CN116749522A - 一种用于正畸矫正工具的3d打印系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于正畸矫正工具的制作系统和制作的方法，具体的说是一种用于正畸矫正工具的3D打印系统和方法。包括数字化扫描系统、3D打印机、数字化模型生成软件和3D打印文件生成软件，其特征在于：所述的数字化扫描系统用于获取患者口腔的数字化三维数据；所述的数字化模型生成软件用于将数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；3D打印文件生成软件用于生成3D打印文件；3D打印机用于根据3D打印文件进行打印，制作出精准贴合的正畸矫正工具的矫正器。本发明具有提高环保生产、提高生产效率、实现精准定制、提高矫正效果和降低成本等多方面的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于正畸矫正工具的制作系统，具体的说是一种用于正畸矫正工具的3D打印系统和方法。
背景技术
现有的正畸矫正工具存在诸多缺陷，例如传统的正畸矫正器需要精确的手工制作，制作流程繁琐，周期长，费用高。而较新的数字化正畸治疗也有缺点，如需要复杂的设备和软件，造价高昂，且制造出来的矫正器质量难以保证。此外，传统的正畸矫正工具为手工制作的钢丝和金属矫形器，制作过程需要大量人工操作。而且传统矫形器不能完美适应不同的牙齿和口腔形态，治疗周期长且效果不稳定。随着3D打印技术的普及和发展，越来越多的临床医生和患者希望利用3D打印技术来制作个性化的正畸矫正工具。然而这种方法并不完美，其中比较常用的是采用精细模型CAD设计，然后利用3D打印机进行制作，但是这种方法仍然存在一些问题：一是由于各种不同形状和尺寸的矫正工具数量繁多，因此需要经常更新和完善模型设计；二是由于3D打印的制造精度与参数设置有很大关系，因此需要大量的实验和验证，研发周期长，成本高。以及在软件控制方面由于点云数据通常较为密集且数量庞大，因此需要大量的计算资源和时间才能对其进行处理；同时，曲面拟合和三角剖分算法也存在一定的计算误差和计算复杂度问题，有时难以得到精确的模型。因此，需要开发一种能够提高数字化三维模型处理效率和精度的数字化三维模型处理方法。在这种数字化三维模型处理方法中，需要采用一种新的数据处理技术，通过优化点云数据处理和曲面拟合算法等技术，有效提高数字化三维模型处理的精度和效率，并使其更好地适应本领域的应用需求。
发明内容
因此，本发明提出了一种用于正畸矫正工具的3D打印系统和方法，旨在解决上述问题，提高制作效率和制作精度。
本发明解决其上述的技术问题所采用以下的技术方案：一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，包括数字化扫描系统、3D打印机、数字化模型生成软件和3D打印文件生成软件，其特征在于：所述的数字化扫描系统用于获取患者口腔的数字化三维数据；所述的数字化模型生成软件用于将数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；3D打印文件生成软件用于生成3D打印文件；3D打印机用于根据3D打印文件进行打印，制作出精准贴合的正畸矫正工具的矫正器。
进一步地，所述数字化扫描系统包括一台口腔数字化扫描仪，用于进行患者口腔的数字化扫描。
进一步地，一种用于正畸矫正工具的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）、进行患者口内数字化扫描，获取数字化三维数据；
（2）、根据数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；
（3）、根据数字化三维模型生成3D打印文件；
（4）、将3D打印文件导入3D打印机中进行打印；
（5）、根据3D打印的结果得到精准贴合的用于正畸矫正工具的矫正器。
进一步地，所述的数字化扫描系统采集到的患者口腔内三维扫描数据是生成3D打印文件的基础；而所述的数字化扫描系统由以下几个主要组成部分组成：
（1）、扫描仪：通过可见光或激光扫描产生的口腔表面三维坐标数据，用来生成口腔三维模型；
（2）、传感器：传感器将扫描仪产生的数据转换为计算机可读的数字化数据；
（3）、计算机：由数据采集、三维重建和模型编辑模块组成；
其中，数字化扫描系统的工作步骤如下：
S1. 患者使用扫描仪内嵌的口架或直接戴上口腔扫描器，按照特定的方式站立或坐立，在医生的指导下完成扫描；
S2. 扫描仪发射光线或激光束，在口腔内部扫描，通过传感器收集口腔表面的三维坐标数据，将其转化为数字化数据；
S3. 计算机保存收集到的口腔数据并进行深度学习算法的运算处理，生成精确的口腔三维模型；
