題目：基于數(shù)字圖像技術(shù)牙種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)算法研究定位：數(shù)字圖像處理技術(shù)（區(qū)分于石膏手工制造，空氣壓膜機(jī)制造

）牙種植：將人工材料制成種植體植入缺牙區(qū)牙槽骨中，作為人工牙根，以此為基礎(chǔ)修復(fù)失牙。導(dǎo)板：即種植體手術(shù)導(dǎo)向模板。經(jīng)過(guò)導(dǎo)向孔深度和方向,形狀確保種植手術(shù)安全，可靠。

醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第1頁(yè)研究意義國(guó)內(nèi)種植市場(chǎng)廣泛需求：最近統(tǒng)計(jì)指出全國(guó)有2.5億缺牙患者,且每年以5%速度遞增；伴隨中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活水平日益提升，對(duì)高品質(zhì)生活質(zhì)量追求必定待用國(guó)人口腔保健意識(shí)增強(qiáng)和口腔保健市場(chǎng)繁榮。當(dāng)前種植手術(shù)對(duì)手術(shù)導(dǎo)板提出要求：

準(zhǔn)確，安全，可靠，術(shù)前虛擬，降低手術(shù)操作難度圖像分割和識(shí)別技術(shù)，三維可視化重建和交互技術(shù)，高精度影像技術(shù)研究與發(fā)展，能夠?yàn)槿祟惿a(chǎn)活動(dòng)提供愈加準(zhǔn)確，可靠，豐富信息，為人類帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，當(dāng)前已成為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域中各學(xué)科學(xué)習(xí)和研究對(duì)象。技術(shù)意義：醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第2頁(yè)國(guó)內(nèi)外研究/技術(shù)發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況和趨勢(shì)

國(guó)外：1987年，Edge首次應(yīng)用模板輔助牙種植體植入。1993年，SimPlant軟件：在Windows界面下完成牙種植術(shù)前設(shè)計(jì)。年，Nobel-Guide軟件：制作出個(gè)體化外科模板。SurgCase：提供三維數(shù)據(jù)，制造個(gè)體化種植體外科導(dǎo)板。歷史悠久，技術(shù)壟斷，缺點(diǎn)國(guó)內(nèi)：國(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化研究及應(yīng)用開發(fā)起步較晚，始于上個(gè)世紀(jì)90年代初，水平相比國(guó)外還有一定差距。當(dāng)前，浙江大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、西北大學(xué)、中科院自動(dòng)化所等均做了大量研究，開發(fā)了一些試驗(yàn)系統(tǒng)。如年中科院自動(dòng)化所開發(fā)3DMED系統(tǒng)，浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室開發(fā)“通用交互可視化環(huán)境”，第三軍醫(yī)大學(xué)“可視人”數(shù)據(jù)及“可視人系統(tǒng)”研究等。

醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第3頁(yè)國(guó)內(nèi)特殊情況

國(guó)外商業(yè)軟件，應(yīng)用于個(gè)體化手術(shù)設(shè)計(jì)和導(dǎo)板制作成本太高，而且長(zhǎng)久處于依賴進(jìn)口產(chǎn)品和技術(shù)不利局面。

進(jìn)入我國(guó)醫(yī)療市場(chǎng)價(jià)格過(guò)于昂貴，超出其實(shí)際價(jià)值：如單個(gè)定位導(dǎo)向模板制造費(fèi)用高達(dá)6000元（尚不包含臨床醫(yī)生完成手術(shù)規(guī)劃勞務(wù)費(fèi)用），而常規(guī)種植手術(shù)全部費(fèi)用為10000元人民幣左右（單顆種植牙，包含材料和手術(shù)費(fèi)用），我國(guó)口腔種植醫(yī)療市場(chǎng)普遍難以接收。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第4頁(yè)研究開發(fā)目標(biāo)

