CN102194030A - 基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，属计算机辅助设计领域。本方法包括数据采集与预处理，种植系统模型库建立，愈合基台和种植体定位，个性化基台设计四个步骤。本发明自动化程度高，不仅能够避免临床上制作蜡型或铸造模型、转移种植体等操作步骤，而且能够改善种植义齿修复后的龈缘形态，大大降低医生和技工操作的时间和费用，提高修复的效率和美观，在计算机辅助口腔种植领域有着重要的应用价值。

Description

基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法

技术领域

本发明涉及一种义齿种植个性化基台的设计方法，属于计算机辅助设计领域，涉及逆向工程和生物医学工程领域。

背景技术

口腔种植技术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撑效果，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。由于现有种植体和牙龈愈合基台颈部外形均为圆柱形，而非自然牙颈部的不规则形态，且愈合基台直径偏细，小于自然牙齿颈部直径，因而在此基础上制作的义齿烤瓷冠颈部只能是近似圆形，颈缘内收明显，且形态单一，生硬不连续，无法兼顾咬合形态和美学要求，不能从根本上满足患者个性化修复的需求。另外，尽管种植体系统的供应商们提供了种类繁多的基台选择，患者的义齿种植环境各异，如果种植位置不理想，需要借助角度基台来纠正，但临床医生只能被动选择最接近需要的基台，如成品15°或20°等角度基台进行近似匹配。如果临床医生专业培训不到位或不熟悉每类种植体系统产品结构，易做出错误设计，影响种植义齿修复效果和长期成功率。使得每个开展种植义齿修复的医院必须储备各个种植体系统的多种基台部件供临床选择，耗资巨大，不利于中小医院及个体诊所开展此业务，也影响种植义齿技术的普及和推广。

因此，近年来兼顾美学和功能的个性化基台越来越受到人们的青睐。随着计算机的迅速发展，国外很多牙科计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件都纳入了个性化基台的功能，如著名的Procera系统首先在工作台上手工雕刻具有美学解剖形态的个性化基台蜡型，然后采用的他们的仿制铣削系统就可以快速加工出个性化基台(Kucey，B.K.S.，Fraser，D.C.，2000.The Procera abutment-the fifth generation abutment for dental implants.Journal of the Canadian Dental Association 66，445-449)。然而由于雕刻蜡型费事费力，且基台和种植体的连接位置需要通过印模转移，由此设计的个性化基台不能保证和基台的精确连接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有方法的不足，提出一种利用计算机辅助设计技术进行个性化基台的设计方法，目的在于提高种植修复的效率和准确性，改善种植义齿修复后的龈缘形态，提高患者个性化种植的适应性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案。

一种基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，包括如下步骤：

步骤1、数据采集与预处理：安装愈合基台并且牙龈愈合后，取模灌制患者的上下颌石膏模型，然后用激光扫描仪对石膏模型进行数据采集，并对采集的数据进行预处理，构建出患者上下颌精确的牙颌三角网格模型；

步骤2、建立种植系统模型库：根据种植体厂商提供的数据，对种植体和愈合基台零件进行三维实体建模，构建不同规格的种植系统模型数据库；

步骤3、愈合基台和种植体定位：

3-1，采用曲面拟合方法对愈合基台部分的网格顶点进行特征识别；

3-2，分别抽取愈合基台二次曲面的特征点集以及三维模型数据库中愈合基台实体模型相应表面的特征点集，进行刚体变换，将愈合基台实体模型定位到牙颌三角网格模型当中；

3-3，通过种植体与愈合基台的实体连接关系，确定种植体在牙颌三角网格模型中的位置；

步骤4、个性化基台设计：包括解剖颈缘线和倾斜角度的设计；

4-1，根据上下颌咬合关系，从牙齿模型数据库选择合适的模型作为修复假牙，放置到牙颌三角网格模型当中的缺牙位置；

4-2，求出假牙模型与牙颌三角网格模型的交线作为颈缘特征线，计算假牙牙体长轴与种植体长轴的夹角，得出个性化基台的倾斜角度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明无需制作蜡型和铸造模型，也无需种植体转移，避免精度损失或引入冗余的数据。

