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专利名称：一种牙弓线自动提取方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210386943.7

专利申请（专利权）人：四川锋准机器人开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：四川省资阳市雁江区外环路西三段222号3单元2楼1-6号

专利发明（设计）人：祝胜山,汪阳,房鹤,崔小飞,田忠正

专利摘要：本发明提供一种牙弓线自动提取方法，包括：对冠向CT切片序列进行冠向最大强度投影，并进行像素统计，生成冠向最大强度投影直方图；对其进行正态分布的拟合，得到二值化阈值；对冠向最大强度投影图进行二值化，沿着v轴进行像素数目的统计，得到轴向最大强度投影的CT切片范围；对确定的轴向CT切片进行轴向最大强度投影，并生成轴向最大强度投影直方图，对其进行规定化等后续处理，提取到最终的牙弓线。本发明整个牙弓线提取过程全部是自动进行，并且在中间过程中使用模板进行直方图的规定化，使得在区域生长，形态学运算，伽马变换时用到的参数具有很强的通用性。因此整个提取牙弓线方法，实时性强，鲁棒性高，准确性高，完全自动化进行。

主权利要求：
1.一种牙弓线自动提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，对头部的牙齿区域分别进行冠向CT扫描和轴向CT扫描，分别得到冠向CT切片序列以及轴向CT切片序列；其中，冠向是指：从后脑勺到面部方向，即：从后向前方向；轴向是指从上向下方向；
冠向CT切片序列是指：各个冠向CT切片沿前后方向叠加；每个冠向CT切片为垂直切片；
轴向CT切片序列是指：各个轴向CT切片沿上下方向叠加；每个轴向CT切片为水平切片；
步骤S2，对于冠向CT切片序列，进行冠向最大强度投影，得到冠向最大强度投影图；其中，冠向最大强度投影图为二维平面图；
步骤S3，对所述冠向最大强度投影图的像素进行统计，生成冠向最大强度投影直方图；
其中，所述冠向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述冠向最大强度投影图中出现的数量；
对所述冠向最大强度投影直方图进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ0和方差σ0；根据均值μ0和方差σ0，采用下式，得到二值化阈值threshHold：threshHold＝μ0+kσ0
其中：k是经验系数；
步骤S4，对步骤S2生成的冠向最大强度投影图使用步骤S3生成的二值化阈值threshHold进行二值化处理，从而生成冠向二值化图像；
其中，二值化方法为：对于所述冠向最大强度投影图中的每个像素点，如果其像素值小于二值化阈值threshHold，则将其像素值变为0；否则，将其像素值变为1；
步骤S5，所述冠向二值化图像的图像坐标系为u?v坐标系；其中，v轴为垂直方向；u轴为图像中垂直于v轴的方向；
沿着所述冠向二值化图像的v轴进行像素数目的统计，即：在所述冠向二值化图像中，在v＝1的位置，绘制一条与u轴平行的直线L1，并统计直线L1通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N1；在v＝2的位置，绘制一条与u轴平行的直线L2，并统计直线L2通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N2；依此推类，完成对所述冠向二值化图像的v轴方向的像素数目的统计，得到横坐标为v轴，纵坐标为像素点数目N的坐标系中的多个离散点；对得到的各个离散点进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1；
根据正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1，采用下式，得到进入轴向最大强度投影的CT切片起始位置downSlice和进入轴向最大强度投影的CT切片终止位置upSlice：upSlice＝μ1+kuσ1
downSlice＝μ1?kdσ1
其中：
ku和kd均是经验系数；
步骤S6，在步骤S1得到的轴向CT切片序列中，按从上向下的方向，选择出切片序号在downSlice～upSlice的所有轴向CT切片，形成轴向CT切片序列集合；
对轴向CT切片序列集合进行轴向最大强度投影，得到轴向最大强度投影图；
步骤S7，对所述轴向最大强度投影图的像素进行统计，生成轴向最大强度投影直方图；
其中，所述轴向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述轴向最大强度投影图中出现的数量；
步骤S8，对所述轴向最大强度投影直方图进行直方图规定化，得到规定化后的直方图，使得规定化后的直方图与模板直方图的各个像素值的概率分布一致；其中，模板直方图是指：对不含种植牙和不缺牙的健康口腔牙齿区域，采用步骤S1?步骤S7的方式处理，生成的轴向最大强度投影直方图；