S4. 根据生成的口腔三维模型，生成3D打印文件，并导入3D打印机中进行打印，制作出贴合患者口腔的正畸矫正工具的矫正器。
进一步地，所述的数字化扫描系统采用计算式如下：
（1）、结构光扫描计算式：通过投射光斑模式，获得物体口腔内部表面的三维坐标；
z = f * A / (B - p)
其中，z表示物体表面的高度，f是相机焦距，A是光栅间距，B是光栅标定长度，p是光斑中心点与基准面的距离；
（2）、相位测量计算式：将物体表面的光学相位转化为三维坐标；
z = constant * arctan((F1 - F0) / (I1 - I0))
其中，z是物体表面的高度，constant是常数，F1和F0是相邻两个像素的光学相位值，I1和I0是相邻两个像素之间的距离；
所述的数字化扫描系统采用实施步骤如下：
（1）、三维重建：使用三角形重建算法将点云数据转化为三维模型；
（2）、模型编辑：根据用户的需求，对三维模型进行增加、减少、平场编辑操作；
（3）、数据处理：口腔三维模型数据处理包括数据滤波、计量分析、算法优化、模型修复、区域划分和特征提取；
所述的三维重建分为两个阶段：
第一个阶段是点云重建，将口腔扫描数据转化为点云数据，即一些不连续的点的集合；第二个阶段是三角网格重建，将点云数据转换为三角网格，也就是由许多相邻三角形组成的三维模型；
其中，点云重建的过程包括点云采集、点云预处理、点云配准和点云拼接步骤；点云采集的基础是数字化扫描系统采集到患者口内三维扫描数据，点云预处理去除错误数据和杂乱噪声；点云配准的目的是将多个点云数据进行匹配，使得能够成为同一个三维模型的一部分；然后将配准好的点云数据拼接起来，生成完整的点云模型；
所述的三角网格重建的过程包括网格重建、三角网格剖分和三角网格平滑处理步骤；
所述的模型编辑的达到方式如下：
所述的模型编辑根据数字化三维口腔模型数据进行编辑，通过添加、删除、移动和缩放操作来达到模型的编辑；在达到模型编辑时，采用CAD软件、三维建模软件、图像处理软件工具；
所述的数字化扫描系统中，模型编辑的达到方式包括：
（1）、快速编辑：在数字化三维模型中选择操作的部位；
（2）、自动修复：利用图像处理算法，对数字化模型中的缺陷和异常部分进行自动修复；
（3）、标注注释：在数字化三维模型的合适位置添加注释和标注。
进一步地，所述的数字化模型生成软件运算步骤：
（1）、模型生成：通过点云配准方法进行匹配，生成点云模型，然后通过网格重建算法将点云数据转化为三角形网格模型，用于生成数字化三维模型；
（2）、模型曲面拟合：通过曲面拟合方法，将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型；
（3）、模型切片：将三维模型切片为一系列二维图像，以便生成3D打印文件；
（4）、模型编辑：通过对数字化三维模型的增加、减少、平场操作，对模型进行编辑；
（5）、模型修复：针对受损的三维模型进行修复，包括自动和手动修复方法；自动修复使用自动修复算法对模型进行修复，手动修复则使用CAD软件工具进行修复；
（6）、模型优化：利用优化算法对模型进行自动优化；
（7）、模型切除：基于正畸矫正工具的形状，对三维模型进行切除。
进一步地，所述的患者口内数字化扫描是的基本流程：
S1. 患者初诊：医生或牙医通过初诊确认患者正畸治疗，并开始进行以下步骤；
S2. 患者口腔准备：为确保数字化扫描的准确性，先清洁口腔内部，患者漱口，刷牙，并不要摄入过多食物和饮料；
S3. 数字化扫描准备：提供数字口扫仪，以及对应的扫描软件；
S4. 进行数字化扫描：扫描过程中，患者张开嘴巴并咬紧特殊的扫描器，在牙齿和颊部区域进行扫描，扫描器会自动将口腔内部的图片数字化成一组数字化照片；
S5. 数字化模型生成：将得到的一组数字化照片通过数字口腔正畸软件进行处理，在计算机上生成一份三维数字化模型；
S6. 模型导出：生成的数字化三维模型导出成一个STL或者OBJ文件。
进一步地，所述的曲面拟合的精细化步骤如下：
S1. 首先，选用三维扫描仪；
S2. 在得到点云数据后，对数据进行处理和优化，提高点云数据的准确性和稳定性；
S3. 当拟合曲面时，选择一个合适的曲面拟合算法；
S4.调整算法的参数和选择合适的曲面类型，以使拟合效果更加精细化；在调整参数和选择曲面类型时，使用交叉验证技术来评估不同组参数的效果，并选择参数来拟合曲面；
S5.对曲面拟合结果进行优化和修正，确保数字化三维模型的质量和精度。
进一步地，所述的数字化模型生成软件所采用的算法程序采用：3D Slicer、MeshLab、Blender。
进一步地，所述的将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型的步骤如下：
