（机械制造及其自动化专业论文）虚拟（牙合）架软件系统和三维可视化研究.pdf

摘要 摘要 在口腔修复、正畸和颌面外科的治疗中，由于口腔修复体大多以间接工艺制 作，牙医为了能使在牙列石膏模型上恢复制成的修复体在戴入口腔后，能与机 体达到形态和功能的协调，一般都需要一个机械装置，以将人体咀嚼器官的结 构和功能在技工室中模拟出来，这样一种机械结构就是目前广泛使用的牙自架。 除了用于修复体的制作外，骀架还被用于教学，以便于学生理解掌握下颌关节 的构造和运动轨迹特征。此外，牙鹄g 也是作各种咬合分析、正畸、正颌外科治 疗的重要辅助工具。 但是以往确定牙架参数及转移颌位关系的方法存在不同程度的精确度低、 操作繁琐的问题，而且用机械殆架模拟下颌运动的功能也有限。在医学影像及 图像处理，计算机辅助设计和制造，逆向工程，网络化等技术长足发展下，国 外学者们开始探索用计算机软件( 即虚拟现实技术) 取代骀架的机械装置，利 用计算机强大的计算能力和图形处理功能再现和分析下颌运动及咬合接触，取 得了一些进展，而国内未见相关报道。 本文就是在此背景下，探索利用虚拟现实技术模拟实现人体口腔系统的结 构和功能，以期完全取代机械牙自架，促进医学口腔修复以及相关领域的发展。 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 验证了采用a r c u sd i g m a 系统转移颌位关系的可信度，包括采用 a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪测定黯架参数的误差、测量误差所导致前伸 张误差以及采用a r c u sd i g i i l a 系统转移颌位关系所导致非正中牙旨误差的大小。 ( 2 ) 利用医学影像，激光扫描等技术获取患者颅骨部分数据信息，运用图 像处理技术和计算机图像学技术对其进行三维重建。 ( 3 ) 通过软件虚拟现实技术实现了静止和下颌运动状态下对关节及牙列三 维数字模型的动画模拟、接触点检测、多角度观察及断层观察：尝试了对牙台平 面、黯曲线、螺旋轴等骀学概念的定义和显示。建立了虚拟骀架的雏形，初步 实现了虚拟骀架的显示和运动模拟功能，为虚拟牙自架系统的进一步研究奠定了 基础。此外建立了患者牙自架模型数据库( 包括骀的三维模型数据和运动轨迹数 据) ，为以后牙自架软件的网络发布和牙体的远程设计初步奠定了基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 数字牙自架的继续研究探讨 关键词：牙自架；虚拟黯架；下颌运动：咬合接触 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i n 血ep r o c e s so fo r a lc a v 畸r 印a 址a b n o r i n a l i 母蛐e n d i n ga n df 址es u l 售i c a l 血e r 印y ， b e c a u s ec a v i l yr e p a rb o d yi sm o s t l ym a d eb yi r l d i r e c tc r a f t w o r k ，f o r 廿i es a k eo ft h a t ，t h er e p a i r b o d y ，w h i c hi sm a d eb yt o o t l 吐e rp l a s t e rc a s t ，w h e nw o r ei nm o u t h ，c o u l db eu n i s o n o u sw h n b o d yi nf o r ma n d 凡n c t i o n ，d o c t o f su s u a 玉l yn e e dak i n do f m a c h i n et 0s t i m u l a t e 也es t r u c t u r ea n d f u n c t i o n o fh u m a nb o d y sm a s t i c a t i n g 印p 缸a t u si nt h el a b ，粕do n eo ft h i sk i n do fm a c h i n e w i d e l yu s e dn o wi sa r t i c u l a t o r b e s i d eu s e di l lm a k i n gr e p a i rb o d 弘a r t i c u l a t o fi sa p p l i e dm t e a c h i n ga sw a l l ，s o a st oa v a i ls t u d e n t st o c o m p r e h c n dt l l es t m c t u r ea n dm o v i n gt r a c k s c h a r a c t e ro fm a n d i b l ej o i n t m o r e o v e r ，a m c u l a t o ri s “s ou s e d a na s s i s t a n tt 0 0 1o fd i f r e r e n t