CN109920047B - 一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统，该方法包括如下步骤：步骤S1，扫描牙体获取图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术根据牙体图像对牙体进行三维重建，得到牙体的三维模型；步骤S2，制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库；步骤S3，利用Unity 3D，于所述Unity 3D中导入牙体三维模型，调整所述牙体三维模型，得到最终的三维牙体模型，根据所述最终的三维牙体模型，以实现牙体的任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并提供牙体内外结构，通过本发明，可解决实验室缺乏牙体模型以及学生难以收集牙位齐全、结构典型的牙体的问题。

Description

一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别是涉及一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统。

背景技术

口腔组织病理学及口腔解剖生理学是是口腔基础医学中的重要学科，是联系口腔基础医学和口腔临床医学的桥梁，对掌握牙齿解剖结构及组织结构，正确认识口腔疾病的本质，从而正确诊断和治疗疾病有重要的意义。

目前口腔理论课堂多采用老师集中讲授、灌输知识模式，教学内容过于专业化，且学习牙体解剖形态过程中，学生需要自行收集牙体以供观察学习牙体解剖结构，而收集各个牙位且结构典型的牙体是一大困难。由于缺少足够的典型的各牙位牙体模型，学生仅通过书本二维图片难以理解牙体的三维结构，对牙体外形的掌握较为困难。而对于牙体组织结构的学习，不仅牙磨片标本的来源、制作、保存困难，而且必须局限在实验室，借助于光学显微镜，课下学生的学习、复习也会受到时间、地点的约束，这不利于学生自主学习习惯的培养。

近年来随着多款3D解剖软件应运而生，为医疗领域的学生的学习带来了便利，但这些解剖软件主要针对临床医学，未精细到口腔单个牙体解剖、组织结构层次，不能满足口腔专业学生的学习需求，亟需一个适合口腔专业学生自主学习的三维模型软件。

现如今，针对病理及解剖结构立体教学已经建成的基础医学虚拟系统大致包含形态学数码仿真系统、解剖学自主学习平台等，其主要是将显微CT扫描建立的三维模型图片和动画资料，引入到教学幻灯片和教学图册中，或集合于同一网络平台。

以四川大学华西口腔医学院耿宁等在牙体解剖数字化教学中的实践为例，使用显微CT仪(如SCANCO MicroCTμ80显微CT仪和随机配套分析软件，HP Integrity rx2620服务器)扫描整个离体牙获得断层图像，利用显微CT仪随机配套分析软件重建离体牙髓腔和根管的三维模型，重建釉质三维模型，重建牙本质和牙骨质三维模型，再将釉质三维模型、牙本质和牙骨质三维模型、髓腔和根管的三维模型组合构建牙齿整体的三维模型，最后赋予不同颜色和透明度，原始数据可以转换为医学图像通用的DICOM格式，图片资料均可以以TIF格式输出，也可利用第三方软件制作动画，在教学幻灯中使用。

然而，上述牙体解剖数字化教学方法仍存在如下缺点：

1、三维牙体以图文、flash动画等媒体加流程控制形式实现，无法按照个人意愿全方位观察牙体，仿真度不高，没有三维空间感、沉浸感。

2、目前立体教学系统只能展示牙体正常解剖结构，没有对牙体的特殊结构部位加以注解，不能动态展示生理或病理情况下各结构的发生过程。

3、立体教学软件未整合牙磨片镜下观察图像，无法观察牙体的内外结构，不方便整体结构与镜下细节的结合学习。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于Unity3D的三维牙体模型构建方法及系统，以解决实验室缺乏牙体模型以及学生难以收集牙位齐全、结构典型的牙体的问题。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，包括如下步骤：

步骤S1，扫描牙体获取图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术根据牙体图像对牙体进行三维重建，得到牙体的三维模型；

步骤S2，制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库；

步骤S3，利用Unity 3D，于所述Unity 3D中导入牙体三维模型及其对应牙磨片图像，调整并显示所述牙体三维模型，得到最终的三维牙体模型，根据所述最终的三维牙体模型，以实现牙体的任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并提供牙体内外结构。

