Pro_E曲面造型技术的牙齿三维模型重建

Pro_E曲面造型技术的牙齿三维模型重建 Pro / E曲面造型技术的牙齿三维模型重建 1 2 1 3张建平 ,张凤莲 ,陶华 ,张菊菊 ( 1 西北工业大学 ,西安 710072; 2 四川建筑职业技术学院 ,德阳 618000; )3 上海市口腔病防治院 ,上海 200001 ( )摘要 :提出基于曲面造型功能的三维模型重建方法 ,并应用 P ro / E软件实现口腔牙齿的 CT Comp u ted Tomograp hy影像 的三维实体重建 ,生成可编辑的牙齿三维实体模型 。该方法综合使用 Pho to shop、A u toCAD、P ro / E图形图像处理软件 ,主 要实现过程为 :通过螺旋 CT获取断层图像 ;用 Pho to shop 去除噪点 ,提取断层轮廓线 ;用 A u toCAD 样条拟合断层矢量图 ; 用 P ro / E曲面造型技术形成三维实体模型的重建 。该模型与螺旋 CT三维重建影像比较 ,具有更好的几何相似性与还 原性 。 关键词 : CT图像 ;三维重建 ; P ro / E ( ) 中图分类号 : TH391 文献标识码 : A 文章编号 : 1671—3133 2008 12 —0042 —03 Too th 3D so l id recon struc t ion techn o logy ba sed on Pro / E sof twa re 1 2 1 3Zhang J ian2p ing, Zhang Feng2lian, Tao H ua, Zhang Ju2ju ( 1 No rthwe ste rn Po lytechn ica l U n ive rsity, X iπan 710072, CHN; 2 Sichuan A rch itec tu re P rofe ssiona l Techno logy )Co llege, D eyang 618000, Sichuan, CHN; 3 Shangha i Stom a to logica l D isea se Cen te r, Shangha i 200001, CHN A b stra c t: P ropo se s a 3D too th mode l recon struc tion m e thod ba sed on su rface mode ling func tion of P ro / E softwa re. W ith app lying the P ro / E softwa re, the m e thod ach ieve s the 3D too th mode l recon struc tion th rough CT im age and succe ssfu lly c rea te s a 3D too th mode l tha t can be ed ited. The m e thod app lie s th ree im age p roce ssing softwa re like Pho to shop , A u toCAD and P ro / E. It first ge ts the sec tion im age th rough sp ira l CT, and then mod ifie s w ith Pho to shop to e lim ina te the no ise s, and then tak ing the p rofile line s of the sec tion; la te r, c rea ting vec to r grap h w ith A u toCAD; fina lly, im ita ting the 3D too th mode l w ith the su rface mode ling func tion of the P ro / E softwa re. Comp a ring w ith the 3D recon struc tion im age from sp ira l CT, its mode l ha s be tte r sim ila rity and reduc ib ility ( ) Key word s: CT Comp u ted Tomograp hyim age; Th ree2d im en siona l recon struc tion; P ro / E 磨牙的重建 ,该牙齿有三个牙根 ,四个牙尖 。 