使用表面扫描信息从三维牙科X射线数据集减少并去除伪影

相关申请

本专利申请要求2010年4月20日提交的题为“使用表面扫描信 息从三维牙科X射线数据集减少并去除伪影（REDUCTION AND  REMOVAL OF ARTIFACTS FROM A THREE-DIMENSIONAL DENTAL X-RAY DATA SET USING SURFACE SCAN  INFORMATION）”的美国临时专利申请No.61/326,031的优先权，所 述美国临时专利申请的全部内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及牙科成像技术。更具体地，本发明涉及使用X射线和 表面扫描两种技术重建患者牙齿的三维图像。

背景技术

X射线技术可以用于使用计算机断层扫描（CT）产生对象的三维 数字表示。然而，金属和其它物体可以反射原本会穿透人体组织的X 射线，并可以被X射线检测器检测到。这种反射可以造成在捕获的数 据集中出现不想要的伪影。这种效应在牙科成像中是特别普遍的，在 牙科成像中诸如金属填料或牙箍的外来物质往往被安装在患者的口 中。

存在一些现有系统，其中简单地说通过“合并”X射线与非X射 线数据，来从X射线数据去除伪影。然而，正如本发明人最了解的， 除了去除或减少伪影之外，这样的系统还去除了显著量的需要的图像 数据。

美国公布No.2010/0124367建议，通过“将X射线数据集与完全 没有金属伪影的颌的光学图像融合……”，可以从X射线数据去除伪 影。然而，没有提供关于如何去除伪影的细节，并且'367公布中公开 的“融合”在合并数据之前使用了需要识别屏幕上的配准点的预先定 位技术或其他手动方式。尽管该预先定位使得合并两组数据的任务基 本上比完全自动的方法更容易，但是该方法需要手动干预。即，X射 线技术人员、牙医、或其他牙科专业人员必须手动操控屏幕上的图像。

美国专利No.6,671,529描述了通过合并患者牙齿的三维CT数据 与激光表面扫描来建立复合颅骨模型的方法。在'529专利中，将牙齿 从CT模型完全去除，并仅利用患者牙齿的表面扫描数据代替。

美国专利No.7,574,025描述了通过患者牙齿的阴印模从三维模型 （诸如CT或MRI）去除伪影的方法。在'025专利中，阴印模是患者牙 齿的铸件。当阴印模被置于患者的口中时，产生第一个模型。使用与 第一个相同的成像技术产生只有阴印模的第二个模型。来自第一个数 字图像的体素被来自第二个数字图像的相应的体素取代，以建立患者 牙齿的没有伪影的模型。

发明内容

从X射线数据去除伪影，而没有去除需要的CT图像数据的显著 部分、取代来自多个X射线的数据、或需要对数据集进行手动预先定 位的改进的方法和系统将是有用的。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于使用CT和表面扫描数 据二者产生包括患者牙齿的三维数字表示的系统。该系统包括X射线 源和用于捕获数个X射线图像的X射线检测器。图像被发送到图像处 理系统，在该图像处理系统中，该图像被用于构建患者牙齿的三维CT 模型。该系统还包括表面扫描器（诸如激光或结构化光扫描系统）， 该表面扫描器捕获表示患者牙齿表面的形状和纹理的数据。表面数据 也被发送到图像处理系统，在图像处理系统中，该表面数据被用于构 建患者牙齿表面的三维模型。然后，图像处理系统将表面模型和CT模 型调整大小和定向，使两个模型具有相同的尺度和取向。

在一些实施例中，然后将表面模型叠加到CT模型上。这是不需 要手动干预即可实现的。然后，该实施例的系统通过检测在CT模型中 的任何延伸超出叠加的表面模型的数据点来检测CT模型中的伪影。延 伸超出表面模型的数据点被认为是伪影，并且图像处理系统从CT模型 去除该伪影数据点。在其他实施例中，处理在CT模型中的任何延伸超 出表面模型的数据点，以确定它们是否为伪影。然后，从CT模型去除 被识别为伪影的经处理的数据点。在一些实施例中，在识别并从CT模 型去除伪影数据点后，然后去除叠加的表面数据，只留下三维CT模型。

在一些实施例中，使表面模型向前投影，以建立与CT投影数据 相同的二维（2D）格式的投影数据。将向前的投影数据与CT投影数 据合并，以识别金属区和牙齿区并允许CT重建从重建的CT图像去除 金属的影响。同样，这也是不需要两组数据相对于彼此的手动预先定 位就可以实现的。

通过考虑详细说明和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1A是示出根据本发明一个实施例的成像系统的组件的方框图。

