基于口腔CBCT系统的口腔印模成像方法与流程

基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法
技术领域
1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于口腔cbct(cone beam computer tomography，口腔颌面锥形束ct)系统的口腔印模成像方法。


背景技术：

2.牙颌模型是病人牙齿三维结构的初始信息和疗程记录的良好载体，也是诊断分析的重要资料。目前临床中牙颌模型主要通过制作口腔印模，然后利用石膏灌注来完成。但是石膏模型的制作需要医生熟练掌握相关技术，才能达到完整反映患者解剖结构的要求；另一方面，石膏模型本身也存在存储困难、易损坏或断裂等难题。
3.不同于传统的石膏模型，通过cbct成像可以构建数字化口腔印模模型，从而避免石膏模型的制作过程，简化了就诊的操作流程，并为病人节省就诊时间，另一方面，数字化的口腔印模能够有效地降低资料丢失及损坏，同时对于需要与不同地域医师进行交流讨论的病例而言，数字化信息能够实现快速准确的传输，方便不同接诊医师获得患者原始资料。
4.目前利用传统口腔cbct系统获取的三维口腔印模图像，普遍存在空间分辨率低、噪声高的问题，并不能满足制作牙颌模型的精度要求。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法，本发明可以根据口腔印模的大小，优化每个角度探测器的移动次数，使获取的口腔印模的投影数据更为全面，且通过多次重复扫描获取口腔印模的平均cbct投影数据，可以在提高图像的分辨率的同时，大大减少口腔印模的噪声。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明第一方面实施例提出了一种基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法，所述的口腔cbct系统包括：牙托、探测器、x射线光源，所述口腔印模成像方法包括以下步骤：s1，根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m；s2，根据口腔印模的直径为d以及放大倍数m，估算口腔印模的投影图像的物理尺寸d；s3，根据所述口腔印模的投影图像的物理尺寸d、探测器的宽度w和探测器的高度h，获取探测器上下移动次数nh和左右移动次数nw；s4，根据所述上下移动次数nh以第一设定步长控制探测器上下移动，根据所述左右移动次数nw以第二设定步长控制探测器左右移动，获取所述探测器在每个位置上的投影数据，并对所述投影数据进行拼接，以获取口腔印模的当前角度的cbct投影数据；s5，控制所述口腔cbct系统移动至下一扫描角度后，重复步骤s4，直至获取到口腔印模的所有角度的cbct投影数据；s6，根据所述cbct投影数据选择口腔印模投影图像中的一个正方形区域，并计算所述正方形区域内像素值的标准方差δ，其中，所述均正方向局域的尺寸为10x10个像素，所述正方形区域的灰度值分布在预设区间内；s7，根据所述标准方差δ和预设标准方差δ0计算数据采集次数n；s8，重复步骤s4-s6 n次，以获取n次扫描的口腔印模cbct投影数据；s9，计算n次扫描的口腔印模cbct投影数据的平均cbct投影数
据；s10，根据所述平均cbct投影数据获取口腔印模图像。
8.根据本发明的一个实施例，在根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m之前，还包括：控制所述口腔印模垂直放置在口腔cbct系统的牙托上；将所述cbct系统的扫描使用的电压、电流和曝光时间设置成系统允许的最大值；将所述cbct系统的探测器扫描模式设置成像素单元最小的模式。
9.根据本发明的一个实施例，在根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m之前，还包括：控制所述口腔cbct系统的旋转中心移动至所述口腔印模的中心；控制所述x射线光源移向口腔印模中心；通过口腔cbct系统中旋转臂上的伸缩臂移动所述探测器，使所述探测器印模中心的距离为最大值。
10.根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述放大倍数m，包括：其中，r1为x射线光源到口腔印模中心的距离，r2为探测器到印模中心的距离r2。
11.根据本发明的一个实施例，根据以下公式估算所述口腔印模的投影图像的物理尺寸d：d＝m*d；其中，m为所述放大倍数m，d为所述口腔印模的直径。
12.根据本发明的一个实施例，根据以下公式获取探测器上下移动次数nh和左右移动次数nw：nh＝int(d/2h)；nw＝int(d/2w)；其中，int为取整函数，d为所述口腔印模的投影图像的物理尺寸，h为所述探测器的宽高度h，w为所述探测器的宽度。
13.根据本发明的一个实施例，所述第一设定步长的范围为【0.5h，1.5h】，所述第二设定步长的范围为【0.5w，1.5w】，其中，h为所述探测器的宽高度h，w为所述探测器的宽度。
14.根据本发明的一个实施例，所述投影数据进行拼接，包括：对所述投影数据进行重复数据筛除、空隙插值处理。
