国产口腔修复CAD_CAM系统的研究与开发

基金项目:北京市科委重大科技项目基金(H010*********)、国家“863”计划基金(9804222)和国家自然科学基金(39870842)资助项目作者单位:100081北京大学口腔医学院卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心(吕培军、王勇、邹波、赵建江、张震康);北京工业大学机械学院(李彦生)・器材与设备国产化・3国产口腔修复CAD2CAM系统的研究与开发吕培军　李彦生　王勇　邹波　赵建江　张震康【摘要】　目的　开发具有我国自主知识产权的口腔修复体的计算机辅助设计与辅助制作系统。

方法　利用自行研制的3轴三维激光扫描仪获取全牙列28颗标准牙冠的形态数据。

利用Matlab513作为数据处理和程序开发平台,对数据进行处理,同时在牙冠表面定义特征区和特征点并进行各种变换和调整。

用Sur facer1015作为开发平台,进行修复体设计程序的研究与开发。

用国产315轴的数控加工设备进行修复体加工。

结果　建立了国人28颗标准牙冠的三维图形数据库。

开发了咬合形态调整和修改程序。

初步实现了冠修复体的计算机辅助设计全过程并完成了其计算机辅助制作的全过程。

结论　本项实验系统的研制成功表明,我国学者已掌握了口腔修复C AD2C AM的基本理论、数学描述、技术和制造工艺。

为进一步的产业化开发奠定了基础。

【关键词】　计算机辅助设计与辅助制作;　牙冠;　牙测量学3The research and development of CAD2CAM system in restorative dentistry　LΒPeijun,LI Yansheng, WANG Yong,ZOU Bo,ZH AO Jianjiang,ZH ANG Zhenkang.Research Center o f Engineering and Technology for Dental Computing,Ministry o f Health,Peking Univer sity School o f Stomatology,Beijing100081,【Abstract】　Objective　T o develop a dental C AD/C AM system with the autonomic intellectual property. Method　28standard teeth crowns were scanned using a newly32D laser scanner.As a development platform the Matlab5.3were used to process the acquired data,als o be used to define the characterized areas on the sur faces of the crowns and to change the crowns form.The s oftware of Sur facer1015to develop a new C AD s oftware for fixed prosthetics,and the315axis numerical controlled machine to manu facture the prosthetics were used.R esult I t is the first time,the3D graphic data bank of Chinese teeth crowns with a standard form was established.A s oftware of the occlusal adjustment and the form m odification were developed.I t is als o the first time,the authers realized the whole process to use the C AD2C AM for the manu facture of a crown.Conclusion　The success ful result shows,that we have already mastered well the base theory,the mathematics method,the technology of a C AD2C AM system.I t provides the basics for the future development.【K ey w ords】　C om puter aided design2com puter aided manu facture;　Crowns;　Odontometry 20世纪70年代初期,法国学者Francois Duret开创性地将计算机辅助设计(com puter aided design, C AD)和计算机辅助制作(com puter aided manufacture, C AM)技术用于口腔修复体的设计与制作之中。

目前国外已有10余种相关产品在市场上销售[123],其中近年推出的系统占50%以上。

但国内在这方面的研究却仍局限于基础理论和基本方法的探讨阶段[428]。

我们经过多年的研究和不懈的努力,初步开发出我国第一个具有自主知识产权的,用于口腔修复体(冠、桥、嵌体和贴面)制作的计算机辅助设计与辅助制作实验系统。

并成功地用其设计、制作出人工冠修复体。

本项成果部分内容已获得国家专利(专利号Z L1997220475.X)。

材料与方法一、口腔修复C AD2C AM系统组成该系统由数据获取设备、标准牙冠三维图形数据库、修复体设计程序(C AD)、数控加工设备和控制程序(C AM)组成。

(一)数据获取1.三轴牙颌模型三维激光扫描仪(由作者自行研制开发)。

为克服多数激光测量系统存在较大扫描盲区的缺陷,我们在原有的D1012L2Scanner三维激光扫描系统基础上,重新设计和开发了新一代D1022L2 Scanner激光扫描系统。

其主要技术参数为:可扫描空间(90×90×50)(mm)3,机械平移精度(01005±01002)mm,转动精度013°±0101°,光学深度分辨率0105mm,精度011mm,单个模型扫描时间≤12 min。

扫描盲区小于物体表面积的015%。

为适合牙颌模型的几何形态特点和可能具有的倒凹区,我们为扫描仪特别设计了一套独特的机械伺服装置,其扫描工作平台由3个步进电机控制:水平旋转、垂直旋转和水平移动。

在竖盘的前方与其水平转轴等高的位置是点激光源和2个CC D (C oupled Charged Device)镜头,CC D镜头的光轴相互垂直且与激光束成45度角。

