CN101828974A - 种植义齿个性化定位导板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及牙齿修复技术领域内的一种种植义齿个性化定位导板的制造方法，首先根据病人的口腔CT数据，建立牙齿、颌骨、上颌窦、下颌神经导管等解剖结构的三维模型；再根据需要建立不同规格的种植体模型数据库；然后将实体建模的种植体模型进行虚拟种植，将种植后的模型与光学扫描仪扫描牙颌模型后建立的病人口腔结构数据模型进行配准，确定定位导板的导向孔位置及牙龈接触面形状，在导向孔中插入导向管，再制作出实体定位导板。其可提供最佳植入位置和方向，为种植手术的安全和种植体的长期稳定提供了保障；定位导板在应用时能最大限度利用牙槽骨骨量；可提高种植手术的效率和精度，确保植入的种植体符合生物力学原理，保证修复的美学效果。

Description

种植义齿个性化定位导板的制造方法

技术领域

本发明涉及缺牙修复时使用的一种器具的制造方法，特别涉及用于种植义齿的定位导板的制造方法。

背景技术

口腔种植技术是20世纪60年代以来对瑞典学者Branemark教授提出的“骨整合(Osseointegration)”理论得到认定之后迅速发展起来的一项新技术。它是采用人工种植体植入牙槽骨内完成缺牙修复的一种方法。由于具有非常理想的固位支持效果，而且舒适美观，无需磨除邻近天然牙，所以深受缺牙患者的青睐。

在整个义齿种植过程中，种植体的骨内生物定位是种植成功的一个重要环节，由于上、下颌骨三维不规则性以及口腔内软组织等复杂生物解剖形态、力学等方面影响，牙种植体在植入方式、位置及轴向的设计一直是临床面临的难点，如何最大限度利用牙槽骨骨量，使种植体的植入位置既符合生物力学原则，又能保证修复的美学效果，并有利于种植体的长期稳定，一直是国内外学者研究的关键问题。

目前，义齿种植的术前需做口腔环境全景体层摄影检查，虽然X线曲面体层片能显示种植区域周围骨关系的一定信息，但该方法仅能提供二维平面图像，医生只能间接通过二维图像来推测三维解剖结构关系。随着计算机断层扫描技术的发展，医生可以得到人体结构的序列图像。通过对一系列二维断层图像序列的简单叠加，再根据临床经验可以推断出更丰富的三维结构，然而这种推断非常依赖于医生的经验，精确性和准确度不高，往往会在手术时出现意想不到的情况，严重影响手术的成功率。

中国专利数据库中公开了一种牙科种植定位定向导板的制作方法，其申请号为：200810042503，具体步骤如下：在患者石膏模型一的缺牙区用蜡堆塑出符合假牙形态的蜡牙；将带有蜡牙的石膏翻模成全部为石膏的模型二；根据牙齿的位置和牙槽骨的形态确定种植钉的就位道；用裂钻在模型二上从需要修复的牙的牙合面向下钻孔，使孔洞串通整个模型；将打好孔的模型二放在真空压膜机内制作真空压膜牙托，真空压膜牙托在空洞内部形成管状通道；从模型二上取下真空压膜牙托，修剪；将真空压膜牙托放在模型一上，修整管状通道底部，使之最低点略高于模型一，修整好的真空压膜牙托即为牙科种植定位定向导板。本发明可在术前确定种植钉的位置和方向，但是，由于不能获得牙槽骨、血管和神经的相应位置，制作出的导板针对性不强，与牙槽的匹配性不好，不易保持长期稳定性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种种植义齿个性化定位导板的制造方法，使该导板在应用时能最大限度利用牙槽骨骨量，可提高种植手术的效率和精度，并有利于种植体的长期稳定。

