CN101548911B - 一种基于cad/rp技术的全口义齿设计制作方法 - Google Patents

一种基于cad/rp技术的全口义齿设计制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAD/RP(Computer Aided Design/RapidPrototyping，计算机辅助设计与快速成形)技术的中性区全口义齿的制作方法。该方法包括以下步骤：基于参数化定位的全口义齿人工牙三维图形数据库的建立、基于带有空间位置关系的三维激光扫描技术采集具有正中关系的上下无牙颌及中性区颌堤数据、基于逆向工程软件设计符合中性区及全口义齿平衡
Figure B2008101033187A00011
排牙理论的全口义齿人工牙列、基于逆向工程软件设计符合全口义齿中性区理论及美学原则的牙龈和基托、基于CAD/RP技术的全口义齿型盒设计和加工、手工插牙装胶完成全口义齿修复体。本发明首创“两步法”思路，将传统制作中技术含量最高、操作最复杂的手工排牙和蜡型制作由计算机和快速成形技术完成，只需最后辅以简单的手工步骤，即“两步法”的第二步，即可完成全口义齿的全部制作，大大简化了传统手工工艺的繁杂工序，提高了效率和修复体的准确性，实现了全口义齿的设计制作过程从手工向数字化的转变。

Description

一种基于CAD/RP技术的全口义齿设计制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于CAD/RP(Computer Aided Design/RapidPrototyping，计算机辅助设计与快速成形)技术的中性区全口义齿制作方法。
背景技术
随着我国人口的老龄化，全口牙列缺失即无牙颌患者逐年增多，据第二次全国口腔健康流行病抽样调查数据显示，我国城乡65-73岁老人无牙颌患者占10.51％，各年龄层无牙颌患者约1500万。各种类型的全口义齿是目前无牙颌患者最主要的修复方式。中性区总义齿是全口义齿的理想境界，辅以中性区理论制作的全口义齿能满足无牙颌患者口腔内软组织例如咀嚼肌群等在功能状态下的个性化要求，获得更加舒适、稳定的修复效果。但由于传统手工设计制作流程中存在步骤繁琐、操作复杂且制作周期长等问题，该项技术一直未能在国内口腔修复临床中广泛推广。因此，开发高效率、低工作量并适合临床应用的中性区全口义齿设计制作方法将为无牙颌患者带来福音。
近20年来，国内外学者对口腔固定修复体(冠、桥、嵌体)CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture，计算机辅助设计与计算机辅助加工)进行了深入而广泛的研究，多年的临床应用验证了CAD/CAM技术在口腔固定修复领域的可行性。但对活动义齿(局部义齿和全口义齿)的CAD/CAM研究却相对滞后，这是由于活动义齿造型复杂，并且构成义齿的材料复杂多样，很难用单一设备和工序制造完成。迄今为止，国内外尚未获得全口义齿CAD/CAM研究的突破性进展。
RP(Rapid prototyping)即快速原型技术，也称为快速成形技术，最早出现于1986年并首先应用于航天工业，是一种新型的计算机辅助加工技术。它基于离散/堆积成形原理，通过快速成形机将粉末状材料逐层堆积成实体原型，能将三维设计数据直接物化为具有一定结构功能的产品原型。RP技术适用于复杂形态物体的直接快速三维成形，目前可用的材料包括石膏、树脂、金属及瓷等。RP技术在口腔医学中的应用，早期主要集中于颌面修复外科制作三维头颅模型，指导口腔颌面部复杂畸形患者的治疗，取得满意疗效。RP技术也被应用于批量制作金属全冠和基底冠、树脂全冠及可摘局部义齿支架的树脂铸型。国外学者利用RP技术制作了全口义齿牙列和基托的树脂外壳，分别充入牙色和牙龈色流动树脂后进行试制全口义齿的研究。由此可见，RP技术在口腔修复体的制作方面有着广泛的应用和发展空间。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为弥补现有技术的空白，本发明的目的在于提出一种高效率、低工作量并适合临床应用的中性区全口义齿设计制作方法，以制作出精确、舒适、耐用的全口义齿修复体，从而解决传统手工设计制作流程中存在的步骤繁琐、操作复杂且制作周期长等问题，推动中性区全口义齿在国内口腔修复临床中的广泛应用，为无牙颌患者带来福音。
(二)技术方案
一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法。该方法包括以下步骤：
1、基于参数化定位的全口义齿人工牙三维图形数据库的建立。所述参数化定位是指根据解剖学特征及全口义齿排牙理论，创建各人工牙定位坐标系、姿态坐标系、定位标志点、丰满度标志点等逻辑关系明确且充分必要的数学描述。
