CN103886145B - 牙齿预备体数字化模型设计方法 - Google Patents

Abstract

一种牙齿预备体数字化模型设计方法，属于计算机辅助设计口腔数字化医疗领域。本方法包括数据模型建立与预处理、牙齿特征提取、预备体模型参数化设计与修改、模型质量评价四个步骤。本设计的向导式模型生成方法人机交互简捷，自动化程度高，不仅能顺利生成符合各项医学指标的牙齿预备体模型，而且能对其进行个性化、参数化修改并对结果进行质量评价。此设计方法将大大降低口腔医师牙齿预备的时间和治疗费用，提高修复的舒适度和效率，在计算机辅助口腔预备领域有着重要的应用价值。

Description

牙齿预备体数字化模型设计方法

所属技术领域

本发明涉及一种牙齿预备体数字化模型设计方法，属于计算机辅助设计领域，还涉及逆向工程和生物医学工程领域。

背景技术

临床医生在患者口腔内对患病牙齿的硬组织(包括生理、病理状态的牙釉质、牙本质和牙骨质)进行定量切割、成形的操作过程，称为“牙体预备”。其目的是去除牙齿硬组织上的病变组织，并将剩余健康部分制备成特定的几何形状，此特殊形状剩余牙齿即为“预备体”。精准的牙体预备不但能够为各种牙齿硬组织充填体、修复体创造适宜的三维修复空间，满足机械强度、固位力、支持力和美观的治疗要求，而且还能从根源上降低继发龋坏、牙齿折断、牙龈牙周损伤等医源性继发疾病的发生概率。临床预备操作水平的高低，是决定牙齿硬组织疾病治疗效果的重要内容。

目前牙齿预备临床手术中仍沿用传统的“目测+手控”操作模式，即利用金刚砂车针进行手工打磨操作，将患病牙齿切割成规定的预备体形状。这种预备模式效率低、效果差、质量难于控制。在口腔这样狭小的特殊操作空间内进行大量重复、费力的微细操作，人眼视觉偏差、人手定位控制误差等很难避免，成为制约牙齿硬组织疾病治疗质量、效率和标准实现的关键技术瓶颈。在牙齿预备培训中，有利用KAVO公司的PREPassistant评估系统来对实习学生进行预备培训的相关数字化产品，但是其仅能对制作完成的预备体进行评测而不涉及模型的设计阶段。查阅相关文献，尚未有将计算机辅助技术应用到预备体模型设计过程的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于参数化灵活修改的牙齿预备体模型数字化设计方法，从而实现模型的数字化、参数化制备，以便于开发新的牙齿预备操作模式。

一种牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于包括以下四个步骤：

步骤1、数据生成和预处理

预备体模型设计需要两种初始数据，包括患者牙齿拍摄的CT数据和口腔扫描仪扫描的石膏数据。分别将这些数据转换成系统接受的三角网格格式并导入到系统中即可完成设计的准备工作。接着对导入的模型进行预处理操作，通过去除自交和非流形等网格缺陷来生成合格质量的初始模型。

步骤2、牙齿特征提取

牙齿预备过程需要用到牙齿的龈缘线特征和牙体长轴特征，这里利用手工交互的半自动提取方法提取牙龈边缘线，通过沿牙龈方向依次选取若干表面点连接成线来生成牙齿的龈缘线特征；同时以基于测地线分层的牙体长轴提取算法提取牙齿的牙体长轴特征，这种分层拟合的牙体长轴提取算法比常用的轴线提取方法具有更高的精度和稳定性；

所述的基于测地线分层的牙体长轴提取算法具体包括以下过程：

首先为了计算模型表面的测地线距离，在牙齿合面中点附近手工选取测地线源点；

然后利用dijkstra算法分别计算模型上各点到源点的测地线距离值，依据该值将模型分为若干层；分层数量越多提取的轴线越精确，同时相应的运算时间也更长；

完成数据分层后分别计算各分层数据中心点并以这些中心点为基础进行空间直线拟合；在空间直线拟合算法中，根据最佳平方逼近原理，拟合出最佳直线使之满足方程如下：

$f({\mathrm{\ϵ}}_{i1},{\mathrm{\ϵ}}_{i2},{\mathrm{\ϵ}}_{i3})=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({{\mathrm{\ϵ}}_{i1}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i2}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i3}}^2)$

