国产口腔修复CAD_CAM系统的研究与开发

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器材与设备国产化

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Surfacer1015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CAD2CAM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

33TheresearchanddevelopmentofCAD2CAMsysteminrestorativePeijun,,WANGYong,ZOUBo,ZHAOJianjiang,ZHANGZhenkang.forDentalComputing,MinistryofHealth,Pekingf,,【Abstract】　TAD/Ctheautonomicintellectualproperty.Method　28a32Dlaserscanner.AsadevelopmentplatformtheMatlab5.3data,alsobeusedtodefinethecharacterizedareasonthesurfacesofthecrownsandthecrownsform.ThesoftwareofSurfacer1015todevelopanewCADsoftwareforfixedprosthetics,andthe315axisnumericalcontrolledmachinetomanufacturetheprostheticswereused.Result　Itisthefirsttime,the3DgraphicdatabankofChineseteethcrownswithastandardformwasestablished.Asoftwareoftheocclusaladjustmentandtheformmodificationweredeveloped.Itisalsothefirsttime,theauthersrealizedthewholeprocesstousetheCAD2CAMforthemanufactureofacrown.Conclusion　Thesuccessfulresultshows,thatwehavealreadymasteredwellthebasetheory,themathematicsmethod,thetechnologyofaCAD2CAMsystem.Itprovidesthebasicsforthefuturedevelopment.

【Keywords】　Computeraideddesign2computeraidedmanufacture;　Crowns;　Odontometry

　　20世纪70年代初期,法国学者FrancoisDuret开

创性地将计算机辅助设计(computeraideddesign,

CAD)和计算机辅助制作(computeraidedmanufacture,

CAM)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]。

基金项目:北京市科委重大科技项目基金(H010910200112)、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)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ZL1997220475.X)。材料与方法一、口腔修复CAD2CAM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(CAD)、数控加工设备和控制程序(CAM)组成。(一)数据获取

368 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D1022L2Scanner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≤12min。扫描盲区小于物体表面积的015%。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(CAD)

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)

。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CCD(CoupledChargedDevice)镜头,CCD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层,每层上取1200个数据点,2.(3.(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

369 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Spee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。此为第四约束条件。

(5)

形态。二次扫描,约束虚拟牙冠的咬合面形态。此为第五约束条件。

由以上数据,系统可自动调出数据库中同名的

标准牙冠图形,自动修改其数据,使之与预备体、余牙及对颌牙相适配。调整完毕后,将其放置在缺牙间隙的虚拟预备体上,再自动将标准牙冠的颈缘数据与预备体的颈缘肩台数据紧密连接,使其成为一连续的平滑曲面。最终完成整个牙冠的设计过程(图6～9)。设计完成后的修复体数据,以可加工格式保存。考虑到设计过程中的便捷性以及加工设备的要求,我们目前以STL(surfacetrianglelist)格式即三角化格式保存。

(四)修复体的辅助加工方法(CAM)

修复体辅助制作的工作流程示意见图10

。2.要求切削精度0101mm,完成的修复体表面光洁。3.误差由系统自动分析补偿。4.采用国产JDPMS三轴半数控加工设备(北京精雕公司)进行修复体的加工,在加工过程中需进行一次辅助装夹,旋转工作台完成180°的换位。5.获取修复体的数据后,需进行夹具、刀具的选择和工艺规划等工作。采用计算机自动编程,先进行仿真加工以检查加工中存在的问题,最后进行数控加工。结果1.建立了国人28颗标准牙的牙冠三维图形数据库。开发了咬合形态调整和修改程序。右侧上颌各牙的牙冠网格图见图11。2.利用3、邻,设计平台上开发,,牙冠表面。研究结果表明,由我们开发的CAD软件设计的牙冠,其解剖形态符合生理功能的要求,初步实现了冠修复体的计算机辅助设计全过程。设计完成后的牙冠咬合面和牙冠组织面见图12,13。3.冠修复体曲面数据通过数控编程,由数控加工程序驱动315轴数控铣床,使用不同的材料均加工出完整的冠修复体。所用的材料有不锈钢、工业蜡、可切削陶瓷及塑料。修复体外表面和组织面形态完整、光滑,可以顺利地与预备体就位。就位后在模型上观察,其边缘密合度良好,固位力可,邻接关系正常,接触点位置和松紧度符合生理解剖要求。牙冠咬合面解剖形态清晰,牙冠整体与邻牙及牙列协调,牙尖及窝沟边缘嵴的位置正常。初步实现了冠修复体计算机辅助制作的全过程(图14,15)。讨论

