实时高精度牙齿图像测量：面向精准正畸的自动化技术

导读

在精准正畸治疗中，牙齿的实时测量是关键环节，但传统的人工测量方法耗时、易受人为误差影响，并难以适应临床中的动态场景。为解决这一痛点，本文提出了一种基于视频图像的实时自动测量系统，可在头戴相机捕获的快速运动画面中精准识别、跟踪牙套托槽，并实现高精度牙齿位移测量，为未来智能化、自动化牙科诊疗提供重要技术基础。相关成果已发表在IEEE Transactions on Automation Science and Engineering期刊上，全文见https://ieeexplore.ieee.org/document/11271307。

图1 图文摘要

实时牙齿测量：背景与问题

在正畸治疗过程中，医生需要频繁测量牙齿位置变化，以评估治疗进展并制定调整策略。然而，传统方法通常依赖游标卡尺进行距离测量，不仅耗时，还可能因操作角度、光照环境及个体差异而产生误差。随着精准正畸的发展，对更快速、更稳定、更客观的测量方式需求日益增加。另一方面，正畸过程常伴随患者动态头部运动及口腔狭窄、湿润等复杂环境，使实时测量系统面临诸多挑战。

图2 传统使用卡尺测量的临床场景

基于图像的动态实时测量方案

为突破传统牙齿测量方式在精度、效率和舒适度上的限制，本文构建了一套基于视频图像的实时测量系统：通过头戴式轻量相机采集口内牙列视频，将每一帧图像依次送入算法进行检测、跟踪与测量。系统整体流程包括三个关键步骤：首先，利用改进的 YOLOv8 目标检测算法对托槽进行识别，检测过程在整帧图像上运行，并通过置信度阈值筛除不可靠结果，再按托槽在图像中的位置自动区分上颌与下颌，并从左到右排序，得到结构化的托槽列表。其次，采用多目标跟踪算法基于LSTM网络在相邻帧之间持续更新每个托槽的身份与位置，通过利用前一帧的位置信息与运动趋势，在短暂遮挡或部分丢检时仍能保持轨迹连续，从而获得完整的牙弓排列信息。最后，在测量模块中，以当前帧中间位置托槽的像素宽度作为参考尺度，计算相邻托槽之间的像素距离，并结合托槽实际尺寸转换为毫米，同时在多帧中动态更新相邻托槽对的“最大测量值”，以减小由拍摄角度、遮挡及镜头畸变带来的误差；测量结果会以数字形式实时叠加呈现在视频画面上，使医生在检查过程中即可直观获取每一对牙齿之间的精确距离变化。

图3 所提出的基于图像的实时牙齿测量的详细架构

系统性能与临床验证

在60 FPS 的视频输入条件下，托槽识别准确率达到 97%，跟踪过程无丢失现象，测量结果稳定可靠。系统在真实临床病例中表现出高效率，牙齿位移变化可即时呈现，使医生能够更直观、更及时地观察治疗进展。同时，该系统易操作，便于融入标准化正畸流程。

图4 患者1里程碑0的3个样本帧的测量结果

总结与展望

本研究的实时图像牙齿测量技术为口腔数字化与智能化奠定了重要基础。系统通过头戴式 RGB 相机实现托槽的自动识别、跟踪与高精度测量，能在60 FPS的动态场景中保持0.01 mm级分辨率，适用于频繁复诊的正畸场景。未来，该方法有望与VR等数字技术结合，支持多维度可视化分析，并进一步整合患者多源数据，推动牙科从手工测量迈向自动化、智能化，提升诊断效率与精准度，拓展在更复杂病例中的应用潜力。

王亚虹 供稿