S1. 点云预处理；
S2. 点云重构：将离散的点转换为光滑的曲面；
S3. 曲面拟合：将点云表面重建为曲面网格模型；
S4. 增强模型；在进行曲面拟合后，生成的网格模型进行后处理。
本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
1. 提高绿色环保生产：本发明的3D打印系统采用数字化生产方式，不需要使用大量的传统材料加工工具，相比传统方法，节省了大量原材料以及节约了工程成本和用电的能源，符合当今环保产业的发展。
2. 提高生产效率：本发明的3D打印系统的生产效率高，能够快速和高精度制作出符合要求的矫正器，解决了传统方法生产效率低下的问题，增加了正畸矫正器的生产效率，节约了时间和资金。
3. 实现精准定制：本发明的3D打印系统能够按照患者口腔的独特形态进行精准定制制作，使得制作出的矫正器精准适应患者的口腔，具有更好的舒适度和适应性。
4. 提高矫正效果：本发明的矫正器使用3D打印技术制作，能够精准计算矫正参数并根据患者的独特口腔形态进行定制，从而能够提高矫正效果，缩短治疗周期并减少治疗误差。
5. 降低成本：本发明使用的3D打印技术能够高效、低成本的生产矫正器。相比传统方法，不仅减少了制造过程所需的人工和物质成本，而且能够更高效地利用资源，降低生产成本。
因此，本发明具有提高环保生产、提高生产效率、实现精准定制、提高矫正效果和降低成本等多方面的有益效果。
附图说明
图1为本发明一种用于正畸矫正工具的3D打印系统的系统图。
图2为本发明一种用于正畸矫正工具的3D打印方法流程图。
实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
实施例：一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，包括数字化扫描系统、3D打印机、数字化模型生成软件和3D打印文件生成软件等，而其数字化扫描系统用于获取患者口腔的数字化三维数据；数字化模型生成软件用于将数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；3D打印文件生成软件用于生成3D打印文件；3D打印机用于根据3D打印文件进行打印，制作出具有复杂结构，且能够实现精准贴合的正畸矫正工具的矫正器。
而上述3D打印的打印方法，包括以下步骤：
（1）、进行患者口内数字化扫描，获取数字化三维数据；
（2）、根据数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；
（3）、根据数字化三维模型生成3D打印文件；
（4）、将3D打印文件导入3D打印机中进行打印；
（5）、根据3D打印的结果得到精准贴合的用于正畸矫正工具的矫正器。
上述所讲的数字化扫描系统包括一台口腔数字化扫描仪，用于进行患者口腔的数字化扫描；3D打印机具有高分辨率、高精度、热熔沉积等特性。
数字化扫描系统是本发明中非常关键的一部分，其采集到的口内三维扫描数据是生成3D打印文件的基础；下面将详细说明数字化扫描系统的构成原理和实际应用；
数字化扫描系统通常由以下几个主要组成部分组成：
（1）、扫描仪：扫描仪是数字化扫描系统中的核心组成部分，通过可见光或激光扫描产生的口腔表面三维坐标数据，用来生成口腔三维模型；
（2）、传感器：传感器的作用是将扫描仪产生的数据转换为计算机可读的数字化数据，常见的数字化扫描系统使用的传感器有相位测量和结构光扫描技术；
（3）、计算机：计算机是数字化扫描系统用来处理、存储和分析数据的核心，通常由数据采集、三维重建和模型编辑等模块组成；
数字化扫描系统在正畸矫正工具的制作中具有广泛的应用；在传统的正畸矫正工具中，采用手工制作矫正器的方式来满足患者的需求，工艺极为繁琐且耗时，而且制作的矫正器准确度难以保证；而采用数字化扫描系统可以更加精确地获取口腔的三维信息，并生成精准的口腔三维模型，为制作精准的矫正器打下了良好的基础；
因此，数字化扫描系统的工作步骤如下：
S1.患者使用扫描仪内嵌的口架或直接戴上口腔扫描器，按照特定的方式站立或坐立，在医生的指导下完成扫描；
S2.扫描仪发射光线或激光束，在口腔内部扫描，通过传感器收集口腔表面的三维坐标数据，将其转化为数字化数据；
S3.计算机保存收集到的口腔数据并进行深度学习算法的运算处理，生成精确的口腔三维模型；
S4.根据生成的口腔三维模型，生成3D打印文件，并导入3D打印机中进行打印，制作出具有复杂结构且能够实现精准贴合的矫正器；
数字化扫描系统在正畸矫正工具的应用中，还可以进行其他一些定制化设计；例如，可以在生成的数字化三维模型上进行模型编辑，在模型上实现增加、减少、平场等操作，同时可以在模型上标注详细的病情信息，帮助医生更好地掌握患者所要求的口腔问题和病情；此外，数字化扫描系统还能够为患者制作个性化的口托、牙套等异形咬合的矫正工具；
