{title}{title}
|
选题名称 |
基于逆向工程的牙颌模型三维重建与制造 |
||||
|
研究的目的 及意义 |
牙颌模型是正畸临床的重要工具，以往常采用口腔直接取模的方法，通过硅胶直接在人体口腔内取印，待硅胶完全固化定型后再向其内部灌入石膏，获得牙颌石膏模型。采用这种方法，患者存在一定程度的痛苦，且获得的牙颌石膏模型精度不高。随着逆向工程技术和快速原型制造技术的出现，数字化口腔模型和3D打印模型成为一种新的选择。 |
||||
|
国内外同类 研究概况 |
目前，国外开发的商用逆向工程造型软件已经有许多种。也有相当一部分CAD/CAM软件集成了专用的逆向模块与国外相比，国内起步晚、经费投入少，限制了高水平研究的开展，创新性研究不多，在世界范围内还没有形成较大影响力。 |
||||
|
研究内容 及计划 |
本课题拟进行基于医学图像的牙颌模型三维重建研究，并进行3D打印牙颌模型的探索。课题研究内容包括： （1）采用逆向工程技术重建精确的牙颌模型。 （2）采用3D打印技术制作出牙颌模型，并评估建模精度。 研究计划: 2.24~~3.5日 撰写综述报告一篇 3.6~~3.13日 学习CATIA，Mimic为建模做准备。 3.14~~3.28日 采集病例数据 3.29~~4.29日 建立几何模型 4.30~~5.13日 3D打印出牙颌模型 5.13~~6.1日 撰写论文，准备答辩 |
||||
|
特色与创新 |
将快速成型技术和逆向工程结合起来，用于代替传统的牙颌模型。 |
||||
|
指导教师 意 见 |
指导教师签名： 年 月 日 |
||||
文献综述
1 研究背景及意义
口腔疾病是生活中的常见多发病，多表现为牙、牙列、咬合、上下颌之间及其与颅骨之间的异常关系，临床表现有:个别牙或多数牙错位，牙齿排列不整齐，牙列拥挤或稀疏，上颌前突或后缩， 双颌前突等等。牙颌器官的种种畸形不但影响患者个体发育、健康和咀嚼功能，甚至弓|起以消化系 统为主的全身性疾患，有损颜面美观和心理健康，以致影响对职业的选择。口腔正畸治疗是通过矫 治力作用于牙齿及牙周组织。间接或真接作用于颌骨，引起一系列的组织、生化等生物学反应，从而引起齿槽骨或面颌骨发生改建，以达到牙齿移动或生长改型的目的[1]。
并且近年来，快速成型技术技术和逆向工程技术得到了迅速的发展和结合，并在医疗领域里发挥作用，正在给人类带来巨大的利益。国内外许多学者致力于该领域的研究，并取得许多研究成果，如牙齿疾病医疗和牙齿矫正，医疗器官模型的快速制造等应用方面的研究[2-3]。有关于快速成型和逆向工程技术在牙齿治疗和牙齿矫正方面的应用研究，在国内外已经有所开展，并取得了很多的研究成果。在牙齿正畸方面，牙颌模型是正畸临床的重要工具，传统的方法是采用口腔直接取模，通过硅胶直接在人体口腔内取印，待硅胶完全固化定型后再向其内部灌入石膏，获得牙颌石膏模型。采用这种方法，患者存在一定程度的痛苦，且获得的牙颌石膏模型精度不高。随着逆向工程技术和快速原型制造技术的出现，数字化口腔模型和3D打印模型成为一种新的选择。
2 有关逆向工程的国内外研究现状
2.1 逆向工程概述
逆向工程(ReverseEngineering,RE),也称逆向工程、反向工程等。它起源于精密测量和质量检验,是设计下游向设计上游反馈信息的回路。广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面,是一个复杂的系统工程[4]。实体的逆向工程已经广泛应用在航天、汽车、造船、模具、人体康复等诸多领域。总的来说,在在对产品外形美学有特别要求的领域、在设计需要通过实验调试才能定型的工件模型时、在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况、在模具行业常需要通过反复修改设计的模具型面以得到符合要求的模具时,需要将实物模型转化为CAD模型[5-8]。