优选地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，进行牙体收集；

步骤S101，利用CT扫描牙体，获取由CT扫描的图像数据，并对图像进行灰度处理；

步骤S102，根据获得的图像数据利用三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维图像。

优选地，于步骤S101中，利用CT扫描获得所述牙体的若干截面图像。

优选地，步骤S102进一步包括：

步骤S102a，对获得的原始图像进行分割；

步骤S102b,基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓；

步骤S102c，根据获得的牙体的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，采用三维重建技术，得到牙体的三维图像。

优选地，于步骤S101a中，根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割。

优选地，于步骤S102c后，还包括如下步骤：

对获得的牙体的三维图像进行牙体的平滑与修饰。

优选地，步骤S2进一步包括：

步骤S201，利用收集的牙体进行牙磨片制作；

步骤S202，采集牙磨片的镜下结构，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

优选地，所述牙磨片制作过程如下：

固定：将收集的牙用环氧树脂包埋；

片切：对用环氧树脂包埋的离体牙连续切割，得到各切面下的粗磨片；

精磨：使用各规格粗细磨料、油石打磨粗磨片至精磨片；

脱水：85％、95％乙醇、无水乙醇脱水各5min；取出后用滤纸吸干牙片上水分；

封片：二甲苯透明1-2min，加拿大胶封片；

质量检测：应用指标光镜检查制作结果。

优选地，于步骤S3中，将通过步骤S1建立好的三维牙体模型导出成为Unity 3D可以识别的格式，并导入Unity 3D中，设置合适的坐标、旋转角度及大小，调节灯光为直射光，设置光滑度和漫反射程度自调为适合牙的材质，使牙体外观更美观，具有立体感，并添加数个标签，设置标签材质，将标签放置牙体相应结构位置。

为达到上述目的，本发明还提供一种Unity 3D的三维牙体模型构建系统，包括：

三维图像重建单元，用于扫描牙体获取图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术根据牙体图像对牙体进行三维重建，得到牙体的三维模型；

牙磨片图库建立单元，用于制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库；

最终牙体三维模型生成单元，用于利用Unity 3D，于所述Unity 3D中导入牙体三维模型及其对应牙磨片图像，调整并显示所述牙体三维模型，得到最终的三维牙体模型，根据所述最终的三维牙体模型，以实现牙体的任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并提供牙体内外结构。

与现有技术相比，本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统通过利用Micro CT扫描牙体获取图像数据，对数百张截面图像资料进行灰度转换处理后，应用再将牙体CT图像置入Mimics10.0、Maya等软件重建三维牙体，并通过制作结构清晰、质量优良的牙磨片，建立数字化牙磨片资源库，创建Unity 3D工程，导入构建好的三维牙体模型，进行模型平滑与修饰，得到最终的三维牙体模型，，使得得到的三维牙体模型可以任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并能够观察牙体内外结构，有效解决了实验室缺乏牙体模型以及学生难以收集牙位齐全、结构典型的牙体的问题。

附图说明

图1为本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法的步骤流程图；

图2为本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建系统的系统架构图；

图3为本发明具体实施例中基于Unity 3D的三维牙体模型构建的流程图；

图4为本发明实施例中利用Unity3D工程进行应用开发的过程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在介绍本发明之前，先介绍一些本发明所使用的缩略语及关键术语：

Unity3D：用于创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具。

脚本：可用记事本打开查看、编辑，可由系统解释器翻译为二进制机器指令的文字命令。

C#高级语言：是微软公司发布的一种全新且简单、安全、面向对象的程序设计语言，是专门为.NET的应用而开发的语言，特点包括：语言简洁；保留了C++的强大功能；快速应用开发功能；语言的自由性；强大的Web服务器控件；支持跨平台；与XML相融合。

MicroCT：micro computed tomography微计算机断层扫描技术，又称微型CT、显微CT，是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构。它与普通临床的CT最大的差别在于分辨率极高，可以达到微米(μm)级别。

