CN104881511A - 一种人面部赝复体三维数据模型、阴形型盒及其赝复体的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人面部赝复体三维数据模型、阴形型盒及其赝复体的制作方法，包括将患者三维光学扫描和CT扫描获取的三维数据通过配准结合成三维设计图形，用二次镜像方法和人面部器官三维形态数据库设计赝复体外表面，用镜像、偏移技术设计模拟正常解剖结构特征的赝复体内表面；根据赝复体三维形态设计相应的个性化阴形型盒，用立体印刷快速成形技术制作树脂材料的型盒；充填赝复用硅橡胶材料形成硅橡胶赝复体。本发明的技术方案提高了数字化赝复体设计和加工的精度，简化了制作过程，减少了手工操作，改善了赝复体的美学效果。

Description

一种人面部赝复体三维数据模型、阴形型盒及其赝复体的制作方法

技术领域

本发明涉及属于医学诊疗技术和机械工程技术交叉应用技术领域，涉及一种人面部赝复体三维数据模型、阴形型盒及其赝复体的制作方法。

背景技术

由于各种原因造成的口腔颌面部缺损，不仅会给患者带来生理功能的障碍，而且，面部畸形会使患者产生严重的心理障碍，难以进行正常的工作和社交，甚至使许多患者丧失生活的信心。面对这种问题，传统的修复方法是通过制取缺损区域的印模获得完整的石膏模型，再依靠技师手工雕刻的方法完成赝复体的蜡型，最后通过失蜡方法制作最终的硅橡胶材料赝复体。由于颌面缺损腔较深，患者多有张口受限以及印模材料性质等问题，医师往往难以取得完整的印模，而且反复制取印模也会造成患者的不适。同时，传统的制作方法存在一系列问题，如石膏模型的误差，技工制作工艺繁琐，赝复体美学效果较差。

随着计算机技术的发展，数字化技术已经越来越多地应用于医学领域，广泛地应用于疾病的诊断、规划和治疗。近十年来，计算机辅助设计和制造、逆向工程、快速成形等新技术逐步应用于颜面缺损的赝复治疗领域，并逐渐成为国内外学者研究的热点。这种方法利用螺旋CT、激光扫描等方法获得精确的缺损区数字化信息，采用三维图形软件结合颌面缺损修复的自身特点进行赝复体的三维仿真设计，最后结合数字化先进制造技术进行赝复体的三维加工。但是目前这方面的研究仍存在着三方面的不足：①赝复体数字化技术研究还缺乏系统性和完整性，自动化和智能化程度较低，赝复体组织面缺乏有效的三维设计方法，迄今为止国内外还没有成熟的数字化口腔颌面缺损赝复系统；②CT扫描和光学扫描两种三维数据采集模式各有利弊，目前缺乏有效的方法将两者结合，发挥其各自优点；③赝复体数字化加工方法繁琐，往往先需要制作蜡或树脂材料的赝复体模型，再通过石膏包埋装胶的方法翻制硅橡胶材料的最终赝复体，这其中包含很多手工加工操作，对数字化赝复体最终效果产生影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种人面部赝复体三维数据模型、阴形型盒及其赝复体的制作方法。

为达到上述目的，具体技术方案如下：

一方面，提供了人面部赝复体三维数据模型的制作方法，适用于制作颜面部分缺损患者的赝复体，包括以下步骤：

步骤1，利用三维光学扫描法对患者的面部外表面进行三维数据采集；利用CT扫描法对患者面部内表面缺损部位进行解剖形态数据采集；并将三维数据和解剖形态数据统一在同一坐标系下；

步骤2，利用采集的患者面部外表面的三维数据，设计赝复体外表面形态；利用患者面部内表面缺损部位的解剖形态数据，设计赝复体内表面形态；

步骤3，将赝复体的外表面沿法线方向偏移0.5±0.2mm，与赝复体的内表面进行边界缝合，形成赝复体三维模型。

优选的，在所述步骤1中，使用最近点迭代算法将三维数据和解剖形态数据统一在同一坐标系下，并通过曲面裁剪删除冗余数据，保留三维光学扫描的面部数据和CT扫描的缺损区数据。

优选的，在所述步骤2中，包括步骤2.1：对于对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，通过二次镜像方法，将患者健康一侧的面部形态复制至患者另一侧缺损部位，设计缺损部位的赝复体外表面的形态。

优选的，所述步骤2.1中，对于对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，确定缺损部位的修复边界，以面部矢状平分面为参考将修复边界镜像至健康一侧并投影于皮肤表面，确定要复制的范围，再将此范围的面部形态数据以同样的面部矢状平分面为参考镜像复制到另一侧缺损部位，并与缺损部位的修复边界进行边缘缝合、曲面光顺后形成赝复体外表面的形态。