2.2逆向工程软件的简介
逆向工程的实现需要软件来支持。逆向软件的主要作用是把来自测量设备的数据进行一系列编辑操作,获得品质良好的曲线或曲面模型,并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现在CAD/CAM系统,最终由这些系统来完美产品造型[9]。
2.3国外发展状况
目前，国外开发的商用逆向工程造型软件已经有许多种。也有相当一部分CAD/CAM软件集成了专用的逆向模块。目前市面上的产品类型已达到数十种之多，较具有代表性且最常用的是以下几种：Imageware公司的Surface、RainDrop公司的Geomagic studio、Delcam公司的CopyCAD、INUS公司的Rapidform[10]。上述软件的共同特点是都具有多种数据处理及分割方法，具有部分规则特征识别，自动曲面拟合，强大的曲线、面编辑处理和模型评估检查的功能，不同格式的数据转换接口。如果是CAD/CAM软件公司开发的产品，还可以和各自的母体软件实行无缝集成，并利用其提供的强大功能支持，形成技术和市场优势，其中ImagewareSurfacer和Paraform系列软件代表了逆向工程技术的最新进展[11-12]。
2.4 我国发展现状
与国外相比，国内起步晚、经费投入少，限制了高水平研究的开展，创新性研究不多，在世界范围内还没有形成较大影响力。已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，比如西安交通大学、上海交通大学、浙江大学等学校展开了有关研究。但由于缺乏自主的CAD/CAM软件的支撑以及逆向工程的上游测试设备和下游应用基本为国外产品，似的国产软件在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品，开发软件显得势单力薄，与国外软件相比处于明显的竞争上的劣势[13]。
3 有关牙颌模型建立方面的研究现状
3.1概况
传统的牙颌三维信息的采集和分析主要通过石膏模型实现，因石膏模型最能真实地重现牙列及口腔三位解剖形态，故广泛应用于口腔正畸学诊断、治疗方案制定以及征集矫治器制作中，但石膏模型存在易磨损、易丢失、物理储存空间大等缺点。牙颌模型三维数字化技术是指通过特定的三维扫描设备和三维重建算法，获取牙颌表面或牙颌石膏模型表面一系列离散点的空间三维坐标数据，在此基础上进行数据处理和曲面重建，获得一个接近原形、包含形状信息的三维数字化牙颌模型[14]。
在牙齿治疗方面，目前研究较多的主要是基于逆向工程的牙颌模型，牙冠模型的三维建模，以用于牙齿修复。现在已经能够较为准确的制造出牙颌，牙冠，牙体和牙列的三维实物模型，为病牙的修补和替换等工作提供了非常直观有效的模型参考和研究手段[15]
近十年来，随着计算机图像技术的发展，获取三位数字影像的精度和速度都有很大提高，而成本却大幅下降，故正畸医师逐渐将目光转向数字化模型[16]。
3.2牙颌模型数字化的方法
随着扫描技术、软件处理技术的快速发展、目前可用于模型数字化的方法较多。主要有以下几种：