为解决以上技术问题，本发明提供的一种种植义齿个性化定位导板的制造方法，包括如下步骤：

步骤一、对待种植义齿的口腔进行CT扫描，并制作相应的牙颌石膏模型；

步骤二、将所述CT扫描数据导入计算机，进行口腔结构的三维重建，形成含有牙齿、颌骨、上颌窦、下颌神经导管解剖结构的三维实体图像模型；

步骤三、将种植体模型导入计算机，通过在上述三维实体图像模型中进行虚拟种植，依据种植方位确定种植轴；

步骤四、测量所述牙颌石膏模型，获取三维点云数据，并导入计算机，建立含有牙龈软组织、牙齿的精确数据图像模型；

步骤五、依据对应牙齿的位置，将所述三维实体图像模型与所述精确数据图像模型进行配准；

步骤六、以配准后精确数据图像模型的牙龈软组织表面形状确定定位导板接触面的形状，以配准后所述种植轴的位置确定定位导板上的导向孔位置，以种植体的外径确定导向孔的孔径，形成定位导板的数据模型；

步骤七、根据所述数据模型制作实体定位导板。

本发明在计算机中建立三维模型，进行虚拟种植后，再与石膏数据模型进行配准，可根据周围解剖结构确定种植体的植入方位。这为最后种植结果的安全、实用、美观提供了保障。本发明专用于牙科种植的定位导板制作，其有益效果在于：其可提供个性化最佳植入方位的工艺方案，为种植手术的安全和种植体的长期稳定提供了保障；定位导板在应用时能最大限度利用牙槽骨骨量；定位导板可快速制作，有效地控制了制作过程的制作精度，可确定种植体的植入位置，控制种植体轴向，提高种植手术的效率和精度，实现对种植体植入的导航作用。

为保证口腔三维建模的准确，同时方便后续步骤的配准，上述步骤二中CT扫描数据导入交互式医学影像控制系统，利用交互式医学影像控制系统软件(Mimics)，建立三维模型，三维建模时选取CT序列中相应阈值，获得颌骨、牙齿的原始蒙罩；然后将上下颌骨分离，再去除散影，获得颌骨或牙齿的蒙罩；随后对相应的蒙罩进行三维计算，获得颌骨、牙齿三维重建模型；在轴向视图中绘出各横截面上的上下牙槽神经管蒙罩，再进行三维计算得到相应牙槽的神经管三维模型；对牙齿、颌骨、上颌窦、下颌神经管模型进行相应透明度处理，生成包含牙齿、上下颌骨、上颌窦和下颌神经管的口腔组织的三维模型。上述步骤三中的种植体模型可在三维软件中建立，例如在Pro/Engineer三维软件中进行，并在步骤三中以STL格式导出给交互式医学影像控制系统，进行虚拟种植。

作为本发明的进一步改进，所述步骤四中病人口腔结构的精确数据模型经Geomagic逆向工程软件对获取的点云数据进行处理获得。上述软件处理相关数据时，坐标系是统一的，导入后的相对位置不会发生变化，便于进行比对。

为方便制造，同时，保证定位导板的制造精度，所述步骤七中制作定位导板时，首先利用激光快速成型固化技术制作出快速原型模型，再将所述快速原型模型佩戴在牙石膏模型上，在导向孔内插入与相应种植体直径匹配的纯钛金属导向管，利用残余牙列，使用气压成型法制作出定位导板。所述定位导板可由透明坚硬的树脂材料制成。