步骤S9，对所述规定化后的直方图进行伽马变换，得到伽马变换后的图片；
步骤S10，对所述伽马变换后的图片进行区域生长，得到新的二值图；
步骤S11，对步骤S10生成的新的二值图进行二维连通域分析，提取出像素数目最多的连通域作为牙弓区域；
步骤S12，对步骤S11得到的牙弓区域进行形态学闭运算，用于填充孔洞，得到填充孔洞后的牙弓区域；
步骤S13，对步骤S12得到的填充孔洞后的牙弓区域进行中轴变换，生成牙弓线，并对生成的牙弓线进行去毛刺操作，生成去除毛刺后的牙弓线；
步骤S14，对步骤S13生成的去除毛刺后的牙弓线进行等弧长采样，对于生成的采样点进行三次样条曲线的拟合，从而提取到最终的牙弓线。
2.根据权利要求1所述的一种牙弓线自动提取方法，其特征在于，步骤S2中，采用以下方法，得到冠向最大强度投影图：设冠向CT切片序列中的每个冠向CT切片，均包括n1*m1个像素点；其中，n1为行数，m1为列数；
一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*1像素点，从通过的各个第1*1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*1像素点的像素值；
一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*2像素点，从通过的各个第1*2像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*2像素点的像素值；
依此类推
一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第n1*m1像素点，从通过的各个第n1*m1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第n1*m1像素点的像素值；
由此得到冠向最大强度投影图。
3.根据权利要求1所述的一种牙弓线自动提取方法，其特征在于，步骤S8中，采用以下公式，进行直方图规定化：G(zq)＝sk
?1
zq＝G(zq)
其中：
G(zq)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图在像素值0～q范围的概率值；
L表示像素的级别数目，为256；
pz(zi)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图的像素值i的概率密度函数；
sk是模板直方图在像素值0～k范围的概率值；
pz(zj)是模板直方图的像素值j的概率密度函数；
?1
G(zq) 代表对G(zq)求逆运算，从而解算到规定化后的像素值zq。
4.根据权利要求1所述的一种牙弓线自动提取方法，其特征在于，步骤S9中，采用以下公式进行伽马变换：γ
s＝cr
其中：
s是伽马变换后的图像像素值；
c是正常数；
γ是伽马变换的强度因子；
r是伽马变换前的图像像素值。 说明书 : 一种牙弓线自动提取方法技术领域[0001] 本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种牙弓线自动提取方法。背景技术[0002] 目前，随着人们生活水平的不断提高，种植牙手术被越来越多的患者所采用。在种植手术开始前，需要首先规划需要种植牙齿的位置，规划方法为：需要将牙弓线展开成全景图以方便口腔医生观察，从而确定需要植入种植体的位置。此时全景图需要沿着牙弓线展开，因此在术前规划时首先需要自动提取出牙弓线。现有的做法是：直接依靠口腔医生的临床经验，在牙弓线的位置处选点，然后口腔种植软件根据医生选择的点自动拟合出牙弓线，这种做法对于医生的临床经验要求很高，并且也浪费医生的选点时间，牙弓线提取效率较低。发明内容[0003] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种牙弓线自动提取方法，可有效解决上述问题。[0004] 本发明采用的技术方案如下：[0005] 本发明提供一种牙弓线自动提取方法，包括以下步骤：[0006] 步骤S1，对头部的牙齿区域分别进行冠向CT扫描和轴向CT扫描，分别得到冠向CT切片序列以及轴向CT切片序列；其中，冠向是指：从后脑勺到面部方向，即：从后向前方向；轴向是指从上向下方向；[0007] 冠向CT切片序列是指：各个冠向CT切片沿前后方向叠加；每个冠向CT切片为垂直切片；[0008] 轴向CT切片序列是指：各个轴向CT切片沿上下方向叠加；每个轴向CT切片为水平切片；[0009] 步骤S2，对于冠向CT切片序列，进行冠向最大强度投影，得到冠向最大强度投影图；其中，冠向最大强度投影图为二维平面图；[0010] 步骤S3，对所述冠向最大强度投影图的像素进行统计，生成冠向最大强度投影直方图；其中，所述冠向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述冠向最大强度投影图中出现的数量；[0011] 