2、基于带有空间位置关系的三维激光扫描技术，采集具有正中关系的上下无牙颌及中性区颌堤数据。所述采集获得的具有正中关系的上下无牙颌及中性区
Figure S2008101033187D00031
堤三维数据，可准确还原患者“个性化”的颌间关系。
3、基于逆向工程软件设计符合中性区及全口义齿平衡
Figure S2008101033187D00032
排牙理论的全口义齿人工牙列。
4、基于逆向工程软件设计符合全口义齿中性区理论及美学原则的牙龈和基托。
5、基于CAD/RP技术的全口义齿型盒设计和加工。所述全口义齿型盒的设计为全口义齿阴模的设计，RP技术完成的是石膏阴模的加工。
6、手工插牙、装胶完成全口义齿修复体。
制作采用“两步法”的技术，用以解决RP技术在分色、分材料成形的局限性。具体体现为，通过1到5步的CAD/RP阶段(第一阶段)，完成全口义齿阴模的设计加工；第6步的手工阶段(第二阶段)实现分色、分材料的工艺，完成最终修复体。
(三)有益效果
本发明首创“两步法”思路，将传统制作中技术含量最高、操作最复杂的手工排牙和蜡型制作由计算机和快速成形技术完成，只需最后辅以简单的手工步骤，即可完成全口义齿的全部制作，大大简化了传统手工工艺的繁杂工序，提高了效率和修复体的准确性，实现了全口义齿的设计制作过程从手工向数字化的转变。
附图说明
图1基于CAD/RP技术的全口义齿“两步法”制作流程示意图
图2人工牙层析扫描数据示意图
图3参数化定位的人工牙模型示意图
图4扫描重建后的无牙颌及颌堤模型示意图
图5创建的
Figure S2008101033187D00041
平面及全局坐标系示意图
图6创建的上下颌前牙排牙线示意图
图7全口义齿人工牙列示意图
图8全口义齿CAD数字模型示意图
图9全口义齿型盒示意图
图10RP阴模示意图
图11全口义齿修复体示意图
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明完成了一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的“两步法”制作流程。
本发明的方法内容包括以下步骤：
1、基于参数化定位的全口义齿人工牙三维图形数据库的建立，包括：人工牙数据获取、人工牙定位坐标系及各标志点的建立，两个步骤。
(1)人工牙数据获取
应用硅橡胶包埋翻模技术，将三层色树脂人工牙(贺利氏古莎齿科有限公司)翻制成白色硬石膏模型，使用SB-01型层析机(北京时代天使生物科技有限公司，扫描层厚0.1mm，平面扫描精度600*600DPI)对石膏牙进行自动切层扫描，各层二维数据在计算机中进行三维重建，获得各人工牙全表面三维STL数据，如图2所示，为典型牙位扫描数据。
(2)人工牙定位坐标系及各标志点的建立
根据扫描重建后的人工牙数据解剖学特征及全口义齿排牙理论，在逆向工程软件中创建与各牙位对应的近、远中定位坐标系、姿态坐标系、前牙唇面丰满度标志点、人工牙观测长轴和人工牙切向(
Figure S2008101033187D00051
向)、颈向、近远中向旋转轴定位点等用于全口义齿排牙的量化参数以及边缘龈曲面。如图3所示，为左上中切牙参数化定位后的STL数据模型。
由全口各牙位参数化定位后的人工牙STL数据创建可直接用于全口义齿CAD的人工牙三维图形数据库。
2、使用D.02-L三维点激光扫描仪分次扫描上下无牙颌牙槽嵴石膏模型及由口腔医生临床制取的个性化
Figure S2008101033187D00052
堤上下表面，获取具有正中关系的上下无牙颌及中性区颌堤三维点云数据。
所述三维数据采集设备为北京大学口腔医学院开发的D.02-L三维点激光扫描仪，精度0.05mm，该扫描仪配有专用的上下颌模型关系定位装置，可实现带有一定空间位置关系的上下颌模型的数据获取。
如图4所示，为逆向工程软件重建后的具有正中关系的上下无牙颌及中性区
Figure S2008101033187D00053
堤三维数据，格式为STL数字模型。模型记录了无牙颌解剖标志区及预先雕刻好的后堤区形态，个性化
Figure S2008101033187D00054
堤记录了无牙颌患者上下颌之间的垂直和水平颌位关系、
Figure S2008101033187D00055
平面的位置、前牙丰满度、面部中线等个性化信息，准确还原了患者“个性化”的颌间关系。
3、基于逆向工程软件设计符合中性区及全口义齿平衡
Figure S2008101033187D00056
排牙理论的全口义齿人工牙列，包括：创建平面与全局坐标系、创建排牙线和排列人工牙，三个步骤。
(1)创建
Figure S2008101033187D00058
平面与全局坐标系
