隐形牙套三维模型生成方法研究[专业计算机应用技术]

隐形牙套三维模型生成方法研究[专业计算机应用技术] 西安科技大学硕士学位论文隐形牙套三维模型生成方法研究姓名王纪平申请学位级别硕士专业计算机应用技术指导教师李占利20080415知识水坝论文论文题目专业硕士生指导教师隐形牙套三维模型生成方法研究计算机应用技术王纪平李占利摘要签名签名在牙齿矫正中传统的金属矫正不仅具有易磨损口腔、难清洁、不易摘取、影响美观等缺点而且很难预测矫正效果。开发具有过程模拟与结果预测的虚拟牙齿矫正系统可以预先每个阶段牙齿移动的先后次序、位置、幅度及力度因此具有重要的实际应用价值。首先本文结合拉普拉斯算子和滤波算子对通过调整而得到的牙齿模型进行外表面的光顺处理方法中的拉普拉斯算子适合于对模型中的非尖锐特征区域的光顺可以快速取得理想的整体光顺效果而滤波算子则适合于对模型中的特征区域的法矢调整能够在去除噪声的同时保留原有曲面特征。其次本文在对多种过渡曲面生成方法进行比较之后提出了一种新的人机互动的过渡曲面生成方法然后结合曲面光顺处理对调整后的牙齿模型进行了破洞修补和外表光顺。建立合理的方法构造过渡曲面的数学模型在模型建立中利用距离比例对边界条件进行了合理参数化通过面片外向法矢量平均法近似求解三角面片顶点外向法矢量最后通过对调整和修补后的牙齿模型外表面进行等距偏置生成一层新的牙齿模型表面这个表面作为牙套模型的外表面。将两层牙齿模型表面通过圆弧曲面进行缝接产生牙套模型。系统的实现过程中以和为开发工具在开发中贯彻了面向对象的编程思想。系统分为若干功能模块各功能模块分开实现有机结合形成一个整体的牙齿矫正系统。本文结尾介绍了各模块的功能及实现方法并给出了模拟结果最后对系统的不足之处进行了分析并对未来的工作提出了。关键词虚拟牙齿矫正文件拉普拉斯算子滤波算子研究类型应用研究知识水坝论文啮翌趁垒丝竺金??切姿料技夫学学位论文独创性说明本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知除了文中加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位做作者签名髟研日期洳舌腿学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。……躲胁辱揪臌玄圳一学年占月弓日绪论绪论隐形牙套生成方法的研究背景及意义进入二十一世纪全球的科技得到了飞速的发展人们的物质和精神生活水平都得到极大的提高在工作、交际、生活各个方面越来越多的人对自身的外表越来越重视不断地追求外在形象的完美使得近年来整形美容业得到飞速发展。牙齿是人类品尝食物、展现形象的工具有一付健康美白的牙齿是大多数人的梦想牙齿直接影响个人的仪容和生活质量一副整齐洁白的牙齿自然令人的外表更加出众。很多人或多或少有一些牙齿方面的问题较常见的牙齿问题包括牙齿拥挤、稀疏、哨牙和暴牙等口。他们的牙列不齐不但严重影响到他们的形象还经常性地给社交生活和工作带来不必要的麻烦不仅如此牙齿正畸者龋病、牙龈和牙周疾病的发病率也比较高严重者还有颞下颌关节的问题并发 头疼等其他症状致使身体健康受到干扰生活质量下降。很多人也知道接受牙齿矫正才能重造一副整齐的牙齿但一般的金属矫正器治疗法由于形状突出、易于造成口腔磨损、影响美观、影响正常饮食、难清洗等缺点使很多成年人敬而远之多数用于儿童牙齿矫正。在美国凭借极为先进的牙齿矫正技术身体健康的岁以下成年人都有机会通过漂白、镶饰、牙填充及矫正等手段让自己拥有灿烂的笑容。据悉在美国和加拿大每年都有上万岁以上的成年人在接受牙齿矫正治疗。中国目前的成人牙齿矫正治疗已经变得越来越普遍。在传统牙齿治疗中治疗设备需要反复调整以达到正确矫正牙齿移动轨迹。这种治疗方法通常周期较长代价昂贵同时对病人也是一种折磨。因此长期以来对计算机应用于牙齿科学发展一种计算机辅助模拟矫正系统是一个重要目标啼。近些年来随着计算机技术的不断发展特别是计算机图像处理技术、虚拟现实技术和现代医学的飞速发展与交叉融合、相互渗透使得医学仿真系统的研究与设计已成为计算机应用的一大热点。计算机技术越来越多地应用于现代医疗领域一些新的技术诸如也越来越多的应用到外科学方面。