（生物医学工程专业论文）基于数字化牙模表面形状特征的边界自动提取.pdf

东南大学硕士学位论文 t i t l e ： a u t h o r ： t h e s i ss u p e r v i s o r ： s c h o o l ： a b s t r a c t a u t o m a t i ce x t r a c t i o no ft h et o o t h - b o u n d a r yb a s e do ns h a p ef e a t u r eo fd i g i t a l d e n t a lc a s t l i j i a n p r o f e s s o rs h uh u a z h o n gp r o f e s s 6 rb a ox u d o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y c o m p u t e r - a s s i s t e dd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n th a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i l d l yi no r t h o d o n t i c s i tc a n b eu s e dn o to n l yi nm e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i s ，b u ta l s oi ns i m u l a t i o no fm o v i n gt e e t ha n dt r e a t m e n t e v a l u a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e do nd e v e l o p i n gas o l u t i o nt oa u t o m a t i ce x t r a c t i o no ft h et o o t h - b o u n d a r yi n d i g i t a lt h r e e - d i m e n s i o n a ld e n t a lc a s t m a n yt y p e so fd i g i t i z i n gt e c h n o l o g i e si n r e v e r s ee n g i n e e r i n ga r e a n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd e n t a lm o d e ld i g i t i z a t i o n ，c ts c a n n i n ga n dl a s e rs c a n n i n gm e t h o di sf u l l yc o m p a r e dw i t h c i o s s s e c t i o n a ls c a n n i n gm e t h o d c r o s s - s e c t i o n a ls c a n n i n gm e t h o di ss e l e c t e da st h ed i g i t i z a t i o nm e t h o do f d e n t a lm o d e l s t h es t lf i l er e p r e s e n t sas o l i dm o d e la sac o l l e c t i o no ft r i a n g u l a rf a c e t s i ns t lf i l e ，t h et r i a n g u l a r f a c e t sa l el i s t e dw i t hn oo r d e ra n dn ot o p o l o g i c a li n f o r m a t i o ni sp r o v i d e d f o rt h en e e do fp o s t - p r o c e s s i n g ， t o p o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i o nf o rs t lf i l ea r ep r e s e n t e d i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ed a t ap r o c e s s i n g ，t h i st h e s i s p r e s e n t st h ea v l t r e em e t h o di ns e a r c h i n gt h ev e r t e x f i r s t l y , t h et o o t h - b o u n d a r y sa l ee x t r a c t e dr o u g h l