附图说明

图1为本发明的工作逻辑图。

图2为导入CT数据图。

图3为手动制定参照方向图。

图4阈值范围选择骨骼。

图5为所有阈值范围内的点。

图6为擦除分离面上的蒙罩点后的图形，

图7为从整体模型中分离出来的下颌骨图形。

图8为去除散影前的模型图。

图9为去除散影后的模型图。

图10为完整的下颌骨蒙罩图形。

图11为从CT数据重建的下颌骨三维模型。

图12为通过阈值选出独立的上牙蒙罩。

图13为分离后的独立上牙结构图。

图14为独立下牙模型图。

图15为分离后的下牙与下颌骨图。

图16为各个横截面上的下牙槽神经管蒙罩。

图17为口腔三维结构的三维模型图。

图18为族表窗口图。

图19为变化参数选择图。

图20为直径4.1毫米的种植体系统的族表。

图21为两个转换成STL格式的种植体模型图。

图22为曲线工具绘制牙弓参考曲线图。

图23为重新切片视图窗口。

图24为虚拟种植示意图。

图25为3D CaMega扫描获取点云数据示意图。

图26(a)封装生成曲面片；(b)空洞填补；(c)修复相交区域；(d)光顺前；(e)光顺后。

图27将各个模型导入同一文件窗口中的显示图。

图28为手工配准窗口显示图。

图29配准后结果显示图：其中(a)CT模型与牙石膏模型的相对位置；(b)种植体与粘膜的相对位置；(c)种植体与上牙的相对位置。

图30导板的设计图，其中(a)确定导向孔，(b)初模版的三角网格曲面，(c)快速成型制作的模版，(d)最终完成的导板。

具体实施方式

下面以病人缺失下颌骨第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙三颗牙齿为例对本发明作进一步的说明

步骤1：

1.1对病人的口腔进行CT扫描，获得CT扫描数据。

1.2导入CT扫描数据，进行三维重建。

1.2.1采用交互式医学影像控制系统软件(Materialises interactivemedical image control system，简称Mimics)进行三维重建，Mimics是一套高度整合而且易于使用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型并进行编辑。对口腔进行三维重建以后可以从任意角度对其外部和内部结构进行观察，是研究口腔结构的理想工具，具有广阔的应用前景。

Mimics软件的三维实体重建方法是在三维区域增长技术的基础上将所选取的阈值范围内的相邻像素连接而重组成图像。三维实体重建技术等同于CT后处理的表面遮盖重建技术。表面遮盖重建需要设置一个阈值范围，所有在此阈值范围内的CT数据被保留下来进行重建，其余的数据全部舍弃，从而有效地降低了计算量，将保留下来的CT数据以点云形式进行拟合计算后即得到所需结构的三维模型。

开启Mimics应用程序并导入病人的CT数据，导入数据时要手工选定上下、左右、前后参照方向，如图2和图3所示。

1.2.2阈值选取

在Mimics软件中进行三维实体重建时，首先运用阈值选取技术(Thresholding)，根据所需重建组织的不同密度范围，在操作者选定所要重建组织结构后，该软件自动得出该组织的阈值范围，接受这一阈值范围后，便获得该种组织的原始蒙罩。根据要重建颌骨及牙齿的结构，可以选择骨骼(Bone)，如图4所示。这样就可以得到CT序列中所有阈值范围226到3071之间所有的点，如图5所示。

1.2.3上下颌骨的分离

由于病人的CT数据是在口腔咬合状态下拍摄的，这给上下颌骨结构的分离工作带来了不便。为了实现分离，首先使用擦除工具(Erase)在上下咬合面将所有的蒙罩点去除，初步选择在磨牙的咬合面将蒙罩点去除，如图6所示；接着使用三维区域增长技术(3D Region Growing)在下颌骨区域生成新的蒙罩，并使用阈值编辑蒙罩工具补齐下颌骨的蒙罩，从整体模型中分离出来的下颌骨模型，得到如图7所示图形。

1.2.4去除散影

由于病人先前植入过人工牙，在图8中可以看出在下磨牙区域有非常严重散影，需要去除。由于散影的阈值要低于人工牙的阈值，故可使用较高的阈值去除散影。选择阈值介于3000到3071之间，去除所有横切面上的散影，如图9；可以得到如图10所示的完整的下颌骨蒙罩。