因此，数字化扫描系统作为本发明中最关键的一部分，通过数字化三维模型生成，可以快速准确地得到需要的矫正工具，并广泛应用于正畸矫正工具的制造中；同时，它也可以实现个性化设计，制作周期更短，制作成本更低，有着更为广应用。
此外上述的数字化扫描系统使用到的函数和计算式可能是不同的，具体取决于所采用的数字化扫描仪和数据处理软件；以下是本发明函数计算式：
（1）、结构光扫描计算式：通过投射光斑模式，获得物体口腔内部表面的三维坐标；
z=f*A/(B-p)
其中，z表示物体表面的高度，f是相机焦距，A是光栅间距，B是光栅标定长度，p是光斑中心点与基准面的距离；
结合上述的结构光扫描计算式，如果需要获得物体口腔内部表面的三维坐标，则可以参考下面的方法：
S1.定位摄像头：根据扫描范围调整摄像头位置，使之能够捕捉到物体口腔内部表面的图像。
S2.启动结构光扫描器，并进行校准。
S3.显示成像：将物体放置在扫描器的扫描范围内，将成像显示在电脑屏幕上。
S4.抽象指令：按下扫描按钮，并进行扫描。
通过结构光扫描计算式：z=f*A/(B-p)，计算得到物体口腔内部表面的三维坐标。
下面是通过这个公式计算的一个实际数据样例：
假设扫描范围(视场)的宽度为W，扫描仪距离物体表面的距离为D，扫描线的数量为n，激光斑的大小为s，则可以将结构光扫描计算式简化为：z=f*D/(W/n*s-p)，其中f是相机的焦距。
例如，如果f=50mm、D=1000mm、W=200mm、n=1000、s=0.1mm，并且测得某点距离扫描仪的距离为p=50mm，则该点在三维坐标系中的纵坐标z=50*1000/(200/1000*0.1-50)=-6527.78mm。
结构光扫描计算式只是一种估算物体表面坐标的方法之一，其精度与扫描仪本身的精度、扫描时设定的参数等诸多因素有关，因此在实际过程中需要针对具体情况进行修改和调整。
（2）、相位测量计算式：将物体表面的光学相位转化为三维坐标；
z=constant*arctan((F1-F0)/(I1-I0))
其中，z是物体表面的高度，constant是常数，F1和F0是相邻两个像素的光学相位值，I1和I0是相邻两个像素之间的距离；
下面举一个实际数据计算的例子：
假设在一次相位测量中，采集到了如下的数据：
I0=107,F0=0
I1=235,F1=1.9825
constant=0.4
根据上述数据和相位测量计算式可以得到：
z=0.4*arctan((F1-F0)/(I1-I0))
z=0.4*arctan((1.9825-0)/(235-107))
z=0.4*arctan(1.0701)
z=0.4*0.8356
z=0.33426mm
因此，当I0=107,F0=0，I1=235,F1=1.9825，constant=0.4时，物体表面在对应像素点的深度值为0.33426mm。
而数字化扫描系统采用实施步骤如下：
（1）、三维重建：使用三角形重建算法将点云数据转化为三维模型；
（2）、模型编辑：根据用户的需求，对三维模型进行增加、减少、平场等编辑操作；
（3）、数据处理：口腔三维模型数据处理包括数据滤波、计量分析、算法优化、模型修复、区域划分和特征提取等多个方面；
这些函数和计算式可以为数字化扫描系统提供基础建设，实现口腔扫描数据的快速、准确和可靠处理；同时，这些函数和计算式也是数字化扫描系统能够实现个性化设计的重要基础，利用这些函数和计算式，数字化扫描系统可以为每个患者生成具有个性化特点的正畸矫正工具；
在本发明中，三维重建是数字化扫描系统中的核心部分之一，用于将口腔扫描数据转化为准确的三维模型，下面将说明三维重建的基本原理；
三维重建可以分为两个阶段：
第一个阶段是点云重建，也就是将口腔扫描数据转化为点云数据，即一些不连续的点的集合；第二个阶段是三角网格重建，将点云数据转换为三角网格，也就是由许多相邻三角形组成的三维模型；
点云重建的过程包括点云采集、点云预处理、点云配准和点云拼接等步骤；点云采集的基础是数字化扫描系统采集到患者口内三维扫描数据，点云预处理可以去除错误数据和杂乱噪声；点云配准的目的是将多个点云数据进行匹配，使得它们能够成为同一个三维模型的一部分；最后，将配准好的点云数据拼接起来，生成完整的点云模型；
三角网格重建的过程通常包括网格重建、三角网格剖分和三角网格平滑处理等步骤；网格重建是将点云数据转化为三角网格的过程，也就是对点云数据进行连接优化，形成平滑的三角形或四边形网格；然后，对网格进行细分，生成更多更小的三角形或四边形，以便更好地匹配口腔表面的曲率；最后一个步骤是平滑网格，以便更好地匹配口腔表面；