ya c c o r d i n gt ot h ed i s c r e t ec u r v a t u r ee s t i m a t i o na n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c a v o - c o n v e xo ft h et r i a n g u l a rm e s h t h e nt h et o o t h - b o u n d a r y sw i t hf e w e rp o i n t s a r er e m o v e d b yt h i sw a y , n o i s ec a nb er e d u c e de f f i c i e n t l y f i n a l l y , t h et o o t h b o u n d a r i e sc a nb em o d i f i e d b yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e na c t u a la n db o g u sb o u n d a r i e s a si t i ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t ，t h e t o o t h - b o u n d a r y sc a nb ee x t r a c t e de f f i c i e n t l ya c c o r d i n gt ot h es h a p ef e a t u r eo ft h ed e n t a lc a s t k e y w o r d s ：o r t h o d o n t i c s ；c o m p u t e r a i d e d ；s t lf i l e ；t o p o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i o n ；a v lt r e e ；t r i a n g u l a rm e s h ： d i s c r e t ec u r v a t u r e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括干u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期：p 7 、5 - 沙f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机软硬件技术、图像采集与处理技术、三维数字化成像技术等的飞速发展，计算机技 术在口腔正畸学、口腔修复学、口腔外科学等口腔医学的各个学科领域内已经得到越来越广泛的应 用【n 。作为研究牙、颌、面、颅三维结构的生长发育以及因各种原因所造成的牙颌畸形为研究对象 的口腔正畸学来说，也面临着一场数字化的革命，计算机辅助诊疗在口腔正畸中正得到越来越广泛 的应用。 随着生活水平的提高，人们越来越重视牙齿的健康问题。在口腔正畸中常见的牙齿问题包括牙 齿拥挤、疏松、哨牙、倒及牙和暴牙等【2 1 。不整齐的牙齿不但影响人们日常在说话和微笑时的仪容， 也会藏积牙垢令平时清洁牙齿困难，而且容易造成蛀牙、牙周病等牙患。很多人也知道接受牙齿矫 正能重造一副整齐的牙齿，但一般的金属矫治器治疗法使很多人敬而远之，这是因为： ( i ) 金属矫治器形状突出，影响个人仪容，因而使很多入误以为“牙箍”只是为儿童设计的， 成年人难以采用。 ( 2 ) 金属矫治器容易造成口腔磨损，引起口腔不适，也令很多人不愿意使用。 ( 3 ) 采用金属矫治器影响正常饮食，矫正期间，不能进食粘性食物及高纤维的蔬菜( 因为高纤 维的蔬菜会与金属线纠缠在一起) 。 ( 4 ) 固定的金属矫正器令清洁牙齿困难，矫齿期间，较难保持口腔卫生。 ( 5 ) 金属矫治器治疗法在治疗过程中需要反复调整设备以达到让牙齿向着矫正目标位置移动的 目地，这种治疗方法通常周期较长，同时对病人也是一种折磨。 因此，长期以来针对病人的需要，人们将计算机技术应用于口腔正畸的诊断和治疗中，创造了 很多新的治疗方法，隐形矫治器便是其中之一。 隐形矫治器是一种通过计算机辅助设计制作出的透明弹性塑料活动矫牙装置【3 】。它对牙齿矫正 时不使用托槽和弓丝，因此又称无弓丝矫治器。隐形矫治器可以自行摘戴，仅在吃饭、刷牙或口腔 清洁时取下。通过不断地更换矫治器，牙齿一步一步的移动，直到牙齿到达目标位置。和传统金属 矫治器相比，它具有以下特点： ( 1 ) 美观，矫治器为透明材料，对成年患者和某些有心理负担的患者或特殊职业患者尤其适用。 ( 2 ) 卫生，可自行摘戴，患者口腔卫生和健康得到保证。 ( 3 ) 舒适，矫治器紧贴牙齿，并和牙齿保持一致形态，不刺激口腔内软硬组织，患者口感舒适。 ( 4 ) 椅旁时间短，复诊间隔时间长，节省患者和医生大量时间。 ( 5 ) 患者还可以在治疗前就看到虚拟的治疗过程，预先了解矫正结果。 虚拟牙齿矫正系统正是为隐形矫治器制造系统输出模拟矫正牙颌模型的软件。