0 引言 ) 本文的三维模型重建步骤 : 1 采用 CT扫描技术 ( ) 牙齿的螺旋 CT Comp u ted Tomograp hy图像的实 )来获得断层图像 ; 2 将图像导入到 Pho to shop 软件中 , 体建模属于三维重建技术领域 ,是当前医学研究的一 对图像进行处理 , 去除软组织元素和噪声点 , 提取断 个热点课题 。目前三维实体重建的方法主要有 : 表面 [ 1 ] [ 2 ] ) 层轮廓光栅图 ; 3 将光栅图导入 A u toCAD 中 ,通过样 重建法 、体素重建法 以及截面重建法 等 。用体素 ) 条拟合 并 输 出 断 层 矢 量 图 ; 4 将 矢 量 图 插 入 P ro / E 重建法和表面重建法等实施的 CT图像的三维重建 , 仅可作为三维显示 , 缺乏可操作性和可编辑性 , 难以 中 ,形成多层线框结构 ,经曲面拟合和实体变换 ,形成 用来加工和生物制造 。而应用面向实体模型的 CT图 可编辑的三维实体模型 。如图 1所示 。 像三维重建方法则可以生成具有完全可编辑性的实 体 ,并且有较好的显示效果 ,可直接作为模具模型 ,进 行模具设计 、制造 , 也可直接导入其他软件进行应用 () 性操作 如可导入 AN SYS进行网格划分 ,应力分析 。 [ 3 ][ 4 ] ()黄金玮 提出门牙 单根单尖 的重建方法 ,于力牛 提出基于 P ro / E的牙列重建 ,本文在此基础上实现了 图 1 三维重建过程流程 所示 。 1 C T扫描 212 将轮廓光栅图转换为矢量图 CT扫描技术来获得 , 螺旋 设置放大倍数为螺旋 CT扫描时设定的值 , 达到 断层图像的提取采用 CT是以无间隔的扫描和连续床的移动为特点 ,当前进 清晰显示图片的目的 , 方便轮廓的识别 , 为保证各断 的速度等于准确厚度时 , 伪影可以减少到最低限度 , 层的空间位置不发生偏移 ,每个 CT图像的参考坐标 可以达到与 常 规 分 辨 率 CT 清 晰 度 相 同 的 高 质 量 图 设为默认 , 将 Pho to shop 处理后断层轮廓光栅图导 入 像 ,这为三维重建时断层图像矢量化奠定了基础 。本 A u toCAD中 ,通过样条拟合并输出断层矢量图 ,如图 4 所示 。文选择牙列完整 , 咬合关系正常 , 无咬合障碍的成年 女性志愿者 1例 ,作为建模素材进行 CT扫描 ,图 2 所 示为 CT图像 。 考虑到单颗牙齿的定位比较困难 ,所以在获取上 颌中切牙的断层扫描图像时用整个上颌来定位 ,通过 螺旋 CT对整个上颌进行隔层扫描 。为了保证三维重 图 3 Pho to shop 提取 图 4 A u toCAD 拟合 的轮廓光栅图 轮廓矢量图 建中各断层图像的位置关系 ,在整个扫描过程中不能 移动扫描对象 ,使各幅图像保持在同一水平状态 。由 于上颌中切牙的形状变化比较大 , 因此隔层扫描时 , 3 三维建模 层与 层 之 间 的 间 隔 取 值 较 小 。实 验 中 , 层 距 取 在 P ro / E中 ,设置坐标轴间距离等于层距 ,将断层 (014mm ,依次扫描得到 62 个断层图 文中选取第 6 磨 矢量图插入各个坐标轴 , 形成对象的多层线框结构 , ) 牙图像较清晰的断层图像来建模 。 再经曲面拟合和实体变换 , 形成对象的实体模型 , 流 程如图 5所示 。 图 5 实体重建流程 线框结构是建立曲面的骨架 ,曲面的质量受线框 图 2 第 74层 CT图 构建质量的影响 ,要求所建的线框结构要保持对象实 体的 外形 特 性 和 空 间 位 置 特 性 。通 过 设 置 坐 标 轴 的 2 数据转换 平行 距 离 014mm 来 保 证 层 厚 , (由于实验获取的断层图像为光栅格式 显示为像 将 A u toCAD 中提 取 的轮 廓插 入 ) 素点 ,不能直接用于曲面或者实体的造型 , 因此 , 必 各个坐标轴 ,由于导入时各矢量 须先将对象的断层图像进行矢量化处理 。但是目 前 图保持了各自的参考位置特性 , 还没有一个较好的软件来处理光栅图像的矢量化 ,本 所以它 们在 空 间 中 的 位 置 特 性 文采用 CAD 软件与人工识别相结合的方法来进行矢 [ 5 ] 没有 改 变 , 只要 改变 其 高 度 、方 量化 ,该工作主要包括对象轮廓的提取和将轮廓光 栅图转化为矢量图 。 , 得 到 牙 齿 的 线 框 结 构 , 向即可 图 6 P ro / E中牙齿 线框结构 如图 6所示 。 对 线 框 结 构 的 曲 211 对象轮廓的提取 面 拟 合 要 轮廓提取的过程 : 将光栅图像导入到 A dobe p ho2 to shop710软件 中 , 用“调 整 色 阶 ”、“魔 棒 工 具 ”、“描根据各断层截面的扫描顺序来进行 ,否则会使曲面扭 曲 、失真 ,不能正确表示对象实体的外 形 。