專利名稱：基于愈合基臺牙頜模型的種植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種義齒種植個(gè)性化基臺的設(shè)計(jì)方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及逆向工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
口腔種植技術(shù)是采用人工種植體植入牙槽骨內(nèi)完成缺牙修復(fù)的一種方法。由于具有非常理想的固位支撐效果，而且舒適美觀，無需磨除鄰近天然牙，所以深受缺牙患者的青睞。由于現(xiàn)有種植體和牙齦愈合基臺頸部外形均為圓柱形，而非自然牙頸部的不規(guī)則形態(tài)，且愈合基臺直徑偏細(xì)，小于自然牙齒頸部直徑，因而在此基礎(chǔ)上制作的義齒烤瓷冠頸部只能是近似圓形，頸緣內(nèi)收明顯，且形態(tài)單一，生硬不連續(xù)，無法兼顧咬合形態(tài)和美學(xué)要求， 不能從根本上滿足患者個(gè)性化修復(fù)的需求。另外，盡管種植體系統(tǒng)的供應(yīng)商們提供了種類繁多的基臺選擇，患者的義齒種植環(huán)境各異，如果種植位置不理想，需要借助角度基臺來糾正，但臨床醫(yī)生只能被動選擇最接近需要的基臺，如成品15°或20°等角度基臺進(jìn)行近似匹配。如果臨床醫(yī)生專業(yè)培訓(xùn)不到位或不熟悉每類種植體系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，易做出錯(cuò)誤設(shè)計(jì)， 影響種植義齒修復(fù)效果和長期成功率。使得每個(gè)開展種植義齒修復(fù)的醫(yī)院必須儲備各個(gè)種植體系統(tǒng)的多種基臺部件供臨床選擇，耗資巨大，不利于中小醫(yī)院及個(gè)體診所開展此業(yè)務(wù)， 也影響種植義齒技術(shù)的普及和推廣。因此，近年來兼顧美學(xué)和功能的個(gè)性化基臺越來越受到人們的青睞。隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，國外很多牙科計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)軟件都納入了個(gè)性化基臺的功能，如著名的ftx)Cera系統(tǒng)首先在工作臺上手工雕刻具有美學(xué)解剖形態(tài)的個(gè)性化基臺蠟型，然后采用的他們的仿制銑削系統(tǒng)就可以快速加工出個(gè)性化基臺(Kucey，B.K.S.， FraseriD. C. ,2000. The Procera abutment—the fifth generation abutment for dental implants. Journal of the Canadian Dental Association 66，445_449)。然而由于周隹刻蠟型費(fèi)事費(fèi)力，且基臺和種植體的連接位置需要通過印模轉(zhuǎn)移，由此設(shè)計(jì)的個(gè)性化基臺不能保證和基臺的精確連接。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有方法的不足，提出一種利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行個(gè)性化基臺的設(shè)計(jì)方法，目的在于提高種植修復(fù)的效率和準(zhǔn)確性，改善種植義齒修復(fù)后的齦緣形態(tài)，提高患者個(gè)性化種植的適應(yīng)性。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案。一種基于愈合基臺牙頌?zāi)Ｐ偷姆N植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟步驟1、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理安裝愈合基臺并且牙齦愈合后，取模灌制患者的上下頌石膏模型，然后用激光掃描儀對石膏模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建出患者上下頌精確的牙頌三角網(wǎng)格模型；步驟2、建立種植系統(tǒng)模型庫根據(jù)種植體廠商提供的數(shù)據(jù)，對種植體和愈合基臺零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，構(gòu)建不同規(guī)格的種植系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫；步驟3、愈合基臺和種植體定位3-1，采用曲面擬合方法對愈合基臺部分的網(wǎng)格頂點(diǎn)進(jìn)行特征識別；3-2，分別抽取愈合基臺二次曲面的特征點(diǎn)集以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集，進(jìn)行剛體變換，將愈合基臺實(shí)體模型定位到牙頌三角網(wǎng)格模型當(dāng)中；3-3，通過種植體與愈合基臺的實(shí)體連接關(guān)系，確定種植體在牙頌三角網(wǎng)格模型中的位置；步驟4、個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)包括解剖頸緣線和傾斜角度的設(shè)計(jì)；4-1，根據(jù)上下頌咬合關(guān)系，從牙齒模型數(shù)據(jù)庫選擇合適的模型作為修復(fù)假牙，放置到牙頌三角網(wǎng)格模型當(dāng)中的缺牙位置；4-2，求出假牙模型與牙頌三角網(wǎng)格模型的交線作為頸緣特征線，計(jì)算假牙牙體長軸與種植體長軸的夾角，得出個(gè)性化基臺的傾斜角度。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果本發(fā)明無需制作蠟型和鑄造模型，也無需種植體轉(zhuǎn)移，避免精度損失或引入冗余的數(shù)據(jù)。