对所述冠向最大强度投影直方图进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ0和方差σ0；根据均值μ0和方差σ0，采用下式，得到二值化阈值threshHold：[0012] threshHold＝μ0+kσ0[0013] 其中：k是经验系数；[0014] 步骤S4，对步骤S2生成的冠向最大强度投影图使用步骤S3生成的二值化阈值threshHold进行二值化处理，从而生成冠向二值化图像；[0015] 其中，二值化方法为：对于所述冠向最大强度投影图中的每个像素点，如果其像素值小于二值化阈值threshHold，则将其像素值变为0；否则，将其像素值变为1；[0016] 步骤S5，所述冠向二值化图像的图像坐标系为u?v坐标系；其中，v轴为垂直方向；u轴为图像中垂直于v轴的方向；[0017] 沿着所述冠向二值化图像的v轴进行像素数目的统计，即：在所述冠向二值化图像中，在v＝1的位置，绘制一条与u轴平行的直线L1，并统计直线L1通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N1；在v＝2的位置，绘制一条与u轴平行的直线L2，并统计直线L2通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N2；依此推类，完成对所述冠向二值化图像的v轴方向的像素数目的统计，得到横坐标为v轴，纵坐标为像素点数目N的坐标系中的多个离散点；对得到的各个离散点进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1；[0018] 根据正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1，采用下式，得到进入轴向最大强度投影的CT切片起始位置downslice和进入轴向最大强度投影的CT切片终止位置upSlice：[0019] upSlice＝μ1+kuσ1[0020] downSlice＝μ1?kdσ1[0021] 其中：[0022] ku和kd均是经验系数；[0023] 步骤S6，在步骤S1得到的轴向CT切片序列中，按从上向下的方向，选择出切片序号在downSlice～upSlice的所有轴向CT切片，形成轴向CT切片序列集合；[0024] 对轴向CT切片序列集合进行轴向最大强度投影，得到轴向最大强度投影图；[0025] 步骤S7，对所述轴向最大强度投影图的像素进行统计，生成轴向最大强度投影直方图；其中，所述轴向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述轴向最大强度投影图中出现的数量；[0026] 步骤S8，对所述轴向最大强度投影直方图进行直方图规定化，得到规定化后的直方图，使得规定化后的直方图与模板直方图的各个像素值的概率分布一致；其中，模板直方图是指：对不含种植牙和不缺牙的健康口腔牙齿区域，采用步骤S1?步骤S7的方式处理，生成的轴向最大强度投影直方图；[0027] 步骤S9，对所述规定化后的直方图进行伽马变换，得到伽马变换后的图片；[0028] 步骤S10，对所述伽马变换后的图片进行区域生长，得到新的二值图；[0029] 步骤S11，对步骤S10生成的新的二值图进行二维连通域分析，提取出像素数目最多的连通域作为牙弓区域；[0030] 步骤S12，对步骤S11得到的牙弓区域进行形态学闭运算，用于填充孔洞，得到填充孔洞后的牙弓区域；[0031] 步骤S13，对步骤S12得到的填充孔洞后的牙弓区域进行中轴变换，生成牙弓线，并对生成的牙弓线进行去毛刺操作，生成去除毛刺后的牙弓线；[0032] 步骤S14，对步骤S13生成的去除毛刺后的牙弓线进行等弧长采样，对于生成的采样点进行三次样条曲线的拟合，从而提取到最终的牙弓线。[0033] 优选的，步骤S2中，采用以下方法，得到冠向最大强度投影图：[0034] 设冠向CT切片序列中的每个冠向CT切片，均包括n1*m1个像素点；其中，n1为行数，m1为列数；[0035] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*1像素点，从通过的各个第1*1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*1像素点的像素值；[0036] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*2像素点，从通过的各个第1*2像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*2像素点的像素值；[0037] 依此类推[0038] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第n1*m1像素点，从通过的各个第n1*m1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第n1*m1像素点的像素值；[0039] 由此得到冠向最大强度投影图。