基于c的牙列數(shù)字模型重建精度評價(jià)

基于c的牙列數(shù)字模型重建精度評價(jià)

目前，螺旋式ct掃描和錐形束掃描是獲得特定牙齒組織三維數(shù)字模型最常用的方法。它可以用來建?；顒樱瑥V泛應(yīng)用于三維建模、可視化、下頜運(yùn)動、牙齒移動等領(lǐng)域。由于牙齒體積小、且外形不規(guī)則,根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)重建牙列三維數(shù)字模型時(shí)必然會產(chǎn)生誤差,這會影響到后繼應(yīng)用和分析的精度。關(guān)于CT掃描重建牙列數(shù)字模型精度的研究很少。本研究的目的就是以三維光學(xué)掃描系統(tǒng)掃描重建的模型為標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)根據(jù)螺旋CT、錐束CT掃描數(shù)據(jù)以及牙列印模光學(xué)掃描圖像重建牙列數(shù)字模型的精確度。1.材料和方法1.1光學(xué)掃描系統(tǒng)C-silicone縮合硅橡膠(Zhermack,意大利);超硬石膏(BPB,德國);螺旋CT(西門子,德國)。電壓:120kv;層厚:0.6mm;層間距:0.4mm;電流:200mA/s。PlanmecaProMax3D錐束CT(planmeca,芬蘭)。電壓:84kv;層厚:93μm;電流:450μA。OKIO-V-100三維光學(xué)掃描系統(tǒng)(天遠(yuǎn)三維科技公司,中國)。單面掃描尺寸:100×75mm2;單面測量精度:0.015mm;平均點(diǎn)距:0.07mm;拼接方式:全自動標(biāo)志點(diǎn)拼接;電壓:220V。1.2方法1.2.1除牙術(shù)中的嘴唇取上頜牙列完整的新鮮猴上頜骨,去除牙齦等軟組織。浸泡在10%福爾馬林溶液固定,每隔12h更換固定液,固定24h后保存在密閉的固定液中。1.2.2基質(zhì)光度計(jì)算法印模根據(jù)McCracken對制作個(gè)別托盤的要求,在標(biāo)準(zhǔn)模型上有牙區(qū)均勻覆蓋兩層蠟片,使之與標(biāo)準(zhǔn)模型密貼,用自凝塑料制成個(gè)別托盤,用裂鉆在托盤壁上每間隔5mm鉆數(shù)個(gè)直徑約3mm的小孔,以利于印模固位。1.2.3模材料的使用所有印模全部由同一位熟練的術(shù)者技工制取,制取印模時(shí)嚴(yán)格印模材料“使用說明”進(jìn)行配比及操作,其中有氣泡、與托盤脫離或印模不全者舍去不計(jì)。脫模后立即灌注超硬石膏模型。操作環(huán)境及水溫為23±2℃,相對溫度50±5%,40min后脫模。1.2.4重建頜骨、牙列三維數(shù)字模型并計(jì)算齒輪體積、體積用OKIO-V-100三維光學(xué)掃描系統(tǒng)掃描猴上頜牙列,重建牙列三維數(shù)字模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型;掃描石膏模型,重建牙列數(shù)字模型。分別對猴牙列標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行螺旋CT及錐束CT掃描,重建頜骨及牙列三維數(shù)字模型并計(jì)算牙齒體積。分別將螺旋CT、錐束CT、三維光學(xué)掃描系統(tǒng)掃描獲得的影像資料(DICOM數(shù)據(jù))導(dǎo)入Minics軟件,進(jìn)行校準(zhǔn)、切割等處理,三角片法重建牙齒表面形態(tài),去除、修補(bǔ)離散和相交的散亂三角片,對得到的圖像進(jìn)行光順處理,形成數(shù)字化牙列模型。1.2.5rvd/vs計(jì)算模型體積在Geomagicqualify9.0軟件中將根據(jù)螺旋CT、錐束CT、石膏模型重建的牙列模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擬合,并使用不同顏色標(biāo)記誤差范圍,根據(jù)不同誤差分布區(qū)間和相應(yīng)誤差的數(shù)量生成誤差直方圖,在圖像中選取切牙的近中切角、兩側(cè)第一磨牙近中舌尖頂三個(gè)點(diǎn),三點(diǎn)確定一個(gè)平面,此平面向齦向平移第一磨牙近中舌尖距牙槽骨距離的一半距離,截取牙列圖像。并計(jì)算截取的牙列圖像體積及體積變化率RVD/VS:RVD/VS=(重建模型體積-標(biāo)準(zhǔn)模型體積)/標(biāo)準(zhǔn)模型體積×100%分別在擬合后的圖像中將截面向牙槽骨方向平移0.5mm、1.0mm、1.5mm,截取牙列圖像,并計(jì)算形成的封閉空間的體積及RVD/VS。(圖1-圖4)。2.結(jié)果2.1模型重建牙列特點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)模型相比,采用螺旋CT、錐束CT、石膏模型掃描數(shù)據(jù)重建牙列數(shù)字模型,CT掃描重建牙列體積與標(biāo)準(zhǔn)模型相比均變大,石膏模型重建牙列體積變小,牙列的截取體積變化率見表1,表2。2.2不同體積的體積變化率2.3牙列誤差分布采用不同顏色標(biāo)記不同的模型擬合圖像誤差值,可直接觀察牙列不同位置、不同大小的誤差分布情況,對于兩種CT圖像,65%的誤差在-0.3mm-0.3mm3之間,而對于石膏模型,80%誤差在-0.3mm-0.3mm3之間。