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談上頜中切牙內(nèi)冠的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造
摘要：目的:對(duì)上頜中切牙內(nèi)冠的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造方法進(jìn)行探討和研究。方法:以右上中切牙為例，首先使用ATOS Ⅱ光學(xué)測量儀進(jìn)行預(yù)備體表面數(shù)據(jù)采集；其次對(duì)所采集到的三角片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)識(shí)別出頸緣線，重構(gòu)預(yù)備體表面的曲面；然后利用生成的曲面分別針對(duì)無頸環(huán)內(nèi)冠和半頸環(huán)內(nèi)冠兩種情況設(shè)計(jì)出所需內(nèi)冠；最終利用3軸精雕機(jī)床進(jìn)行數(shù)控銑削編程加工。結(jié)果:制作出的兩種內(nèi)冠均能夠與預(yù)備體緊密貼合，整體設(shè)計(jì)精度均符合臨床要求。結(jié)論:所選方法可行，具有臨床實(shí)用價(jià)值，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：口腔修復(fù)；切牙；內(nèi)冠；計(jì)算輔助設(shè)計(jì)與制造
20世紀(jì)后期，CAD/CAM技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用使得口腔修復(fù)技術(shù)取得了里程碑式的發(fā)展。我國口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與研究開始于20世紀(jì)80年代，起步相對(duì)較晚，而且主要集中在理論方面。近幾年在口腔修復(fù)CAD/CAM方面研究取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，如高勃等［1］利用UG和二次開發(fā)軟件研究了全冠的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，呂培軍等［2］初步實(shí)現(xiàn)了冠修復(fù)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，韓景蕓等［3］研究了金屬全冠的CAM工藝，張翔等［4］研究了烤瓷冠基底冠模型重構(gòu)方法，戴寧等［5］研究了基于DFFD的牙齒修復(fù)冠約束設(shè)計(jì)方法；但是由于起步較晚，在理論研究和軟、硬件水平方面與國外差距比較大。目前國內(nèi)報(bào)道的研究主要集中在磨牙全冠的制作上，尚無關(guān)于制作上頜中切牙內(nèi)冠的研究報(bào)道。采用CAD/CAM技術(shù)制作上頜中切牙內(nèi)冠可以在虛擬的環(huán)境中完成上頜中切牙內(nèi)冠的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)方法相比克服了純手工雕塑蠟?zāi)５牟环�(wěn)定、不精確的問題，用數(shù)控銑削加工代替了鑄造方法，可以避免鑄造工藝固有的材料收縮和表面需要再次拋光的問題，具有效率高、精度高、加工方便的特點(diǎn)，有效地保證了修復(fù)體的質(zhì)量。
1 材料與方法
11 材料與設(shè)備
111 標(biāo)本 選擇上頜中切牙修復(fù)病例，常規(guī)方法備牙、取模、灌注石膏模型。
112 硬件組成 德國ATOS Ⅱ光學(xué)測量儀。該測量儀具有1個(gè)激光發(fā)生器、2個(gè)CCD攝像頭、1副移動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架和1個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。主要參數(shù)：相機(jī)分辨率為1280×1024像素，7s最多可測定130萬個(gè)點(diǎn)，照片精度為±002mm。測量采用投影光柵的原理，投射一束光線到被測物體上，CCD攝像頭通過捕捉物體表面反射光角度的變化，計(jì)算物體表面三維坐標(biāo)。通過旋轉(zhuǎn)將物體表面所有信息采集完全后，自動(dòng)完成各次掃描數(shù)據(jù)的拼合。微型計(jì)算機(jī)一臺(tái)（基本配置：CPU P 26 G，內(nèi)存256 M，硬盤80 G，顯卡GeForce2 MX400 64 M）；北京精雕 (JDSign60)三軸高速數(shù)控銑削加工中心；試切材料為有機(jī)玻璃。
113 軟件組成 操作系統(tǒng)Windows XP； Geomagic 80、UG NX、三維口腔修復(fù)CAD軟件原形系統(tǒng)（自行研制）。
12 設(shè)計(jì)流程
