种植牙是一种人造牙根，由牙周病学家置入颌部以抓持置换牙齿或支撑置 换假体。种植牙疗法已被广泛接受，并具有超过其它技术如可拆式局部牙托、 齿桥或活动假体(loose prosthesis)的优点。种植牙能够重建牙列而不需要牺牲毗 邻的健康牙齿。经植入体传递的负荷刺激牙骨，防止牙骨重吸收，同时抑制置 换的齿元件周围的牙龈萎缩，形成更加美观的重建结构。植入体疗法还提供了 比常规假齿更加舒适和稳定的解决办法，确保咬合和咀嚼能力更加自然。
种植牙设计的外科手术方案传统地采用一种或多种医学成像模式，如曲面 照片(即，用于颌骨和牙齿的x-射线成像技术)或计算机断层扫描(CT)来验证牙骨 数量和质量。事实上，美国口腔与颌面放射科学协会(American Association of Oral and Maxillofacial Radiologists，AAOMR))推荐了一些适用于植入体疗法的 切面成像形式。根据经典操作方式，关于植入体定位的最终决定在手术期间打 开周围软组织暴露牙骨后确定。3-6个月的骨整合期之后，进行植入体方向的 次级校正，主要是角度校正，以优化重建结构的美观性。但最终植入体支撑假 体的设计在很大程度上仍然由最初植入体位置确定，该位置在美学、功能和生 物力学观点上可能尚未达到最佳。
朝植入体直接负载方向发展时，经典办法将不再有效。植入体的直接负荷 要求无误差设计和精确的外科转移。这种设计除生物力学合理外，较佳地还考 虑了美观和/或功能因素，而采用传统植入方法仅在植入体疗法实际假体阶段期 间有意义。
近年来，市场上存在一些工具，这些工具使牙周病学家能够以许多不同取 向的容积扫描层面来评价患者的牙骨，例如CT扫描或其它容积扫描如MRI， 并在各种长度、直径和品牌的市售植入体的影像表现上进行影像融合(见 SimPlantTM，由Materialise公司(Leuven，比利时)提供)。引用Benjamin的，“多 平面重组CT，已成为植入体治疗方案最全面最精确的辅助工具”(“Multi-planar reformatted CT，has become the most comprehensive and accurate aid for implant treatment planning”)(参见Benjamin LS，多平面诊断成像的进展：对手术部位 术前分析的可预测的转移(The evolution of multiplanar diagnostic imaging： predictable transfer of preoperative analysis to the surgical site).J Oral Implantol. 2002；28(3)：135-44)。
根据本领域的目前状态，用种植牙治疗患者包括多个步骤。治疗前，首先 用铰接的石质模型来评价垂直尺寸。然后，制作诊断性蜡模(wax-up)来表示所 需假体的最终结果(见图1)。优化蜡模以实现适当咬合、形态、美观和发音性能。 在下一步骤中，制造扫描模板或扫描假体(见图2)。这是用辐射不透性材料，典 型地是混合有一定百分比硫酸钡的冷聚树脂制造的蜡模的精确复制品。扫描假 体的不透明程度根据其构成部件而不同：例如，牙齿的不透明性比基板要高。 需要时，一些部件可以是射线可透过的。对口腔中佩戴有扫描假体的患者进行 扫描时，CT图像中辐射不透性部件将清晰可见(见图3)。某些情况下，通过钻 出一圆柱杆来标记每个重建元件(例如牙齿)的主轴线。CT图像中结合扫描模板 提高了外科医生根据所需假体最终功能进行设计的能力。
制备扫描模板之后，将患者送入放射科进行CT扫描。将扫描模板置于患 者口腔内，进行扫描。扫描结果是二维层面的堆叠，形成三维的“数据集合”。
一旦进行了CT扫描并构建了三维模型(见图4)，外科医生计划采用计算机 程序设计植入体疗法。典型地，该程序输入放射成像部位提供的数据集合而不 改变任何信息。采用图像处理技术(例如图像分割)，由数据集合衍生出牙骨三 维模型。若放射不透性牙列较好地在二维轴向层面中显示，则可以构建所需假 体排列的三维模型。
有时不使用放射不透性扫描假体，(通过CT，光学扫描或机械扫描)可分别 使诊断蜡模或活动假体数字化，然后记录成容积数据上可见的解剖学结构。这 样也可以获得关于所需牙列的信息，以其相对于颌骨的正确关系。计算机程序 (见图5)使得可以三维方式评价各个患者的CT图像，从而确定放置种植牙的理 想位置。植入体可选自数字化植入体库(不同的植入体品牌、长度、直径等)。
然后操作者在轴向图片上确定全景曲线(见图6)。通常该曲线符合颌部的 弓型。选择一些垂直于全景曲线和轴向层面的截面(见图7)。在这些截面上选择 典型的植入体接纳部位。操作者可根据需要在所有视图(轴向、全景、三维或截 面视图)上调整各个植入体的位置和倾斜度。通过移动和翻转植入体表示或者改 变其尺寸来进行微调。可通过现存骨的体积来评价各个植入体的位置，Ganz 描述为“骨三角”(Ganz SD，骨三角公式：成功的植入体放置和修复的公式(The triangle of bone-A formula for successful Implant Placement and Restoration，The implant society，Inc.1995第(5)卷；5第2-6页)。采用例如亨斯菲尔德单位作为 骨密度的度量在计算机程序中实现骨的质量的可视化。
一旦确定了植入方案，外科医生必须尽可能准确地将其转移至患者。这种 转移可以是假想的，采用定制的引导模板如Materialise公司(Leuven，比利时) 以商品名SurgiGuideTM提供的模板(见图8)或采用其它导航方式。
虽然目前用于种植牙设计的计算机程序都能够显现模拟不同植入体疗法 必需的信息并且提供了一系列评价工具，但是这些程序都没能提供从生物力 学、功能学或美学的角度来确定植入体最佳位置的自动或半自动辅助工具。

