牙周炎锥形束CT骨吸收图像三维定量评估方法及其系统

本发明涉及医学影像处理，具体涉及牙周炎锥形束ct骨吸收图像三维定量评估方法及其系统。

背景技术：

1、牙周炎是以牙菌斑生物膜为始动因子、以牙周支持组织进行性破坏为主要病理特征的慢性感染性疾病，临床上以牙槽骨吸收作为最重要的客观分级与疗效判读依据。锥形束ct相比传统根尖片与全景x线片具有三维成像、各向同性体素、辐射剂量低等优势，已成为牙周炎牙槽骨破坏程度评估的主流影像学检查方法。然而，锥形束ct图像的牙周骨组织评估在临床实践中长期依赖放射科医师对断层图像的逐层目视判读、骨吸收高度与骨密度的手动测量，存在层面选取差异引起的批间变异偏大、垂直型与水平型骨吸收的三维形态特征在二维断层图像上缺乏直观空间呈现等突出技术痛点，亟需自动化定量评估技术予以系统性解决。

2、公开号为cn113223010a的中国发明专利申请，公开了一种口腔图像多组织全自动分割的方法和系统，该方法采用三维u-net神经网络对锥形束ct图像执行多组织全自动分割，标注类别覆盖牙本质、牙釉质、牙槽骨皮质骨、牙槽骨松质骨、下颌神经管、牙周膜、牙齿硬骨板、牙髓腔等十三类口腔解剖组织，通过生成对抗网络对训练样本执行扩增，并以牙髓腔体素为种子点采用分水岭算法或区域生长算法实现单牙拆分。然而，该方案仅停留于多组织像素级分割与单牙拆分的形态学层面，对分割结果的下游解读仍依赖临床医师的目视判读，未公开釉牙骨质界至牙槽嵴顶三维距离的自动测量、垂直型与水平型骨吸收的形态学自动分类、骨密度hounsfield单位分布的骨质量量化指标，更未涉及分割结果在牙周炎纵向追踪场景下的客观化驱动闭环。

3、公告号为cn117218450b的中国发明专利，公开了一种基于人工智能的口腔cbct自动精细解剖方法，该方法采用两阶段级联深度学习架构，第一阶段通过nnunet模型执行口腔cbct粗略解剖输出粗略像素级掩膜，第二阶段通过unet++模型执行精细解剖以处理0.15毫米至0.38毫米级的牙周膜间隙等精细结构，并对牙釉质厚度与唇侧骨壁厚度执行定量分析。然而，该方案的定量分析仅限于厚度方向的标量距离测量，缺少颊舌近远中四方向解剖方位的方向性骨吸收量化指标，更缺少沿牙根表面切向方向的hounsfield单位空间分布建模，后者是牙周炎早期阶段非对称骨破坏的关键诊断维度。

4、公开号为cn115886863a的中国发明专利申请，公开了一种全颅底为基准平面的牙齿与面骨三维重叠测量方法及设备，该方法以颅底点、鼻根点、双侧眶上切迹及双侧眶下缘中点四标志点确定颅底标准平面作为基准平面，对前后阶段锥形束ct数据执行三维重叠配准，分别测量牙齿根尖点与牙尖点沿x轴、y轴、z轴的移动距离以量化牙齿在三维方向上的位置变化。然而，该方案以颅骨骨性标志为配准基准，配准对象为正畸场景下的牙齿移动而非牙周炎场景下的逐牙位骨吸收，未提供牙根三维形态作为配准不变特征的处理路径，更未涉及方向各向异性、形态分类、骨质量指数等牙周炎诊断所需的核心定量参数。

5、经发明人深入分析现有技术后发现，上述三类方案及其衍生方法共同遵循高精度多标签分割→几何标志点定位→欧氏距离公式→分类阈值这一单向串行各向同性技术路径，将骨吸收量化简化为各方向距离的标量平均，由此存在一个深层瓶颈：早期阶段（釉牙骨质界至牙槽嵴顶距离小于3毫米）的牙周炎骨吸收呈现显著的方向各向异性，破骨细胞活动具有解剖方向特异性，颊侧骨板厚度本来就薄于舌侧、菌斑积聚的邻面间隙优先吸收，绝对距离均值化反而掩盖了方向各向异性这个早期病理强信号；同时，分割与几何测量是单向串行路径，分割边界误差直接传递到几何测量结果而无反馈纠正机制，垂直型与水平型骨吸收形态分类仅依赖事后形态判读未能在分割阶段就利用方向先验，因此现有技术在牙周炎早期非对称骨吸收的诊断敏感性、分割-量化的闭环精度、形态分型的客观化驱动等方面均存在系统性局限，亟需一种以方向梯度各向异性为底层信号、以闭环反馈精修为耦合机制的三维定量评估方案予以根本性突破。

