基于视频的下颌骨运动轨迹描记

尹家伟，孙 强，张朝晖，赵小燕，陈 岩，张天尧

(1.北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2.中日友好医院 口腔医学中心，北京 100029；3.北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083)

0 引言

下颌骨是一个复杂刚性结构，对人体起着至关重要的作用[1]。下颌骨的运动轨迹反映了内部关节的变化，下颌骨运动轨迹的描记对口腔疾病诊疗、术后效果判断、口腔修复等均有重要作用[2，3]。人类下颌骨容易产生各种病变及创伤[4]，对87 174例创伤患者的统计表明，颌面部创伤的发生率占34%[5]。对下颌骨运动轨迹的研究具有重大的临床意义以及现实意义，成为各国学者研究的热点[6]。

针对现有下颌骨运动轨迹描记设备笨重、操作复杂、价格昂贵等问题，本文基于颜色提取、坐标转换、头部晃动去除等算法，设计了一款下颌骨运动轨迹描记设备，可完成对下颌骨运动轨迹的绘制。

1 下颌骨运动轨迹描记装置及描记方法

1.1 下颌骨运动轨迹描记装置及视频图像采集

下颌骨运动轨迹描记装置主要包括一台计算机、两个摄像头以及一套咬合装置。图像采集前首先利用轻质粘土、钢丝、热塑性粘贴材料设计出下颌骨咬合标志物(如图1所示)，然后在被拍摄者正面和侧面各放置一个摄像头，两个摄像头与被拍摄者距离相同且光轴互相垂直，利用计算机控制MATLAB程序，将采集帧率设为30 f/s，采集时间设为3 s。

图1 下颌骨咬合标志物

被拍摄者将咬合装置佩戴完毕后进行图像采集，需录制张口运动、前伸运动、左侧方运动和右侧方运动视频图像。

1.2 目标检测及跟踪

视频采集完成后，利用MATLAB对视频图像进行处理，将图像分成三个通道，将每一通道和其他两通道的差值与选定阈值T进行对比，确认该像素点是否在目标区域内，将图像中标志物提取出来，根据目标区域特征去除噪声，并获得目标中心坐标，具体流程如图2所示。对视频中每一帧进行上述处理即可完成目标跟踪。

图2 目标检测流程

对正面视频图像进行目标跟踪，得到正面视频中标志物的x和y轴数据；对侧面视频图像进行目标跟踪，得到侧面视频中标志物的x和y轴数据；将侧面视频中标志物的x轴数据作为该标志物的z轴数据，结合该标志物正面的x和y轴数据，即可获得其三维运动数据。

1.3 坐标转换及晃动消除

视频图像处理后得到的坐标单位为像素，进一步处理将单位转换为毫米。已知标志物ab之间距离为l1，标志物ac之间距离为l2，标志物de之间距离为l3。正面视频中标志物a的坐标为(xa1,ya1)，c的坐标为(xc1,yc1)，d的坐标为(xd1,yd1)，e的坐标为(xe1,ye1)；侧面视频中标志物a坐标为(xa2,ya2)，b的坐标为(xb1,yb1)，d的坐标为(xd2,yd2)，通过公式(1)～公式(6)将标志物a和d的坐标从像素单位转换为毫米单位，计算得到标志物a的三维坐标(Sx,Sy,Sz)和标志物d的三维坐标(Nx,Ny,Nz)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

标志物a代表下切牙运动数据，标志物d代表上切牙运动数据，通过将上切牙的运动数据与下切牙的运动数据整合，即可消除头部晃动的影响获得下颌骨运动数据。

2 实验结果及分析

2.1 下颌骨运动轨迹与分析

下颌骨有四类运动轨迹，即下颌骨张口运动轨迹、下颌骨前伸运动轨迹、下颌骨左侧方运动轨迹和下颌骨右侧方运动轨迹，反映了牙合稳定性以及相应方向的牙齿咬合功能的协调性。利用本装置和轨迹描记算法处理后得到的被测试者下颌骨四种经典运动的三维运动轨迹如图3～图6所示。

图3 下颌骨张口运动轨迹 图4 下颌骨前伸运动轨迹

图5 下颌骨左侧方运动轨迹 图6 下颌骨右侧方运动轨迹

下颌骨运动速率反映了被测试者的下颌运动功能和牙齿咬合功能，四种运动的速度变化曲线如图7～图10所示。

图7 下颌骨张口运动速度 图8 下颌骨前伸运动速度

图9 下颌骨左侧方运动速度 图10 下颌骨右侧方运动速度

2.2 误差分析

理论上正面和侧面摄像头所测得的标志物在y轴上的运动数据应该是一致的，通过比较正面和侧面视频的y轴数据，进行实验数据准确性的校验。下颌骨运动中正面和侧面视频y轴运动数据误差见表1。

表1 正面和侧面y轴运动数据误差

误差产生的原因有：①摄像机的参数以及摆放位置；②光照条件，环境过亮或过暗对图像采集影响较大，影响后续处理过程；③被拍摄者心理状态；④测量误差，实验装置在手工测量过程中会产生一定误差。

3 结束语

本文利用摄像头和计算机结合的方式设计了下颌骨运动轨迹描记装置，基于颜色提取、目标跟踪、头部晃动去除算法，计算和绘制下颌骨的运动轨迹。下颌骨运动轨迹的描记对口腔疾病诊疗、术后效果判断、口腔修复等均有重要意义，还需不断研究发展。