采用计算机图形学与数据可视化技术利用计算机图像处理和分析方法选择数学模型对三维数据进行人体器官几何重建进而在计算机上模拟出病灶部位的三维结构并且使得依据三维数据建立的模型具有实际物体的物理性质最后利用手段虚拟手术的逼真场景就是所谓的虚拟手术。通过这种虚拟手术能够利用图像数据帮助医生合理、定量地制定手术方案进西安科技火学硕士学位论文行实际手术之前检验评价各种手术方法还可以反复训练外科医生做各种复杂的手术操作而不受实验人体数量的限制使医生能够在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程进刀的部位、角度等?。对于选择最佳手术途径、减少手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高成功率等具有十分重要的意义。由于金属矫正器治疗存在着诸多的不足近年新兴了一种新型的错颌畸形矫治技术一一隐形牙套矫治技术图、图就是隐形牙套的外观和佩戴效果该技术可进行牙列间隙、拥挤、扭转等多种错颌畸形的矫治相对目『最常用的固定矫治技术它具有以下优点美观其隐形的特点使牙齿的矫正过程几乎在旁人毫无察觉之中完成解决了很多患者尤其是成人对矫正牙齿时的美观顾虑。舒适患者使用时异物感觉较小对口腔粘膜的刺激也较小。方便可自行摘戴同时省去了就诊时医生调整矫治器的时间节约您的宝贵时问。清洁口腔卫生易于维护不必担心牙龈炎、牙齿脱矿、变色等问题。个性化及可预见可以在治疗前可视化模拟整个治疗过程中牙颌的变化更好地选择个性化的矫正方案。图隐形牙套外观图佩戴效果对于正畸医师而言采用隐形矫治技术还可以大大减少调整矫治器的工作量将更多的精力用于矫治方案的设计可以接诊更多的需矫正的病人。同时采用牙颌数字模型还可以大大方便复杂错颌畸形病例的远程专家会诊共享医疗资源。它主要有以下六个方面的特色该方法针对每个患者的个体特征进行矫正过程设计和矫正器的个性化制造而非简单地选择相对接近患者情况的矫正器进行矫正因而具有更好的针对性和适应性用于放入口腔内的矫正器材料为目前已成功地用于牙齿保持器制造的材料即通过相关认证的高分子材料对口腔内粘膜的伤害也大大减小从而使病人的不适感觉大大减轻使用的高分子材料具有较小的弹性模量同时作用于牙齿的面积大大增加从绪论而使牙齿和牙骨的受力状态更柔合并便于控制并使牙齿能整体移动更易于获得符合生物力学要求的应力分布患者感到舒适矫正过程医生只需在计算机自动设计阶段根据计算机辅助设计的结果进行确认和参数调整而不需要进行手工调整矫正器减轻了医生的 工作负担同时也降低了医生手工操作的熟练程序对治疗过程的影响一般来说患者只需门诊治疗数次矫正器的更换可由患者自己完成这样不但大量节省了医生和患者的时间也大大节省了患者的费用由于矫正器为透明材料制造在治疗过程中几乎不会影响患者的形象特别适用于成年人的牙颌畸形矫正。本文利用和开发平台在已有牙齿模型基础上开发出了生成牙套数字模型的主要功能。首先本文通过对牙齿数字模型进行光顺处理和犄角的平滑处理得到牙齿模型的可用光顺外表面为隐形牙套的生成提供基础。其次通过对可用光顺外表面的偏置生成隐形牙套的外表面。最后在牙套内外表面之间通过等半径过渡曲面法生成完整的牙套数字模型并对此牙套数字模型进行后期处理后期处理的目的是为快速成型法生成隐形牙套提供方便。国内外发展现状分析利用计算机各项技术进行牙齿矫正在医学上属于口腔修复口腔修复在口腔界的应用最早可以追溯到年法国的教授进行的相关研究。年设计的第一台用技术制作修复体的样机在法国问世。年教授公开展示其并制作了一个后牙冠修复体?。此后新的系统不断出现到目前为止主要商业化系统有德国公司的系统口德国卡瓦公司的系统阳美国公司开发的系统?加拿大公司的们等。其中公司的系列系统是最成功的凭借着它独特的口内快速采集、灵活地设计手段、先进的微型快速加工设备可以在约分钟内帮助患者完成修复体制作和佩戴的全过程目前占有世界约的市场份额。而系统面向技工式的内冠制作系统集成了、等著名软件的相关功能能快速设计出精确度很高的口腔修复体其轴的高速加工设备可以加工氧化锆等新型口腔修复体材料。国内将计算机运用于口腔医学领域起始于年代并主要集中于理论方面的研究。