本发明的第一个目的是提供基于生物力学、美学和功能考虑，采用诸如来 自容积扫描的容积数据来进行(半)自动种植牙设计的改进的方法。本发明的优 点在于，克服了至少一些现有技术的缺点。
根据所述第一目的的第一个实施方式，提供了一种从关于患者颌部的图像 信息准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的方法，包括以下步骤：(a)产生 牙列的三维模型，和(b)在牙列中自动检测结构性修复元件。
自动检测牙列中的结构性修复元件可基于图像分析来实现，例如基于牙列 三维模型中的灰度等级值。或者，自动检测牙列中的结构性修复元件可通过采 用牙列的三维模型和基于表面曲率分析的检测来实现。修复元件是人造牙齿 等。术语“图像分析”应理解为通过图像处理技术，，从能够被显示的可处理 图像，优选从数字图像提取有用信息，优选数字图像处理技术。对象图像可包 括包含灰度值信息的二维片层以及表现对象空间构造的任何三维图示。
根据所述第一目的的第二个实施方式，提供了从关于患者颌部的图像信息 准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的方法，包括以下步骤：(a)产生颌各 部分的三维模型，(b1)检测颌骨的解剖学元件和人造元件，和(b2)在颌部自动选 择能够或不能设置植入体的区域。该选择可通过图像分析，例如基于颌部各部 件三维模型中的灰度等级值来实现。待检测的解剖学元件可以是神经、血管、 囊肿(cysts)、受患牙齿、骨髓、患病骨胳或类似元件。
人造元件可以是牙冠、牙桥植入体、填充物、移植物、钛膜等。
根据本发明的一些实施方式，所述方法可还包括以下步骤：(c)确定候选植 入体的尺寸、位置、取向和构型，(d)获取植入方案，(e)将植入方案相互比较或 与给定标准进行比较，(f)选择或改进植入方案。根据本发明的一些实施方式， 所述方法可还包括：
·产生颌部部件的三维模型，
·在颌部部件的三维模型中基于灰度等级值检测颌骨中的解剖学元件和人 造元件，并在颌中自动选择能够或不能设置植入体的区域，
·确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型，
·获取植入方案，
·将植入方案相互比较或与给定标准进行比较，和
·选择或改进植入方案
根据本发明的一些实施方式，产生牙列三维模型的步骤还可包括分别使所 需的牙列数字化并通过记录的方式使其相对于颌正确定位。
根据本发明的一些实施方式，产生牙列三维模型的步骤还包括在容积图像 或三维图像中相对于患者的颌从数字库定位和缩放牙或牙弓。
根据本发明的一些实施方式，产生颌部件三维模型的步骤中，可检测对应 于颌中天然或人造牙齿的图像目标。
根据本发明的一些实施方式，产生颌部件三维模型的步骤包括以下步骤：
·将颌的三维模型分割成许多二维片层图像，
·产生每个二维片层图像的全景曲线，
·在每个片层图像中评价沿全景曲线是否存在一个或多个二维特征，和
·组合多个片层的信息来证实牙齿的存在。
根据本发明的一些实施方式，在产生全景曲线的步骤中，将全景曲线作为 颌的片层中的围线中线计算。
根据本发明的一些实施方式，所述评价步骤包括：计算代表可能的牙齿或 牙根截面形状的二维矩阵或特征与沿全景曲线的二维片层图像局部区域中灰 度等级之间的相关度。
根据本发明的一些实施方式，产生颌部件三维模型的步骤还包括鉴别颌中 对应于各个牙齿位置的区域并基于平均牙齿宽度值和已知的颌尺寸归结各自 的牙齿数量。可能地，所述鉴别的区域可基于天然或人造牙齿的已知定位进行 校正。
根据本发明的一些实施方式，在牙列中检测修复元件的步骤包括：计算牙 列三维模型的局部表面曲率并基于所得曲率值采用分水岭算法(watershed algorithm)将牙列细分成复杂程度较低的区域或小块。
根据本发明的一些实施方式，在牙列中检测修复元件的步骤包括：计算代 表可能的牙齿形状的三维矩阵或特征与三维牙列模型上的局部表面区域之间 的相关值，并分离相关值超出给定阈值的表面区域。
根据本发明的一些实施方式，确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型 的步骤包括：
·分别在修复元件的切割/咬合面和顶面形成点栅格，
·将每个元件中所有切割/咬合栅格的点与所有顶端栅格的点相连，
·确定所得轴与骨三维模型的相交点，
·将来自数字植入体库的植入体沿各个轴放置，植入体肩部离开骨中轴的 进入点给定的距离，
·列出所有可能的组合，从整个牙列中单个植入体的一组替代方式的最小 值到牙列中每个修复元件的植入体的所有替代方式的最大值。
可能地，根据本发明的一些实施方式，在形成点栅格的步骤中，在修复元 件上可采用中空处理以产生所需假体金属基质结构的三维容积表示。这些容积 可投影到修复元件的三维模型上以形成所述切割/咬合和顶端点栅格的轮廓。根 据本发明的一些实施方式，在限定点栅格的步骤中，在修复元件与其各自的尖 端切线轴的相交点所限定的切割/咬合面和顶面中确定修复元件的投影围线，所 述投影围线向内偏移形成偏移围线，二维图像中偏移围线的闭合表面区域是投 影围线区域原始表面的给定部分，然后，将所述偏移围线投影回修复元件以形 成所述点栅格的围线。
根据本发明的一些实施方式，所述投影可沿各个尖端切线轴方向进行。根 据本发明的一些实施方式，修复元件的尖端切线轴可确定作为惯量主轴。
根据本发明的一些实施方式，在确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构 型的步骤中，使用专家系统来鉴别待处理的植入体情况类型，并基于专家系统 中的“最佳拟合”办法建议典型相应的植入方案。