通过该软件，可 以对牙齿在矫正过程中的移动进行模拟，获得牙齿矫止各个阶段的牙颌模型，最后通过快速成型技 术加【：出隐形矫治器的母模。基于以上优点，虚拟牙齿矫正系统的开发具有很高的商业价值和应则 前景。 东南大学硕士学位论文 此外，除了做为隐形矫治器系统的一个必要环节外，虚拟牙齿矫正系统还可以单独应用于临床 治疗或教学中，实现牙颌模型的测量、诊断、模拟治疗和疗效预测等功能。可以大大提高口腔医生 的工作效率和教学质量。 1 2 国内外研究概况 在口腔正畸治疗中，计算机辅助诊疗技术近年来获得快速发展，尤其发达国家投入大量人力和 物力进行研究。下面我们对国内外的相关研究进展做一个简单的介绍【4 】【5 】。 1 2 1 国外研究概况 自从1 9 3 1 年b r o a d b e n t 创用x 线头影测量技术以来【6 l ，该技术在口腔正畸领域渐渐得到了发展 和应用。到上世纪7 0 年代，w a l k e r 、m i l l e r 、s a v a r a 等人将计算机技术用于x 线头影测量，使该技 术在口腔正畸领域真正得到了广泛的应用【7 d 6 1 。 在头颅软组织方面，1 9 7 0 年t a k a s a k i 提出了莫尔云纹测量法m ，对牙颌畸形的患者面部软组织 对称性进行评价。1 9 8 7 年m o s s 等人【1 8 j 依据激光三角测距原理，利用三维激光扫描技术完成面部三 维重建和测量，并对牙颌畸形患者的面部软组织进行计算机辅助数值分析。1 9 9 4 年b h a t i a 等人【1 9 1 采用三维立体摄影技术进行了面部软组织三维重建。 在头颅骨骼硬组织方面，1 9 8 3 年b a u m r i n d 等人【2 0 】利用共平面x 线立体摄影法，根据两张x 线 上同一标志点的二维坐标位置变化，运用相似三角形原理，求出牙颌面各标志点的三维坐标，进行 数值分析。1 9 8 4 年c u t t i n g 等人【2 l 】完成了双平面x 线立体摄影法的计算机辅助分析，将正侧位x 片 二维平面坐标转换为三维空间坐标。1 9 8 4 年v a n n i e r 等人【矧利用c t 同时进行颅颌面骨骼和面部软 组织的三维重建，并通过计算机自动对患者面部数据进行分析。 在模拟治疗和疗效预测方面，1 9 8 6 年c u t t i n g 等人 2 a l 提出应用于计算机辅助牙颌正畸模拟治疗 的“最佳匹配( o p t i m i z a t i o n ) ”的概念。1 9 9 3 年a l t o b e l i 等人【2 4 噪用软组织窗位方式构建颅颌面皮肤 三维形态，根据骨骼移动后相应的软组织变化预测术后情况。1 9 9 5 年g i r o d 等人瞄锵颅骨三维c t 数据和激光扫描后得到的颅颌面三维软组织表面数据相结合，在计算机上模拟术后软组织的三维变 化。2 0 0 0 年x i a 等人【2 6 】【2 7 】利用三维c t 建立的牙颌面三维模型通过虚拟现实技术对治疗过程进行预 测。 国外的研究不仅涉及的技术面较广，而且许多先进的成果己成为专利融入到商业化的运做当中， 下面介绍两家著名的从事计算机辅助口腔正畸治疗研究和应用的公司和他们的产品。 1 o r t h o c a do fc a d e n t c a d e n t 公n - - ( w w w o r t h o c a d c o m ) 通过采集牙颌印模实现牙颌模型的数字化，宣称使用的方法是一 种“精确度极高的破坏性扫描技术”。由丁技术细节的保密性，具体方法不得而知。推测为类似层析 的方法。o r t h o c a d 的上作流程是首先通过邮寄的方式将患者的牙颌印模和咬合记录寄给该公司，由 该公司完成牙颌模型的数字化，然后医生和患者可以通过互联网下载数字化牙颌模犁并可使用该公 司提供的软件进行数字化模型的观察、测量利矫治动态模拟等操作。如图1 1 所示。 一2 第一章绪论 墨置田圆墨墨墨田圉圃 1 q 鸶旦型些冒壅置垫塑筮生l 盈型毡羔i _ 酉酉西百亘厦r ；再茹百鬲一一i i ?瞄疆i 錾麴、。一f 幽1 - 1o r t h o c a d 2l n v i s a l i g n b y a l i g n t e c h n o l o g y a l i g n 公司( w w w i n v i s a l i g n c o m ) 是全球第一家生产隐形矫治器的公 司。和o r t h o c a d 公司的流辊相似，患者先将牙钡印模邮寄给该公司，然 后由该公刊完成对牙颌模型的数字化1 二作，然后对数字化牙颂模型进行操 作，完成系列虚拟矫治设计，最后输出预期的矫治过程中各阶段数字化 牙颌模犁，并通过激光快速成日“技术制成异阶段牙颌实体模型，由实体模 型制做出透明的压模矫治器，如嘲1 - 2 所示。病人分阶段使川_ f i 应的矫瀹 图1 - 2 隐形矫治器器便完成治疗。 1 2 2 国内研究概况 1 9 8 7 年日琳、千= 章等人【3 拄山，i 忭r 算机莞尔百纹法对而部软纽织定量分析的= 维测量分析 系统。 