（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程义齿冠桥设计方法的研究.pdf

中文摘要 本文在基于特征的义齿单冠设计技术基础上，针对三单元固定冠桥的计算机 辅助设计理论与方法进行了探索，形成了一套完整的冠桥设计路线。文章主要包 括以下几个方面内容； 1 、根据患者牙冠表面特征，利用三维机械式扫描仪扫描患者牙列模型，并对扫描 数据进行重构，获得用于冠桥设计的原始数据。在扫描过程中，采用多角度扫 描，避免了盲区的影响，为冠桥设计提供了准确的依据。 2 、根据缺失牙原始邻牙整体特征和对胎牙胎面特征信息，用“整体特征曲线”限 制桥体的位置和整体尺寸，通过胎特征曲线调整桥体咬合面形态。最后利用 咬合干涉法，对胎面的过接触区进行微调，使桥体与对胎牙处于正常对殆位 置。 3 、根据从基牙、原始牙上获得的原始数据逆向构建固位体内外表面几何模型， 使重构后的固位体的内外表面形态保持基牙和原始牙的形态，从而保证固位 体与邻牙正常的接触。通过连接体将固位体和桥体连接成三单元固定冠桥。 4 、采用有限元分析方法分析连接体的截面积及形状对冠桥的影响，通过调整几 何参数，确定连接体的形状和面积大小，在一定程度上实现了优化设计。 关键词：逆向工程义齿冠桥数据重构有限元 a b s t r a c t 1 1 呛t h e o r ya n dm e t h o d so fc a d f o rt h r e e - u n i tf i x e dp a r t i a ld e n t a lp r o s t h e s i s c r o w l lb r i d g ea l t es t u d i e d , w h i c hi sb a s e do nt h ed e s i g nt e c h n o l o g yo fs i n g l ed e n t a l p r o s t h e s i sc l o w nb r i d g ed e s i g n a ni n t e g r a t e dr o u t eo ft h ed e s i g no fc l o w nb r i d g ei s p u tf o r w a r d 1 1 l cm a i nw o r ko f t h i sp a p e ri s 鄙f e l l o w s ： f i r s t l y ，t h r e e - d i m e n s i o n a lr o t es c a n n e ri su s e df o r t h em o d e lo f t o o t hb a s e do nt h e f e a t u r eo ft o o t hc l o w ns u r f a c e ，a n dt h es c a n n i n gd a t ai sr e c o n s t r u c t e d ，t oo b t a i nt h e o r i g i n a ld a t af o rt h ed e s i g no fd e n t u r ec l o w nb r i d g e i no r d e r t oa v o i dt h ei n f l u e n c eo f i n v i s i b l ea r e a , v a r i e do r i e n t a t i o ni sa d o p t e di nt h ep r o c e s so fs c a n n i n g ，a n dt h i s p r o v i d e st h ee x a c tr e f e r e n c ef o r t h ed e s i g no f e r o w nb r i d g e s e c o n d l y , t h ep o s i t i o na n dd i m e n s i o no f t h ec t o w nb r i d g ei sl i m i t e dw i t h i n t e g e r f e a t u r e 刚p i nt e r m so f t h ef e a t u r e so f t h en a t u r et o o t ha n dt h em e s h e dt o o t h a n d t h ec l o w nb r i d g eo c c l u d es u r f a c es h a p ei sa d j u s t e db yc h i nf e a t u r ec l t l r q e t h e nt h e t a n g e n ta r e ao f c h i ni ss l i g h t l ya d j u s t e dw i t hm e t h o do f i n t e r f e r e n c e ，w h i c hm a k e s t h e b r i d g ea n dt h et o o t ho f c h i ni nt h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n t h i r d l