对 于根 分 提高分辨率 ,光学曝光机的光源波长从 436 nm、365 nm 参 考 文 献 : ( ) 的近 紫 外 NUV 进 入 到 246 nm , 193 nm 和 157 nm 的 [ 1 ] 赵猛 ,张亚非 ,等 . 超精细图案光刻技术的研究与发 ( ) VUV。利用 246 nm , 193 nm 加上分辨率提高技术可以 展 [ J ]. 微细加工技术 , 2002 4 : 1 - 6. 肖啸 ,刘世杰 . 光刻技术发展现状分析 [ J ]. 乐山师 μ达到 0113m 的分辨率 ;利用 157 nm , 193 nm 加上分辨 [ 2 ] ( ) 范学报 , 2004 5 : 24 - 29. μ率提高技术可以达到 011m 的分辨率 。目前为了解 顾文琪 . 电子束曝光微纳加工技术 [M ]. 北京 : 北京 μ决 011m 及其以下的图形曝光 ,被称之为下一代光刻 [ 3 ] 工业大学出版社 , 2004. ()技术 N ext Gene ra tion L ithograp hy, N GL 的一系列技术 王振龙 ,等 . 微细加工技术 [M ]. 北京 :北京国防工业 ( ) 正在开发 ,这些技术有电子束直写 EBDW ,电子束光 出版社 , 2005. [ 4 ] ( ) ( ) ( ) 刻 EPL ,离子束光刻 IPL , X 射线光刻 XPL 和极 顾文琪 ,等 . 聚焦离子束曝光微纳加工技术 [M ]. 北 ( ) 端远紫外光刻 EUVL 。传统的光学曝光技术和 N GL 京 :北京工业大学出版社 , 2004. [ 5 ] 可以和将可以达到的分辨率如图 4所示 。 刘明 ,等 . 微细加工技术 [M ]. 北京 :北京化学工业出 版社 , 2004. 姚汉民 ,等 . 光学投影曝光微纳加工技术 [M ]. 北京 : [ 6 ] 北京工业大学出版社 , 2004. 苑伟政 ,等 . 微机械与微细加工技术 [M ]. 西安 :西北 [ 7 ] 工业大学出版社 , 2000. [ 8 ] 作者简介 :王宏睿 ,讲师 ,主要研究方向 :机械制造及其自动化 。 祝金国 ,工程师 ,主要研究方向 : 机械制造及其自动化 。 E2m a il: shanxiwh r@ sina. com 图 4 各种光刻技术可以达到的分辨率示意 收稿日期 : 2008 209 230 ()上接第 43 页 CT影像的三维 于此方法还可推广应用于其他器官的 下曲面衔接光滑 , 合并曲面得到牙齿的拟合曲面 , 如 实体重建等 ,因而在医学上具有广泛的应用范畴和重 要的研究价值 。 图 7 所示 。 实体变换就是把封闭的曲面转换成实体模型 ,先 参 考 文 献 : 将所有曲 面 合 并 , 然 后 将 曲 面 转 换 为 材 质 均 匀 的 实 [ 1 ] G T赫尔曼 . 由投影到重建图像 ———CT的理论基础 体 ,具 有 相 同 的 物 理 特 性 , 便 于 应 用 中 的 实 体 操 作 。 [M ]. 北京 :科学出版社 , 1985: 278 - 295. 得到的牙齿实体模型如图 8 所示 。张家树 ,李时光 . 一种新的物体连续切片图像的截面 [ 2 ] ( ) 三维重建 [ J ]. 西南师范大学学报 , 1992, 17 3. 黄金 玮 ,章建波 ,黄长林 ,等 . CT图像三维实体重建 技术 [ 3 ] ( ) 研究 [ J ]. 计算机应用研究 , 2004 10 . 于力牛 ,常伟 ,王成焘 . 基于 P ro / E 的牙列快速原形 ( ) 制造 [ J ]. 机械与电子 , 2001 4 : 30 - 32. [ 4 ] 胡凯 ,刘洪臣 ,方竞 ,等 . 探讨人颞下颌关节三维有限 元的 实 体 建 模 方 法 [ J ]. 口 腔 颌 面 修 复 学 , 2000, [ 5 ] ( ) 1 1. 图 7 牙齿曲面模型 图 8 牙齿的实体模型 4 结语 作者简介 :张建平 ,博士研究生 ,主要研究方向 : 计算机辅助设计及 P ro / E的牙齿三维重建 , 将通过影像技术得到的 制造 、装配准确度计算与容差分配 、随机模拟与优化计 算等 。 层面信息转换为三维实体模型 ,生成具有完全可编辑 E2m a il: m a ilto: jianp ingzhang@ 126. com 的实体模型 ,该三维实体模型可以应用于口腔义齿制 收稿日期 : 2008 205 220 作 、口腔正畸中的隐形矫治器制作和假牙制作等 。由