Figure S2008101033187D00059
平面是排列全口义齿人工牙的重要依据，扫描获取的个性化
Figure S2008101033187D000510
堤的
Figure S2008101033187D00061
面部分代表了准确、个性化的
Figure S2008101033187D00062
平面。
如图5所示，在逆向工程软件中调入上下无牙颌牙槽嵴及
Figure S2008101033187D00063
堤数据，以上
Figure S2008101033187D00064
堤切缘线与面部中线的交点为坐标原点0，将上
Figure S2008101033187D00065
堤的
Figure S2008101033187D00066
面部分拟合为通过原点的
Figure S2008101033187D00067
平面。以
Figure S2008101033187D00068
平面为XOY平面，以正中矢状面为YOZ平面，应用迪卡尔规则创建“全局坐标系”。
(2)创建排牙线
排牙线用来表达人工牙列的曲率特征、上下颌牙列间的覆
Figure S2008101033187D00069
覆盖关系及各人工牙与
Figure S2008101033187D000610
平面的空间关系。本发明根据全口义齿排牙理论分别创建了上颌前牙、下颌前牙、上颌后牙及下颌后牙排牙线。
如图6所示，为创建的上下颌前牙排牙线示意图。上颌前牙排牙线是与上堤切缘线一致且落在
Figure S2008101033187D000612
平面上的二维曲线；下颌前牙排牙线是应用逆向工程软件提供的数据偏置工具将上颌前牙排牙线在
Figure S2008101033187D000613
平面上舌向偏置2mm获得的二维曲线；基于上下颌牙槽嵴顶连线和软件提供的放样曲面工具创建空间曲面，提取与
Figure S2008101033187D000614
平面的相交二维曲线，获得上颌后牙排牙线；下颌后牙的排列依赖于正中
Figure S2008101033187D000615
时与上颌后牙之间的尖窝交错关系，因此下颌后牙排牙线在上颌后牙排列完毕后可获得。
(3)排列人工牙
本发明根据全口义齿排牙理论按照上下颌前牙、上颌后牙和下颌后牙的顺序，依据(2)中创建的各排牙线，进出人工牙参数化定位。
a、上下颌前牙
上下颌前牙排牙原则为：上颌前牙切缘应落在
Figure S2008101033187D000616
平面上，下前牙切缘应高出平面1mm，上下颌前牙间应建立正常的覆
Figure S2008101033187D000618
、覆盖关系。
数据库中人工牙定位坐标系表达了上述要求，排牙时在个性
Figure S2008101033187D000619
平面及无牙
Figure S2008101033187D000620
堤上建立对应的排牙坐标系来定位人工牙。
初步定位的中切牙近中邻面与正中矢状面之间会出现数据干涉或过大间隙。基于最小二乘法编制碰撞干涉检测函数，将人工牙及近、远中定位标志点沿排牙线移动，直至邻面接触区数据干涉值趋近于零。上
Figure S2008101033187D00071
堤唇面反映了患者的个性化丰满度要求，以近、远中定位标志点间连线为旋转轴，唇舌向旋转人工牙，使前牙唇面丰满度标志点与上
Figure S2008101033187D00072
堤唇面重合，满足个性化丰满度要求。
b、上颌后牙
定位方法同a，在定位坐标系中人工牙
Figure S2008101033187D00073
面上的各解剖标志点与
Figure S2008101033187D00074
平面之间已经具有口腔修复学统编教科书中排牙原则要求的空间位置关系。
c、下颌后牙
沿平面法向作上颌后牙排牙线在上颌后牙面上的投影，创建下颌后牙排牙线。在排牙线上提取下颌后牙近、远中定位标志点，应用软件提供的两点配准工具初步定位下颌后牙。
利用基于最小二乘法的碰撞检测函数计算下颌后牙颊尖顶点与上颌后牙
Figure S2008101033187D00077
面间的干涉值或距离值，以近、远中定位标志点连线为轴，对人工牙进行颊舌向旋转，使该数值趋于“零”。
在处理邻面数据干涉后，测量下颌后牙颊尖顶点与对应的两上颌后牙邻面接触点在上颌后牙排牙线上的投影距离值，根据该数值改变上颌后牙在其排牙线近远中方向上的位置，获得上下颌后牙的牙尖交错关系。
如图7所示，全口义齿人工牙排列完毕。
4、基于逆向工程软件设计符合全口义齿中性区理论及美学原则的牙龈和基托，包括：边界线提取、上颌基托设计及下颌基托设计，三个步骤。
(1)边界线提取
在逆向工程软件中创建上下颌基托近龈边界线；
融合各人工牙唇颊侧边缘龈及舌腭侧龈-牙交界线，获得上下颌基托近牙边界线；
连接各人工牙唇颊侧边缘龈中点获得“基托形态控制线”。
