技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及牙齒成像領(lǐng)域，尤其涉及齲齒的早期檢測(cè)的方法和裝置。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于量化使用熒光和光的散射捕獲的牙齒圖像中的齲齒的方法和裝置。

背景技術(shù)：

盡管在檢測(cè)、治療和預(yù)防技術(shù)方面已經(jīng)有了進(jìn)步，但是齲齒仍然是影響所有年齡人群的普遍疾病。如果沒(méi)有被適當(dāng)而及時(shí)地醫(yī)治的話，齲齒可能導(dǎo)致永久性牙齒損傷甚至牙齒脫落。

齲齒檢測(cè)的傳統(tǒng)方法包括視覺(jué)檢查和用尖銳的牙齒探針器件碰觸探測(cè)，經(jīng)常輔以射線照相（X射線）成像。使用這些方法的檢測(cè)是有些主觀的，由于許多因素而在準(zhǔn)確度方面改變，這些因素包括醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)、感染點(diǎn)的位置、感染范圍、觀察條件、X射線設(shè)備和處理的準(zhǔn)確度以及其它因素。還有一些與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)有關(guān)的危險(xiǎn)，包括利用碰觸方法會(huì)損害虛弱的牙齒和傳播感染以及暴露到X射線輻射的危險(xiǎn)。到了齲齒狀態(tài)在視覺(jué)和碰觸檢查下很明顯的時(shí)候，病情一般已經(jīng)在需要補(bǔ)牙并且如果沒(méi)有及時(shí)處理的話，有可能導(dǎo)致牙齒脫落的晚期。

響應(yīng)對(duì)改進(jìn)的齲齒檢測(cè)方法的需要，人們已經(jīng)對(duì)不使用X射線的改進(jìn)的成像技術(shù)產(chǎn)生了相當(dāng)大的興趣。一種方法利用熒光，其中用高強(qiáng)度藍(lán)光照射牙齒。這種技術(shù)，有時(shí)候被稱為“定量光導(dǎo)熒光（quantitative light-induced fluorescence, QLF）”，是基于以下原理工作的：健全的、健康的牙齒琺瑯（enamel）與已經(jīng)被齲齒感染損害的、去礦物質(zhì)化的（de-mineralized）的琺瑯相比在來(lái)自某些波長(zhǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生更高強(qiáng)度的熒光。于是礦物質(zhì)損失和藍(lán)光激勵(lì)的熒光損失之間的關(guān)聯(lián)被用于識(shí)別并評(píng)估牙齒的齲齒區(qū)域。對(duì)紅光激勵(lì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不同的關(guān)系，在這種光譜區(qū)域中，齲齒區(qū)域中的細(xì)菌和細(xì)菌副產(chǎn)品比健康區(qū)域更明顯地吸收并發(fā)出熒光。

申請(qǐng)人注意到了與齲齒的光學(xué)檢測(cè)有關(guān)的一些參考資料。

專利號(hào)為4,515,476的美國(guó)專利（Ingmar）描述了使用激光來(lái)提供產(chǎn)生某種其它波長(zhǎng)的熒光以定位齲齒區(qū)域的激勵(lì)能量。

專利號(hào)為6,231,338的美國(guó)專利（de Josselin de Jong等人）描繪了用于使用熒光檢測(cè)識(shí)別齲齒的成像裝置。

公開(kāi)號(hào)為2004/0240716的美國(guó)專利申請(qǐng)（de Josselin de Jong等人）描繪了用于對(duì)從發(fā)熒光的組織獲得的圖像進(jìn)行改進(jìn)的圖像分析的方法。

專利號(hào)為4,479,499的美國(guó)專利（Alfano）描繪了根據(jù)牙齒結(jié)構(gòu)的半透明特性使用透射檢測(cè)齲齒的方法。

在使用熒光特性進(jìn)行牙齒成像的產(chǎn)品中，有一種是來(lái)自荷蘭阿姆斯特丹的檢查研究系統(tǒng)BV（lnspektor Research Systems BV）的QLF臨床系統(tǒng)（QLF Clinical System）。來(lái)自美國(guó)伊利諾斯州蘇黎士湖（Lake Zurich, Illinois, USA）的Kavo牙齒公司（Kavo dental Corporation）的Diagnodent激光齲齒檢測(cè)輔助（Diagnodent Laser Caries Detection Aid）通過(guò)在紅光照射下監(jiān)視細(xì)菌副產(chǎn)品的熒光強(qiáng)度而檢測(cè)齲齒活動(dòng)。

公開(kāi)號(hào)為2004/0202356的美國(guó)專利申請(qǐng)（Stookey等人）描述了熒光的光譜變化的數(shù)學(xué)處理，以改進(jìn)的準(zhǔn)確度檢測(cè)不同階段的齲齒。意識(shí)到使用光譜熒光測(cè)量時(shí)早期檢測(cè)的困難，Stookey等人的'2356專利申請(qǐng)描述了增強(qiáng)得到的光譜值、實(shí)現(xiàn)適于獲得熒光圖像的照相機(jī)的頻譜響應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換的方法。

盡管所描述的方法和裝置意在是非侵入性的、非離子化的齲齒檢測(cè)成像方法，然而仍然有改進(jìn)空間。使用熒光成像的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)公認(rèn)缺點(diǎn)跟圖像對(duì)比度有關(guān)。諸如QLF的熒光產(chǎn)生技術(shù)所提供的圖像由于健康和感染區(qū)域之間相對(duì)較差的對(duì)比度可能難以評(píng)估。如同Stookey等人的'2356專利申請(qǐng)所指出的，初期齲齒的光譜和強(qiáng)度變化可能是非常細(xì)微的，使得非疾病性的牙表面不規(guī)則與初期齲齒難以區(qū)分。

總之，已經(jīng)意識(shí)到，使用熒光技術(shù)，得到的圖像對(duì)比度對(duì)應(yīng)于狀態(tài)的嚴(yán)重程度。使用這些技術(shù)對(duì)齲齒準(zhǔn)確識(shí)別經(jīng)常要求該狀態(tài)在較晚的階段（在初期或早期齲齒后），因?yàn)辇x齒和健全牙齒的結(jié)構(gòu)之間的熒光差異對(duì)于早期階段的齲齒是非常小的。在這樣的情況下，使用熒光技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確度可能沒(méi)有表現(xiàn)出相對(duì)傳統(tǒng)方法的明顯進(jìn)步。因?yàn)檫@個(gè)缺點(diǎn)，熒光效應(yīng)的使用顯得有一些實(shí)際限制，這阻止了初期齲齒的準(zhǔn)確診斷。因此，齲齒狀態(tài)可能直到更嚴(yán)重（例如，需要補(bǔ)牙）時(shí)才被發(fā)現(xiàn)。

很早期階段的齲齒檢測(cè)是預(yù)防牙科學(xué)特別感興趣的。如同早前提到的，傳統(tǒng)方法一般不能檢測(cè)到在狀態(tài)可逆的階段的齲齒。作為一般經(jīng)驗(yàn)，初期齲齒是還沒(méi)有實(shí)質(zhì)上穿透到牙齒琺瑯中的損害。如果這種齲齒損害在它威脅到牙齒的牙本質(zhì)部分之前就可以被識(shí)別的話，可以經(jīng)常進(jìn)行礦物質(zhì)補(bǔ)充（remineralization），而逆轉(zhuǎn)早期損傷并避免補(bǔ)牙的需要。然而，更后期的齲齒變得越來(lái)越更難以治療，通常經(jīng)常需要某種形式的補(bǔ)牙或者其它形式的介入（intervention）。

為了利用非侵入式牙齒技術(shù)來(lái)預(yù)防齲齒，必需在一開(kāi)始就檢測(cè)出齲齒。在許多情況下，如同在Stookey等人的'2356專利公開(kāi)文本中承認(rèn)的一樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用諸如QLF的現(xiàn)有的熒光成像技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)這種水平的檢測(cè)。因此，早期齲齒一直沒(méi)有能被發(fā)現(xiàn)，從而到了獲得肯定的（positive）檢測(cè)的時(shí)候，使用低成本預(yù)防措施進(jìn)行逆轉(zhuǎn)的時(shí)機(jī)可能就喪失。