优选的，所述步骤2.1中，对于非对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，确定缺损部位的修复边界，并结合健康人面部三维形态数据，设计缺损部位的赝复体外表面的形态。

优选的，在所述步骤2中，还包括步骤2.2：以步骤2.1中缺损部位的修复边界为基础选取缺损区内部的数据，通过对称镜像方法、曲面桥接技术设计缺损区内部结构，通过布尔运算与患者面部内表面缺损部位的解剖形态数据结合，设计赝复体内表面的形态。

优选的，所述步骤2.2中，对于口腔内比较敏感的部位，将相应缺损区内部的数据逆法线方向偏移0.5±0.2mm进行缓冲处理；保留可利用的倒凹区；对于赝复体局部较厚的区域，用数据偏移技术形成中空式结构。

另一方面，提供了一种人面部赝复体阴形型盒的制作方法，包括如上所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，还包括以下步骤：

步骤4，根据赝复体的三维模型，以赝复体内表面的边界为基础设计主分模面，同时设计若干副分模面、模腔定位装置，以设计出阴形型盒数据模型；

步骤5，利用阴形型盒数据模型，通过立体印刷技术制作设计出的阴形型盒，并进行体外装配测试。

优选的，所述步骤4中调整赝复体三维模型在坐标系中的位置，使内表面的边界线在Z轴上投影尽量小，定义Z轴方向为赝复体个性化阴形型盒的主拔模方向；确定型盒的主分模面位置，位于平分内表面边界线的水平，通过曲面桥接技术连接内表面边界线和型盒边界线，形成主分模面。

另一方面，提供了一种人面部赝复体的制作方法，包括如上所述的人面部赝复体阴形型盒的制作方法，还包括以下步骤：

步骤6，选取赝复体用硅橡胶，注入赝复体的阴形型盒中，制作形成硅橡胶赝复体。

相对于现有技术，本发明的技术方案提高了数字化赝复体设计和加工的精度，简化了制作过程，减少了手工操作，改善了赝复体的美学效果，并具有以下的优点：

1、形成了完整的数字化赝复治疗程序，适合于为不同条件的颜面缺损患者个性化地设计赝复方案，减轻了患者治疗的痛苦，极大限度地减少了手工加工操作，提高了赝复体制作的精度和效率，改善了赝复治疗的美观效果，缩短了生产周期；

2、充分发挥了CT扫描和光学扫描两种三维数据采集模式的优点，将两种三维数据有效地结合起来，使得设计模型兼具整体性和精密性的特点；

3、可以在计算机上演示赝复治疗的程序，预测赝复体的形态和赝复治疗的最终效果，促进了医患之间的交流，使整个治疗过程形象而具体。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的三维数据采集及三维数字化赝复体设计的流程图；

图2是本发明实施例的个性化三维阴形型盒设计制作和赝复体制作的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例在逆向工程技术的基础上用计算机图形学软件为口腔颌面部等颜面部缺损患者设计赝复体和与之相应的阴形型盒的三维形态，用快速成形方法制作光敏树脂材料的型盒实体，制作最终硅橡胶材料赝复体的医疗方法。

本发明的实施例用三角网格逼近形体表面的方法构造曲面，完成赝复体内、外表面的三维设计；用二次镜像的方法模拟患者口腔颌面部正常的解剖形态，使最终赝复体恢复患者的外形和功能特征；以赝复体内表面和外表面面交界处为主分模面，设计赝复体阴形型盒的三维形态，包括以下步骤：

1、用三维光学扫描法和CT扫描法获取患者颜面缺损部位和相关健康身体组织的三维数据，通过数据配准、裁减和边界缝合的方法将两种扫描方法获得的数据结合在一起用于个性化赝复体的三维设计；

2、对于对称特征颜面缺损的患者，在三维数字模型上选取缺损区修复边界，用二次镜像方法将对称侧健康组织表面形态复制到缺损侧，与修复边界进行数据缝合和光顺处理，形成赝复体的外表面。对于非对称特征颜面缺损，如鼻缺损的患者，在选取修复边界的基础上，在人面部器官三维形态数据库中选择合适的缺损器官形态为患者设计赝复体的外表面；

3、选取缺损区边界内部的数据进行裁减、光顺处理，保留一定的倒凹区为赝复体提供足够的固位力；用对称镜像方法复制患者正常的内部解剖形态，如上腭、上颌窦、眶底、鼻道等，与内部数据进行边界缝合；通过偏移技术形成赝复体中空式的结构，如此完成赝复体内表面的三维设计；