附图说明

图1是特征识别示意图。

图2是特征匹配以定位愈合基台和种植体的示意图。

图3是获取颈缘特征线示意图。

图4是B-样条拟合颈缘线示意图。

图4是计算倾斜角度示意图。

图6是个性化基台最终模型示意图。

图7是本发明的总体流程图。

图中标号：1-种植体；2-愈合基台；3-颈缘特征线；a-带愈合基台的牙列三角网格模型；b-愈合基台实体模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

首先参照图7所示，本发明包括如下步骤：

步骤1、数据采集与预处理：当种植体与周围的骨组织形成整合后，进行第二次手术，选择合适的愈合基台安装在种植体上。如图1所示，为保证后续测量的准确性，要求安装后的愈合基台必须高出牙龈软组织1mm以上。牙龈愈合后，取模灌制上下颌石膏模型，然后用扫描仪对石膏模型进行数据采集。由于扫描中不可避免的遇到噪声、扫描盲区等缺陷，因此对采集的数据进行预处理，数据预处理包括噪音、三角化、孔洞修复等，然后构建出上下颌精确的三角网格模型。

步骤2、种植系统模型库建立：根据种植体厂商提供的数据，对种植体和愈合基台零件进行三维实体建模，构建不同种植体尺寸规格参数、种植体的型号类别、种植体的组合方式构建种植系统模型数据库，该数据库可以根据种植型号、尺寸进行基于约束条件的匹配查询，并获取种植体三维模型。

步骤3、愈合基台和种植体定位：

(1)特征识别。如图1所示，由于愈合基台表面为自然二次曲面，其中顶部一般为球面，但是也有的愈合基台的表面是平面，如果是平面可视为二次曲面的退化形式。侧面一般为圆柱面，因此采用曲面拟合方法对愈合基台部分的网格顶点进行特征识别。

通过最小二乘法拟合网格顶点为相应的二次曲面。例如：

对于球面拟合，设定参数为x₀，y₀，z₀，r₁，其中O＝(x₀，y₀，z₀)为球面球心，r₁为球面半径，网格点p_i到球面的距离为：d(p_i)＝|p_i-O|-r₁，通过最小化残差平方和：即可求得球面参数，n₁代表球面拟合所需要的点的个数。

对于圆柱面拟合，设定参数为x₀，y₀，z₀，m，l，n，r₂，其中O＝(x₀，y₀，z₀)为圆柱面轴线上一点，a＝(m，l，n)表示圆柱面轴线方向，r₂为圆柱面半径，网格点p_i到球面的距离为：d(pi)＝|(pi-O)×a|-r₂，通过最小化残差平方和：

即可求得圆柱面参数，n₂代表圆柱面拟合所需要的点的个数。

(2)特征匹配

特征识别后，分别抽取二次曲面的特征点集A＝{a₁，a₂，a₃，L，a_iL，a_n}以及三维模型数据库中愈合基台实体模型相应表面的特征点集B＝{b₁，b₂，b₃，L，b_iL，b_n}，然后进行刚体变换(旋转和平移)，将愈合基台实体模型定位到牙颌三角网格模型当中。刚体变换的参数包括旋转矩阵R和平移向量T，通过最小化均方目标函数：

求得，其中n₃代表愈合基台实体模型相应表面的特征点集的个数，a_i代表二次曲面的特征点集A中的元素，b_i代表愈合基台实体模型相应表面的特征点集B中的元素。

(3)定位种植体

如图2所示，愈合基台一旦匹配好，通过种植体与愈合基台的实体连接关系即可确定种植体在牙颌模型中的位置。

步骤4、个性化基台设计：主要包括解剖颈缘线，倾斜角度的设计。

(1)解剖颈缘线设计

如图3所示，首先根据上下颌咬合关系，从牙齿模型数据库选择合适的模型作为修复假牙，放置到牙颌模型当中的缺牙位置，并调整到合适的形态。假牙模型与牙颌模型的交线作为颈缘特征线。然后进行样条拟合，得到光滑的解剖颈缘线，如图4所示。