在公開(kāi)號(hào)為2008/0056551的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)中，使用利用牙齒的反射圖像和熒光圖像兩者的方法和裝置來(lái)檢測(cè)齲齒。它對(duì)初期齲齒利用觀察到的反向散射（back-scattering），或反射，并結(jié)合熒光效應(yīng)，來(lái)提供檢測(cè)齲齒的改進(jìn)的牙齒成像技術(shù)。這種技術(shù)，被稱為具有反射增強(qiáng)的熒光成像（FIRE），有助于增加圖像相對(duì)于以前的方式的對(duì)比度，并使得檢測(cè)處于預(yù)防措施有可能有效的階段的初期齲齒成為可能。有利地，與使用只測(cè)量熒光的現(xiàn)有的熒光方式所呈現(xiàn)的相比，F(xiàn)IRE檢測(cè)在齲齒感染的更早期階段可以準(zhǔn)確。該申請(qǐng)描述了產(chǎn)生FIRE圖像的降速變換（downshifting）方法。

名稱為“METHOD FOR DETECTION OF CARIES（檢測(cè)齲齒的方法）”的共同轉(zhuǎn)讓的同時(shí)待審的PCT/CN2009/000078描述了用于產(chǎn)生具有對(duì)照明度的變化有更低的靈敏度的FIRE圖像的形態(tài)學(xué)方法。

基于諸如熒光圖像的牙齒的數(shù)字圖像的齲齒的量化提供了有關(guān)損害區(qū)域的嚴(yán)重度的數(shù)字信息并且可以幫助牙科醫(yī)生制定并執(zhí)行治療計(jì)劃。對(duì)于牙醫(yī)來(lái)說(shuō)，它可能是齲齒的縱向監(jiān)視的有用工具以便觀察每個(gè)損害區(qū)域隨時(shí)間的演變。公開(kāi)號(hào)為2004/0240716的美國(guó)專利申請(qǐng)已經(jīng)揭示了一些用于齲齒量化的方法；然而，所揭示的方法通常要求由用戶從圖像的健全牙齒區(qū)域中人工提取損害區(qū)域，且它們是基于只有熒光的圖像的。從圖像中人工提取損害區(qū)域提出兩個(gè)問(wèn)題。首先，提取過(guò)程慢，需要用戶在圖像上進(jìn)行許多次鼠標(biāo)點(diǎn)擊或劃線以指明損害區(qū)域的邊界。其次，人工提取就用戶而言要求相當(dāng)多的齲齒診斷經(jīng)驗(yàn)，而且通常是主觀的。另外，只有熒光的圖像以相對(duì)低的對(duì)比度顯示初期齲齒，進(jìn)一步增加了人工損害提取過(guò)程的困難。因此，在所揭示的方法中，最多只實(shí)現(xiàn)了折衷的齲齒量化結(jié)果。

因此，可以看出，需要量化牙齒圖像中的齲齒的改進(jìn)方法，該方法包含基于牙齒的數(shù)字圖像，特別是基于牙齒的FIRE圖像或熒光圖像從健全牙齒區(qū)域自動(dòng)提取損害區(qū)域的步驟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于量化牙齒的數(shù)字圖像中的齲齒（尤其是在齲齒的較早期）的方法。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供基于牙齒的FIRE圖像量化齲齒的方法。

本發(fā)明的一個(gè)特征是，齲齒損害是在FIRE圖像中被自動(dòng)提取的，F(xiàn)IRE圖像中的高對(duì)比度提供了齲齒識(shí)別的改進(jìn)的靈敏度和準(zhǔn)確度。

本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，牙齒圖像中的齲齒損害是在沒(méi)有用戶干預(yù)的情況下被提取和量化的，從而提供了齲齒識(shí)別和監(jiān)視的高效的工作流程。

這些目的只是通過(guò)說(shuō)明性例子的方式給出的，而這些目的可以是本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的示例。由所揭示的發(fā)明固有地實(shí)現(xiàn)的其它理想的目的和優(yōu)點(diǎn)對(duì)熟悉本領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)是可以發(fā)生的或顯而易見(jiàn)的。本發(fā)明由所附的權(quán)利要求限定。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供量化齲齒的方法，至少部分地在諸如計(jì)算機(jī)硬件的數(shù)據(jù)處理硬件上執(zhí)行，該方法包含以下步驟：產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像，該圖像包含對(duì)應(yīng)于該牙齒、牙齦和背景的像素區(qū)域的實(shí)際強(qiáng)度值；通過(guò)識(shí)別牙齒區(qū)域、提取可疑損害區(qū)域以及除去假肯定值（false positive）而從健全牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域；識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的鄰近健全區(qū)域；根據(jù)該鄰近健全區(qū)域中的值，對(duì)該損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織重建強(qiáng)度值；以及使用該重建的強(qiáng)度值和來(lái)自該損害區(qū)域的強(qiáng)度值量化該齲齒的狀態(tài)。

在本發(fā)明的上述方法中，其中產(chǎn)生該牙齒的該數(shù)字圖像包含獲得該牙齒的熒光圖像。

在本發(fā)明的上述方法中，其中產(chǎn)生該牙齒的該數(shù)字圖像包含：獲得該牙齒的熒光圖像；獲得該牙齒的反射圖像；以及組合該熒光和反射圖像的圖像數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明的上述方法中，其中識(shí)別牙齒區(qū)域包含子步驟：通過(guò)選擇高于第一預(yù)定門限值c1的強(qiáng)度數(shù)據(jù)值，從該牙齒的灰度級(jí)熒光圖像產(chǎn)生第一門限圖像；通過(guò)選擇高于第二預(yù)定門限值c2的強(qiáng)度數(shù)據(jù)值，從該牙齒的灰度級(jí)反射圖像產(chǎn)生第二門限圖像；從該第一和第二門限圖像的交集產(chǎn)生初步牙齒區(qū)域圖像；通過(guò)選擇高于第三預(yù)定門限值c3的強(qiáng)度數(shù)據(jù)值，從該灰度級(jí)熒光圖像產(chǎn)生參考二值圖像，其中門限值c3超過(guò)門限值c1；以及從在該初步牙齒區(qū)域圖像中以及連接到該參考二值圖像中的對(duì)象的區(qū)域中產(chǎn)生提煉的牙齒區(qū)域圖像。

在本發(fā)明的上述方法中，其中該灰度級(jí)熒光圖像和該灰度級(jí)反射圖像中的一個(gè)或兩個(gè)分別是從該熒光圖像和反射圖像的綠色信道獲得的。

在本發(fā)明的上述方法中，進(jìn)一步包含使用求門限識(shí)別一個(gè)或多個(gè)牙齒區(qū)域。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該可疑損害區(qū)域包含使用由標(biāo)記控制的分水嶺算法。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該可疑損害區(qū)域包含使用基于形態(tài)底帽的方法與多分辨率和表面重建技術(shù)。

在本發(fā)明的上述方法中，其中除去假肯定值包含定位鄰間區(qū)域和除去鄰間假肯定值。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該可疑損害區(qū)域包含：識(shí)別一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部標(biāo)記；識(shí)別一個(gè)或多個(gè)外部標(biāo)記；形成梯度圖像；以及對(duì)該梯度圖像應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該可疑損害區(qū)域進(jìn)一步包含：對(duì)在全分辨率的該數(shù)字圖像應(yīng)用底帽操作以產(chǎn)生原始底帽圖像；下采樣該原始底帽圖像以形成一個(gè)或多個(gè)降低的分辨率底帽圖像；對(duì)該原始底帽圖像和對(duì)該一個(gè)或多個(gè)降低的分辨率底帽圖像應(yīng)用形態(tài)底帽操作以形成多個(gè)形態(tài)底帽處理圖像；對(duì)該多個(gè)形態(tài)底帽處理圖像中的每一個(gè)應(yīng)用門限操作以形成多個(gè)二值底帽處理圖像；插值該多個(gè)二值底帽處理圖像中的每一個(gè)到該全分辨率以形成多個(gè)插值圖像；以及將一個(gè)或多個(gè)可疑損害區(qū)域識(shí)別為該多個(gè)插值圖像的并集。

在本發(fā)明的上述方法中，其中定位鄰間區(qū)域包含用以下步驟定位具有清晰界限的鄰間區(qū)域：對(duì)該牙齒的該數(shù)字圖像的二值圖像應(yīng)用距離轉(zhuǎn)換以定位該二值圖像中具有從識(shí)別的牙齒區(qū)域的邊界測(cè)量的最大距離的像素；將連接到定位的像素的識(shí)別的牙齒區(qū)域指定為第一對(duì)象；將沒(méi)有連接到該定位的像素的識(shí)別的牙齒區(qū)域指定為第二對(duì)象；以及將該鄰間區(qū)域限定為該背景中到該第一和第二對(duì)象有相同距離的像素。