- 层析法：是采用“断面剖开与断面叠加”的形态学方法，首先使用填充剂填满被测实体外腔做成测试模块，然后逐层切削，用CCD或者扫描仪采集断层面二维形态信息，最后对断层数据进行三维重构，得到被测实体的三维模型[17]。此方法优点是精度较高，缺点是要将实物模型完全破坏[18]。王晓波[19]、高勃[20]通过独立的层析数据采集系统结合数控铣床的方法取代了专用大型层析设备改进了传统的层析方法，提高了精度。
- 计算机断层扫描法：计算机断层成像技术时使用X射线源河探测器围绕物体旋转，X射线穿过物体后投射至探测器得到多角度的投影，再利用计算机算法将投影进行重建得到物体断层图像。将一系列断层图像通过软件进行处理，获得物体的三维影像[21]。现在主要用于这方面的是螺旋CT和锥形束CT。
- 三维光学扫描法：三维光学扫描法是利用白光或单色光探测被测对象，获取三维物体表面个点的空间坐标的方法和技术。是当今的前沿技术。这项技术可分为主动式、被动式两种。其中主动式又可分为时间调制和空间调制两大类[22]。
3.2 国外发展现状
因为我们主要是采用CT采集的图像，所以着重介绍其发展。在国外，1998年锥形束CT应用于口腔颅面成像领域。相比于传统MSCT，CBCT可以一次扫描多层组织，大大提高了效率[23]。Mevlut[24]、Kurtis[25]透过实验发现CBCT测量精度高，可代替传统石膏模型用于正畸模型测量。冯驰等[26]、Ben[27]等通过实验对其精度误差作出分析。CBCT在口腔医学领域的应用让临床医生在患者接受最低剂量的辐射条件下从三维空间上观察颅颌面部解剖，更好地进行诊断及计划制定[28-29]。
近年来发展的超高分辨率微型CT技术也被尝试用于牙颌模型的三维数字化研究[30]。该项技术能够精确地显示被扫描物体的外部形态和内部显微结构，其分辨率可以达到微米级别，也可用于牙颌数字化模型的建立[31]。
3.3 国内发展现状
国内在这方面起步较晚，但是也做了许多的相关研究。2010年，杨雷宁等[32]、孙力等[33]都做了一些有关MSCT的临床应用的研究。2011年，刘玉梅等[34]作了有关MCT的实验，验证了MCT对全牙列石膏模型三维建模的可行性，只是现阶段成本过高还较少运用到应用于数字化牙颌模型研究。
也有研究者尝试应用工业CT扫描石膏模型获取牙列数据。但放射剂量大，不适合直接扫描患者，现阶段已较多应用于石膏模型的数字化牙颌模型研究[35-36]。
4 总结
通过相关资料的检索，文献的阅读。确定工作的方向，将逆向工程应用于医学领域，最基本的思想就是利用从研究对象上提取出的数据信息，建立医学模型。其中CT技术是提取人体组织数据的一个非常重要，并且经常使用的手段。我们希望能够利用CT图片提取出数据，建立牙颌模型，并将其应用于牙齿正畸的治疗过程。在此过程中，提高自己的专业素养。
参考文献
[1] 魏志刚 口腔正畸过程生物力学建模仿真研究[D] 博士学位论文
[2] 郭侠, 王广春 快速成型技术技术及其在医学领域中的应用 山东大学学报（医学版）2003.5(41):573~576
[3] 王克强，陈建治，徐永安 逆向工程在口腔修复体中的应用，青岛大学学报 2001,6:106~109
[4] 金涛.逆向工程技术 北京:机械工业出版社,2003.8
[5] 庄越挺,刘小明,潘去鹤,杨骏 运动图像序列的人体三维运动骨架重建.计算机辅助设计与图形学学报,2000,vol.12(4)
[6] 柯映林,钱应璋 散乱点曲面数据造型技术及其在飞机曲面工装模具设计与制造中的应用研究.航空学报,1996,vol.7(6)
[7] 廖琪梅,杭洽时,钱宗才,汪敏,王舒宜.三维医学图象重建的方法与应用.现代电子技术,1997,(3).