三维重建的过程需要通过一定的算法和技术来实现，包括立体视觉、计算几何、拓扑重建、深度学习等多个方面；常用的算法有MarchingCubes算法、Delaunay剖分算法以及RANSAC点云配准算法等；
综上，数字化扫描系统通过三维重建技术，将口腔扫描数据转化为准确的三维模型，从而为制作精准的正畸矫正工具奠定了良好的基础；
在本发明中，模型编辑是数字化扫描系统中的重要组成部分之一，用于根据患者的需求对三维模型进行增加、减少、平场等操作；下面将说明模型编辑的基本原理和实现方式；
模型编辑的基本原理是根据数字化三维口腔模型数据进行编辑，可以通过添加、删除、移动和缩放等操作来实现模型的编辑；这些编辑操作常用于修复损坏的模型、增加新的结构、将模型调整到正确的大小和位置等；
在实现模型编辑时，可以采用CAD软件、三维建模软件、图像处理软件等工具；例如，在CAD软件中，可以进行参数建模，即针对口腔扫描数据生成的数字化三维模型设置参数、定义形状和位置，以形成新的结构或修改现有的结构；另外，通过3D建模软件，可以通过绘制拓扑图和添加多边形等方式，进行三维建模，生成新的结构，从而实现模型编辑；
在数字化扫描系统中，模型编辑的具体实现方式包括：
（1）、快速编辑：在数字化三维模型中选择需要操作的部位，使用CAD软件或三维建模软件等工具进行基本操作，例如添加、删除、移动和缩放等，从而实现快速模型编辑；
（2）、自动修复：利用图像处理算法，对数字化模型中的缺陷和异常部分进行自动修复；
（3）、标注注释：在数字化三维模型的合适位置添加注释和标注，以便医生更好地了解患者病情、进行术前模拟和术后矫治；
因此，数字化扫描系统中的模型编辑是为了满足患者的个性化需求，通过更改数字化三维模型实现口腔正畸器具的精准贴合；不同的数字化扫描系统采用的编辑工具或编辑软件不同，但都是基于数字化三维模型进行编辑，以实现精确制作的正畸矫正工具。
数字化模型生成软件通常采用的运算过程也是多样的，这取决于具体的软件和所需的模型类型；以下是数字化模型生成软件采用的一些的运算步骤：
（1）、模型生成：通过点云配准方法进行匹配，生成点云模型，然后通过网格重建算法将点云数据转化为三角形网格模型，用于生成数字化三维模型；
（2）、模型曲面拟合：通过曲面拟合方法，将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型；
（3）、模型切片：将三维模型切片为一系列二维图像，以便生成3D打印文件；
（4）、模型编辑：通过对数字化三维模型的增加、减少、平场等操作，对模型进行编辑，以实现个性化设计；例如，对数字化三维模型进行模型编辑，可以制作更加精准的正畸矫正工具；
（5）、模型修复：针对受损的三维模型进行修复，包括自动和手动修复方法；自动修复可以使用自动修复算法对模型进行修复，手动修复则需要使用CAD软件等工具进行修复；
（6）、模型优化：利用优化算法对模型进行自动优化，以提高数字化三维模型的精度和准确度；
（7）、模型切除：基于正畸矫正工具的形状，对三维模型进行切除，生成更加符合患者需求的模型；
因此，数字化模型生成软件可根据具体的应用场景进行操作，其运算过程和方法应该根据所需的模型类型、模型复杂度、编辑需求等因素灵活调整；
患者口内数字化扫描是一种将患者口内的正畸信息数字化并导出成三维模型以供医生进行分析和治疗计划设计的技术；下面是一个患者口内数字化扫描的基本流程：
S1.患者初诊：医生或牙医通过初诊确认患者需要正畸治疗，并开始进行以下步骤；
S2.患者口腔准备：为确保数字化扫描的准确性，需要先清洁口腔内部，患者需要漱口，刷牙，并尽量不要摄入过多食物和饮料；
S3.数字化扫描准备：提供数字口扫仪，以及相应的扫描软件；
S4.进行数字化扫描：扫描过程中，患者需要张开嘴巴并咬紧特殊的扫描器，在牙齿和颊部区域进行扫描，扫描器会自动将口腔内部的图片数字化成一组数字化照片；
S5.数字化模型生成：将得到的一组数字化照片通过数字口腔正畸软件进行处理，在计算机上生成一份三维数字化模型；处理时间可能需要几分钟或者更长，具体时间取决于所使用的硬件和软件；
S6.模型导出：最终生成的数字化三维模型可以导出成一个STL或者OBJ文件，供医生进一步分析和设计治疗计划；
总的来说，患者口内数字化扫描是一项非常简单和无痛的过程，由于数字化扫描是无创性的，因此对患者不会带来任何不适和疼痛；医生通过数字化模型设计的正畸器具能够更加精确地贴合患者的牙齿和口腔形状，从而增加正畸器具的治疗效果和舒适度。
曲面拟合是数字化三维数据处理的一个重要步骤之一，其目的是将离散坐标点拟合成为光滑的曲面；精细化的曲面拟合在一定程度上决定了数字化三维模型的质量和精度；
以下是在本发明中实现曲面拟合的精细化步骤：