在本發(fā)明的上述方法中，其中定位鄰間區(qū)域包含用以下步驟定位不具有清晰界限的鄰間區(qū)域：在該牙齒的二值圖像中限定起始點(diǎn)；以多個(gè)角度從該起始點(diǎn)投射射線的扇形；在每個(gè)射線首先與牙齒和背景區(qū)域之間的界限相交的點(diǎn)處限定輪廓線；確定內(nèi)部和外部標(biāo)記；對(duì)具有該內(nèi)部和外部標(biāo)記的該數(shù)字圖像的灰度級(jí)版本的梯度圖像應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換以形成第一和第二組流域；以及將到該第一和第二組流域有相同距離的像素作為鄰間區(qū)域。

在本發(fā)明的上述方法中，其中定位鄰間區(qū)域包含用以下步驟定位不具有清晰界限的鄰間區(qū)域：對(duì)該牙齒的該數(shù)字圖像的二值圖像應(yīng)用距離轉(zhuǎn)換，以形成距離圖像，在該距離圖像中每個(gè)像素值代表那個(gè)像素到該牙齒的該背景的最近距離；使用該距離圖像確定內(nèi)部和外部標(biāo)記；對(duì)具有該內(nèi)部和外部標(biāo)記的該數(shù)字圖像的灰度級(jí)版本的梯度圖像應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換以形成兩組流域；以及將到該兩組盆地有相同距離的像素作為鄰間區(qū)域。

在本發(fā)明的上述方法中，其中識(shí)別該鄰近健全區(qū)域、重建強(qiáng)度值和量化該齲齒的狀態(tài)的步驟中的至少一個(gè)是在該熒光圖像上執(zhí)行的。

在本發(fā)明的上述方法中，其中重建強(qiáng)度值的步驟是通過(guò)由雙線性插值、表面擬合和通過(guò)求解拉普拉斯方程的插值中的一項(xiàng)或多項(xiàng)組成的過(guò)程而執(zhí)行的。

在本發(fā)明的上述方法中，其中量化該齲齒的狀態(tài)包含計(jì)算該損害區(qū)域的熒光損失或計(jì)算該損害區(qū)域的面積。

本發(fā)明提供量化齲齒的方法，至少部分地在數(shù)據(jù)處理硬件上執(zhí)行，包含以下步驟：根據(jù)該牙齒獲得熒光圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)該牙齒獲得反射圖像數(shù)據(jù)，以及將該熒光圖像數(shù)據(jù)與該反射圖像數(shù)據(jù)組合以形成該牙齒的數(shù)字圖像；從健全牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域；識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的鄰近健全區(qū)域；根據(jù)該鄰近健全區(qū)域中的值，對(duì)該損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織重建強(qiáng)度值；以及使用重建的強(qiáng)度值和來(lái)自該損害區(qū)域的強(qiáng)度值量化該齲齒的狀態(tài)。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該損害區(qū)域包含識(shí)別牙齒區(qū)域、使用由標(biāo)記控制的分水嶺算法提取可疑損害區(qū)域以及除去假肯定值。

在本發(fā)明的上述方法中，其中提取該損害區(qū)域包含識(shí)別牙齒區(qū)域、使用基于形態(tài)底帽的方法和多分辨率以及表面重建技術(shù)提取可疑損害區(qū)域、以及除去假肯定值。

在本發(fā)明的上述方法中，進(jìn)一步包含通過(guò)定位鄰間區(qū)域和除去鄰間假肯定值而除去假肯定值。

附圖說(shuō)明

根據(jù)下面如附圖中所示的本發(fā)明的實(shí)施例的更具體的描述，本發(fā)明的前述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)會(huì)顯而易見(jiàn)。各圖中的元件不是必需彼此成比例的。

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的包含五個(gè)步驟的用于量化齲齒的方法。

圖2A、2B、2C分別說(shuō)明性地顯示了典型的反射圖像、熒光圖像和FIRE圖像。

圖2D是顯示用于組合牙齒圖像數(shù)據(jù)以產(chǎn)生FIRE圖像的過(guò)程的視圖。

圖3A顯示了數(shù)字圖像產(chǎn)生步驟的實(shí)施例。

圖3B顯示了FIRE圖像中的牙齒區(qū)域，其具有在提取步驟中識(shí)別出的損害區(qū)域。

圖3C顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于從健全牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域的步驟的實(shí)施例。

圖3D顯示了健全區(qū)域識(shí)別步驟之后的FIRE圖像，其具有在健全牙齒區(qū)域的擴(kuò)張線（dilated line），以及分開(kāi)健全牙齒區(qū)域和損害區(qū)域的損害分割（segmentation）邊界。

圖3E顯示了使用雙線性插值法的強(qiáng)度重建步驟的實(shí)施例。

圖4A顯示了三個(gè)牙齒的二值圖像。

圖4B顯示了根據(jù)從起始點(diǎn)出發(fā)的射線的扇形形成的輪廓線。

圖4C顯示了確定的內(nèi)部和外部標(biāo)記。

圖4D是由標(biāo)記控制的分水嶺結(jié)果的圖示。

圖4E是鄰近的牙齒之間的中間線（interlines）的圖示。

圖5A顯示了類似于圖4A的三個(gè)牙齒的二值圖像。

圖5B顯示了根據(jù)圖5A的圖像的距離轉(zhuǎn)換形成的距離圖像Idist。

圖5C顯示了播種區(qū)域（seeded area）的種子點(diǎn)。

圖5D顯示了內(nèi)部和外部標(biāo)記。

圖5E是在由標(biāo)記控制的分水嶺和距離變換處理之后中間線的圖示。

圖6A顯示了根據(jù)本發(fā)明的包含產(chǎn)生FIRE圖像的用于齲齒量化的方法。

圖6B顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于齲齒量化的方法，該方法包含產(chǎn)生FIRE圖像的步驟和在從健全的牙齒區(qū)域中提取損害區(qū)域的步驟中的子步驟。

具體實(shí)施方式

下面是參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，在附圖中，相同的參考數(shù)字代表若干幅圖中每一幅圖中的相同結(jié)構(gòu)的元件。

參考Wei Wang等人2009年1月20日提交的、名稱為“METHOD FOR DETECTION OF CARIES（用于檢測(cè)齲齒的方法）”的PCT/CN2009/000078。

參考Wong等人的、公開(kāi)號(hào)為2008/0056551、2008年3月6日公開(kāi)的、題為“METHOD FOR DETECTION OF CARIES（用于檢測(cè)齲齒的方法）”的美國(guó)專利申請(qǐng)。

參考Liang等人的、公開(kāi)號(hào)為2008/0063998、 2008年3月13日公開(kāi)的、名稱為“APPARATUS FOR CARIES DETECTION（用于齲齒檢測(cè)的裝置）”的美國(guó)專利申請(qǐng)。

參考Burns等人的、公開(kāi)號(hào)為2008/0170764、 2008年7月17日公開(kāi)的、名稱為“SYSTEM FOR EARLY DETECTION OF DENTAL CARIES（用于齲齒的早期檢測(cè)的系統(tǒng)）”的美國(guó)專利申請(qǐng)。

參考Wong等人的、公開(kāi)號(hào)為2007/0099148、2007年5月3日公開(kāi)的、名稱為“MTHOD AND APPARATUS FOR DETECTION OF CARIES（用于齲齒檢測(cè)的方法和裝置）”的美國(guó)專利申請(qǐng)。

本發(fā)明包括計(jì)算步驟。熟悉本領(lǐng)域的人員會(huì)意識(shí)到，這些計(jì)算步驟可以由數(shù)據(jù)處理硬件來(lái)執(zhí)行，這些數(shù)據(jù)處理硬件提供有用于圖像數(shù)據(jù)處理的指令。因?yàn)檫@樣的圖像處理系統(tǒng)是熟知的，所以本發(fā)明更加尤其地針對(duì)執(zhí)行本發(fā)明的方法的算法和系統(tǒng)。這樣的算法和系統(tǒng)的其它方面，以及用于產(chǎn)生以及以其它方式處理圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)處理硬件和/或軟件可以是選自現(xiàn)有技術(shù)中已知的這樣的系統(tǒng)、算法、部件和元件。在給出如下面的詳細(xì)說(shuō)明中所闡述的描述后，其軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)精通程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)是普通技術(shù)。