根据本发明的一些实施方式，获取植入方案的步骤包括：根据相对于患者 的容积图像或者产生牙列或颌部件三维模型的步骤中形成的三维模型进行的 测量来分派植入体组合的评分。
根据本发明的一些实施方式，计算植入体与神经、血管和颌的三维模型间 的最短距离，并确定沿植入物轴植入体所占据的及紧邻植入体的体元的平均灰 度值。
根据本发明的一些实施方式，获取植入方案的步骤包括：采用颌、植入体 和假体的生物力学或有限元模型，根据植入体上的预定负荷对分派植入体组合 的评分。可能地，根据本发明的一些实施方式，获取植入方案的步骤包括根据 各个植入体可实现的显露特征来分派植入体组合的评分。可能地，所述可实现 的显露特征表示为截面视图中植入体肩部的颊极点(most buccal point)与穿过截 面中顶端点栅格的颊极点和离开该点给定顶端和舌部距离的点的轴线间的距 离的函数，其中，所述顶端和舌部距离对于前部牙齿分别为3毫米和2毫米， 对于远端牙齿分别为1毫米和2毫米。根据本发明的一些实施方式，前部牙齿 与远端牙齿间的区别由容积图像或三维模型中显示微笑线来指示。
根据本发明的一些实施方式，将各植入方案相互比较或与给定标准进行比 较的步骤还包括：根据预定策略增量调节各个植入体的尺寸、位置和取向直到 设计评分达到给定阈值。
根据本发明优选的实施方式，提供了自动或半自动种植牙设计方法，所述 方法包括采用一种或多种自动方法来确定或证实患者牙骨中最佳的种植牙数 量、尺寸、位置、方向和构型。这些方法是计算机驱动的，优选非歧义的。所 述方法基于涉及生物力学考虑(例如牙骨数量、牙骨质量等)和美学考虑(例如， 牙齿形状、显露特征等)的预定规则。
根据本发明，使用计算机来实现(半)自动外科设计和模拟。因此，扫描患 者以获取三维容积图像数据。可在计算机化的颌模型上进行计算机化的自动或 半自动虚拟植入体设置。然后，通过外科引导将所述设计转移至患者。
本发明的特征之一是，在患者容积图像数据中或颌的三维模型上自动识别 牙齿(例如，天然或人造)的存在和位置。在这一点，可明确牙齿的位置。反之， 现在可识别缺失的牙齿并由植入体代替。
本发明的另一个特征是，基于假体元件相对于患者牙骨的已知定位自动或 半自动提出和/或验证植入体的尺寸、位置和取向。本发明的又一个特征是，考 虑到患者容积图像数据中表现为灰度值的牙骨测定质量，由患者牙骨的已知三 维几何形状和/或数学、生物力学计算，自动提出和/或验证植入体的尺寸、位 置、取向和构型(即植入体间的关系)。
本发明的显著优点在于，通过在患者特异性基础上实现明确的指导而大大 帮助临床医生决定治疗方案。本发明还大大节约了时间，因为验证许多标准所 需的时间仅是手动进行所需时间的一小部分。
本发明的第二个目的是提供一种系统，该系统采用诸如来自容积扫描的容 积数据，基于生物力学、美学和功能考虑，准备(半)自动种植牙设计。
根据本发明第二个目的的第一个实施方式，提供了从关于患者颌部的图像 信息准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的系统，所述系统包括：
(a)用于产生牙列三维模型的装置，和
(b)基于图像分析自动检测牙列中结构性修复元件的装置。
所述自动检测牙列中修复元件的装置基于牙列三维模型中的灰度等级值 自动检测牙列中的结构性修复元件。或者，自动检测牙列中修复元件的装置通 过采用牙列的三维模型和基于表面曲率分析的检测来自动检测牙列三维模型 中的结构性修复元件。
根据本发明第二个目的的第一个实施方式，提供了从关于患者颌部的图像 信息准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的系统，所述系统包括：
(a)用于产生颌部件三维模型的装置，和
(b)用于检测颌骨中的解剖学元件和人造元件并且基于图像分析在颌中自 动选择能够或不能设置植入体的区域的装置。检测可基于颌部件三维模型中的 灰度等级值。
根据本发明的实施方式，该系统还可包括：
(c)用于确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型的装置，
(d)用于获取植入方案的装置，
(e)用于将植入方案相互比较或与给定标准进行比较的装置，
(f)用于选择或改进植入方案的装置。
根据本发明的实施方式，该系统还包括：
用于产生颌部件三维模型的装置，
基于颌部件三维模型中的灰度等级值检测颌中解剖学元件和人造元件并 且在颌中自动选择能够或不能设置植入体的区域的装置，
用于检测牙列中修复元件的装置，
用于确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型的装置，
用于获取植入方案的装置，
用于将植入方案相互比较或与给定标准进行比较的装置，和
用于选择或改进植入方案的装置。
根据本发明的实施方式，用于产生牙列三维模型的装置还包括：用于独立 地使所需牙列数字化并且通过记录的方式使其相对颌部正确定位的装置。
根据本发明的实施方式，用于产生牙列三维模型的装置还包括：在容积图 像或三维图像中相对于患者的颌定位和缩放来自数字库的牙或牙弓的装置。
根据本发明的实施方式，用于产生颌部件三维模型的装置的特征是检测颌 中对应于天然或人造牙齿的图像目标。
根据本发明的实施方式，用于产生颌部件三维模型的装置包括：
将颌的三维模型分割成许多二维片层图像的装置，
用于产生各个二维片层图像的全景曲线的装置，
用于在各个片层图像中评价沿全景曲线是否存在一种或多种二维特征的 装置，和
组合多片层的信息以证实牙齿的存在的装置。
根据本发明的实施方式，用于产生全景曲线的装置将全景曲线计算作为颌 片层中的围线中线。
根据本发明的实施方式，用于评价的装置包括：用于计算代表可能的牙齿 或牙根截面形状的二维矩阵或特征与沿全景曲线CT片层图像的局部区域中灰 度等级间的相关值的装置。