o c c l u d i n ga n a l y z e s ，a b n o m l a l 锄e n d i i 培，a r l dj a wr e p a i rs u 唱i c a lt l l e r a p y h o w e v e r ，f o 丌n e rm e t h o d s1 1 s e di nc o n f l n n i l l ga r t i c u l a t o rp a r a m e t e r sa n dj a w sr e l a t i o n s h i p t r a n s f e r r i n gh a v ed i f 诧r e mp m b l e m sb e c a i l s eo f1 0 wp r e c i s i o no rm c o n v e m e mm a n 岫u l a t i o n ， m o r e o v e r ，t h ef u n c t i o no f m a n d i b l em o v e m e n ts i m u l a t i n gb yr n e c h a n i c a la r t i c u l a t o ri si i m i t c d i n t h ee r ao fg r e a td e v e l 叩m e mo fd i 彘r e n tt c c h n o l o 科，s u c ha s p h y s i ci m a g ea n dp i c t l l r e m a n a g e m e n t ，c o m p u c e r 够s i s 协n td e s i g i la n dm a n u f a c t i l r e ，c o n v e r s ep r o j e c t ，n e t 、v o r ke ta l ， f o r e i g ns c h o l a r sb e g i nt oq u e s tf o ru s i n gc o m p u t e rs o f h a r e ，n a i n e l y t h ev i r c i l a lr e “时，t 0 r e p l a c ea n i c u l a t o rsm a c h i n e ，a n dt h e ym a k eu s eo fc o m p u t e r ss 订o n gc o m p u t a t i o n a lp o w e ra n d n g u r em a n a g e m e n t 如n c t i o nt or e p l a ya i l da n a l y z em 锄d i b l em o v e m e n ta n do c c l u d i n gc o n t a c t ， 觚dm a l ( es o m ep r o g r e s s ，y e tt h e r ew a sn os t 【l d y mn 撕v e u n d e r 廿l i sb a c k g r o u l l d ，m i sa n i c l eq u e s t s 缸u s i i l gv i 血【a 1r e a l i l yt e c h n o l o g yt os i m u l a t eo r a l c a v i t ys y s t e m i cs t 兀j c t u r ea n df u n c 廿o n ，e x p e c t i n gm e c h a n i c a la r t i c u l a t o rc o u l db ec o m p l e t e l y r e p l a c e d ，a n dt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f o r a lc a v i t ym e d i c i n a lr e p a i rt e c h n 0 1 0 9 ya n dr e l a t e d n e i d s t h i sr e s e a r c hi n c l u d e sf o u rp a n sa sf 0 1 1 0 w ( 1 ) w ee v a l u a t e dt h er e l i a b i l i t yo f 也ea r c u sd i g m as y s t e m ，a n dm ea c c u r a c yo f a r t i c u l a f o r p a r 呦e t e r sm e a s u r e db yt h ea r c u sd i g m as y s t e m ( 2 ) w eg a j np a r to fp a t i e mss k u l ld i g i t a li n f o m l a n o nb yu s i n gt h et e c h n o l o g i e so fm e d i c i n a l i m a g e ，l a s e rs c a ne ta l ，a n dm a k eu s eo ff l g u r em a l l a g e m e n tt e c h n o l 。