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實現精確種牙的現代設計與制造技術
摘要:針對國內種牙手術中普遍存在的依賴醫生臨床經驗進行操作,手術的精確度和質量有待改善的問題,將圖像處理、三維重建、快速成形制造等現代設計與制造技術與醫學結合,構建精確種牙技術體系。對系統框架、口腔三維重建、手術導板設計、物理模型制造等關鍵問題進行了深入研究,實現了種牙導板的設計與制造,并在11例種牙手術中得到了應用。臨床應用實例表明,應用精確種牙技術體系,種牙的效率和質量可以得到有效提高。
關鍵詞:設計 制造 精確種牙 快速成形
0 前言
20世紀50年代,被譽為種植牙鼻祖的瑞典哥德堡大學教授BRANEMARK發明鈦金屬與骨的結合并提出了“骨整合”的概念,從而奠定了現代種植學的發展方向。人工種牙就是在缺牙區的齒槽骨里植入能與骨頭結合良好的鈦金屬牙根,即種植體,經過3~6個月的逾合期,鈦金屬牙根和周圍的牙床骨完全結合,成為堅固且能承受巨大咬合力的人工牙根,然后在人工牙根上通過基臺聯接氧化鋁等材料做成的人工牙冠,這樣就在堅固的牙根上再造出美觀、舒適、感受很像真牙的牙齒,如圖1a所示【l】。由于鈦金屬具有良好的生物相容性,不被排斥,可與骨內的骨細胞相結合而牢牢地固定在頜骨內,因此人工牙根具有良好的固定力,可支撐咀嚼時所需的各種假牙。
種牙時,怎樣確定人工牙根植入的位置、角度、深度等參數是非常重要的問題,這將直接影響種牙后牙齒的咬合情況,進而影響牙齒的使用。目前的種牙手術中,醫生通過二維X光片進行分析并制定方案,即術前須做口腔曲面全景體層攝影檢查,雖然x線曲面體層片能顯示種植區域周圍骨關系的一定信息,但該方法僅能提供二維平面圖像,醫生只能間接通過二維圖像來推測三維解剖結構關系,即所謂的“思維三維”,并且缺乏相關計算機輔助設計和制造技術的支持,實際臨床手術時,所有的操作只能靠醫生經驗進行,制定的方案無法得到精確實施。
隨著現代工程技術的應用和發展,各種計算機輔助技術如圖像處理、反求工程(Reverseengineering,RE)、計算機輔助設計(Computer aideddesign,CADy計算機輔助制造(Computer aidedmanufacture,CAM)、快速成形(Rapid prototyping,RP)等在醫學領域得到了廣泛應用,牙科特別是種植牙手術中也逐漸應用到這些先進工程技術,并形成了計算機輔助種牙方法。目前,國外計算機輔助種牙技術已經有比較成熟的解決方案和應用實例,比較有影響的是瑞典的Nobel Biocare公司ProceraⅢ牙科解決方案和比利時Materlise公司的SimplaIlt圓牙科解決方案,為世界各地的醫生和患者提供種植所需的數據處理服務、手術導板和種植體等產品。由于國內缺乏相關的研究和技術支持,種植中所需的數據處理服務、導板和種植體等產品都依賴進口,費用高昂,且周期較長,因此國內種植界大多采用常規方法進行種植,手術效果得不到保證。圖1b、lc是常用種牙手術和國外在導板支持下的種牙手術的比較,導板是通過在骨骼三維重建的基礎上進行理論分析和計算得到種牙參數的基礎上設計出來的,種植時將導板置于患者口腔中固定,種植的角度、深度完全由導板上的鉆套確定和保證,醫生根本無須考慮;而國內種牙手術中通過一些粗略的估計和汁算確定人工種植的位置和方向,臨床手術中完全靠醫生的經驗進行操作。
隨著醫學技術與工程技術的不斷交叉與融合,反求工程、快速成形等現代設計與制造技術在醫學領域的應用已經得到了廣泛研究。HIEU掣¨1利用快速成形等技術實現了顱頜面缺損修復個性化植入體的設計和制造,并在臨床手術中得到了成功應用。LIU等【5】詳細探討了快速成形的各種原理以及在牙科中應用的可行性,分析了實現精確種牙的工程技術方法。國內研究主要集中在三維重建、生物力學分析等方面,柏鋼等【6】研究了下頜神經管的CT掃描、重建方法及在后牙種植中的應用。游素蘭等【7J利用Mimics軟件建立了下頜的三維有限元模型,用于生物力學分析。林艷萍等【8】研究了正頜外科手術中計算機生成牙合板的方法,臨床應用表明手術精度和效率都得到了提高。分析國內外的研究現狀表明,在利用現代設計與制造技術實現精確種牙方面,目前還缺乏有針對性的系統研究。
