可摘局部义齿支架计算机辅助设计与制作的初步研究

摘要

实验目的：1985年，世界上应用于口腔领域的第一套计算机辅助设计与制作(Computer-aideddesignandmanufacture，CAD/CAM)系统在法国问世，至今这项技术已经成功应用于国内外临床固定修复体的设计与制作中。临床医生利用计算机辅助设计(Computer-aideddesign，CAD)技术，将计算机科学、基础数学、设计理论，加上自身的专业知识、经验、独创能力与计算机图形图像技术、数据库技术有机结合在一起，通过人机对话方式，高速高质地完成最佳的设计方案。利用计算机辅助制作(Computer-aidedmanufacture，CAM)减去了繁琐的取印模、灌模型、制作临时性修复体，减去了许多专门加工义齿所必须的设备和材料。CAD/CAM技术从根本上改变了人们常规的修复观念和修复方式。基于先进制造技术的CAD/CAM工程技术，具有以下特点：经济、高效，修复体更加精确美观，教学上为学生提供技术指导及评价学习效果，临床上为牙体预备提供参考，方便医生与患者之间的交流等。 北京大学口腔医学院、卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心，于2002年开发研制成功具有我国自主知识产权的口腔修复CAD/CAM实验系统，并利用该系统实现了嵌体、全冠和固定桥的CAD，在工业通用数控机床上初步完成了上述修复体的CAM操作，全冠的实验室边缘适合性达到世界上临床公认的标准。 但是面向可摘局部义齿的CAD/CAM系统的开发研究相关报告却很少，关于利用国产CAD/CAM系统，进行可摘局部义齿支架的设计与制作，国内还未见相关报道。 可摘局部义齿是修复牙列缺损的最常见，应用最广泛的修复方法。据第二次全国健康流行病学抽样调查结果显示：65-74岁(全国城乡)不足28颗占88.43％，不足22颗牙占50.06％。国内庞大的患者群，对传统的修复方法是一个挑战。因此，满足市场需求，顺应时代发展，开发研制新的修复技术对创造更高的社会和经济效益具有重要意义。 本研究将初步探讨可摘局部义齿支架的CAD/CAM方法，探索一套可行的技术路线，为开发面向可摘局部义齿的专业化CAD/CAM软件系统，为最终实现将可摘局部义齿的CAD/CAM技术应用于临床奠定基础。准确、快速、完整地获取牙列缺损石膏模型的三维数据是修复体CAD/CAM的重要前提，所得点云结果的好坏直接影响到后续建模的质量和效率。一般固定修复的预备体没有倒凹，扫描范围相对小，扫描方法多采用激光扫描或者激光扫描配合机械接触式扫描代型。对于获取牙颌模型数字信息的方法，学者们进行了各种实验研究，如激光扫描法、激光全息法、立体摄影法、光栅投影法、层析法和CT法等。由于可摘局部义齿的设计必须考虑软硬组织倒凹的特点，所以对可摘局部义齿修复的牙列缺损石膏模型三维数据的完整性要求更加严格。本研究以下颌KennedyⅡ类2亚类牙列缺损为例，分别采用线激光扫描测量法、低能量工业用计算机断层扫描(Industrialcomputedtomography，ICT)法和光栅投影测量法三种方法，获取牙列缺损石膏模型三维数据。数据预处理后，在CAD/CAM软件系统中构建牙列缺损的三维模型，为后续的可摘局部义齿CAD奠定基础。 由于可摘局部义齿支架不规则的复杂几何形状和个性化的特点，首先要求系统具有一般几何造型系统的正向设计的基本功能，其次要求该系统具有较强的逆向工程处理能力。在此基础上加入可摘局部义齿支架的专业化功能，形成可摘局部义齿支架设计制造软件。目前，国内外学者们正在致力于研究和开发专门面向可摘局部义齿的CAD/CAM/软件系统，商业化的软件系统尚未见报道。从长远观点看，开发国产软件有利于在日益激烈的竞争中获得自主发展的优先权。本研究利用GeomagicStudio6通用CAD/CAM软件和北京大学口腔医学院与北京航空航天大学联合开发的具有自主知识产权的软件分别完成了KennedyⅡ类2亚类牙列缺损的可摘局部义齿支架的设计，并分别构建了可摘局部义齿支架的CAD模型。 对于外形复杂、薄壁的可摘局部义齿支架，用常规铣磨切削材料块的数控加工方法是难以实现的。快速成形技术是一种多学科交叉的新兴技术，其原理是基于离散/堆积成形。本研究应用的是目前快速成形加工技术中比较成熟的方法-液态光敏聚合物选择性固化方法制作出树脂支架，该树脂支架可以作为失模铸造的铸型。 实验方法：本研究分为三部分：数据获取、计算机辅助设计与计算机辅助制作。 1数据获取分别采用线激光扫描测量法、低能量工业用计算机断层扫描(ICT)法和光栅投影测量法三种方法，获取牙列缺损石膏模型三维数据。 1.1材料和设备(1)三维扫描仪：LSH600激光扫描仪(智泰科技公司，台湾)；3DCaM-ega光学三维扫描系统(北京博维恒信科技发展有限公司)；低能量X射线3D-ICT扫描系统(北京航空航天大学现代无损检测技术研究中心)。 (2)CAD/CAM软件系统：GeomagicStudio6应用软件(RaindropGeomagic公司，美国)；唐龙CAD/CAM口腔修复系统(北京大学口腔医学院和北京航空航天大学联合开发)。 (3)PentiumⅣPC，Windows2000操作系统。 1.2牙颌模型预备在标准石膏牙颌模型上制作下颌KennedyⅡ类2亚类缺损模型，缺牙区牙槽嵴表面均匀铺蜡0-5～1mm厚(与传统的石膏模型缺牙区牙槽嵴处理方法相同)。 1.3重建牙列缺损三维模型分别应用上述三种扫描仪采集牙列缺损石膏模型数据，相应的数据处理后，在GeomagicStudio6CAD/CAM软件系统中将经数据预处理后得到的高质量点云数据三角形化，形成牙列缺损模型的三维数字模型。 2可摘局部义齿支架的CAD本研究分别采用GeomagicStudio6应用软件和国产软件两种软件系统进行支架的CAD。 2.1利用GeomagicStudio6应用软件，在重建的牙颌三维模型上绘出支架的轮廓图，提取轮廓内的数据作为支架的组织面数据，通过抽壳等操作得到支架的三维模型。 2.2利用唐龙软件系统，确立观测线和就位道，按照临床设计原则，分别构建卡环、支托、舌杆、加强网等支架各部件的组织面与磨光面，包括舌杆的半梨形截面、加强网的内外终止线和组织终止点等特征性结构的构建，完成支架的三维几何模型计算机辅助设计。 3可摘局部义齿支架的CAM采用快速成形技术中的液态光敏聚合物选择性固化方法制作出树脂支架，该树脂支架可以作为失模铸造的铸型。 实验结果：1.初步实现了从牙列缺损石膏模型三维数据的获取，到计算机辅助设计三维构建以及用快速成形机制作可摘局部义齿支架的全过程。 2.运用ICT法、线激光扫描测量法和光栅投影测量法三种扫描方法都可以得到密集的牙列缺损模型点云数据，基本上消除了扫描盲区。 3.三种方法得到的点云模型数据输出格式为STL，可以被多数通用的CAD/CAM软件系统直接接受和利用。 4.三种方法各有优缺点，由于点云数据的精度不仅与获取方法有关而且与扫描仪器有关，所以无法对三种方法进行准确比较。综合来看，光栅投影法最安全快捷；ICT法所得数据最为有序和完整。 5.在CAD/CAM软件系统中完成了牙列缺损模型的三维数字模型的重建。重建的CAD模型曲面精细平滑，牙颌解剖结构清晰可辨；该模型可视性强，可任意旋转、平移和缩放以供观察研究；编辑方便，有利于后续的可摘局部义齿支架的计算机辅助设计与制作。模型数据输出格式为STL。 6.可摘局部义齿支架的三维构建以临床设计要求为基础，容易理解与掌握。 7.利用国产CAD/CAM软件系统完成的支架CAD模型与以往文献报道的相比更加复杂、数据更加符合临床实际要求。 8.支架与牙颌模型密合良好，国产软件系统的可摘局部义齿支架组织面曲面误差为0.0122mm，重构精度可以满足临床要求。 9.快速成形技术加工出外形复杂的可摘局部义齿支架树脂铸型。 10.可摘局部义齿支架液态光敏聚合物选择性固化Somos11120树脂铸型有一定的强度，并且有一个可以接受的表面光滑度，视觉上评价支架与石膏模型密合度尚可。 结论：1.ICT法、线激光扫描测量法和光栅投影测量法三种扫描方法各有特点，但都可以有效地解决软硬组织倒凹下部分的数据获取，均可以用作可摘局部义齿支架的三维CAD/CAM系统的模型表面数据获取方法。 2.在线激光扫描测量法和光栅投影测量法中应用多视拼合技术对于消除扫描盲区是一种有效的手段。 3.在通用CAD/CAM系统及在国产CAD/CAM软件平台上，可以实现可摘局部义齿支架的三维建模。作为一种基础性的探索，为最终实现将口腔修复专家的临床检查、诊断和义齿设计过程的经验智慧融入可摘局部义齿的CAD/CAM技术系统，使该系统能够真正适应临床医疗、教学及科研的实际需要奠定基础。 4.快速成形法可以用于外形复杂、薄壁的可摘局部义齿支架计算机辅助制作，并且优于常规铣磨切削材料块的数控加工方法。 5.液态光敏聚合物选择性固化方法具有精度高、表面质量好、原材料利用率接近100％的特点，适合制作可摘局部义齿支架这样形状复杂、精细的物件。 6.本研究从扫描获取数据、计算机辅助设计三维构建到快速成形机制作出实体作为一套完整技术路线，可以初步实现可摘局部义齿支架的计算机辅助设计与制作。

目录

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中文论著摘要

英文论著摘要

英文缩略语

第一部分牙列缺损石膏模型的三维数据获取

前 言

实验方法

实验结果

讨 论

结 论

第二部分可摘局部义齿支架计算机辅助设计的方法研究

前 言

实验方法

实验结果

讨 论

结 论

第三部分可摘局部义齿支架计算机辅助制作的方法研究

前 言

实验方法

实验结果

讨 论

结 论

第四部分全文结论和展望

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述 CAD/CAM技术在口腔义齿修复中的应用

在学期间科研成绩

致 谢

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