根据本发明的实施方式，所述用于产生颌部件三维模型的装置还包括：用 于鉴别颌中对应于各个牙齿位置的区域并且基于平均牙齿宽度值和已知的颌 尺寸归结各自的牙齿数量的装置。所述鉴别的区域可基于天然或人造牙齿的已 知定位进行校正。
根据本发明的实施方式，在牙列中检测修复元件的装置可包括：计算牙列 三维模型的局部表面曲率，并基于所得曲率值采用分水岭算法将牙列细分成复 杂程度较低的区域或小块的装置。根据本发明的实施方式，在牙列中检测修复 元件的装置包括：用于计算代表可能的牙齿形状的三维矩阵或特征与三维牙列 模型上的局部表面区域之间的相关值并分离相关值超出给定阈值的表面区域 的装置。
根据本发明的实施方式，用于确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型 的装置包括：分别在修复元件的切割/咬合面和顶面限定点栅格的装置，将每个 元件中所有切割/咬合栅格的点与所有顶端栅格的点相连的装置，确定所得轴与 骨三维模型的相交点的装置，将来自数字化植入体库的植入体沿各个轴放置使 植入体肩部离开骨中轴的进入点给定的距离的装置，列出所有可能的组合的装 置，从整个牙列中单个植入体的一组替代方式的最小值到牙列中每个修复元件 的植入体的所有替代方式的最大值。根据本发明的实施方式，用于限定点栅格 的装置包括用于在修复元件上进行中空操作以形成所需假体金属基质结构的 三维容积表示的装置，和将这些容积表示投影到修复元件的三维模型上以形成 所述切割/咬合和顶端点栅格的轮廓的装置。可能地，用于限定修复元件的点栅 格投影围线的装置包括以下装置：在修复元件与其各自的尖端切线轴的相交点 中限定的切割/咬合面和顶面中确定哪些投影围线向内偏移形成偏移围线，二维 图像中偏移围线的闭合表面区域是投影围线区域原始表面的给定部分，然后， 将所述偏移围线投影回修复元件以形成所述点栅格的围线。可能地，用于限定 点栅格的装置包括在修复元件与其各自的尖端切线轴的相交点所限定的切割/ 咬合面和顶面中确定修复元件的投影围线，所述投影围线向内偏移形成偏移围 线，二维图像中偏移围线的闭合表面区域是投影围线区域原始表面的给定部 分，然后，将所述偏移围线投影回修复元件以形成所述点栅格的围线的装置。 可能地，投影沿各个尖端切线轴方向进行。修复元件的尖端切线轴可确定作为 惯量主轴。
根据本发明的实施方式，确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型的装 置包括专家系统，从而鉴别待处理的植入体情况类型并基于专家系统中的“最 佳拟合”办法建议典型相应的植入方案。可能地，用于获取植入方案的装置包 括：根据相对于患者的容积图像或者产生牙列或颌部件三维模型的步骤中形成 的三维模型进行的测量来分派植入体组合的评分。计算植入体与神经、血管和 颌的三维模型间的最短距离，并确定沿植入轴植入体所占据的及紧邻植入体的 体元的平均灰度值。
根据本发明的实施方式，用于获取植入方案的装置包括：采用颌、植入体 和假体的生物力学或有限元模型，根据植入体上的预定负荷分派植入体组合的 评分的装置。
根据本发明的实施方式，用于获取植入方案的装置包括：根据各个植入体 可实现的显露特征来分派植入体组合的评分的装置。所述可实现的显露特征表 示为截面视图中植入体肩部的颊极点与穿过截面中顶端点栅格的颊极点和离 开该点给定顶端和舌部距离的点的轴线间的距离的函数。顶端和舌部距离对于 前部牙齿分别为3毫米和2毫米，对于远端牙齿分别为1毫米和2毫米。前部 牙齿与远端牙齿间的区别由容积图像或三维模型中的微笑线来指示。
根据本发明的实施方式，将各植入方案相互比较或与给定标准进行比较的 装置还包括：根据预定策略增量调节各个植入体的尺寸、位置和取向直到设计 评分达到给定阈值。
本发明的上述方法实施方式可在诸如图30所示的处理系统100等系统中 实现。图30显示了处理系统100的一种配置，它包括至少一个可编程的处理 器103，处理器103耦联于存储子系统105，存储子系统105包括至少一种形 式的存储器，例如RAM、ROM等。注意，处理器103或其它处理器可以是通 用处理器或是专用处理器，并且可包含器件(例如芯片)中，该器件具有执行其 它功能的其它元件。因此，本发明的一个或多个方面可在数字电子电路中、或 在计算机硬件、固件、软件或其组合中实现。该处理系统可包括具有至少一个 盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/或DVD驱动器的存储子系统107。在一些实 现中，可包含显示系统、键盘和定点设备作为用户界面子系统109中的一部分， 让使用者手动输入信息。还可包括输入或输出数据的端口。还可包括其它元件 如网络连接器、各种器件接口等，但图30中未显示。处理系统100中各元件 可以多种方式耦联，包括通过图30中所示的总线子系统113，图中为简洁只示 出了一根总线，但本领域技术人员应理解，包括至少一根总线的系统。存储子 系统105的存储器有时可带有部分或全部(这两种情况都表示为111)的指令集 合，当在处理系统100上执行时，所述指令可实现本文所述方法实施方式的步 骤。因此，虽然诸如图30所示处理系统100是现有技术，但是包括实现用于 获取基材光刻(lithographic processing)的信息或用于优化基材光刻的方法方面 的指令的系统不是现有技术，因此，图30不应理解为现有技术。