最小，其中ε_i1、ε_i2、ε_i3分别为点在X向、Y向、Z向的误差；通过计算所有空间点误差值的平方和并使之最小可得出最适宜的方向向量，利用点法式即可求出所需牙体长轴；

步骤3、预备体参数化设计与修改

通过基于参数化操作的方法将预备体模型生成过程分解为一系列参数化操作步骤，并且通过在这些操作中应用参数化控制可以生成精确满足要求的预备体模型。各参数化操作主要有以下四项，分别是：(1)牙冠模型获取；(2)预备体肩台生成；(3)预备体合面生成；(4)预备体轴面生成。通过这四步参数化操作即可生成满足各项医学指标的预备体模型，同时利用基于历史的方法可以实现模型的动态参数化修改。

步骤4、预备体质量检测

对完成模型设计和修改之后的预备体模型进行质量检测以评价其各项参数指标。本发明中通过取过牙体长轴且均匀分布的预定截面来生成模型特定的截面视图，然后依次测量模型的合面预备厚度参数、肩台宽度参数和合向聚合度参数距离值大小，并对各个截面的参数数据进行统计学分析得到模型各项参数指标的统计学结果，依据此结果可以判定模型的参数误差大小和模型生成质量。

此预备体模型参数化设计方法不仅能够生成满足医学临床要求的预备体数字化模型，并且可以对模型作参数化变形和修改，因而更加贴近临床个性化需求，同时通过对模型质量评价充分保证了生成的预备体模型具有较高精确性和可靠性。此模型设计为自动化手术制备提供了模型依据，为开发新的牙齿预备操作模式、研发新型口腔预备医疗系统奠定了基础，具有以下特点：

(1)预备体模型设计向导式操作流程：由于设计应用参数化操作法生成预备体模型，针对性地采用了向导式的模型设计流程。通过向导式专家系统的指示和导引，能够引导用户顺利高效地完成预备体模型的参数化设计任务，设计流程灵活方便，便于交互式操作和修改。

(2)基于测地线分层的牙体长轴提取算法：在预备体的参数化设计过程中，需要用到牙齿的长轴特征作为参考基准。为了适应设计的高精度要求，在此提出一种基于测地线距离分层的牙体长轴提取算法，相比与传统的轴线提取方法，此算法具有更高的精度和稳定性。

(3)预备体模型参数化设计与修改方法：对于复杂形状多约束的牙齿预备体模型设计过程，将其模型生成过程具体分解为(1)牙冠模型获取；(2)预备体肩台生成；(3)预备体合面生成；(4)预备体轴面生成四个参数化操作步骤，通过在操作中应用尺寸约束，完成了预备体模型的参数化生成。同时为了适应个性化、定制性的预备要求，利用基于模型构造历史的方法实现了模型的动态修改和更新，更加适应了手术的临床预备要求。

(4)预备体模型质量评价方法：对于设计生成的预备体模型，为了准确评价模型设计质量，提出一种预备体模型质量评价方法，通过依次测量各预定截面参数值大小并进行统计学分析得到了模型的各项参数指标。通过这种方法可以精确可靠地评价各种预备体模型质量。

综合以上各优点，通过应用此预备体模型设计方法能够完成模型的自动化制备，将大大降低口腔医师牙齿预备手术的时间和治疗费用，提高修复的舒适度和效率，在计算机辅助口腔预备领域有着重要的应用价值。