Motic数字切片与扫描系统：是利用全自动显微镜扫描平台，结合虚拟切片软件系统，把传统玻璃切片进行扫描、无缝拼接，生成一张全视野(Whole Slide Image,WSI)的数字化切片。可在计算机上实现不同倍率观察(4x,10x,20x,40x,100x等)，并在一定范围内(1x～100x)，实现无级连续变倍浏览切片。而且，通过计算机与网络系统，进行数字切片存储、管理、观察、分析、讨论等，相对传统方式，可不受空间与时间限制，使用起来更方便、功能更强大、应用更广泛。

DICOM：Digital Imaging and Communications in Medicine即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准。它定义了质量能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。

ImageJ：是一个基于java的公共的图像处理软件，能够显示，编辑，分析，处理，保存，打印多种格式的图片。

阈值：牙体上不同结构的CT值相对固定在一定范围内的，据此可设定各结构对应的阈值用以在计算机中对其进行区分和分割。

Matlab：是一款商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

Mimics：Materialise's interactive medical image control system是Materialise公司发明的一种医学影像控制系统，能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。

Maya：是世界顶级的三维动画软件，可以提供完美的3D建模、动画、特效和高效的渲染功能。

STL格式：STL用三角网格来表现3D计算机辅助设计模型。stl文件格式简单，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息。

环氧树脂：环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，因此它是一种热固性树脂，用于牙体切割前的包埋。

二甲苯：是苯环上两个氢被甲基取代的产物，医院病理科主要用于组织、切片的透明和脱蜡。

加拿大胶：加拿大树胶是一种清树脂，可用作固定剂，可制备永久保存标本。

图1为本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，包括如下步骤：

步骤S1，利用CT扫描牙体获取图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维图像。

具体地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，进行牙体收集，收集全口离体牙。具体地，选取结构典型、无缺损的牙齿。

步骤S101，利用Micro CT扫描牙体，获取由Micro CT扫描的图像数据，并对图像进行灰度处理。

具体地，以第一前磨牙为例。标本沿牙体长轴垂直放置于标本固定器内,保持牙体长轴与扫描平面垂直，采用Micro CT进行三维扫描，标本的内外部结构信息通过Micro CT从根尖至切缘呈锥束扫描获取。扫描参数:电压90kV，电流88μA,平面图像分辨率为1654×1654，扫描层厚30μm，扫描整合时间为500ms，扫描角度为360度，通过DICOM图像软件观察，可获取约800张截面图像资料，并对获得的截面图像进行灰度转换处理。

步骤S102，根据获得的图像数据利用三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维图像。

具体地，步骤S102进一步包括：

步骤S102a，对获得的图像(即步骤S101获得的图像)进行分割。由于不同结构在CT图片上具有不同的灰度，因此可根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割，具体地，使用Mimics软件调整DICOM图片的灰度阈值，分离不同结构；

步骤S102b，基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓，分割结束后的三组图像序列与原始图像序列相同。

具体地，于步骤S102b中，利用数学软件Matlab在Mask工作栏选择新建，在弹出的Thresholding窗口中左右调节阈值上下限，使图像选择范围在包括牙髓全部组织的的情况下尽可能缩小，从而在影像上与硬组织中分离，然后调节牙髓在XYZ三个坐标轴上的长度，使牙髓立体结构完整，完成后导出STL格式。

步骤S102c，根据获得的牙体的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，采用三维重建技术，得到牙的三维图像。

也就是说，本发明可应用imageJ软件，对原始图像进行分割，根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割；再基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓，分割结束后的三组图像序列与原始图像序列相同，利用Mimics10.0软件调入上述经过处理后的一系列牙横截面图像，输入相应的参数(如层厚)之后，得到该牙的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，调用三维重建命令，得到牙体的三维图像，并输出STL格式保存。

这里需说明的是，牙体三维重建过程中也可利用Arigin3D、Amira、ORS Visual、3DSlicer等软件可代替mimics软件用于牙体的三维重建过程，本发明不以此为限。