本发明还包括一种计算机程序产品，当在计算器件上执行时可实现本发明 的任何方法的功能。这种计算机程序可具体表现为机器可读的存储介质，其载 有被可编程的处理器执行的机器可读代码。因此，本发明涉及一种载有计算机 程序产品的机器可读的存储介质，当在计算器件上执行时，能提供指令以执行 上述方法的任何方面。术语“机器可读的存储介质”是指参与提供给处理器指 令以执行的任何介质。这种介质可以是许多形式，包括但不限于永久性介质和 传输介质。永久性介质包括但不限于：光盘或磁盘，例如大容量存储器的一部 分的存储器件。计算机可读介质的通用形式包括：CD-ROM、DVD、软盘、磁 带、存储器芯片或盒式磁盘或计算机可读取的任何其它介质。各种形式的计算 机可读介质参与将一个或多个指令的一条或多条序列输送到处理器以执行。计 算机程序产品也可在网络(例如LAN、WAN或因特网)中通过载波传输。传输 介质可以是音波或光波的形式，例如无线电波和红外数据通信期间传输的波。 传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括计算机内构成总线的电线。
根据本发明的第三目标，提供了一种计算机程序产品，所述产品包括从关 于患者颌部的图像信息准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的代码，当在 计算机系统上执行所述代码时，包括：
(a)用于产生牙列三维模型的装置，和
(b)基于图像分析自动检测牙列中的结构性修复元件的装置。
用于自动检测牙列中的结构性修复元件的装置能基于牙列三维模型中的 灰度等级值自动检测牙列中的结构性修复元件。或者，用于自动检测牙列中的 修复元件的装置通过利用牙列的三维模型和对表面曲率分析的探测可自动检 测牙齿中的结构性修复元件。
根据本发明的一些实施方式，提供了一种计算机程序产品，所述产品包括 从关于患者颌部的图像信息准备用于自动或半自动种植牙设计的信息的代码， 当在计算机系统上执行所述代码时，包括：
(a)用于产生颌部件三维模型的装置，和
(b)用于自动检测颌骨中的解剖学元件和人造元件并且基于图像分析在颌 中自动选择能够或不能设置植入体的的区域的装置。
图像分析可以是基于颌部件三维模型中的灰度等级值的检测。任选地，计 算机程序产品可包括能够提供本发明第二个目的的任一系统中所限定的任何 装置的代码。
根据本发明的第四个方面，提供了一种机器可读存储介质，该介质能够存 储本发明第三个目的的计算机程序产品。
参考附图，通过以下具体说明，本发明的这些和其它目的、特点和优点将 显而易见。

以下附图仅仅是示意性而非限制性的。图中，一些元件的尺寸可放大，为 了示例而非按比例绘制。
图1显示了为表示所需牙列(tooth set-up)而制造的诊断蜡模。
图2显示了CT扫描期间位于患者口腔内的扫描假体，它具有许多放射不 透性元件。
图3显示了轴向CT层面，图中可见放射不透性牙列。
图4显示了无牙颌部(2)、带有几个假体元件(7)的相应的牙列(1)以及神经(3) 的三维模型；还显示了几个规划的植入体的修复空间(5)。
图5显示了种植牙技术的数字化方案环境。
图6显示了轴向CT扫描图上显现的全景曲线。
图7显示了颌部和扫描假体的多个剖面图。
图8显示了用于将数字化方案转移至患者的外科模板(SurgiGuideTM)。
图9显示了相对于患者颌部(2)的单个假体元件。限制可能的植入位置的空 间边界(4)由假体元件(7)的切割/咬合面及顶面上的两个点栅格(8)指示。
图10显示了假体元件(7)和颌(2)的截面图，顶切轴线(apico-incisal axis)(10) 穿过假体元件的内偏移(9)。
图11显示了假体元件(7)相对于下颌(2)的最小边界框(11)。
图12显示了假体元件的剖面和截面图。顶切轴线(10)在两点(12)与元件相 交，形成垂直于顶切轴线的两个平面(13)。平面(13)中元件的围线(14)发生偏移 (15)，并投影到元件表面，形成点栅格(8)的三维围线。
图13显示了假体元件的剖面和截面图。一些径向平面的最远切割/咬合点 (18)形成穿过牙尖的围线(19)，围线(19)可向内偏移形成点栅格(8)的围线。
图14显示了假体元件(7)和颌(2)的截面。连接切割/咬合点栅格(22)上的点 和顶端点栅格(23)上的点，得到潜在的植入轴(21)。这些轴(21)与颌(2)相交形成 进入点(24)和退出点(25)。植入体库(26)列出了可能的植入体(6)。
图15显示了单皮层固定的植入体(6)，位置离开神经(3)的距离f，其植入 体肩部(27)离开颌(2)的进入点的距离e。
图16显示了双皮层固定的植入体(6)。
图17显示了带有植入体形成的开窗(fenestration)(28)的颌。
图18显示了在CT扫描轴向图像上叠加的微笑线(29)。
图19显示了假体元件(7)和植入体(6)的截面。植入体肩部的颊极点(30)位 于穿过给定截面中点栅格的颊极点(32)和离开顶端(apical)g毫米，离开舌部 (lingual)h毫米的点(33)的线(31)上。
图20a和20b显示了有或没有植入体和上部结构的颌的生物力学模型。
图21显示了可缩放的牙弓。
图22显示了颌的截面围线(34)，具有相应的全景曲线(35)；
图23显示了牙根和牙齿形状的许多二维特征(36)。
图24显示了一个颌，其中已识别了许多特征，随后被分隔成若干可归结 于牙齿位置的特征(37)。
图25显示了具有散射(38)的轴向CT片层。
图26显示了颌(2)的三维模型，具有牙齿形状的小块或表面区域(39)。
图27显示了牙齿形状的三维特征。
图28是根据本发明实施方式的方法的示意性流程图。
图29是根据本发明实施方式的计算机系统的示意图。
图30显示了从关于患者颌部的图像信息准备用于自动或半自动种植牙设 计的信息的处理系统的一种配置。

下面将参考具体实施方式和一些附图来描述本发明，但本发明并不限于此 而是由权利要求书所限定。
寻找最佳植入位置
根据本发明优选的实施方式，需要并获得所需牙列(1)、颌(2)以及任何神经 (3)或血管的三维图示(见图4)。应理解，本发明中由患者颌部图像信息准备自 动或半自动种植牙方案的信息的方法是基于计算机的从患者颌部图谱信息准 备自动或半自动种植牙方案的信息的方法。
本发明方法的概略图如图28所示。下面将更详细地描述该流程中的所示 步骤。