g ya n dc o m p u t e ri m a g e t e c h n o l o g yt or e c o n s t m c tt h es k u l lt h r e e d i m e n s i o n a l l y ( 3 ) b yu s 缸gv i r t u a lr e a l n yt e c h n o l o g y ，w ea n a i y z es 州c 姐dd ”a r n i co c c l u s i o na i l d 髓砒i c t t t 北京工业大学工学硕士学位论文 r e l a t i o n s ，c h e c kt h ec o n t a c tp o i n t s 柚ds h o wf o mv a r i o u sv i s u a la n g l e sa n ds l i c e s w ea i s o 砸e d t od e f i n ea n dd i s p l a yt h eo c c l u s a lp l a n e ，c u r v c s i h e l i c a l 腻i s w ei n s t a l l e dt h ep r i m a r ye d i t i o no f t h ev i r n l a la r t i c u i a t o rs ”t e m ，r e a l i 矗n g 吐1 ed i s p l a ya n dm o v e m e n ts i m u l a t i o nf u n c t i o no fv i r t i l a l a r 七i c u l a t o r ，l a y i n gaf o u n 出吐i o no ft h em o r es m d yo fv 删a r t i c u l a t o rs y s t e m f u r t h e r m o r e ，w e b u - 1 dad a t a b a s ea b o u tp a t i e n ts 积i c u l a t o rm o d e l ，州1 m gt h ep u b l i c a t i o no f a r t i c u l a l o rs o f t w a r e a n dt h el o n g - d i s t a l l c ed e s i g i lo f t o o mb o d yi nm e 劬m ( 4 ) a d v a i l c e dr e s e a r c ho fd i g i 诅1a n i c u l a t o rs y s t e m k e yw o r d s a r t i c u l a t or v i r m a la r d c u l a t o r ；m 锄d i b u l a rm o v e m e n t ；o c c l u s a lc o n t a c t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：基! 虱垫日期：递：堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：戈阀坠 氢短醐 。6 ，6 、l 歹 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 牙( o c c l u t l o n ) 也称咬台，是指上下牙之间的接触关系：咬合作为动词( o c c l l 】d i n g ) 是指上下牙之问的接触动作或者接触过程。牙台架就是用来模拟这种上下牙之间接触 关系的机械装置，因此黯架从本质上讲是一个仿真装置。 机械骀架具备与人体咀嚼器官相当的部件和关节。它通过前期的“影像描记” “1 、“口内咬合记录”。3 或“运动面弓”“等方法抽象出患者下颌运动时的特征量，然 后依此为参数来调节黯架各部件的相对位置，从而达到在口外模拟领运动的目的， 黯架发展至今已有2 0 0 多年的历史了。早在1 8 0 5 年g a r i o t 就研制出一种简单的机 械牙台架，随者科技的进步，其结构也悄然发生着变化，由当初仅能模拟张闭口运动 的简单矛自架，发展到最新一代的全可调牙自架，如图l 一1 所示。机械耠架正朝着功能 越来越多，精度越来越好的方向迈进。随着面弓、描记仪等颌位关系转移设备的不 断出现，机械牙自架对咬合关系的复现得到了不断的加强。牙占架在牙医学领域也扮演 了越来越重要的角色。牙自架除了在口腔修复学中地位举足轻重以外，在牙自学中铰链 轴( 一般认为在作开闭口运动时存在的转动轴，位置不固定，在髁突中心连线附近) 的理论研究、蹑下颉关节运动的研究、牙周病创伤黯的研究，下颌边缘运动的研究， 磨牙症的研究等等领域都充当了重要的辅助作用。1 9 5 0 年b r 丑1 1 s t a d 在他的关于牙周病 创伤黯的研究中指出，牙自架对于牙医学的重要意义如同显微镜对于病理学及微生物 学的重要意义。 