1.2.5下颌骨三维模型的生成

最后，在三维实体(3D Object)菜单栏将形成的下颌骨蒙罩进行三维计算，即可获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。在进行模型重建的过程中可以再在The Calculate 3D界面中为了修补图像，选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法，通过减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形的减少等方式以提高生成三维实体模型的质量。计算后可以得到下颌骨三维模型，如图11所示。

1.2.6相关解剖结构与颌骨的分离

出于直观性及以及后续操作的需要，需要将上下牙槽神经等重要解剖结构从颌骨模型中分离出来。

(1)上牙与颌骨的分离

由于种植义齿的

面与要与对颌牙

面相匹配，因此需要上牙的相关模型数据。

上牙与颌骨的分离是通过调整阈值来完成的，如图12，由于上牙与周围组织的阈值不同，所以只要将阈值调整到662至1988之间即可将上牙与上腭结构分离，再使用三维区域增长产生独立的上牙蒙罩，对上牙蒙罩进行三维计算即可得到上牙的独立三维模型，如图13所示。

(2)下牙与下颌骨的分离

由于下牙与周围组织结构的阈值比较接近，故下牙与颌骨的分离是通过阈值调整与手工修善相结合的方法进行。

首先调整阈值选出下牙及周围组织结构，对深入颌骨的牙根部分采用手工修补的方法得到较理想的牙根蒙罩，再对下牙蒙罩进行三维计算重建出下牙的三维模型，如图14所示。再对完整下颌骨蒙罩与刚产生的上牙蒙罩进行布尔剪操作产生出剔除了牙列的下颌骨蒙罩，经三维计算得到经分离的下颌骨模型，如图15所示。

(3)下牙槽神经管三维模型的重建

义齿种植手术中要求种植体必须与下牙槽神经管之间留有1毫米以上的距离，以保证植入过程不损伤下牙槽神经，避免术后患者出现下颌颊部以及口唇的麻木和感觉异常。所以在口腔解剖结构三维模型重建过程中对下牙槽神经管的三维模型的建立是非常重要的，由于神经管在骨骼内部，所以很难用阈值分离的方法得到理想的蒙罩，故下槽牙神经管的蒙罩完全由手工选取。

在轴向视图窗口绘出每个横截面上下牙槽神经管蒙罩，在完成整条神经管的绘制后对蒙罩进行三维计算得出下牙槽神经管的三维模型，如图16所示。

1.2.7对各个组织结构进行相应的透明度处理后可以得到完整的口腔组织结构三维模型，如图17所示。

步骤2：种植体三维模型特征数据库的建立

2.1采用国产的BLB种植牙系统，该系统由北京莱顿生物材料有限公司生产，具有TPS和HA两种界面，是国内领先的种植系统。利用Pro/Engineer三维软件对种植体进行实体建模。Pro/E是美国参数技术公司(ParametricTechnology Corporation，简称PTC)的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。它以其强大参数化设计能力而著称于世，集零件设计、造型设计、产品装配、模具开发、逆向工程、自动量测、机构模拟、应力分析等功能于一体，用户界面友好、功能强大。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决的相关性问题，它的基于特征的方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。因此成为目前国际上专业设计人员使用最为广泛、先进、具有多种功能的动态设计仿真软件系统。

2.2种植体数据库的建立

北京莱顿生物材料有限公司生产的BLB种植牙系统两种直径，为了方便以后数据的调用和存储，必须为同一型号、不同规格的种植体建立统一的数据库，使用ProE中的族表功能就可以满足这一要求。

首先，在族表功能窗口中选择添加删除列命令，如图18所示，在变化参数选择窗口中选择种植体的总长度和下半部分的长度作为族表的列，如图19所示，根据BLB种植系统的参数编辑族表，最后生成相应直径的种植体系统的族表，可生成直径4.1mm和直径4.8mm的族表，如图20所示，为其中的4.1mm种植体的族表。