針對目前國內牙種植的現狀和世界種牙技術的發展趨勢,基于醫學圖像處理、三維模型重建、復雜產品快速設計與快速制造等工程技術,構建精確種牙技術體系,重點研究利用現代設計和制造技術解決其中的種牙方案制定、數據處理、導板設計、導板制造等關鍵問題,使先進的工程技術在種牙中得到應用,提高牙種植的精確性、手術效率和質量,減小手術過程中對醫生經驗的依賴,實現精確種牙,并為國內精確外科手術的發展提供借鑒。
1 精確種牙體系框架
精確種牙是利用圖像處理、三維模型重建、曲面與實體造型設計、有限元分析等現代設計技術和快速成形、數控加工等現代制造技術,基于三維計算機模型和快速成形的實體模型以及手術輔助導板,輔助完成種牙的外科手術,使手術基于一定的理論計算和分析,并通過一系列精度保障方案得到精準實施。
精確種牙需要在醫生、患者和工程技術人員的協作和參與下,以計算機斷層掃描(Computerizedtomography,CT)/核磁共振(Nuclear magnetic resonanceimaging,MRI)圖像設備、計算機工作站、快速成形設備、三維激光掃描設備、圖像處理軟件、三維設計和有限元分析軟件等軟硬件為基礎,,將醫學圖像獲取、模型重建、導板設計與制造等功能模塊統一在一個平臺下,實現其總體流程和框架,如圖2所示。前期的診斷、石膏模型制作、CT測量由醫生完成,然后在醫生的指導下進行醫學圖像數據處理、數據分離和人體組織三維重建;在此基礎上進行手術方案設計,通過有限元分析、骨量測量等確定種牙的數量、角度、深度等參數并設計出手術導板;然后利用快速成形技術和數控加工技術制造出導板基體和鉆套;最后由醫生在導板的支持下完成植入手術。另外,在方案設計和手術模擬時,可以通過快速成形技術制造出患部的骨骼模型,醫生可以在此模型上進行外科手術的預演,以檢驗所設計的方案可行性,并提高醫生手術的效率。雖然現在通過軟件進行虛擬種牙的修復設計已經可以實現,但醫生在面弓、咬合架等工具的輔助下進行修復設計仍然是比較常用、有效的方法。因此在術前通過醫生獲取患者口腔表面數據做成石膏模型,在此基礎上進行缺失牙的修復,獲得未來修復后的牙冠數據,用于加工修復牙冠,可以加速種植牙修復的進程。另外,為了得到口腔表面和修復石膏模型比較精確的CT圖像,需要對修復石膏模型進行顯影處理,一般是在其中加入一定比例的硫酸鋇作為顯影劑。
2 精確種牙體系中的設計技術
2.1 口腔的三維模型重建CT/MRI由于支持組織的三維重建,是近年來應用最廣泛的醫學圖像之一,國內外對基于CT/MRI的組織三維重建進行了廣泛而深入的研究,在圖像配準、融合、感興趣區域(Region ofinteresting,ROI)提取、三維生長與分離等核心算法方面取得了豐富的研究成果,這些算法已在相關的圖像處理和三維重建軟件中實現,如比利時口腔組織三維重建流程如下所述。
(1)放射板設計:由牙醫根據患者口腔病變情況制定修復計劃,設計并制作出修復放射模板,該模型是醫生在咬合架上根據患者口腔的結構和缺牙情況制作出可以用于CT掃描的假牙(含部分硫酸鋇在CT中顯影)。通過佩戴l臨時假牙,為種植與修復之間架起橋梁,得到美觀修復的效果。
(2)數據測量:分剮測量口腔(自然咬合狀態)、口腔加戴放射模板的CT圖像,以及放射模板的三維表面點云數據。