随着电子计算机、虚拟现实技术在世界范围内许多行业取得的巨大成功，国外 学者开始研究用计算机软件取代机械黯架的方法，并初步建立了一些虚拟茅j 架系统。 利用计算机强大的计算功能，能够实现对黯及运动特征的实时、定量分析：输入相 关参数，虚拟牙鹄g 系统可以更逼真的模仿生物组织的生物力学特性，克服机械张架 的局限性。虚拟胎架系统的研制开发，已经成为今后口腔医学发展的一个重要方面， 将极大地促进口腔生理、修复、正畸等各学科的发展。国内在这方面还没有相关研 究报道。 1 2 传统的机械牙合架 1 2 1 简单牙台架 简单黯架叉称为不可调节牙台架( na 由u s t a b k 叭i c u l a t o r ) ，只能满足重现正中 关系位这样一个要求。简单黯架又可分为单向运动式和多向运动式两种。 关系位这样一个要求。简单黯架又可分为单向运动式和多向运动式两种。 北京工业大学硕士学位论文 1 2 1 1 单向运动式殆架由上下颌体架环和一个铰链转动轴组成。它能模拟下颌的 开闭运动，但其铰链位置并非由患者转移过来，因而其开闭弧与患者的铰链开闭口 弧并非等效。 1 2 1 2 多向运动式骀架 ( 1 ) 固定髁导的多向式胎架：按正常人平均值设定固定的髁导和切导，以此引导 前伸，侧方运动。此种牙台架同样未曾转移患者的铰链轴位置，其设定的髁导和切导 与患者实际的髁导和切导之间也存在差异。 ( 2 ) 自由运动式骀架：在上、下颌体的连接部位有弹簧结构，使上、下颌体间可 在弹性范围内自由活动。这种牙台架可用于牙列种大多牙齿尚存的病例，利用真牙牙 间斜面作为制导因素控制运动。 1 2 2 半可调节牙台架 半可调节黯架都配备有面弓，能将实测得的或者按经验平均值定位的患者铰链 轴位置转移到牙岔架，从而使牙列模型在骀架上的开闭弧与患者的铰链开闭弧相吻合。 通过描记仪测值和前伸颌位蜡殆记录，可将患者的前伸髁道斜度转移到牙台架上，形 成与患者个体特征相近的前伸髁导。在大多数半可调节黯架，非工作侧侧方髁导斜 度值是根据h a n a u 的经验公式由前伸髁导斜度值推算确定的，且工作侧髁球多采用 锁定成原地转动的构造设计，其转动角度受非工作侧髁导的制约。这些构造性能使 半可调节骀架能重现个体的正中关系位和铰链开闭口，同时也能近似地模拟个体的 其他各种下颌运动特征。 1 。2 3 全可调节牙台架 如图1 1 所示，这类骀架优于半可调节骀架的特点有： ( 1 ) 用配套地面弓记录患者地下颁三维运动特征并转移到牙台架上。 ( 2 ) 黯架的髁间距可调，以模拟个体的颅颌宽度特征。 ( 3 ) 牙自架具备形成曲线髁导的可能性。准确模拟机体的髁导特征。有的全可调节 牙台架用可塑的自凝脂填入矛台架和切导盒，以运动面弓记录的患者下颌的三维运动轨 迹引导髁球和切导杆作各方向运动直到树脂凝固，于是获得不规则曲面的髁导和切 导。 ( 4 ) 侧髁导结构可互相独立的进行调节，以表现个体工作侧髁突运动的特征。在 模拟如迅即侧移之类的运动特征时，还需要具备“正中锁闩”装置以确保最基本的 重现下颌正中关系位的要求。 第l 章绪论 圈1 1 机械颌架 f i g 1 lm e c h 明i c a la r t i c u l a t o r 1 。3 利用传统的机械牙合架模拟下颌运动的过程 1 3 1 颌位转移设备 面弓和描记仪是在颌位关系转移中经常用到的两种设备。面弓( f 犯eb o w ) 因其形 似弓，用于在颅面部记录和转移颌位关系而得名。许多描记仪( p a n t o g r a p h ) 也因具有 相似的外形结构而被称为“运动面弓”，而两者的用途和用法有很大差别，但经常配 合使用 ( 1 ) 运动面弓运动面弓是记录颌运动轨迹的最常用的一种仪器。运动面弓的工 作原理是：将插板固定于外耳前方，面弓固定于下颌，面弓上对着描板设有描针， 与描板轻轻接触，描针经过多次调整而对准选定的髁突标志点( 如铰链轴点) ，当下 颌运动时描针就在描板上画出下颌与描针针尖相对应的特定点的运动轨迹。把运动 面弓的描记针、描记板固定于外耳孔下方，可以近似测量髁突的运动轨迹：把描记 板、描记针固定于切点( 下中切牙近中切角间的一点) 附近，又可以测量切点的运 动轨迹。迄今对髁突运动规律的了解大部分来自用描记仪所作的研究。 ( 2 ) 面弓转移利用运动面弓测定( 或用经验法) 铰链轴点后，需将铰链轴点与 上颌之间的三维位置关系用面弓转移到黯架上。面弓转移与运动面弓记录之间的区 别在于，后者是将弓体联接固定于下颌，在动态中进行测定和记录，前者则是将人 体颌面部的一些静态位置关系转移固定到殆架上。转移运动面弓测定的铰链轴点时 需要将此位点与牙台架髁杆准确对位，如用经验法标志则多采用耳塞式面弓，以利用 外耳道与髁突之间比较恒定的解剖位置关系，以及外耳道解剖形态来固定髁梁。在 人体完成记录后，将面弓联接固定到牙列牙槽嵴的石膏模型上，再以髁梁对准髁杆， 用石膏将石膏模型固定到黯架上。 北京工业大学硕士学位论文 1 3 2 机械殆架对下颌运动的模拟 通过运动面弓的记录和面弓的颌位关系转移，骀架调节髁间距，髁导，切导和 铰链轴等结构的参数，可以在一定程度上复现模拟出下颌运动。实践表明，在制作 一般的修复体时，模拟的误差尚在可以接受的范围。 