S1.首先，在采集数字化三维数据之前，需要确保所用的三维扫描仪的分辨率和精度足够高，以能够捕捉到物体表面的细节和特征；
S2.在得到点云数据后，需要对数据进行处理和优化，以提高点云数据的准确性和稳定性；例如，可以使用点云滤波算法，对噪声和离群点进行剔除，使点云数据更加清晰和精确；
S3.当拟合曲面时，应选择一个合适的曲面拟合算法；一般情况下，常用的曲面拟合算法包括最小二乘拟合、移动最小二乘拟合、高斯过程拟合等；
S4.至关重要的是调整算法的参数和选择合适的曲面类型（例如二次曲面、三次曲面、高斯曲面等），以使拟合效果更加精细化；在调整参数和选择曲面类型时，可以使用交叉验证（如K-fold交叉验证）等技术来评估不同组参数的效果，并选择最佳参数来拟合曲面；
S5.最后，根据实际需求，对曲面拟合结果进行优化和修正，以确保数字化三维模型的质量和精度；
总的来说，在本发明中曲面拟合的精细化主要是通过选择高精度扫描仪，进行优化点云数据处理，合理选择曲面类型和调整拟合算法的参数等多个优化步骤来实现的；这些步骤都有望提高数字化三维数据处理的准确性和精度，为后续应用提供更好的基础。
数字化模型生成软件所采用的算法程序如下：
（1）、3DSlicer：3DSlicer是一个免费开源的数字医学图像处理和可视化软件平台，主要用于生物医学领域；可以用Python编写模块、插件等，支持许多数字化三维模型生成算法和处理算法；
示例代码：
```python
importslicer
#读入DICOM文件序列
inputPath="input.dcm"
inputVolumeNode=slicer.util.loadVolume(inputPath)
#进行图像配准和重建
registration=slicer.modules.brainsfit
outputVolumeNode=slicer.mrmlScene.AddNewNodeByClass("vtkMRMLScalarVolumeNode","OutputVolume")
parameters={}
parameters["fixedVolume"]=inputVolumeNode.GetID()
parameters["movingVolume"]=inputVolumeNode.GetID()
registrationLogic=registration.logic()
registrationLogic.RunAlgorithm()
#生成数字化三维模型
modelGeneration=slicer.modules.models
outputModelNode=slicer.mrmlScene.AddNewNodeByClass("vtkMRMLModelNode","OutputModel")
modelGenerationLogic=modelGeneration.logic()
modelGenerationLogic.AddModel(outputVolumeNode,outputModelNode)
```
（2）、MeshLab：MeshLab是一个免费开源的数字化三维模型编辑软件，可以用于修复、处理和编辑数字化三维模型和点云数据；
示例代码：
```c++
#include"meshlab/meshmodel.h"
#include"meshlab/interfaces.h"
//加载数字化三维模型
std::stringinputPath="input.obj";
MeshModelmesh;
ml::MeshIOOBJ::load(inputPath.c_str(),mesh);
//对数字化三维模型进行平滑处理
FiltersmoothFilter;
smoothFilter.compute(mesh.vertexArray,mesh.faceArray,mesh.normalArray);
//将结果保存为新的数字化三维模型文件
std::stringoutputPath="output.obj";
ml::MeshIOOBJ::save(outputPath.c_str(),mesh);
```
（3）、Blender：Blender是一个免费开源的三维建模和动画软件，可以用于数字化三维模型的生成、编辑、动画制作等；
示例代码：
```python
importbpy
#加载数字化三维模型
inputPath="input.obj"
bpy.ops.import_scene.obj(filepath=inputPath)
#将数字化三维模型添加到场景中
modelObject=bpy.context.selected_objects[0]
bpy.context.scene.objects.link(modelObject)
#对数字化三维模型进行编辑和优化
#...