y ，b a s e do i lt h eo r i g i n a ld a t af r o mb a s i ct o o t ha n dl l a t u r et o o t h , g e o m e t r y m o d e lo ft h ei n t e r i o ra n de x t e r i o rs u r f a c eo fr e t a i n e r si sc o n s t r u c t e d , k e e p i n gt h e n o r m a lt o u c hf o rr e t a i n e r sa n dt h en e x tt o o t h , a n dt h r e e u n i tf i x e dc r o w nb r i d g ei s b u i i tw i t hr e t a i n e r sa n dl c o n l l e c t o r $ f o u r t h l y , t h ee f f e c tf a c t o r sf o rc l o w nb r i d g ei sa n a l y z e db ym e a n so ff e m t h r o u g ha a j u s t i n gt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，t h es h a p ea n dd i m e n s i o no fe o n n e e t o ri s e o n t t r m e d ，a n dt h ed e s i g no p t i m i z a t i o ni sa c h i e v e d k e yw o r d s r e ，d e n t a lp r o s t h e s i s ，c l o w nb r i d g e ，d a t ar e c o n s t r u c t i o n ，f e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳参丰匆签字日期：7 6 年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 巧够怕 签字日期：叩5 年月l6 日 导师签名：荔印 签字同期：山。i 年l - j 9 ，莎日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 牙体缺损、牙列缺失是口腔常见的疾病，会给患者带来很大的痛苦，缺牙修 复是解决这一问题的有效方法。义齿为代替缺牙的人工牙，义齿的常规制作过程 具体分为【1 ：基牙预备，印模，蜡型的制作，蜡型的包埋和铸造，铸件的切割和 打磨，金属支架的试合，比色，烤瓷，烤瓷冠桥修复体的口内试戴和粘固。这种 制作方法尽管技术要求不是很高，但具有工序烦琐，制作周期长且精度不高等缺 点。作为牙列缺损修复的主要方法之一，义齿在过去的几十年当中取得了迅速的 发展，而且在今后随着需求量的增加，这种修复方法会得到更大的发展。修复材 料、制作工艺、临床应用等几个方面在目前固定义齿修复当中发展很快。其中， 修复后的美观方面在义齿设计制作时的要求有所提高，固定义齿修复的重点逐步 转移到美观、自然的设计制作中。尽管如此，义齿修复还是存在很多的不足之处， 特别是难以满足临床一次性就诊的要求。常规的牙齿修复是依靠医生或技师的手 工操作，完成一次牙齿修复需要多次就医，反复修改，这些不但要花费患者很多 资金，浪费大量时间，而且也给医生带来很大的工作强度。全国牙病防治指导办 公室提供的信息表明，我国目前有三十亿颗病牙需要医治。传统的义齿制作方法 已经不能满足巨大的工作量的需要。一种新的义齿的设计方法可以有效地解决这 个问题，这种方法就是义齿c a d c a m 技术。义齿c a d c a m ( 计算机辅助设计 与制造) 技术是口腔医学、解剖生理学、自动控制、数控加工技术、计算机图形 学等多学科的结合，利用计算机技术，在虚拟的环境下设计义齿冠桥，完成义齿 冠桥的数字化的几何模型的构建。 近年来市场上出现不少义齿c a d c a m 系统，但由于价格昂贵，功能不够 完善，难以在临床推广使用。自2 0 0 0 年起，本课题组便着手义齿c a d c a m 的 设计研究工作，先后完成了单冠义齿的设计和单冠义齿数据库的建立。本文就是 在此基础上进行的三单元义齿冠桥的设计，经过一年多的研究已初现成效。由于 牙齿表面形状的特殊性，所以义齿的c a d c a m 与其它产品的设计过程不同， 在某种意义上讲要借助于逆向工程技术，反求出义齿冠桥的几何模型，然后再通 过常规的正向设计的方法进行冠桥的设计。 第一章绪论 1 2 义齿c a d c a m 系统的发展状况 早在7 0 年代国外就开始进行义齿c a d c a m 的理论研究，8 0 年代开始研制 义齿c a d c a m 系统，经多年研究开发，义齿c a d c a m 技术在国外已得到广 泛应用，但系统的功能还有待完善。国际上许多大公司正致力于开发各种义齿设 计制作的c a d c a m 系统，较为著名的有德国的c e r e c 系统、法国的d u r e t 系 统、美国的r e k o w 系统。