4、将赝复体的外表面沿法线方向偏移0.5mm，与赝复体的内表面进行边界缝合，完成赝复体的三维设计；

5、根据赝复体的三维外形特点设计个性化的阴形型盒，以赝复体内表面的边界为基础设计主分模面，根据模腔的倒凹大小设计若干副分模面，同时设计模腔定位装置；

6、用立体印刷技术(Stereolithography，SL)快速成形机制作设计出的个性化阴形型盒，进行体外装配测试；

7、按照患者的肤色选取赝复用硅橡胶，注入赝复体的个性化阴形型盒，在真空复模机中制作最终的硅橡胶赝复体。并通过为患者试戴、调色，以完成赝复治疗。

以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。

如图1、图2所示，本发明主要包括以下几个步骤。

1、用三维光学扫描法和CT扫描法分别对患者实行数据采集，通过三维重建、点云去噪、三角化处理、表面光顺处理后获得一组三维数字模型(STL格式)，它们分别较好地反映了患者表面精细形态和缺损部位深处软组织的解剖形态。使用最近点迭代算法(Iterative closet point algorithm，ICP)，通过手动注册和全局注册将两个三维数字模型统一在同一坐标系下，通过曲面裁剪删除冗余数据，保留三维光学扫描的面部数据和CT扫描的缺损区数据，将两者通过边缘缝合形成一个完整的三维赝复设计模型。

2、对于对称特征颜面缺损，即缺损区域局限于面部中线单侧的患者，在三维赝复设计模型上确定缺损区的修复边界，要求边缘与正常皮肤纹理走行方向一致，延伸至正常软组织表面并与之移行。以面部矢状平分面为参考将修复边界线镜像至健侧并投影于皮肤表面，确定要复制的范围，再将此范围的三角面数据以同样的面部矢状平分面为参考镜像复制到患侧，与缺损区的修复边界进行边缘缝合、曲面光顺后形成赝复体的外表面。由于在设计中使用同一参考面进行了两次镜像操作，故称为“二次镜像方法”，此法能够更快速、准确地获取重要的数据信息，对缺损区进行表面形态的三维构造。对于非对称特征颜面缺损，如鼻缺损的患者，在确定缺损区修复边界的基础上，在人面部器官三维形态数据库中选择尺寸、外形合适，患者满意的缺损器官形态，通过手动注册将其初步定位后，再细微调整其精确位置，用图形裁剪和数据缝合方法使其边缘与缺损修复边界移行过渡，完成赝复体外表面设计。

3、以上一步中确定的修复边界为基础选取缺损区内部的数据，翻转法线方向后进行表面光顺处理。对于口腔内比较敏感的部位，如鼻甲、软腭等，将相应的数据逆法线方向偏移0.5mm进行缓冲处理，防止赝复体佩戴时压迫粘膜。在三维设计时保留可利用的倒凹区，使硅橡胶材料的赝复体经过变形后就位，产生一定的固位力。赝复体内部结构设计应当尽可能恢复患者正常的解剖形态，如眼眶缺损的患者应恢复眶底结构防止眼球下垂；单侧上颌骨缺损的患者应恢复上腭和上颌窦结构，以形成良好的口鼻腔分隔，辅助患者的正常发音功能；对于呼吸道缺损的患者应尽量重建其鼻道结构，保证患者佩戴赝复体时不影响呼吸功能。用对称镜像方法、曲面桥接技术设计出这些结构后，通过布尔运算与缺损内部数据结合。对于赝复体局部较厚的区域，用数据偏移技术形成中空式结构，以减轻重量。如此完成赝复体内表面的三维设计。

4、将赝复体的外表面沿法线方向偏移0.5mm，与赝复体的内表面进行边界缝合，形成完整的赝复体三维图形。这样可以使最终赝复体的边缘保持足够的厚度和强度，防止开模时因撕扯而发生破坏。

5、调整赝复体三维图形在坐标系中的位置，使内表面的边界线在Z轴上投影尽量小，定义Z轴方向为赝复体个性化阴形型盒的主拔模方向。设计圆角柱形的三维型盒，使各表面超出赝复体最大边界5mm，并且使上下两个平面垂直于Z轴方向。确定型盒的主分模面位置，位于平分内表面边界线的水平。通过曲面桥接技术连接内表面边界线和型盒边界线，形成主分模面。在上下型盒之间设计盒盖式的固位结构，并保留边缘0.02mm的正公差，便于型盒组装。根据模腔的倒凹量大小设计若干副分模面，以便于开盒操作，使硅橡胶的赝复体顺利脱模。副分模面可以为平面或曲面形态，将单侧型盒分成若干部分，要求各拔模方向不与主拔模方向平行。副分模面之间设计圆孔形的固位结构，也同时保留0.02mm的正公差。最后在赝复体内表面上设计直径为5mm的穿通孔道，使装胶过程中多余的硅橡胶材料能顺利溢出。如此完成赝复体个性化阴形型盒的三维设计。