存儲(chǔ)的這樣的軟件程序的指令可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，這些介質(zhì)可包含，例如：諸如為磁盤或磁帶的磁存儲(chǔ)介質(zhì)；諸如為光盤、光帶（optical tape）或機(jī)器可讀條形碼的光存儲(chǔ)介質(zhì)；諸如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）或只讀存儲(chǔ)器（ROM）的固態(tài)電子存儲(chǔ)器件；或用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序的任何其它物理設(shè)備或介質(zhì)。使用這樣的軟件，本發(fā)明可以用在數(shù)據(jù)處理硬件裝置上，比如為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或個(gè)人計(jì)算機(jī)，或用在使用專用數(shù)據(jù)處理部件的嵌入系統(tǒng)上，比如為數(shù)字信號(hào)處理芯片。

在本公開(kāi)內(nèi)容中，“強(qiáng)度”這個(gè)詞用于指亮度級(jí)，也被寬泛地用于指數(shù)字圖像中的像素的值。

本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“流域（water basin）”是行業(yè)術(shù)語(yǔ)，用于描述被識(shí)別的、且在成像領(lǐng)域中用于執(zhí)行由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。有時(shí)候用同樣的方式使用術(shù)語(yǔ)“匯水盆地（catchment basin）”。本公開(kāi)內(nèi)容中對(duì)“流域”的引用指的是這種成像領(lǐng)域構(gòu)造。

參考圖1，至少部分地在諸如計(jì)算機(jī)硬件的數(shù)據(jù)處理硬件上執(zhí)行的用于量化齲齒的方法，包含產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像的步驟110，該圖像包含對(duì)應(yīng)于牙齒、牙齦和背景的像素區(qū)域的實(shí)際強(qiáng)度值；通過(guò)識(shí)別牙齒區(qū)域、提取可疑損害區(qū)域和除去假肯定值（false positive）而從健全的牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域的步驟120；識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的健全區(qū)域的步驟130；根據(jù)鄰近的健全區(qū)域中的值重建損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織的強(qiáng)度值的步驟140；以及使用重建的強(qiáng)度值和來(lái)自損害區(qū)域的強(qiáng)度值量化齲齒狀態(tài)的步驟150。注意，本申請(qǐng)全文中使用的短語(yǔ)“提取損害區(qū)域”意思是識(shí)別數(shù)字牙齒圖像中的至少一個(gè)損害區(qū)域。

圖2A、2B和2C分別說(shuō)明性地顯示了牙齒表面的典型的反射圖像167、熒光圖像168和FIRE圖像169，該牙齒表面包括健全牙齒區(qū)域164和早期損害區(qū)域（或齲齒區(qū)域）162。一般來(lái)說(shuō)，在諸如白光反射圖像的反射圖像中，早期齲齒區(qū)域的強(qiáng)度比它們周圍的健全區(qū)域的強(qiáng)度高。相反，在諸如為在藍(lán)色激勵(lì)光下獲得的熒光圖像的熒光圖像中，因?yàn)辇x齒區(qū)域中的熒光損失，齲齒區(qū)域的強(qiáng)度比它們周圍的健全區(qū)域的強(qiáng)度低。FIRE圖像是通過(guò)從熒光圖像中減去反射圖像的局部最大值和圓頂（dome）區(qū)域而獲得的。因此，該FIRE圖像具有與熒光圖像類似的外觀，因?yàn)榕c在周圍的健全區(qū)域中相比，兩者在損害區(qū)域中都具有更低的強(qiáng)度值。然而，該FIRE圖像比熒光圖像有更高的對(duì)比度，使得它有可能在檢測(cè)齲齒方面更靈敏。應(yīng)該注意，通過(guò)組合熒光和反射圖像的圖像數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的其它圖像也可用于代替FIRE圖像。

圖2D對(duì)應(yīng)于公開(kāi)號(hào)為2008/0056551（Wong等人），名稱為“METHOD FOR DETECTION OF CARIES（用于齲齒檢測(cè)的方法）”的共同轉(zhuǎn)讓的同時(shí)待審的美國(guó)專利申請(qǐng)的圖5。此圖顯示，通過(guò)處理裝置180將熒光圖像168與反射圖像167組合起來(lái)，形成FIRE圖像169。

在圖像處理領(lǐng)域，有許多用于從圖像中提取特征的已知方法，包括但不限于，門限、頂帽（top-hat）和形態(tài)灰度級(jí)重建技術(shù)（參見(jiàn)IEEE圖像處理學(xué)報(bào)1993年第2卷第2期第176-201頁(yè)的Luc Vincent的“圖像分析中的形態(tài)灰度級(jí)重建：應(yīng)用和有效的算法”（Luc Vincent, "Morphological grayscale reconstruction in image analysis: applications and efficient algorithms", IEEE Transaction on Image Processing,Vol.2, No.2, pp. 176-201, 1993））。然而，不是所有的技術(shù)都適合于從牙齒圖像中分割（segmenting）出損害。牙齒圖像有許多給自動(dòng)損害提取帶來(lái)挑戰(zhàn)的特性。例如，牙齒圖像沒(méi)有平坦的背景（健全牙齒區(qū)域是標(biāo)的齲齒的背景），齲齒沒(méi)有固定的尺寸和形狀，而且牙齒的表面輪廓和彎曲導(dǎo)致不均勻的照明，帶來(lái)跨牙齒圖像的強(qiáng)度的變化。本發(fā)明通過(guò)利用解決針對(duì)牙齒圖像的自動(dòng)處理的各種問(wèn)題的不同的圖像處理技術(shù)的組合，克服了這些困難。

在下文中，參考圖3A到5E，描述了根據(jù)本發(fā)明的用于量化齲齒的步驟。

產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像的步驟110

圖3A顯示了產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像的步驟110的一個(gè)實(shí)施例，其包含步驟：獲得熒光圖像、獲得反射圖像和組合熒光和反射圖像的圖像數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像，比如FIRE圖像。Liang等人的、公開(kāi)號(hào)為2008/0063998、2008年3月13日公開(kāi)的、名稱為“APPARATUS FOR CARIES DETECTION（用于齲齒檢測(cè)的裝置）”的美國(guó)專利申請(qǐng)描述了如何獲得熒光和反射圖像的細(xì)節(jié)。依據(jù)此實(shí)施例，該牙齒的數(shù)字圖像是FIRE圖像169，其是通過(guò)如圖2D所示的處理裝置180將熒光圖像168與反射圖像167組合而形成的。

在名稱為“METHOD OF DETECTION OF CARIES（齲齒檢測(cè)的方法）”的共同轉(zhuǎn)讓的同時(shí)待審PCT/CN2009/000078中，揭示了產(chǎn)生FIRE圖像的細(xì)節(jié)。產(chǎn)生FIRE圖像的主要步驟如下。

1. 獲得反射圖像，然后將該反射圖像轉(zhuǎn)換為具有強(qiáng)度值為Iwgreen的灰度反射圖像。該灰度反射圖像可以是該反射圖像的綠色信道。這個(gè)灰度反射圖像被處理作為掩模（mask），且它具有強(qiáng)度值Imask = Iwgreen。在一個(gè)例子中，該反射圖像是白光反射圖像。該白光可以是從一個(gè)或多個(gè)白色LED發(fā)射的。

2. 根據(jù)以下公式產(chǎn)生強(qiáng)度值為Imarker的標(biāo)記：

Imarker = Imask – hdome，

其中hdome表示該灰度反射圖像中的圓頂?shù)母叨?，是固定值，而且是基于獲得的多個(gè)灰度反射牙齒圖像的強(qiáng)度值依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇的。在一個(gè)創(chuàng)造性的例子中，hdome是50。

3. 通過(guò)形態(tài)灰度級(jí)重建產(chǎn)生具有強(qiáng)度值為Ireconstructed的重建圖像，其將Imask和Imarker作為輸入（參見(jiàn)早先引用的Luc Vincent的文章）。

4. 產(chǎn)生該灰度反射圖像的局部最大值和圓頂區(qū)域的圖像。這個(gè)圖像對(duì)應(yīng)于可疑齲齒區(qū)域，具有強(qiáng)度值