圖1是特征識別示意圖。圖2是特征匹配以定位愈合基臺和種植體的示意圖。圖3是獲取頸緣特征線示意圖。圖4是B-樣條擬合頸緣線示意圖。圖4是計(jì)算傾斜角度示意圖。圖6是個(gè)性化基臺最終模型示意圖。圖7是本發(fā)明的總體流程圖。圖中標(biāo)號1-種植體；2-愈合基臺；3-頸緣特征線；a_帶愈合基臺的牙列三角網(wǎng)格模型；b_愈合基臺實(shí)體模型。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。首先參照圖7所示，本發(fā)明包括如下步驟步驟1、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理當(dāng)種植體與周圍的骨組織形成整合后，進(jìn)行第二次手術(shù)，選擇合適的愈合基臺安裝在種植體上。如圖1所示，為保證后續(xù)測量的準(zhǔn)確性，要求安裝后的愈合基臺必須高出牙齦軟組織Imm以上。牙齦愈合后，取模灌制上下頌石膏模型，然后用掃描儀對石膏模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于掃描中不可避免的遇到噪聲、掃描盲區(qū)等缺陷， 因此對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括噪音、三角化、孔洞修復(fù)等，然后構(gòu)建出上下頌精確的三角網(wǎng)格模型。步驟2、種植系統(tǒng)模型庫建立根據(jù)種植體廠商提供的數(shù)據(jù)，對種植體和愈合基臺零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，構(gòu)建不同種植體尺寸規(guī)格參數(shù)、種植體的型號類別、種植體的組合方式構(gòu)建種植系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)種植型號、尺寸進(jìn)行基于約束條件的匹配查詢，并獲取種植體三維模型。步驟3、愈合基臺和種植體定位(1)特征識別。如圖1所示，由于愈合基臺表面為自然二次曲面，其中頂部一般為球面，但是也有的愈合基臺的表面是平面，如果是平面可視為二次曲面的退化形式。側(cè)面一般為圓柱面，因此采用曲面擬合方法對愈合基臺部分的網(wǎng)格頂點(diǎn)進(jìn)行特征識別。通過最小二乘法擬合網(wǎng)格頂點(diǎn)為相應(yīng)的二次曲面。例如對于球面擬合，設(shè)定參數(shù)為X。，y0, z0, ri，其中0 = (x0, y0, Z0)為球面球心，Γι 為球面半徑，網(wǎng)格點(diǎn)？1到球面的距離為d(Pi) = Ipi-Ohr1，通過最小化殘差平方和
E = Zd(Pi)2，即可求得球面參數(shù)，H1代表球面擬合所需要的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
i=l對于圓柱面擬合，設(shè)定參數(shù)為1(1，7(1，2(1，111，1，11，1~2，其中0= (x0, y0, z0)為圓柱面軸線上一點(diǎn)，a = (m，l，n)表示圓柱面軸線方向，r2為圓柱面半徑，網(wǎng)格點(diǎn)Pi到球面的距離
為d(pi) = I (pi-0) Xahr2，通過最小化殘差平方和4 = 辦A)2，即可求得圓柱面參數(shù)，
i=l
n2代表圓柱面擬合所需要的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。(2)特征匹配特征識別后，分別抽取二次曲面的特征點(diǎn)集A= Ia1, ，a3，LjiLjJ以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集B = {1ν1ν1ν ，1^， 3η}，然后進(jìn)行剛體變換(旋轉(zhuǎn)和平移)，將愈合基臺實(shí)體模型定位到牙頌三角網(wǎng)格模型當(dāng)中。剛體變換的參
數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量Τ，通過最小化均方目標(biāo)函數(shù):Ε = Σ\α, -(Rbi +Γ)|2求得，其
i=l
中n3代表愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集的個(gè)數(shù)，^代表二次曲面的特征點(diǎn)集A中的元素，h代表愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集B中的元素。(3)定位種植體如圖2所示，愈合基臺一旦匹配好，通過種植體與愈合基臺的實(shí)體連接關(guān)系即可確定種植體在牙頌?zāi)Ｐ椭械奈恢?。步驟4、個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)主要包括解剖頸緣線，傾斜角度的設(shè)計(jì)。(1)解剖頸緣線設(shè)計(jì)如圖3所示，首先根據(jù)上下頌咬合關(guān)系，從牙齒模型數(shù)據(jù)庫選擇合適的模型作為修復(fù)假牙，放置到牙頌?zāi)Ｐ彤?dāng)中的缺牙位置，并調(diào)整到合適的形態(tài)。假牙模型與牙頌?zāi)Ｐ偷慕痪€作為頸緣特征線。然后進(jìn)行樣條擬合，得到光滑的解剖頸緣線，如圖4所示。(2)傾斜角度設(shè)計(jì)在臨床治療中，常因患者受解剖方面因素的限制而種植體不能按理想的位點(diǎn)軸線植入的現(xiàn)象，因此需要借助角度基臺來糾正。如圖5所示，為滿足最佳的功能和美學(xué)的要求，以假牙牙體長軸作為參照，計(jì)算假牙牙體長軸1與種植體長軸m的夾角作為基臺的傾斜角度，通過以下公式求出
nI'm0 = arcos^^。
I7IrI
