一种牙颌数字模型特征数据集构建方法技术

本发明专利技术公开了一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，属于牙齿正畸医疗技术领域。使用了几何变换和主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）相结合的坐标系标准化方法，并在此基础上确定了离散曲率、法向量、形状直径函数和离散测地距离为特征提取的主要影响要素，进而制定了特征提取策略，最终构建了有76个特征组成的牙颌数字模型特征数据集。本发明专利技术能够提高牙颌数字模型特征提取的准确性和牙齿分割的效率，能有效降低位姿对牙颌数字模型特征提取带来的负面影响。数字模型特征提取带来的负面影响。数字模型特征提取带来的负面影响。

【技术实现步骤摘要】
一种牙颌数字模型特征数据集构建方法


[0001]本专利技术涉及牙齿正畸
，更具体地说是涉及一种牙颌数字模型特征数据集构建方法。

技术介绍

[0002]近年来，数字化技术在齿科领域得到快速发展，数字化正畸、数字化种植等，使得口腔诊疗更加直观、精确、安全和有效。在正畸诊疗中经数据采集、数据预处理、曲面重构三步重建口内软硬组织可以获得精确的数字化牙颌模型。牙颌模型是患者牙齿、牙弓、牙槽、基骨等形态及口腔牙周软组织的精确复制，是正畸诊断的基础。传统模型采用石膏翻制而成，石膏在凝固时会发生膨胀，模型精度欠佳，且存在占据空间大、易断裂和丢失等不足。
[0003]牙颌数字模型特征提取属于三维模型特征提取在齿科领域的应用，在正畸过程中，提取的特征是进一步分析牙颌模型、制定矫治方案、分割牙齿的基础。三维模型与二维图像相比，其空间结构和位姿状态复杂，这增加了特征描述和提取的难度。因此，专利技术一种能够准确、快速地进行牙颌三维数字模型特征划分和提取的方法，可为从事牙齿正畸人员提供帮助。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决上述
技术介绍
中所存在的问题，提供一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，通过降低位姿对牙颌数字模型的影响，从而能够准确和快速地提取特征。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，所述方法包括：S1：获取牙颌数字模型；S2：通过几何变换和PCA方法对牙颌数字模型进行坐标系准化；S3：提取牙颌数字模型特征；S4：构建牙颌数字模型特征数据集。
[0006]进一步的，S1具体步骤为：利用三维扫描仪对牙颌石膏模型进行扫描，数据预处理后获得牙颌数字模型。
[0007]进一步的，S2具体步骤为：使用向量矩阵对三维模型进行表示，其中为模型的顶点坐标矩阵；为模型的三角面片矩阵；其中表示每个顶点坐标；表示每个面所包含的顶点索引。牙颌数字模型坐标系标准化步骤如下：(1)获得三维模型中心点，定义为三维模型的中心点；(2)建立数字模型的协方差矩阵,获得协方差矩阵的特征值λ与特征向量e计算
公式如下：(3)取最大的三个特征值λ1,λ2,λ3和对应的特征向量e1,e2,e3，这三个特征向量正交，是PCA坐标系的主轴，其公式如下：e1,e2,e3三个特征向量组成一个3
×
3的实对称矩阵，使用e1,e2,e3定义一个空间坐标系，即为PCA坐标系。特征值的大小表示数模顶点在此方向上的密集程度，其中e1,e2表示牙颌数模上顶点最密集的两个方向，e3与e1,e2正交，由右手定则确定；（4）原始坐标系转换到PCA坐标系，将数字模型的坐标系旋转到e1,e2,e3表示的PCA坐标系实现对齐。记矩阵，对三维模型的每个顶点进行变换，计算公式如下：经过计算得到新的顶点集；识别牙颌数字模型底面，获取底面法向量，将模型坐标变换简化为法向量的坐标变换，然后将法向量绕X轴旋转到XOZ平面得到向量，具体计算公式如下： ,
ꢀꢀ
,其中，旋转角度α为向量V在YOZ平面的投影向量V1与Z轴正向的夹角，b、c分别代表投影向量V1的在Y、Z坐标轴上的投影值；计算法向量绕Y轴旋转到与Z轴重合的法向量,经过变换后，使得Z轴方向得到摆正，牙颌模型底面处于水平状态，再使用XOY平面内模型的中心点为原点，对模型的X和Y方向进行摆正，计算公式如下：模型顶点的协方差矩阵计算公式如下：