Ihdome = Imask – Ireconstructed。

5. 產(chǎn)生FIRE圖像，具有強(qiáng)度值

I_FIRE = I_Fluo – Ihdome，

其中I_FIRE和I_Fluo分別是產(chǎn)生的FIRE圖像和獲得的熒光圖像的綠色信道的強(qiáng)度值。產(chǎn)生的FIRE圖像可以通過(guò)將I_FIRE與該熒光圖像的紅色和藍(lán)色信道結(jié)合起來(lái)而顯示為彩色圖像。在一個(gè)例子中，該熒光圖像在藍(lán)色激勵(lì)光下獲得的一個(gè)熒光圖像。該藍(lán)色光可以是從一個(gè)或多個(gè)藍(lán)色LED發(fā)射的。該FIRE圖像是用于后續(xù)圖像處理步驟的數(shù)字圖像。

產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像的步驟110的另一個(gè)實(shí)施例包含獲得熒光圖像的步驟。該熒光圖像是用于后續(xù)圖像處理步驟的數(shù)字圖像。

從健全牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域的步驟120

一般來(lái)說(shuō)，牙齒的數(shù)字圖像可以被分類為三組區(qū)域：1）牙齦、2）牙齒、和3）其它背景。齲齒檢測(cè)只需要在牙齒區(qū)域165內(nèi)部執(zhí)行。

參考圖3B，在牙齒區(qū)域165內(nèi)部是損害區(qū)域162、周圍的健全牙齒區(qū)域164和將這兩個(gè)區(qū)域分開(kāi)的分割邊界163。下面描述了識(shí)別牙齒區(qū)域165、損害區(qū)域162、周圍的健全牙齒區(qū)域164和分割邊界163的方法。

圖3C顯示了根據(jù)本發(fā)明用于從牙齒的數(shù)字圖像中的牙齒區(qū)域165提取損害區(qū)域162的步驟120的實(shí)施例。步驟120是自動(dòng)執(zhí)行的，無(wú)需用戶輸入。具體地說(shuō)，步驟120包括識(shí)別牙齒區(qū)域165、提取一個(gè)或多個(gè)可疑損害區(qū)域和除去假肯定值的子步驟。這些子步驟包括針對(duì)牙齒圖像的細(xì)節(jié)，正如下面討論的。

因?yàn)槟承﹫D像處理工作是在彩色圖像的特定信道上完成的，為了方便起見(jiàn)，下面的術(shù)語(yǔ)Iwred、Iwgreen、Iwblue、Ibred、Ibgreen、Ibblue、Ifred、Ifgreen和Ifblue分別用于表示反射、熒光和FIRE圖像的紅色、綠色和藍(lán)色信道中的像素的強(qiáng)度值。并且為了除去照明級(jí)的影響，反射和熒光圖像兩者的強(qiáng)度值都被調(diào)整到在0到150之間的范圍，其中0和150對(duì)應(yīng)于最小和最大強(qiáng)度值。

如同討論過(guò)的，類似于熒光圖像，F(xiàn)IRE圖像在正常/健全牙齒區(qū)域內(nèi)部有比在齲齒和其它背景區(qū)域中更高的綠色強(qiáng)度值。因此，適應(yīng)修改過(guò)的門限技術(shù)被優(yōu)選地應(yīng)用于熒光或FIRE圖像上以將包含正常/健全牙齒區(qū)域和齲齒區(qū)域兩者的牙齒區(qū)域從牙齦和其它背景中分開(kāi)。

識(shí)別牙齒區(qū)域165的子步驟

依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，以如下方式將牙齒區(qū)域165從數(shù)字牙齒圖像中識(shí)別出來(lái)。在此實(shí)施例和本公開(kāi)內(nèi)容全文中的其它實(shí)施例中，使用熒光和反射圖像兩者的灰度級(jí)版本，該灰度級(jí)圖像是從它們的各自的彩色圖像的一個(gè)信道（比如綠色信道）中產(chǎn)生的，或使用圖像處理領(lǐng)域中公知的方法從三個(gè)信道的混合中產(chǎn)生。為了進(jìn)行說(shuō)明，下面分別使用熒光和反射圖像的綠色信道，Ibgreen和Iwgreen來(lái)描述該實(shí)施例。

門限圖像分別是通過(guò)選擇比某預(yù)定的門限值c1和c2（例如10和30）高的門限值而從Ibgreen和Iwgreen產(chǎn)生的。第二，兩個(gè)門限圖像的交集區(qū)域（intersection regions）被作為初步牙齒區(qū)域圖像Iroi0。第三，用比產(chǎn)生Iroi0時(shí)使用的門限值（比如30）更高的門限值c3對(duì)該圖像Ibgreen求門限（thresholding）而獲得參考二值圖像Irefroi。最后，通過(guò)選出在Iroi0中且連接于Irefroi中的對(duì)象的區(qū)域而產(chǎn)生提煉的牙齒區(qū)域165圖像Iroi。與僅僅對(duì)該FIRE或熒光圖像求門限相比，上面四個(gè)步驟增加了選擇牙齒區(qū)域165的準(zhǔn)確度。然后在下面提取可疑損害區(qū)域和除去假肯定值的子步驟中使用該提煉的牙齒區(qū)域165圖像。

在替代實(shí)施例中，求門限技術(shù)被應(yīng)用到該熒光或FIRE圖像以確定牙齒區(qū)域165。這個(gè)實(shí)施例有助于提供更簡(jiǎn)單和更快速的處理。

提取可疑損害區(qū)域的子步驟

在FIRE圖像（Ifgreen）中，對(duì)齲齒來(lái)說(shuō)有明確的形態(tài)特征，也就是說(shuō)，齲齒162的區(qū)域的強(qiáng)度比周圍的健全牙齒區(qū)域164的強(qiáng)度更低。本發(fā)明根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論，利用這個(gè)特征來(lái)檢測(cè)并分割該可疑齲齒區(qū)域。

在一個(gè)實(shí)施例中，基于由標(biāo)記控制的分水嶺方法適用于檢測(cè)并分割可疑齲齒區(qū)域。這種方法的關(guān)鍵是確定目標(biāo)對(duì)象的內(nèi)部和外部標(biāo)記。根據(jù)本發(fā)明，該內(nèi)部標(biāo)記是用形態(tài)灰度級(jí)重建技術(shù)確定的。如上面所討論的，相同的技術(shù)也用于產(chǎn)生FIRE圖像。

為了用形態(tài)灰度級(jí)重建方法確定內(nèi)部標(biāo)記，局部盆地（basin）Ihbasin被首先檢測(cè)出來(lái)；它們對(duì)應(yīng)于齲齒的目標(biāo)區(qū)域，因?yàn)樗鼈儽戎車慕∪珔^(qū)域具有更低的強(qiáng)度。然后，通過(guò)用固定值（例如，50）求門限Ihbasin而獲得該內(nèi)部標(biāo)記。注意，該固定值可以根據(jù)檢測(cè)靈敏度要求而進(jìn)行調(diào)整。該內(nèi)部標(biāo)記是在其內(nèi)部Ihbasin的強(qiáng)度高于給定門限值的區(qū)域。

為了獲得該外部標(biāo)記，首先根據(jù)該內(nèi)部標(biāo)記形成二值圖像，其中該二值圖像的像素值對(duì)于內(nèi)部標(biāo)記內(nèi)的像素是1，否則是0。然后距離轉(zhuǎn)換（DT）將每個(gè)圖像像素映射到它的到目標(biāo)對(duì)象的最短距離上，并且被應(yīng)用于該二值圖像以產(chǎn)生DT圖像。（參見(jiàn)Rosenfeld, A.和 Pfaltz, J.的1966年的J. ACM. 13的“數(shù)字圖像處理中的順序操作”和Ricardo Fabbri，Luciano Da F. Costa，Julio C. Torelli和Odemir M. Bruno的2008年的ACM計(jì)算調(diào)查40的“2D歐幾里德距離轉(zhuǎn)換算法：比較性調(diào)查”（“Sequential operations in digital picture processing”, J. ACM. 13, 1966, by Rosenfeld, A. and Pfaltz, J. and “2D Euclidean distance transform algorithms: a comparative survey”, ACM computing surveys 40, 2008, by Ricardo Fabbri, Luciano Da F. Costa, Julio C. Torelli and Odemir M. Bruno））。由該DT圖像中具有局部最大值的像素組成的并位于內(nèi)部標(biāo)記之間的分水線被作為外部標(biāo)記。