1 4 传统机械牙台架模拟下颌运动的缺陷 虽然从机械牙台架诞生到现在，机械骀架有了很大的发展，但由于生物体功能运 动的复杂性和机械牙合架自身技术条件的限制，使其在使用中暴露出很大的局限性： ( 1 ) 受模型的限制运动中观测的对象是石膏模型，一方面由于材质的不透明性， 使医生无法对任一时刻牙齿间的接触情况做出准确的判断，另一方面髁突的运动是 医生关注的焦点之一，但在机械牙合架中却没有对应的实物模型； ( 2 ) 受精度的限制t a m a k i 等对用机械骀架模拟下颌运动时的咬合接触点与口内 记录的一致性进行了研究，结果表面：用机械骀架模拟时，能准确的再现6 6 的前 伸运动的接触点和8 1 的侧向运动的接触点。有2 0 至2 7 的受试者可能出现新的 接触点，机械牙含架的精度很不可靠； ( 3 ) 在下颌运动模拟的过程中，不能进行定量分析，所有结论都是凭借视觉和感 觉得到的，使医师在工作中很难把握住一个适量的度； ( 4 ) 操作复杂，效率低。 可见机械牙自架作为机械装置难以完全模拟颞下颌关节及周围软组织的复杂结构 和生物力学特性，对下颌运动和咬合接触再现的精确程度也有限，且不便于仔细观 察和定量分析。 1 5 模拟下颌运动技术的新发展 在推进口腔医学数字化的进程中，有国外学者提出以虚拟牙等架系统来模拟下颌 运动，即以计算机软件取代真实的机械装置，以数学几何模型作为医生研究的对象 取代石膏模型，以三维空间中的虚拟运动代替机械黯架真实的运动。而最为关键的 功能运动模拟不再是通过简单的调配几个控制参数将真实颌运动粗略、近似地转嫁 到机械牙台架上，而是以采集到的真实颌运动轨迹坐标来直接驱动几何模型，从而实 现了真正意义上的下颌运动再现。 目前，国外尚无成熟的虚拟骀槊系统，仅限于单独对颌牙列、下颌运动、咬合 接触点的分析，或下领运动中髁突与关节窝相对位置的分析1 。如图1 2 所示是公 开展示的一套虚拟牙台架”3 ：在输入人体上下颌模型及下颌的运动轨迹后，可以实时 第1 章绪论 图1 2 虚拟颌架 f 培l 一2d i g i t a la n i “l a c o r 模拟下颚相于上颚的三维运动，可以动态显示接触区域，可以观看任意界面的牙齿 接触情况；同时在没有采集运动轨迹的情况下，可以充当一台普通的机械牙台架。这 套软件是唯一可查阅的成品，实现了一个牙台架应具有最基本的功能。但很多地方还 不够完善，如：几何模型过于简化，还是石膏模型的样子，没有将医生关心的髁突 重建出来；模型很粗糙，造成仿真精度降低；缺乏测量分析功能等。从很大程度上 来说，这套系统开发者的思维还拘泥于机械骀架的模拟模式上，没有真正从医生的 需求角度出发，是一个数字化了的“机械黯架”。此外据报道，g r e i f s w a l d 大学的研 究人员也正在研制可用于c a d c a m 系统、辅助种植体的设计、对咬合情况进行诊 断的商品化的虚拟殆架软件系统，但没有可查阅的具体文献。 与之相比，国内还没有这方面的研究报告。 1 6 研究下颌运动仿真系统的意义 口腔的功能，包括咀嚼、吞咽、发音等，都是通过下领的运动和牙齿的接触来 完成的。如果修复后的口腔组织不能满足生理要求，则会打破生物体颌运动系统的 和谐，影响口腔功能的行使，严重的还会引发连锁反映，严重影响身体健康。因此 医生必须参考真实的颌运动来着手治疗和验证。但机械牙台架所能实现的功能有限， 而且精度也不可信。以“软”代“硬”，通过计算机图形学、虚拟现实技术建立出的 下颌运动仿真系统具有机械骀架无法比拟的优越性： ( 1 ) 模型通过医学成像与c a d 技术，可构建出人体完整的上下颌模型，包括医 生最为关注的髁突和髁槽： ( 2 ) 观测能够任意角度得查看运动情况，而且可以通过改变材质透明度或进行 截面显示，能观测到任一区域的接触情况，不再会有视觉盲区； ( 3 ) 运动数模的运动是直接以采集到的患者的运动轨迹坐标来驱动的，因此不 再像机械黔架那样仅能重复几个动作，而是可以再现所有医生感兴趣的下颌运动； ( 4 ) 协同下颌运动的仿真系统拓展了传统机械牙台架的功能。在义齿c a d 过程 中，对于缺损严重的牙齿都是通过全约束来进行设计、调颌的，这种在静态环境中 北京工业大学硕士学位论文 重建起来的修复体还需要借助颌运动仿真系统进行动态环境下的检测与修整，所以 下颌运动的仿真系统是口腔专用c a d c a m 系统不可缺少的一个组成部分，而当今 口腔c a d c a m 产品没有这一模块应当说是不完善的；另外与正畸模块结合，可更 逼真地模拟治疗效果：与种植修复结合，可以帮助医生找到最佳的固定位置； ( 5 ) 颌学颌学是一门古老的学科，无论是定义还是定理的描述多为形象语言， 缺乏客观唯一性，所以会出现不同的医生对同一定理的见解不统一的现象。通过仿 真系统医生可以更方便的剖析颌运动的组成和规律，将模糊的概念用数字表达出来， 以定量研究取代定性研究，推进颌学向更严谨更科学的方向发展。 综上所述，开发真正意义上的下颌运动仿真系统无论是对修复体的制作，还是 对有功能障碍的疾病的诊治以及对口腔科学的基础研究、辅助教学都有深远的意义， 也是口腔医学数字化进程的必然结果。 1 7 下颌运动仿真系统建立的技术路线 机械胎架在口腔界得到了广泛的应用，而借助于计算机技术的下颌运动模拟与 其相比具有更大的优越性及潜力，但研究者甚少，见诸于报道的更少。