优选地，于步骤S102c后，还包括如下步骤：

对获得的牙体的三维图像进行牙体的平滑与修饰。

在本发明具体实施例中，牙体的平滑与修饰采用maya软件实现。具体地，将保存牙体三维图像的STL文件置入maya软件，进行模型平滑与修饰处理，分离牙体主体模型与牙主体外多余模型并删除，将位于牙体外的中心坐标轴拖回牙体中心，综合运用“雕刻”栏里多种工具去除牙体表面多余突起，填平牙体表面多余凹陷，平滑牙体，修整、强调牙体特征性结构，并制作缺失的特征性结构，如牙合面窝沟等。当然，也可利用3ds max、Pose Tool 3d、Auto Cad等三维动画渲染和制作软件替代maya软件进行牙体的平滑与修饰，本发明不以此为限。

步骤S2，制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

具体地，步骤S2进一步包括：

步骤S201，利用收集的牙体进行牙磨片制作。具体地，牙磨片制作过程如下：

固定：将收集的牙用环氧树脂包埋。

片切：使用牙磨片切割机对用环氧树脂包埋的离体牙(即步骤S1中收集的牙)连续切割，得到各切面下厚约50μm的粗磨片，当然也可使用传统的牙体切割方式代替牙磨片切割机切割，本发明不以此为限。

精磨：使用各规格粗细磨料(200-1000目)、油石打磨粗磨片至20μm左右。

脱水：85％、95％乙醇、无水乙醇脱水各5min；取出后用滤纸吸干牙片上水分。

封片：二甲苯透明1-2min，加拿大胶封片。

质量检测：应用指标光镜检查制作结果。观察牙釉质中的釉柱、釉质生长线、釉梭、釉板等结构是否明显、清晰，磨片制作是否合格。

步骤S202，采集牙磨片的镜下结构，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

在本发明具体实施例中，可应用Motic数字切片与扫描系统、Motic数码系统采集牙磨片的镜下结构(也可应用leica aperio，奥林巴斯等其他系统采图)，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构用于数字化牙磨片图库的建立。

也就是说，步骤S2的牙磨片图库是由S1的离体牙经过切割制作成不同切面的牙磨片后再进行数字化扫描，扫描出的牙磨片与S1的牙体三维模型是对应的，这样即可通过后续的三维重建将牙磨片图像与牙体三维模型进行结合，显示牙体三维模型某个切面的牙磨片图像。

步骤S3，利用Unity 3D，于Unity 3D中导入牙体三维模型及其对应牙磨片图像(即导入各层的牙磨片图像)，调整并显示所述牙体三维模型，获得最终的牙体三维模型，得到的牙体三维模型可以任意旋转、缩放并显示具体结构信息，能够观察牙体内外结构。

具体地，将通过步骤S1建立好的三维牙体模型导出成为Unity 3D可以识别的格式，并导入Unity 3D中，设置合适的坐标、旋转角度及大小，调节灯光为直射光，设置光滑度和漫反射程度自调为适合牙的材质，使牙体外观更美观，具有立体感，并添加数个标签，设置标签材质，将标签放置牙体相应结构位置。

图2为本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建系统的系统架构图。如图2所示，本发明一种Unity 3D的三维牙体模型构建系统，包括：

三维图像重建单元201，用于利用CT扫描牙体获取图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维图像。

具体地，三维图像重建单元201进一步包括：

牙体收集单元，用于进行牙体收集，收集全口离体牙。具体地，选取结构典型、无缺损的牙齿。

图像获取单元，用于利用Micro CT扫描牙体，获取由Micro CT扫描的图像数据，并对图像进行灰度处理。

具体地，以第一前磨牙为例。标本沿牙体长轴垂直放置于标本固定器内,保持牙体长轴与扫描平面垂直，采用Micro CT进行三维扫描，标本的内外部结构信息通过Micro CT从根尖至切缘呈锥束扫描获取。扫描参数:电压90kV，电流88μA,平面图像分辨率为1654×1654，扫描层厚30μm，扫描整合时间为500ms,扫描角度360度，通过DICOM图像软件观察，可获取约800张截面图像资料。对图像进行灰度转换处理。

重建单元，用于根据获得的图像数据利用三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维图像。

具体地，重建单元进一步包括：

图像分割单元，用于对获得的原始图像(即步骤S101获得的图像)进行分割。具体地，可根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割；

