虚拟牙种植导航系统研究与开发

虚拟牙种植导航系统研究与开发
梁英蓬;唐平;陈松龄;江小平;李芳;夏迁
【摘要】In view of the traditional planting methods are prone to implant malposition and virtual design operation difficult to transfer problems,this paper designs a VTK visualization class library to realize new 3Dvirtual tooth planting navigation system based on CT image. Then,the doctor can refer to implant in the system and adjacent tooth and tooth
structure,carries on the virtual implants implanted position, size,Angle of design.The generation method of registration and fusion implant guide.The experimental results show that the system can truly reproduced picture of teeth and jaws,accurately the virtual operation into actual operation,improve the effect of dental implant.%针对传统种植方法容易产生植入位置不正和虚拟设计手术难转移问题，文章设计一种基于 VTK 可视化类库实现新型的 CT 图像三维虚拟牙种植导航系统；通过对能提供详细软组织，植入区牙颌骨及相邻解剖结构的 CT 数据进行预处理，三维重建，三维切割与测量；医生能在此系统中参考种植体、邻牙及相关牙骨结构，进行虚拟种植体植入位置、尺寸、角度的设计并通过配准融合的方法生成种植导航导板；实验结果表明：该系统能真实直观地再现牙颌骨全貌，准确地把虚拟手术转化到实际手术中，提高了牙种植修复效果。

【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P254-256,260)
【关键词】三维重建;虚拟切割;虚拟种植;配准;种植导板
【作者】梁英蓬;唐平;陈松龄;江小平;李芳;夏迁
【作者单位】广东工业大学自动化学院，广州510006;广东工业大学自动化学院，广州 510006;中山大学附属第一医院口腔科，广州 510120;广东工业大学医院，
广州 510006;广东工业大学自动化学院，广州 510006;广东工业大学自动化学院，广州 510006
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
0 引言
如何在种植手术前对缺损区域合理分析骨质情况和骨骼三维结构，确定合理牙种植位置、角度和深度，规划可行的手术方案是口腔牙种植手术难点所在［1］。

传统种植牙手术，医生凭借丰富的临床经验分析牙齿周围骨质以及下颌神经位置，从而确定牙种植植入位置、方向和深度。

这种“开放－观察”手术种植体选择、种植
位置和角度稍有失误都有可能导致牙颌种植手术的失败或造成窦腔穿孔、神经损伤等并发症［2］。

传统牙种植模板由于无法获得牙缺失部位牙槽骨的相关信息，在石膏模型上手工制作自凝塑料和热凝塑料模板在引导种植体植入的过程中，往往易造成诸如牙槽骨侧壁穿孔、种植体植入位置、方向欠佳等问题，无法直观、真实地再现颌骨组织本来面貌［3］。

高德龙等人关于三维数字牙颌模型的研制，口腔医学进入精确测量分析阶段［4］，其局限是得不到CT口腔全貌和内部细节信息。

基于VTK三维可视化技术，充分
利用CT提供的图像信息，直观地显示肉眼无法看到或被遮挡住的口腔组织，使医
生在术前对患部进行深入观察、测量和分析，精确的制定手术方案。

术中结合三维可视化技术、空间配准技术和导板技术，不再是仅靠医生在大脑中“重构”患部
空间结构来实施手术［5］。

1 总体架构设计
根据系统需求分析，虚拟牙种植导航系统设计框架图如图1所示，主要具备如下
功能。

1）图像预处理模块：读入DICOM格式CT原始数据，图像过滤和插值。

2）三维重建模块：能够分割颌骨与软组织。

根据术前手术规划的需要，选择面绘制算法或体绘制算法重建三维模型。

3）三维显示模块：可任意切割提取剖分面。

通过人机交互方式任意切割和旋转移动三维模型，能任意移动、缩放2D视图，并能在2D/3D视图进行几何测量。

4）虚拟种植模块：医生根据三维视图和剖分面，设计并检测虚拟牙种植设计方案。

在可视化环境中，对种植体的位置、角度和深度进行调整，检测种植体与牙槽神经管的距离以及与相邻种植体碰撞检测。

5）微创牙种植导向模板：具备Delaunay重建激光扫描的石膏模型功能，能配准Delaunay模型和CT重建模型，能对导板进行抽壳拔模设计，并生成并保存STL
格式导板的点云数据。

2 技术实现
2.1 CT预处理模块
2.1.1 CT图像中值滤波
从中山大学附属第三医院获得口腔模型CT图像。

为了抑制因CT设备自身系统及
周围环境的影响导致图像在制作过程中噪声和失真情况，因此需要在保证图像质量不受损失前提尽可能增强图像特征，提高信噪比。

目前广泛应用的滤波算法有高通滤波法、中值滤波法、领域平均法等。

本文利用VTK平台提供中值滤波
vktImageMedian3D类库进行降噪去杂。

图1 虚拟牙种植导航系统
2.1.2 CT图像灰度插值
由于螺旋CT扫描设备扫描相邻断层图像间距明显大于CT图像内相邻像素的间距，因此直接三维重建的模型与实际口腔组织结构相比失真严重。

