CN111110264B - 牙科cbct全景运动轨迹的优化方法 - Google Patents

牙科cbct全景运动轨迹的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，包括以下步骤：获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标；初始化CBCT扫描牙弓模型的运动参数和牙弓曲线坐标；根据运动参数和牙弓曲线坐标计算CBCT扫描牙弓模型的运动轨迹的坐标，其中，每个运动轨迹坐标的坐标点均对应一个牙弓曲线坐标的坐标点；根据运动轨迹坐标和牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离；根据欧式距离构建关于运动轨迹的优化模型；根据CBCT机械性能设置相应的约束条件；根据约束条件和优化模型得到最优运动轨迹。本发明能够根据不同的牙弓曲线快速获得不同的运动轨迹，从而保证获取的全景图像具有较好的空间分辨率和图像质量，并且算法较为简单。

Description

牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法
技术领域
本发明涉及CBCT全景运动技术领域，具体涉及一种牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法。
背景技术
目前的牙科全景系统，大多是基于层析理论得到全景图像的。但是，在根据该理论得到牙科全景图像时，往往因为牙弓线偏离焦点层，而导致得到的牙科全景图像较为模糊。通常牙科全景系统采集全景图像时的运动轨迹往往影响焦点层的位置，因此，对于牙科全景系统，设计运动轨迹具有十分重要的意义。
众所周知，不同人的牙弓是各不相同的，因此需要针对不同的牙弓设计相应的运动轨迹。但是，目前设计运动轨迹的策略难以有效地针对不同的牙弓快速的获得相应的运动轨迹。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，能够根据不同的牙弓曲线快速获得不同的运动轨迹，从而能够消除人与人之间牙弓差别对全景图像的影响，以保证获取的全景图像具有较好的空间分辨率和图像质量，并且算法较为简单。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，包括以下步骤：获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标；初始化 CBCT扫描所述牙弓模型的运动参数和所述牙弓曲线坐标；根据所述运动参数和所述牙弓曲线坐标计算所述CBCT扫描所述牙弓模型的运动轨迹的坐标，其中，每个所述运动轨迹坐标的坐标点均对应一个所述牙弓曲线坐标的坐标点；根据所述运动轨迹坐标和所述牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离；根据所述欧式距离构建关于所述运动轨迹的优化模型；根据所述 CBCT机械性能设置相应的约束条件；根据所述约束条件和所述优化模型得到最优运动轨迹。
根据本发明实施例的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，首先获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标，并初始化CBCT扫描牙弓模型的运动参数和牙弓曲线坐标，其次根据运动参数和牙弓曲线坐标计算CBCT扫描牙弓模型的运动轨迹的坐标，并根据运动轨迹坐标和牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离，然后根据欧式距离构建关于运动轨迹的优化模型，并根据 CBCT机械性能设置相应的约束条件，最后根据约束条件和优化模型得到最优运动轨迹，由此，能够根据不同的牙弓曲线快速获得不同的运动轨迹，从而能够消除人与人之间牙弓差别对全景图像的影响，以保证获取的全景图像具有较好的空间分辨率和图像质量，并且算法较为简单。
另外，根据本发明上述实施例提出的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述运动参数包括所述CBCT旋转轴的运动加速度、初始速度和开始扫描的起始角度，所述CBCT全景轴的运动加速度、初始速度和运动距离。