[8] 崔汉峰.散乱数据曲面重构技术的研究.华中理工大学博士论文.2000
[9] 陈志杨.反求工程技术一应用及软件.以D/c枷与制造业信息化2003,7:88~92
[10] 林映.反求工程在口腔修复中的应用及开发:(硕士学位论文).中国海洋大学硕士学位论文,2004.06
[11] 李江雄 反求工程中的曲面建模技术及相关软件（模块）分析1999(10)
[12] 金涛,陈建良,童水光 逆向工程技术研究进展 中国机械工程 2001(16)
[13] 金涛,单岩,胡明辅,童水光 反求工程中产品三维模型重建技术综述 机械科学与技术
[14] 林久祥 口腔正畸学[M]. 5 版. 北京: 人民卫生出版社,201~231
[15] 金树人,姚月玲,高勃,王忠义 应用快速成型法制作磨牙树脂全冠 第四军医大学学报 2003(8)
[16] 高鹏程,谢理哲,严斌 牙颌模型三维数字化技术及其在口腔正畸学中的应用进展 口腔生物医学2014.5(3):152~157
[17] 潘晓岗,钱欲芬,沈刚等 应用层析建模法建立数字化腭裂模型的研究[J] 中国口腔颌面外科杂志 2011.09(5):367~373
[18] 周洁珉,白玉兴,王邦康等 高精度数字化三维牙颌模型重建系统的研制[J] 北京口腔医学 2004 12(1):24~26
[19] 王晓波,姚月玲,高波等 改进的层析测量系统建立后牙三维模型的实验研究[J] 实用口腔医学 2004 20(1):5~7
[20] 高勃,王晓波,姚月玲等 一种适用于口腔三维建模的层析法的可靠性研究[J] 华西口腔医学杂志 2004 20(1):57
[21] 李丹 X射线成像技术在医疗领域的应用[J] 科技信息 2011.27(36):498～499
[22] 范志刚 光电测试技术[M] 北京,电子工业出版社 2003:251~253
[23] Kapila S, Conley RS，Harrell WE. The current status of cone beam computed tomography imaging in orthodontics[J] . Dentomaxillofac Radiol, 2011,40(1):24~34
[24] Celikoglu M, Nur M, Kilkis D, et al. Mesiodistal tooth dimensions and anterior and overall Bolton ratios evaluated by cone beam computed tomography [J]. Aust Orthod J，2013，29(2):153~158
[25] Lighteart KG, English JD, Kau CH,et al. Surface analysis of study models generated form OrthoCad and cone-beam computed tomography imaging[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2012,141(6):686-693
[26] 冯驰,李丛华,曾兴琪等 采用锥形束CT测量牙体长度的准确性研究[J] 华西口腔医学杂志 2014.32(1):36~39
[27] Ben C, Kau CH，English JD,et al. A comparison of the accuracy of linear measurements obtained from cone beam computerized tomography omagres and digital models [J]. Semi Orthod,2011,17(1):49~56
[28] Ludlow JB,Davies-Ludlow LE,Brooks SL，et al. Dosimetry of 3CBCT devices for oral and maxillofacial radiology:CB Mercuray, NewTom 3G and i-CAT[J]. Dentomaxillofac Radiol , 2006,35(4):219~226
[29] Ludlow JB，Ivanovic M. Comparative dosimetry of dental CBCT de- vices and 64-slice CT for oral and maxil-lofacial radiology[J]. O- ral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod，2008，106(1) : 106~114
[30] 吴琳,吕培军,杨民 基于工业用CT断层影像的牙列缺损模型三维构建[J]. 现代口腔医学杂志，2006,20(4):385~387
[31] 赵永界 工业计算机断层扫描仪(工业CT)研制报告[J]. CT理论与应用研究，2000,9(2):97~99
[32] 杨雷宁,张少锋,王艳清 螺旋CT在牙弓线距和角度测量方面的效度和信度研究[J]. 实用口腔医学杂志，2011,27(2):252 ~255
[33] 孙力，郭亚娟，赵妍等 根据CT扫描数据及印模三维重建牙列数字模型精度的初步研究[J] 口腔颌面修复学杂志， 2011,12(1):6~9
[34] 刘玉梅,张少锋,高晖等 MicroCT重建牙颌测量模型替代传统石膏测量模型的可行性研究[J]. 临床口腔医学杂志， 2011,27(3):151~154
[35] 李云霞 基于工业CT数字化三维牙颌模型的研究[D]. 北京:首都医科大学,2009
[36] 吴琳,闫海鑫,杨民等 利用工业CT扫描图像重建牙列缺损的几何模型[J]. 上海口腔医学，2006,15(5):535~538
资料编号：[76693]
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