附图说明

图1数据生成和预处理；

图2龈缘线特征提取；

图3牙体长轴特征提取；

图4牙冠模型获取；

图5预备体肩台生成；

图6预备体合面生成；

图7预备体轴面生成；

图8过长轴预定截面分布；

图9合面预备厚度测量；

图10肩台宽度测量；

图11合向聚合度测量；

图12本发明流程图；

图中标号：1CT数据，2石膏扫描数据，3龈缘线特征，4牙体长轴特征，5牙冠部分模型，6肩台部分模型，7检测截面，8合面预备厚度参数，9肩台宽度参数，10合向聚合度参数。

具体实施方案

步骤1、数据生成和预处理：在预备体模型设计之前，首先需要生成两种设计所需的初始数据模型，它们分别是：(1)患者牙齿的CT数据，这是患者在医院通过CT机拍摄所得，CT机直接产生DICOM格式文件，利用医学重建软件如Mimics等能够重建出牙齿的三维网格数据模型；(2)光学扫描仪扫描的石膏数据模型，这是通过医生对患者牙齿进行硅胶印模并利用光学扫描设备扫描印模来获得的，扫描产生的点云数据通过逆向工程软件(如Geomagic)三角化封装处理能够得到牙齿的石膏模型数据。两个初始模型分别如图1所示。分别导入这两种初始数据到系统中即可完成预备体设计的准备工作；然后对导入模型进行三角网格的预处理，常用的预处理操作有去除自交、去除非流形和删除尖角等，通过这些预处理操作能够生成质量合格的三角网格模型。

步骤2、牙齿特征提取：牙齿预备过程需要用到牙齿的龈缘线特征和牙体长轴特征，这里利用手工交互的半自动提取方法(如论文“基于启发式搜索策略的牙齿生物特征线提取技术”.中国机械工程,2012,23(13))提取牙龈边缘线，通过沿牙龈方向依次选取若干表面点连接成线来生成牙齿的龈缘特征线(图2)。同时以基于测地线分层的牙体长轴提取算法提取牙齿的牙体长轴特征(图3).首先为了计算模型表面的测地线距离，在牙齿合面中点附近手工选取测地线源点(计算测地线距离时的起始点)，然后利用dijkstra算法分别计算模型上各点到源点的测地线距离值，依据该值将模型分为若干层。分层数量越多提取的轴线越精确，同时相应的运算时间也更长。完成数据分层后分别计算各分层数据中心点并以这些中心点为基础进行空间直线拟合。在空间直线拟合算法中，根据最佳平方逼近原理，拟合出最佳直线使之满足方程如下：

$f({\mathrm{\ϵ}}_{i1},{\mathrm{\ϵ}}_{i2},{\mathrm{\ϵ}}_{i3})=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({{\mathrm{\ϵ}}_{i1}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i2}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i3}}^2)$

最小，其中ε_i1、ε_i2、ε_i3分别为点在X向、Y向、Z向的误差。通过计算所有空间点误差值的平方和并使之最小可得出最适宜的方向向量，利用点法式即可求出所需的直线。然后可以此直线为牙体长轴作为模型设计时的参考特征。

步骤3、预备体参数化设计与修改：首先针对离散数据模型尺寸约束特点，分析模型各参数尺寸链关系，然后通过基于参数化操作的方法将预备体模型生成过程分解为一系列参数化操作，通过在这些操作中应用参数约束可以实现预备体模型的参数化设计生成。预备体模型设计的参数化操作主要分以下四项：

(1)牙冠模型获取

牙齿预备过程主要处理龈缘线以上部分即牙冠部分。设定预备体颈部边缘线与龈缘平齐，在这里对导入的初始CT模型利用步骤2提取的牙齿龈缘线特征将牙齿模型裁剪开来，从而得到牙齿的牙冠部分模型和牙颈牙根部分模型，裁剪后的不同模型见图4。

(2)预备体肩台生成

预备体肩台为均匀宽度的环形平面，肩台宽度为主要的几何约束，在此以基于分类特征点集的模型偏置算法(如论文“基于特征点的离散偏置技术研究”.中国制造业信息化,2012,41(9))逐点将牙冠模型均匀向内偏置肩台宽度距离，以此来完成牙冠模型的偏置操作生成预备体的肩台特征，然后缝合牙冠模型和牙颈牙根模型间的缝隙即可生成预备体的肩台平面，见图5所示。