3.牙列重建的牙列數(shù)字模型擬合和模擬下頜運(yùn)動的特征及方法隨著計(jì)算機(jī)圖像處理與分析、真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展,口腔醫(yī)學(xué)影像的三維重建一直是國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點(diǎn),建立個(gè)性化三維數(shù)字模型是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。當(dāng)前建立牙列三維數(shù)字模型的方法較多,通過三維光學(xué)掃描及Micro-CT掃描可以獲得高精度的牙頜組織三維圖像,但難以應(yīng)用于活體組織的成像及測量。CT掃描具有速度快,定位準(zhǔn)確、采集方便、非破壞性、適合于個(gè)性化臨床研究等優(yōu)點(diǎn)近年來成實(shí)體建模的主要手段,然而也存在不足:圖像采集時(shí)的層較厚(1-2mm)、CT拍攝成像過程中產(chǎn)生的噪聲和偽影影響圖像的質(zhì)量等。本項(xiàng)研究以O(shè)KIO-V-100三維光學(xué)掃描系統(tǒng)掃描猴牙列重建的模型為標(biāo)準(zhǔn)模型,該掃描系統(tǒng)是一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù),測量精度達(dá)到0.015mm,掃描整個(gè)牙列需要30min;三維重建后將標(biāo)本圖像與模型圖像用geomagicqualify9.0軟件進(jìn)行擬合,進(jìn)行三維的測量、分析與觀察,測量評價(jià)更為直觀、方便,準(zhǔn)確度高。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)錐束CT、螺旋CT掃描數(shù)據(jù)重建牙列三維數(shù)字模型比標(biāo)準(zhǔn)原型體積均變大,X線片成像原理,焦點(diǎn)大小、像素、X-ray的劑量、放射源球管與標(biāo)本的距離都可能是造成掃描圖像變形和放大原因,而且,這種變形和放大在不同部位是不均一的;石膏模型重建后牙列體積平均變化率為-1.07%,與標(biāo)準(zhǔn)模型相比均變小,將模擬平面向齦向移動時(shí)RVD/VS變大,這可能與截面約位于牙高度的1/2位置,此處的倒凹小,印模在此處的變形小有關(guān)。下頜骨的運(yùn)動是人體所有運(yùn)動中最為復(fù)雜的,有前后控制因素,即顳下頜關(guān)節(jié)的運(yùn)動和咬合接觸。李鴻波等通過三維激光掃描重建獲牙列的三維圖像,通過CT圖像重建顳下頜關(guān)節(jié)的三維圖像,將顳下頜關(guān)節(jié)與牙列的三維重建圖像整合起來。建立牙列與顳下頜關(guān)節(jié)的空間位置關(guān)系,模擬下頜運(yùn)動以及髁突在關(guān)節(jié)窩內(nèi)同步運(yùn)動。TerajimaM等使用上、下頜骨CT掃描圖像重建與牙齒三維激光掃描相結(jié)合的四維方法模擬下頜的運(yùn)動及咬合接觸,希望對診斷頜骨畸形及其他畸形患者的顳下頜關(guān)節(jié)紊亂提供幫助。下頜運(yùn)動的復(fù)雜性決定了三維模擬研究下頜運(yùn)動是非常困難的。三維模擬下頜運(yùn)動的方法不外乎包括下面的步驟:采集關(guān)節(jié)、頜骨、牙齒的圖像;采集下頜運(yùn)動軌跡;建立統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系,確定硬組織圖像在坐標(biāo)系中的位置;通過機(jī)械動力仿真模擬下頜運(yùn)動,通過碰撞檢測分析咬合接觸。一般認(rèn)為,牙齒可以感覺到牙合干擾厚度為50μm-150μm,而目前CT圖像的精度,多排螺旋CT是0.2mm-0.4mm,錐束CT理論上可達(dá)0.03mm,但目前的錐束CT精度多在0.3mm左右。本研究的結(jié)果表明,根據(jù)螺旋CT、錐束CT掃描數(shù)據(jù)重建牙列三維數(shù)字模型時(shí),RVD/VS的誤差約在40%以上。而且,隨著截面向齦向移動,牙列數(shù)字模型的RVD/VS變小,這說明根據(jù)CT重建牙列數(shù)字模型時(shí),牙合面部產(chǎn)生的誤差大于牙頸部。這會導(dǎo)致輸入運(yùn)動軌跡后,模擬下頜運(yùn)動中,檢測到牙齒接觸點(diǎn)位置與實(shí)際的接觸點(diǎn)位置有較大出入。根據(jù)牙列印模重建的牙列數(shù)字模型擬合對接到CT掃描的牙齒圖像中,再根據(jù)下頜運(yùn)動軌跡,模擬頜骨運(yùn)動,進(jìn)行碰撞檢測,由計(jì)算機(jī)找出咬合接觸點(diǎn)的位置;在通過快速成型技術(shù)制作種植導(dǎo)板時(shí),也可考慮采用CT掃描與印模相結(jié)合的牙頜三維數(shù)字模型。根據(jù)石膏模型重建牙列模型時(shí),牙列體積較標(biāo)準(zhǔn)模型變形小,而CT圖像重建后牙列體積變形大,如何將根據(jù)石膏模型得到的牙列三維數(shù)字模型替代