一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法技术

本发明专利技术为了解决现有龈缘曲线提取方式的不足，提出一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，包括如下步骤：步骤一，分别重构缺失牙患者的残留牙和样本的三维牙颌模型龈缘轮廓，根据得到的最大主曲率值提取龈缘曲线的特征区域，并利用粒计算和元胞自动机相结合的方法提取缺失牙患者的残留牙和样本的龈缘特征线；然后分别拟合缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征曲线；最后构建缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线，步骤二，构建样本的龈缘生物多元统计分析模型，步骤三，设计患者缺失牙的个性化龈缘曲线，目的在于提高种植牙龈缘曲线设计的准确性和效率，改善种植牙修复的龈缘轮廓形态，提高个性化种植牙修复的成功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，属于种植牙计算机辅助设计，涉及生物医学工程

技术介绍
龈缘轮廓形态对种植基台的种植和义齿的修复产生重要影响，不同的龈缘轮廓形态所种植的基台受力不同，同时影响种植牙修复体的健康和使用寿命。传统的义齿修复方法通常根据专家经验，采用手工雕刻蜡型或石膏模型的方法模拟龈缘轮廓形态。由于人体口腔解剖结构比较复杂，另外不同人体的龈缘轮廓形态相差较大，采用这种手工修复方法存在准确性差和效率低等问题。随着计算机技术在生物医学工程领域的发展，数字化技术已在口腔医学方面得到广泛应用，成为缺失牙患者进行信息采集与重建的主要工具。由于受到有限测量精度和网格重建等因素影响，三角网格牙颌模型粘连在一起，牙齿之间没有清晰的分割边界，因此对缺失牙患者进行龈缘曲线设计带来很大的困难。对现有的技术文献检索发现，传统的龈缘提取方法主要采用手动交互式分割方法。Kondo等在学术期刊《IEEETransactionsonMedicalImaging》(2004，23(3)：350-362)上发表论文“ToothSegmentationofDentalStudyModelsUsingRangeImages”中，提出基于深度图像的龈缘自动提取方法，提高了龈缘轮廓提取的效率和精度，该方法在三角网格模型的平面深度图像中利用探测到的牙齿特征点拟合牙弓线，并展开牙弓线计算出全景深度图像，然后分别在平面图和全景图中探测牙缝和龈缘位置，最后根据两幅图像的结果确定每颗牙齿的分割边界，由于深度图像并不能精确反映牙齿的三维信息，因此这种方法对于严重畸形和齿间干涉模型会出现较大的分割偏差。袁天然等在学术期刊《计算机辅助设计与图形学学报》(2010，22(4)：703-710)上发表论文“三维牙颌模型的牙齿形状建模方法”中，利用形态学和孔洞修复技术提取龈缘特征线，并恢复出每颗牙齿具有一阶连续的解剖形态，但这种方法在实现过程中需要大量的人工干预，自动化程度不高，需要较多的人工经验，从而影响设计效率和建模的准确性。综上所述，利用数字化技术进行口腔义齿修复，通过数据采集设备获取患者牙齿表面数据信息，借助三维图像技术重构三角网格模型，根据患者牙齿个体特殊性，结合临床经验，进行个性化种植牙设计，其中，龈缘曲线设计是数字化口腔修复设计中一项关键技术，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有方法的不足，提出一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，自动进行信息采集，特征提取、数据匹配、患者缺失牙个性化龈缘曲线重建，目的在于提高种植牙龈缘曲线设计的准确性和效率，改善种植牙修复的龈缘轮廓形态，提高个性化种植牙修复的成功率。本专利技术提供：一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，包括如下步骤：步骤一，分别重构缺失牙患者的残留牙和样本的三维牙颌模型龈缘轮廓，首先计算缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率：kmax=kH+kH2-kG,---(1)]]>其中kmax为牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率，kH为平均主曲率，kG为高斯曲率，根据所得到的最大主曲率值提取龈缘曲线的特征区域，并利用粒计算和元胞自动机相结合的方法提取缺失牙患者的残留牙和样本的龈缘特征线；然后分别拟合缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征曲线；最后构建缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线，步骤二，构建样本的龈缘生物多元统计分析模型，步骤三，设计患者缺失牙的个性化龈缘曲线。