CN104905881A - 一种低成本多材料3d打印辅助导板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本多材料3D打印辅助导板的方法，保证种植牙手术的精度和安全在，制备过程中将材料按照预设扫描轨迹动态增加，系统精确度高、速度快，制备出的辅助导板的内表面与牙齿的外表面吻合，保证手术导航板能够精确就位，导航手术，所采用的3D打印快速成型方法可复制性强，即便由于导板的意外破损，也可以快速复制出相同的辅助导板，大大降低了制造成本，所采用的快速成型方法由于不直接参与口腔，因此相对于以往的灌注石膏过程使患者更易于接受。

Description

一种低成本多材料3D打印辅助导板的方法

技术领域

本发明涉及一种种植牙手术辅助导板的设计和制造技术，尤其是涉及一种基于3D打印的低成本多材料辅助导板成型方法。

背景技术

3D 打印技术自1987 年发展到现在经过二十多年的时间，在世界范围内得到了很快的发展并取得广泛的应用。该方法可以快速、高精度、个性化地将计算机模型、CT扫描数据制造成任意形状和结构的植入体。

在种植牙手术中，医生通过钻头将种植体钻入缺牙处的牙槽骨内。由于口腔内部情况复杂，如果单纯依靠医生的经验，手术很可能造成牙槽骨穿孔，神经组织损伤或者种植体植入位置、角度欠佳等情况。

但是为了植体值入而在颚骨上开孔，在颚骨内存在有神经和血管，需要在通过诊断而确定的位置上开孔，开孔通常使用被称为牙钻（俗称涡轮手机）的器具，在牙钻的前端头部安装钻杆，以进行钻孔，往往会出现的问题：找不到钻孔位置、重复钻孔、修正孔，或者当在钻孔时发生首抖动时，孔比植入的植体还大，骨头与植体的配合松动，无法获得充分的初始固定，造成植入本身失败，因此，在植体的植入中，重要的是在通过诊断而确定的颚骨内的植入位置上正确地形成孔，即进行正确的钻孔。

以往，通过使用丙烯酸树脂制成辅助导板，制作过程相对复杂，而且由于高速旋转的钻杆最初接触到导板时，会使导板产生较大的振动或发生破损，一旦与辅助导板发生碰撞，则需要重新来制作，多数情况下医生考虑到成本和材料，基本还是由医生以大致接近的状态进行钻孔，毫无精度可言。

为了解决上述问题，现有技术为了得到辅助导板的内表面模型，通常需要用石膏灌注牙模型，并扫描牙齿的石膏模型，再将数据与原牙数据进行配准。这样做的原因是因为在CT图像中，辅助导板既要覆盖牙齿，又要覆盖颚面软组织，通过传统的图像分割技术无法将辅助导板的内表面数据剥离开来，因此无法重建导板的基本形态，诊疗时间比较长，制作成本比较高，而且灌注石膏的过程往往使患者难以接受，不如一次CT扫描而得出辅助导板的内表面模型。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述问题而提供一种直接在牙模型上构造辅助导板的方法，由于使用多材料区分牙/骨、颚面软组织、神经线等不同部位，因此既能够精确还原牙齿的三维结构，又能够反复对牙模型进行辅助导板的覆盖，即便由于导板的意外破损，也可以快速复制出相同的辅助导板，大大降低了制造成本，所采用的快速成型方法由于不直接参与口腔，因此相对于以往的灌注石膏过程使患者更易于接受。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

种植牙手术辅助导板包括两个部分：导板基体和导套孔，导板基体与骨、牙或者牙槽嵴表面贴合，从而保证导板被戴上以后，在手术过程中不会松动。导套孔是为了让手术钻头通过而在导板基体上生产的路径，它的高度，角度根据术前拟定的种植体植入位置相关，它的形状跟手术钻头的形状有关。

本发明的低成本多材料3D打印辅助导板的方法，其特征在于，

包括导板基体快速成型方法和生成导套孔，所述导板基体快速成型方法是通过一次扫描而得出辅助导板的内表面模型，通过一扫描设备，对牙齿对象的表面进行三维扫描；通过一计算机可读介质以及中央处理器，接收扫描数据并进行存储以及存储相应的计算机程序；通过一器具制作设备，基于上述三维数据将成型材料按照预设扫描轨迹动态构筑辅助导板模型；所述计算机可读介质被可操作地连接到处理器，并将三维数据传送至所述器具制作设备；导套孔的角度、尺寸和高度根据植入牙手术的规划路径、植入体和所用牙钻的尺寸而生成。