因此需要在断层CT
图像之间插入多张以原始断层图像相似的层片，通过渐近过程插片弥补CT断层间图像信息缺失，从而将某些关键部分进行同性处理，获得二维断层图像的三维结构数据［6］。

目前，waveletbased插值、shape－based插值和grey－based插值是常用医学图像插值方法。

基于虚拟牙种植系统着重于三维重建实体内部信息详实，在综合考虑算法速度、实现难度等因素，本文采用Lagrange插值的灰度插值方法。

Lagrange插值是多项式插值方法，N－1阶的Lagrange插值函数定义为：
式中：n∈ ｛－N/2，－N/2＋1，…N/2｝，i＝j＝N/2＋1。

本文取N＝5的Lagrange函数：
2.2 牙颌三维重建模块
三维可视化是通过对二维DICOM格式的CT序列图像进行三维重建，还原被检物体的三维结构。

传统上，医生借鉴主观想象和临床经验，对二维CT图像通过想象还原患者的三维结构，缺乏准确性和直观性。

本系统通过表面绘制算法和体绘制算法，大大加强三维重建的临床实用性。

2.2.1 牙颌面绘制模型
面绘制算法首先通过构造几何图元在三维数据场中等值面轨迹，然后根据给定的阈值几何要素，并通过光照模型计算绘制出显示图像。

面绘制提取特定阈值的表面轮廓，产生质量较高等值面，重建生成速度快，有效提高虚拟手术设计的实时性，但
只抽取三维数据场的等值面，不能真实有效地反映三维数据场的内部细节特征［3］。

以下是通过vtkMarchingCubes类库实现的核心代码：
2.2.2 牙颌体绘制模型
区别于面绘制算法体绘制直接处理三维数据每个细节进行绘制，重建模型质量较高，但其巨大运算对硬件要求较高。

RC算法是体绘制中经典算法，其基本思路为：平面每个像素沿视线方向发射光线进入三维数据场，在光线路径上通过报告会获取各个采样点的不透明度值和灰度值，最后通过图像合成得到高质量的绘制图像［7］。

其核心代码如下，实验结果如图2所示。

图2 基于VTK平台体绘制
2.3 颅骨受植区域剖分测量模型
CT设备扫描生成的断层图像一般是通过扫描某一固定方向而得，而在虚拟种植术
前规划中，医学需要植入点的冠状面、矢状面和水平面，显然现有设备断层图像难以满足术前手术规则要求。

因此如何在CT三维重建后获取任意植入位置截面图像信息具有重要意义。

2.3.1 线性插值重采样
对于三维体数据场空间若要获得高质量的剖面图像就必须对截面进行体数据重采样，采样点值是通过体数据单元插值计算得出。

本文采用连续性和平滑性较好的三次线性插值算法实现剖面断层像素点的重采样。

2.3.2 受植区域虚拟切割
在三维重建的基础上，为了更好的适应临床诊断的需要，利用VTK的vtkImagePlaneWidge类库、vtkImplicitPlaneWidge类库和vtkBoxWidge类
库对颅骨受植区域进行虚拟切割。

通过选择不同的切割模式，医生能获得患者种植
区域关键信息，从而设计和检验牙种植手术的方案。

VTK三维可视化虚拟切割的流程如图3所示。

图3 VTK虚拟切割的流程
（1）vtkImagePlaneWidge类实现虚拟切割
在口腔日常诊断中，冠状面、矢状面和水平面剖面为医生规划手术提供极其重要的信息。

借助vtkImagePlaneWidge类库解决由于医学成像设备沿单一方向成像问题，实现3个方向虚拟切割与提取。

vtkImagePlaneWidge的关键代码如下：
（2）vtkImplicitPlaneWidge类库实现虚拟切割
vtkImplicitPlaneWidge类库能实现对重建模型进行任意剖面虚拟切割，但它要求切割的平面必需包含在有界立方体中。

通过vtkImplicitPlaneWidge类库我们能在VTK平台实现三维体数据场不规则虚拟切割。

（3）vtkBoxWidge类库实现虚拟切割
vtkBoxWidge类库是用立方体对三维模型进行虚拟切割，能将立体之外的模型部分切割，只保留体内的三维场数据。

从本质上，vtkBoxWidge类库是具有复杂多面任意切割的模型，立体每个表面都具有切割功能。

2.3.3 受植区域种植测量
三维测量首先要解决的问题是如何根据屏幕二维坐标点转换为用户所需的三维模型的坐标点，并同时把拾取的坐标点转换为世界坐标［6］。

VTKCellpicker是VTK封装针刺取点算法实现三维体素拾取的类库。

这类库是通过Addobserver方法捕捉鼠标与屏幕交互的消息事件。

通过IsSelect（）成员方法判断是否与屏幕三维物体存在交点，如果相交返回所拾取点的数据属性，通过GetPCoords（）方法返回拾取点在世坐标系的空间坐标。

利用两点距离公式，角度公式计算两点直接距离，倾斜角。

直线距离公式如下：实验结果如图4所示。

图4 基于VTK三维交互测量
2.4 虚拟种植和导板设计模块
2.4.1 虚拟牙种植体设计
通过断层CT图像的三维重建和任意剖分模块，实现虚拟术前观察和手术规划，并通过测量辅助系统确定种植体的植入位置、角度和深度的大小。

