三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用教案资料.doc

110ChineseJournalofPracticalStomatologyJan.2008Vol.1No.2 综述 三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用彭佳美,严斌综述,王林,赵春洋审校文章编号:1674-1595(2008)02-0110-02中图分类号:R78文献标志码:A关键词:牙颌模型;三维重建;正畸学 Keywords:dentalcasts;three-dimensionalreconstruction;orthodontics现代口腔正畸学创建100多年来,牙颌模型作为正畸 1.4激光扫描法(LaserScan)激光扫描法自20世纪80患者病案记录的重要组成部分,能客观完整地记录牙、牙年代末用于牙颌模型三维重建后得到迅速发展,其原理是弓、腭及基骨的形态位置等信息,也是反映错畸形患者真应用激光三角测距法测出物体匀速螺旋旋转轴到物体表面 合 牙 的距离,根据检测部件的位置和距离计算出该点的三维坐实三维解剖结构的唯一途径。模型的测量分析及相关检查 标,由计算机分析处理后进行整合重建。此法的主要优点是错畸形诊断和矫治设计的主要依据;同时,不同治疗阶 合 牙 4 。但存在对模 是操作简便,耗费较低,图像精度达300m段的研究模型可用来观察记录矫治进展情况和判断最终疗 。近 5 型过大倒凹有一定扫描盲区,且扫描速度慢等缺点效。随着科技的发展,石膏模型已很难满足正畸医师快速 几年,国内外学者对提高激光扫描的速度和减少扫描盲区准确地测量数据和进行可视化预测治疗的需求。基于此, 6 。 进行了尝试,取得一定成功三维数字化牙颌模型应运而生并得到了不断完善。 1.5结构光技术(StructuredLightTechniques)结构光技 1牙颌模型数字化三维重建的主要方法 术的原理与激光扫描法相似,是采用光阵列照射模型表面, 通过线阵列摄像机捕获变形光点,经计算机计算各光点坐 1.1莫尔云纹法(MoirTopography)莫尔云纹法是一种 标后整合建模。该法较激光扫描法图像分辨率高,扫描时获得任意形状物体等高线的非接触性光学方法,于1970年 间短,但仍存在扫描盲区。 1由Meadows等发明。其原理为两组周期性栅格重叠在一 1.6层析式扫描法(DestructiveScan)层析式扫描又称起,非接触地产生包含物体表面三维信息的等高线图像,经 破坏性扫描,是一种接触性扫描方式。其采用“断面剖开与计算机获取和分析而实现三维重建。但该法不适于过陡平 断面叠加”的形态学方法,先用铣床或磨床剖开被聚氨酯树面,且灵敏度较低,因而多用于无牙颌模型的研究;而有牙 脂包裹的石膏模型,然后采集断层面边缘轮廓二维形态信颌模型形态变化复杂,该法应用受限。 7 。 息叠加再现模型的表面立体形态,生成三维模型图像 1.2数字散斑相关法(DigitalSpekleCorrelationMethod) 此法精度较高,可达50m;且可同时包裹多个石膏模型进数字散斑相关法是利用随机分布的散斑场中散斑颗粒因被 行扫描,提高了扫描速度。然而缺点也很明显,因为模型最测物体的高度变化而产生一定形变,经计算机分析处理而 终要被损坏,所以每个模型只能扫描一次。 2获得物体表面的三维坐标。张修银等通过测量牙冠各面 1.7CT扫描法(ComputedTomographyScan)CT扫描的特征点而完成牙冠的三维重建与测量。该法测量精度较 原理是用高精度CT机发射X线束扫描牙颌模型某一层高,但对邻间隙等光线弱处信息较弱。 面,由探测器接受后经计算机处理形成不同灰度按矩阵排 1.3近景立体摄影法(Stereophotogrammetry)近景立体 列的像素图像,再将断层图像堆砌加工形成三维模型。CT摄影法出现于二十世纪六七十年代。其原理为在高精度控 扫描法有许多显著优点,不仅可扫描石膏模型,还能扫描聚制网的基础上从不同角度摄取对象的立体像对,再经计算 乙烯硅氧烷印模和咬合记录,甚至可直接用于人体口腔扫机处理重建。目前主要用于颅颌面软组织三维重建,在牙 描,且扫描范围大,一次可扫描多个模型,而无明显盲区。 3颌模型分析方面也有应用。周立新等建立的牙颌模型视 随着CT性能的不断提高,特别是螺旋CT的发展,以及从频立体测量系统的测量精度为0.09mm。但存在一定缺陷: 单层扫描向快速容积扫描的转变,使扫描速度有了极大的首先,需两台或以上相机来获取图像数据,且口腔内实测非 8 。Mac- 提高,且其精度也足以满足牙颌模型的测量分析 9常困难;其次,两个立体像比较时,需要一些特征,而牙冠外 chiA等 将CT扫描法与激光扫描法结合重建出上下颌包 含牙根的精确的三维模型。但目前该设备投资较大,限制形特征不明显。 了此技术的应用。 2三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用 作者单位:南京医科大学口腔医学研究所,江苏南京210029 通讯作者:王林,电子信箱:pjmpjm 2.1记存牙颌信息的载体三维数字化牙颌模型可生成 2008年1月第1卷第2期中国实用口腔科杂志111耐用的图像资料而不必担心对原始模型造成磨耗或损坏,医生对牙颌面畸形作出更全面精确的判断与分析。