[0040] 优选的，步骤S8中，采用以下公式，进行直方图规定化：[0041][0042][0043] G(zq)＝sk[0044] zq＝G(zq)?1[0045] 其中：[0046] G(zq)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图在像素值0～q范围的概率值；[0047] L表示像素的级别数目，为256；[0048] pz(zi)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图的像素值i的概率密度函数；[0049] sk是模板直方图在像素值0～k范围的概率值；[0050] pz(zj)是模板直方图的像素值j的概率密度函数；[0051] G(zq)?1代表对G(zq)求逆运算，从而解算到规定化后的像素值zq。[0052] 优选的，步骤S9中，采用以下公式进行伽马变换：[0053] s＝crγ[0054] 其中：[0055] s是伽马变换后的图像像素值；[0056] c是正常数；[0057] γ是伽马变换的强度因子；[0058] r是伽马变换前的图像像素值。[0059] 本发明提供的一种牙弓线自动提取方法具有以下优点：[0060] 整个牙弓线提取过程全部是自动进行，并且在中间过程中使用模板进行直方图的规定化，使得在区域生长，形态学运算，伽马变换时用到的参数具有很强的通用性。因此整个提取牙弓线方法，实时性强，鲁棒性高，准确性高，完全自动化进行。附图说明[0061] 图1为本发明提供的一种牙弓线自动提取方法的流程示意图。具体实施方式[0062] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0063] 本发明提供一种牙弓线自动提取方法，取代现有的需要牙医手动在口腔牙弓区域选择连接点的过程，从而提高术前规划种植路径的效率，也提升牙弓线提取的准确度，减少对于牙医经验的要求，整个发明具有实施简单，实时性强，鲁棒性高，提取精度高等优点。[0064] 参考图1，本发明提供一种牙弓线自动提取方法，包括以下步骤：[0065] 步骤S1，对头部的牙齿区域分别进行冠向CT扫描和轴向CT扫描，分别得到冠向CT切片序列以及轴向CT切片序列；其中，冠向是指：从后脑勺到面部方向，即：从后向前方向；轴向是指从上向下方向；[0066] 冠向CT切片序列是指：各个冠向CT切片沿前后方向叠加；每个冠向CT切片为垂直切片；[0067] 轴向CT切片序列是指：各个轴向CT切片沿上下方向叠加；每个轴向CT切片为水平切片；[0068] 步骤S2，对于冠向CT切片序列，进行冠向最大强度投影，得到冠向最大强度投影图；其中，冠向最大强度投影图为二维平面图；[0069] 采用以下方法，得到冠向最大强度投影图：[0070] 设冠向CT切片序列中的每个冠向CT切片，均包括n1*m1个像素点；其中，n1为行数，m1为列数；[0071] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*1像素点，从通过的各个第1*1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*1像素点的像素值；[0072] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第1*2像素点，从通过的各个第1*2像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第1*2像素点的像素值；[0073] 依此类推[0074] 一条射线照射通过冠向CT切片序列中每个冠向CT切片的第n1*m1像素点，从通过的各个第n1*m1像素点中，提取到灰度值最大的像素值，作为生成的冠向最大强度投影图的第n1*m1像素点的像素值；[0075] 由此得到冠向最大强度投影图。[0076] 步骤S3，对所述冠向最大强度投影图的像素进行统计，生成冠向最大强度投影直方图；其中，所述冠向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述冠向最大强度投影图中出现的数量；[0077] 对所述冠向最大强度投影直方图进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ0和方差σ0；根据均值μ0和方差σ0，采用下式，得到二值化阈值threshHold：[0078] threshHold＝μ0+kσ0[0079] 其中：k是经验系数，优选取值为1.98；[0080] 在对冠向最大强度投影图进行二值化时，采用本发明提供的方式计算得到的二值化阈值，能够使冠向最大强度投影图中各像素点像素值的类间方差达到最大，因此更能够有效区分背景和前景像素，提高二值化的精度。