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基于非刚性配准算法的上颌骨复合体三维数据自动定点研究

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中华口腔医学杂志 2023年第6期58卷 554-560页

作者：高梓翔王晶温奥楠朱玉佳秦庆钊王勇赵一姣北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心、口腔修复教研室、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心、国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心、口腔数字医学北京市重点实验室北京、100081 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔颌面外科、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床医学研究中心、口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心、口腔数字医学北京市重点实验室北京、100081

目的探索上颌骨复合体三维数据解剖标志点的自动定点方法,并初步评价其可重复性与准确性。方法从2021年6月至2022年12月就诊于北京大学口腔医学院·口腔医院口腔颌面外科的口腔疾病患者螺旋CT资料中,选取31例颅颌面骨骼形态大致正常者... 详细信息

目的探索上颌骨复合体三维数据解剖标志点的自动定点方法,并初步评价其可重复性与准确性。方法从2021年6月至2022年12月就诊于北京大学口腔医学院·口腔医院口腔颌面外科的口腔疾病患者螺旋CT资料中,选取31例颅颌面骨骼形态大致正常者的螺旋CT资料,其中男性15例,女性16例,年龄(33.3±8.3)岁,通过Mimics软件对上颌骨复合体进行三维重建,通过Geomagic软件对上颌骨复合体三维数据进行网格优化。由2名主治医师和1名副主任医师对31例上颌骨复合体数据进行人工定点,确定24个解剖标志点,取3人定点均值作为专家定点结果。选择其中1例符合健康人颅颌面骨骼三维形态平均特征的上颌骨复合体数据作为模板数据,其余30例作为目标数据。采用MeshMonk开源程序(一种非刚性配准算法)将模板数据与目标数据基于4个标志点(鼻根点、左右颧弓最突点、前鼻棘点)进行初对齐,再将模板数据基于非刚性配准算法变形为目标数据的形状,得到变形后模板数据,基于模板数据变形前后同名标志点的索引不变特性,自动检索变形后模板数据各标志点坐标,以此作为目标数据同名标志点自动定点坐标,也即完成自动定点过程。30例目标数据的自动定点过程重复3次。计算变形后模板数据与目标数据的稠密对应点对(约25000对)的三维偏差[均方根距离(root-mean-square distance,RMSD)],作为非刚性配准算法的变形误差,并分析非刚性配准算法3次变形误差的组内相关系数(intra-class correlation coefficient,ICC);计算24个解剖标志点自动定点结果与专家定点结果的直线距离作为自动定点误差,并分析3次自动定点三维坐标的ICC值。结果30例变形后模板数据与对应目标数据的三维偏差(RMSD)为(0.70±0.09)mm,非刚性配准算法3次变形误差的ICC值为1.00。24个解剖标志点自动定点误差为(1.86±0.30)mm,前鼻棘点自动定点误差最小,为(0.65±0.24)mm;左眶下缘点自动定点误差最大,为(3.27±2.28)mm;3次自动定点三维坐标ICC值均为1.00。结论本项研究建立了一种基于非刚性配准算法的上颌骨复合体三维数据自动定点方法,该方法应用于正常形态上颌骨复合体三维数据定点的准确性与可重复性较好。

关键词：人工智能上颌骨测颅法成像,三维解剖标志点非刚性配准

儿童乳磨牙非金属冠设计及关键参数的三维有限元分析

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中华口腔医学杂志 2022年第3期57卷 242-250页

作者：唐忠旺石伟华夏斌杨婧懿赵一姣王媛媛北京大学口腔医学院·口腔医院儿童口腔科国家口腔医学中心国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心口腔数字医学北京市重点实验室北京100081 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心口腔修复教研室国家口腔医学中心国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心口腔数字医学北京市重点实验室北京100081

目的通过有限元法探索乳磨牙非金属冠制作的关键参数,为乳磨牙非金属冠的临床应用提供参考。方法构建下颌第二乳磨牙三维模型;限定牙冠厚度为0.5 mm,设计无角肩台解剖式、无角肩台非解剖式、刃状边缘解剖式、刃状边缘非解剖式4种牙冠形... 详细信息