本方法始于获取颌部部件的三维模型和/或牙列的三维模型(例如容积扫描 患者颌部)以及所需牙列(1)、颌(2)和任何神经(3)或血管的三维图示。第一步(见 图9)，采用牙列(1)的三维模型来确定植入体修复空间(5)为达到美学上可接受的 理想目的所需的空间边界(4)。修复空间(5)的定义是植入体(6)沿牙齿修复方向 假想延伸所占据的空间体积(见图14-16)。可限定牙列(1)中各个元件(例如牙 齿)(7)的空间边界(4)。它们可根据元件7的切割/咬合以及顶面上的立体点栅格 (8)来限定(投影或没有投影到表面上)。可采用一些技术来限定栅格(8)。许多示 例性的技术如下所述。
·一种选择是采用偏移或中空操作在牙齿(7)的三维模型内形成三维体积 (9)(见图10)。该三维体积(9)代表物理假体的金属基质，在该金属基质上沉积瓷 质层来模拟牙釉质。通过将所得体积投影到三维牙齿模型的表面上而获得栅格 围线。优选投影方向是假体元件(7)的顶切轴线(10)。该轴线例如可通过计算可 容纳假体元件的最小边界框(见图11)并测定假体元件分别沿边界框的三个主轴 离开颌骨的距离来确定。该轴线产生的最短距离即元件的顶切轴线。或者，可 计算假体元件的惯量主轴。顶切轴线是元件到骨距离最短的一条轴线。
·第二种限定栅格的选择是确定元件顶切轴线与其表面的两个相交点 (12)(见图12)。在该相交点平面(13)，限定切割/咬合面及顶面垂直于顶切轴线 的。在这些平面上轴向投影各元件，得到各个平面上的闭合二维曲线(14)或投 影围线。
然后，计算这些曲线包覆的全表面，曲线向内偏移直到包覆表面到达原始 值的给定百分比。将所得二维曲线(15)或偏移围线投影回元件上，分别描绘各 个点栅格的围线。
·限定点栅格(8)的另一种可选方法是通过改进扫描模板(16)的设计。在该 情况下，用于制备扫描模板的放射不透性牙齿(17)是具有一定壁厚度的规则或 不规则形状的管。从CT图像计算牙列的三维模型时，空间边界(4)易被识别为 在三维模型中牙列不同元件中的洞。这些洞在顶面和切割/咬合面的边界可用作 点栅格的围线。栅格表面由填充该围线的洞所限定。
·在元件切割/咬合面上限定点栅格外形的又一种方法是在元件的切割/咬 合面上计算元件与顶切轴线(10)(见图12)的相交点(12)。然后在所有径向于这些 顶切轴线的方向上进行系统性搜索，寻找相对于相交点位于最远切割/咬合位置 的点(18)(图13)。从而在元件表面上限定连接齿尖的三维曲线。由于这些齿尖 没有齿孔，三维曲线(19)在元件表面上向内偏移。偏移曲线(20)则可用作点栅格 (8)的围线。
后一种技术尤其适用于磨牙和前磨牙。
第二步，利用在牙列(1)不同元件(7)上已识别的点栅格(8)来识别潜在的植 入轴(21)(见图14))。对于牙列(1)中的每个元件(7)，可任选地将所有切割/咬合 面栅格点(22)与所有顶面栅格点(23)相连。从而获得每个元件有限数量的植入轴 (21)。所有轴都是美学上可接受的。可使用准则来规定牙齿顶面相对于切割/咬 合面的点栅格的尺寸。例如，顶面上点栅格表面可以比切割/咬合面整体上小约 1.5毫米。从而在实验室技术人员构建修复体时提供足够容纳金属和瓷质的空 间。在磨牙中，顶面点栅格近似卵圆形，而在切牙中可减小到只不过是单个中 心点。
第三步，计算每个轴线与三维牙骨模型的相交。由此得到牙骨上的进入点 (24)和退出点(25)(图14)。然后，将诸如来自植入体库(26)的植入体(6)分别根 据每个轴线方向放置，使植入体中心线穿过各个进入点。例如，植入体(27)肩 部定位在离开进入点(24)给定的距离(e)(见图15)。该距离可根据植入体设计的 不同而变化。对于每个植入体，在各个位置进行检查以对方案进行评分。对方 案进行评分表示提供一个或多个拟合优度标准以及该标准的一个或多个拟合 优度值。
在本发明的一个实施方式中，建议方案的总评分可视作一些或每次检查各 自记分的加权平均。这些检查可以是
·植入体模型与神经或血管三维模型的接近度(f)(图15)；
·植入体位于牙骨中心的程度(图17)。这包括，例如检查是否发生开窗(28)， 即除进入点以外位置的牙骨穿孔；
·围绕植入体的骨的品质，例如表示为容积图像如CT图像中植入体所占 据及紧邻植入体(6)处体元的平均灰度值；
·植入体轴线位于切割/咬合点栅格围线中心的程度，植入体长轴线优选应 出现在牙齿咬合面中心；
·单或双皮层固定(见图16)的存在，例如以最大骨体积包围植入体；
·植入体肩部相对于骨表面的位置(理想地超过骨水平1.5-2毫米)；
·植入体的方向相对于咬合力的方向。为实现应力分布，最佳考虑咬合力 沿植入体轴线而不是倾斜于该轴线取向；
·植入体表面光洁度类型(粗糙/抛光)；
·植入体连接类型(内连接或外连接；六角形或八角形等)。
显然，记分可根据患者或主治医师偏爱的修复类型而变化。两个主要的选 项是螺钉固定假体和胶合假体。螺钉固定假体可通过小螺钉直接附连于植入 体。因此，植入体应尽可能位于修复元件的的切割/咬合面中心而不是牙齿口颊 面(即可见侧)上。
胶合假体不是直接设置在植入体上。而是将称为桥基的中间元件固定在植 入体上然后将假体胶合到桥基上。可利用桥基改变原始或计划的附连到植入体 的方向最高达45°。因此，可纯粹基于生物力学考虑(例如骨的数量和质量)来设 计植入体。修复期间，出于美学考虑必须校正植入体显露的方向。
一些检查可以针对或限定于元件具体类型(前沿与远端；切牙与犬牙等)。 在这些情况下，了解进行检查的元件的类型是重要的。典型的例子是患者微笑 时可见元件与不可见元件间的区别。
本发明的一方面是在设计要素中结合指示患者微笑线(29)的方法(见图 18)，可用于确定最佳植入体疗法。指示微笑线(29)的示例性方法包括叠加在轴 向容积图像(例如CT图像)上的托架，可由医师除去以指示可见区域。另一个例 子是允许医师切割牙列三维模型以区分可见部分与不可见部分的工具。