利用計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)中圖像增強(qiáng)，圖像分割，可視化三維建模、三維空間交互操作，開發(fā)一套完整擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)牙種植計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)牙種植術(shù)前骨量及骨形態(tài)全方面分析、個(gè)體化手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)導(dǎo)板及修復(fù)模板制作、手術(shù)模擬和預(yù)測(cè)、即刻修復(fù)及即刻種植等功效，并為這種方法應(yīng)用于顱頜面種植及全身其它部位假體修復(fù)提供研究方向和思緒。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第5頁(yè)科學(xué)研究?jī)?nèi)容1.牙種植計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)架構(gòu)牙種植計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)由兩大模塊組成：牙種植計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模塊；牙種植計(jì)算機(jī)輔助制作（CAM）模塊。2.基于擬合樣條曲線任意方向虛擬切片提取算法研究在三維模型中任意方向切割技術(shù)是為了經(jīng)過(guò)虛擬手術(shù)操作提供愈加準(zhǔn)確定位，全方位，多角度進(jìn)行觀察診療需求，含有虛擬手術(shù)刀作用。3.種植體可視化交互定位技術(shù)研究在重建三維模型內(nèi)對(duì)種植體進(jìn)行移動(dòng)，拉伸，縮放，旋轉(zhuǎn)以及直線或曲線測(cè)量，任意拾取點(diǎn)等操作，能夠更為高效地準(zhǔn)確地對(duì)種植體進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)覽效果，并獲取了相關(guān)模型參數(shù)，還提出了針對(duì)種植體自適應(yīng)調(diào)整算法。4.目標(biāo)區(qū)域增厚處理和導(dǎo)板生成技術(shù)研究手術(shù)導(dǎo)板作為最終信息載體（結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向孔，厚度），將牙種植手術(shù)設(shè)計(jì)思想經(jīng)過(guò)術(shù)中模板準(zhǔn)確與準(zhǔn)確定位和引導(dǎo)賦予實(shí)現(xiàn)。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第6頁(yè)研究方法本課題選取基于OpenGL，可用于三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化、圖像處理三維可視化工具VTK以及MFC開發(fā)框架以搭建研究平臺(tái)。利用圖像增強(qiáng)，圖像分割，圖像識(shí)別等圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)種植體手術(shù)導(dǎo)板，結(jié)合軟件或硬件技術(shù)優(yōu)勢(shì)提升系統(tǒng)性能（可視化交互，三維重建），經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)擬合樣條曲線對(duì)三維模型進(jìn)行多角度自由靈活地切割處理，探討優(yōu)良曲線,曲面擬合算法對(duì)圖像關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行邊緣提取并重建三維手術(shù)導(dǎo)板。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第7頁(yè)技術(shù)路線1.搭建牙種植計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)控制流程描述：經(jīng)過(guò)高精度螺旋CT獲取CT圖片和進(jìn)行必要圖像預(yù)處理，采取加速三維重建技術(shù)構(gòu)建三維模體，依據(jù)用戶選擇針對(duì)模型進(jìn)行各種交互性切割，對(duì)不一樣切割角度圖片觀察和測(cè)量計(jì)算基礎(chǔ)上，定位虛擬種植體方位，尺寸，然后對(duì)種植體周圍目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分割處理，最終對(duì)目標(biāo)區(qū)域三維重建，得到種植體手術(shù)導(dǎo)板。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第8頁(yè)2.基于擬合樣條曲線任意方向虛擬切片提取算法研究擬合樣條曲線：依據(jù)自定義數(shù)量控制點(diǎn)研究擬合光滑可靈活控制樣條曲線。在生成曲線經(jīng)過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn)以拉伸曲線或拖動(dòng)曲線到平面上任意位置。因?yàn)镃ardinal樣條插值能夠在少許手工描繪點(diǎn)間產(chǎn)生大量點(diǎn)，既保持了牙槽骨弓弧線大致形狀特征，同時(shí)讓其過(guò)渡比較平緩，是三次Hermite曲線，使牙槽骨弓弧線含有自然光滑特點(diǎn)，所以本課題探討采取Cardinal樣條曲線構(gòu)建算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該功效。

醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第9頁(yè)種植體交互切割及切片序列提取

在擬合樣條曲線上選擇某一點(diǎn)坐標(biāo)，以該坐標(biāo)為中心獲取該點(diǎn)周圍多張切片序列。針對(duì)Cardinal曲線特征，作采取微分法設(shè)計(jì)。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第10頁(yè)3.種植體可視化交互定位技術(shù)研究種植體設(shè)計(jì)和生成框架圖種植體設(shè)計(jì)路線分成2個(gè)步驟：(1)測(cè)量：首先包括確定切片縮放百分比。同時(shí)經(jīng)過(guò)點(diǎn)間距離測(cè)量操作在顯示切片上丈量種植體初始化長(zhǎng)度，大小等基本參數(shù)。（2）動(dòng)態(tài)調(diào)整：依據(jù)已經(jīng)有參數(shù)創(chuàng)建初始化種植體，并置于三維圖像中，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)，拉伸等操作使種植體放置在理想位置，同時(shí)在不停調(diào)整，響應(yīng)，實(shí)時(shí)顯示中，逐步獲取實(shí)際需要效果。九視圖關(guān)鍵點(diǎn)：確定種植體位置，方向，尺寸醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第11頁(yè)種植體自適應(yīng)調(diào)整算法問(wèn)題分析：在一個(gè)三面封閉形狀不規(guī)則空間區(qū)域中，插放一個(gè)種植體，使種植體位置，方向，尺寸滿足指定約束條件。對(duì)象如右下第一張圖所表示：實(shí)現(xiàn)步驟：基于切割面增加采樣過(guò)程

在九視圖中擬合曲線選擇位于牙種植區(qū)域一點(diǎn)，在曲線一定范圍內(nèi)搜索一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，使從該點(diǎn)所切割圖片中牙洞截面積最大。以該截面出發(fā)經(jīng)過(guò)平面區(qū)域增加算法對(duì)每一個(gè)層面進(jìn)行勾畫。2.計(jì)算種植體初始化半徑

3.種植體放置和參數(shù)調(diào)整醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第12頁(yè)4.目標(biāo)區(qū)域增厚處理和導(dǎo)板生成實(shí)現(xiàn)路線分三個(gè)步驟設(shè)計(jì)：目標(biāo)區(qū)域分割，增厚及生成導(dǎo)板。分割目標(biāo)：如圖所表示分割難點(diǎn)：邊緣不顯著，不確定醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第13頁(yè)分割方法：基于擬合曲線邊緣提取擬合曲線，結(jié)構(gòu)邊緣，進(jìn)行第一次分割，然后再用區(qū)域增加法深入提取目標(biāo)區(qū)域設(shè)計(jì)采樣算法點(diǎn)-圓采樣過(guò)程兩條擬合曲線疊加創(chuàng)造封閉區(qū)域區(qū)域增加法醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第14頁(yè)控制點(diǎn)采樣+最小面積法1.依據(jù)牙齒結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，擬合中心直線。2.在中心直線選取一個(gè)參考點(diǎn)，一該點(diǎn)為中心，在圓周平面內(nèi)發(fā)出射線，掃描當(dāng)前平面區(qū)域。3.掃描射線與白色像素牙齒重合部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)，但任意一個(gè)牙齒掃描時(shí)，L長(zhǎng)度由小到大，再由大到小。于是L對(duì)于角度導(dǎo)數(shù)存在零點(diǎn)，而且從正零轉(zhuǎn)為負(fù)零。取該射線入射點(diǎn)與出射點(diǎn)為內(nèi)外曲線擬合所需采樣點(diǎn)。4.不停提取擬合直線上點(diǎn)進(jìn)行迭代，提取一個(gè)點(diǎn)使從該點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行采樣所擬合兩條曲線所圍成面積最小，此點(diǎn)就是最有采樣點(diǎn)。醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第15頁(yè)基于選擇基準(zhǔn)面空間區(qū)域增加算法首先在目標(biāo)區(qū)域分割操作中，提取一個(gè)已經(jīng)分割感興趣區(qū)域（即目標(biāo)區(qū)域）作為一個(gè)基準(zhǔn)面，在此基準(zhǔn)面上經(jīng)過(guò)區(qū)域增加法進(jìn)行增厚處理。描述以下列圖：醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第16頁(yè)導(dǎo)板生成對(duì)不規(guī)則形狀增厚體進(jìn)行三維重建以生成導(dǎo)板。如圖所表示導(dǎo)板暫時(shí)沒有設(shè)定導(dǎo)向孔，也未經(jīng)平滑處理，只給出一個(gè)初步探索結(jié)果?？臻g區(qū)域增加法-》非光滑醫(yī)學(xué)圖像處置專家講座第17頁(yè)課題特色與創(chuàng)新性

目標(biāo)：開發(fā)一套完整擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)牙種植計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。1.基于擬合樣條曲線任意方向虛擬切片提取算法研究（間接到達(dá)）基于平面和曲面擬合樣條曲線上進(jìn)行切割觀察，比現(xiàn)有商業(yè)軟件提供更為豐富切割功效，而且這種切割方式能夠推廣到其它生物器官切割處理