步骤一中，所述粒计算和元胞自动机相结合的方法如下：1)设牙颌模型中牙齿的个数为N，利用粒计算的思想，从舌侧和颊侧两个方向将龈缘特征区域分别分成N个元胞信息粒，得到2N个元胞信息粒，将每个三角网格顶点作为一个元胞，优化目标函数为：d(pi,pj)=min(||pi-pj||kmax(pi)kmax(pj)),---(2)]]>式中，表示kmax(pi)和kmax(pj)分别表示顶点pi和pj的最大主曲率值，||pi-pj||表示顶点pi和pj两点之间的欧式距离，对2N个元胞信息粒中的每个元胞信息粒，以式(2)为优化目标，采用元胞自动机方法进行优化，搜索龈缘特征线的型值点，并将所得到的型值点依次相连，得到元胞信息粒的龈缘特征线；2)分别将相邻的元胞信息粒中首尾龈缘特征线的型值点依次相连，得到以三角网格顶点为型值点的牙颌模型的龈缘特征线，从而得到缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征线。所述步骤一中，所述的拟合缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征曲线，采用NURBS曲线拟合方法，构建一条k次NURBS曲线，其表达式为：P(u)=Σi=0nωiNi,k(u)ViΣi=0nωiNi,k(u),---(3)]]>式中，k为幂次，ωi为权因子，Vi为控制顶点，Ni，k(u)为k次B样条基函数，B样条基函数由递推公式可得到：式中，ui(i＝0，1，…，m)为节点。以龈缘特征线的型值点与NURBS拟合曲线之间偏差的平方和作为优化目标，则NURBS曲线拟合的优化目标函数可表示为：f(u)min(Σj=0m||Pj-Σi=0nωiNi,k(u)ViΣi=0nωiNi,k(u)||2)---(5)]]>以式(5)为优化目标，根据式(3)和式(4)进行NURBS曲线拟合，分别得到舌侧和颊侧的龈缘特征曲线，从而分别得到缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征线曲线。步骤一中，所述的构建缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线，采用的方法如下：首先根据龈缘特征曲线的曲率确定牙缝位置，然后对单颗牙的龈缘进行曲线拟合，具体实现过程如下：1)确定缺失牙患者的残留牙和样本的牙缝位置的型值点：根据拟合的龈缘特征曲线求二阶偏导，得到龈缘特征线曲线的曲率最大的位置，从而分别确定每颗牙舌侧、颌颊侧和牙缝位置的型值点；2)拟合缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线：通过上述方法得到每颗牙的舌侧、颊侧和牙缝位置的龈缘型值点，以相邻牙的牙缝位置处龈缘曲线相切为约束条件，采用NURBS曲线拟合方法将每颗牙的龈缘型值点拟合成一条封闭曲线，从而构建每颗牙的龈缘曲线。步骤二包括以下步骤：步骤1、根据牙齿解剖特征对龈缘曲线进行自动标定；步骤2、用多元统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，分别重构缺失牙患者的残留牙和样本的三维牙颌模型龈缘轮廓，首先计算缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率：kmax=kH+kH2-kG,---(1)]]>其中kmax为牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率，kH为平均主曲率，kG为高斯曲率，根据所得到的最大主曲率值提取龈缘曲线的特征区域，并利用粒计算和元胞自动机相结合的方法提取缺失牙患者的残留牙和样本的龈缘特征线；然后分别拟合缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征曲线；最后构建缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线，步骤二，构建样本的龈缘生物多元统计分析模型，步骤三，设计患者缺失牙的个性化龈缘曲线。