以圆柱体充当种植体放回重建模块，并利用剖分功能检测种植体的位置、角度和深度是否合理。

2.4.2 牙种植导航导板生成
针对传统外科导板制作的多道人工处理步骤和精确度严重不足问题［6］和CT图像不能完全呈现牙颌特征，特别是口腔黏膜表面形状特征的缺陷［7］，本文通过基于法向特征曲面的ICP算法配准融合CT重建模型和牙颌的点云数据模型，解决CT数据对牙颌结构信息表现不佳的问题。

然后通过选取最佳部位作为导板与口腔配合面，并对导板进行抽壳拔模设计，最后生成STL格式的点云数据，利用快速成型技术生成实体种植导板。

（1）Delaunay算法重建牙颌点云数据
通过vtkDelaunay3D类库实现Delaunay三角网络重建。

vtkDelaunay3D类库的核心代码如下：
（2）配准融合CT重建模型和Delaunay模型
众所周知，目前常用高精度CT数据的层厚仅在0.5mm左右，因此，经三维重建牙颌模型远不够精确［5］。

采用图像配准技术，将激光扫描石膏模型点云数据叠加到CT模型，融合CT重建模型形成一个综合的三维模型。

通过先将激光点云数据进行Delaunay重建，有利于提高配准融合的效率。

图5是配准融合流程图：图5 配准融合流程图
（3）选取导板配合面并抽壳拔模
配准结束后，得到精确的综合牙颌表面结构信息，根据每个患者实际的特征，选取适当相连的部分作为口腔牙颌表面与虚拟导航模板的配合面。

通过提取三维模型表面三角片的顶点坐标进行抽壳，把薄壁空腔作为导航导板的配合面，实现导航导板配合面与三维牙颌模型分离。

由于种植区两侧存在明显凹凸表面，通过拉伸覆盖内凹的部分，构成具有拔模结构设计的导板。

3 实验结果与评价
实验采用中山大学附属第三医院提供格式为DICOM的口腔序列图像数据，在微机上结合Visual Studio 2005和VTK三维可视化图像库，实现CT图像的三维重建、空间配准和导航导板的可视化。

图6是系统软件切割模块结果，实验结果表明，利用VTK强大的可视化功能，能有效地提取口腔牙颌图像信息，显示效果较好。

医生可以任意视角观察三维模型，方便地设计和检验牙种植手术方案，并能通过牙种植导航导板模型精确把虚拟手术转移到实际手术中。

图6 系统软件切割模块
CT技术与三维可视化技术相结合，实现了术前虚拟现实，使医生充分地了解颌骨的结构形态和解剖信息。

借助VTK可视化的虚拟切割和测量技术设计并验证虚拟牙种植手术方案，从而精确确定牙种植的位置、方向和角度，并通过配准融合点云数据提高导航导板的精确性和稳定性，实现微创手术精确转移。

虚拟牙种植导航系统具有以下的优势：①手术部位深层可视化；②手术测量定位精确化；③术前虚拟手术模拟；④外科手术微创化；⑤虚拟现实精确转移。

由于体绘制重建和配准Delaunay模型相对耗时，系统的实时性有待提高。

【相关文献】
［1］黄玉峰.计算机辅助的义耳种植手术规划系统的研究［D］.上海：上海交通大学，2008. ［2］张兴，黄远亮.计算机辅助系统在颅颌面种植中的应用［J］.口腔颌面外科杂志，2005，（1）：109－111.
［3］林泽明，何炳蔚，陈江，等.基于配准技术的微创牙种植导向模板的制作方法及应用［J］.华西口腔医学杂志，2012，30（4）：402－406.
［4］高德龙，杨向红，朱黎军，等.三维数字牙颌模型的研制［J］.计算机测量与控制，2007，15（5）：627－628.
［5］陈晓军.“数学医学”的若干关键技术研究—医学图像处理、计算机辅助手术规划、个性化医疗辅助CAD/CAM、与手术导航［D］.上海：上海交通大学，2008.
［6］吴轶群，张志愿，陈晓军，等.口腔种植计算机术前规划系统的建立与应用［J］.中国口腔颌面外科杂志，2008，（4）：255－260.
［7］黄玉峰.义牙种植定位导向系统的研究与开［D］.济南：山东大学，2011.。