#生成新的数字化三维模型文件
outputPath="output.obj"
bpy.ops.export_scene.obj(filepath=outputPath,use_selection=True)
```
本发明中将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型可以借助于一些软件和相关算法，以下描述其中的一些步骤：
S1.点云预处理：由于点云通常包含噪音和异常值，因此需要先对点云进行一些预处理，例如去除离群点、滤波、去除重复点等；
S2.点云重构：点云重构是将离散的点转换为光滑的曲面的过程；点云重构软件可以使用多边形构建、曲面重构算法等，例如Poisson重构算法、MovingLeastSquare(MLS)算法等；
S3.曲面拟合：曲面拟合算法将点云表面重建为曲面网格模型；正常情况下本案需要先选取一种适合当前数据的算法来实现曲面拟合；常见的曲面拟合算法包括MovingLeastSquares曲面拟合算法,Bézier曲线拟合算法以及数据叶块Spline曲面拟合算法等；
S4.增强模型；在进行曲面拟合后，还应该对生成的网格模型进行后处理，例如填充孔洞、删除不必要的面、平滑等；
总的来说，将点云转化为光滑的曲面网格模型需要使用到多个步骤和算法，在实现之前还应选择合适的算法和软件来实现，以保证能得到一种高精度、逼真的三维模型。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，包括数字化扫描系统、3D打印机、数字化模型生成软件和3D打印文件生成软件，其特征在于：所述的数字化扫描系统用于获取患者口腔的数字化三维数据；所述的数字化模型生成软件用于将数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；3D打印文件生成软件用于生成3D打印文件；3D打印机用于根据3D打印文件进行打印，制作出精准贴合的正畸矫正工具的矫正器。
2.根据权利要求1所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于：所述数字化扫描系统包括一台口腔数字化扫描仪，用于进行患者口腔的数字化扫描。
3.一种用于正畸矫正工具的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）、进行患者口内数字化扫描，获取数字化三维数据；
（2）、根据数字化三维数据生成患者口腔的数字化三维模型；
（3）、根据数字化三维模型生成3D打印文件；
（4）、将3D打印文件导入3D打印机中进行打印；
（5）、根据3D打印的结果得到精准贴合的用于正畸矫正工具的矫正器。
4.根据权利要求1所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的数字化扫描系统采集到的患者口腔内三维扫描数据是生成3D打印文件的基础；而所述的数字化扫描系统由以下几个主要组成部分组成：
（1）、扫描仪：通过可见光或激光扫描产生的口腔表面三维坐标数据，用来生成口腔三维模型；
（2）、传感器：传感器将扫描仪产生的数据转换为计算机可读的数字化数据；
（3）、计算机：由数据采集、三维重建和模型编辑模块组成；
其中，数字化扫描系统的工作步骤如下：
S1. 患者使用扫描仪内嵌的口架或直接戴上口腔扫描器，按照特定的方式站立或坐立，在医生的指导下完成扫描；
S2. 扫描仪发射光线或激光束，在口腔内部扫描，通过传感器收集口腔表面的三维坐标数据，将其转化为数字化数据；
S3. 计算机保存收集到的口腔数据并进行深度学习算法的运算处理，生成精确的口腔三维模型；
S4. 根据生成的口腔三维模型，生成3D打印文件，并导入3D打印机中进行打印，制作出贴合患者口腔的正畸矫正工具的矫正器。
5.根据权利要求4所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的数字化扫描系统采用计算式如下：
（1）、结构光扫描计算式：通过投射光斑模式，获得物体口腔内部表面的三维坐标；
z = f * A / (B - p)
其中，z表示物体表面的高度，f是相机焦距，A是光栅间距，B是光栅标定长度，p是光斑中心点与基准面的距离；
（2）、相位测量计算式：将物体表面的光学相位转化为三维坐标；
z = constant * arctan((F1 - F0) / (I1 - I0))
其中，z是物体表面的高度，constant是常数，F1和F0是相邻两个像素的光学相位值，I1和I0是相邻两个像素之间的距离；
所述的数字化扫描系统采用实施步骤如下：
（1）、三维重建：使用三角形重建算法将点云数据转化为三维模型；