图1B是图1A的系统中使用的锥形束CT扫描系统的图示。

图2是示出使用图1A的系统从CT模型去除伪影的方法的流程图。

图3是示出使用图1A的系统从CT模型去除伪影的第二种方法的 流程图。

图4是示出使用图1A的系统从CT模型去除伪影的第三种方法的 流程图。

图5是由图1A的X射线检测器捕获的CT数据片的图像。

图6是患者牙齿和颌的具有成像伪影的未经滤除的CT模型的透 视图。

图7是由图1A的表面扫描器捕获的患者牙齿的表面模型的俯视 图。

图8是来自被叠加到图3的CT数据片上的图5的表面模型的平 面轮廓图像。

图9是成像伪影去除后的图4的CT模型的透视图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用 方面并不限于在以下说明中阐述的或在以下附图中示出的构造的细节 和组件的布置。本发明能够具有其他实施例，并能够以各种方式来实 践或执行本发明。

图1A是示出用于从患者牙齿的三维数字CT模型去除伪影的系统 的组件的方框图。该系统也可用于建立患者的颌与其他面部骨骼和组 织的三维数字模型。该系统包括X射线源101和X射线检测器103。X 射线源101被放置成朝患者牙齿投影X射线。X射线检测器103被放 置在患者牙齿的相对侧——在患者的口腔内或者在患者头部的相对 侧。来自X射线源101的X射线被患者的组织不同程度地衰减，并被 X射线检测器103检测到。

X射线检测器103连接到图像处理系统105。通过图像处理系统使 用由X射线检测器103捕获的数据来产生患者牙齿的三维CT模型。 因此，在一个实施例中，X射线源101和X射线检测器103是锥形束 扫描CT系统的一部分，该系统绕着患者的头部旋转来收集X射线图 像数据，如图1B所示。2010年2月4日提交的美国申请No.12/700,028 中描述了一个这样的扫描系统的实例，该申请的全部内容通过参考结 合于此。该'028申请涉及运动校正，但成像组件——安装在可旋转的C 形臂上的传感器和源，适用于本文所描述的技术。

图1A所示的系统还包括表面扫描成像系统107。表面扫描系统107 捕获与患者牙齿的表面纹理、大小、和几何形状有关的数据。然后， 捕获的表面数据被发送到图像处理系统105，在图像处理系统105中， 捕获的表面数据被用于产生患者牙齿的三维表面模型。在一些实施例 中，表面扫描成像系统包括激光收发器系统，诸如包括激光源107A和 激光传感器或数码照相机107B的系统。激光源使激光线扫描过患者牙 齿的表面。传感器或照相机捕获投影线的图像。图像处理系统105分 析当激光线扫描过患者牙齿时，从传感器或照相机的角度看，激光线 的形状是如何变化的。然后，该数据被用于产生患者牙齿的三维表面 模型。

图1A中的图像处理系统105包括处理器109和存储器111，处理 器109用于执行计算机指令，存储器111用于存储从X射线检测器103 和表面扫描系统107发送的指令和数据。在一些实施例中，图像处理 系统包括一个或多个台式计算机运行的图像处理软件。在其他实施例 中，图像处理系统105是为处理从X射线检测器103和表面扫描系统 107接收的图像数据而专门设计的装置。由X射线检测器103和表面 扫描成像系统107捕获的数据以及处理后的体数据被显示在显示器113 上。

图2是示出图1A的系统可以如何用于产生患者牙齿的CT模型并 从患者牙齿的CT模型去除伪影的一种方法的流程图。该系统起始于捕 获患者牙齿的锥形束CT（CBCT）图像数据（步骤201）。这是通过使 X射线源101和X射线检测器103绕着患者头部旋转以收集患者牙齿 的数个X射线图像而完成的。然后，捕获的数据被用于产生患者牙齿 的三维CT模型（步骤203）。表面扫描系统107被用于捕获光学表面 数据（步骤205），然后，图像处理系统105使用该光学表面数据来产 生患者牙齿的三维表面模型（步骤207）。在各种实施例中，可以在捕 获CT图像之前或之后捕获表面数据。类似地，可以在表面扫描系统 107捕获表面数据（步骤205）之前或之后，由图像处理系统处理CT 数据（步骤203）。

在已产生CT模型和表面模型二者之后，图像处理系统105使三 维CT体积模型和三维光学表面模型相关联，以确定两个模型的合适的 尺度和取向。将表面模型叠加到CT模型上，以产生合并数据集（步骤 209）。在一些实施例中，对该系统进行校准，使得捕获的数据包括配 准信息，该配准信息指示捕获数据的位置和角度。在这样的实施例中， 通过使来自CT模型的配准信息与来自表面模型的相应的配准信息相 匹配来确定两个模型的合适的尺度和取向。