c a d c a m 技术制作冠桥可以显著的缩短设计和制作 过程，极大的提高工作效率，提高修复质量。但是由于几何模型很难建立、每 个病人的牙齿排列及上下颌咬合关系不同，所以需要进行个体化设计，更是增加 了设计难度。 国际上销售的义齿c a d c a m 系统约有l o 多种类型，就系统特性而言可将 其分为二大类，一是供技工使用的仿型制造系统，二是供医生使用的椅旁 c a d c a m 系统。下面是几种主流的义齿c a d c a m 系统。 1 、d u r e t 系统【2 】 该系统是法国m a r s e i l l e s 大学牙医学院d r ed u r e t 领导的研究小组研制的， 最后由法国里昂s o p h a b i o e o n c e p t 公司开发完善。该系统由三个相互独立的部分 组成：获取数据的摄像部分，设计修复体的c a d 部分和加工研磨部分。可以加 工修复体的类别有全冠、嵌体、烤瓷基底。最近几年着重开发研制下颌运动跟踪， 用于下颌功能运动数据化及咬合分析。其另一特色是计算机为开放式的，可同时 进行其它工作，如记录，应用专家系统诊断等。该系统的设计自动化程度适中， 需要使用者参与修复体的设计，以人机对话的方式完成。使用者必须要辨别冠边 缘的标志点并且对修复体的设计提供智能性输入指令。该系统取“光学印模”时间 在5 m i n 之内，修复体的设计需时约5 0 m i n ，修复体的切削加工制作需时3 0 m i n ， 总需时在9 0 m i n 左右。该系统加工出的各类修复体精密度良好，公差约在5 0 1 m a 8 0 1 u n 之间。近来，d u r e t 又推出一种共用一套c a d c a m 系统的几个单独的自 动摄像机用于临床记录数据印模。 2 、r e k o w 系统 该系统是由美国m i n n e s o t a 大学r e k o w e d 等人研制的，该系统获取数据的 光学摄像部分有两种类型：激光扫描测量和立体照像。数据获取都应包括牙预备 体形状、邻接点、对殆牙的咬合面及下颌运动的数据。三角测量法在石膏模型上 进行，用一低功率的激光器逐点扫描石膏模型表面，产生模型表面的三维面图形。 其x 、y 、z 轴的精度为士8 岫。立体照相通过- 5 5n l i t i 镜头的3 5i n l n 普通照相 机，在镜头上安装一杆状的1 0i n 1 直径咽喉放大镜。咽喉镜前端装有棱镜，可 提供与镜头长轴为9 0 0 的视野。通过两个相邻的高精度相机，照下相同部位的一 第一章绪论 对图像的每一半，摄取成对的立体像片。该方法精度为士1 0p m ，但繁琐，不易实 现。计算机接收到数字信号后，其c a d 软件可完成修复体的全自动设计。五轴 精密铣床加工出合金或陶瓷的修复体，其设计精度为3 5 岬。 3 、c e r e c 系统 c e r c c3 d 系统是典型的椅旁型c a d c a m 系统的代表，如图l l 所示，其使 用计算机将修复体设计制作的反复过程简化。通过三维摄像头将已预备好的所需 修复的牙齿及邻牙的影像和三维数据采集到计算机中。在计算机的帮助下，在屏 幕上迅速完成所需修复体的设计，然后通过系统的数控加工单元将所需修复体加 工制作出来。全部过程用时3 0 - - 6 0 分钟。该系统带有多套标准牙数据库，可根 据需要进行选择。 图i - 1 c e r e c 系统 义齿的c a d c a m 技术是多种技术的结合，它将传统的单纯依靠经验手工 制作的方法转变为运用光机电等设备进行自动加工，使制作过程不再具有盲目 性，增强了患者的治疗信心【3 】。它将应用材料获取“物理印模”和牙冠的“物理模型” 技术转换为应用光电原理和数字化处理技术获取牙冠的几何模型。将应用材料制 作修复坯型( 蜡型或塑料型) 转变为依靠几何模型上的修复体设计约束条件数据 来调整、修改相应的标准牙冠的数据，以自动形成适合患者的修复体数据模型。 将人工的金属、陶瓷铸造技术、填充技术制造修复体转变为依靠计算机图形信息 形成的控制指令，控制数控机床自动铣削出修复体。 就目前的技术水平而言，义齿c a d c a m 系统主要包括数据获取、数据重 构、义齿c a d 、义齿c a m 几大部分。而数据获取、数据重构是通过逆向工程 技术获得的。 1 3 逆向工程及其实现技术 逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g 简称r e ) 是机械设计与制造应用领域的 第一章绪论 一个重要分支，在义齿的设计和开发过程中，利用逆向工程技术可以极大地缩短 产品的开发周期，减少开发费用。在产品开发和制造过程中，很多情况下设计和 制造者没有图纸或c a d 数据模型，而是对实物进行仿制或改造。对于一些形状 复杂的物体，例如流线形的物体，汽车外形，雕刻品，模具、义齿等直接建立 c a d 模型是相当困难的。为解决这些问题就要找到一个有效的途径，将实物转 化为c a d 模型，以便充分利用先进制造技术。一般地，逆向工程是指在没有产 品原始图纸、文档或c a d 模型数据的情况下，通过对已有实物进行测量分析， 得到产品数字化模型，应用数据重构的方法，反求出产品的几何模型，从而复制 出产品的过程。与这样从实物样件获取产品数字模型相关的技术，已发展成为 c a d c a m 中相对独立的一个范畴，称为“逆向工程”或“反求工程”。 