如圖6所示，通過上述步驟，即可得出個(gè)性化基臺最終模型。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于愈合基臺牙頌?zāi)Ｐ偷姆N植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理安裝愈合基臺并且牙齦愈合后，取模灌制患者的上下頌石膏模型，然后用掃描儀對石膏模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建出患者上下頌精確的牙頌三角網(wǎng)格模型；步驟2、建立種植系統(tǒng)模型庫根據(jù)種植體廠商提供的數(shù)據(jù)，對種植體和愈合基臺零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，構(gòu)建不同規(guī)格的種植系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)庫； 步驟3、愈合基臺和種植體定位3-1，采用曲面擬合方法對愈合基臺部分的網(wǎng)格頂點(diǎn)進(jìn)行特征識別； 3-2，分別抽取愈合基臺二次曲面的特征點(diǎn)集以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集，進(jìn)行剛體變換，將愈合基臺實(shí)體模型定位到牙頌三角網(wǎng)格模型當(dāng)中；3-3，通過種植體與愈合基臺的實(shí)體連接關(guān)系，確定種植體在牙頌三角網(wǎng)格模型中的位置；步驟4、個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)包括解剖頸緣線和傾斜角度的設(shè)計(jì)；4-1，根據(jù)上下頌咬合關(guān)系，從牙齒模型數(shù)據(jù)庫選擇合適的模型作為修復(fù)假牙，放置到牙頌三角網(wǎng)格模型當(dāng)中的缺牙位置；4-2，求出假牙模型與牙頌三角網(wǎng)格模型的交線作為頸緣特征線，計(jì)算假牙牙體長軸與種植體長軸的夾角，得出個(gè)性化基臺的傾斜角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于愈合基臺牙頌?zāi)Ｐ偷姆N植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3-1通過最小二乘法擬合網(wǎng)格頂點(diǎn)為相應(yīng)的二次曲面，具體步驟如下3-1-1，對于球面擬合，設(shè)定參數(shù)為Xtl，y0, z0, ri，其中0= (x0, y0, z0)為球面球心， 巧為球面半徑，網(wǎng)格點(diǎn)？1到球面的距離為d(Pi) = Ipi-Ohr1，通過最小化殘差平方和E = Zd(Pi)2，即可求得球面參數(shù)，H1代表球面擬合所需要的點(diǎn)的個(gè)數(shù)；i=l3-1-2，對于圓柱面擬合，設(shè)定參數(shù)為&，7(1，2(1，111，1，11，1~2，其中0= (x0, y0, z0)為圓柱面軸線上一點(diǎn)，a = (m，l，n)表示圓柱面軸線方向，r2為圓柱面半徑，網(wǎng)格點(diǎn)Pi到球面的距離為d(pi) = I (pi-0) Xahr2，通過最小化殘差平方和五=^>(凡)2,即可求得圓柱面參i=l數(shù)，n2代表圓柱面擬合所需要的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于愈合基臺牙頌?zāi)Ｐ偷姆N植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟3-2所述剛體變換的參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T，通過最小化均方目標(biāo)函數(shù)# = _(Rb, +Of求得，其中n3代表愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集的i=l個(gè)數(shù)，^代表二次曲面的特征點(diǎn)集A中的元素，h代表愈合基臺實(shí)體模型相應(yīng)表面的特征點(diǎn)集B中的元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于愈合基臺牙頌?zāi)Ｐ偷姆N植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟4-2通過以下公式計(jì)算假牙牙體長軸1與種植體長軸m的夾角
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于愈合基臺牙頜模型的種植義齒個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)方法，屬計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本方法包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，種植系統(tǒng)模型庫建立，愈合基臺和種植體定位，個(gè)性化基臺設(shè)計(jì)四個(gè)步驟。本發(fā)明自動化程度高，不僅能夠避免臨床上制作蠟型或鑄造模型、轉(zhuǎn)移種植體等操作步驟，而且能夠改善種植義齒修復(fù)后的齦緣形態(tài)，大大降低醫(yī)生和技工操作的時(shí)間和費(fèi)用，提高修復(fù)的效率和美觀，在計(jì)算機(jī)輔助口腔種植領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G06F17/50GK102194030SQ20111013145
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者吳婷, 吳煜農(nóng), 周國興, 廖文和, 戴寧, 湯春波, 程筱勝 申請人:南京醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院, 南京航空航天大學(xué)