根据牙齿类型的检查的示例性例子涉及根据植入体位置评价可实现的显 露特征(即描述牙齿从牙床伸出的方式)。进行检查使用的标准基于待评价修复 元件(牙齿)(7)和植入体(6)的横截面视图(见图19)。显示当植入体肩部的颊极点 (30)位于轴线(31)上时，植入体具有最佳显露特征，所述轴线(31)穿过点栅格围 线与剖面的颊相交点(32)，和离开该相交点给定顶端距离(g)和舌槽距离(h)的 第二点(33)。后一距离对于磨牙、前磨牙、切牙和犬牙各自不同。
第四步包括评价植入体的构型(即植入体相互间的位置和倾斜度)。可设定 用于治疗单个患者的不同植入体品牌、长度和/或直径的限定值。可自动计算植 入体间的距离并与给定最小距离进行比较，该最小距离随不同的植入体系统而 不同。此外，可采用生物力学(例如分解)模型(图20a和图20b)来预测由于咀嚼 施加在植入体上的负荷(例如，咬苹果、嚼口香糖等一些情况)。该模型可考虑 负荷下颌(1)的变形，和/或将附连于植入体的假体的类型和设计(例如，刚性值 如拟用材料的弹性模量，和/或每个截面或两个截面的组合中的转动惯量)等等。 该预测用于确定所需植入体的数量以及植入体在潜在的植入部位中的分布方 法。另一方面，从包括所有最高个体评分的植入体的植入体构型开始，用次优 替代品(例如基于个体评分)代替其中一个植入体来系统性修改该构型直到符合 所有构型标准。
根据本发明的另一个实施方式，容积扫描(例如CT扫描图像)中得不到所 需牙列的三维图示。而是使用可缩放的牙弓库图示(图21)来表示修复元件。库 牙弓可叠加在容积扫描图像(例如CT扫描图像)上以确定其相对于颌骨的定位。 也可在相对于颌(2)、神经(3)和血管的三维图示的三维视图中看到库牙弓。而且， 库牙弓可根据沿颌可得空间自动调整。例如，可以一定方式修改各个库牙齿沿 预定牙弓的宽度，使得所有牙齿宽度之总与投影测定的颌长度相匹配。
在局部缺齿的情况下，将来自库的牙弓记录到相应的患者剩余牙齿的三维 图示中。从而获得最佳拟合。剩余牙齿间的间隙由来自牙齿库的推荐的修复元 件填充。这些库牙齿还可用于进行治疗设计，例如它们可自动纳入。该方法具 有以下优点：可预先确定植入体或者甚至潜在的植入体轴的修复空间的立体边 界作为库的一部分。确定适当植入体设计的过程，可选为自动，因而可大大加 速。
或者，可光学扫描假体或蜡模并记录在颌的图像或三维图像中，从而提供 关于所期牙列的所需信息。
寻找可接受的植入部位
根据本发明的又一个实施方式，仅使用颌(2)和神经(3)或血管的三维图示。 设计环境包括例如专家系统，专家系统包括许多植入体放置的明确或模糊的规 则，基于样品植入体设计病例的数据库分析结合专家对植入体治疗的认识。一 些规则是识别规则，用于区分典型病例类型(例如两个相邻牙齿间的单一植入 体，全弓重建，远端区域的两个磨牙缺失)，一些规则是植入体放置规则，用于 提示对于某些病例类型治疗的典型植入体类型和构型(例如，对于两个相邻牙齿 间的单个植入体，植入体位置填充对应于牙齿中间)。设计病例开始时，专家系 统将使用颌的三维图示来识别病例类型并对应于专家系统中的“最佳拟合”方 案建议初步的植入物构型。
下一步，相对于特定情况施加的限制评估该初步构型(例如建议的植入部位 中现存骨的数量和质量，与神经或血管的接近度，骨开窗的存在等)。要求每个 植入体各自符合一系列先决条件以被接受(例如，相对于最接近的神经至少2毫 米距离，相对于患者头尾轴的最大倾斜度等)。
在该实施方式的有限实现中，系统仅提供给使用者关于建议的设计的可接 受度的反馈。该反馈(例如)可以是本文信息，告诉使用者应重新考虑哪个植入 体的消息。或者，可使用颜色码来指示被接受(绿色)或被排斥(红色)植入体。根 据该实施方式，要求使用者互动以对治疗方案进行微调。
在该实施方式更高级的实现中，系统增量校正各个植入体的位置、取向、 长度和直径直到符合各个先决条件。这构成了整体优化问题，例如，识别多个 参数的优化值，采用价值函数如离散价值函数可解决该问题。每个个体参数(例 如位置、长度、角度、距离、取向等)与记分值关联。修改参数时(例如，将植 入体的角度改变1°)，更新参数评分。考虑到植入体，可基于该参数对增加改 变有利性的贡献来确定记分值。采用不同记分的加权平均值来评价推荐的植入 体设计的可接受性。
本发明包含了在患者容积图像数据中自动检测牙齿的存在及位置的方法。 在该自动探测方法的示例性实施方式中，除容积数据本身之外，还采用颌(2) 的三维模型作为输入。首先，数字化分层三维模型以获得许多二维层面图像， 即具有给定层间距离的一系列围线(34)。然后，对每个围线自动产生全景曲线 (35)。这些全景曲线可(例如)计算为围线的中线。产生全景曲线之后，在每个容 积数据层面(例如CT层面)中进行检查以评价沿全景曲线是否存在“特征”(36) (见图23)。如果CT层面不对应于三维模型的层面，可使用内插图像。特征(36) 是二维矩阵，表示牙齿或牙根截面的可能形状。例如当给定关联值大于某值时 识别特征(36)。或者，当CT层面中元件样产品特征和灰度等级超过某值时可识 别特征。
识别特征之后，例如基于平均牙齿宽度值可分配牙齿数量(见图24a和 24b)。颌骨(37)上的区域分配给通常将占据这些区域的牙齿。从全景曲线中间 部开始通过将平均牙齿宽度值相加来识别这些区域。基于已知颌弓长度或已识 别的牙齿可进行校正。
上述操作的结果是在每个容积数据层面(例如，CT层面)中的自动牙齿识 别。采用所有层面中收集的信息，通过证实在多重CT层面中是否已识别出牙 齿来证实牙齿的存在与否。