目的通过有限元法探索乳磨牙非金属冠制作的关键参数,为乳磨牙非金属冠的临床应用提供参考。方法构建下颌第二乳磨牙三维模型;限定牙冠厚度为0.5 mm,设计无角肩台解剖式、无角肩台非解剖式、刃状边缘解剖式、刃状边缘非解剖式4种牙冠形态;对无角肩台非解剖式牙冠设计0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm 5种牙冠厚度,对牙冠分别赋予聚醚酮酮(polyetherketoneketone,PEKK)(PEKK组)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)树脂(PMMA组)和树脂浸润陶瓷(树脂浸润陶瓷组)3种不同材料,模拟垂直及倾斜加载,对模型各组件进行应力及疲劳分析;将上述0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm 5种厚度的无角肩台非解剖式牙冠的材料赋予为PMMA树脂,模拟牙冠旋转脱位,对不同厚度的无角肩台非解剖式牙冠进行非轴向固位分析。结果构建下颌第二乳磨牙有限元模型后,静力及疲劳分析显示无角肩台非解剖式牙冠及粘接剂层的von Mises应力峰值最小,安全系数最高。对比不同材料,树脂浸润陶瓷组在牙冠颊侧边缘出现明显的应力集中,PEKK组粘接剂层出现应力集中。非轴向固位分析显示0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 mm 5种厚度的牙冠在转动相同角度时需要的扭矩大小分别为4856.1、4038.1、3497.3、3256.3及3074.3 N⋅m,各组粘接剂断裂面积大小:0.50 mm组<0.75 mm组<1.00 mm组<1.25 mm组<1.50 mm组。结论乳磨牙非金属冠的设计中,冠的边缘设计建议为无角肩台,内冠形态为非解剖式,面最小预备量为1.00 mm,制作材料建议采用与牙本质及粘接剂弹性模量接近且各项测评性能较稳定的PMMA树脂材料。

关键词：牙,乳牙修复体非金属材料有限元分析牙应力分析

基于点云处理网络的三维颜面正中矢状面预测模型

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山东大学学报(工学版) 2023年

作者：刘真光朱玉佳王勇傅湘玲赵一姣陈晋鹏北京邮电大学计算机学院(国家示范性软件学院) 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心国家口腔医学中心可信分布式计算与服务教育部重点实验室(北京邮电大学)

设计一种基于点云处理网络的三维颜面正中矢状面预测模型(facial midsagittal plane prediction network,FSPNet),实现三维颜面正中矢状面端到端自动化预测。FSPNet模型以三维颜面点云数据为输入,利用点云处理网络提升数据处理效率。它... 详细信息

设计一种基于点云处理网络的三维颜面正中矢状面预测模型(facial midsagittal plane prediction network,FSPNet),实现三维颜面正中矢状面端到端自动化预测。FSPNet模型以三维颜面点云数据为输入,利用点云处理网络提升数据处理效率。它包含3个模块:全局特征编码模块从点云整体结构提取全局特征;局部特征编码模块从点云局部空间结构提取局部特征;正中矢状面预测模块聚合全局特征和局部特征,输出正中矢状面平面参数。借助点云编码模块,模型能够从不同角度充分挖掘颜面点云数据空间信息,实现点云特征全面提取。在真实颜面数据集上的试验结果表明,FSPNet模型具有优秀的性能。其点云编码模块能够准确提取颜面点云特征,模型预测效果明显优于临床广泛使用的迭代最近点关联法,充分验证了FSPNet模型的有效性。

关键词：颜面正中矢状面点云处理网络平面预测端到端框架三维颜面数据

基于三维人脸模板的颜面解剖标志点自动定点方法初探

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中华口腔医学杂志 2022年第4期57卷 358-365页