2 0 吐纪9 0 年代中期以米，第四军畦人学口腔医学院的柯杰等 川【”心1 与北京大学医学院的吕 蚺军等人i ”i i ”l i 圳的研宄小组相继开发了牙颉模型激光三维扫描划越分析系统，他们并自的系统都乜 括独立开发的激光二维扣描仪, tr ； l 应的数据处理软件，系统具有生成数字化牙翎模j “、测姑和辅助 诊断等功能。 近阿年米，北京时代天使牛物科技有限公啊- j 首部医科人学i 腔医学院周沾珉等人、清华人。 机械1 1 程系高洪涛等人台作，在国内率先升展，隐形矫治器的研究l 作p 1 ( 3 s i 【“】。 1 3 课题意义 卓研究i m h 是 女、南人学影像科学实验毫 j 南j l 医科人学附属口睁医院止畸科批刚丁f 鹾的。受 隐形矫治器乐统的_ ；靛，找们的i | 标是开笸簦虚拟牙山矫l i 系统。 隐形矫精器改计的邑体流料人致可分为咀r 二步：l 、获得数字化牙模。2 、川n 行开垃的 拟 “：出矫止系统凄入爿模数据，进仃洲“、诊 i l = 和矫滑过样醴计。3 、川快进j 芷喇技术加i 矫# 过 ￥符 一3 - 东南大学硕士学位论文 阶段母模，再根据母模制作各阶段隐形矫治器。 在这三步当中，我们目前的工作重点在于第一步中选择合适的牙颌模型数字化方法以及第二步 中软件系统的开发。同时该软件系统不仅可以应用于隐形矫治器的设计，也可以单独应用于口腔正 畸的临床治疗或教学中，实现牙颌模型的测量、诊断、模拟治疗和疗效预测等功能。 虚拟牙齿矫正系统的主要功能包括对牙颌模型的显示、测量、模拟治疗和疗效预测。在模拟治 疗中需要由医生在计算机上对单颗牙齿进行移动、旋转等操作，所以从牙颌模型上分割单颗牙齿是 模拟治疗前的一个必要步骤。 在国内目前有文献资料记录的关于计算机辅助口腔正畸诊疗特别是隐形矫治器的研究进展中， 在牙齿分割这一步都是通过人机交互的方式以操作鼠标拾取分界线完成的f 2 】【4 】。对于研究来说，这样 的方法基本能够完成牙齿分割的任务。不过对于实际应用来说，让医生手动拾取每颗牙齿的边界线 是一种比较繁琐的方法，效率不高且分割的准确度不能得到保证。所以，在本文设计的计算机辅助 虚拟牙齿矫正系统中，尝试了让计算机在分析牙颌模型表面特征的基础上，再根据一些牙颌模型实 际边界线的形状特性，对牙齿边界进行自动提取。 本文的工作重点主要在两个方面：第一，牙颌模型数据读取后，选择合适、高效的方法进行拓 扑重建。第二，根据三角网格模型的特点和牙颌模型的形状特征实现牙齿边界的自动提取。 1 4 本文的组织 本文共分为5 章： 第一章绪论：介绍了课题背景意义，结合国内外研究概况，提出研究目标，并阐述了本文 的组织结构。 第二章牙颌模型数字化：从几种常用的数字化方法中根据后续处理的需要选择合适的牙颌 模型数字化方法。 第三章数据结构的建立：针对s t l 文件格式在数据冗余和缺少拓扑信息这两点上的不足， 结合后续处理的需要，对s t l 文件数据进行拓扑重建，并采用平衡二叉树法进行 优化，加快了拓扑重建速度。 第四章牙齿边界的自动提取：根据三角网格模型的特点，先用离散曲率估算和凹凸性估算 的方法对牙齿边界进行初步提取，再根据牙颌模型实际边界线的形状特征进行修 正，实现牙齿边界的自动提取。 第五章总结与展望。 第一章绪论 参考文献 【1 】e r i ck u o ，r o s sj m i l l e r a u t o m a t e dc u s t o m m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi no r t h o d o n t i c s j a mjo r t h o d d e n t o f a c i a lo r t h o p ，2 0 0 3 ，1 2 3 ( 5 ) ：5 7 8 5 8 1 【2 】纪峰虚拟牙齿矫正系统的研究与开发【d 】【硕士学位论文】西安科技大学，2 0 0 6 【3 】李志华，陈扬熙一种新型矫治方法一隐形矫治器【j 】口腔正畸学，2 0 0 2 ，9 ( 2 ) ：3 0 【4 】周沽珉牙领模型数字化三维重建及测量分析系统的开发与应用研究【d 】【博士学位论文1 首都 医科大学口腔医学院，2 0 0 6 【5 】刘曙光计算机辅助正颌外科治疗系统及模拟预测评估系统的研究【d 】【博士学位论文】i 四) i l 大 学，2 0 0 3 【6 1 6 b r o a d b e n tb h an e wx - r a yt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o nt oo r h o d o n t i c s a n g l eo r t h o d ，1 9 3 1 ，1 ( 1 ) ：4 5 【7 】7 m i l l e rr kh u n t e rw s ，m o y e r sr e c o m p u t e rs t o r a g ea n dr e t r i e v a ls y s t e mf o rt w o - d i m e n s i o n a l o u t l i n e s jd e n tr e s ，1 9 7 0 ，4 9 ( 5 ) ：1 1 7 6 【8 】s a v a r ab