121 預(yù)備體表面數(shù)據(jù)獲取與處理 利用德國ATOS Ⅱ光學(xué)測量儀對(duì)預(yù)備體石膏模型進(jìn)行測量。測量時(shí)，將石膏模型固定在專用工作臺(tái)上，并在工作臺(tái)上按照測量的需要粘貼分布均勻的參考點(diǎn)。一次掃描完成后，工作臺(tái)自動(dòng)按照固定方向旋轉(zhuǎn)固定角度。每次旋轉(zhuǎn)必須確保當(dāng)前狀態(tài)與前一次共享3個(gè)以上的參考點(diǎn)，以保證各次掃描數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確拼合。測量完成后，系統(tǒng)自動(dòng)完成各次掃描結(jié)果的拼合，輸出數(shù)字模型。因?yàn)檠荔w表面形狀復(fù)雜，所得三角片模型必然存在孔洞、噪音等缺陷，所以需要將測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件處理，修補(bǔ)孔洞，去除表面噪音，平滑毛刺點(diǎn)。最終所得數(shù)據(jù)模型應(yīng)保證表面完整、光滑（圖1）。
圖1 處理后的數(shù)據(jù)模型（略）
Fig 1 The model after fixed
122 預(yù)備體曲面重構(gòu) 利用ATOS Ⅱ測量所得數(shù)據(jù)格式為STL文件，無法直接用于內(nèi)冠重構(gòu)，必須將其擬合為曲面后才能在該曲面的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，自動(dòng)提取并擬合頸緣線。利用測量數(shù)據(jù)在頸緣線處的曲率明顯大于其它部位且成環(huán)狀的特征，先對(duì)整個(gè)三角片模型的曲率進(jìn)行計(jì)算，確定出頸緣線可能處于的大致區(qū)域，最后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行擬合，確定頸緣線的具體位置（圖2）。
圖2 頸緣線自動(dòng)識(shí)別結(jié)果（略）
Fig 2 The automatically painted preparation line
其次，進(jìn)行三角片切分，去除頸緣線以下的冗余數(shù)據(jù)，對(duì)剩余的預(yù)備體表面數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合［6］。曲面擬合完成后，對(duì)曲面進(jìn)行誤差檢測以保證曲面質(zhì)量。如超出誤差要求則返回前一步，調(diào)整擬合參數(shù)重新擬合。圖3為擬合后的曲面。
圖3 擬合后的曲面（略）
Fig 3 The surfaces after fitted
123 內(nèi)冠的內(nèi)表面與外表面設(shè)計(jì) 預(yù)備體表面重構(gòu)完成之后，就可以在該曲面的基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)冠設(shè)計(jì)。本研究分別針對(duì)無頸環(huán)和半頸環(huán)兩種樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］。（1）將內(nèi)頸緣線以上的曲面向外等距005mm生成等距曲面，這樣粘固時(shí)可為填充粘結(jié)劑留出空間，同時(shí)也能防止因擬合和加工的誤差導(dǎo)致內(nèi)冠的內(nèi)表面與預(yù)備體不匹配而無法佩戴的發(fā)生。（2）按照臨床要求，對(duì)生成的等距曲面向外增厚04mm，形成上頜中切牙內(nèi)冠外表面階臺(tái)以上的部分。（3）在外表面底部曲線環(huán)與外頸緣線之間，根據(jù)無頸環(huán)內(nèi)冠和半頸環(huán)內(nèi)冠的不同要求，生成外形輪廓線，通過掃描得到階臺(tái)部分，從而形成一個(gè)完整的內(nèi)冠外表面。（4）根據(jù)患者頜牙的情況對(duì)內(nèi)冠外表面形態(tài)作微小調(diào)整，確保內(nèi)冠設(shè)計(jì)的精確性。圖4為設(shè)計(jì)完成的無頸環(huán)內(nèi)冠與半頸環(huán)內(nèi)冠。 圖4 無頸環(huán)內(nèi)冠與半頸環(huán)內(nèi)冠（略）
Fig 4 The non collor coping crowns on maxillary incisor（略）
13 加工流程采用北京精雕三軸高速數(shù)控銑削加工中心對(duì)設(shè)計(jì)完成的模型進(jìn)行加工。加工材料可選取鈀銀合金、不銹鋼等，本研究采用有機(jī)玻璃進(jìn)行試切。加工時(shí)，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為20000r
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