[发明专利]一种具有权重分配机制的三维颜面对称参考平面提取方法

摘要

本发明涉及一种具有权重分配机制的三维颜面对称参考平面提取方法，有以下步骤：(1)建立基于对角权重因子矩阵的PA算法数学计算模型；(2)建立基于个性化颜面部解剖特征的PA算法权重分配优化方法。本发明首先建立了一种带有权重因子的PA算法，权重函数有明确的数学表达；该PA算法的权重函数基于患者个性化颜面部解剖特征进行权重因子的优化分配，满足口腔临床对中/重度颜面畸形对称参考平面自动、高效、准确提取的需求。实现首次提出基于权重因子的本体‑镜像关联对称参考平面提取算法；首次提出基于个性化颜面部解剖特征的PA算法权重因子分配方法；改善PA算法对中/重度(复杂)颜面畸形对称参考平面提取的适应性不强的问题。

主权项

1.一种具有权重分配机制的三维颜面对称参考平面提取方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立基于对角权重因子矩阵的PA算法数学计算模型：基于Matlab软件平台编制算法程序，在经典PA算法中引入权重约束函数，将权重因子添加到计算空间变换矩阵的方程中，构建新的PA算法数学计算模型；经典PA算法的目标函数可简化表示为公式①：||Mn‑MmQ||   ①其中Mn为本体模型标志点集，Mm为镜像模型标志点集，其矩阵表达为3×p矩阵，如公式②、③所示：Q为空间变化矩阵，Q矩阵是空间平移矩阵T和旋转矩阵R的合成；T和R的矩阵形式如公式④、⑤所示：T＝[Tx Ty Tz]T   ⑤其中α、β、γ是标志点集绕X、Y、Z轴旋转的角度量，Tx、Ty、Tz是标志点集沿X、Y、Z轴的平移量；经典PA算法的配准目标函数F如公式⑥所示：其中P为参与配准的点数，Mni(i＝1,2,…,P)为本体标志点集中的点，Mmi(i＝1,2,…,P)为镜像标志点集中的点；对此经典配准目标函数F进行优化改进，引入权重函数Wi(t)，构建新目标函数F’，如公式⑦所示；本体‑镜像标志点集的最优匹配问题，其实质即为寻找新目标函数F’的最优解，且尽可能小，最终可得到6个最优配准参数(α,β,γ,Tx,Ty,Tz)；参照公式⑥，优化建立带有权重约束的新配准目标函数F’：基于上述确立的带有权重约束函数Wi(t)的PA算法数学计算模型，采用Matlab软件平台编制算法程序，分别采用权重约束函数Wi(t)为幂函数、指数函数和阶梯函数三种算法形式构建出权重PA函数。建立如公式⑧所示形式的对角权重因子矩阵Wi对各标志点分配不同的权重因子，其中ωi即为某维度上的权重因子，且ω∈(0,1]；对角权重因子矩阵既可对权重因子数量进行维度控制，亦可以实现指定函数形式的权重分配。(2)建立基于个性化颜面部解剖特征的PA算法权重分配优化方法：包括3个步骤：创建颜面部初始参考平面、确定颜面部标志点的三维对称性指标、构建个性化的权重函数表达；1)构建初始参考平面：首先基于区域ICP法建立一“初始参考平面”，用于量化评价颜面部标志点的对称性；2)建立“三维不对称度”指标：口腔临床颜面部对称性评价常用的解剖标志点，大致可分为两类：①面部中线两侧的标志点对，包括内眦点、外眦点、耳屏点、鼻翼点、唇峰点、口角点；②面部中线附近的单一标志点，包括眉间点、鼻根点、鼻尖点、鼻下点、人中点、颏上点、颏前点；建立“三维不对称度”指标评价上述两类解剖标志点的不对称程度，三维不对称度的计算公式根据标志点的分布相应分为两种情况：a对于面中线附近的单一标志点，三维不对称度主要由该点到初始参考平面的空间距离体现；b对于面部中线两侧的标志点对，为成对出现，二者互相参照体现对称程度，其三维不对称度指标计算，由两标志点到初始参考平面的距离之差，以及两标志点于参考平面的垂足点在上下和前后方向的距离之差，综合计算；3)构建个性化的权重函数表达：获得颜面部各标志点的三维不对称度指标后，即获得了患者个性化、参数化的解剖特征信息；量化比较标志点间相对初始参考平面的不对称程度，以此个性化的不对称畸形比值系数,指导权重约束函数Wi的权重因子配比，进而构建出患者个性化的权重约束函数Wi，即实现基于个性化颜面部解剖特征的最优权重分配；基于个性化权重函数的PA算法可构建最终参考平面，体现为对区域ICP算法构建初始参考平面的优化结果。