进行测量时,固定在竖盘上的模型可在水平和垂直2个方向上产生转动,在水平方向上产生平移,使被测量物体表面分成50层,每层上取1200个数据点,保证了测量的精度。

2.牙颌模型三维激光扫描测量分析系统软件(由作者自行研制开发)。

3.Pentium II300微机。

(二)建立标准牙冠三维图形数据库的方法1.牙冠三维图形处理软件:以Matlab513作为数据处理和程序开发平台,我们自行研制开发了:①牙冠三维数据预处理程序;②牙冠形态变换调整程序。

2.图形数据库的建立:(1)制备标准牙模型:采用我院修复教研室保存的具有国人标准解剖形态的牙冠模型,包括上下颌左右中切牙至第二磨牙,共28颗标准牙。

(2)牙冠数据获取:使用前述3轴激光扫描仪及测量分析软件,将牙冠模型固定在专用底座上。

扫描上牙时唇颊面朝上,扫描下牙时唇颊面朝下,依次完成28颗标准牙冠的扫描。

扫描后需对数据进行滤波,存盘备用。

(3)牙冠数据的预处理:用牙冠三维数据预处理软件读取数据,调整牙冠的位置。

调整的原则是:牙冠长轴与z轴平行,垂直于牙长轴且与其相交的近远中径与x轴平行,垂直于牙长轴且与其相交的颊舌(唇舌)径与y轴平行,牙冠几何中心与坐标原点重合。

调整后获得各牙冠相对标准的三维空间位置。

牙冠位置确定后,即可在牙冠的表面选取特征区,为下一步牙冠表面局部变形做准备。

以Matlab 格式保存为可编辑数据(图1)。

(4)标准牙冠三维形态数据库的完成:由于石膏牙冠模型比天然牙大,因此,要使标准牙冠数据具有普遍性,须用国人平均数据来取代原石膏牙的尺寸数据。

我们采用王惠芸[9]的恒牙测量统计数据中的牙冠冠长、冠宽及冠厚的平均值,输入以代替原有牙冠模型的z、x、y(近远中径、颊舌径和龈　径)值。

用牙冠形态变换调整程序依次处理后,得到28颗比例正确的标准牙冠的图形数据,从而建立了国人标准牙冠的三维形态数据库(图2)。

(三)修复体的辅助设计程序(C AD)在修复体辅助设计程序的研制开发中,采用美国Imageware公司的Surfacer系统作为开发平台,初步完成了修复体设计程序的开发(图3)。

图3　修复体辅助设计(CAD)的工作流程示意图 对患者牙颌模型的精确测量,可同时得到2类数据:即修复体基牙数据和修复体设计约束条件数据。

其中修复体设计的约束条件数据是根据口腔修复学知识,在计算机上提取出的数学描述,它可以用图形的方式进行显示,包括邻牙与对颌牙形状、牙弓形状、上下颌的正中颌位关系等。

而提取基牙颈缘线是为了用于修复体设计中牙冠与基牙的定位和整合。

根据基牙颈缘线和修复体的约束条件,通过调整、修改相应的标准牙冠的数据来为患者设计个性化的牙冠。

具体方法如下:1.对重建后的预备体三维图形,可以选择任意面观的视图,系统可自动识别预备体颈缘,同时允许人工识别,亦可修改自动识别的结果。

自动分析显示基牙在三维重建中产生的误差,从而可以确定修复体内表面的形态数据(图4,5)。

2.根据邻牙及对颌牙的形态数据,设计修复体的近远中径、颊舌径、龈　径、咬合面牙尖及窝沟的位置和形态。

(1)近远中径的确定:预备体近远中的邻牙缺隙侧邻面最突点之间的直线距离为修复体的近远中径。

此为第一约束条件。

(2)颊舌径的确定:连接预备体近远中的邻牙颊面和舌面的外形高点,形成两条曲线,曲线的形状可参照同侧余牙及对侧正常牙外形高点连成的曲线,两条曲线之间的最大距离为修复体的颊舌径。

此为第二约束条件。

(3)龈　径的确定:在矢状面上,通过近远中邻牙牙尖的曲线到预备体颈缘的距离为修复体龈　径的数据,曲线可参照同侧余牙及对侧牙的S pee曲线。

此为第三约束条件。

(4)咬合面牙尖及窝沟位置的确定:在水平面上,分别将近远中邻牙的颊尖、舌尖和中央窝连接成3条曲线,曲线应基本与颊舌侧的外形高点连线平行,而修复体的颊尖、舌尖和中央窝应位于此3条曲线上。