牙髓提取单元，基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓。分割结束后的三组图像序列与原始图像序列相同。

三维图像获取单元，用于根据获得的牙体的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，采用三维重建技术，得到牙的三维图像。

具体地，可应用imageJ软件，对原始图像进行分割。根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割；再基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓。分割结束后的三组图像序列与原始图像序列相同。打开Mimics10.0软件，调入上述经过处理后的一系列牙横截面图像。输入相应的参数(如层厚)之后，得到了该牙的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，调用三维重建命令，得到牙体的三维图像，并输出STL格式保存。

优选地，重建单元还包括：

平滑修饰单元，用于对获得的牙体的三维图像进行牙体的平滑与修饰。

在本发明具体实施例中，平滑修饰单元对牙体的平滑与修饰采用maya软件实现。具体地，将保存牙体三维图像的STL文件置入maya软件，进行模型平滑与修饰处理，分离牙体主体模型与牙主体外多余模型并删除，将位于牙体外的中心坐标轴拖回牙体中心，综合运用“雕刻”栏里多种工具去除牙体表面多余突起，填平牙体表面多余凹陷，平滑牙体，修整、强调牙体特征性结构，并制作缺失的特征性结构，如牙合面窝沟等。

牙磨片图库建立单元202，用于制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

具体地，牙磨片图库建立单元202进一步包括：

牙磨片制作单元，用于利用收集的牙体进行牙磨片制作。具体地，牙磨片制作过程如下：

固定：将收集的牙用环氧树脂包埋。

片切：使用牙磨片切割机对用环氧树脂包埋的离体牙连续切割，得到各切面下厚约50μm的粗磨片。

精磨：使用各规格粗细磨料(200-1000目)、油石打磨粗磨片至20μm左右。

脱水：85％、95％乙醇、无水乙醇脱水各5min；取出后用滤纸吸干牙片上水分。

封片：二甲苯透明1-2min，加拿大胶封片。

质量检测：应用指标光镜检查制作结果。观察牙釉质中的釉柱、釉质生长线、釉梭、釉板等结构是否明显、清晰，磨片制作是否合格。

图库构建单元，用于采集牙磨片的镜下结构，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

在本发明具体实施例中，图库构建单元可利用Motic数字切片与扫描系统、Motic数码系统采集牙磨片的镜下结构，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构用于数字化牙磨片图库的建立。

也就是说，牙磨片图库建立单元202建立的牙磨片图库是由三维图像重建单元201收集的离体牙经过切割制作成不同切面的牙磨片后再进行数字化扫描构建的，扫描出的牙磨片与三维图像重建单元201的牙体三维模型是对应的，这样可通过后续的三维重建将牙磨片图像与牙体三维模型进行结合，显示牙体三维模型某个切面的牙磨片图像。

最终牙体三维模型生成单元203，用于利用Unity 3D，于Unity 3D中导入牙体三维模型及其对应的牙磨片图像，，调整并显示所述牙体三维模型，形成最终牙体三维模型，得到的牙体三维模型可以任意旋转、缩放并显示具体结构信息，能够观察牙体内外结构。

具体地，将通过三维图像重建单元201建立好的三维牙体模型导出成为Unity 3D可以识别的格式，并导入Unity 3D中，设置合适的坐标、旋转角度及大小，调节灯光为直射光，设置光滑度和漫反射程度自调为适合牙的材质，使牙体外观更美观，具有立体感，并添加数个标签，设置标签材质，将标签放置牙体相应结构位置。

以下将通过一实施例来进一步说明本发明：

实施例

1、牙体结构的三维重建(如图3所示)

(1)牙体收集：收集全口离体牙，即选取结构典型、无缺损的牙齿

(2)获取由Micro CT扫描的图像数据，并进行灰度转换处理

以第一前磨牙为例。标本沿牙体长轴垂直放置于标本固定器内,保持牙体长轴与扫描平面垂直,采用Micro CT进行三维扫描，标本的内外部结构信息通过Micro CT从根尖至切缘呈锥束扫描获取。扫描参数:电压90kV,电流88μA,平面图像分辨率为1654×1654，扫描层厚30μm，扫描整合时间为500ms，扫描角度360度，通过DICOM图像软件观察，可获取约800张截面图像资料。对图像进行灰度转换处理。