所述成型材料为多材料，是磷酸钙，或是磷酸钙生物陶瓷，或是含有硅或锌的磷酸钙，或是含磷酸钙的混合材料，或是聚乳酸，或是含有聚乳酸的混合物，或是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，或是含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物，或是聚酰胺，或是含聚酰胺的混合物，或是羟磷灰，或是石磷酸三钙碳，或是含有羟磷灰或石磷酸三钙碳的混合物，或是含有上述任一一种或若干种材料的混合物；所述器具制作设备包括3D打印平台、成型室、精度控制系统、温度控制系统以及送料控制系统。

所述3D打印辅助导板的方法，包含以下步骤：步骤1）根据扫描设备获得牙齿医学2D图像数据，导入计算机可读介质；步骤2）中央处理器预先存入的控制模块对每张图像的牙齿和颚面软组织进行图像分割，根据分割结果，分别为牙齿和软组织建立三维网格模型，进行多模态医学图像处理；步骤3）依据中央处理器预先存入的计算机可视化模块，完成牙齿和颚面软组织的三维模型重建；将得到三维图像进行多模态医学图像处理，生成临时文件，并保存为STL格式文件；步骤4）中央处理器预先存入的3D打印模块读写步骤3）得到的STL格式文件，根据步骤2）得到的参数自动生成分层信息、扫描轨迹，并为牙齿和颚面软组织分别选择打印材料，控制器具制作设备完成牙齿模型的打印过程；步骤5）将步骤4）所得到的打印模型通过扫描设备获得模型的2D图像数据，导入计算机可读介质的可视化模块进行三维模型重建；步骤6）对步骤5）所得到的模型的三维图像和步骤4）所得到的牙齿的三维图像进行多模态医学图像配准，并保存配准结果；步骤7）中央处理器预先存入的控制模块对步骤6）所得的结果进行分析，当所得结果误差在允许误差范围内，则表示步骤4）所得模型可用；当所得结果误差超出允许误差范围，则调整器具制作设备参数，重复步骤3）；步骤8）将步骤7）得到的模型冷却后，选择异于牙齿和颚面软组织的打印材料，根据模型的参数对植入部位及其周边覆盖打印材料，待模型上的打印材料冷却后进行剥离，产生导板基体，完成打印过程。

步骤3）中的多模态医学图像的相关信息包括以下任一一种或若干种信息的任意组合：图像像素的灰度、图像梯度、图像局部梯度方向、互相关系数、互信息、图像局部熵、拉普拉斯邻域图和自相似性特征，以及基于以上信息的改进。

本发明的有益效果在于：在使用多材料作为牙齿模型的供给，由于丰富了牙齿模型与原牙的逼真程度，有利于手术导航的规划和模拟，能够降低成本；另外采用的剥离式的成型方式使辅助导板的内表面与牙齿的外表面基本吻合，对被植入部位的脱模无需再灌注石膏，且由于器具制作设备有温度控制系统的存在，在温度过高或过低时，能及时报警，避免了器具制作设备的安全问题；此外，由于采用了多模态医学图像的分割方法将牙齿和颚面软组织分离，保证了三维模型重建的精度。

附图说明

图1是本发明的系统流程示意图。

图2为本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

在安装使用本发明时，首先将备选丝材（8）安装于材料架内部的两侧凹槽内，然后将喷头（13）移动到基板（3）上方，调整和设定3D打印速度，作为优选实施例，设计目标100mm/s作为模拟打印条件下的打印速度，温度传感器（2）安装于成型室（10）两侧、喷嘴（16）附近以及基板（3）上方，并分别连接成型室温控器（5）、喷头温控器（6）和基板温控器（4），温度控制系统根据上述温控器的实时数据控制基板加热器（12）、喷头加热器（14）以及成型室加热器（15）的温度，中央处理器实时控制3D打印平台在X、Y方向的运动。