逆向工程在实践中有广泛的需求。例如：汽车、摩托车等复杂产品的外形修 复与改造，人体学产品的设计等。因此，这项研究具有广阔的研究前景。尤其对 于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、医学等产品的快速c a d 设计与制造的 水平，增强产品设计与制造的高新技术含量，提高产品的市场竞争力，具有重要 理论意义和经济价值。 虽然逆向工程技术在国内外得到广泛的研究，并有相应的设备和软件推出， 但目前公开发行的有关曲面重构的软件还是以国外为主，而这些软件在使用过程 中还是有定的局限性。国内尽管有许多专家学者在这一领域作了大量的研究， 但由于曲面重构涉及的因素非常复杂，其中一些关键技术还没有得到很好的解 决，比如：在复杂曲面的测量规划、测量数据处理、c a d 模型创建及其它 c a d c a m 系统集成等方面还有待于更进一步的深入研究，对曲面重构技术的研 究，不仅对提高我国制造业的整体水平有重要意义，更重要的是对提高我国软件 水平和制造业在国际市场上的竞争力，具有重要的推动作用。 作为新产品开发、消化和吸收先进技术的重要手段，逆向工程技术是2 0 世 纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所和美国u v p 公司提出并 研制开发的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品 开发周期和增强企业竞争力的主要位置上。一些重要的国际和国内的学术会议都 将逆向工程及相关技术的讨论作为一个重要的会议专题。 相对于逆向工程而言，传统的设计称为正向设计。正向设计都是根据功能和 用途来设计产品，得到图纸或c a d 模型。然而在很多情况下产品的初始信息不 是c a d 模型，而是缺乏相关技术资料的实物模型，如果在这种情况下对产品进 行批量复制，就必须用到逆向工程。在机械领域中，逆向工程设计的全过程是： 准备好产品的实物或模型，首先进行数字化处理，测量出模型表面的三维坐标数 据，然后重构出产品的c a d 的数字化模型、生成曲面模型，实体模型，经过模 第一章绪论 型功能、结构的分析与改进，并以此为依据生成数控加工的n c 代码，加工复制 出一个相同的零件。三维c a d 实体模型的建立是整个逆向工程的核心所在。逆 向工程是缩短产品开发周期，实现快速制造的途径之一，尤其在形状复杂的物体 或由自由曲面组成的物体的开发研制中应用最广。 逆向工程在生物医学工程方面应用也非常广泛，如在骨骼、义齿等领域的应 用，尤其在口腔修复方面的应用。在口腔修复方面，由于牙齿的表面形状复杂， 要自行设计义齿必须经过多次设计和实验。传统的口腔修复工作也是逆向工程， 但是，它是利用医生或技师的手工操作，生产周期长，工作效率低，患者要完成 一次义齿的修复要经过很多次的就诊，这样不仅浪费患者的时间，同时也给医生 增加了劳动强度，而且也很难保证义齿的制造精度。利用逆向工程技术，根据患 者牙列模型直接反求出义齿的数字化模型，然后进行个性化结构设计，可极大地 缩短设计周期。 本论文利用计算机技术，将逆向工程应用于冠桥设计。利用u g i m a g r w a r e 软件进行冠桥设计c a d 系统的二次开发，进行三单元固定冠桥的c a d 模型的 设计。基于逆向工程技术设计义齿冠桥具有显著的优越性，在现有缺失牙列石膏 模型的基础上，通过数据获取，数据重构直接反求出义齿冠桥中固位体的自由曲 面，在计算机上直观的观察修复体设计过程及结果，然后进行个性化结构设计。 设计软件界面友好、操作方便，可通过人机交互式修改设计达到合理的设计效果， 极大地缩短了其设计周期。 义齿c a d c a m 系统，目前可加工单冠、嵌体、贴面、固定桥等义齿类型， 加工金属基底冠，全瓷等。修复体的反求建模对预备体的制备、测量、数据处理 和反求有特定的要求。在一般的产品设计过程中，可以根据用户的要求，设计出 图纸进而对产品进行设计，而义齿冠桥不同于一般的产品，义齿冠桥的表面形状 复杂，没有一种软件可以设计出与具体的某个人相同的义齿，所以，我们只有采 用逆向工程技术来设计义齿冠桥。逆向工程技术是义齿c a d c a m 系统的一个 重要分支，它采用数据获取，数据重构来获得患者待修复牙列的原始数据，用来 设计固位体，在此基础上再采用义齿c a d c a m 技术通过正向设计的方法设计 桥体和连接体。 1 4 本文的主要研究内容 本论文应用逆向工程和正向设计方法对义齿冠桥进行设计，通过数据获取和 数据重构把患者牙列石膏模型转化为在计算机上可以处理的数字化模型，在已基 本成熟的单冠义齿设计技术和数据库技术的基础上，就三单元固定冠桥的c a d 第一章绪论 技术路线进行研究，进一步完善系统功能。 本论文的主要内容如下： 1 依据患者牙列石膏模型利用接触式数据获取方式进行数据获取，并对获得 的数据进行重构，得到预备前后牙列的整体点云数据。 2 依据重构后预备前后牙列的整体点云数据，对缺失牙邻牙的点云数据进行 分离，分离所得的点云数据就是固位体内外表面点云数据，在一定的软件条件下， 生成精确的曲面模型，修剪、连接内外曲面完成固位体几何模型的设计。 