(3)预备体合面生成

预备体合面大致为等距的牙齿合面，合面预备厚度约束为主要的约束条件，在此执行参数化偏移操作，即通过模型偏移算法偏移牙冠模型备份指定距离以生成符合约束的预备体合面。由于预备体合面不需要原始合面明显的表面特征，因此采用光顺后的牙冠面作为偏移面；然后分别将肩台内边缘点以一定聚合度向牙冠方向收敛并与偏移完的牙冠面相交生成合面对应点，连接合面对应点生成预备体合面边界线，裁剪偏移后的牙冠面即为预备体合面，合面生成如图6所示。

(4)预备体轴面生成

预备体轴面为预备体模型的倾斜侧壁部分，合向聚合度为主要的几何约束，由于合面生成过程中保证了聚合度的要求，在此缝合合面边界和肩台内边缘之间的侧壁即可生成符合聚合度要求的预备体轴面，至此预备体模型按参数化操作全部生成，完整的预备体模型见图7。

当初始设计的预备体模型不能达到理想要求时，可以利用基于历史的方法对初始生成的模型进行参数化动态修改。在模型生成过程中将参数化操作和参数值一起按照模型构造顺序被记录下来，并为每个操作附上标记，当参数尺寸修改时，找到对应标记的操作并以此开始按照模型构造历史以新的参数值重新构造模型，即可完成模型的参数化更新。

步骤4、预备体质量检测：对于参数化设计的预备体模型在此进行质量检测以合理评价预备体模型参数指标的满足情况。在这里分别针对预备体模型的合面预备厚度参数、肩台宽度参数和合向聚合度参数三项指标作针对性的测量评价。首先作过牙体长轴特征的特定截面(图8)来截取模型，因为预备体合面是由牙齿合面光顺后沿牙体长轴方向偏移生成的，合面预备厚度即为原始牙齿合面和预备后合面之间的轴向距离值，因此采取测量沿长轴方向两个合面之间距离值的方法来测量合面预备厚度大小(图9)；同时通过测量截面上肩台宽度距离(图10)和合向聚合度大小(图11)可以求取模型的一组参数测量数据，通过测量各预定截面参数数据并作统计学分析，最后可得到模型的综合参数指标，对这些指标进行分析和评价即可完成对预备体参数的质量评价工作。

Claims (7)

1.一种牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于包括以下四个步骤：

步骤1、数据生成和预处理

预备体模型设计需要两种初始数据，包括患者牙齿拍摄的CT数据和口腔扫描仪扫描的石膏数据；分别将这些数据转换成系统接受的三角网格格式并导入到系统中即可完成设计的准备工作；接着对导入的模型进行预处理操作，通过去除自交和非流形在内的网格缺陷来生成合格质量的初始模型；

步骤2、牙齿特征提取

牙齿预备过程需要用到牙齿的龈缘线特征和牙体长轴特征，这里利用手工交互的半自动提取方法提取牙龈边缘线，通过沿牙龈方向依次选取若干表面点连接成线来生成牙齿的龈缘线特征；同时以基于测地线分层的牙体长轴提取算法提取牙齿的牙体长轴特征；

所述的基于测地线分层的牙体长轴提取算法具体包括以下过程：

首先为了计算模型表面的测地线距离，在牙齿合面中点附近手工选取测地线源点；

然后利用dijkstra算法分别计算模型上各点到源点的测地线距离值，依据该值将模型分为若干层；分层数量越多提取的轴线越精确，同时相应的运算时间也更长；

完成数据分层后分别计算各分层数据中心点并以这些中心点为基础进行空间直线拟合；在空间直线拟合算法中，根据最佳平方逼近原理，拟合出最佳直线使之满足方程如下：

$f({\mathrm{\ϵ}}_{i1},{\mathrm{\ϵ}}_{i2},{\mathrm{\ϵ}}_{i3})=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({{\mathrm{\ϵ}}_{i1}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i2}}^2+{{\mathrm{\ϵ}}_{i3}}^2)$