计算其特征值并从大到小排序，取最大的特征值λ1，计算其对应的特征向量e1得到PCA的第一主轴，将模型坐标矩阵旋转变换，使Y轴与第一主轴对齐，并对牙颌数字模型进行坐标系标准化；进一步的，S3具体步骤为：基于Voronoi图计算离散高斯曲率，首先对Voronoi面积进行计算，设牙颌数字模型上的某顶点为x
i
,顶点x
i
对应的Voronoi面积计算公式如下：其中N1(i)表示顶点i邻域点的集合，α
ij
和β
ij
表示邻域三角形的角度；若出现钝角三角形采用Meyer提出的使用中心有限体积面积来代替计算，由此重新定义混合Voronoi面积A
Mixed
，计算方法如下：For顶点x
i
邻域的三角形T//Voronoi合适IfT非钝角三角形//添加泰森多边形安全公式Else//Voronoi不合适//添加或IfT是钝角三角形Else牙颌数字模型特征提取计算公式如下：1.法向量：其中为平均曲率构造向量，顶点i的法向量为对进行标准化得到的向量；2.平均曲率：3.离散高斯曲率：其中j为顶点i邻域邻接顶点，表示边与边的夹角，表示顶点邻域的混合Voronoi面积；
4.最大曲率：其中为顶点处的最大曲率，表示连续曲面；5.最小曲率其中为顶点处的最小曲率；6.利用标准化形状直径函数（Shape Diameter Function，SDF）值的方式计算nSDF，计算公式如下：其中α为标准化系数；计算一点的nSDF值分为8个步骤，具体过程如下：(1)输入顶点坐标矩阵V和三角面片矩阵F(2)构造八叉树结构(3)对顶点，根据其锥角τ和射线数量n构建圆锥体(4)通过八叉树结构找到射线合集(5)对顶点，计算的长度(6)计算与法线的夹角(7)计算(8)计算7.最后以包围盒顶面与XOZ、YOZ面的交点作为定点，计算模型上的其余点与定点的测地距离。
[0008]获得的牙颌数字模型特征数如下：（1）对平均曲率K
H
、离散高斯曲率K
G
、最大曲率K1和最小曲率K2四种曲率各取其绝对值，扩展出|K
H
|、|K
G
|、|K1|和|K2|四个特征值，进而求出最大曲率与最小曲率差K1‑
K2，加上法向量n，共计10个特征；（2）使用30
°
、60
°
、90
°
和120
°
的圆锥角计算出形状直径函数，并对每个圆锥得到射线的加权平均值、中值和平方平均值，在计算过程中将参数α分别设置为1、2、4、8，共产生48个特征；（3）使用XOY、XOZ、YOZ平面与牙颌模型外包围框的12个交点，X、Y、Z轴与包围盒6个面的交点，共计18个特定定点，模型上的全部顶点与这18个特定定点的测地距离作为特征输入，产生18个特征。
[0009]S4：根据上述特征提取策略，最终构建出有76个特征组成的牙颌模型特征数据集。
[0010]本专利技术的优点和有益效果如下：利用几何变换和PCA相结合的坐标系标准化方法，将扫描获得的不同牙颌数字模型统一到较为相似的坐标系中，减轻了位姿对牙颌数字模型
特征提取的负面影响。在确定离散平均曲率、离散高斯曲率、离散最大曲率、离散最小曲率、法向量、形状直径函数、离散测地距离等7种特征的基础上，制定了特征提取策略，构建了有76个特征组成的牙颌数字模型特征数据集，从而提高了牙颌数字模型特征提取的准确性和牙齿分割的高效性，增强了各个牙齿的区分性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，其特征在于，此方法包括以下步骤：S1：获取牙颌数字模型；S2：通过几何变换和PCA方法对牙颌数字模型进行坐标系准化；S3：提取牙颌数字模型特征；S4：构建牙颌数字模型特征数据集。2.根据权利要求1所述的一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，其特征在于，在步骤S1中，利用三维扫描仪获取牙颌数字模型。3.根据权利1要求所述的一种牙颌数字模型特征数据集构建方法，其特征在于，在步骤S2中，通过协方差矩阵的特征分解寻找主轴并建立PCA坐标系，将PCA坐标系变换使其与空间坐标系对齐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永弟，赵立松，王浩楠，王伟志，杨光，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：