近几年在该领域的研究才有了实际性的进展如年北京大学医学院院吕培军等门报道了采用技术加工出国内第一个金属全冠北京工业大学的韩景芸等羽利用、软件设计了后牙个性嵌体海信集团王克强等人鲥研究了采用三维层析法采集全口义齿数模重构数据模型后利用现有系统进行设计制造第四而安科技大学硕十学位论文军医大学金树人等人町采用快速成型法研究制作了磨牙树脂全冠。可以说目前国内关于口腔修复系统的研究才刚刚起步迫切需要研发完全融合口腔修复学领域的知识完全符合口腔医生设计流程的口腔修复专用系统来最大限度的提高修复体的制作效率从而紧追国际计算机辅助口腔诊疗技术发展的步伐。本文研究的内容及章节安排本文主要研究网格曲面间过渡曲面生成方法以及曲面的等距曲面生成方法。在分析了已有过渡曲面半径过渡法包括等半径过渡法和变半径过渡法、法基于物理的能量法后提出了一种新的过渡曲面生成方法基于三角网格调整的过渡曲面生成方法。新的方法又可以分为基于三角面片变形的过渡曲面生成方法和基于增加三角面片的过渡曲面生成方法并对这两种方法进行了实现。对于等距曲面来说本文首先分析了已有等距曲面生成方法及技术难点然后根据其不同特点以及本系统的实际情况选择了一种等距曲面生成方法进行实现。本文的章节安排为本文在绪论部分介绍了国内外口腔界利用计算机等技术在口腔修复领域所进行的研究以及现状特别介绍了国内各大学及研究机构在这一领域的现状。第二章整体介绍了从牙齿数字模型到牙套数字模型所需要的各个环节以及其中的技术重点和技术难点。第三章主要对曲面间过渡曲面的生成方法进行了分析和研究。首先分析和介绍了已有的半径过渡法包括等半径过渡法和变半径过渡法、法和基于物理的能量法。其次根据本系统的实际情况提出了一种新的过渡曲面生成方法基于三角网格调整的过渡曲面生成方法其中又分为基于三角网格变形的过渡曲面生成方法和基于增加三角网格的过渡曲面生成方法。最后对这 两种方法进行了实现。第四章主要介绍了曲面的等距曲面的生成方法。首先分析和介绍了已有的等距曲面生成方法然后结合本系统选择了一种方法进行了等距曲面的生成。第五章介绍了虚拟牙套生成系统的主要功能。第六章对本文工作进行了并对以后需要进行的研究提出了自己的看法。隐形牙套三维模型生成方案隐形牙套三维模型生成方案口腔修复体造型技术是口腔修复系统中的基础核心技术主要负责对三维测量系统采集到的牙齿表面数据进行有效的处理和操作同时融入一定的医学知识完成面向各种修复种类的牙齿修复体模型个性化修复设计。如图所示口腔修复体造型系统从研究开发的过程可以分为三个层次系统理论层、系统研发层和系统应用层。系统理论层处于技术储备阶段主要对造型的技术理论进行研究它是整个软件系统的基础核心并为系统面向功能的工具集提供相关的算法支持系统研发层根据功能定义将系统理论层的相关算法融合组成相应的子功能单元“组装”成具有一定功能的模块形成系统的工具集系统应用层面向各种口腔待修复种类的应用需求它对系统研发层的功能模块进行流程规划、重组构造一系列满足专用需求的子系统。三个层次按照系统研发的过程层层递进、相互关联构成了一个有机的整体。本文中牙套三维数字模型的生成是在经过矫正后的牙齿模型基础上进行的首先需 匝莱菽,捅砻娼 衅交 砗腿コ 饨瞧浯涡枰 匝莱萑 帜,偷谋砻娼 型 穹旌辖幼判枰 陨 傻那 娼 衅 蒙 裳捞啄,偷耐獗砻孀詈蠖粤讲闱 娼 腥诤虾秃笃诖 怼,伎谇恍薷粗圃煜低臣芄挂 窝捞兹 ,蜕 煞桨秆莱萑 ,徒樯苁褂每 缴 曰颊叩难莱萸榭鼋 姓锒喜??a 谇恍薷刺逑低辰 行薷刺迳杓浦圃焓紫刃枰 name=baidusnap0>牙体进行预备。然后利用牙颌模型三维测量系统采用口内扫描或口外扫描方法获得包含预备体及其邻牙和对颌牙的牙颌模型表面数据。由于牙齿个体很小而且在人类自然进化过程中形成了较为复杂的生物形态特征所以必须进行精密测量。现有的测量主要有接触式测量、非接触式测量和断层扫描三种如图所示。其中非接触式测量可以在很短的时间获得较高质量的牙齿数据已经成为目前患者牙齿数据获取的主要手段它的基本原理是通过光、声、磁等介质间接获取牙齿表面三维信息。现有的非接触式测量主要包括激光线扫描法’蚓、投影光栅法埔、立体视觉法研、激光干涉法等。超声波测接下式断层层析法激光扫描法投影光栅法立体视觉法激光干涉法图三维测量技术分类一般三维测量系统都配有散乱数据点处理软件对测量点云做一系列数据处理和操作包括数据的多视拼合和模型曲面重建生成三角网格模型三角网格是由三维空间中的顶点和边连接而成的.