條紋，再經轉像棱鏡和遠心成像系統(tǒng)成像在圖像接收器上，遠心成像系統(tǒng)的成像接收器必須是紅外成像儀，以實現對紅外光的探測，圖像接收器接收的變形條紋圖經視頻輸出接口送到計算機；計算機內的自編軟件系統(tǒng)完成如下過程原始圖像的采集、條紋自動分析、相位展開、深度像映射、牙齒輪廓的三維顯示、三維編輯，以及牙齒三維模型的多種通用格式的轉化和輸出。采用上述自制的三維相機，采集的數字化牙齒模型空間分辨率在70納米左右，能清晰表現牙齒的結構和咬合關系；采用相匹配的自編的軟件系統(tǒng)，能夠實現三維圖形數據的準確建立和多種通用格式的轉化和輸出，便于與CT三維數據的融合，也便于模型的快速成型加工，使制得的模型能結合不同成像方式的優(yōu)點，得到的頭顱模型與患者真實顱頜面骨一致的并可以精細描述牙齒咬合關系，具有與真實患者一致的矢狀髁部和髁道，適合多種口腔手術規(guī)劃的需要，可以用于顱頜面骨和齒科經典手術的仿真模型及定量化手術方案的制定，可以對術后療效進行有效的評價。活動下頜關節(jié)的設計，除簡單的牙齒咬合運動外，頜部裝置可以模擬多種下頜運動，如前伸運動、側方運動等，提供給醫(yī)生以真實的口腔模擬環(huán)境。優(yōu)選地所述第二步顱頜面骨三維重建步驟中，醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件采用申請人自編軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)的實現步驟包括分割；提取感興趣區(qū)域；輪廓線提取、跟蹤；連接輪廓線；生成三角面片；光照效應計算；生成三維圖像；輸出文件，文件輸出格式為STL。上述自編醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是基于表面繪制的軟件，但為了得到可旋轉的立體感和精確度更高的三維圖像，申請人采用基于體素的體繪制方法，還設計了用于診斷和手術方案制訂的三維重建醫(yī)學軟件，實現步驟為A、分割；B、提取感興趣區(qū)域；C、插值；D、最后利用視覺原理將體素投影到顯示平面進行顯示；其中所述分割采用多種分割模式，包括基于密度值以及形態(tài)、鄰近關系等條件的分割模式，所述插值對稀疏層片數據采用基于倒角距離的形狀插值，既可以構造完整的體數據，又可以保證數據形態(tài)的真實性。采用上述步驟的三維重建軟件，整個頭骨的三維重建過程控制在半分鐘以內，圖像質量清晰、逼真，具有極高的精確度。在此基礎上，該軟件還可進行三維圖像的旋轉、切割及復雜測量。不僅能為醫(yī)生提供真實感的患者影像，更有利于病情診治和醫(yī)療手術方案的制定。上述基于表面繪制的軟件，可以先從體數據中通過幾何單元拼接來擬合物體表面，然后利用傳統(tǒng)計算機圖形學技術對重建的物體表面進行繪制，即采用高效簡潔的輪廓線連結法對顱頜面骨的表面進行繪制，使產生的三維模型表面較其他算法更為光滑，光順度好，軟件輸出的STL格式的數據文件可以直接用做工業(yè)設計軟件和快速成型機的輸入數據，具備良好的兼容性能，整個三維重建過程無需人工干預，表面連結自然光滑無躍層感，且能保證很高的精確度。表面形態(tài)和數據的準確性保證了后續(xù)設計的精確。優(yōu)選地，第一步驟的CT斷層掃描針對DICOM圖像數據采集編寫了DICOM-SLI本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型的制造方法，包括下述步驟：第一步、采用ＣＴ斷層掃描獲取患者顱頜面骨斷層圖像數據，將數據用標準ＤＩＣＯＭ格式記錄成光盤文件保存；第二步、顱頜面骨計算機三維重建：將ＣＴ顱頜面骨斷層圖像數 據進行三維重建，即采用醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)軟件形成反映顱頜面骨原形的三維圖形數據，輸出文件格式為ＳＴＬ；第三步、牙的石膏取模與石膏模的三維數據采集：首先臨床醫(yī)生采用傳統(tǒng)的石膏取模的方式獲得與患者牙齒完全相同的石膏模型，然后采用三維數字相 機獲取牙模的三維圖形數據；第四步、將第三步所得的牙齒部分三維圖形數據和第二步對ＣＴ圖像重建的三維圖形數據進行數據融合和分離：首先進行數據融合，將兩種數據模態(tài)的三維圖形數據進行圖像配準，使兩組圖形數據的對應三維點集Ｘ↓［Ａ］（ｘ↓［１ ］，ｙ↓［１］，ｚ↓［１］）和Ｘ↓［Ｂ］（ｘ↓［２］，ｙ↓［２］，ｚ↓［２］）達到空間位置和解剖結構上的完全一致，從上述兩組圖形數據中選擇多個對應的解剖結構點，進而采用基于輪廓特征的奇異值分解－迭代最近點的配準方法，得到兩種模態(tài)的映射關系：即由下式確定的三維縮放系數ｃ和平移矩陣ｔ：ｃ＝１／σ↓［ｘ］↑［２］ｔｒ（ＤＳ）（１）ｔ＝μ↓［ｙ］－ｃＲμ↓［ｘ］（２）上兩式中σ↓［ｘ］代表Ｘ↓［Ａ↓［ｉ］］點坐標位置的均方差，ｔｒ為矩陣的跡，Ｄ為對角陣，Ｓ 為矩特征矩陣，μ↓［ｙ］代表三維點集Ｘ↓［Ｂ↓［ｉ］］中所有數據的平均坐標值，Ｒ為旋轉矩陣，μ↓［ｘ］代表三維點集Ｘ↓［Ａ↓［ｉ］］中所有數據的平均坐標值，繼而對兩組圖形數據中重疊的部分數據，保留分辨率高的圖像數據，分辨率低的數據借 用圖像三維編輯的手段去除；然后進行數據分離，即把融合后的數據作為頭顱模型的整體數據，再以下頜關節(jié)作為分界點，將下頜骨分離出來，以使后期加工出的模型才具有動態(tài)的咬合模擬功能，并將下頜骨數據與剝離了下頜骨的頭顱數據分別保存為ＳＴＬ格式的 文件；第五步、將下頜骨數據與剝離了下頜骨的頭顱數據分別輸入到快速原型系統(tǒng)，進而用快速成型加工成真實的模型，最后采用精細設計的彈簧將兩部分模型在下頜關節(jié)處連接，最終得到可描述牙齒咬合關系的精細個性化頭顱模型。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：李曉峰，曹會志，劉燦，姜謙，
申請(專利權)人：李曉峰，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]