(3)牙体的三维重建

应用imageJ软件，对原始图像进行分割。根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割；再基于上述图像，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓。分割结束后的三组图像序列与原始图像序列相同。打开Mimics10.0软件，调入上述经过处理后的一系列牙横截面图像。输入相应的参数(如层厚)之后，得到了该牙的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，调用三维重建命令，得到牙的三维图像，输出STL格式保存。

将STL文件置入maya软件，进行模型平滑与修饰处理。分离牙体主体模型与牙主体外多余模型并删除。将位于牙体外的中心坐标轴拖回牙体中心。综合运用“雕刻”栏里多种工具去除牙体表面多余突起，填平牙体表面多余凹陷，平滑牙体，修整、强调牙体特征性结构，并制作缺失的特征性结构，如牙合面窝沟等。

2、建立数字化牙磨片图库

(1)牙磨片的制作

固定：将收集的牙用环氧树脂包埋。

片切：使用新型牙磨片切割机对离体牙连续切割，得到各切面下厚约50μm的粗磨片。

精磨：使用各规格粗细磨料(200-1000目)、油石打磨粗磨片至20μm左右。

脱水：85％、95％乙醇、无水乙醇脱水各5min；取出后用滤纸吸干牙片上水分。

封片：二甲苯透明1-2min，加拿大胶封片。

质量检测：应用指标光镜检查制作结果。观察牙釉质中的釉柱、釉质生长线、釉梭、釉板等结构是否明显、清晰，磨片制作是否合格。

(2)数字化牙磨片图库的建立

应用Motic数字切片与扫描系统、Motic数码系统采集牙磨片的镜下结构。整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构用于数字化牙磨片图库的建立

图4为本发明实施例中利用Unity3D工程进行应用开发的过程示意图。如图4所示，利用Unity3D工程进行应用开发过程如下：

(1)创建Unity3D工程，设计UI界面。

调用Unity中UI控件的canvas，添加文本框、事件触发按钮、文本框边框图片，根据需求设计“上一个模型”、“下一个模型”、“显示标签信息”、“退出”四个按键。调整摄像头角度，使其不直接面对摄像头，从而使UI界面看上去有立体感。

(2)导入构建好的三维牙体模型，调节灯光与材质。

将建立好的三维牙体模型导出成为Unity 3D可以识别的格式，导入Unity3D中，设置合适的坐标、旋转角度及大小，调节灯光为直射光，设置光滑度和漫反射程度自调为适合牙的材质，使牙体外观更美观，具有立体感。添加数个标签，设置标签材质，并将标签放置牙体相应结构位置。

(3)编辑C#脚本。

编辑canvas上的按键脚本，使按键行使相应功能。点击“上一个模型”、“下一个模型”，使牙体上下移动，从而退出摄像头，使下一个模型进入摄像头，实现牙体模型的切换。点击“显示标签信息”，在界面左侧出现文本边框。点击“退出”，则退出软件程序。