【技术特征摘要】
1.一种个性化种植牙的龈缘曲线设计方法，其特征在于，包
括如下步骤：
步骤一，分别重构缺失牙患者的残留牙和样本的三维牙颌模型龈
缘轮廓，首先计算缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率：
kmax=kH+kH2-kG,---(1)]]>其中kmax为牙颌三角网格顶点pi处的最大主曲率，kH为平均主曲率，
kG为高斯曲率，根据所得到的最大主曲率值提取龈缘曲线的特征区
域，并利用粒计算和元胞自动机相结合的方法提取缺失牙患者的残留
牙和样本的龈缘特征线；
然后分别拟合缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特
征曲线；
最后构建缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙龈缘曲线，
步骤二，构建样本的龈缘生物多元统计分析模型，
步骤三，设计患者缺失牙的个性化龈缘曲线。
2.根据权利要求1所述的一种个性化种植牙的龈缘曲线设
计方法，其特征在于：步骤一中，所述粒计算和元胞自动机相结合的
方法如下：
1)设牙颌模型中牙齿的个数为N，利用粒计算的思想，从舌侧
和颊侧两个方向将龈缘特征区域分别分成N个元胞信息粒，得到
2N个元胞信息粒，将每个三角网格顶点作为一个元胞，优化目
标函数为：
d(pi,pj)=min(||pi-pj||kmax(pi)kmax(pj)),---(2)]]>式中，表示kmax(pi)和kmax(pj)分别表示顶点pi和pj的最大主曲
率值，||pi-pj||表示顶点pi和pj两点之间的欧式距离，对2N个
元胞信息粒中的每个元胞信息粒，以式(2)为优化目标，采用

\t元胞自动机方法进行优化，搜索龈缘特征线的型值点，并将所得
到的型值点依次相连，得到元胞信息粒的龈缘特征线；
2)分别将相邻的元胞信息粒中首尾龈缘特征线的型值点依次相
连，得到以三角网格顶点为型值点的牙颌模型的龈缘特征线，从
而得到缺失牙患者的残留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征线。
3.根据权利要求1所述的一种个性化种植牙的龈缘曲线设
计方法，其特征在于：所述步骤一中，采用采用NURBS曲线拟合方
法，构建一条k次NURBS曲线，其表达式为：
P(u)=Σi=0nωiNi,k(u)ViΣi=0nωiNi,k(u),---(3)]]>式中，k为幂次，ωi为权因子，Vi为控制顶点，Ni，k(u)为k次B样条
基函数，B样条基函数由递推公式可得到：
式中，ui(i＝0，1，…，m)为节点。
以龈缘特征线的型值点与NURBS拟合曲线之间偏差的平方和作
为优化目标，则NURBS曲线拟合的优化目标函数可表示为：
f(u)=min(Σj=0m||Pj-Σi=0nωiNi,k(u)ViΣi=0nωiNi,k(u)||2)---(5)]]>以式(5)为优化目标，根据式(3)和式(4)进行NURBS曲线拟合，
分别得到舌侧和颊侧的龈缘特征曲线，从而分别得到缺失牙患者的残
留牙和样本的牙颌模型的龈缘特征线曲线。
4.根据权利要求1所述的一种个性化种植牙的龈缘曲线设
计方法，其特征在于，步骤一中，牙龈缘特征曲线获得方法如下：首

\t先根据龈缘特征曲线的曲率确定牙缝位置，然后对单颗牙的龈缘进行
曲线拟合，具体实现过程如下，
1)确定缺失牙患者的残留牙和样本的牙缝位置的型值点：根据
拟合的龈缘特征曲线求二阶偏导，得到龈缘特征线曲线的曲率最
大的位置，从而分别确定每颗牙舌侧、颌颊侧和牙缝位置的型值
点；
2)拟合缺失牙患者的残留牙和样本的单颗牙...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴婷，张礼兵，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33