s t h er o l eo fc o m p u t e r si nd e n t o f a c i a lr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fd i a g n o s t i ca i d s a mj o r t h o d ，1 9 7 2 ，6 1 ( 3 ) ：2 3 1 - 2 4 5 【9 】9k r o g m a nw m u s eo fc o m p u t e r si no r t h o d o n t i ca n a l y s i sa n dd i a g n o s i s ：as y m p o s i u m i n t r o d u c t i o n a m jo r t h o d ，1 9 7 3 ，6 2 ( 3 ) ：2 1 9 2 2 0 【1 0 】l u n d s t r o ma i m n d s t r o men a t u r a lh e ap o s i t i o na sab a s i sf o rc e p h a l o m e t r i ca n a l y s i s a mjo r t h o d ， 1 9 9 2 ，1 0 1 0 ) ：2 4 4 - 2 4 7 【1l 】l u n d s t r o m i m n d s t r o mel e b r e tl m ，e ta 1 n a t u r a lh e a dp o s i t i o na n d n a t u r a lh e a do r i e n t a t i o n ：b a s i c c o n s i d e r a t i o n si nc e p h a l o m e t r i ca n a l y s i sa n dr e s e a r c h e u rjo r t h o d ，1 9 9 5 ，1 7 ( 2 ) ：1 1 1 1 2 0 【1 2 】o k as w , t m s s e l lh j d i g i t a li m a g ee n h a n c e m e n to fc e p h a l o g r a m s a n g l eo r t h o d ，1 9 7 8 ，4 8 ( 1 ) ：8 0 8 4 【1 3 】w a l k e rg ea n e wa p p r o a c ht ot h ea n a l y s i so fc r a n i o f a c i a lm o r p h o l o g ya n dg r o w t h a mjo r t h o d ， 1 9 7 2 ，6 1 ( 3 ) ：2 2 1 - 2 3 0 【1 4 1w a l k e rg ec o m p u t e rc a nb e u s e df o ro r t h o d o n t i cd i a g n o s i s o n td e n t ，1 9 7 2 ，4 9 ( 6 ) ：1 6 8 - 1 6 9 【1 5 】b u r s t o n ec j t h eu s e o ft h ec o m p u t e ri no r t h o d o n t i cp r a t i c e ( p a r t1 ) jc l i no r t h o d ，1 9 7 9 ，1 3 ( 7 ) ： 4 4 2 4 5 3 【1 6 】b u r s t o n ec j t h eu s eo ft h ec o m p u t e ri no r t h o d o n t i cp r a t i c e ( p a r t2 ) jc l i no r t h o d ，1 9 7 9 ，1 3 ( 8 ) ： 5 3 9 5 5 1 【1 7 1t a k a s a k ih 。m o i r et o p o g r a p h y a p p l i e do p t i c s ，19 7 0 ，9 0 ) ：4 5 7 【1 8 】m o s sj p , l i n n e ya d ，g r i n d r o ds r t h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no ft h e f a c ea n ds k u l lu s i n g c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h ya n dl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u e s e u rjo r t h o d ，19 8 7 ，9 ( 4 ) ：2 4 7 - 2 5 3 【19 】b h a t i ag v a n n i e rm w ，s m i t hk e ，e ta 1 q u a n t i f i c a t i o no ff a c i a