在其他实施例中，图像处理系统105使用表面匹配算法来识别两 个模型中相应的物理结构。例如，可以通过识别在两个模型中均出现 的三个或更多个解剖标志，然后旋转、平移和缩放一个模型直至这些 标志之间的差异被最小化到预定的容许偏差内，来实现相应结构的识 别。替代地，可以通过诸如模拟退火的各种公知的最优化技术进行缩 放、旋转和平移来匹配两种模型中的整个表面。两个模型中的许多特 征可以被各自表征并相关联，以确定表面的最佳匹配。根据匹配结构， 图像处理系统105将模型调整大小和定向。

在一些实施例中，可以通过将整个表面模型叠加到整个CT模型 上来执行叠加过程。图像处理系统105还可以包括将CT模型分割成子 体积的各种功能。子体积功能可以用于从CT模型分离单颗牙齿。在图 5-8中，通过每次一颗牙齿地将来自表面模型的数据叠加到CT模型的 子体积上来从CT模型去除由X射线反射材料（诸如金属填料）造成 的伪影。

图5显示了来自患者牙齿的CT模型的单个水平片。可以看到从 患者牙齿303中的结构反射的伪影301。图6显示了完整构建的CT模 型。同样，可以清楚看到伪影301从患者牙齿303延伸出来。这些伪 影301掩盖了CT模型中患者牙齿303的一些表面细节。图7显示了基 于由表面扫描系统107捕获的表面信息而由图像处理系统105产生的 表面模型的一部分。图像处理系统分离表面模型中的水平切面501。该 切面501对应于图5示出的来自CT模型的片。由于表面模型不包含任 何来自患者牙齿内的数据点，因此，切面数据识别出轮廓形状503，该 轮廓形状503对应于患者牙齿在给定的水平面上的外表面。在图8中， 来自切面501的轮廓形状503被叠加到在来自CT模型的片中的相同的 牙齿上。

在将来自表面模型的轮廓数据503叠加到在CT模型片中的相应 的牙齿上之后，图像处理系统105识别在CT模型中的延伸超出轮廓 503的数据点（步骤211）。如果在轮廓形状503之外检测到数据，则 所述系统确定该数据是否为伪影数据。在一些实施例中，在CT模型中 的所有延伸超出轮廓形状503的数据均被假定为或识别为伪影数据， 并从CT模型去除。在其他实施例中，通过滤除或插值算法处理在轮廓 503之外的数据。插值算法检测恰好在轮廓形状503之外的数据中具有 高于阈值的灰度的图像元素。然后，该算法利用与伪影不相关的邻近 的像素对这些识别到的与伪影相关的像素（或数据点）插入数据。图8 示出需要由这样的滤除算法进行分析的恰好在轮廓形状503之外的区 域601。

在已插入、调整、或去除在轮廓形状503之外的CT数据后，图 像处理系统105移动到在同一CT数据片中的另一颗牙齿上。在对每颗 牙齿已作出必要的校正后，图像处理系统105移动到另一张CT数据片。 重复该过程，直到每一张CT数据片中的所有牙齿都已被分析，并已去 除伪影数据。

在分析了CT数据并识别和去除了伪影后，图像处理系统105从 CT数据去除叠加的表面模型和任何轮廓形状（步骤213），并产生伪 影减少的CT模型。如图9所示，已从伪影减少的CT模型中去除伪影， 并且每颗牙齿的表面都是可见的。

用于合并CT数据和光学地得出的表面数据的替代方法如图3所 示。如同在上面图2的方法中，捕获CT数据和光学数据两者（步骤 221、225），并对两者进行处理以产生3D体数据（步骤223、227）。 再次将数据模型相关联并叠加（步骤229）。然后，在被关联后，使在 合并数据集中的两个体数据集二者都向前投影，从而建立一组二维投 影图像（步骤231）。然后，光学地得出的数据被用于识别牙齿表面并 滤除或补偿在图像或帧中的造成伪影的元素（由与图像体积中的金属 相关的散射和束硬化造成）（步骤233），该造成伪影的元素在重建的 图像中导致伪影。在从二维投影图像重建三维模型（步骤235）之前， 滤除处理去除伪影。

合并CT数据和光学地得出的表面数据的第三种方法如图4所示。 在这种情况下，如上所述捕获CT数据和光学数据两者（步骤241、243）。 然而，使光学表面数据向前投影以产生二维投影图像（步骤245）来代 替产生两个三维模型。使来自CT数据的二维图像与该二维投影图像相 关联并叠加（步骤247）。使用由二维光学帧限定的解剖结构从原始 CT数据滤除在重建的图像中导致伪影的造成伪影的元素（步骤249）。 然后根据滤除后的并校正的CT数据帧构建三维CT模型。

因此，除别的之外，本发明提供了用于通过捕获患者牙齿的表面 扫描数据，将该表面扫描数据叠加到CT模型上，并识别、减少、和去 除在表面扫描数据之外的伪影来捕获CT数据、产生CT模型、并从产 生的CT模型去除伪影的系统等。各种特征和优点如所附权利要求所 述。