數控激光自動化牙體預備方法及裝備的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種牙體預備方法，具體涉及一種數控激光自動化牙體預備方法，本 發明還涉及一種數控激光自動化牙體預備裝備。
【背景技術】
[0002] 1、目前國內外臨床應用的手工牙體預備技術。
[0003] 傳統的手工牙體預備模式難以達到教科書和臨床操作規范中的標準要求。我國手 工牙體預備的水平整體偏低(據有關專家統計，合格率約占 40%左右)。在我國，高水平的口 腔醫生數量較為匱乏。同時，培養一個高水平的臨床醫生，往往需要多年時間。上述因素共 同導致"看牙貴，看牙難"。此外，因此，亟需研發全新的，自動化、智能化臨床牙體預備技術， 替代傳統的手工模式。
[0004] 傳統的手工牙體預備模式難以達到教科書和臨床操作規范中的標準要求。我國手 工牙體預備的水平整體偏低(據有關專家估計，合格率約占 40%左右)。在我國，高水平的口 腔醫生數量較為匱乏。同時，培養一個高水平的臨床醫生，往往需要多年時間。上述因素共 同導致"看牙貴，看牙難"。此外，因此，亟需研發全新的，自動化、智能化臨床牙體預備技術， 替代傳統的手工模式。
[0005] 2、牙齒硬組織激光切削技術
[0006] 一些商業化的Er = YAG和Er = YSGG激光器已用于牙體去腐和窩洞制備等簡單的手 持激光式牙體預備，但Er激光切削后的牙齒表面粗糙不平，可能伴微裂紋產生，難以滿足 口腔修復牙體預備的高精度要求。激光切削牙體硬組織有精度高、作用集中、熱損傷小等 特點，能在非常低的能量密度下切削，其對牙釉質、牙本質的切削閾值為〇. 6?2. 2、0. 3? 1.4J/cm2,有望成為高精度數控牙體預備的工具。然而已有文獻報道激光對牙釉質、牙本 質的切削速率為（0.05?3. 6) X 10'(0. 12?1.90) X 10-3mm3/s，低于高速渦輪手機(約 lmm3/S)。同時，激光與傳統機械磨頭不同，在操作過程中沒有力回饋，不利于操作著隨著感 受切削工具的位置、方向和姿態等，不利于控制切削路徑的精度。
[0007] 3、關于狹小空間激光光路自動控制技術
[0008] 目前，國外已出現一些數控激光掃描光路控制技術。如德國大型激光設備生產商 TRUMPF公司的三維激光加工設備配套的三維激光加工軟件TbPs400,但僅對圓管和矩形管 件的切割有效，嚴格說來，這是一種2. 5維的激光加工。而意大利著名的激光設備制造企業 PRIMAINUSTRIE S. P. A提供的三維激光加工軟件FORMA只能用于像IBMRISC Systernl6000 這樣的工作站上。英國CAMTEK公司的PEPSPentacut3D切割系統不僅僅縮短了工期，同時還 能提供更高的精度要求帶來了巨大的競爭優勢，但是該類軟件價格昂貴，不具備普遍推廣 的市場。在2009年4月的第i^一屆北京國際機床展（CMT2009)上，通過對參展的20多家 激光設備生產廠家(包括大族激光、武漢法利萊、團結百超、團結普瑞瑪等國內知名激光設 備生產廠家）的調研，發現參展的生產廠家展出的基本都是二維激光切割機床，只有上海團 結普瑞瑪公司展出了型號為SESAM02545的三維激光切割機床，但其配套的三維激光切割 自動編程軟件采用的是英國Camtek公司開發的PEPS PentaCut,說明目前國內對三維激光 切割設備，尤其是自動編程系統的研究還不是十分成熟，制約了三維激光切割技術的推廣。
[0009] 對于口腔內這種狹小空間內的牙體預備，實現激光光路的自動控制，尚未見及相 關報道。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種數控激光自動化牙體預備方法，能替代醫生的部分手工 操作，用激光替代傳統機械磨削器械，能在短時間內有效提高基層醫生的臨床治療操作技 術水平，提高診療效率和質量。本發明的目的是提供一種數控激光自動化牙體預備裝備。 [0011] 為了達到上述目的，本發明有如下技術方案：
[0012] 本發明的一種數控激光自動化牙體預備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)用口內三維掃描儀獲取目標牙齒冠部的三維表面掃描數據，用口腔頜面部錐形 束CT機獲取目標牙齒冠部三維體數據，將上述兩組數據單獨存儲，以便后續讀取操作；