由于喷头（13）、摩擦轮（9）及材料架（7）的精度要求高，因此精度控制系统实时控制喷头在Z轴方向上下运动，作为优选实施例，控制速度在15cm³/小时；此外，由于吸热和散热的存在，最终将形成一个热平衡，此时温度不会高于温度开关的报警值，假使温度超过报警值，仪器将会立刻断电来保证安全。

本发明的快速成型的精度控制方法原理如下：

首先根据三维模型重建得到牙齿的还原模型，为了得到辅助导板的内表面模型，选择异于牙齿和颚面软组织的打印材料，根据模型的参数对植入部位及其周边覆盖打印材料，待模型上的打印材料冷却后进行剥离，产生导板基体，完成打印过程；导套孔的角度、尺寸和高度根据植入牙手术的规划路径、植入体和所用牙钻的尺寸而生成，从而完成辅助导板的快速成型。

图像分割算法如下：

a)构造方程： $\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Φ}\right)div\left(f\frac{\▿\mathrm{\Φ}}{\left|\▿\mathrm{\Φ}\right|}\right),$ 其中f为边缘检测函数： $f\left(I\right)=\frac{1}{1+{\left|\▿I\right|}^2},$ $\▿I$ 为图像梯度，Φ：Ω→R为连续的水平集函数，Ω为R²的有界开子集，

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Φ}\right)=\frac{d}{d\mathrm{\Φ}}H\left(\mathrm{\Φ}\right)$

b)能量函数 $E_{cv}=\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}\[{(I-c_{in})}^{2}H\left(-\mathrm{\Φ}\right)+{(I-c_{out})}^{2}H\left(\mathrm{\Φ}\right)\]dA$

c)根据变分法和最速下降法，得到偏微分方程其中，I：Ω→R表示一个灰度图像，I为灰度值，c_in、c_out为曲线内外灰度均值：

$c_m=\frac{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}IH(-\mathrm{\Φ})dA}{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}H(-\mathrm{\Φ})dA},c_{out}=\frac{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}IH\left(\mathrm{\Φ}\right)dA}{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}H\left(\mathrm{\Φ}\right)dA}$

d)使用式得到偏微分方程

$\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Φ}\right)\[(c_{in}-c_{out})(\frac{I-c_{in}}{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}H(-\mathrm{\Φ})dA}+\frac{I-c_{out}}{\∫{\∫}_{\mathrm{\Ω}}H\left(\mathrm{\Φ}\right)dA})\].$

本发明低成本多材料3D打印辅助导板的方法，具体算法如下：

步骤1）根据扫描设备获得牙齿医学2D图像数据，导入计算机可读介质；步骤2）中央处理器预先存入的控制模块对每张图像的牙齿和颚面软组织进行图像分割，根据分割结果，分别为牙齿和软组织建立三维网格模型，进行多模态医学图像处理；步骤3）依据中央处理器预先存入的计算机可视化模块，完成牙齿和颚面软组织的三维模型重建；将得到三维图像进行多模态医学图像处理，生成临时文件，并保存为STL格式文件；步骤4）中央处理器预先存入的3D打印模块读写步骤3）得到的STL格式文件，根据步骤2）得到的参数自动生成分层信息、扫描轨迹，并为牙齿和颚面软组织分别选择打印材料，控制器具制作设备完成牙齿模型的打印过程；步骤5）将步骤4）所得到的打印模型通过扫描设备获得模型的2D图像数据，导入计算机可读介质的可视化模块进行三维模型重建；步骤6）对步骤5）所得到的模型的三维图像和步骤4）所得到的牙齿的三维图像进行多模态医学图像配准，并保存配准结果；步骤7）中央处理器预先存入的控制模块对步骤6）所得的结果进行分析，当所得结果误差在允许误差范围内，则表示步骤4）所得模型可用；当所得结果误差超出允许误差范围，则调整器具制作设备参数，重复步骤3）；步骤8）将步骤7）得到的模型冷却后，选择异于牙齿和颚面软组织的打印材料，根据模型的参数对植入部位及其周边覆盖打印材料，待模型上的打印材料冷却后进行剥离，产生导板基体，完成打印过程。

多模态医学图像的相关信息包括以下任一一种或若干种信息的任意组合：图像像素的灰度、图像梯度、图像局部梯度方向、互相关系数、互信息、图像局部熵、拉普拉斯邻域图和自相似性特征，以及基于以上信息的改进。

