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基于点云空间特征的牙咬合分析关键技术研究

尹科棹  
【摘要】:自动分析咬合关系能够降低人工时间成本,提升治疗效果评估的准确性和精度,解决儿童口腔正畸临床实际需求。咬合关系分析的核心是点云配准,即利用治疗前后点云的重叠部分,找到正确的对应关系。然而,治疗前后的点云,已在治疗、发育和采样等过程中发生了巨大改变,呈现高噪声和低重叠等特点,导致牙颌点云配准极具挑战。面对低重叠牙颌点云配准的挑战,本文借助口腔医学的前沿理论,利用WALA嵴的生物恒定性,将其作为重叠区域定位的理论基础,并最终完成点云配准与分析。具体而言,本文的工作主要分为三个部分:重叠区域定位,点云配准和咬合分析系统。重叠区域定位:本文提出先提取骨架线作为分界线,利用法向距离作为判据得到位于骨架线一侧的重叠区域,重叠区域定位效果良好;本文提出基于投影匹配组的骨架线提取技术,匹配组包含点云与投影点之间的对应关系,利用对应关系将二维骨架线映射到三维空间。通过不同数据的实验,该方法提取的骨架线更符合点云的整体轮廓,对边缘形状的干扰具备鲁棒性,效果相较于传统方案更为集中在点云中心;同时在不同采样的情况下,本文算法耗时维持在一个数量级。点云配准:改进迭代最近点算法,基于WALA嵴凸状特点,将凸密度极值作为对应估计中的约束条件,剔除不符合约束条件的对应点对,使得重叠区域的对应关系更为准确,最后利用迭代最优变换对牙颌点云进行对齐。通过不同数据的实验,配准精度得到提升;对于不同重叠率阈值(α=0.1,α=0.5,α=1),重叠率超过在传统算法;由于对应估计经过约束,对应点对数量得到精简,使得算法耗时减少。咬合分析系统:设计并实现的基于本方案的牙咬合分析系统,利用最小二乘法定义咬合面并进行投影分析,实现了对咬合点和咬合面在同一参考平面上的分析;实现了自动化咬合关系分析,提升了疗效评估的效率、准确性和精确性,具有较强的临床适用性,将在儿童早期错颌畸形矫治中发挥积极和重要的作用。


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