如图1 2 所示 虚拟黯架虽实现了牙台架的基本功能，但强调的仅仅是视觉效应，运行模式与机械牙台 架如出一辙。 运用三维可视化技术“1 ，建立一个真正意义上的下颌运动仿真系统就要摆脱 机械牙台架原理的束缚，不仅要便于观察，开发时还要站在医生的角度上思考问题， 将重点放在拓展系统功能上，使医生想了解的、想分析的都可以从建立的运动系统 中找到答案，使其真正成为医生临床、科研、教学中可以信赖的助手。基于这一思 想，我们建立了一套下颌运动仿真系统数字黯架系统，按操作步骤可将其划分 为三部分：数模构建：运动轨迹采集；运动再现。技术流程如图1 3 所示。 互亟夏 _ _ 、 数模均建采集运镪孰逊”运动再现 图1 - 3 下颌运动仿真系统 f i g 1 - 3s i m u l a t i o ns y s t c mo f m a r i d i b l em o v e m e n t 第l 章绪论 1 8 本课题研究主要内容 ( 1 ) 运动参数的获取利用a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪进行下颌运动轨迹 的采集，进行参数误差分析，验证有效性。 ( 2 ) 上下数字牙模的三维重建对医院提供的d i c o m 格式的c t 图像数据进行处 理，将二维图像信息转化为三维立体模型。利用激光扫描仪获取牙模上下黯面数 据，并与通过c t 三维重建的上下颔数字模型整和，从而得到完整的数字颌模型。 ( 3 ) 数字黔架的软件实现通过在s u a l c + + 平台的0 p e n g l 三维环境下编制程 序，实现数字骀架。并建立存储患者上下颌数字模型和下颌运动轨迹的数据库，以 数据库驱动的方式来个性化数字黯架。 北京工业大学硕士学位论文 第2 章牙合架下颌运动轨迹参数的获取和误差分析 为了使数字胎架能够精确的模拟出下颌相对于上颌的运动。我们需要获得下颌相 对于上颌的运动参数。在传统机械骀架模拟下颌运动的过程中，下颌相对于上颌的 运动参数是通过借助于描记仪、面弓等器械转移颌位关系来实现的。随着对咀嚼系 统运动规律认识的不断深入，牙自架结构和颌位关系转移方法也不断改进，出现了各 种测定方法，主要有影像描记测量法、口内咬合记录法、运动面弓描记法等，各种 方法转移颁位关系的操作不尽相同，但精度大都差强人意，且操作复杂。最大可能 的使日；自架所模拟的下颌运动、咬合接触情况更接近于口内实际情况，是人们所追求 的目标。现在，不仅可以采用机械装置( 面弓) 测定牙牒参数、转移颌位关系，而 且出现了能够测定牙自架参数、转移颌位关系的电子下领运动轨逊记录仪，使得原来 采用机械面弓转移颌位关系繁琐的操作变得简便，且对操作者没有过多的操作经验 要求。但是，这种转移颌位关系的方法精度如何，尚缺乏具体研究。 2 。1 下颌运动轨迹记录仪 随着光学、电磁学的发展以及计算机的普及应用，各种新的下颌运动轨迹记录 方法不断涌现。下颌运动轨迹记录仪的种类根据仪器的工作原理不同有光电传感器 式、磁性传感器式、超声传感器式等，根据记录部位不同有记录髁点、记录切点、 记录髁点和切点等不同，再加上各发明者使用的材质、固定架的工作方式等不同， 使该类设备品种繁多。通过这些设各。我们可以对下颌运动轨迹进行分析、评价患 者颞下颌关节的功能状态等。 ( 1 ) 磁钢式下颌运动轨迹记录仪如m k g ( m a i l d i b u l a rk i n e s i o g r a p h ，m y o 仰n i c s 公司，美国) 、s g g ( s i r o g n a t l l o 伊a p h ，s i m e i l s 公司，德国) 。采用电磁转换原理，将 磁钢固定于下颌切牙区，磁钢的运动引起磁场的变化，产生电信号的变化，由此计 算磁钢的位移，进而得到切点的运动轨迹。f e r r a r i o 等“”采用d s g g 下颌运动轨迹 描记仪对无症状的正常人群切点运动轨迹在矢状面、水平面的倾斜度以及与性别的 关系进行了研究。李国珍等“”采用d s g g 下颌运动轨迹描记仪对健康人各类下颌运 动范围进行了定量研究。该方法易受戥周围环境中 的电场、磁场的影响而失真，灵敏度稍差。 ( 2 ) 光电传感器式下颌运动轨迹记录仪早期的光电式下颌运动轨迹记录仪与磁 钢式下颌运动轨迹记录仪的测量方式类似，只是传感器不同，如s v t ( 东京齿材所， 日本) ：将发光二极管固定于下切牙唇面，面架上有一光敏传感器，用于捕捉发光二 极管位移信号并转为电信号，再进行分析。该方法与磁钢式下颌运动轨迹记录仪相 客 第2 章牙台架下颌运动轨迹参数的获取和误差分析 比失真要小，但一次只能记录一个平面( 二维) 。 现在的光电式下颌运动轨迹记录仪( 如j a w s 3 d ) 将两组发光二极管分别固定在 上颌和下颌牙列，用两到三个c c d 摄像机记录每组发光二极管的运动轨迹。固定于 上颌牙列的发光二极管记录头部的绝对运动、固定于下颁牙列的记录下领的绝对运 动，进而得到下颌相对于上颁的运动轨迹。再根据刚体运动的原理，通过下颁发光 二极管的轨迹求出各下颌运动参考点的运动轨迹。该方法对位置的测量误差为 1 5 0 士1 0 u m ，角度误差为o 7 度。埘。