作者：温奥楠朱玉佳郑盛文萧宁高梓翔傅湘玲王勇赵一姣北京大学医学部医学技术研究院北京100191 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心口腔修复教研室国家口腔医学中心国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心口腔数字医学北京市重点实验室北京100081 北京邮电大学计算机学院国家示范性软件学院可信分布式计算与服务教育部重点实验室北京100876

目的探讨建立一种高效、自动确定三维数据颜面解剖标志点(简称标志点)的方法,并对该方法的定点效果进行初步评价。方法选取2021年6至8月于北京大学口腔医学院·口腔医院修复科就诊的牙体缺损或缺失男性患者(面部对称性良好)30例,年龄18... 详细信息

目的探讨建立一种高效、自动确定三维数据颜面解剖标志点(简称标志点)的方法,并对该方法的定点效果进行初步评价。方法选取2021年6至8月于北京大学口腔医学院·口腔医院修复科就诊的牙体缺损或缺失男性患者(面部对称性良好)30例,年龄18~45岁;采集患者三维颜面数据,基于普氏分析算法进行尺寸归一化和重叠对齐。在Geomagic Studio 2013软件中构建三维人脸平均模型,并通过参数化处理构建三维人脸模板,使用MeshLab 2020软件在其上确定32个标志点序号(10个中线标志点和22个双侧标志点)。选取2021年6至8月于北京大学口腔医学院·口腔医院正畸科或口腔颌面外科就诊的下颌无偏斜和下颌轻度偏斜男性患者各5例,获取患者三维颜面数据作为测试数据,基于三维人脸模板及其标志点序号,借助MeshMonk非刚性配准算法程序自动确定测试数据32个标志点坐标,作为模板法定点数据。由同一名主治医师人工确定测试数据32个标志点位置,记录标志点坐标作为专家法定点数据。计算模板法与专家法标志点距离,作为定点误差,评价模板法的定点效果。结果对于5例下颌无偏斜患者,模板法所有标志点的定点误差为(1.65±1.19)mm,其中中线标志点的定点误差为(1.19±0.45)mm,双侧标志点的定点误差为(1.85±1.33)mm。对于5例下颌轻度偏斜患者,模板法所有标志点的定点误差为(2.55±2.22)mm,其中中线标志点的定点误差为(1.85±1.13)mm,双侧标志点的定点误差为(2.87±2.45)mm。结论本项研究提出的通过三维人脸模板自动确定标志点的方法具有一定的可行性,其对中线标志点的定点效果优于双侧标志点,对下颌无偏斜患者标志点的定点效果优于下颌轻度偏斜患者。

关键词：计算机辅助设计美学,牙科面部成像,三维解剖标志点三维人脸模板

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5种椅旁三维颜面扫描技术正确度的初步评价

北京大学学报（医学版） 2023年第2期55卷 343-350页

作者：温奥楠刘微柳大为朱玉佳萧宁王勇赵一姣北京大学医学部医学技术研究院北京100191 北京大学口腔医学院·口腔医院数字化研究中心国家口腔医学中心国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心口腔数字医学北京市重点实验室国家卫生健康委员会口腔医学计算机应用工程技术研究中心国家药品监督管理局口腔材料重点实验室北京100081 银川市口腔医院银川750004 北京大学口腔医学院·口腔医院正畸科北京100081

目的:量化评价5种椅旁三维颜面扫描技术的正确度,为口腔临床诊疗应用提供参考。方法:使用传统专业型三维颜面扫描仪Face Scan采集受试者三维颜面数据,作为本研究的参考数据。分别使用4种便携式三维颜面扫描仪(Space Spider、LEO、EVA和D... 详细信息