根据本发明的一个实施例，根据所述牙弓曲线坐标对所述运动轨迹进行分段，具体包括：将所述牙弓模型的牙弓曲线分为预设数量的点，其中，每个点对应一个所述牙弓曲线坐标；根据所述牙弓曲线的预设数量的点将所述运动轨迹分为预设段，其中，相邻运动轨迹段之间所述旋转轴和所述全景轴的运动速度不同，相邻运动轨迹段之间所述旋转轴和所述全景轴的加速度相同，每个运动轨迹段中所述旋转轴和所述全景轴的运动速度相同。
进一步地，所述运动轨迹的理想运动轨迹与所述牙弓曲线重合，所述理想运动轨迹坐标为所述牙弓曲线坐标：
Figure BDA0002342563900000031
其中，Arot为所述旋转轴运动加速度，Aver为所述全景轴运动加速度， startVrot为所述旋转轴初始速度，startAngle为所述旋转轴开始扫描的起始角度，Radius为所述CBCT旋转中心到所述牙弓曲线的距离，Movelong为所述全景轴运动距离。
进一步地，所述优化模型为：
Figure BDA0002342563900000032
其中，g为目标值，yk为所述运动轨迹坐标中的坐标点在Y轴方向上的坐标，
Figure BDA0002342563900000033
为所述牙弓曲线坐标中的坐标点在Y轴方向上的坐标，
Figure BDA0002342563900000034
为所述运动轨迹坐标中的坐标点和所述牙弓曲线坐标中的坐标点之间的欧式距离。
进一步地，所述约束条件包括所述CBCT全景轴的最大运动速度、运动加速度和最大运动距离，所述CBCT旋转轴的最大运动速度、运动加速度和最后扫描的终止角度。
进一步地，采用最小二乘法根据约束条件和所述优化模型计算得到所述目标值最小时对应的运动参数，以得到最优运动轨迹。
附图说明
图1为本发明实施例的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的牙弓模型的示意图；
图3为本发明一个实施例的CBCT运动轨迹的示意图；
图4为本发明一个实施例的CBCT运动轨迹与牙弓曲线的示意图；
图5为本发明一个实施例的CBCT运动轨迹分段的表格图；
图6为本发明一个实施例的CBCT运动轨迹与理想运动轨迹的对比图；
图7为本发明一个实施例的CBCT最优运动轨迹与牙弓曲线的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，包括以下步骤：
S1，获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，待 扫描的牙弓模型可为对称结构。通过采用对称的牙弓模型，能够先针对一半的牙弓模型进行分析，然后通过镜像对称对另一半的牙弓模型进行分析，由此，能够减少计算量。
S2，初始化CBCT扫描牙弓模型的运动参数和牙弓曲线坐标。
在本发明的一个实施例中，运动参数包括CBCT旋转轴的运动加速度、初始速度和开始扫描的起始角度，CBCT全景轴的运动加速度、初始速度和运动距离。此外，运动参数还包括CBCT扫描牙弓模型的设置时间、 CBCT旋转轴扫描牙弓模型的总角度、CBCT扫描牙弓模型采集的图像总数量和采集的图像放大倍率。
S3，根据运动参数和牙弓曲线坐标计算CBCT扫描牙弓模型的运动轨迹的坐标，其中，每个运动轨迹坐标的坐标点均对应一个牙弓曲线坐标的坐标点。
在本发明的一个实施例中，CBCT扫描牙弓模型的运动轨迹可为 CBCT射线源和探测器连线上的固定点的运动轨迹，其中，该固定点到射线源和探测器的距离始终保持一致。
具体地，如图3所示，当CBCT的射线源处于位置S1且CBCT的探测器处于点T1时，CBCT的射线源和探测器连线，即连线S1T1上的固定点可为点A1，其中，固定点A1到CBCT的射线源和探测器的距离分别为A1S1和A1T1；当CBCT的射线源处于位置S2且CBCT的探测器处于点T2时， CBCT的射线源和探测器连线，即连线S2T2上的固定点可为点A2，其中，固定点A2到CBCT的射线源和探测器的距离分别为A2S2和A2T2，并且 A1T1＝B2T2、A1S1＝B2S2。其中，CBCT的射线源和探测器在围绕旋转中心旋转时，旋转中心同时沿着全景轴进行变速直线运动，并且当CBCT的射线源和探测器连线与图3所示的Y轴重合时，即为CBCT完成对牙弓模型的半程扫描。
其中，如图4所示，当CBCT运动到点A1，且CBCT当前扫描的牙弓曲线点为a1时，可根据CBCT的运动参数，例如CBCT旋转轴的运动速度和 CBCT全景轴的运动速度，以及牙弓曲线点a1的坐标通过插值计算出此时 CBCT所处的运动轨迹点A1的坐标，其中，运动轨迹点A1为牙弓曲线点 a1的对应点，同理可计算出运动轨迹中其他点的坐标，并且计算出的运动轨迹中每个点均对应一个牙弓曲线中的点。