s i e g l e r 等“”将3 2 个发光二极管分别通过夹板固 定在上、下颌牙列，同时用一通过双侧髁突点( 皮肤) 和头顶的架子确定参考平面 和两个髁突参考点。用两台摄像机记录下颌运动中发光二极管的位置变化情况。通 过计算机软件，将下颌运动和髁突参考点相结合，六自由度的分析髁突参考点的运 动轨迹。k o n i y a m a 等“”用光电传感器的下颌运动记录仪研究了咀嚼不同质地的食物 时髁突的运动范围。p e c k 等“”研究了不同位置的髁突参考点对j a w s 一3 d 系统获取的 下颌前伸和侧方运动轨迹的影响，结果表明：同一个体，在下领侧方运动的非工作 侧和前伸运动中，参考点的位置对测得的髁点运动轨迹的影响很小。由于所使用的 设备较多，该方法相对较繁琐，适于在实验室使用。 ( 3 ) 超声波式下颌运动轨迹记录仪如m t 1 6 0 2 下颌运动描记仪、j m a 系统和 a r c u sd i g m a 。以固定于下颌牙列的超声波发射器作为信号源，由固定于面架上的 超声波接收器接收超声波信号，利用多普勒效应原理计算信号源相对于接收器的空 间位移和移动速度，根据刚体运动的原理，通过信号源的运动轨迹求出下颌运动参 考点的运动轨迹。该方法使用方便，测量误差小于1 0 0 u m 。 本文所研究的数字骀架正是利用a r c u sd i g m a 系统( k d v o 公司，德国) 的下颌 运动轨迹记录仪来获取下颌相对于上颌的运动参数。 2 2 利用下颌运动轨迹记录仪获取下颌运动轨迹参数 a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪采用超声测距传感器，设计新颖、使用便捷， 较好地解决了用电子信息设备获取牙掺数的问题。其结构如图2 1 所示，左侧图为记 录仪测量端男冶叉装置，右侧图为上位计算机记录的运动轨迹参数显示。 由于要记录的下颌运动是以上颌为参照物的相对运动，因此a r c u sd i g m a 将超 声波发射器作为信号源固定于下颌牙列，将对应的超声波接收器固定于颌面。当下 颌运动时发射器也随之运动，在某一时刻发射器发出的超声波被接收器接受，利用 多普勒效应原理可计算出信号源相对于接收器在这一时刻的空间位移和移动速度， 当这一过程连续起来时，就采集了下颌的运动轨迹，得到一份发射器即a 、b 、c 三 点的系列坐标点的报告。该方法使用方便，测量误差小于1 0 0 u m 。 北京工业大学硕士学位论文 裂黜羔。昌鬻赢 曲m e a s u r ed c v i c e ”，川w p 掣 图2 - la r c u sd l g m a 运动裁轨迹记录仪 f i g 2 1a r c u sd i g m as y s c e m a r c u sd i g m a 可以采集任何医生感兴趣的下颌运动，本文的数字牙墚采集模拟 了最具代表性的张闭口、下颌前伸、侧方三种运动，操作步骤为： ( 1 ) 固定头架和超声接收器； ( 2 ) 在口内将下颌夹板粘附于下前牙唇面( 夹板不能干扰正中牙簖下颌运动) ， 连接超声发射器，上、下牙咬至正中牙缸记录该位置； ( 3 ) 令患者分别做张闭口、下颌前伸和侧方运动，记录轨迹坐标点集； 用a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪记录的实际是发射器上a 、b 、c 三点的 运动离散坐标值，由于在数字骀架模拟下颌运动的过程中，下颌可以近似为刚体， 又由于a 、b 、c 三点在整个运动过程中与下颌的相对位置保持固定，所以发射器上 a 、b 、c 三点相对于上颌的运动轨迹坐标即代表了下颌相对于上颌的运动轨迹坐标。 在建立了上下牙颌的数字模型后，a 、b 、c 三点在数字骀架中的位置显示如图2 2 所示。 图2 2 运动轨迹点与数模 f i g 2 2i n t e 笋a t m gd i g i t a lm o d e lw i 廿lm o t o r i a lt r a c k 第2 章牙台絮下颌运动轨迹参数的获取和误差分析 2 3a r c u sdi 鲥a 下颌运动轨迹测量仪的测量误差分析 理论上来说，由三个参考点组成的三角形在位置一和任意位置n 应该是全等三 角形，而实际上由于a r c u sd i g m a 系统的测量误差，三个点在两个位置所组成的三 角形并不全等，如图2 3 所示： 图2 0 测量误差引起的三角形变形 f l g 。2 3 d i s t o n l o no f m a n g l eb ye r r o r 除了测量产生的三角形变形误差以外，下颌运动轨迹记录仪点采集的密度和对真实 下颌运动曲线贴合的精度误差都将对数字牙墚模拟下颌运动的精度产生影响，并进 而影响到上下牙列咬合精度的计算。因此对。u 坨u sd i g m a 系统的下颌运动轨迹记录 仪记录的轨迹数据事先进行误差分析，从而提前确定其精度是否能达到临床诊断的 需要，是非常必要的。为了定量的分析a r c u sd i g m a 系统的下颌运动轨迹记录仪的 测量误差，我们首先对a r c u sd i 鲫a 系统自带的p r o t a 妒系列牙台架和数字牙台架 作些对比分析： ( 1 ) p r o t a r 圆系列牙鳏所用的牙模是石膏模型，用手工制作而成。