1.本系统首次建立了国人全口28颗(除外第三

磨牙)标准牙的牙冠三维图形数据库。采用新型3轴三维激光扫描仪获取基牙、邻牙及对　牙的三

图10　修复体制作(CAM)的工作流程示意图

　　1.加工材料:不锈钢、陶瓷、模型蜡、塑料等。维数据。利用我们自行开发的冠修复体设计程序完成牙冠设计,由程序控制并驱动一台315轴数控铣床,对材料(陶瓷、不锈钢、模型蜡、塑料)进行加工,从而初步完成了冠修复体的设计与制作(CAD2

370 CAM)。本项实验系统的成功表明,我们已经掌握了口腔修复CAD2CAM的基本理论、数学描述、技术和制造工艺。

2.本系统目前仅是在实验室环境下开发成功,若要进入临床实际应用,还需经过以下2个阶段。

(1)用本系统制作一定样本量的牙冠,在模型上对冠的解剖形态、与邻牙的形态协调性、邻牙接触状况以及咬合接触情况做出评估。

(2)用不同位置、方向、层面的实物剖面模型,在显微视野下分析冠与牙体表面之间的间隙、牙体肩台部位冠的密合度,并将其结果与某些国外同类产品进行修复体适合性的分析与比较。

3.开发口腔修复体CAD2CAM系统的核心工作部形变仅发生在预先设定的特征区范围内,而不会引起牙冠表面其他部位的形变,因此使得修复体的咬合面形态设计问题得以很好地解决。5.修复体的密合度是临床最受关注的问题。密合度越高则修复体的固位力越大,修复体内表面即组织面的数据在理论上应与预备体的表面数据一致。在本系统中,修复体组织面的数据就是预备体的表面数据,然而在处理过程中可能会产生误差。误差主要发生在预备体数据由扫描线数据转化为自由曲面的阶段。这种误差是不可避免的。我们可以在临床要求的最小允许误差范围内拟合自由曲面,以获得最大的拟合精度。(本文图1,2,4～9,11～15见插图5-6页)是CAD软件的编写。尽管目前市场上已有一些用于口腔修复的CAD2CAM系统可供选择,但由于涉及产品的核心机密,修复体CAD的软件从未公开过。在诸多公开发表的文献或技术资料中,作者都刻意回避关键性技术问题。因此,我们无法从中得到相关信息。口腔修复体虽然很小,形状是复杂的自由曲面,,难自动构造生成,。因此,我们在利用CAD2CAM技术改造传统的口腔医疗技术的同时,也是把数学的概念和表达方式引入口腔医学理论,从而逐渐建立起定量化的口腔医学理论体系的过程。

4.我们在本系统中采用“势能函数”和大量的矩参考文献1吕培军.数学与计算机技术在口腔医学中的应用.第1版.北京:中国科学技术出版社,2001.3267.2中村隆志.新的牙冠修复CAD/.日本齿科评论,1998,:11323,32Aquantumleapfor2:results.Quintessence,:712.4,,等.非接触式牙颌模型三维激光测量分.中华口腔医学杂志,1999,34:3512354.5张修银,杨宠莹,高建新,等.数字散斑相关方法用于牙冠形状的三维测量.上海口腔医学,1997,6:68270.6高勃,王忠义,张少锋,等.光栅变形条纹直接分析法用于牙冠形状的三维测量———正交验波法.实用口腔医学杂志,1998,14:1252128.7陈悦,赵云凤,王华蓉,等.CAD/CAM瓷嵌体的适合性研究.华西口腔医学杂志,1997,15:3172318.8邹波,王勇,吕培军,等.标准牙冠三维模型的建立及其可操作平台的研究.现代口腔医学杂志,2002,16:34237.9王惠芸.我国人牙的测量和统计.中华口腔科杂志,1959,3:1492155.

(收稿日期:2002206224)阵运算,以此对牙冠进行各种变换,建立了标准牙冠

表面特征区局部变形的数学解析方法。由于这种局(本文编辑:穆景燕)文后短评

解放军总医院口腔科　刘洪臣

　　计算机辅助设计与计算机辅助制作技术,是口腔修复医学的一次技术革命。国外历经20多年的研究,已在市场上推出临床应用系统。

然而国内在这一领域的研究相对起步较晚,尚无CAD2CAM的系统产品。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教授领导的课题组,经多年坚持不懈的努力,最近终于初步开发、研制成功具有我国自主知识产权的口腔修复计算机辅助设计与辅助制作(CAD-CAM)实验系统,并成功设计、制造出人工牙冠。这表明我国口腔修复医学界已掌握了有关口腔修复CAD-CAM系统的相关理论、技术和制造工艺。是我国口腔医学界取得的重大进展,对推动我国口腔修复学的发展具有重要意义。为此,建议本文以“快速通道”方式发表。