3 参照义齿c a d c a m 技术中的特征模型技术，确定桥体在牙列中的精确位 置和表面形态及尺寸大小。 4 由口腔修复学知识初步设定连接体，随后应用有限元分析的方法对义齿冠 桥进行受力分析，确定影响桥体承载能力的各参数，并逐步修改相应参数达到冠 桥中连接体的优化设计，完成义齿冠桥的设计。 1 5 义齿冠桥及本文的工作流程 按照义齿的固位方式的不同，口腔修复方法可分为固定义齿( f i x e d p a r t i a l d e n t a lp r o s t h e s i s ) 和可摘局部义齿( r e m o v a b l ep a r t i a ld e n t a lp r o s t h e s i s ) 两种。固定 义齿基本结构类似于工程桥梁结构，故又称为固定桥( f i x e d b r i d g e ) 。固定桥是 由固位体、桥体和连接体三部分组成( 图1 - 2 ) 。它通过固位体与基牙粘固形成整 ab a c ：连接体d ：天然牙( 基牙) 图l - 2 固定桥的组成 体，以恢复缺失牙的生理形态、咀嚼和发音功能。固定义齿所接受的咬合力几乎 全部通过基牙传到牙周支持组织，故其传导力的方式近似于天然牙。在行使功能 时，稳定、固位、支持良好，能恢复因缺失牙而丧失的部分咀嚼功能，咀嚼效率 第一章绪论 高。修复体与原牙列中同名牙大小和形状相似，无异物感，不影响舌的功能活动。 由于固定桥需要通过固位体粘固在基牙上，对桥体基牙的牙体组织切割量较大。 患者不能摘下义齿予以清洁，故在设计制作时，必须确保义齿具有良好的自洁作 用和便于口腔清洁，否则易产生继发龋或牙周疾病。 桥体根据制作材料的不同分为三种类型：金属桥体、非金属桥体、混合桥体。 金属桥体完全由金属加工，其机械性能好。但因颜色有碍于美观，只适用于后牙 固定桥的桥体。非金属桥体是由烤瓷或树脂制成。这类桥体机械性能较差，但颜 色较美观，故适用于前牙桥体。混合桥体即金属与非金属联合桥体，是由金属与 烤瓷或金羁与树脂制成。由于金属部分增加了桥体的机械强度，其非金属部分又 能满足美观要求。因此，前、后牙固定桥桥体均可选用。本文所设计的三单元义 齿冠桥是在加工好的金属桥体上添瓷，然后再烤瓷，最后形成给患者使用的义齿 冠桥。 本文的工作流程如图1 3 所示： 图1 - 1 冠桥设计流程 第二章数据获取与重构 2 1 概述 第二章原始数据获取与重构 数据获取与数据重构是采用逆向工程技术，通过数据获取与数据重构获得待 修复牙列的原始的点云数据。在此基础上再用虚拟设计的方法对固位体、桥体和 连接体进行设计。 数据获取( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是通过特定的扫描设备和扫描方法获取待修复 牙所在牙列的原始点云数据1 4 】。所得待修复牙齿的原始数据为医生或技师制作修 复体所需的必要信息，相当于传统制作过程的印模制取和模型预备。其目的是将 实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信息，为义齿冠桥的设计提供必 要的原始数据。逆向工程中自由曲面的测量方法主要有三种：一是传统的接触式 测量法，如三坐标测量机法；二是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、 全息法、深度图象三维测量法；三是逐层扫描测量法，如工业c t 法、核磁共振 法( m r i ) 、自动断层扫描法等。 2 2 数据获取方法 数据获取是为了获得被测表面上点的三维数据，被测表面的信息是由表面上 点的信息所组成。所以无论是接触测量法、非接触测量法还是逐层扫描测量法， 最终所获得的数据都是被测表面上点的三维坐标值。被测表面的信息就是由这些 具有三维坐标的无数个点组成的点云。 2 2 1 接触式测量 接触式测量法目前主要有基于力一变形原理的触发式数据采集和连续扫描 数据采集等方法。其中触发式数据采集以三坐标测量机( c m m ) 为主。采用该方法 可以达到很高的测量精度，对被测物体的材质和色泽一般无特殊要求，对于没有 复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件，该测量方法非常有 效。其缺点主要表现在：由于该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样 件表面，不能对软质材料和超薄形物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影 响，应用范围受到限制；始终需要人工干预，现在还不能实现全自动测量：由于 第二章数据获取与重构 测头的半径而存在三维误差补偿问题，测量速度慢，效率低。而连续扫描数据采 集法操作简单，成本较低，得到的数据不需经过特殊的图象处理即可直接提供给 c a d 系统进行三维造型。 2 2 2 非接触式测量法 非接触式测量是现代测量技术的一个重要分支。它是以现代光学为基础，融 合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量 技术。相对于传统的接触式测量方法，它具有很多优点：非接触、扫描速度快、 扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。