目的:量化评价5种椅旁三维颜面扫描技术的正确度,为口腔临床诊疗应用提供参考。方法:使用传统专业型三维颜面扫描仪Face Scan采集受试者三维颜面数据,作为本研究的参考数据。分别使用4种便携式三维颜面扫描仪(Space Spider、LEO、EVA和DS-FScan)及iPhoneⅩ手机(Bellus3D颜面扫描APP),采集受试者三维颜面数据。在Geomagic Studio 2013中通过数据配准、偏差分析等功能计算上述5种椅旁三维颜面扫描技术的整体三维偏差和面部分区三维偏差,评价其正确度的表现。扫描过程中同时记录扫描时间,并对受试者舒适度采用视觉模拟评分法(visual analogue scale,VAS)进行评分,评价5种三维颜面扫描技术的扫描效率和患者接受度。结果:测试数据与参考数据间平均整体和平均分区三维偏差最小者均为DS-FScan(分别为0.334 mm和0.329 mm),最大者均为iPhoneⅩ手机(分别为0.483 mm和0.497 mm)。Space Spider获取的三维颜面数据的细节特征表现力最好。扫描效率最高和受试者接受度最高者均为iPhoneⅩ手机,平均扫描时间为14 s,受试者扫描舒适度的VAS评分为9分。结论:5种椅旁三维颜面扫描技术中,4种便携式设备的扫描数据正确度没有显著差异,均优于iPhoneⅩ手机的扫描数据,iPhoneⅩ扫描技术的受试者体验最好。

关键词：面部三维成像计算机辅助图像处理

基于三维下颌骨平均模型的颌骨标志点自动确定方法

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北京大学学报（医学版） 2023年第1期55卷 174-180页

作者：高梓翔王勇温奥楠朱玉佳秦庆钊张昀王晶赵一姣北京大学医学部医学技术研究院北京100191 北京大学口腔医学院·口腔医院数字化研究中心国家口腔医学中心国家口腔疾病临床医学研究中心口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心口腔数字医学北京市重点实验室国家卫生健康委员会口腔医学计算机应用工程技术研究中心北京100081 兰州市口腔医院兰州730031 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔颌面外科北京100081

目的:探索一种高效、自动确定三维下颌骨数据解剖标志点的方法,并对该方法的定点效果进行初步评价。方法:选取40例颅颌面三维形态正常患者的CT数据(其中30例用来建立三维下颌骨平均模型,10例作为测试本研究方法确定下颌骨标志点效果的... 详细信息

目的:探索一种高效、自动确定三维下颌骨数据解剖标志点的方法,并对该方法的定点效果进行初步评价。方法:选取40例颅颌面三维形态正常患者的CT数据(其中30例用来建立三维下颌骨平均模型,10例作为测试本研究方法确定下颌骨标志点效果的测试数据),将数据导入到Mimics软件中进行下颌骨三维重建。在这40例三维重建后的下颌骨数据中,选取与中国人下颌骨特征均值更为接近的30例,在MATLAB软件中基于普氏分析(Procrustes analysis)算法对此30例下颌骨数据进行尺寸归一化处理,并在Geomagic Wrap软件中,构建上述30例下颌骨数据的三维平均形状模型,通过对称化处理、曲率采样、索引标记等过程,构建出具有18996个类标志点和19个下颌骨解剖标志点索引的三维下颌骨结构化模板。应用开源非刚性配准算法程序Meshmonk,将上述构建的三维下颌骨模板通过非刚性变形与患者三维下颌骨数据进行匹配,获得患者三维下颌骨数据的19个解剖标志点位置。与口腔专家手动标注的标志点位置误差(定点误差)进行比较,评价本方法的准确性。结果:将本研究方法应用于10例无显著下颌骨形态畸形患者数据,19个标志点的平均定点误差为1.42 mm,其中最小和最大误差分别为喙突顶点[右:(1.01±0.44)mm;左:(0.56±0.14)mm]和下颌升支前缘点[右:(2.52±0.95)mm;左:(2.57±1.10)mm],中线点平均定点误差为(1.15±0.60)mm,双侧点平均定点误差为(1.51±0.67)mm。结论:基于三维下颌骨平均模型和非刚性配准算法的三维下颌骨解剖标志点自动确定方法,可有效提高三维下颌骨数据特征自动标注的效率,其对无显著畸形下颌骨数据解剖标志点的自动确定效果可基本满足口腔临床应用的需求,对畸形下颌骨数据的标注效果有待进一步测试。