最小，其中ε_i1、ε_i2、ε_i3分别为点在X向、Y向、Z向的误差；通过计算所有空间点误差值的平方和并使之最小可得出最适宜的方向向量，利用点法式即可求出所需牙体长轴；

步骤3、预备体参数化设计与修改

通过基于参数化操作的方法将预备体模型生成过程分解为一系列参数化操作步骤，并且通过在这些操作中应用参数化控制可以生成精确满足要求的预备体模型；各参数化操作有以下四步，分别是：(1)牙冠模型获取；(2)预备体肩台生成；(3)预备体合面生成；(4)预备体轴面生成；通过这四步参数化操作可生成满足各项医学指标的预备体模型，同时利用基于历史的方法可以实现模型的动态参数化修改；

步骤4、预备体质量检测

对完成模型设计和修改之后的预备体模型进行质量检测以评价其各项参数指标；具体通过取过牙体长轴且均匀分布的预定截面来生成模型截面视图，然后依次测量模型合面预备厚度参数、肩台宽度参数和合向聚合度参数值大小，并对各个截面的参数数据进行统计学分析得到模型各项参数指标的统计学结果，依据此结果可以判定模型的参数误差大小和模型生成质量。

2.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤3中所述的牙冠模型获取通过以下过程实现：

设定预备体颈部边缘线与龈缘平齐，在这里对导入的初始CT模型利用提取的牙齿龈缘线特征将牙齿模型裁剪开来，从而得到牙齿的牙冠部分模型和牙颈牙根部分模型。

3.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤3中所述的预备体肩台生成通过以下过程实现：

预备体肩台为均匀宽度的环形平面，肩台宽度为主要的几何约束，在此以基于分类特征点集的模型偏置算法逐点将牙冠模型均匀向内偏置肩台宽度距离，以此来完成牙冠模型的偏置操作生成预备体的肩台特征，然后缝合牙冠模型和牙颈牙根模型间的缝隙即可生成预备体的肩台平面。

4.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤3中所述的预备体合面生成通过以下过程实现：

预备体合面大致为等距的牙齿合面，合面预备厚度约束为主要的约束条件，在此执行参数化偏移操作，即通过模型偏移算法偏移牙冠模型备份指定距离以生成符合约束的预备体合面；

由于预备体合面不需要原始合面明显的表面特征，因此采用光顺后的牙冠面作为偏移面；然后分别将肩台内边缘点以指定聚合度向牙冠方向收敛并与偏移完的牙冠面相交生成合面对应点，连接合面对应点生成预备体合面边界线，裁剪偏移后的牙冠面即为预备体合面。

5.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤3中所述的预备体轴面生成通过以下过程实现：

预备体轴面为预备体模型的倾斜侧壁部分，合向聚合度为主要的几何约束，由于合面生成过程中保证了聚合度的要求，在此缝合合面边界和肩台内边缘之间的侧壁即可生成符合聚合度要求的预备体轴面。

6.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤3中所述的基于历史的方法实现模型动态参数化修改过程如下：

在模型生成过程中将参数化操作和参数值一起按照模型构造顺序被记录下来，并为每个操作附上标记，当参数尺寸修改时，找到对应标记的操作并以此开始按照模型构造历史以新的参数值重新构造模型，即可完成模型的参数化更新。

7.根据权利要求1所述的牙齿预备体数字化模型设计方法，其特征在于上述步骤4中所述的预备体模型质量评价方法具体包括以下过程：

首先依次测量各预定截面参数值大小并进行统计学分析得到模型的各项参数指标，然后对合面预备厚度、肩台宽度和合向聚合度等参数指标并进行统计学分析，即可完成模型的质量评价工作。