非接触式的方法由于同时拥有 速度和精度的特点，应用较为广泛。激光扫描就是利用激光探测器获取所需部位 信息，通过感光器将光信号转化为数字量，储存于计算机内并在屏幕上显示出模 型三维信息。目前非接触式测量法具有代表性的方法有： 一激光三角法( l a s c rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d s ) 5 1 激光三角形法是迄今逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，三角法的 测量速度很快，其精度取决于感光设备的敏感程度、与被测表面的距离、被测物 表面的光学特性等。基于三角法测量原理的测量方法有很多，根据光源不同，可 分为：点光源法、线光源法、面光源法等。点光源法有些类似于接触测量中的扫 描测量头，结构简单、体积小，易于实现较高的测量精度，但在测量速度上仍显 不足。线光源法( 也称光刀法) 日前使用的较为广泛，早在上世纪7 0 年代中期 p o p p l e s t o n e 和a g i n 等人就首先提出了采用线光源法获取测量物体的三维信息。进 入至v 1 8 0 年代末9 0 年代初，基于光刀法的三维形面测量方法已日趋成熟，出现了一 些实用的产品。但是我国尚没有成熟的激光测量产品面世，还存在性能稳定性低、 测量精度低、配套技术不完善( 测头与三坐标数控系统的接口、自动测量控制策 略) 等缺陷。 二、图像分析法( i m a g ea n a l y s i sm e t h o d s ) 这种方法主要是利用图像的大小、明暗、纹理等信息或体视学法求出被测对 象的三维信息。这种方法得到的深度数据精度较低，某些方法只能得到景物相对 距离的一些模糊概念。图像分析法主要应用于早期的图像识别及作三维景物识别 的场景分析。较有前途的方法是立体视觉法，主要可分为双目视觉方法、三目视 觉方法和单目视觉方法。立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点所 在，国内外众多学者对此进行了深入而持久的研究，提出了大量的匹配算法并进 行了实验验证。如利用外极线约束、相容性约束、唯一性约束、连续性约束、形 状连续性约束、偏差梯度约束等约束条件，减小匹配搜索范围和确定正确对应关 系的原则。三目视觉方法主要是为了增加几何约束条件，减小双目视觉中立体匹 第二章数据获取与重构 配的困难，但结构上的复杂性也引入了测量误差，降低了测量效率，在实际中应 用较少。单目视觉方法只采用一个摄象机，结构简单，相应的对摄象机的标定也 较为简单，同时避免了双目视觉中立体匹配的困难。它又可分为聚焦法和离焦法， 寻求精确的聚焦位置是聚焦法的关键所在。离焦法可以避免聚焦法因寻求精确的 聚焦位置而降低测量效率的问题，但离焦模型的准确标定是该方法的主要难点。 三、距离法( r a n g em e t h o d s ) 距离法是基于向场景发射能量( 如激光、超声波、x 射线等) 、利用特别光源 所提供的结构信息来获取深度信息的技术【4 j 。该方法测距精度高、抗干扰性能强， 实时性强，应用领域非常广泛，较易直接得到被测物体三维轮廓信息。这种方法 较为常用的有相位测量法和飞行时间法。 四、声发射探测【6 j 上述几种方法对于光滑平面能获得较精确的信息，但对于不连续的部位却会 产生失真现象。对于不连续的表面，可以通过分析物体的噪声信号来获得解剖面 的三维曲线信息，这种方法的测量精度很高，避免了不连续平面的失真问题，但 不能避免假噪声信号的出现。 2 2 3 断层扫描法 上述几种测量方法中，致命的缺陷是无法测量物体内部轮廓信息，对于既需 要外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据的场合，尤其是在成型技术中的应用范围 受到较大限制。为了解决这一问题，一个很好的方法就是利用c t 扫描和核磁共 振( m r i ) 技术。 c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，计算机断层扫描) 扫描技术最具代表性的是x 射 线c t 扫描机，这种技术最早是用于医学领域，现在已开始应用于工业领域。这 种方法是目前最先进的非接触式测量方法，它可以对物体的内部形状、壁厚、尤 其是内部结构进行测量。美国的一个主要c a d 供应商i i i 魄g r a l p h 已开发了一种能 够把c t 扫描数据转换成i g e s 数据格式输出的软件。但是这种方法的分辨率较低， 获取数据需要较长的时间，而且c t 的成本高，对运行的环境要求也高。 m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 技术的理论基础是核物理学的磁共振理论，这 种技术具有深入物质内部、不破坏样品的优点，但造价极为昂贵，而且对于金属 物体不适用，目前主要还只是用于人体医学三维测量。除上述描述的测量方法外， 美国c g i 公司1 1 0 3 1 开发了一种专利技术：自动断层扫描仪( a u t o m a t i c c r o s s s e c t i o ns c a n n i n g ，a c s s ) 。