步骤3：虚拟种植

3.1将选定的种植体模型导出ProE

由病人CT数据重建的口腔三维结构模型可以看出，病人缺失的是分别是第二前磨牙，第一磨牙，第二磨牙三颗牙齿。故可选用三单位桥体结构进行修复，因此可以在第二前磨牙和第二磨牙位置进行种植。

建立了两种直径不同规格种植体的数据库的基础上，根据种植体长度越长越有利于后期的使用效果，并结合颌骨三维模型中下牙槽神经管的位置，测得允许种植的最大长度为12毫米，故选择长度为12毫米的种植体。另外，颌骨模型还显示：第二前磨牙的种植区域骨量较少，故选择直径为4.1毫米的种植体，而第二磨牙的种植区域的骨量较充足，故选择直径为4.8毫米的种植体。因此，可以将直径4.1毫米，长度12毫米和直径4.8毫米，长度12毫米的种植体模型转换成STL格式导出ProE，如图21所示。

3.2在Mimics中的虚拟种植

首先在Mimics中导入STL格式种植体模型，此时导入的种植体方位是随机的，需要将种植体拖动到相应的种植区域。为了更好的观察种植体与上牙的相对位置，必须重新制定一种视图方向。采用Mimics的重新切片视图方法。在Mimics中选择重新切片命令，使用曲线工具沿下牙牙弓线走向绘制重新切片，如图22所示；绘制完毕关闭曲线工具箱即得到重新切片视图窗口，如图23所示。

再根据种植体邻牙的方向调整种植体的方向，在各向视图里对其位置进行微调使种植体的轴向正对上牙的腭尖，且尽量使两种植体相互平行，保证种植体与邻牙之间、种植体之间、种植体与下牙槽神经管以及种植外表面与颌骨外表面之间有足够的空间距离，最终结果如图24所示。

步骤4：牙颌石膏模型的光学扫描

如何将种植设计规划转移到病人口中是定位导板制作的关键技术之一。由于基于CT数据重建的三维模型剔除了牙龈软组织等结构，而牙颌石膏模型提供牙齿和牙龈等丰富的信息。因此本项目采用CT模型和牙颌石膏模型数据配准的方法，实现种植规划向病人口腔的更有效和无痛转移。

4.1要建立牙齿石膏模型的三维模型必须先对石膏模型进行光学扫描，获得点云数据。本项目使用的光学扫描设备是3D CaMega三维扫描数字化系统。3D CaMega是北京博维恒信科技发展有限公司生产的高精密五轴系统，是有小视场、高精度的光学三维扫描系统和高精密数控五轴机械系统组合而成，该系统利用精密机械系统精确移动定位实现对物体进行多方位、多角度的拍摄，生成全面、统一的三维型面点云数据。尤其适合于牙齿模型、单个牙齿、子弹头等精度要求高、型面复杂的物体。如图25所示。

4.2数据处理

根据扫描后的初始点云数据，利用Geomagic逆向工程软件建立三角网格模型。由于制作石膏模型表面粗糙，测量设备存在系统误差等，会引起测量噪声，因此需要对数据进行去除噪音，并利用数据简化工具对点云进行精简。处理好后，利用封装(Warp)技术生成曲面片。但生成的曲面片很不完整，出现很多破洞，边缘也很不流畅，因此，需要对曲面进行修补。最后利用松弛工具对曲面进行光顺，如图26(a)-(e)。

步骤5：CT数据模型与牙颌石膏数据模型配准

5.1数据导入

首先在Mimics中将下颌骨、下牙、上牙以及种植体分别导出为STL文件格式并导入Geomagic中，由于这些模型的坐标系是统一的，所以它们在导入Geomagic中之后的相对位置不会有变化，这就为模拟种植方案的转移提供了保障。然后将处理好的上牙和下牙三角网格模型导入Geomagic的同一窗口中，将各个模型导入同一文件窗口中，如图27所示。