进一步地，可根据牙弓曲线坐标对运动轨迹进行分段，具体包括：将牙弓模型的牙弓曲线分为预设数量的点，其中，每个点对应一个牙弓曲线坐标；根据牙弓曲线的预设数量的点将运动轨迹分为预设段，其中，相邻运动轨迹段之间旋转轴和全景轴的运动速度不同，相邻运动轨迹段之间旋转轴和全景轴的加速度相同，每个运动轨迹段中旋转轴和全景轴的运动速度相同。
更具体地，可将待扫描的牙弓模型的牙弓曲线分为可分为2800个点，因此可得到2800个牙弓曲线坐标，进一步可根据牙弓曲线的2800个点将运动轨迹分为280段，其中，每个运动轨迹段中包含10个运动轨迹点，并且每个运动轨迹段中包含的10个运动轨迹点的运动速度相同。基于本发明实施例的牙弓模型的对称性，可先分析一半牙弓曲线对应的运动轨迹，即牙弓曲线1400个点对应的140个运动轨迹段。
进一步地，可根据CBCT旋转轴和全景轴的运动速度，将140个运动轨迹段分为28组加速度不同的组，具体如下所示：
NUM＝[26 4 3 3 3 3 3 2 3 2 3 3 4 3 5 4 7 5 8 6 9 6 9 6]
其中，可用Numj表示第j组中速度不同的运动轨迹段数，j＝1，2，....， 28。例如，当Num1＝26时，表示前26个运动轨迹段中，运动轨迹段与段之间运动加速度相同，当Num2＝4时，表示27到30个运动轨迹段的运动加速度相同。
更具体地，如图5所示，可将第1个运动轨迹段至第25个运动轨迹段分为一组，并且该组中相邻运动轨迹段之间的运动加速度均为A1，因此，当 CBCT从第1个运动轨迹段运动到第2个运动轨迹段时，可根据第1个运动轨迹段的运动速度V1和运动加速度A1计算出CBCT运动到第2个运动轨迹段时的运动速度V2＝V1+A1，由此，能够便于依次计算出CBCT运动到其他运动轨迹段的运动速度。
S4，根据运动轨迹坐标和牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离。
具体地，如图4所示，运动轨迹点A1和牙弓曲线点a1对应，因此可根据运动轨迹点A1的坐标和牙弓曲线点a1的坐标计算出运动轨迹点A1与牙弓曲线点a1之间在Y轴上的距离，即运动轨迹点A1与牙弓曲线点a1之间的欧式距离。例如，若运动轨迹点A的坐标(XA，YA)，牙弓曲线点a的坐标为(Xa，Ya)，可通过YA-Ya计算出运动轨迹点A与牙弓曲线点a之间在 Y轴方向上的距离。
S5，根据欧式距离构建关于运动轨迹的优化模型。
需要说明的是，本发明实施例最为理想的运动轨迹应与牙弓曲线重合，因此理想运动轨迹的坐标即为牙弓曲线的坐标：
Figure BDA0002342563900000071
其中，Arot为旋转轴运动加速度，Aver为全景轴运动加速度， startVrot为旋转轴初始速度，startAngle为旋转轴开始扫描的起始角度， Radius为CBCT旋转中心到牙弓曲线的距离，Movelong为全景轴运动距离。
进一步地，如图6所示，可先将运动轨迹点在Y轴方向的坐标统一用 yk表示，然后并结合牙弓曲线点在Y轴方向上的坐标
Figure BDA0002342563900000072
以运动轨迹点和牙弓曲线点在Y轴方向上的距离，即欧式距离的平方和最小为目标建立优化模型：
Figure BDA0002342563900000073
其中，g为目标值，yk为运动轨迹点在Y轴方向上的坐标，
Figure BDA0002342563900000074
为牙弓曲线点在Y轴方向上的坐标，
Figure BDA0002342563900000075
为运动轨迹点和牙弓曲线坐标点之间的欧式距离。
S6，根据CBCT机械性能设置相应的约束条件。
具体地，约束条件包括CBCT全景轴的最大运动速度、运动加速度和最大运动距离，CBCT旋转轴的最大运动速度、最大运动加速度和最后扫描的终止角度。
举例而言，CBCT全景轴的最大运动速度可大于0并小于18、运动加速度可大于-1.2并小于1.2、最大运动距离可大于0并小于75、运行到最后一个点的速度可等于0，CBCT旋转轴的最大运动速度可大于0并小于24、运动加速度可大于-1.2并小于1.2、最后扫描的终止角度可等于90°，此外 CBCT的旋转中心到牙弓曲线上的距离可等于放大倍率。
S7，根据约束条件和优化模型得到最优运动轨迹。
具体地，可采用最小二乘法根据约束条件和优化模型得到最优运动轨迹。
更具体地，可先计算出本发明实施例中运动轨迹与牙弓曲线所有对应点之间的欧式距离并得到其欧式距离平方和的平均值，然后根据平均距离和相应约束条件，并根据最优下降梯度修正初始化的运动参数以进行迭代计算，直至得到最小平均值，从而得到最优运动轨迹。例如，如图7所示，得到的最优运动轨迹无限拟合牙弓曲线。