编辑脚本“1”，获取鼠标动作，判断鼠标移动方向，使牙体跟随鼠标绕模型中心进行360°旋转。

编辑脚本“2”，判断滚轮是否上下滚动，使牙体大小随之改变。

编辑脚本“3”，使点击数字标签，在左侧文本边框中显示相应解剖结构的中英文名称及注解。

编辑脚本“4”，点击显示牙磨片的按键，则出现牙体相应部位的纵截面的牙磨片图片。

(4)工程发布。

将脚本附加在相应模型上，从而实现模型程序的交互。最后进行工程发布。

综上所述，本发明一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法及系统通过利用Micro CT扫描牙体获取图像数据，对数百张截面图像资料进行灰度转换处理后，应用再将牙体CT图像置入Mimics10.0、Maya等软件重建三维牙体，并通过制作结构清晰、质量优良的牙磨片，建立数字化牙磨片资源库，创建Unity3D工程，导入构建好的三维牙体模型，进行模型平滑与修饰，得到最终的三维牙体模型，，使得得到的三维牙体模型可以任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并能够观察牙体内外结构，有效解决了实验室缺乏牙体模型以及学生难以收集牙位齐全、结构典型的牙体的问题。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、牙体结构的学习涉及到牙体每一个面之间的关系，需大量牙体标本，然而收集大量拥有典型结构的牙体十分困难。本发明可重建牙体外形及牙齿内在结构，仿真度高、沉浸感强，有效解决了实验室缺乏牙体模型以及学生难以收集牙位齐全、结构典型的牙体的问题，弥补了传统教学的弊端，且摆脱了牙体标本、器械仪器、实验场所等限制，使得学习变得便捷、有趣、高效，迎合了现代学生学习模式的计算机化、网络化的学习特点。

2、本发明可用于收集并保存罕见的病例标本，可作为口腔医学院校师生之间学习交流的平台。

3、本发明通过maya软件进行模型修饰，可以导出结构典型、适合于口腔牙体解剖教学的三维牙体模型，从而设计出可供教师与学生使用的口腔解剖教学软件。

4、本发明通过在牙体的重要解剖部位添加标签，有助于学生更好地将书本上的知识与实际的牙体结合，深刻认识牙体的解剖结构，让学习复习变得更为便捷。

5、本软件将牙磨片与牙体模型相结合，将特定位置的二维牙体磨片图像链接到三维牙体模型的对应位置，在直接观察三维牙体模型的同时，还可查看特定位置的牙体显微结构，从而构建牙体内外结构均可观察的“数字牙”资源库，很好地将牙体宏观结构与微观结构、外部结构及剖面结构结合，可加深学生对牙体的认识与理解。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，包括如下步骤：

步骤S1，扫描牙体获取牙体图像数据，并对牙体图像数据进行图像处理，通过三维重建技术根据牙体图像数据对牙体进行三维重建，得到牙体的三维模型；

步骤S1进一步包括：

步骤S100，进行牙体收集；

步骤S101，利用CT扫描牙体，获取由CT扫描的牙体图像数据，并对牙体图像进行灰度处理；

步骤S102，根据获得的牙体图像数据，利用三维重建技术对牙体进行三维重建，得到牙体的三维模型；

步骤S101中，利用CT扫描获得所述牙体的若干截面图像；

步骤S102进一步包括：

步骤S102a，对获得的牙体图像数据进行分割；

步骤S102b,基于分割后的牙体图像数据，应用Matlab对图像相减，提取出牙髓；

步骤S102c，根据获得的牙体的图像序列，建立掩模，取合适的门限，对每张断层图像掩模正确后，采用三维重建技术，得到牙体的三维模型；

步骤S2，制作牙磨片，并通过采集各牙磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库；

步骤S3，利用Unity 3D，于所述Unity 3D中导入牙体数据三维模型及其对应各牙磨片的镜下结构，调整并实现所述牙体的三维模型，得到最终的三维牙体模型，根据所述最终的三维牙体模型，以实现牙体的任意旋转、缩放并显示具体结构信息，并提供牙体内外结构。

2.如权利要求1所述的一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，其特征在于，于步骤S102a中，根据不同阈值将牙本质、牙釉质分割。

3.如权利要求1所述的一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，其特征在于，于步骤S102c后，还包括如下步骤：对获得的牙体的三维图像进行牙体的平滑与修饰。

4.如权利要求1所述的一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

步骤S201，利用收集的牙体进行牙磨片制作；

步骤S202，采集牙磨片的镜下结构，整理各个牙位、各个切面磨片的镜下结构建立数字化牙磨片图库。

5.如权利要求1所述的一种基于Unity 3D的三维牙体模型构建方法，其特征在于：于步骤S3中，将通过步骤S1建立好的牙体的三维模型导出成为Unity3D可以识别的格式，并导入Unity 3D中，设置合适的坐标、旋转角度及大小，调节灯光为直射光，设置光滑度和漫反射程度自调为适合牙的材质，使牙体外观更美观，具有立体感，并添加数个标签，设置标签材质，将标签放置牙体相应结构位置。

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