5.2配准

利用Geomagic软件提供的注册工具可以调整各模型的相对位置，利用手工注册命令，选择CT数据产生的下颌骨模型作为固定目标，将由点云数据产生的下牙三角网格模型作为浮动目标，在两者相对应的位置点取几个特征点进行配准。使用相同的方法将CT重建的上牙模型与点云数据重建的上牙三角网格模型配准，如图28所示。使相应位置对齐，配准时应注意(a)CT三维模型模型与牙颌石膏模型的相对位置；(b)种植体与粘膜的相对位置；(c)种植体与上牙的相对位置。可以看出配准后种植体规划的方案合理，如图29(a)-(c)。

步骤6：建立定位导板的数据模型

根据配准后种植轴向位置，确定定位导板的导向孔位置及牙龈接触面形状，形成紧贴牙龈表面的个性化定位导板的数据模型，该数据模型为三角网格模型。

步骤7：制作出实体定位导板

最后将所设计好的定位导板的数据模型以STL格式输出，利用激光快速成型光固化技术制作出快速原型模型。将快速原型模型佩戴在牙颌石膏工作模型上，在导向孔内插入与相应种植体直径匹配的纯钛金属导向管，利用其残余牙列，由医生使用气压成型法制作出实体定位导板。定位导板宜由坚硬透明的树脂材料制成，如图30(a)-(d)。

Claims (6)

1.一种种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、对待种植义齿的口腔进行CT扫描，并制作相应的牙颌石膏模型；

步骤二、将所述CT扫描数据导入计算机，进行口腔结构的三维重建，形成含有牙齿、颌骨、上颌窦、下颌神经导管解剖结构的三维实体图像模型；

步骤三、将种植体模型导入计算机，通过在上述三维实体图像模型中进行虚拟种植，依据种植方位确定种植轴；

步骤四、测量所述牙颌石膏模型，获取三维点云数据，并导入计算机，建立含有牙龈软组织、牙齿的精确数据图像模型；

步骤五、依据对应牙齿的位置，将所述三维实体图像模型与所述精确数据图像模型进行配准；

步骤六、以配准后精确数据图像模型的牙龈软组织表面形状确定定位导板接触面的形状，以配准后所述种植轴的位置确定定位导板上的导向孔位置，以种植体的外径确定导向孔的孔径，形成定位导板的数据模型；

步骤七、根据所述数据模型制作实体定位导板。

2.根据权利要求1所述的种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于：上述步骤二中CT扫描数据导入交互式医学影像控制系统，在交互式医学影像控制系统中选取CT序列中相应阈值，获得颌骨、牙齿的原始蒙罩；然后将上下颌骨分离，再去除散影，获得颌骨或牙齿的蒙罩；随后对相应的蒙罩进行三维计算，获得颌骨、牙齿三维重建模型；在轴向视图中绘出各横截面上的解剖结构蒙罩，再进行三维计算得到相应上颌窦和下牙槽神经管等的三维模型；对牙齿、颌骨、上颌窦和下牙槽神经管等的模型进行相应透明度处理，生成包含牙齿、上下颌骨、上颌窦和下颌神经管的口腔组织的三维模型。

3.根据权利要求2所述的种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于：步骤三中的种植体在Pro/Engineer三维软件中进行实体建模，并以STL格式导出给交互式医学影像控制系统，进行虚拟种植。

4.根据权利要求1或2或3所述的种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于：步骤四中病人口腔结构的精确数据模型经Geomagic逆向工程软件对获取的牙颌石膏模型点云数据进行处理获得。

5.根据权利要求1或2或3所述的种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于：所述步骤七中制作定位导板时，首先利用激光快速成型固化技术制作出快速原型模型，再将所述快速原型模型佩戴在牙石膏模型上，在导向孔内插入与相应种植体直径匹配的纯钛金属导向管，利用残余牙列，使用气压成型法制作出定位导板。

6.根据权利要求5所述的种植义齿个性化定位导板的制造方法，其特征在于：所述定位导板由透明坚硬的树脂材料制成。

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