根据本发明实施例提出的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，首先获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标，并初始化CBCT扫描牙弓模型的运动参数和牙弓曲线坐标，其次根据运动参数和牙弓曲线坐标计算CBCT扫描牙弓模型的运动轨迹的坐标，并根据运动轨迹坐标和牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离，然后根据欧式距离构建关于运动轨迹的优化模型，并根据CBCT机械性能设置相应的约束条件，最后根据约束条件和优化模型得到最优运动轨迹，由此，能够根据不同的牙弓曲线快速获得不同的运动轨迹，从而能够消除人与人之间牙弓差别对全景图像的影响，以保证获取的全景图像具有较好的空间分辨率和图像质量，并且算法较为简单。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待扫描的牙弓模型的牙弓曲线坐标；
初始化CBCT扫描所述牙弓模型的运动参数和所述牙弓曲线坐标；
根据所述运动参数和所述牙弓曲线坐标计算所述CBCT扫描所述牙弓模型的运动轨迹的坐标，其中，每个所述运动轨迹坐标的坐标点均对应一个所述牙弓曲线坐标的坐标点；
根据所述运动轨迹坐标和所述牙弓曲线坐标计算对应坐标点之间的欧式距离；
根据所述欧式距离构建关于所述运动轨迹的优化模型；
根据所述CBCT机械性能设置相应的约束条件；
根据所述约束条件和所述优化模型得到最优运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，所述运动参数包括所述CBCT旋转轴的运动加速度、初始速度和开始扫描的起始角度，所述CBCT全景轴的运动加速度、初始速度和运动距离。
3.根据权利要求2所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，其中，根据所述牙弓曲线坐标对所述运动轨迹进行分段，具体包括：
将所述牙弓模型的牙弓曲线分为预设数量的点，其中，每个点对应一个所述牙弓曲线坐标；
根据所述牙弓曲线的预设数量的点将所述运动轨迹分为预设段，其中，相邻运动轨迹段之间所述旋转轴和所述全景轴的运动速度不同，相邻运动轨迹段之间所述旋转轴和所述全景轴的加速度相同，每个运动轨迹段中所述旋转轴和所述全景轴的运动速度相同。
4.根据权利要求3所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，其中，所述运动轨迹的理想运动轨迹与所述牙弓曲线重合，所述理想运动轨迹坐标为所述牙弓曲线坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，Arot为所述旋转轴运动加速度，Aver为所述全景轴运动加速度，startVrot为所述旋转轴初始速度，startAngle为所述旋转轴开始扫描的起始角度，Radius为所述CBCT旋转中心到所述牙弓曲线的距离，Movelong为所述全景轴运动距离。
5.根据权利要求4所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，其中，所述优化模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，g为目标值，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述运动轨迹坐标中的坐标点在Y轴，即所述全景轴方向上的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为所述牙弓曲线坐标中的坐标点在Y轴，即所述全景轴方向上的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为所述运动轨迹坐标中的坐标点和所述牙弓曲线坐标中的坐标点之间的欧式距离。
6.根据权利要求5所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，所述约束条件包括所述CBCT全景轴的最大运动速度、最大运动加速度和最大运动距离，所述CBCT旋转轴的最大运动速度、最大运动加速度和最后扫描的终止角度。
7.根据权利要求6所述的牙科CBCT全景运动轨迹的优化方法，其特征在于，其中，采用最小二乘法根据约束条件和所述优化模型计算得到最优运动轨迹。
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