关键词：下颌骨成像三维解剖标志结构模型

基于深度学习点云配准的三维颜面正中矢状面构建算法研究

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中华口腔医学杂志 2023年第11期58卷 1178-1183页

作者：朱玉佳刘真光温奥楠高梓翔秦庆钊傅湘玲王勇陈晋鹏赵一姣北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心、口腔修复教研室、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床医学研究中心、口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心、国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心、口腔数字医学北京市重点实验室北京100081 北京邮电大学计算机学院、北京邮电大学可信分布式计算与服务教育部重点实验室北京100876

目的基于可变图结构配准网络(DGRNet)模型,建立一种可实现三维点云智能配准的本体-镜像关联深度学习算法,以实现三维颜面正中矢状面的自动化构建,为口腔临床数字化设计与分析提供参考。方法收集200例2020年10月至2022年10月就诊于北京... 详细信息

目的基于可变图结构配准网络(DGRNet)模型,建立一种可实现三维点云智能配准的本体-镜像关联深度学习算法,以实现三维颜面正中矢状面的自动化构建,为口腔临床数字化设计与分析提供参考。方法收集200例2020年10月至2022年10月就诊于北京大学口腔医学院·口腔医院修复科、正颌外科和口腔正畸科的无明显颜面畸形的牙体缺损或缺失或错畸形患者的三维颜面数据。通过数据增强(平移和旋转)的方式获得1200例三维颜面数据,分为训练集(800例)、验证集(200例)、测试集(200例),用于DGRNet模型训练与测试。DGRNet模型包含构造本体与镜像点云中关键点的特征向量、基于特征向量获取本体和镜像点云中关键点的对应关系,并通过奇异值分解计算旋转矩阵和平移矩阵。基于DGRNet模型实现本体点云与镜像点云的智能配准,获得本体-镜像联合点云,并采用主成分分析算法获得DGRNet模型正中矢状面。基于决定系数R 2指标对测试集平移及旋转矩阵进行模型评价,以迭代最近点(ICP)算法构建的三维颜面正中矢状面作为真值。选择上述200例临床患者中的50例数据,对DGRNet模型与ICP算法构建的三维颜面正中矢状面进行角度误差评价。结果基于200例三维颜面数据测试DGRNet模型旋转矩阵R 2为0.90,平移矩阵R 2为0.94。构建50例三维颜面数据正中矢状面共用时3 s,DGRNet模型与ICP算法构建的三维颜面正中矢状面角度误差为1.05°±0.56°,最小误差为0.13°,1.50°以内的准确率为78%(39/50),2.00°以内的准确率为90%(45/50)。结论本项研究提出的基于三维点云智能配准的DGRNet模型可构建三维颜面正中矢状面,并在一定程度上提升诊疗效率和效果。

关键词：人工智能口腔医学图像处理,计算机辅助面部深度学习正中矢状面

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从工程技术角度谈口腔医学椅旁数字化技术

中华口腔医学杂志 2018年第4期53卷 230-235页

作者：赵一姣王勇北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心口腔修复教研室口腔疾病国家临床研究中心口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心口腔数字医学北京市重点实验室 100081

近年随着口腔医学数字化技术的快速发展，椅旁数字化技术的应用范围、应用模式、技术特点和技术内涵也随之发展和变化，开放的组合式系统逐渐替代传统封闭式系统，应用范围也不再局限于椅旁修复，拓展延伸至各种椅旁数字化辅助治疗技术... 详细信息

