專利名稱：基于愈合基臺牙頜模型的種植義齒個性化基臺設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種義齒種植個性化基臺的設(shè)計方法，屬于計算機(jī)輔助設(shè)計領(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)，易做出錯誤設(shè)計， 影響種植義齒修復(fù)效果和長期成功率。使得每個開展種植義齒修復(fù)的醫(yī)院必須儲備各個種植體系統(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)和功能的個性化基臺越來越受到人們的青睞。隨著計算機(jī)的迅速發(fā)展，國外很多牙科計算機(jī)輔助設(shè)計和制造(CAD/CAM)軟件都納入了個性化基臺的功能，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事費力，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)計的個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，提出一種利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)進(jìn)行個性化基臺的設(shè)計方法，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植義齒個性化基臺設(shè)計方法，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集以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集，進(jìn)行剛體變換，將愈合基臺實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、個性化基臺設(shè)計包括解剖頸緣線和傾斜角度的設(shè)計；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，計算假牙牙體長軸與種植體長軸的夾角，得出個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是計算傾斜角度示意圖。圖6是個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_愈合基臺實體模型。
具體實施例方式下面結(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)格頂點進(jìn)行特征識別。通過最小二乘法擬合網(wǎng)格頂點為相應(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？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的個數(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，a = (m，l，n)表示圓柱面軸線方向，r2為圓柱面半徑，網(wǎng)格點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的個數(shù)。(2)特征匹配特征識別后，分別抽取二次曲面的特征點集A= Ia1, ，a3，LjiLjJ以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集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代表愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集的個數(shù)，^代表二次曲面的特征點集A中的元素，h代表愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集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、個性化基臺設(shè)計主要包括解剖頸緣線，傾斜角度的設(shè)計。(1)解剖頸緣線設(shè)計如圖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，即可得出個性化基臺最終模型。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實例而已，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植義齒個性化基臺設(shè)計方法，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集以及三維模型數(shù)據(jù)庫中愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集，進(jìn)行剛體變換，將愈合基臺實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、個性化基臺設(shè)計包括解剖頸緣線和傾斜角度的設(shè)計；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，計算假牙牙體長軸與種植體長軸的夾角，得出個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植義齒個性化基臺設(shè)計方法，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？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的個數(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，a = (m，l，n)表示圓柱面軸線方向，r2為圓柱面半徑，網(wǎng)格點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的個數(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植義齒個性化基臺設(shè)計方法，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代表愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集的i=l個數(shù)，^代表二次曲面的特征點集A中的元素，h代表愈合基臺實體模型相應(yīng)表面的特征點集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植義齒個性化基臺設(shè)計方法，其特征在于，步驟4-2通過以下公式計算假牙牙體長軸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性化基臺設(shè)計方法，屬計算機(jī)輔助設(shè)計領(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，個性化基臺設(shè)計四個步驟。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)生和技工操作的時間和費用，提高修復(fù)的效率和美觀，在計算機(jī)輔助口腔種植領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。
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)