接下來(lái)，用蘇貝爾算子（Sobel operator）計(jì)算Ifgreen的梯度圖像。蘇貝爾算子是熟悉圖像處理/模式識(shí)別領(lǐng)域的人員公知的圖像處理函數(shù)；對(duì)它的描述可以在Duda, R.和 Hart, P., John Wiley 和Sons的1993年的第271-272頁(yè)的模式分類和景物分析（Pattern Classification and Scene Analysis, Duda, R. and Hart, P., John Wiley and Sons, 1973, pp.271-272）中找到。

在該內(nèi)部和外部標(biāo)記和該梯度圖像被識(shí)別或確定的情況下，然后應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換以直接產(chǎn)生目標(biāo)齲齒區(qū)域162的輪廓。對(duì)由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換的描述可以在Luc Vincent的IEEE圖像處理學(xué)報(bào)1993年第2卷第176-201頁(yè)的“圖像分析中的形態(tài)灰度級(jí)重建：應(yīng)用和有效的算法”中找到。

在另一個(gè)實(shí)施例中，一種基于形態(tài)底帽（bottom-hat）操作與多分辨率和表面重建技術(shù)的方法被適用于檢測(cè)并分割可疑齲齒區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，底帽操作被首先應(yīng)用于Ifgreen以產(chǎn)生具有強(qiáng)度值為Ibothat的原始底帽圖像。然后多分辨率策略被適用于使能檢測(cè)具有不同尺寸的齲齒。根據(jù)這種策略，該原始底帽圖像被下采樣（down-sampled）以形成一個(gè)或多個(gè)降低的分辨率的底帽圖像，比如2倍下采樣圖像（2x-down sampled image）和4倍下采樣圖像。給定具有固定尺寸的2維形狀的結(jié)構(gòu)元件，例如，半徑為10個(gè)像素的圓面，然后對(duì)具有不同分辨率的圖像（也就是說(shuō)，原始底帽圖像、2倍下采樣底帽圖像、4倍下采樣底帽圖像等）應(yīng)用形態(tài)底帽。注意，該2維結(jié)構(gòu)元件可以采用其它形狀。該結(jié)構(gòu)元件的尺寸，例如該圓面的半徑，可以根據(jù)該目標(biāo)對(duì)象的圖像分辨率或尺寸進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于得到的多分辨率底帽圖像中的每一個(gè)，根據(jù)相應(yīng)的牙齒區(qū)域內(nèi)部的強(qiáng)度值的統(tǒng)計(jì)量，門限值Ithres可以根據(jù)下式計(jì)算：

Ithres = Imean + w* Istd，

其中w是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的權(quán)重參數(shù)，而Imean和Istd分別是強(qiáng)度值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。對(duì)多分辨率底帽圖像中的每一個(gè)應(yīng)用門限操作，得到二值圖像，在該二值圖像中有非零值的區(qū)域是具有相應(yīng)分辨率的圖像中的初始可疑齲齒區(qū)域。在將二值圖像中的每一個(gè)插值（interpolating）回原始分辨率以產(chǎn)生插值圖像之后，所有插值圖像的并集被作為初始可疑損害區(qū)域。

因?yàn)椴荒軌蚴褂脽o(wú)限多的分辨率，而該結(jié)構(gòu)元件的尺寸和形狀與目標(biāo)齲齒區(qū)域162的尺寸和形狀不同，所以該初始可疑齲齒區(qū)域通常不是最優(yōu)結(jié)果。

然而，通過(guò)使用小的權(quán)重參數(shù)w的值，該目標(biāo)齲齒區(qū)域可以以高的置信度被包括在該初始的可疑齲齒區(qū)域內(nèi)部。在一個(gè)例子中，對(duì)于原始的、2倍下采樣的和4倍下采樣的圖像，該權(quán)重參數(shù)w分別是1.0、0.5和0。當(dāng)然，該權(quán)重參數(shù)w可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)該初始可疑齲齒區(qū)域外的正常強(qiáng)度值，可以進(jìn)一步估計(jì)該初始的可疑齲齒區(qū)域內(nèi)的正常強(qiáng)度值（即，齲齒發(fā)展以前區(qū)域的強(qiáng)度值）。根據(jù)本發(fā)明，該強(qiáng)度估計(jì)是表面重建處理，產(chǎn)生Ireconstructed，其中強(qiáng)度被作為拓?fù)浔砻?。從該重建圖像Ireconstructed減去原始圖像Ifgreen，得到差異圖像Idiff。因?yàn)辇x齒區(qū)域內(nèi)部的強(qiáng)度值比正常/健全牙齒區(qū)域的強(qiáng)度值低，而正?；蚪∪例X區(qū)域內(nèi)部的部分之間的變化不像齲齒和正常/健全牙齒區(qū)域之間的變化那么大，具有強(qiáng)度值變化更大的區(qū)域（例如，>7，其可以根據(jù)所需的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行調(diào)整）被當(dāng)作提煉的可疑齲齒區(qū)域。

盡管該形態(tài)灰度級(jí)重建技術(shù)也可以用于檢測(cè)灰度級(jí)圖像中某一高度的局部最大圓頂或某一深度的局部最小盆地，然而它不像上面討論的實(shí)施例那樣適合提取牙齒圖像中的齲齒損害。這是因?yàn)椴煌凝x齒區(qū)域相對(duì)于它們周圍的區(qū)域具有不同的對(duì)比度。因此，需要不同的局部極值高度或深度以適合不同的圖像或不同的齲齒感染。畢竟，高度或深度仍然是全局參數(shù)。另外，形態(tài)灰度級(jí)重建比本發(fā)明的形態(tài)底帽方法更難以實(shí)現(xiàn)且更慢。

盡管傳統(tǒng)的頂/底帽方法也可能被考慮用來(lái)檢測(cè)局部最大圓頂或最低盆地區(qū)域，然而該方法也不適于提取齲齒損害，因?yàn)殡y以確定該結(jié)構(gòu)元件的尺寸。這不同于本發(fā)明的形態(tài)底帽方法，本發(fā)明的形態(tài)底帽方法在與多分辨率和表面重建技術(shù)一起使用時(shí)，成功地解決了確定結(jié)構(gòu)元件的尺寸的問(wèn)題。

除去假肯定值的子步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大多數(shù)假肯定值的發(fā)生可以分為兩類：（1）相對(duì)于周圍區(qū)域具有低對(duì)比度的區(qū)域（通常低于7，然而它可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整）、以及（2）在鄰近牙的鄰接面(proximal surface)之間的區(qū)域（后面稱為鄰間區(qū)域）。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)計(jì)算可疑區(qū)域和它周圍的區(qū)域之間的強(qiáng)度對(duì)比度而除去低對(duì)比度假肯定值。

根據(jù)位于鄰間區(qū)域內(nèi)部或連接到鄰間區(qū)域的可疑齲齒的形態(tài)特征而除去鄰間假肯定值。為了這樣做，首先識(shí)別該鄰間區(qū)域。

下面給出如何在牙齒圖像中定位鄰間區(qū)域的詳細(xì)說(shuō)明。

對(duì)于良好分離的鄰近牙齒，該鄰間區(qū)域包含空隙，該空隙是背景的一部分。以如下方式定位具有鄰近牙齒的清晰界限的這種第一類鄰間區(qū)域。首先，對(duì)牙齒區(qū)域的二值圖像應(yīng)用距離轉(zhuǎn)換，且定位該二值圖像中具有從識(shí)別出的牙齒區(qū)域的邊界測(cè)量到的最大距離的像素。第二，連接到該定位的像素的識(shí)別出的牙齒區(qū)域被指定為一個(gè)對(duì)象，而其它識(shí)別出的牙齒區(qū)域被指定為另一對(duì)象。第三，背景中到這兩個(gè)對(duì)象有相同距離的像素被定義為鄰間區(qū)域。

對(duì)于彼此非常接近的鄰近牙齒，鄰間區(qū)域不包含鄰近牙齒的清晰界限。必須要采用不同的圖像處理方法來(lái)識(shí)別牙齒圖像中的這種第二類鄰間區(qū)域。在第一有創(chuàng)造性的實(shí)施例中，參考圖4A到4E，用在連接到有最大距離的像素的區(qū)域中的由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換和距離轉(zhuǎn)換，在四個(gè)步驟中定位該第二類鄰間區(qū)域。