数字牙台架 所用的数字上下牙颌模型通过c t 和激光扫描获得外形数据，然后用计算机图形学算 法精确生成。显然数字模型的精度要高于石膏模型。 ( 2 ) p r o t a r 回系列牙自架对下颌运动的转移是先通过测定下颌运动参数，然后手工 调节张架的参数使之与测量的参数吻合来实现的。数字稚架对下颌运动的模拟是在 测量到下颌运动轨迹参数后，在计算里通过精确的数学方法直接用这个参数来驱动 下颌相对于上颌的运动，从而避免了p r o t a 一系列牙自架在把测定参数手工转移到牙台 架这步骤造成的误差。 从以上两个方面可以看出，数字牙自架利用m u sd i 鲫a 系统的下颌运动轨迹记 录仪复现下颌运动的精度要高于a r c u sd i g m a 系统自带的p r 0 1 a 妒系列牙自架。因 此，如果通过a r c u sd i g m a 系统的下颌运动轨迹记录仪测定的参数来转移领位关系 的p r o t a 铲系列牙自架的精度能达到临床要求，则数字牙自架的精度从理论上来说也是 能达到要求的精度。按照这个思路，以下两个实验在a r c u sd i g m a 系统自带的 p r o t a 系列矛自架上对a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪测定矛自架参数的误差， 以及所得到的牙自架模型与口内实际情况究竟相差如何两个问题进行了研究。 北京工业大学硕士学位论文 2 3 1a r c u sdig m a 下颌运动轨迹记录仪测定牙合架参数实验 2 3 1 1 实验步骤 ( 1 ) 连接a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪。将头部固定架和超声接收器固定 在p r 0 1 a r 唧型黯架的上颔体。将上颁牙台叉和超声发射器按操作要求放置在转移台 上，转移台通过磁固位装置固定在下颌体，由a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪测 量发射器相对于接收器的位置( 附录图1 。1 ) 。去掉转移台，将发射器和下颌固定夹 板固定在下颌体( 附录图1 1 ) ，a r c u sd i g m a 下颌运动轨迹记录仪再次测量发射器 相对于接收器的位置。 ( 2 ) 打开牙自架双侧正中锁，调节前伸髁导斜度值，从3 0 至6 0 度( 参考平面为 c a m p e r 平面，即c e ) ，每次间隔1 5 度，分别设定为一3 0 、一1 5 、0 、1 5 、3 0 、4 5 、6 0 度( 两侧设定值相等) 。前伸切导斜度设定为3 8 度，b e n n e t t 角设为1 5 度“”。每次设 定前伸髁导斜度值后，在骀架上模拟前伸运动，并由，心屺u sd i g m a 下颌运动轨迹记 录仪测量前伸髁导斜度值。对于每一前伸髁导斜度设定值重复测量5 次。 ( 3 ) 如步骤2 ，调改b e n n e t t 角从4 到3 0 度，分别设定为4 、1 0 、2 0 、3 0 度( 两 侧b e i l l l e t t 角设定值相等。前伸切导设定为3 0 度，前伸髁导设为3 0 度) 。每一设定 值重复测量5 次。 ( 4 ) 如步骤2 ，调改前伸切导从0 到8 0 度，间隔l o 度，分别设定为o 、1 0 、2 0 、 3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 度( b e 如e t t 角设为1 5 度，前伸髁导设为3 0 度) 。每一设 定值也重复测量5 次。 ( 5 ) 计算每组测量值的平均值，最大、最小测量值以及与设定值的误差。 2 3 1 2 实验结果 ( 1 ) 经方差分析，左右两侧的前伸髁导斜度和b e n n e t t 角测量值无显著差异 ( p o 0 5 ) ，故在以下统计时合并计算。 ( 2 ) 前伸髁导的测量值与设定值相比误差在2 9 2 4 度，前伸切导的误差在 一2 9 29 度，而测量得到的b e n n e t c 角较设定值小，误差在一4 1 o 3 度。各设定值的 最大测量值、最小测量值、平均测量值见表2 1 、表2 2 、表2 3 。 ( 3 ) 经t 检验，只有在前伸髁导设定值为4 5 和6 0 度、前伸切导设定值为8 0 度时 的测量值与设定值间有显著差异( p ( o 0 5 ) ，其它前伸髁导、前伸切导的测量值与设 定值闻无显著差异( p o 0 5 ) ：而b e n n e t t 角的测量值与设定值间均存在显著差异 ( d o 0 1 ) 。 第2 章牙台架下颌运动轨迹参数的获取和误差分析 表2 1 不同前伸髁导斜度设定值a r c u sd i g m a 记录仪的测量值( 单位：度) 设定值 3 0 0 01 5 o o0 0 01 5 o o3 0 o o4 5 0 06 0 0 0 平均测量值 2 99 91 5 2 9o 1 l1 5 1 0 3 00 34 41 85 8 9 0 标准差0 0 41 4 21 1 4 7l 。1 71 6 6o 。9 lo 。8 3 最大测量值- 3 0 0 0- 1 2 9 02 3 01 6 6 03 2 4 0 4 6