近年随着口腔医学数字化技术的快速发展，椅旁数字化技术的应用范围、应用模式、技术特点和技术内涵也随之发展和变化，开放的组合式系统逐渐替代传统封闭式系统，应用范围也不再局限于椅旁修复，拓展延伸至各种椅旁数字化辅助治疗技术。本文从工程技术角度阐述椅旁数字化技术现今的广义内涵，分析各椅旁数字化单元技术的特点和发展现状，并对椅旁数字化技术应用模式和国产化现状进行探讨，以期分析技术发展的动态和趋势，从而更好地指导临床应用。

关键词：计算机辅助设计椅旁系统数字化技术口内扫描三维打印

基于三维人脸模板的外鼻缺损三维形态补全方法初探

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中华口腔医学杂志 2023年第5期58卷 414-421页

作者：温奥楠王勇叶红强高梓翔朱玉佳秦庆钊胡慧珍刘云松赵一姣北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心、口腔修复教研室、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床医学研究中心、口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心、国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心、口腔数字医学北京市重点实验室北京100081 北京大学医学部医学技术研究院北京100191 北京大学口腔医学院·口腔医院修复科、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床医学研究中心、口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心、口腔数字医学北京市重点实验室北京100081 兰州市口腔医院特诊科兰州730031

目的基于三维人脸模板的非刚性配准过程探讨外鼻缺损三维形态补全方法,为鼻赝复体的数字化设计提供新的解决方案。方法选取2022年6至12月于北京大学口腔医学院·口腔医院修复科就诊的牙体缺损或缺失男性患者20例,年龄18~45岁,采集患者... 详细信息

目的基于三维人脸模板的非刚性配准过程探讨外鼻缺损三维形态补全方法,为鼻赝复体的数字化设计提供新的解决方案。方法选取2022年6至12月于北京大学口腔医学院·口腔医院修复科就诊的牙体缺损或缺失男性患者20例,年龄18~45岁,采集患者原始三维颜面数据,用Geomagic Wrap 2021软件构建外鼻缺损三维颜面数据。使用课题组前期研究中构建的结构化三维人脸模板数据,基于非缺损区形态,通过MeshMonk程序(一种非刚性配准算法)将三维人脸模板变形配准至外鼻缺损三维颜面数据上,获得三维人脸模板个性化变形后的数据,即补全人脸三维数据。基于外鼻缺损三维颜面数据的缺损边界,在补全人脸三维数据上裁剪出补全外鼻三维数据。对比分析补全人脸三维数据与原始三维颜面数据的鼻面角和鼻唇角,测量补全人脸三维数据鼻长与中面高、鼻宽与内眦间距的比值,评价补全外鼻三维数据的边缘曲线与外鼻缺损三维颜面数据缺损边缘曲线的边缘密合度,并分析补全外鼻三维数据与原始三维颜面数据鼻部相同标志点间距离值。结果20例原始三维颜面数据与补全人脸三维数据的鼻面角(分别为28.2°±2.9°、28.4°±3.5°)、鼻唇角[分别为95.4°(19.2°)、99.9°(9.5°)]差异均无统计学意义(t=-0.23,P=0.823;Z=-1.72,P=0.086)。补全人脸三维数据鼻长与中面高的比值为0.63±0.03,鼻宽与内眦间距的比值为1.07±0.08。补全外鼻三维数据的边缘曲线与外鼻缺损三维颜面数据缺损边缘曲线的曲线偏差(均方根值)为(0.37±0.09)mm、最大偏差为(1.14±0.32)mm,曲线偏差值位于±1 mm之内的占比为(97±3)%。补全人脸三维数据与原始三维颜面数据上对应鼻部标志点间距离分别为鼻根点[1.52(1.92)]mm,鼻尖点(3.27±1.21)mm,鼻下点(1.99±1.09)mm,右鼻翼点(2.64±1.34)mm,左鼻翼点(2.42±1.38)mm。结论本项研究提出的外鼻缺损三维形态补全方法有较好的可行性,构建的补全外鼻三维数据的面部协调性和边缘密合度较好,形态与原始三维颜面数据的鼻部形态接近。

关键词：鼻颌面假体假体设计计算机辅助设计三维人脸模板非刚性配准