圖4A顯示了目標(biāo)牙齒165a和兩個(gè)相鄰牙齒165b和165c的二值圖像。光亮區(qū)域表示牙齒，而黑暗區(qū)域表示牙齒的背景。該光亮和黑暗區(qū)域由邊界分開(kāi)。起始點(diǎn)200被限定為具有到牙齒的邊界的最大距離的像素，盡管目標(biāo)牙齒165a的中心附近的任何點(diǎn)也可以被選作起始點(diǎn)。該起始點(diǎn)也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用利用其它方法確定。例如，如果位于圖像中心的牙齒被選作目標(biāo)牙齒，離該圖像中心最近的局部最大值點(diǎn)可以被選為起始點(diǎn)。

在如圖4B所示的第一步驟中，射線210的扇形從起始點(diǎn)200在0度到360度間的任何方向上投射。然后，根據(jù)每個(gè)射線210首先與該光亮和黑暗區(qū)域之間的邊界相交的點(diǎn)形成或限定輪廓線202。

在第二步驟中，內(nèi)部和外部標(biāo)記以如下方式被識(shí)別或確定。如圖4C所示，內(nèi)部標(biāo)記是根據(jù)圍繞起始點(diǎn)200的某圓形區(qū)域222和灰色區(qū)域220a、220b、220c、220d確定的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)例子，圓形區(qū)域222的半徑被選為最大距離（起始點(diǎn)200到該牙齒邊界的距離）的3/4倍。通過(guò)從牙齒區(qū)域165a、165b、165c（參考圖4A，已經(jīng)由光亮區(qū)域和黑暗區(qū)域之間的邊界確定了）中減去由輪廓線202包圍的區(qū)域而得到灰色區(qū)域220a、220b、220c、220d。外部光亮區(qū)域224對(duì)應(yīng)于圖4A的黑暗區(qū)域，被作為外部標(biāo)記。

在第三步驟中，對(duì)具有上面確定的內(nèi)部和外部標(biāo)記的灰度級(jí)FIRE圖像的梯度圖像應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換。在一個(gè)實(shí)施例中，灰度級(jí)FIRE圖像是根據(jù)該FIRE圖像的綠色信道Ifgreen產(chǎn)生的。在替代實(shí)施例中，該灰度級(jí)FIRE圖像可以是使用圖像處理領(lǐng)域公知的方法根據(jù)三個(gè)信道的混合產(chǎn)生的。這個(gè)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生連接于對(duì)應(yīng)于圖4C的圓形區(qū)域222的內(nèi)部標(biāo)記的流域170、和分別連接于對(duì)應(yīng)于圖4C的灰色區(qū)域220a、220b、220c和220d的內(nèi)部標(biāo)記的流域172a、172b、172c、172d。這個(gè)轉(zhuǎn)換還產(chǎn)生分水嶺線173a、173b。分水嶺線173a將流域172a從172b分開(kāi)，而分水嶺線173b將流域172c從172d分開(kāi)。如同早先提到的，術(shù)語(yǔ)“流域”也被稱為匯水盆地，是成像中由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換的術(shù)語(yǔ)，是該領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的。

在第四步驟中，然后到兩組盆地有相同距離的像素被當(dāng)作第二類鄰間區(qū)域。圖4E顯示了中間線（interline）176的部分，其指示了識(shí)別出的鄰間區(qū)域的位置。中間線176是通過(guò)由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換和距離轉(zhuǎn)換得到的。區(qū)域174a是從流域170得到的。區(qū)域174b是從流域172a和172b的組合得到的。區(qū)域174c是從流域172c和172d的組合得到的。

在第二有創(chuàng)造性的例子中，現(xiàn)在參考圖5A到5E，用連接到具有最大距離的像素的區(qū)域中的不同的由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換和距離轉(zhuǎn)換的適應(yīng)修改，在四個(gè)步驟中定位沒(méi)有清晰界限的第二類鄰間區(qū)域。盡管共享類似的第三和第四步驟，在前兩個(gè)步驟上此第二有創(chuàng)造性的例子不同于第一有創(chuàng)造性的例子。

類似于圖4A，圖5A顯示了目標(biāo)牙齒165a和兩個(gè)相鄰牙齒165b和165c的二值圖像。光亮區(qū)域表示牙齒，而黑暗區(qū)域表示牙齒的背景。

在如圖5B中所示的第一步驟中，距離轉(zhuǎn)換被應(yīng)用于圖5A的圖像并產(chǎn)生距離圖像Idist，其中像素值表示那個(gè)像素到牙齒的背景的最近距離。在圖5C和圖5D所示的第二步驟中，內(nèi)部標(biāo)記230a、230b、230c和外部標(biāo)記232是以如下方式確定的。

在Idist作為掩模且Idist - dhome作為標(biāo)記的情況下，使用形態(tài)灰度級(jí)重建，可以得到重建圖像Idrecon。然后可以根據(jù)下述等式確定Iseeds：

Iseeds = (Idrecon > Tdrecon) ∩ (Idist > Tdist)，

其中Tdrecon和Tdist分別是兩個(gè)門限值（例如，Tdrecon = 5、而Tdist = 10）。符號(hào)（Idrecon > Tdrecon）指的是在其中Idrecon的像素值大于Tdrecon的區(qū)域，而符號(hào)（Idist > Tdist）指的是在其中Idist的像素值大于Tdrecon的區(qū)域。符號(hào)∩是交集算子，是精通集合理論的人員所公知的。

圖5C中顯示了從Iseeds獲得的播種區(qū)域（seeded region）230a、230b、230c。在每個(gè)播種區(qū)域中，根據(jù)圖5B中的距離圖像Idist，種子點(diǎn)被識(shí)別為具有最大距離的像素。例如，種子點(diǎn)234a、234b和234c分別是播種區(qū)域230a、230b、230c中具有最大距離的像素。將種子點(diǎn)作為起始點(diǎn)并將它的距離的3/4倍作為半徑，對(duì)于每個(gè)播種區(qū)域，建立圓形區(qū)域作為對(duì)應(yīng)于種子點(diǎn)的內(nèi)部標(biāo)記。具體地說(shuō)，圓形內(nèi)部標(biāo)記236a、236b和236c是分別根據(jù)種子點(diǎn)234a、234b、234c建立的，如圖5D所示。牙齒的背景區(qū)域被用作外部標(biāo)記232a、232b。

類似于第一有創(chuàng)造性的例子的第三步驟（參考圖4A到4E），在第三步驟中，如圖5E中所示，對(duì)具有上面確定的內(nèi)部標(biāo)記236a、236b和236c和外部標(biāo)記232a、232b的灰度級(jí)FIRE圖像的梯度圖像應(yīng)用由標(biāo)記控制的分水嶺轉(zhuǎn)換，并分別獲得針對(duì)內(nèi)部標(biāo)記236a、236b和236c的流域區(qū)域238a、238b、238c。最后，在第四步驟中，還是類似于第一有創(chuàng)造性的例子的第四步驟，中間線240a、240b被定位為到兩個(gè)相鄰流域區(qū)域有相同距離的像素。

在鄰間區(qū)域被定位之后，然后連接到鄰間區(qū)域的可疑齲齒區(qū)域被識(shí)別。因?yàn)橐恍┱鎸?shí)齲齒也位于這些區(qū)域中，所以并不是所有的連接到鄰間區(qū)域的可疑齲齒區(qū)域都應(yīng)當(dāng)被除去。真實(shí)齲齒通常作為“灰度級(jí)洞”出現(xiàn)，“灰度級(jí)洞”是灰度級(jí)圖像中由較亮的像素圍繞的黑暗像素區(qū)域。因此，“灰度級(jí)洞”特征被用于測(cè)試可疑齲齒區(qū)域中哪些是真實(shí)齲齒而應(yīng)當(dāng)被保留，同時(shí)將連接到鄰間區(qū)域的其它可疑區(qū)域作為假肯定值被除去。

在假肯定值被除去后，剩余的可疑齲齒區(qū)域是提取的齲齒區(qū)域162。這些區(qū)域可以在牙齒的顯示的FIRE、熒光或反射圖像中用假色描繪其輪廓或加亮顯示以幫助齲齒篩選或診斷。它們也被用來(lái)，在下面所述的步驟中，進(jìn)行齲齒量化分析。