[0014] 2)用牙體預備CAD軟件對上述兩組數據進行配準，并統一在相同坐標系中，在計 算機屏幕上提取預備體邊緣、定義牙齒預備體設計參數，分割牙釉質、牙本質和牙髓腔，完 成牙齒預備體的虛擬建模，最后將結果存儲為STL格式數據；
[0015] 3)根據步驟2)獲得的牙齒預備體虛擬模型數據，激光牙體預備CAM軟件自動生成 牙體預備過程中激光的聚焦光斑直徑、光斑運動路徑、速度的切削工藝相關參數，并輸出到 數控激光牙體預備控制系統中；
[0016] 4)用硅橡膠將牙位定位器固定在目標牙齒和近遠中鄰牙上，并去除目標牙齒冠部 周圍的硅橡膠，用口內三維掃描儀再次獲取牙位定位器和目標牙齒的整體三維數據，利用 步驟2)中軟件將預備體虛擬模型數據與整體掃描數據進行配準，通過牙位定位器上的定位 柱，將數控激光牙體預備控制系統的口腔內工作端與牙位定位器的牙合面開口端進行剛性 連接，實現目標牙齒冠部、牙位定位器以及數控激光牙體預備控制系統的口腔內工作端的 空間位置關系的統一固定；
[0017] 5)在步驟2)形成的坐標系中，利用激光牙體預備CAM軟件完成激光在目標牙齒 初始位置的準確對焦，控制激光光斑按照設定的掃描路徑和掃描速度自動完成牙體預備過 程，同時在牙位定位器上安裝負壓吸引裝置，實時去除牙齒碎屑；
[0018] 6)完成牙體預備，從患者口腔內順序拆除數控激光牙體預備控制系統口腔內工作 端和牙位定位器。
[0019] 其中，所述牙體預備CAD軟件包括數據讀取模塊、預處理模塊、數據融合模塊、約 束建模模塊、后處理模塊。
[0020] 其中：
[0021 ] 所述數據讀取模塊包括：
[0022] 1)CT數據重建：將CT圖像重建三維數據讀入牙體預備CAD軟件，進行光照、渲染。
[0023] 2)掃描數據重建：通過對目標牙齒掃描獲取三維表面掃描數據與CT機獲取的三 維體數據，并讀入軟件存儲，方便后續讀取操作；
[0024] 所述預處理模塊包括：
[0025] 1)融合區域曲面獲取：首先對目標牙齒獲取三維表面掃描數據模型進行區域劃 分，分為融合區域和非融合區域，非融合區域點集固定不動，采用基于啟發式搜索策略的頸 緣線提取算法對三維表面掃描數據模型進行融合曲面裁剪提取；
[0026] 2)基于人工交互初始配準：根據三點重定位原理，三點可以建立一個坐標關系， 在CT機與口內三維掃描儀獲取的模型上拾取對應的特征點不少于三個，通過特征點對齊 實現模型的對齊，在CT機與口內三維掃描儀獲取的模型上分別標定特征點 Si、s' i通過 s' i=SiR+T計算特征點間幾何變換矩陣R，T，將矩陣作用于CT機與口內三維掃描儀獲取的 模型進行初始變換，這種方法能夠極大地縮小后續ICP模型配準間平移誤差和旋轉誤差， 為精確配準提供良好初值；
[0027] 3)基于ICP算法精確配準：通過初始配準，采用ICP算法進行精確配準，模型間的 位置配準就是通過口內三維掃描儀掃描獲取的模型與CT機獲取三維體數據模型坐標系之 間的旋轉和平移，使同源點之間距離最小，通過計算第k次迭代的最優旋轉矩陣R k與平移 向量Tk，使得CT模型N經過空間變化后與掃描模型M的最小二乘逼近目標函數達f(R，T) 到最小：
【主權項】
1. 一種數控激光自動化牙體預備方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 用口內三維掃描儀獲取目標牙齒冠部的三維表面掃描數據，用口腔頜面部錐形束CT 機獲取目標牙齒冠部三維體數據，將上述兩組數據單獨存儲，以便后續讀取操作； 2) 用牙體預備CAD軟件對上述兩組數據進行配準，并統一在相同坐標系中，在計算機 屏幕上提取預備體邊緣、定義牙齒預備體設計參數，分割牙釉質、牙本質和牙髓腔，完成牙 齒預備體的虛擬建模，最后將結果存儲為STL格式數據； 3) 根據步驟2)獲得的牙齒預備體虛擬模型數據，激光牙體預備CAM軟件自動生成牙體 預備過程中激光的聚焦光斑直徑、光斑運動路徑、速度的切削工藝相關參數，并輸出到數控 激光牙體預備控制系統中； 4) 用硅橡膠將牙位定位器固定在目標牙齒和近遠中鄰牙上，并去除目標牙齒冠部周圍 的硅橡膠，用口內三維掃描儀再次獲取牙位定位器和目標牙齒的整體三維數據，利用步驟 2)中軟件將預備體虛擬模型數據與整體掃描數據進行配準，通過牙位定位器上的定位柱， 將數控激光牙體預備控制