ls u r f a c ec h a n g eu s i n gas t r u c t u r e dl i g h t s c a n n e lp l a s tr e c o n s t rs u r g ，1 9 9 4 ，9 4 ( 6 ) ：7 6 8 一 东南大学硕士学位论文 【2 0 】b a u r n r i n ds ，m o f f i t tf h ，c u r r ys t h eg e o m e 时o ft h r e ed i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tf r o mp a i r e d c o p l a n a rx - r a yi m a g e s a mjo r t h o d ，1 9 8 3 ，8 4 ( 4 ) ：3 1 3 3 2 2 【2 1 1c u t t i n gc ，g r a y s o nb ，b o o k s t e i nee ta 1 c o m p u t e ra i d e dp l a n n i n ga n de v a l u a t i o no ff a c i a la n d o r t h o g n a t h i cs u r g e r y c l i np l a s ts u r g ，1 9 8 6 ，1 3 0 ) ：4 4 9 - 4 6 2 【2 2 】v a n n i e rm w m a r s hj l , w a r r e nj o t h r e e d i m e n s i o n a lc tr e c o n s t r u c t i o ni m a g e sf o rc r a n i o f a c i a l s u r g i c a lp l a n n i n ga n de v a l u a t i o n jr a d i o l o g y , 1 9 8 4 ，1 5 0 ( 1 ) ：1 7 9 1 8 4 2 3 】c u t t i n gc ，b o o k s t e i neg r a y s o nb ，e ta 1 t h r e e d i m e n s i o n a lc o m p u t e f - a s s i s t e dd e s i g no fc r a n i o f a c i a l s u r g i c a lp r o c e d u r e s ：o p t i m i z a t i o na n di n t e r a c t i o nw i t hc e p h a l o m e t r c ia n dc t - b a s e dm o d e l s p l a s t r e c o n s t rs u r g ，1 9 8 6 ，7 7 ( 6 ) ：8 7 7 8 8 7 【2 4 】a l t o b l ie ，k i k i n i sr ，m u l l i k e nj b ，e ta 1 c o m p u t e r - a s s i s t e dt h r e e d i m e n s i o n a lp l a n n i n gi n c r a n i n o f a c i a ls u r g e r y p l a s tr e c o n s t rs u r g ，1 9 9 3 ，9 2 ( 4 ) ：5 7 6 - 5 8 5 【2 5 】g i r o ds ，k e e v ee ，b i r ob a d v a n c e si ni n t e r a c t i v ec r a n i n o f a c i a ls u r g e r yp l a n n i n gb y3 ds i m u l a t i o n a n dv i s u a l i z a t i o n i n tjo r a lm a x i l l o f a cs u r g ，1 9 9 5 ，2 4 ( 1 ) ：1 2 0 - 1 2 5 【2 6 】x i aj ，i ph h ，s a m m a nn ，e ta 1 c o m p u t e r - a s s i s t e dt h r e e - d i m e n s i o n a ls u r g i c a lp l a n n i n ga n ds i m u l a t i o n ： 3 dv i r t u a lo s t e o t o m y i n tjo r a lm a x i l l o f a cs u r g ，2 0 0 0 ，2 9 ( 1 ) ：1 1 1 7 【2 7 】x i aj ，s a m m a nn ，y e u n gr w t h r e e - d i m e n s i o n a lv i r t u a lr e a l i t ys u r g i c a lp l a n n i n ga n ds i m u l