尋找鄰近提取的損害區(qū)域的健全牙齒區(qū)域的步驟130

參考回圖3D，識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的健全牙齒區(qū)域的步驟130是通過(guò)用形態(tài)擴(kuò)張將可疑損害區(qū)域162向外擴(kuò)展到擴(kuò)張線166進(jìn)行的，形態(tài)擴(kuò)張是圖像處理領(lǐng)域公知的操作。這個(gè)步驟是自動(dòng)執(zhí)行的，無(wú)需用戶輸入。這個(gè)步驟和步驟140和150優(yōu)選地是在熒光圖像上執(zhí)行的，理由下面會(huì)進(jìn)行說(shuō)明。圍繞擴(kuò)展后的可疑損害區(qū)域的區(qū)域被當(dāng)作正常/健全區(qū)域，而組成擴(kuò)張線166的像素的值被當(dāng)作周圍的正常/健全區(qū)域的強(qiáng)度值。形態(tài)擴(kuò)張步驟的算法實(shí)現(xiàn)類似于圖3中展示的、公開(kāi)號(hào)為2008/0170764的共同轉(zhuǎn)讓的同時(shí)待審的美國(guó)專利申請(qǐng)的那種。這個(gè)步驟減少了錯(cuò)誤，即使在檢測(cè)出的可疑齲齒區(qū)域中有可能的檢測(cè)錯(cuò)誤，以及在正常/健全牙齒區(qū)域中有不明顯的強(qiáng)度變化。

對(duì)損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織重建強(qiáng)度值的步驟140

為了評(píng)估提取的損害的嚴(yán)重程度并為了監(jiān)視識(shí)別的損害隨時(shí)間的發(fā)展，在齲齒發(fā)展以前估計(jì)可疑齲齒區(qū)域的正常強(qiáng)度值是有幫助的。這可以根據(jù)在步驟130中發(fā)現(xiàn)的周圍的正常/健全區(qū)域的強(qiáng)度值通過(guò)各種方法執(zhí)行。

在一個(gè)實(shí)施例中，在識(shí)別出周圍的健全區(qū)域之后，使用雙線性插值技術(shù)，根據(jù)鄰近的健全區(qū)域中的值，可以得到損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織的重建強(qiáng)度值，如下所述。

圖3E顯示了圖3D中所示的感興趣區(qū)域161的分解視圖。對(duì)于損害區(qū)域R 162中的每個(gè)像素P，在健全區(qū)域中的擴(kuò)張線166上在P的左邊、右邊、上邊和下邊有四個(gè)像素，分別稱為P_L、P_R、P_T、P_B。P處重建的強(qiáng)度值Ir的估計(jì)值可以使用雙線性插值法計(jì)算，雙線性插值法的公式顯示如下。

用這種方式對(duì)齲齒區(qū)域162中的每個(gè)像素進(jìn)行雙線性插值以為整個(gè)區(qū)域重建正常強(qiáng)度值。

作為替代實(shí)施例，在識(shí)別出周圍的健全區(qū)域后，可以使用表面擬合技術(shù)（比如二維樣條，或Bézier擬合）得到損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織的重建強(qiáng)度值。

為損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織重建強(qiáng)度值的另一實(shí)施例是通過(guò)求解拉普拉斯方程而從擴(kuò)展的可疑齲齒區(qū)域的邊界上的像素值向內(nèi)平滑插值。這個(gè)實(shí)施例是普通的圖像處理技術(shù)的適應(yīng)修改（比如在它的圖像處理工具箱中的常見(jiàn)的Matlab軟件函數(shù)“roifill”所實(shí)現(xiàn)地那樣），并產(chǎn)生更準(zhǔn)確的估計(jì)。

量化齲齒狀態(tài)的步驟150

正如上面討論的，關(guān)于齲齒區(qū)域162的量化信息對(duì)于評(píng)估提取的損害的狀態(tài)和監(jiān)視識(shí)別的損害隨時(shí)間的發(fā)展是有幫助的。牙齒圖像中的齲齒狀態(tài)可以用許多方式量化，包括計(jì)算損害區(qū)域的尺寸（或面積）和計(jì)算損害區(qū)域的熒光損失率。

在一個(gè)例子中，通過(guò)計(jì)數(shù)齲齒區(qū)域162內(nèi)的實(shí)際像素?cái)?shù)、然后將其轉(zhuǎn)換到實(shí)際的空間維度（比如mm²）來(lái)計(jì)算損害區(qū)域。

在另一個(gè)例子中，熒光損失被用于測(cè)量齲齒的狀態(tài)。牙齒結(jié)構(gòu)中的熒光損失已經(jīng)被證明是該結(jié)構(gòu)中的脫礦物質(zhì)化的程度的直接指標(biāo)。這個(gè)量可以根據(jù)該牙齒的熒光圖像中的強(qiáng)度值直接計(jì)算出來(lái)。在熒光圖像中，使用下面的公式計(jì)算該損害區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素處的熒光損失率?F：

其中I_r是根據(jù)步驟140的重建強(qiáng)度值，而I_o是熒光圖像I_Fluo的綠色信道的實(shí)際測(cè)量強(qiáng)度值。在發(fā)生齲齒處，?F > 0。

該損害區(qū)域的全部熒光損失L是損害區(qū)域R內(nèi)的?F的和：

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，圖6A顯示了根據(jù)本發(fā)明的齲齒的量化的方法，其包含產(chǎn)生通過(guò)將牙齒的熒光圖像和反射圖像組合而得到的FIRE圖像或其它圖像的步驟。圖6A類似于圖1。然而，在圖6A中，牙齒的數(shù)字圖像是根據(jù)反射圖像和熒光圖像兩者產(chǎn)生的FIRE圖像或類似圖像。尤其是，該反射圖像是使用白色或單色光產(chǎn)生的，而該熒光圖像是在紫外線-藍(lán)色范圍內(nèi)的激勵(lì)光下產(chǎn)生的。在識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的健全區(qū)域的步驟130的過(guò)程中，該熒光圖像可代替FIRE圖像作為輸入，由虛線箭頭160a指示。在重建損害區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度值的步驟140和量化齲齒區(qū)域的狀態(tài)的步驟150的過(guò)程中，也需要該熒光圖像作為輸入，由箭頭160指示。

圖6B顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。它類似于圖6A，但是在步驟120不同，步驟120具體說(shuō)來(lái)包含從牙齒圖像中識(shí)別牙齒區(qū)域165、提取可疑損害區(qū)域和除去假肯定值的步驟。虛線箭頭160a顯示熒光圖像可以用于步驟130，而箭頭160顯示熒光圖像用于步驟140和150。

在另一個(gè)替代實(shí)施例中，參考回圖1，在步驟110中產(chǎn)生的數(shù)字圖像是牙齒的熒光圖像。如同前面討論的，熒光圖像具有與FIRE圖像類似的特征，因此在損害區(qū)域提取步驟120中使用的方法可以全部在熒光圖像上執(zhí)行。因此，在這個(gè)替代實(shí)施例中，熒光圖像被用于從步驟110到步驟150的所有步驟中。

部件列表

110 產(chǎn)生牙齒的數(shù)字圖像的步驟

120 從健全牙齒區(qū)域提取損害區(qū)域的步驟

130 識(shí)別鄰近提取的損害區(qū)域的健全區(qū)域的步驟

140 對(duì)該損害區(qū)域內(nèi)的牙齒組織重建強(qiáng)度值的步驟

150 計(jì)算齲齒的狀態(tài)的步驟

160, 160a 箭頭

161 感興趣區(qū)域

162 損害區(qū)域（或齲齒的區(qū)域）

163 分割邊界

164 健全牙齒區(qū)域

165 牙齒區(qū)域

165a、165b、165c 牙齒

166 擴(kuò)張線

167 反射圖像

168 熒光圖像

169 FIRE圖像

170 對(duì)應(yīng)于圓形內(nèi)部標(biāo)記區(qū)域222的流域

172a、172b、172c、172d 流域

173a、173b 分水嶺線

174a 對(duì)應(yīng)于流域170的區(qū)域

174b 對(duì)應(yīng)于流域172a和172b的組合的區(qū)域

174c 對(duì)應(yīng)于流域172c和172d的組合的區(qū)域

176 牙齒之間的中間線

180 處理裝置

200 起始點(diǎn)

202 輪廓線

210 射線

220a、220b、220c、220d 對(duì)應(yīng)于內(nèi)部標(biāo)記的灰色區(qū)域

222 對(duì)應(yīng)于內(nèi)部標(biāo)記的目標(biāo)牙齒上的圓形區(qū)域

224 對(duì)應(yīng)于外部標(biāo)記的光亮區(qū)域

230a、230b、230c 播種區(qū)域

232a、232b 外部標(biāo)記

234a、234b、234c 種子點(diǎn)

236a、236b、236c 內(nèi)部標(biāo)記

238a、 236b、236c 流域區(qū)域

240a、240b 中間線