反求技術(shù)在牙列缺損修復(fù)中的應(yīng)用研究

楊瑤　何念哲　史延楓

【摘 要】本文介紹了運用三維掃描技術(shù)反求人體牙列的三維輪廓技術(shù)，探討反求技術(shù)在外科手術(shù)策劃與假體制作中的應(yīng)用意義。描述了如何通過三維掃描技術(shù)獲得三維點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用Geomagic Qualify 對掃描結(jié)果的云點進行處理，完成曲面造型以獲得牙列表面輪廓三維模型。這些技術(shù)為外科手術(shù)預(yù)演習(xí)，復(fù)雜骨骼疾病診斷以及臨床教學(xué)打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】反求技術(shù)；三維投影光柵掃描儀

0.概述

反求技術(shù)是基于實物測量數(shù)據(jù)的計算機輔助設(shè)計，對于外形復(fù)雜的如骨骼、牙齒等異形結(jié)構(gòu)，通過三維成像技術(shù)進行掃描和測量，獲得零件的表面輪廓點云信息，對點云數(shù)據(jù)進行著色、刪除噪點、封裝、填充、簡化多邊形等處理，通過輪廓線的探測和編輯、構(gòu)造柵格、擬合曲面等曲面造型過程，可得到了表面光滑的三維模型[1]～[2]，此模型在外科手術(shù)策劃與義齒等假體制作中有較深遠的意義。

1.主要設(shè)備和材料

三維投影光柵掃描儀，型號為TN3DOMS；Geomagic Qualify逆向軟件；實驗室提供人的下牙列模型作為實體掃描對象。

2.反求技術(shù)運用

反求工程技術(shù)根據(jù)三維掃描儀的原理不同，可分為接觸式和非接觸式。接觸式測量法包括坐標測量機和層去掃描法；非接觸式測量法包括光學(xué)測量和超聲波測量。

本文采用三維光柵掃描儀和Geomagic Qualify對下牙列進行反求設(shè)計，其步驟如下：

2.1三維數(shù)據(jù)采集

用光學(xué)掃描增白劑對下牙列進行增白處理，應(yīng)用三維投影光柵掃描儀對下牙列進行多維掃描，完成實體的三維初步重建圖形（圖1），將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為云點圖并導(dǎo)出，以備進一步處理。在獲取數(shù)據(jù)過程中可能會遇到以下問題：

①選取照明均勻性較好和亮度較高的等作為光源，以減少對圖像的條紋質(zhì)量的影響。

②測量時要外部環(huán)境光均勻且強度合適，以提高測得數(shù)據(jù)的準確性。

③對同一物體表面采用同一型號顯影劑且噴涂時盡量均勻。

④有顏色差異的外表都均勻噴涂顯影劑，以防測量時出現(xiàn)未識別現(xiàn)象；形狀復(fù)雜產(chǎn)生的測量盲區(qū)應(yīng)在掃描后采用軟件進行修復(fù)。

⑤粘貼標記點時應(yīng)當注意參考點之間的距離應(yīng)該互不相同，高低盡量錯開。

⑥測量擺放物體時應(yīng)使被測物體被測面正對掃描儀。

2.2三維數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）將三維掃描的云點圖導(dǎo)入Geomagic Qualify，對導(dǎo)入點進行著色處理。

（2）刪除噪音點、較差的點云邊界、壞死點等。

（3）進行全局注冊，把所有得到的點集合成一個整體。

（4）把所有的點以三個一組的形式形成面，并連接在一起，生成三角網(wǎng)絡(luò)面（圖2）。

（5）進行多幅拼接，即將兩個或者兩個以上的云點圖進行拼接。

（6）將三角網(wǎng)格面產(chǎn)生的小孔進行填充。

（7）再次進行全局注冊和注冊分析，使所有的點形成一個整體。

（8）運用松弛、去除特征、編輯邊界、簡化多邊形等技術(shù)來優(yōu)化點云，處理完后導(dǎo)出點云。（圖3）。

2.3曲面形成

點云數(shù)據(jù)處理完成后進入曲面形成階段，運用Geomagic Qualify軟件自動抽取的零件特征、邊界轉(zhuǎn)換成輪廓線[3]，運用手動編輯輪廓線，并將其進行延伸和編輯，以達到最好的銜接。根據(jù)輪廓線劃分的區(qū)域稱為面板，移動面板使曲面片根據(jù)曲面的形狀劃分均勻，從而得到更光滑的曲面。在每塊曲面片內(nèi)設(shè)置規(guī)定數(shù)目的柵格（圖4），依據(jù)柵格按照NURBS定義擬合成曲面，得到表面光滑的曲面三維圖（圖5）。

3.應(yīng)用

反求技術(shù)可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，可運用于復(fù)雜的牙列修復(fù)手術(shù)，通過假牙等假體進行反求，獲取三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維模型的重構(gòu)，通過快速成型技術(shù)可直接得到原假牙的復(fù)制品，用來代替已經(jīng)損壞或壽命已到的原假牙等假體。

4.結(jié)論

通過對反求技術(shù)在牙列缺損修復(fù)中應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)利用反求技術(shù)可以較好地逆向求解得到異形結(jié)構(gòu)體三維數(shù)據(jù)，為成型技術(shù)的運用打下了基礎(chǔ)，并為醫(yī)學(xué)運用提供了可靠的支撐，提高了醫(yī)學(xué)技術(shù)質(zhì)量。該項技術(shù)具有一定的運用前景。 [科]

【參考文獻】

[1]劉亞雄，李滌沉.反求工程和快速成型在計算機輔助外科手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國臨床康復(fù)，2004.8（26）：5546-5547.

[2]楊玉江.異形結(jié)構(gòu)反求技術(shù)在生物工程制造領(lǐng)域?qū)嶒炑芯縖D].成都大學(xué)，2012：16-20.

[3]胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2009，31（9）：137.