(3)組織重建:CT圖像利用Mimics軟件進行三維重建,得到頜骨和牙齒等硬組織的三維模型,放射模板的點云數據則用專業的反求工程軟件如Geomagic進行處理。然后通過三維模型間的布爾運算,得到口腔黏膜組織的表面模型。由于CT掃描存在切層厚度問題,因此牙齒特別是咬合面的細節很難通過CT精確重建,而通過三維激光掃描修復放射模型得到的點云數據可以重建出精確的牙齒形狀。7重建的三維模型可以通過快速成形三角網格文件(Sterolithography,STL)格式輸出到3-marie、MagicRP、Geomagic等基于三角網格的軟件中進行設計和修改,用于設計種牙導板,也可以直接將STL文件輸出到快速成形機中用于物理模型的制作。
2.2基于三角網格的導板設計在精確種牙中,種牙方案的制訂和精準實施起著關鍵的作用,而這都是通過種牙導板實現的。在臨床手術時,導板將保證預先設計的方案中種植體植入的角度、方向和深度。根據支撐的方式不同導板分為黏膜支撐、牙齒支撐和骨支撐三種lz,引。黏膜支撐的導板用于全牙缺失的種牙手術中,為了重建出患者口腔表面的黏膜,需要在CT掃描時帶上不透輻射的口腔放射模型,這樣得到的圖像能清楚地看到設計的牙齒形狀和粘膜輪廓。手術時直接將導板固定在口腔中,無須進行翻瓣手術。牙齒支撐的導板安置于患者部分無牙的頜面軟組織和殘留牙齒上,它應用于患者只有一個或少量牙齒缺失,牙齒支撐的導板是微創手術的較好選擇,因為種植方案事先在電腦中預先設計,并且完全預測到骨信息,無須在骨邊緣切割進行鉆孔和放置種植體。只需通過粘膜穿一小孔,就能引導種植體的精確放置。骨支撐的導板安置在患者的頜骨上,因此需要進行翻瓣手術,適用于無牙或部分無牙患者。
與工業產品相比,人體組織結構非常復雜,如果用傳統的四邊域曲面如非均勻有理B樣條(Non-uniform rational B.splines。卜rORBS)曲面表達非常困難,且精確性低。由于三角曲面比四邊域曲面具有更寬松的拓撲要求以及更好的邊界適應性,在基于散亂數據的反求工程建模中得到了廣泛的應用,非常適合用于人體結構的表達【l 01。比利時Materialise公司的3-matic軟件作為基于三角網格的正向設計軟件,可以輸入STL格式的人體組織三維結構,在此基礎上進行編輯、修改,同時支持復雜產品的倉H新設計,因此非常適合用于種牙導板的設計。圖3是導板的設計流程:首先,在口腔組織三維重建的基礎上,根據頜面骨骼和牙缺失情況,在醫生的指導下進行種植方案規劃,確定種植體個數和位置,選擇種植體并進行簡化設計f如圓柱),調整種植體的位置、角度,在此基礎上進行種植合理性分析包括用有限元方法進行骨一種植體結合力分析、咬合面分析、種植體間沖突分析等,經過不斷的調整和修改,得到最終的種植體的位置和尺寸參數;然后,根據導板的種類,分別提取骨骼表面(骨支撐導板)、黏膜表面(黏膜支撐導板)、牙齒表面(牙支撐導板),進行加厚、切除等運算和操作,生成導板的基體;另一方面,根據所選種植體的尺寸,確定鉆孔的布驟:骨骼上鉆孔時必須控制鉆削加工余量以避免余量過大使產生的加工熱量對骨骼造成燒傷,因此鉆頭必須由小到大逐步鉆削,由此產生一組直徑均勻變化的鉆套;在導板基體和鉆套的基礎上,就可以設計出一組種牙導板用于種牙中的鉆孔定位了。圖4是一個基于牙齒支撐的導板的設計過程,在圖4a、4b中,先根據放射導板提取待種牙的表面,然后進行加厚處理,得到導板基體的實體模型,最后根據修復的牙齒的角度和種植體的尺寸設計鉆套,如圖4d所示。對于黏膜支撐的導板,臨床手術中,必須在口腔中固定才能使用,因此還須根據口腔和導板三維模型設計導板固定方式和方向,將固定螺釘裝配在導板三維模型上。
3 精確種牙體系中的制造技術
現代醫學的發展離不開先進制造技術的支持,目前國內的種植體之所以完全依賴進口很大程度上就是因為制造技術的制約。在精確種牙技術體系中,制造技術主要完成頜面骨骼的制造和導板的制造,這主要是通過快速成形技術實現的。