6、将设计好的阴形型盒三维形态的各个部分在坐标系中排布成均匀阵列，用立体印刷技术快速成形机制作透明树脂材料的个性化阴形型盒，并进行体外装配测试，使型盒的各个部分准确精密地配合在一起形成一个整体结构。

7、按照患者的肤色选取相应的赝复用硅橡胶材料，缓慢注入赝复体的个性化阴形型盒，注意防止在充填赝复体外表面时产生气泡，影响赝复体的外观。将整体型盒加压固定，在真空复模机中加温，使硅橡胶材料固化，形成最终的硅橡胶赝复体。在临床上为患者试戴、调色，完成赝复治疗。

本发明的技术方案以二次镜像方法、对称性解剖形态设计赝复体阴形型盒及赝复体，在先进的数字化技术基础上，提供一种将非接触式三维数字化测量技术、逆向工程技术及快速成形技术应用于个性化颜面赝复体的制备，适用于的颜面部分缺损的赝复体制作，包括：眼眶部缺损、颅颌面部缺损、上下颌骨缺损、耳部缺损、鼻缺损等。本发明的技术方案提高了数字化赝复体设计和加工的精度，简化了制作过程，减少了手工操作，改善了赝复体的美学效果。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种人面部赝复体三维数据模型的制作方法，适用于制作颜面部分缺损患者的赝复体，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用三维光学扫描法对患者的面部外表面进行三维数据采集；利用CT扫描法对患者面部内表面缺损部位进行解剖形态数据采集；并将三维数据和解剖形态数据统一在同一坐标系下；

步骤2，利用采集的患者面部外表面的三维数据，设计赝复体外表面形态；利用患者面部内表面缺损部位的解剖形态数据，设计赝复体内表面形态；

步骤3，将赝复体的外表面沿法线方向偏移0.5±0.2mm，与赝复体的内表面进行边界缝合，形成赝复体三维模型。

2.如权利要求1所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，在所述步骤1中，使用最近点迭代算法将三维数据和解剖形态数据统一在同一坐标系下，并通过曲面裁剪删除冗余数据，保留三维光学扫描的面部数据和CT扫描的缺损区数据。

3.如权利要求1所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，在所述步骤2中，包括步骤2.1：对于对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，通过二次镜像方法，将患者健康一侧的面部形态复制至患者另一侧缺损部位，设计缺损部位的赝复体外表面的形态。

4.如权利要求3所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，所述步骤2.1中，对于对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，确定缺损部位的修复边界，以面部矢状平分面为参考将修复边界镜像至健康一侧并投影于皮肤表面，确定要复制的范围，再将此范围的面部形态数据以同样的面部矢状平分面为参考镜像复制到另一侧缺损部位，并与缺损部位的修复边界进行边缘缝合、曲面光顺后形成赝复体外表面的形态。

5.如权利要求4所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，所述步骤2.1中，对于非对称特征颜面缺损，利用采集的患者面部的三维数据，确定缺损部位的修复边界，并结合健康人面部三维形态数据，设计缺损部位的赝复体外表面的形态。

6.如权利要求5所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，在所述步骤2中，还包括步骤2.2：以步骤2.1中缺损部位的修复边界为基础选取缺损区内部的数据，通过对称镜像方法、曲面桥接技术设计缺损区内部结构，通过布尔运算与患者面部内表面缺损部位的解剖形态数据结合，设计赝复体内表面的形态。

7.如权利要求6所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，所述步骤2.2中，对于口腔内比较敏感的部位，将相应缺损区内部的数据逆法线方向偏移0.5±0.2mm进行缓冲处理；保留可利用的倒凹区；对于赝复体局部较厚的区域，用数据偏移技术形成中空式结构。

8.一种人面部赝复体阴形型盒的制作方法，包括如权利要求1所述的人面部赝复体三维数据模型的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤4，根据赝复体的三维模型，以赝复体内表面的边界为基础设计主分模面，同时设计若干副分模面、模腔定位装置，以设计出阴形型盒数据模型；

步骤5，利用阴形型盒数据模型，通过立体印刷技术制作设计出的阴形型盒，并进行体外装配测试。

9.如权利要求8所述的阴形型盒的制作方法，其特征在于，所述步骤4中调整赝复体三维模型在坐标系中的位置，使内表面的边界线在Z轴上投影尽量小，定义Z轴方向为赝复体个性化阴形型盒的主拔模方向；确定型盒的主分模面位置，位于平分内表面边界线的水平，通过曲面桥接技术连接内表面边界线和型盒边界线，形成主分模面。

10.一种人面部赝复体的制作方法，包括如权利要求8所述的人面部赝复体阴形型盒的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤6，选取赝复体用硅橡胶，注入赝复体的阴形型盒中，制作形成硅橡胶赝复体。