15.根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述数据采集次数n：n＝max((δ/δ0)2,1)；其中，δ为所述正方形区域内像素值的标准方差，δ0为所述预设标准方差δ0。
16.根据本发明的一个实施例，根据所述平均cbct投影数据获取口腔印模图像，具体包括：对所述平均cbct投影数据进行物理以及几何校正；对校正后的平均cbct投影数据进行图像重建以获取口腔印模的三维图像；对所述三维图像进行降噪处理。
17.本发明的有益效果：
18.本发明可以根据口腔印模的大小，优化每个角度探测器的移动次数，使获取的口腔印模的投影数据更为全面，且通过多次重复扫描获取口腔印模的平均cbct投影数据，可以在提高图像的分辨率的同时，大大减少口腔印模的噪声。
附图说明
19.图1是根据本发明一个实施例的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法的流程图；
20.图2是根据本发明一个实施例的口腔cbct系统的成像原理等效图；
21.图3是根据本发明一个实施例的探测器的移动示意图；
22.图4是根据本发明另一个实施例的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法的流程图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.图1是根据本发明一个实施例的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法的流程图，其中，口腔cbct系统包括：牙托、探测器、x射线光源，牙托用于承载口腔印模，探测器用于探测口腔印模的投影数据，x射线光源用于发出x射线，如图1所示，口腔印模成像方法包括以下步骤：
25.s1，根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m。
26.其中，在本发明的一个实施例中，根据以下公式计算放大倍数m：
[0027][0028]
其中，r1为x射线光源到口腔印模中心的距离，r2为探测器到印模中心的距离r2。
[0029]
具体地，口腔cbct系统的成像原理可以等效为图2所示，其中，1为x射线光源、2为口腔印模、3为探测器，r1、r2可参见图2所示。
[0030]
s2，根据口腔印模的直径为d以及放大倍数m，估算口腔印模的投影图像的物理尺寸d。
[0031]
其中，在本发明的一个实施例中，根据以下公式估算口腔印模的投影图像的物理尺寸d：
[0032]
d＝m*d
[0033]
其中，m为放大倍数m，d为口腔印模的直径。
[0034]
s3，根据口腔印模的投影图像的物理尺寸d、探测器的宽度w和探测器的高度h，获取探测器上下移动次数nh和左右移动次数nw。
[0035]
其中，在本发明的一个实施例中，根据以下公式获取探测器上下移动次数nh和左右移动次数nw：
[0036]
nh＝int(d/2h)；
[0037]nw
＝int(d/2w)；
[0038]
其中，int为取整函数，d为口腔印模的投影图像的物理尺寸，h为探测器的宽高度h，w为探测器的宽度。
[0039]
s4，根据上下移动次数nh以第一设定步长控制探测器上下移动，根据左右移动次数nw以第二设定步长控制探测器左右移动，获取探测器在每个位置上的投影数据，并对投影数据进行拼接，以获取口腔印模的当前角度的cbct投影数据。
[0040]
其中，在本发明的实施例中，第一设定步长的范围可以为【0.5h，1.5h】，第二设定步长的范围可以为【0.5w，1.5w】，其中，h为探测器的宽高度h，w为探测器的宽度。
[0041]
在本发明的实施例中，对投影数据进行拼接，可以包括：对投影数据进行重复数据筛除、空隙插值处理。
[0042]
具体地，根据上下移动次数nh以第一设定步长控制探测器上下移动，根据左右移
动次数nw以第二设定步长控制探测器左右移动时，在不同位置，如图中的a所示，探测器3覆盖的区间可以没有间隔没有重叠；如图3中的b所示，探测器3覆盖的区间也可以有重叠；如图3中的c所示，探测器3覆盖的区间也可以有间隔。
[0043]
s5，控制口腔cbct系统移动至下一扫描角度后，重复步骤s4，直至获取到口腔印模的所有角度的cbct投影数据。
[0044]
具体地，可以通过进行等角度的圆周扫描、螺旋扫描或者其他轨道扫描，采集所有角度的口腔印模的cbct投影数据，即在到达每个扫描角度后，重读步骤s4，获取当前扫描角度的cbct投影数据，直至所有角度扫描完成。
[0045]
s6，根据cbct投影数据选择口腔印模投影图像中的一个正方形区域，并计算正方形区域内像素值的标准方差δ，其中，正方形区域的尺寸为10x10个像素，正方形区域的灰度值分布在预设区间内。
[0046]
s7，根据标准方差δ和预设标准方差δ0计算数据采集次数n。
[0047]
在本发明的一个具体实施例，根据以下公式计算数据采集次数n：
[0048]
n＝max((δ/δ0)2,1)；
[0049]
其中，δ为正方形区域内像素值的标准方差，δ0为预设标准方差δ0，δ0可以通过相关试验得出。
[0050]
