談上頜中切牙內冠的計算機輔助設計與制造

談上頜中切牙內冠的計算機輔助設計與制造

摘要：目的:對上頜中切牙內冠的計算機輔助設計與制造方法進行探討和研究。方法:以右上中切牙為例，首先使用ATOS Ⅱ光學測量儀進行預備體表面數據采集；其次對所采集到的三角片數據進行處理，自動識別出頸緣線，重構預備體表面的曲面；然后利用生成的曲面分別針對無頸環內冠和半頸環內冠兩種情況設計出所需內冠；最終利用3軸精雕機床進行數控銑削編程加工。結果:制作出的兩種內冠均能夠與預備體緊密貼合，整體設計精度均符合臨床要求。結論:所選方法可行，具有臨床實用價值，為進一步研究奠定了基礎。

關鍵詞：口腔修復；切牙；內冠；計算輔助設計與制造

　　20世紀后期，CAD/CAM技術在口腔修復領域中的應用使得口腔修復技術取得了里程碑式的發展。我國口腔醫學計算機的應用與研究開始于20世紀80年代，起步相對較晚，而且主要集中在理論方面。近幾年在口腔修復CAD/CAM方面研究取得了實質性的進展，如高勃等［1］利用UG和二次開發軟件研究了全冠的計算機輔助設計，呂培軍等［2］初步實現了冠修復體的計算機輔助設計和制造，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方法，戴寧等［5］研究了基于DFFD的牙齒修復冠約束設計方法；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。目前國內報道的研究主要集中在磨牙全冠的制作上，尚無關于制作上頜中切牙內冠的研究報道。采用CAD/CAM技術制作上頜中切牙內冠可以在虛擬的環境中完成上頜中切牙內冠的設計，與傳統方法相比克服了純手工雕塑蠟模的不穩定、不精確的問題，用數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，有效地保證了修復體的質量。
　　1 材料與方法
　　11 材料與設備
　　111 標本 選擇上頜中切牙修復病例，常規方法備牙、取模、灌注石膏模型。
　　112 硬件組成 德國ATOS Ⅱ光學測量儀。該測量儀具有1個激光發生器、2個CCD攝像頭、1副移動旋轉支架和1個回轉工作臺。主要參數：相機分辨率為1280×1024像素，7s最多可測定130萬個點，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，計算物體表面三維坐標。通過旋轉將物體表面所有信息采集完全后，自動完成各次掃描數據的拼合。微型計算機一臺（基本配置：CPU P 26 G，內存256 M，硬盤80 G，顯卡GeForce2 MX400 64 M）；北京精雕 (JDSign60)三軸高速數控銑削加工中心；試切材料為有機玻璃。
　　113 軟件組成 操作系統Windows XP； Geomagic 80、UG NX、三維口腔修復CAD軟件原形系統（自行研制）。
　　12 設計流程
　　121 預備體表面數據獲取與處理 利用德國ATOS Ⅱ光學測量儀對預備體石膏模型進行測量。測量時，將石膏模型固定在專用工作臺上，并在工作臺上按照測量的需要粘貼分布均勻的參考點。一次掃描完成后，工作臺自動按照固定方向旋轉固定角度。每次旋轉必須確保當前狀態與前一次共享3個以上的參考點，以保證各次掃描數據可以準確拼合。測量完成后，系統自動完成各次掃描結果的拼合，輸出數字模型。因為牙體表面形狀復雜，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據導入Geomagic軟件處理，修補孔洞，去除表面噪音，平滑毛刺點。最終所得數據模型應保證表面完整、光滑（圖1）。
　　圖1 處理后的數據模型（略）
　　Fig 1 The model after fixed
　　122 預備體曲面重構 利用ATOS Ⅱ測量所得數據格式為STL文件，無法直接用于內冠重構，必須將其擬合為曲面后才能在該曲面的基礎上進行設計。首先，自動提取并擬合頸緣線。利用測量數據在頸緣線處的曲率明顯大于其它部位且成環狀的特征，先對整個三角片模型的曲率進行計算，確定出頸緣線可能處于的大致區域，最后對該區域進行擬合，確定頸緣線的具體位置（圖2）。
　　圖2 頸緣線自動識別結果（略）
　　Fig 2 The automatically painted preparation line
　　其次，進行三角片切分，去除頸緣線以下的冗余數據，對剩余的預備體表面數據進行曲面擬合［6］。曲面擬合完成后，對曲面進行誤差檢測以保證曲面質量。如超出誤差要求則返回前一步，調整擬合參數重新擬合。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 內冠的內表面與外表面設計 預備體表面重構完成之后，就可以在該曲面的基礎上進行內冠設計。本研究分別針對無頸環和半頸環兩種樣式進行設計［7］。（1）將內頸緣線以上的曲面向外等距005mm生成等距曲面，這樣粘固時可為填充粘結劑留出空間，同時也能防止因擬合和加工的誤差導致內冠的內表面與預備體不匹配而無法佩戴的發生。（2）按照臨床要求，對生成的等距曲面向外增厚04mm，形成上頜中切牙內冠外表面階臺以上的部分。（3）在外表面底部曲線環與外頸緣線之間，根據無頸環內冠和半頸環內冠的不同要求，生成外形輪廓線，通過掃描得到階臺部分，從而形成一個完整的內冠外表面。（4）根據患者頜牙的情況對內冠外表面形態作微小調整，確保內冠設計的精確性。圖4為設計完成的無頸環內冠與半頸環內冠。　圖4 無頸環內冠與半頸環內冠（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控銑削加工中心對設計完成的模型進行加工。加工材料可選取鈀銀合金、不銹鋼等，本研究采用有機玻璃進行試切。加工時，機床主軸轉速為20000r

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