a t i o n w o r d b e n c hf o ro r t h o g n a t h i cs u r g e r y i n ta d u l to a h o do r t h o g n a t hs u r g ，2 0 0 0 ，1 5 ( 4 ) ：2 6 5 - 2 8 2 2 8 】胡林，王大章，詹淑仪等计算机化莫尔等高条纹对颜面形态的三维测量分析【j 】华西口腔医 学杂志，19 8 8 ，6 ( 1 ) ：1 3 1 7 【2 9 】柯杰，李忠科，林珠等牙领模型激光三维测量分析系统( 一卜系统组成与功能【j 】实用口腔 医学杂志，1 9 9 5 ，1 1 ( 3 ) ：2 0 0 2 0 2 f 3 0 】李忠科，柯杰，孙继很等牙颌模型激光三维测量分析系统( 二卜c d 与激光三维扫描装置 【j 】实用口腔医学杂志，1 9 9 5 ，1 1 ( 3 ) ：2 0 3 2 0 4 【3 1 】李忠科，柯杰，孙继银等牙颌模型激光三维测量分析系统( 三卜扫描控制软件【j 】实用口腔 医学杂志，1 9 9 5 ，1 1 ( 3 ) ：2 0 5 2 0 6 【3 2 1 吕培军，李忠科，王勇等非接触式牙颌模型三维激光测量分析系统的研制【j 1 中华口腔医学 杂志，1 9 9 9 ，3 4 ( 6 ) ：3 5 1 3 5 3 【3 3 】陈俊，吕培军，冯海兰等牙颌模型三维激光扫描系统可靠性研究与手工测量的比较【j 】现代 口腔医学杂志，2 0 0 0 ，1 4 ( 4 ) ：2 5 1 2 5 3 【3 4 】吴琳，王勇，吕培军等基于激光扫描技术的牙列缺损三位数据的获取f j 】。实用口腔医学杂志， 2 0 0 6 ，2 2 ( 5 ) ：7 2 9 - 7 3 0 【3 5 】周沽珉，白玉兴，_ 干邦康等高精度数字化三维牙颌模型重建系统的研制【j 】北京口腔医 学，2 0 0 4 ，1 2 ( 1 ) ：2 4 2 6 3 6 】祁鹏，高洪涛，张人吉等计算机辅助牙颌畸形矫治技术研究【j 】中国机械l ：稃，2 0 0 5 ， 6 第一章绪论 1 6 ( 1 8 ) ：1 6 3 7 。1 6 4 0 【3 7 】周洁珉，白玉兴，王邦康数字化三维牙颌模型测量系统的可靠性对比研究【j 】现代口腔医学杂 志，2 0 0 5 ，1 9 ( 4 ) ：3 6 7 - 3 6 8 【3 8 】高洪涛，颜永年，祁鹏等三维数字牙颌模型分析诊断系统设计【j 1 计算机辅助设计与图形学学 报，2 0 0 5 ，1 7 ( 6 ) ：1 3 2 2 1 3 2 8 3 9 】白玉兴，周沽珉，王邦康等国产无托槽隐形正畸矫治系统的开发与研制 j 1 北京口腔医 学，2 0 0 4 ，1 2 ( 2 ) ：8 9 - 9 2 【4 0 】高洪涛，颜永年，祁鹏等医学牙颌石膏模型数字化技术研究【j 】制造业自动化，2 0 0 5 ，2 7 ( 8 ) ：9 - 1 2 东南大学硕士学位论文 第二章牙颌模型数字化 2 1 引言 在正畸临床中，牙颌模型能提供重要的牙颌形态三维信息。对于一个病人，往往要在治疗前、 中、后期进行一系列的模型采集，目的是记录各个阶段的牙颌形态，并通过模型测量来帮助医生完 成诊断、矫治方案确定、治疗情况评价和疗效预测等工作【1 1 。 长期以来，经过口腔印模采集灌制的石膏模型因能很好的记录牙颌的三维关系并可以实现基于 t ： j l - 的观察和分析而成为正畸临床各项研究中必不可少的重要工具。但是，石膏模型也存在着很多 缺陷，比如：第一，做为病人的档案资料往往需要长期储存，占用大量空间，且不便于管理。第二， 测量时在些垂距和角度的测量上难度较大，无法测量截面数据，测量精确度一般，且费时。第三， 石膏模型不便于进行模拟牙齿移动，医生为了研究牙齿移动后的情况往往需要将牙齿一颗颗锯下， 费时费力且易损坏。第四，模型存储不当会造成受潮或风干，产生形变，且如果被破坏或丢失则无 法重新获得模型。 因此，如果能用先进的技术手段改变传统的模型存储方法将给医生带来极大的便利。随着三维 测量技术和计算机技术已经越来越深入的应用到口腔正畸领域，各种数字化方法也在牙颌模型的数 字化上得到应用。 对于本文的工作来说，牙颌模型数字化不仅是解决传统石膏模型不足的有效方法，而且也是计 算机辅助口腔正畸诊疗系统中获取数据的重要方法。所以牙颌模型数字化的好坏直接关系到后续处 理的结果。 2 2 常用数字化方法 牙颌模型数字化是指根据牙颌自身或者其石膏模型等，通过一定的测量方法获得牙颌数字化模 型。目前，比较常用的数字化方法大致可分为接触式、非接触式和破坏式三类【2 j o 2 2 1 接触式方法 接触式三维测量方法主要是使用三维坐标测量仪，原来是用于工业机械测量中，后来独立出来 成为一种专门的测量技术。通过探针或触头以定义的间隔距离在物体上移动而获得每个接触点的三 维坐标。 三维坐标测量仪在8 0 年代被引入口腔医学领域，主要用于牙齿大小、形态、颌曲线等方面的研 究。1 9 9 1 年北京医科人学口腔医学院正畸科研制出的y m 2 1 1 5 型三维测量仪就是这种接触式测量仪 的代表。 