也就是说，根据步骤s5中的cbct投影数据，选择口腔印模投影图像中的一个正方形区域，该正方形区域的大小为10x10个像素，且正方形区域的灰度值分布均匀，灰度值需分布在预设区间内，然后计算正方形区域内像素值的标准方差δ，再利用公式n＝max((δ/δ0)2,1)计算需要的数据采集次数n。
[0051]
s8，重复步骤(s4-s6)n次，以获取n次扫描的口腔印模cbct投影数据。
[0052]
即重复执行步骤(s4-s6)n次，每次均可获取一个口腔印模cbct投影数据，总共获取n个口腔印模cbct投影数据。
[0053]
s9，计算n次扫描的口腔印模cbct投影数据的平均cbct投影数据。
[0054]
s10，根据平均cbct投影数据获取口腔印模图像。
[0055]
进一步地，在本发明的一个实施例中的，根据平均cbct投影数据获取口腔印模图像，具体包括：对平均cbct投影数据进行物理以及几何校正；对校正后的平均cbct投影数据进行图像重建以获取口腔印模的三维图像；对三维图像进行降噪处理。
[0056]
也就是说，对采集的平均cbct投影数据进行物理以及几何校正后，利用相关的图像重建方法得到口腔印模的三维高分辨率、低噪声的图像，然后，在得到的口腔印模的三维图像上，利用相关的图像处理工具，在保持分辨率的情况下，进一步对图像进行降噪处理。
[0057]
由此，可以根据口腔印模的大小，优化每个角度探测器的移动次数，使获取的口腔印模的投影数据更为全面，且通过多次重复扫描获取口腔印模的平均cbct投影数据，可以在提高图像的分辨率的同时，大大减少口腔印模的噪声。
[0058]
根据本发明的一个实施例，如图4所示，上述的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法，在根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m之前，还包括：
[0059]
s10，控制口腔印模垂直放置在口腔cbct系统的牙托上。
[0060]
s20，将cbct系统的扫描使用的电压、电流和曝光时间设置成系统允许的最大值。
[0061]
s30，将cbct系统的探测器扫描模式设置成像素单元最小的模式。
[0062]
具体地，将口腔印模垂直摆放在口腔cbct系统的牙托上，这种摆放方式将大大减少x射线和口腔印模相交的长度，从而增加到达探测器上的光子数，降低噪声。将cbct系统的探测器扫描模式设置成1x1模式，也就是像素单元最小模式，充分利用探测器可以达到的最高空间分辨率。
[0063]
根据本发明的一个实施例，如图4所示，上述的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法，在根据x射线光源到口腔印模中心的距离r1和探测器到印模中心的距离r2，计算放大倍数m之前，还包括：
[0064]
s40，控制口腔cbct系统的旋转中心移动至口腔印模的中心。
[0065]
s50，控制x射线光源移向口腔印模中心。
[0066]
s60，通过口腔cbct系统中旋转臂上的伸缩臂移动探测器，使探测器印模中心的距离为最大值。
[0067]
具体地，通过口腔cbct系统中旋转臂上增加的伸缩臂将x射线光源移向口腔印模中心，使得x射线光源到印模中心的距离尽可能的小。另外如图2所示，x射线光源发射出的x射线将覆盖口腔印模至少一半的体积。通过口腔cbct系统中旋转臂上增加的伸缩臂移动探测器，使其远离口腔印模，使得探测器到印模中心的距离尽可能的大，从而可以获得更大的放大倍数，从而获取最高的空间分辨率。
[0068]
综上所述，根据本发明实施例的基于口腔cbct系统的口腔印模成像方法，可以根据口腔印模的大小，优化每个角度探测器的移动次数，使获取的口腔印模的投影数据更为全面，且通过多次重复扫描获取口腔印模的平均cbct投影数据，可以在提高图像的分辨率的同时，大大减少口腔印模的噪声。通过调整x射线光源和探测器到旋转中心的距离，实现口腔印模成像时能得到的最大放大倍数，从而获取最高的空间分辨率，同时控制x射线光源发射出的x射线将覆盖口腔印模至少一半的体积，保证扫描数据的全面性。
[0069]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0070]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0071]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0072]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0073]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0074]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0075]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0076]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。