(2)倾斜角度设计

在临床治疗中，常因患者受解剖方面因素的限制而种植体不能按理想的位点轴线植入的现象，因此需要借助角度基台来纠正。如图5所示，为满足最佳的功能和美学的要求，以假牙牙体长轴作为参照，计算假牙牙体长轴l与种植体长轴m的夹角作为基台的倾斜角度，通过以下公式求出：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ar}\cos \frac{l\·m}{\left|l\right|\left|m\right|}.$

如图6所示，通过上述步骤，即可得出个性化基台最终模型。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、数据采集与预处理：安装愈合基台并且牙龈愈合后，取模灌制患者的上下颌石膏模型，然后用扫描仪对石膏模型进行数据采集，并对采集的数据进行预处理，构建出患者上下颌精确的牙颌三角网格模型；

步骤2、建立种植系统模型库：根据种植体厂商提供的数据，对种植体和愈合基台零件进行三维实体建模，构建不同规格的种植系统模型数据库；

步骤3、愈合基台和种植体定位：

3-1，采用曲面拟合方法对愈合基台部分的网格顶点进行特征识别；

3-2，分别抽取愈合基台二次曲面的特征点集以及三维模型数据库中愈合基台实体模型相应表面的特征点集，进行刚体变换，将愈合基台实体模型定位到牙颌三角网格模型当中；

3-3，通过种植体与愈合基台的实体连接关系，确定种植体在牙颌三角网格模型中的位置；

步骤4、个性化基台设计：包括解剖颈缘线和倾斜角度的设计；

4-1，根据上下颌咬合关系，从牙齿模型数据库选择合适的模型作为修复假牙，放置到牙颌三角网格模型当中的缺牙位置；

4-2，求出假牙模型与牙颌三角网格模型的交线作为颈缘特征线，计算假牙牙体长轴与种植体长轴的夹角，得出个性化基台的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，其特征在于，所述步骤3-1通过最小二乘法拟合网格顶点为相应的二次曲面，具体步骤如下：

3-1-1，对于球面拟合，设定参数为x₀，y₀，z₀，r₁，其中O＝(x₀，y₀，z₀)为球面球心，r₁为球面半径，网格点p_i到球面的距离为：d(p_i)＝|p_i-O|-r₁，通过最小化残差平方和：即可求得球面参数，n₁代表球面拟合所需要的点的个数；

3-1-2，对于圆柱面拟合，设定参数为x₀，y₀，z₀，m，l，n，r₂，其中O＝(x₀，y₀，z₀)为圆柱面轴线上一点，a＝(m，l，n)表示圆柱面轴线方向，r₂为圆柱面半径，网格点p_i到球面的距离为：d(pi)＝|(pi-O)×a|-r₂，通过最小化残差平方和：即可求得圆柱面参数，n₂代表圆柱面拟合所需要的点的个数。

3.根据权利要求1所述的基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，其特征在于，步骤3-2所述刚体变换的参数包括旋转矩阵R和平移向量T，通过最小化均方目标函数：

求得，其中n₃代表愈合基台实体模型相应表面的特征点集的个数，a_i代表二次曲面的特征点集A中的元素，b_i代表愈合基台实体模型相应表面的特征点集B中的元素。

4.根据权利要求1所述的基于愈合基台牙颌模型的种植义齿个性化基台设计方法，其特征在于，步骤4-2通过以下公式计算假牙牙体长轴l与种植体长轴m的夹角：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ar}\cos \frac{l\·m}{\left|l\right|\left|m\right|}.$

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