3.1骨骼模型制造三維計算機模型雖然比傳統的二維x光片有了更豐富的信息表達,但仍存在一些不足,而醫學實物模型可以給醫生和患者更直觀的理解和觀測,有著同樣重要的作用。由于人體骨骼幾何結構的復雜性,傳統的基于NC的制造技術很難適用于其制造。20世紀80年代晚期,隨著RP技術引入醫學領域,醫學模型制造有了新的途倒¨d21。外科學是RP技術最早在醫學應用的領域,特別是對于骨外科、頜面外科、整形外科等臨床實踐。在RP方法中,CT圖像在幾個小時被準確復制成物理模型,該模型可以為外科醫生進行操作練習。對于最復雜的三維器官,可以為手術操作過程的準確規劃和練習提供實時和直觀的理解。另外,RP方法可以生成包含極端細節化的模型用作生成用戶植入物的模板。準確的物理模型可以為植入物的尺寸和類型提供準確的預測,并且提供有手感的手術規劃和預演pJ。
這些都是從屏幕圖像上很難實現的。另外,RP解剖模型還可以顯示感興趣的局部區域,例如醫生在CT圖像上畫出腫瘤的大致范圍并在模型上構建出來作為醫學診斷。
快速成形制造技術根據成形的原理不同可以分為光固化(Stereo lithography apparatus,SLA)、熔融沉積(Fused deposition modeling,FDM)、選擇性激光燒結(Selective laser sintering,SLS)等,它們的基本原理相同,即通過對CAD模型用平面進行分層切割,得到一系列的二維截面形狀,然后對每一個二維截面形狀進行成形,并在高度方向進行堆積,得到實物模型。在各種快速成形方法中,SLS和SLA較為適合骨骼的制造,SLS成形模型強度較好,同時可以成形尼龍、金屬等多種材料,SLA成形模型為半透明,可以顯示組織內部結構且精確度高。圖5是利用SLA方法制造骨骼模型的實例,圖5a中的三維計算機模型中通過透明顯示技術顯示出的下頜神經管在圖5b中的SLA制造模型中同樣可以清晰的顯示出來,這為種牙規劃和預演提供了較好的支持,避免臨床手術時傷及神經。
3.2導板制造導板的形狀與口腔內部形狀相似,比較復雜,用常規的加工方法難以制造,RP制造技術由于具有對任意復雜結構的適應性,因此導板的制造必須借助RP制造技術才能實現。導板屬于與人體一次性接觸的第二類醫學用品,其材料必須是能夠應用于人體的生物適應性材料,即需要滿足美國食品藥品管理局(Food and Drug Admistraton,FDA)要求的第六類材料,由美國3D公司提供的用于SLS制造的DuraForm尼龍材料滿足該要求,且模型具有較好的強度,是導板基體制造的首選方案。
導板上的鉆套是實現鉆孔定位的核心元件,其材料同樣必須滿足醫學應用要求,選用醫學應用級別的各種規格尺寸的不銹鋼管,用線切割技術切割成一定高度尺寸元件,然后通過擠壓裝配,制造出最終的導板。,圖6是利用SLS快速成形制造導板的實例。首先根據圖6a中的導板的三維設計模型和鉆孔尺寸需求設計出一組具有不同孔徑的導板。然后通過SLS方法制造出局部骨骼和一組導板,并將具有一定高度的不銹鋼鉆套與導板按孔徑不同進行裝配,如圖6b所示。最后對骨骼和導板的配合情況進行檢查,并對導板進行局部打磨修整,使其配合良好。
4 應用實例
基于現代設計與制造技術的精確種牙體系通過浙江工業大學數字化醫學工程研究室和浙江大學醫學院附屬第一醫院、浙江綠城醫院、南京同仁醫院等單位的合作研究,已經初步實現。浙江工業大學數字化醫學工程研究室隸屬于特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室,擁有SLS快速成形機(美國3D公司)、柔性臂式激光掃描儀(美國FARO)、Mimics\3.maticLMagicsRP系列軟件r比利時Materia-lise NV公司)等先進設備和軟件。利用這些條件,在醫生指導下已經完成了11例精確種牙的數據準備、三維建模、種植規劃、手術模擬和用于手術鉆孔時精確導向的種牙導板的設計與制造。這11例手術在精確種牙體系的支持下,以醫生豐富的臨床經驗為保障,目前都取得了良好的效果。種植牙根與患者骨骼結合良好,并且得到了人工牙冠較好的咬合效果。