(2)上颌基托设计
应用逆向工程软件提供的UV放样曲面工具创建上颌唇颊侧及腭侧近牙部分基托磨光面；
提取上颌无牙颌数据中带有腭皱形态的部分，应用数据偏置函数增厚2mm，与已经创建的上颌腭侧近牙侧基托融合，获得完整的上颌基托磨光面；
在上颌无牙颌牙槽嵴数据上提取近龈边界线以内的部分作为上颌基托组织面。
(3)下颌基托设计
应用UV放样曲面工具创建下颌基托磨光面；
在下颌无牙颌牙槽嵴数据上提取近龈边界线以内的部分作为下颌基托组织面；
应用双轨扫瞄曲面工具创建半球形基托边缘。
如图8所示，全口义齿人工牙龈和基托CAD完成，即全口义齿CAD数字模型完成。
5、基于CAD/RP技术的全口义齿型盒设计和加工，包括：全口义齿型盒CAD与全口义齿型盒RP，两个步骤。
(1)全口义齿型盒CAD
在逆向工程软件中，基于上述1-4步骤完成的全口义齿CAD数字模型，以全口义齿磨光面和组织面分别作为阴模的上、下功能面。阴模的上功能面包括基托磨光面和人工牙“龈上”部分表面数据，下功能面包括无牙颌牙槽嵴表面、基托边缘面和人工牙“龈下”部分表面数据。等比放大基托外边界线约5mm(根据Z Corp公司提供的专用石膏粉成形后的机械强度特征，厚度应至少达到4-5mm方可承受一定的压力)，创建与
Figure S2008101033187D00091
平面垂直的轴面和与
Figure S2008101033187D00092
平面平行的底平面。可获得上颌上下、下颌上下全口义齿型盒模型，如图9所示。
(2)全口义齿型盒RP
将全口义齿型盒CAD数字模型以STL文件格式导入Z-Printer310 plus三维立体打印机(Z Corp公司，美国)控制软件中；
沿
Figure S2008101033187D00093
平面的法向分层，层厚设为0.1mm，将3D模型转换成一系列的2D图层；
应用Z-Printer 310 P1us及配套快速成形专用白色石膏粉末，逐层进行成形，制作全口义齿石膏阴模，如图10所示。单个石膏阴模的加工时间约20分钟。
6、利用牙科技工室传统型盒固定石膏阴模，手工逐一插入1步骤所用的人工牙，常规装胶、开盒及抛光完成全口义齿的制作，如图11所示。
本步骤为解决RP技术分色、分材料成形的局限性，在上述1到5步的CAD/RP阶段(第一阶段)基础上，以简单手工操作(第二阶段)辅助完成全口义齿的分色、分材料工艺，并完成最终修复体。
制作完成的全口义齿在无牙颌石膏模型上试戴，修复体就位顺利，利用架和咬合纸检查正中
Figure S2008101033187D00095
、前伸及侧方
Figure S2008101033187D00097
接触关系，符合设计要求。

Claims (5)

1.一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法，该方法包括以下步骤：
a.基于参数化定位的全口义齿人工牙三维图形数据库的建立；
b.基于带有空间位置关系的三维激光扫描技术，采集具有正中关系的上下无牙颌及中性区颌堤数据；
c.基于逆向工程软件设计符合中性区及全口义齿平衡
Figure FSB00000453060400011
排牙理论的全口义齿人工牙列；
d.基于逆向工程软件设计符合全口义齿中性区理论及美学原则的牙龈和基托；
e.基于CAD/RP技术的全口义齿型盒设计和加工；
f.手工插牙装胶完成全口义齿修复体。
2.如权利要求1所述的一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法，其特征在于步骤a还包括：在逆向工程软件中创建与各牙位对应的近、远中定位坐标系、姿态坐标系、前牙唇面丰满度标志点、人工牙观测长轴和人工牙切向、颈向、近远中向旋转轴定位点。
3.如权利要求1所述的一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法，其特征在于：步骤b中获取的具有正中关系的上下无牙颌及中性区
Figure FSB00000453060400012
堤三维数据，可准确还原患者“个性化”的颌间关系。
4.如权利要求1所述的一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法，其特征在于：步骤e中全口义齿型盒的设计为全口义齿阴模的设计，RP技术完成的是石膏阴模的加工。
5.如权利要求1所述的一种基于CAD/RP技术的中性区全口义齿的制作方法，其特征在于：通过步骤a到步骤e的CAD/RP阶段，完成全口义齿阴模的设计加工；步骤f的手工阶段实现分色、分材料的工艺，完成最终修复体。
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