本发明是对现有技术进行了改进，故实施过程中借鉴了现有技术，限于篇幅，未对现有技术部分进行详细描述；凡是本发明未提及的技术部分，均可以采用现有技术实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低成本多材料3D打印辅助导板的方法，其特征在于，

包括导板基体快速成型方法和生成导套孔，所述导板基体快速成型方法是通过一次扫描而得出辅助导板的内表面模型，通过一扫描设备，对牙齿对象的表面进行三维扫描；通过一计算机可读介质以及中央处理器，接收扫描数据并进行存储以及存储相应的计算机程序；通过一器具制作设备，基于上述三维数据将成型材料按照预设扫描轨迹动态构筑辅助导板模型；所述计算机可读介质被可操作地连接到处理器，并将三维数据传送至所述器具制作设备；导套孔的角度、尺寸和高度根据植入牙手术的规划路径、植入体和所用牙钻的尺寸而生成。

2.根据权利要求2所述的低成本多材料3D打印辅助导板的方法，其特征在于，

所述成型材料为多材料，是磷酸钙，或是磷酸钙生物陶瓷，或是含有硅或锌的磷酸钙，或是含磷酸钙的混合材料，或是聚乳酸，或是含有聚乳酸的混合物，或是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，或是含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物，或是聚酰胺，或是含聚酰胺的混合物，或是羟磷灰，或是石磷酸三钙碳，或是含有羟磷灰或石磷酸三钙碳的混合物，或是含有上述任一一种或若干种材料的混合物；所述器具制作设备包括3D打印平台、成型室、精度控制系统、温度控制系统以及送料控制系统。

3.根据权利要求3所述的低成本多材料3D打印辅助导板的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1）根据扫描设备获得牙齿医学2D图像数据，导入计算机可读介质；

步骤2）中央处理器预先存入的控制模块对每张图像的牙齿和颚面软组织进行图像分割，根据分割结果，分别为牙齿和软组织建立三维网格模型，进行多模态医学图像处理；

步骤3）依据中央处理器预先存入的计算机可视化模块，完成牙齿和颚面软组织的三维模型重建；将得到三维图像进行多模态医学图像处理，生成临时文件，并保存为STL格式文件；

步骤4）中央处理器预先存入的3D打印模块读写步骤3）得到的STL格式文件，根据步骤2）得到的参数自动生成分层信息、扫描轨迹，并为牙齿和颚面软组织分别选择打印材料，控制器具制作设备完成牙齿模型的打印过程；

步骤5）将步骤4）所得到的打印模型通过扫描设备获得模型的2D图像数据，导入计算机可读介质的可视化模块进行三维模型重建；

步骤6）对步骤5）所得到的模型的三维图像和步骤4）所得到的牙齿的三维图像进行多模态医学图像配准，并保存配准结果；

步骤7）中央处理器预先存入的控制模块对步骤6）所得的结果进行分析，当所得结果误差在允许误差范围内，则表示步骤4）所得模型可用；当所得结果误差超出允许误差范围，则调整器具制作设备参数，重复步骤3）；

步骤8）将步骤7）得到的模型冷却后，选择异于牙齿和颚面软组织的打印材料，根据模型的参数对植入部位及其周边覆盖打印材料，待模型上的打印材料冷却后进行剥离，产生导板基体，完成打印过程。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤3）中的多模态医学图像的相关信息包括以下任一一种或若干种信息的任意组合：图像像素的灰度、图像梯度、图像局部梯度方向、互相关系数、互信息、图像局部熵、拉普拉斯邻域图和自相似性特征，以及基于以上信息的改进。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中的图像分割步骤为：

a)构造方程：其中f为边缘检测函数： 为图像梯度，Φ：Ω→R为连续的水平集函数，Ω为R²的有界开子集，

b)能量函数E_cv＝∫∫_Ω[(I-c_in)²H(-Φ)+(I-c_out)²H(Φ)]dA

c)根据变分法和最速下降法，得到偏微分方程其中，I：Ω→R表示一个灰度图像，I为灰度值，C_in、c_out为曲线内外灰度均值：

d)使用式得到偏微分方程