下表是已經完成的1l例手術中導板的使用情況統計。在其中的9例部分牙缺失的病例中,有7例通過手術規劃和模擬,采用了骨支撐的導板作為手術輔助工具,另2例采用牙支撐導板。7例骨上導板中,有4例在臨床手術中得到了成功應用,有3例應用不成功;2例牙上導板有1例成功應用。全牙缺失的病例共完成了2例,采用骨上導板并都到了成功應用。在總共4例導板未能成功應用的種牙手術中,醫生只能根據預先設計的手術方案施行常規手術,即在臨床經驗的基礎上,依據x光片、直尺等輔助工具大致確定種植位置和角度,不能做到精確定位,但由于醫生具有長期種牙積累下的豐富的臨床經驗,這4例手術同樣取得了較好的效果,只是花費的手術時間較長。
對4例導板定位不成功的實例進行分析后,總結出其主要原因在于以下幾點。
(1)骨上導板定位面太寬,超過了實際進行翻瓣手術后露出的骨面,這樣導致導板不能完全戴在患者的牙頜骨上。
(2)CT掃描和重建過程存在誤差,使得重建后骨骼與患者實際的骨骼形狀有微小差異,特別是當患者戴有金屬假牙時CT掃描存在散影,使重建后骨骼存在較大形狀誤差,這導致根據重建骨骼外形生成的手術導板無法與手術中實際骨骼形狀匹配。
(3)骨支撐導板在橫向定位時需要用到患者牙齒的側面,而CT圖像中牙齒數據存在較大誤差,導致手術導板側面無法定位。l例牙上導板定位不成功的原因也是由于CT掃描的牙齒數據存在誤差造成的,后來采用激光掃描患者口腔石膏模的方法重建出了較為精確的牙齒三維模型,使設計的導板得到了成功應用。
圖是在精確種牙體系支持下種牙的應用實例。該患者基本已經全牙缺失,上下頜都需要種牙。根據醫生要求,對患都下頜牙的種植進行了方案設計:首先通過CT圖像處理,重建出患者骨骼三維模型,并重建出下頜神經管,如圖7a、7b所示,三維模型可以清晰地反映出骨骼的骨量、神經管位置等情況,在此基礎上制訂出種植方案,并設計出手術輔助定位的種牙導板,如圖7c所示。對導板的定位進行分析和設計以及鉆套孔設計后,利用SLS快速成形機制作出導板和部分骨骼的物理模型,如圖7d所示。此模型上,醫生根據設計的種植方案,可以進行手術預演,即所謂的模型外科手術,以進一步驗證方案的正確性。圖7e、7f是手術前和手術中患者口腔的照片,可以看到設計的導板在患者翻瓣手術后的骨骼上定位很好。由于預先進行了大量的計算和模擬工作,手術的時間大為縮短,手術質量變得可控。圖79、7h是種植體全部植入后的照片和X光片,由于手術中有導板的支持,因此預先設計的方案在術中得以完全實現,種植體的植入角度非常理想,手術取得了令醫生和患者都滿意的效果。
5 結論
(1)基于醫學圖像處理、三維模型重建、曲面及實體造型、快速成形制造等現代設計與制造技術構建精確種牙技術體系,通過術前的手術方案制訂和導板設計與制造、術中的基于導板的方案實施,改造提升常規的種牙手術,使手術的精確性大為提高。
(2)在精確種牙體系支持下的11例臨床應用實例表明,在種牙導板能夠正確就位的情況下,手術方案能夠準確地在臨床手術中實現,手術質量和效率能夠得到較大提高。
(3)手術中用于鉆孔輔助定位的導板是實現精確種牙手術的關鍵元件,其設計與制造技術是實現精確種牙體系的核心技術。由于導板在骨骼r或牙齒、黏膜)上的定位是通過曲面貼合實現的,而曲面定位是定位自由度分析中的一個難點,需要進一步研究解決,以提高導板定位的穩定性。
(4)未來的研究將在種植體、基臺、牙冠等的設計與制造方面開展,提升我國種牙產品的整體設計和制造水平,實現種牙的產品和服務完全自主化和國產化。雖然國外的相關研究已經較為成熟且應用于臨床,但我們的研究還處于起步階段。我國的種牙技術由于長期依賴國外技術和產品,成本高昂,’大多數患者得不到治療,因此希望相關研究工作的開展可以為我國探索出低成本實現先進種牙技術的道路。
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