除了每个容积数据层面，还就散射(38)的存在来检查(例如)CT层面(见图 25)。典型的检查必需要观察CT层面中的亨斯菲尔德值，并计算沿预定曲线灰度 值的傅里叶光谱(例如全景曲线的二维偏移)。典型地与散射有关的黑白图案导致 光谱中频率较高的峰之一。或者可进行检查以观察CT层面中是否存在平均亨 斯菲尔德单位值超过某一阈值的区域。一旦确定牙齿是否存在，可以专用方式处理 含散射层面(例如通过使用可信度的权重因子)。
本发明还包括在扫描假体(16)的三维模型或颌(2)的三维模型中自动鉴别各 个牙齿的方法。在本发明方法示例性的实施方式中，按顺序分解颌(2)或扫描假 体(16)的复合三维模型并细分成复杂程度较低、可鉴别程度较高的区域或小块 (39)(见图26，27)。这可通过例如基于曲率计算的分水岭算法(watershed algorithm)来实现(Mohandas S.，Henderson M.，在有机形状中通过分离三维特 征来实现机械部件特征识别(Pursuing mechanical part feature recognition through the isolation of 3D features in organic shapes)，EVIECE2002-DE-34419，ASME 2002-国际机械工种会议与展览(International Mechanical Engineering Conference and Expo)11月17-22日，新奥尔良，路易斯安那州)。然后将小块 与一系列代表牙齿(40)的预定三维特征进行比较。例如当给定关联值大于某值 时可识别特征。
本发明的一个特征在于，可单独使用所述方法的一部分，例如自动编号颌 区域的方法，在牙列中识别牙齿的方法等。
图29是可与本发明方法和系统(例如图28所示方法)利用的计算系统的示 意图。描绘了计算机50，它可包括视屏显示终端54、数据输入装置如键盘56 以及图形用户界面指示装置如鼠标58。计算机50可以通用计算机的形式实现， 例如UNIX工作站或个人电脑。
计算机50包括：中央处理单元(“CPU”)55，例如常规微处理器，如美国 英特尔公司提供的奔腾4处理器，仅作为例子；以及通过总线系统62互连的 许多其它单元。总线系统62可以是任何合适的总线系统，图29仅仅是示意性 的。计算机50包括至少一个存储器。存储器包括技术人员已知的各种数据存 储装置，例如随机存取存储器(“RAM”)，只读存储器(“ROM”)，永久性读/ 写存储器如硬盘，如技术人员所知。例如，计算机50可还包括随机存取存储 器(“RAM”)64、只读存储器(“ROM”)66、以及使系统总线62与视屏显示 终端54相连的显示适配器67和使外围装置(例如盘或带驱动器63)与系统总线 62相连的任选的输入/输出(I/O)适配器69。视屏显示终端54可以是计算机50 的视屏输出，可以是任何合适的显示设备，例如计算机硬件领域公知的基于 CRT的视屏显示器。然而，对于台式计算机、便携式或笔记本型计算机，视屏 显示终端54可由基于LCD或基于气体等离子的平板显示器代替。计算机50 还包括用于连接键盘56、鼠标58、任选的扬声器65的用户界面适配器59，以 及允许从身体值俘获装置如外部系统60的医学成像设备70可选的身体值输入 的设备。系统60可连接总线62数据网如因特网，内联网如局域网或广域网(LAN 或WAN)或CAN。医学成像设备70可以是任何合适的用于俘获患者解剖学结 构容积三维数据的设备，如CT或MRI。该医学成像设备可包括用于俘获患者 相关容积图像数据的任何装置。系统60的数据俘获装置70允许关于患者身体 的信息数据在远程通信网络上传送，例如在远程位置输入患者解剖学结构的容 积描述并例如通过因特网传送到附近位置，在该位置微处理器执行本发明的方 法。
本发明还包括以下内容：使用键盘56或从存储设备如63(例如从合适的信 号存储介质如软盘、可更换的硬盘、光学存储设备如CD-ROM or DVD-ROM、 磁带或类似设备将相关的容积数据直接输入计算机。
计算机50还包括驻留在机器可读介质中的图形用户界面，以指导计算机 50的运行。任何合适的机器可读介质可带有图形用户界面，如随机存取存储器 (RAM)64、只读存储器(ROM)66、磁盘、磁带或光盘(后三种置于盘和带驱动 器63中)。任何合适的操作系统及相关图形用户界面(例如微软公司的Windows 系统，Linux系统)可指导CPU 55。此外，计算机50包括驻留在计算机存储器 68中的控制程序61。控制程序61包含指令，这些指令在CPU15上执行时能使 计算机10实现本发明任意方法所述的操作。
本领域技术人员应理解，图29所示硬件可根据具体应用而改变。例如， 其它外围设备，例如光盘介质、音频适配器、或芯片编程设备如计算机硬件领 域众所周知的PAL或EPROM编程设备等，可增加到或者代替所述硬件。
在图29所示的实施例中，用于实现本发明方法的计算机程序产品可驻留 在任何合适的存储器中。然而，重要的是，虽然本发明已描述且将继续如此， 本领域技术人员应理解，不考虑用于实际实现分布的信号承载介质的具体类 型，本发明的机制能够以各种形式作为计算机程序产品分布且本发明同样适 用。计算机可读信号承载介质的例子包括：可读介质如软盘和CD ROM以及传 送型介质如数字和模拟通信链路。
因此，本发明还包括软件产品，当在合适的计算机设备上执行时能够实现 本发明分发的任意方法。具体地说，代码包括以下任一种：(a)产生牙列三维模 型的装置(b)和/或产生颌部件三维模型的装置，(c)用于在颌部检测能够(或任 选地不能放置)植入体的区域的装置，(d)用于检测牙列中的修复元件的装置， (e)用于确定候选植入体的尺寸、位置、取向和构型的装置，(f)用于获取植入方 案的装置，(g)用于将植入方案相互比较或与给定标准进行比较的装置，(h)用于 选择或改进植入方案的装置。还提供其它代码来执行本发明的方法或装置的任 意方面，例如，如所附权利要求详述。
本发明还包括存储在机器可读介质上的上述计算机产品。