（2）、模型编辑：根据用户的需求，对三维模型进行增加、减少、平场编辑操作；
（3）、数据处理：口腔三维模型数据处理包括数据滤波、计量分析、算法优化、模型修复、区域划分和特征提取；
所述的三维重建分为两个阶段：
第一个阶段是点云重建，将口腔扫描数据转化为点云数据，即一些不连续的点的集合；第二个阶段是三角网格重建，将点云数据转换为三角网格，也就是由许多相邻三角形组成的三维模型；
其中，点云重建的过程包括点云采集、点云预处理、点云配准和点云拼接步骤；点云采集的基础是数字化扫描系统采集到患者口内三维扫描数据，点云预处理去除错误数据和杂乱噪声；点云配准的目的是将多个点云数据进行匹配，使得能够成为同一个三维模型的一部分；然后将配准好的点云数据拼接起来，生成完整的点云模型；
所述的三角网格重建的过程包括网格重建、三角网格剖分和三角网格平滑处理步骤；
所述的模型编辑的达到方式如下：
所述的模型编辑根据数字化三维口腔模型数据进行编辑，通过添加、删除、移动和缩放操作来达到模型的编辑；在达到模型编辑时，采用CAD软件、三维建模软件、图像处理软件工具；
所述的数字化扫描系统中，模型编辑的达到方式包括：
（1）、快速编辑：在数字化三维模型中选择操作的部位；
（2）、自动修复：利用图像处理算法，对数字化模型中的缺陷和异常部分进行自动修复；
（3）、标注注释：在数字化三维模型的合适位置添加注释和标注。
6.根据权利要求1所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的数字化模型生成软件运算步骤：
（1）、模型生成：通过点云配准方法进行匹配，生成点云模型，然后通过网格重建算法将点云数据转化为三角形网格模型，用于生成数字化三维模型；
（2）、模型曲面拟合：通过曲面拟合方法，将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型；
（3）、模型切片：将三维模型切片为一系列二维图像，以便生成3D打印文件；
（4）、模型编辑：通过对数字化三维模型的增加、减少、平场操作，对模型进行编辑；
（5）、模型修复：针对受损的三维模型进行修复，包括自动和手动修复方法；自动修复使用自动修复算法对模型进行修复，手动修复则使用CAD软件工具进行修复；
（6）、模型优化：利用优化算法对模型进行自动优化；
（7）、模型切除：基于正畸矫正工具的形状，对三维模型进行切除。
7.根据权利要求1所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的患者口内数字化扫描是的基本流程：
S1. 患者初诊：医生或牙医通过初诊确认患者正畸治疗，并开始进行以下步骤；
S2. 患者口腔准备：为确保数字化扫描的准确性，先清洁口腔内部，患者漱口，刷牙，并不要摄入过多食物和饮料；
S3. 数字化扫描准备：提供数字口扫仪，以及对应的扫描软件；
S4. 进行数字化扫描：扫描过程中，患者张开嘴巴并咬紧特殊的扫描器，在牙齿和颊部区域进行扫描，扫描器会自动将口腔内部的图片数字化成一组数字化照片；
S5. 数字化模型生成：将得到的一组数字化照片通过数字口腔正畸软件进行处理，在计算机上生成一份三维数字化模型；
S6. 模型导出：生成的数字化三维模型导出成一个STL或者OBJ文件。
8.根据权利要求6所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的曲面拟合的精细化步骤如下：
S1. 首先，选用三维扫描仪；
S2. 在得到点云数据后，对数据进行处理和优化，提高点云数据的准确性和稳定性；
S3. 当拟合曲面时，选择一个合适的曲面拟合算法；
S4.调整算法的参数和选择合适的曲面类型，以使拟合效果更加精细化；在调整参数和选择曲面类型时，使用交叉验证技术来评估不同组参数的效果，并选择参数来拟合曲面；
S5.对曲面拟合结果进行优化和修正，确保数字化三维模型的质量和精度。
9. 根据权利要求1所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的数字化模型生成软件所采用的算法程序采用：3D Slicer、MeshLab、Blender。
10.根据权利要求6所述的一种用于正畸矫正工具的3D打印系统，其特征在于所述的将先前生成的点云转化为光滑的曲面网格模型的步骤如下：
S1. 点云预处理；
S2. 点云重构：将离散的点转换为光滑的曲面；
S3. 曲面拟合：将点云表面重建为曲面网格模型；
S4. 增强模型；在进行曲面拟合后，生成的网格模型进行后处理。
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