利用该专利技术开发的r e1 0 0 0 再生工程系统采用材料 逐层去除与逐层光扫描相结合的方法，能快速、准确、自动地测量零件的表面和 内部尺寸，它的片层厚度最小可达0 0 1 3 m m , 。与工业c t 相比，价格便宜7 0 8 0 ， 第二章数据获取与重构 测量准确度显著提高，且能实现全自动操作。但是这种方法为破坏性测量，对于 贵重零件，则不宜采用，另外测量速度慢，一般零件的测量时间是8 9 d , 时。 上述各种数据获取的手段各具有优缺点，分别适用于不同的场合，在实际使 用中可根据应用的领域、对测量精度、速度的要求以及被测对象的特性加以选择。 另外在某些情况下，单一的扫描过程可能不能够获得所有的数据，需要进行多个 扫描数据的融合。 2 3 数据获取 本论文采用接触式测量中的连续扫描的数据获取方法，该测量方法适用于牙 列模型。这种方式获取数据的数量和精度不如激光等方式，但这种方式操作简单， 成本较低，得到的数据不需经过特殊的图象处理即可直接提供给c a d 系统迸行三 维造型。其工作方式为将测头与待测牙模表面接触，控制测头沿模型断面方向移 动，并由计算机自动记录测头尖端坐标，从而获得牙齿的三维表面数据。 数据获取是为了获取待修复牙列表面点的三维坐标值，也是保证逆向工程精 度的关键，获取数据的准确性是重构实体模型精度的保障。获取的待修复牙齿的 原始数据为医生或技师制作修复体必要的信息。扫描获得的数据以点云的形式存 在，并以p i x 格式存储到计算机中，待做进步处理。 通过数据获取得到的数据为后续固位体、桥体设计等各项工作提供原始信 息。为保证固位体外表面形态与基牙原始形态保持一致，同时满足待修复牙齿与 邻牙的邻接关系，与对胎牙的对颌关系以及美观等要求，扫描所得原始数据必须 完整。 上颌牙石膏模型 预备前下颌牙石膏模型 预备后下颌牙石膏模型 图2 1 患者牙石膏模型 第二章数据获取与重构 2 3 1 扫描设备及其技术参数 本文所采用的模型是典型患者的牙列模型( 右下第一磨牙缺失) ，包括下颌 牙列预备前后的模型及上颌牙列模型，如图2 1 所示。预备前牙列为患者缺失牙 的原始牙列，预备后牙列为医生将缺失牙的邻牙制备成基牙以后的牙列。所采用 的扫描设备是r o l a n d - - - 维机械式扫描仪，其技术参数及坐标定义分别如表2 - l 、 图2 - 2 所示。 表2 1 扫描仪技术参数 型号 p i x 3 0 传感器r o l a n d 动态压电传感器 扫描方式机械探针式扫描 扫描精度x 、y 轴0 0 5 m m ，z 轴0 0 2 r a m 扫描范围 】【 z 】3 0 4 8m m x2 0 3 2m i n 6 0 5m m 可导出文件格式 d x f ，v r m l 、s t l ，3 d m f ，b m p ，g r a y s c a l e ， p o i n tg r o u p 图2 - 2r o l a n d 扫描仪坐标定义 2 3 2 扫描顺序及角度的选择 无论是接触式或非接触式的测量方法，希望通过一次定位来完成样件所有表 面的数据获取是困难的，通常的做法是从不同视角对样件进行多次扫描，然后将 从各个视图得到的点云集合并到一个公共的坐标系下，从而得到一个完整的点云 第二章数据获取与重构 数据模型。 本文采用的扫描仪只能扫描到探针接触到的区域，而人类牙齿形状复杂且存 在倒凹区，所以不可避免的存在扫描盲区，为得到模型的各部分数据，需要调整 模型角度进行分区扫描i _ ”，为了便于后续的数据处理及开发应用，本文重点对模 型扫描角度及顺序进行了规划。 由于一个物体有六个方位，如图2 3 所示。对于缺失牙来说一方位要与牙床 表面重合，所以对于缺失牙要获取五个方位的信息。这五个方位的信息要通过扫 图2 - 3 牙的五个方位 描同侧余牙的方法获得。对于下颌牙预备前后牙列模型而言，初步设定扫描牙列 胎面、缺失牙邻牙唇颊面、缺失牙邻牙舌腭面、下颌第二前磨牙远中面、下颌第 二磨牙近中面等五个表面，因为这五个表面扫描的数据均与缺失牙有关。下颌第 二前磨牙远中面与缺失牙的近中面相邻，下颌第二磨牙近中面与缺失牙的远中面 相邻，扫描得到的数据可以用来约束缺失牙近远中面的局部几何形状。 图2 - 4 、图2 - 5 为扫描缺失邻牙的示意。牙列殆面的数据正是限制缺失牙铪面 的主要依据。缺失牙邻牙唇颊面、缺失牙邻牙舌腭面、是控制缺失牙y 轴尺寸的 基础条件。所以在扫描的时候，至少要扫描这五个面，才能完整地反应缺失牙的 形状特征。由于牙列胎面特征最为复杂、明显，且该面与其它四面均有衔接， 所以首先扫描颌面，以便在后续几个面的扫描范围和角度确定时尽量寻找与胎面 具有较多的共同特征区，在点云数据重构时能获得足够多的共有特征点，有利于 特征点的查找，为数据的拼合提供原始基础。在其余四面中，缺失牙邻牙颊面、 缺失牙邻牙舌面特征均较为明显，且与胎面和近远中面的共有特征区较多，可在 第二章数据获取与重构 拼合过程中起到承前启后的作用。扫描过程中，扫描顺序对数据重构没有影响， 但是为了后续拼合时各面能有更多的共同的特征点，可以根据具体牙歹f j 模型来确 图2 - 4 扫描邻牙近中面 定扫描顺序。 图2 - 5 扫描邻牙远中面 扫描上颌牙石膏模型时仅需扫描其与缺失牙对铪一侧即可，扫描区域分为验 面和颊面，二者亦无先后顺序而言。 在扫描缺失牙牙列颌面时，将牙列按正中对袷位置固定在扫描仪工作台上， 颌面朝上，缺失牙的近远中径尽量与扫描仪x 轴平行，颊舌径尽量与y 轴保持平 行。