基于視頻的下頜骨運動軌跡描記

尹家偉，孫 強，張朝暉，趙小燕，陳 巖，張天堯

(1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.中日友好醫院 口腔醫學中心，北京 100029；3.北京市工業波譜成像工程技術研究中心，北京 100083)

0 引言

下頜骨是一個復雜剛性結構，對人體起著至關重要的作用[1]。下頜骨的運動軌跡反映了內部關節的變化，下頜骨運動軌跡的描記對口腔疾病診療、術后效果判斷、口腔修復等均有重要作用[2，3]。人類下頜骨容易產生各種病變及創傷[4]，對87 174例創傷患者的統計表明，頜面部創傷的發生率占34%[5]。對下頜骨運動軌跡的研究具有重大的臨床意義以及現實意義，成為各國學者研究的熱點[6]。

針對現有下頜骨運動軌跡描記設備笨重、操作復雜、價格昂貴等問題，本文基于顏色提取、坐標轉換、頭部晃動去除等算法，設計了一款下頜骨運動軌跡描記設備，可完成對下頜骨運動軌跡的繪制。

1 下頜骨運動軌跡描記裝置及描記方法

1.1 下頜骨運動軌跡描記裝置及視頻圖像采集

下頜骨運動軌跡描記裝置主要包括一臺計算機、兩個攝像頭以及一套咬合裝置。圖像采集前首先利用輕質粘土、鋼絲、熱塑性粘貼材料設計出下頜骨咬合標志物(如圖1所示)，然后在被拍攝者正面和側面各放置一個攝像頭，兩個攝像頭與被拍攝者距離相同且光軸互相垂直，利用計算機控制MATLAB程序，將采集幀率設為30 f/s，采集時間設為3 s。

圖1 下頜骨咬合標志物

被拍攝者將咬合裝置佩戴完畢后進行圖像采集，需錄制張口運動、前伸運動、左側方運動和右側方運動視頻圖像。

1.2 目標檢測及跟蹤

視頻采集完成后，利用MATLAB對視頻圖像進行處理，將圖像分成三個通道，將每一通道和其他兩通道的差值與選定閾值T進行對比，確認該像素點是否在目標區域內，將圖像中標志物提取出來，根據目標區域特征去除噪聲，并獲得目標中心坐標，具體流程如圖2所示。對視頻中每一幀進行上述處理即可完成目標跟蹤。

圖2 目標檢測流程

對正面視頻圖像進行目標跟蹤，得到正面視頻中標志物的x和y軸數據；對側面視頻圖像進行目標跟蹤，得到側面視頻中標志物的x和y軸數據；將側面視頻中標志物的x軸數據作為該標志物的z軸數據，結合該標志物正面的x和y軸數據，即可獲得其三維運動數據。

1.3 坐標轉換及晃動消除

視頻圖像處理后得到的坐標單位為像素，進一步處理將單位轉換為毫米。已知標志物ab之間距離為l1，標志物ac之間距離為l2，標志物de之間距離為l3。正面視頻中標志物a的坐標為(xa1,ya1)，c的坐標為(xc1,yc1)，d的坐標為(xd1,yd1)，e的坐標為(xe1,ye1)；側面視頻中標志物a坐標為(xa2,ya2)，b的坐標為(xb1,yb1)，d的坐標為(xd2,yd2)，通過公式(1)～公式(6)將標志物a和d的坐標從像素單位轉換為毫米單位，計算得到標志物a的三維坐標(Sx,Sy,Sz)和標志物d的三維坐標(Nx,Ny,Nz)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

標志物a代表下切牙運動數據，標志物d代表上切牙運動數據，通過將上切牙的運動數據與下切牙的運動數據整合，即可消除頭部晃動的影響獲得下頜骨運動數據。

2 實驗結果及分析

2.1 下頜骨運動軌跡與分析

下頜骨有四類運動軌跡，即下頜骨張口運動軌跡、下頜骨前伸運動軌跡、下頜骨左側方運動軌跡和下頜骨右側方運動軌跡，反映了牙合穩定性以及相應方向的牙齒咬合功能的協調性。利用本裝置和軌跡描記算法處理后得到的被測試者下頜骨四種經典運動的三維運動軌跡如圖3～圖6所示。

圖3 下頜骨張口運動軌跡 圖4 下頜骨前伸運動軌跡

圖5 下頜骨左側方運動軌跡 圖6 下頜骨右側方運動軌跡

下頜骨運動速率反映了被測試者的下頜運動功能和牙齒咬合功能，四種運動的速度變化曲線如圖7～圖10所示。

圖7 下頜骨張口運動速度 圖8 下頜骨前伸運動速度

圖9 下頜骨左側方運動速度 圖10 下頜骨右側方運動速度

2.2 誤差分析

理論上正面和側面攝像頭所測得的標志物在y軸上的運動數據應該是一致的，通過比較正面和側面視頻的y軸數據，進行實驗數據準確性的校驗。下頜骨運動中正面和側面視頻y軸運動數據誤差見表1。

表1 正面和側面y軸運動數據誤差

誤差產生的原因有：①攝像機的參數以及擺放位置；②光照條件，環境過亮或過暗對圖像采集影響較大，影響后續處理過程；③被拍攝者心理狀態；④測量誤差，實驗裝置在手工測量過程中會產生一定誤差。

3 結束語

本文利用攝像頭和計算機結合的方式設計了下頜骨運動軌跡描記裝置，基于顏色提取、目標跟蹤、頭部晃動去除算法，計算和繪制下頜骨的運動軌跡。下頜骨運動軌跡的描記對口腔疾病診療、術后效果判斷、口腔修復等均有重要意義，還需不斷研究發展。