基于双重路径规划的密度峰值聚类三维牙齿分割算法

作     者：李洪安 聂晓慧 杜卓明 张婧 赵志华 惠巧娟 

作者机构：西安科技大学计算机科学与技术学院 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统全国重点实验室 江苏理工学院计算机工程学院 山西水利职业技术学院信息工程系 银川科技学院信息工程学院 

出 版 物：《计算机辅助设计与图形学学报》 (Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：1003[医学-口腔医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

基　　金：虚拟现实技术与系统全国重点实验室(北京航空航天大学)开放课题基金(VRLAB2023B08) 陕西省自然科学基础研究计划项目(面上)(2023-JC-YB-517) 山西省水利科学技术研究推广项目(2024GM13) 2023年度宁夏自然科学基金(2023AAC03388) 

主　　题：牙齿分割 路径规划 密度峰值聚类 凹点匹配 3DSnake 活动轮廓模型 

摘      要：针对当前数字牙科软件中牙齿分割不准确和交互烦琐的问题， 提出双重路径规划下的分段式密度峰值聚类三维牙齿分割算法， 采用凹点匹配原则对牙齿模型进行分割， 简化用户交互操作的同时在一定程度上提高了模型分割的准确率. 首先设计基于双重路径规划算法， 为后续步骤提供稳定的牙齿-牙龈轮廓线; 然后在牙齿-牙龈轮廓线中检测凹点， 根据人类牙齿形态将检测出的凹点分为磨牙附近区域的凹点和切牙附近区域的凹点， 并结合该凹点所处路径上的位置提出分段式的密度峰值聚类对其进行匹配; 对于已配对的凹点执行分裂操作， 按照特定的顺序将分裂后的点重新组合， 生成单颗牙齿的分割线; 最后通过单颗牙齿分割线的最长直径和最短直径的比值， 筛选出不符合条件的单颗牙齿分割线， 利用3DSnake修正牙齿分割线完成牙齿分割. 实验采用400套自采数据进行评估， mIoU达到92.03%. 同时， 在随机抽取的100套Teeth3DS数据集样本中进行测试， 总体失败率为4%. 结果表明， 所提方法在各类牙齿模型上的分割效果优异， 有效减少了用户交互操作的复杂性， 能够在平均20.10秒内完成牙齿分割， 并表现出较强的鲁棒性.