[0081] 步骤S4，对步骤S2生成的冠向最大强度投影图使用步骤S3生成的二值化阈值threshHold进行二值化处理，从而生成冠向二值化图像；[0082] 其中，二值化方法为：对于所述冠向最大强度投影图中的每个像素点，如果其像素值小于二值化阈值threshHold，则将其像素值变为0；否则，将其像素值变为1；[0083] 步骤S5，所述冠向二值化图像的图像坐标系为u?v坐标系；其中，v轴为垂直方向；u轴为图像中垂直于v轴的方向；[0084] 沿着所述冠向二值化图像的v轴进行像素数目的统计，即：在所述冠向二值化图像中，在v＝1的位置，绘制一条与u轴平行的直线L1，并统计直线L1通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N1；在v＝2的位置，绘制一条与u轴平行的直线L2，并统计直线L2通过的所述冠向二值化图像的像素值为1的像素点数目N2；依此推类，完成对所述冠向二值化图像的v轴方向的像素数目的统计，得到横坐标为v轴，纵坐标为像素点数目N的坐标系中的多个离散点；对得到的各个离散点进行正态分布的拟合，得到正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1；[0085] 根据正态分布拟合后的均值μ1和方差σ1，采用下式，得到进入轴向最大强度投影的CT切片起始位置downSlice和进入轴向最大强度投影的CT切片终止位置upSlice：[0086] upSlice＝μ1+kuσ1[0087] downSlice＝μ1?kdσ1[0088] 其中：[0089] ku和kd均是经验系数，优选取值为2.56；[0090] 步骤S6，在步骤S1得到的轴向CT切片序列中，按从上向下的方向，选择出切片序号在downSlice～upSlice的所有轴向CT切片，形成轴向CT切片序列集合；[0091] 对轴向CT切片序列集合进行轴向最大强度投影，得到轴向最大强度投影图；[0092] 因此，本发明中，仅对挑选出的范围在downSlice～upSlice的轴向CT切片进行轴向最大强度投影，而不是对所有的轴向CT切片进行轴向最大强度投影，此种处理方式的优点为：本发明挑选出的范围在downSlice～upSlice的轴向CT切片，为牙齿区域，已显著去除了干扰区域，因此，可减化后续牙弓线提取的复杂度，同时，提高后续牙弓线自动提取的精度。[0093] 步骤S7，对所述轴向最大强度投影图的像素进行统计，生成轴向最大强度投影直方图；其中，所述轴向最大强度投影直方图的横坐标为0～256的像素值，纵坐标为：每个像素值在所述轴向最大强度投影图中出现的数量；[0094] 步骤S8，对所述轴向最大强度投影直方图进行直方图规定化，得到规定化后的直方图，使得规定化后的直方图与模板直方图的各个像素值的概率分布一致；其中，模板直方图是指：对不含种植牙和不缺牙的健康口腔牙齿区域，采用步骤S1?步骤S7的方式处理，生成的轴向最大强度投影直方图；[0095] 本步骤中，采用以下公式，进行直方图规定化：[0096][0097][0098] G(zq)＝sk[0099] zq＝G(zq)?1[0100] 其中：[0101] G(zq)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图在像素值0～q范围的概率值；[0102] L表示像素的级别数目，为256；[0103] pz(zi)是步骤S7得到的轴向最大强度投影直方图的像素值i的概率密度函数；[0104] sk是模板直方图在像素值0～k范围的概率值；[0105] pz(zj)是模板直方图的像素值j的概率密度函数；[0106] G(zq)?1代表对G(zq)求逆运算，从而解算到规定化后的像素值zq。[0107] 步骤S9，对所述规定化后的直方图进行伽马变换，得到伽马变换后的图片；[0108] 本步骤中，采用以下公式进行伽马变换：[0109] S＝crγ[0110] 其中：[0111] s是伽马变换后的图像像素值；[0112] c是正常数，优选取为1；[0113] γ是伽马变换的强度因子；[0114] r是伽马变换前的图像像素值。[0115] 步骤S10，对所述伽马变换后的图片进行区域生长，得到新的二值图；[0116] 步骤S11，对步骤S10生成的新的二值图进行二维连通域分析，提取出像素数目最多的连通域作为牙弓区域；[0117] 步骤S12，对步骤S11得到的牙弓区域进行形态学闭运算，用于填充孔洞，得到填充孔洞后的牙弓区域；[0118] 步骤S13，对步骤S12得到的填充孔洞后的牙弓区域进行中轴变换，生成牙弓线，并对生成的牙弓线进行去毛刺操作，生成去除毛刺后的牙弓线；[0119] 步骤S14，对步骤S13生成的去除毛刺后的牙弓线进行等弧长采样，对于生成的采样点进行三次样条曲线的拟合，从而提取到最终的牙弓线。[0120] 本发明提供的牙弓线自动提取方法，整个牙弓线提取过程全部是自动进行，并且在中间过程中使用模板进行直方图的规定化，使得在区域生长，形态学运算，伽马变换时用到的参数具有很强的通用性。因此整个提取牙弓线方法，实时性强，鲁棒性高，准确性高，完全自动化进行。[0121] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2022-04-13

专利公开日期：2024-05-03

专利公告号：CN114723765B