对于牙颌模型的测量来说其缺点在丁：一是测耸过程中需要和被测物接触，冈此不能获取探针 无法接触到的模型表面的数据，如牙齿间的狭窄缝隙等；二是受机械结构的限制，测量速度较慢。 8 第二章牙颌模型数字化 2 2 2 非接触式测量方法 非接触式测量方法主要有立体摄影法、激光扫描法、莫尔云纹法和c t 法等。 1 、立体摄影法 立体摄影法根据双目视觉原理，从两个不同的角度同步摄取被测物，之后对不同方向的影像数 据加以处理，获取被测物体的三维模型。在面部软组织三维测量中应用广泛，但精度较低，目前主 要用于大尺寸物体的数字化。 2 、奠尔云纹法 把光栅投影到物体表面，光栅条纹会随着表面的高度起伏发生弯曲和变形，经物体表面反射产 生的变形光栅条纹包含了物体的表面形状信息，对变形光栅进行分析即可获得物体的三维形状数据。 莫尔云纹法在颅颌面三维形态的研究方面有较广泛的应用，但是由于它不适用于过于陡峭的表面， 因此在对牙颌模型的研究中该方法应用有限。 3 、激光扫描法 激光扫描法是目前比较热门并应用较广泛的非接触式测量方法。它是由a r r i d g e 和m o s s 在1 9 8 5 年首次提出的，主要应用于面部形态的三维测量。国内的第四军医大学和北京大学口腔医学院均开 发了自己的三维激光扫描设备1 3 1 【8 l 。 激光扫描法测量精度较高，在口腔正畸、修复和正颌外科等领域都有广泛的应用。但由于目前 激光扫描仪的价格还比较昂贵，所以在临床应用上受到限制。另外，对于像牙颌模型这样表面形状 较为复杂的实体，为了获得完整的表面数据，需要从不同方向进行多次扫描，再对多次扫描的数据 进行配准，在配准过程中会造成一定的精度损失。 4 、c t 法 c t 法即计算机断层扫描技术，它采用x 线束对被测物体层面进行扫描，获得断层图像，经计 算机对一系列断层图像进行三维重建后得到实体的三维数字化模型。使用c t 法既可以对头颅直接 扫描也可对牙颌模型进行扫描。c t 设备的使用对于医院来说是比较方便的。c t 扫描是目前应用较 多的直接重建方法，可以同时获得牙颌部位的软硬组织结构。但是，c t 法扫描的费用较高，而且对 头颅直接扫描时会对人体造成一定的伤害。最主要的缺点是目前国内大多数c t 的扫描精度不能满 足后续计算机辅助口腔正畸处理的需要。 2 2 3 破坏式方法 破坏式方法目前主要是指层析法l ： 1 9 l 一【1 1 】。层析法测量时首先把被测实体用填充剂填满其内外腔， 做成测量模块，然后逐层切削扫描，最后对切片数据进行三维重构，得到被测实体的三维模型。具 体做法是：首先把被测物体用填充剂充满其内外腔，做成测量模块；然后对该测量模块进行机械加 工，用刀具d r i - _ r 出一层层的截面来，再用相机或者扫描仪对每层截面拍照，得到零件的截面断层数 据；对截层图片处理后，用三维重构软件重构出被测物体的三维实体模型。 层析法由丁采用材料逐层去除和逐层光扫描相结合的方法，综合了机械接触测量和光学测颦的 优点，能够快速、准确、半白动的测量被测实体的三维数据。层析法应用丁牙颌模型数字化时能较 q 东南大学硕士学位论文 好的满足精度上的要求，且适合用于大批量的牙颌模型进行三维重建。 2 3 数字化方法的比较 对实体数字化的方法很多，而且各有优缺点。比如：三维坐标测量仪、立体摄影法和激光扫描 法等一般适用于只需要对实体的外部形状进行测量的情况，因为这几种方法都无法获得实体的内部 结构。层析法可用于测量具有复杂内部结构的实体，但在测量过程中实体会被破坏。如果既不想破 坏实体，又需要获得内部结构的数据，可以采用c i 法，但是精度不是很高。 几种测量数字化方法的综合比较如表2 - 1 所示【1 】【2 】。 表2 - 1 数字化方法的综合比较 一嘉犬 三维坐标测 莫尔云纹法激光扫描法c t 法层析法 比较项目量仪 获得数据类型点云点云点云断层图像断层图像 前期处理时间无粘帖标记，数分钟无数小时 操作次数一次多次多次一次一次 处理模型数量 爪 一个一个一个多个 数据后期处理需要配准，基于点云重建不需配准，基于图像重建 数字化精度高中等高低高 对复杂形状的处理多角度扫描配准直接重建，不受影响 是否破坏模型否否否否是 能否获取内部数据不能不能不能能能 成本较高较低中等较高中等 2 。4 牙颌模型数字化方法的选择 牙颌的形状比较复杂，目前在口腔医学领域研究较多的数字化方法是对牙颌石膏模型采用激光 扫描法。如国内的第四军医大学口腔医学院和北京大学口腔医学院都开发过专用的三维牙颌模型激 光扫描设备。激光扫描法对牙颌模型数字化大致可分为三步：第一步，石膏模型预处理，即在牙颌 石膏模型表面粘贴配准标识物，以便在后处理中利用标识物对不同方向扫描的数据进行拼接；第二 步，多方向扫描，即从多个方向进行多次扫描从而获得完整的牙颌表面数据；第三步，扫描数据后 处理，即拼接多方向扫描的数据并将点云数据转化为二角网格数据。 而在北京时代天使生物科技有限公司与首都医科大学口腔医学院周沽珉等人、清华大学机械工 程系高洪涛等人对隐形矫治器的研究中，采用了层析法对牙颌石膏模型进行数字化。层析法也可大 致分为三个步骤：第一步，牙颌石膏模型预处理，即把牙颌石膏模型包覆在和白色石膏有较人色差 的深色树脂中并把树脂与牙颌年i 膏模型一起做成k 方体的待切削试样：第二