扫描缺失牙邻牙唇颊面( 如图2 6 所示) 及舌腭面( 如图2 7 所示) 时，根据殆 面所得信息调整扫描范围，使被扫描区既涵盖所需模型区域又保证其与胎面有足 够的共同特征区，扫描此二面时牙列x o y 面与扫描仪y o z 平面呈9 0 0 角，与x o y 平面大致呈3 5 。4 0 0 角，以避免产生扫描盲区。扫描其余两个区域时，保证牙列 图2 - 6 扫描唇颊面 图2 - 7 扫描舌腭面 第二章数据获取与重构 x o y 面与扫描仪x o z 平面呈9 0 。角，而与x o y 平面大致呈3 5 。4 0 。角，如此既保 证了扫描区域的完整又避免了扫描盲区。 2 4 点云数据重构 点云数据重构的目的是为了根据扫描所得的分区的点云数据创建信息完整 的预备前后牙列的整体点云数据模型，用以构建固位体曲面复杂的c a d 模型。 2 4 1 点云数据预处理 在进行数据重构前首先要对扫描所得的数据进行预处理，预处理的目的是去 除那些数据重构时不需要的数据和排除噪声数据。本文采用p i x f o r m 图形处理软 a ) 多余数据的删除 ”噪声数据的删除 图2 - 8 点云数据预处理 1 5 第二章数据获取与重构 件作为数据处理平台，该软件与r o l a n d 扫描仪相匹配，可支持多种数据格式。在 逆向工程中，扫描后的各分片数据均以点云的形式存储在计算机中。由于自动测 量所得到的点云数据十分密集，采集点的数量一般都很大，数据存在大量冗余， 不可避免地会包含不合理的噪声点，而且在数据的分区扫描中存在着仪器校准、 扫描范围设定等多种因素的影响，所以不可避免地引起误差，无法直接用于曲面 构造。过滤掉噪声点是逆向工程中数据处理的基础，最简单的噪声数据和冗余数 据的去除和减少方法是选定噪声数据和冗余数据利用软件中的功能键直接删除。 通过图形显示判别明显坏点和不需要的数据点，将这些点删除。如图2 - 8 所示， 其中深色点云数据为噪声数据，即是将被删除的点云数据。 2 4 2 点云数据局部重构 扫描所得的数据是分片的各个区域的数据，为得到完整点云数据，需对各分 片数据按一定顺序进行拼合 7 1 。拼合时需寻找尽可能多的共同特征点，如颊舌尖、 外形高点、窝沟等。图2 - 9 给出了下颌第二磨牙远中面与其殆面拼合的示意，在 第二磨牙的远中面上选取与胎面共有的特征点，再在同一个牙的胎面上选取相 图2 - 9 点云数据拼合 同的特征点，然后将两个点云数据合并到一起，并进行误差分析，满足要求的情 况下将两个表面合二为一，否则重复上述操作，直到满足要求。其余各面的拼合 要根据各面的特点，寻找各面共同的特征点，特征点的数目应该尽可能的多。 拼合后要对拼合的两个表面进行误差分析，误差的大小按拼合表面误差分析 时所显示出来的颜色来判断。如果误差为0 ，则整个拼合表面为蓝色( 如图2 1 0 中深色) ，如果局部有误差存在，那么那个局部的颜色就由蓝色变成绿色或黄色 ( 如图2 1 0 中的浅色) ，如果局部的颜色变成红色，就说明这个局部很少有共同 点存在，那是绝对不允许的，需要重新拼合。按照要求只要拼合表面的颜色是深 第二章数据获取与重构 蓝色或有极少部分是浅蓝色，就表示误差在许用范围内即为合格。如图2 1 0 所 a ) 预备前治面数据 c ) 预备后黔面数据 图2 i o 拼合精度 图2 - 1 1 拼合结果 1 7 协对胎牙治面数据 d ) 对胎数据 第二章数据获取与重构 示，图中尺寸单位为毫米。将拼合的误差限制在允许的范围内后，再将拼合的两 个表面合二为一，合并成一个表面。所以点云数据的局部重构需要反复多次的拼 合，拼合的精度直接影响后续的数据重构的精度。数据的局部重构后，将获得以 下四组数据：患者牙列预备前后的点云数据、对胎数据以及对胎牙袷面数据，如 图2 1 1 所示。 2 4 3 整体点云数据重构 重构后的点云数据模型将成为固位体设计的初始数据，其精度将直接影响到 冠桥中固位体形态。在整个冠桥的计算机辅助设计中，点云数据的重构是建模的 关键。 点云数据重构为固位体的设计提供了先决条件，预备前后牙列中缺失牙邻牙 的点云数据之间相对位置决定了固位体牙冠厚度，固位体冠厚完全由医生预备的 牙体决定，所以首先要根据预备前牙列的点云数据的特征重构预备前牙列的整体 点云数据，然后再根据预备后牙列的点云数据重构预备后牙列的整体点云数据。 在此基础上，将预备前后的缺失牙牙列的点云数据重构到一起，除缺失牙邻牙的 预备前后牙冠之外，其它的牙齿都应该重合，只有这样，缺失牙邻牙的预备前后 的点云数据才是设计固位体所需的点云数据。 桥体胎面设计依据是与缺失牙处于正中对胎位置的对胎牙颌面数据，在已获 得的原始数据中，并没有考虑对颌牙的数据，上下牙列并不处于对胎状态，因此 根据正中对胎信息，需重构上下牙列对胎数据。 以完整的预备前牙列数据模型为基准，首先将预备后牙列数据模型重构其 中，如图2 1 2 所示，为保证重构精度需寻找尽可能多的特征点。与前面局部的 点云数据拼和所不同的是，尽管二者均是在相同的软件环境下进行的，依靠选取 特征点进行匹配，但整体点云数据重构仅是数据空间位置的叠加并非数据的合二 为一。预备前后牙列点云数据重构后缺失牙邻牙的点云数据是冠桥中固位体设计 的前提条件。基牙与相应原始牙的点云数据则决定了固位内外表面的形态。换言 之，冠桥c a d 模型中的固位体外表面形态与