技术实现思路

1、针对现有技术中牙周炎锥形束ct骨吸收图像评估存在的依赖标量距离均值而忽视方向各向异性的核心瓶颈，本发明提供牙周炎锥形束ct骨吸收图像三维定量评估方法及其系统，通过沿牙根表面切向方向的颊舌近远中四方向解剖方位显式计算hounsfield单位方向梯度张量场并以方向梯度各向异性指数反向触发分割边界闭环精修，在不增加锥形束ct扫描参数与硬件成本的前提下，从骨改建生物学的方向特异性原理层面上实现牙周炎早期非对称骨吸收的高敏感诊断、分割-量化的闭环精度提升以及垂直型与水平型骨吸收形态的客观化自动分类。

2、本发明的技术方案为：牙周炎锥形束ct骨吸收图像三维定量评估方法，包括以下步骤：s1数据获取与多标签同步分割步骤，对锥形束ct体数据执行多标签同步分割得牙槽骨掩膜、牙根掩膜和牙周膜间隙掩膜，基于所述牙根掩膜与所述牙周膜间隙掩膜的三维交界面执行解剖标志点自动定位得釉牙骨质界标志点和牙槽嵴顶标志点；s2方向梯度张量场计算步骤，沿所述牙根掩膜的四方向解剖方位计算hounsfield单位方向梯度张量场，输出方向梯度各向异性指数，所述四方向解剖方位包括颊侧方位、舌侧方位、近中方位和远中方位；s3三维定量分析与形态分类步骤，融合所述釉牙骨质界标志点、所述牙槽嵴顶标志点和所述方向梯度各向异性指数，逐牙位输出四方向釉牙骨质界至牙槽嵴顶三维距离、骨吸收形态分类标签和骨密度hounsfield分布骨质量指数；s4纵向配准与变化率追踪步骤，对系列复诊所述锥形束ct体数据的所述牙槽骨掩膜以所述牙根掩膜为不变特征执行三维配准，输出骨吸收三维参数变化率。

3、本发明还提供牙周炎锥形束ct骨吸收图像三维定量评估系统，包括多标签同步分割模块、方向梯度张量场计算模块、三维定量分析与形态分类模块、纵向配准与变化率追踪模块，其中多标签同步分割模块配置为对锥形束ct体数据执行多标签同步分割并自动定位釉牙骨质界标志点和牙槽嵴顶标志点；方向梯度张量场计算模块配置为沿牙根掩膜的四方向解剖方位计算hounsfield单位方向梯度张量场得方向梯度各向异性指数；三维定量分析与形态分类模块配置为融合输出四方向三维距离、骨吸收形态分类标签和骨质量指数；纵向配准与变化率追踪模块配置为对系列复诊数据执行三维配准并输出骨吸收三维参数变化率。

4、本发明的有益效果如下。第一，针对早期非对称骨吸收的诊断敏感性显著提升。本发明沿牙根掩膜的四方向解剖方位计算hounsfield单位方向梯度张量场并输出方向梯度各向异性指数，与仅停留于像素级分割、仅给出厚度方向标量距离形成本质区别，其机理在于：牙周炎早期阶段破骨细胞活动具有解剖方向特异性，方向梯度各向异性指数作为一阶张量场的特征值之差能够在釉牙骨质界至牙槽嵴顶三维距离尚未达到病理阈值之时即捕捉到方向不对称信号，从而将早期诊断窗口前移。第二，分割-量化的闭环精度系统性增强。本发明将方向梯度各向异性指数反向输入所述多标签同步分割的解码器侧触发所述牙槽骨掩膜的边界迭代精修，与单向串行路径形成本质区别，其机理在于：分割边界误差会引起切向梯度向量计算偏差进而引起方向梯度各向异性指数偏差，将该偏差作为反向梯度反馈至解码器形成闭环驱动，使分割与量化在迭代中协同收敛而非各自累积误差。第三，垂直型与水平型骨吸收形态分类的客观化自动驱动。本发明基于方向梯度各向异性指数的预设垂直型阈值与预设水平型阈值规则自动确定骨吸收形态分类标签，与现有技术依赖临床医师事后判读形成本质区别，其机理在于：垂直型骨吸收以沿牙根中轴线轴向方向的高度差异为主，方向梯度各向异性指数取值偏高且各向异性主方向沿轴向；水平型骨吸收以四方向均匀降低为主，方向梯度各向异性指数取值偏低，从数学层面给出客观分型依据。第四，纵向追踪的疗效评估精度提升。本发明以牙根掩膜的三维形态作为配准不变特征，与以颅骨骨性标志为基准形成本质区别，其机理在于：牙周炎治疗周期内颅骨骨性标志会因头位扫描差异引入误差，而牙根三维形态在治疗周期内保持解剖形态稳定，作为配准不变特征可使骨吸收三维参数变化率的测量误差降低至亚毫米级。第五，上述四项有益效果之间形成协同强化关系，方向梯度各向异性指数同时驱动早期诊断、闭环反馈、形态分类、纵向追踪四个环节，由此达成单一指标贯通分割、量化、分型、追踪四阶段的非线性增益效应，为牙周炎骨破坏程度的客观化分级与疗效评估提供三维图像定量分析驱动的系统化技术方案。