利于模型资料的保存管理,又节省空间,方便携带转运。通3.3建立三维数字化牙颌模型数据库美国Acuscape公过三维数字化牙颌模型可很容易实现正畸治疗进展的记录司正在创建一个国际颅颌面解剖数据库,通过采集每个新观察,从任何角度、任意放大率来观测模型,同时也易于正患者的颅颌面三维数字化模型,根据牙弓形态和错类型 合 牙畸医生进行病案的讨论交流,为正畸远程网上诊断和治疗进行分类,形成知识库,以指导正畸临床诊疗,并为教学和提供了信息载体。这些都是以往石膏模型难以实现的。科研提供丰富的资料。三维数字化牙颌模型数据库的建立 2.2错畸形的分析诊断三维数字化模型的测量分析也是新兴的口腔正畸信息学的一项重要内容。 合 牙快速省时、操作简单、精确度高,数据易于储存且调用方便,3.4将虚拟现实技术应用于牙颌三维数字化重建虚拟其测量结果与传统石膏模型手工测量并无显著性差异。由现实技术的不断发展为建立三维立体牙颌模型提供了可 TM CADENT公司研发的OrthoCAD 软件还实现了简单快捷的能。三维成像和建模技术的最终目标就是要建立虚拟正畸 患者。与目前只能在计算机屏幕上显示三维图像相比,这人机对话,可通过对牙颌模型三维图像的任意旋转、平移, 种立体模型将给正畸医生和患者前所未有的真实感,不仅以及对空间任意距离、角度、牙弓或任意曲线的弧长及曲面 可看到牙颌的三维信息,更可通过触觉等其它感觉系统了面积等项目的测量分析,来更准确地进行错畸形的诊断 合 牙 解深部骨骼肌肉的三维解剖结构。若其能精确完成,可从分析。运用计算机辅助测量工具,医生只需简单的鼠标操 中获取相当多的数据进行软、硬组织分析,还可提高我们对作就可完成复杂的测量分析工作,提高了工作效率。 咀嚼系统、牙齿运动生物学、整形和正颌外科的理解。在不2.3正畸矫治过程的三维模拟与疗效的可视化预测根 TM 久的未来,可观测三维虚拟牙颌模型的工作台必将成为口据临床诊断设计的需要,还可运用OrthoCAD等软件实现 腔正畸诊所的标准配置。虚拟矫治过程,如计算机模拟手术,模拟牙的移动、旋转、拔除等,还可模拟托槽的定位和预成个体弓丝的形态。通过 参考文献虚拟治疗来选择制定最佳治疗方案,使矫治更为精确。 1MeadowsDM,JohnsonWO,AllenJB.Generationofsurfacecon- 2.4具有划时代意义的无托槽隐形矫治器的研制美国 tourbyMoirepatternsJ.AppliedOptics,1970,9(4):942- Align公司制作的无托槽隐形矫治器-Invisalign,1999年以 947.来已成功矫治了数以百万计的各类错畸形。其借助CT 合 牙 2张修银,杨宠莹,高建新,等.数字散斑相关方法用于牙冠形状等扫描技术将获得的口腔阴模或石膏阳模进行三维处理形 的三维测量J.上海口腔医学,1997,6(2):68-70.成数字化模型,模拟临床矫治设计和牙齿移动的方式,进行 3周立新,厉松,王邦康.牙颌模型视频立体测量系统的建立与可视化矫治,并将每个矫治阶段的三维模型快速激光成形, 应用J.现代口腔医学杂志,2002,16(4):347-349.再在成形母模上制作压膜矫治器,具有美观舒适、高效卫生 4KusnotoB,EvansCA.Reliabilityofa3Dsurfacelaserscannerfor及椅旁操作时间短等诸多优点,开创了正畸矫治技术的新 orthodonticapplicationsJ.AmJOrthodDentofacialOrthop,篇章。国内也已研制成功具有自主知识产权的无托槽隐形 2002,122(4):342-348. 10 。矫治器系统 5HajeerMY,AyoubAF,MillettDT,etal.Three-dimensional imaginginorthognathicsurgery-theclinicalapplicationofanew 3三维数字化牙颌模型的发展前景 methodJ.IntJAdultOrthodOrthognathSurg,2002,17(4): 318-330. 3.1动态三维数字化牙颌模型的建立Hannam和Lange- 6姚森,易亚星,李忠科,等.牙颌模型专用激光三维扫描分析 nbach已开发出一种建立三维动态牙颌模型的技术,能显示 系统的研制及应用J.口腔医学纵横杂志,2000,16(4):285患者咀嚼过程中牙颌和相关肌肉的三维运动情况,从而模 -287.拟功能活动中相关肌肉、咬合关系以及颞下颌关节的生物 7高洪涛,颜永年,祁鹏,等.医学牙颌石膏模型数字化技术研究力学变化,分析牙颌形态结构与功能之间的不调。因该模 J.制造业自动化,2005,27(8):9-12.型中包括牙齿、肌肉、颌骨以及软组织在内的所有解剖结构 8严斌,王林,胡遒生,等.牙模型三维CT扫描测量分析系统 合 牙都是分离的,并可在人为控制下产生独立的运动,所以是真 的建立和研究J.华西口腔医学杂志,2005,23(4):329-正的可互动的患者个体模型。如能投入临床常规应用,将 331.为正畸诊断和治疗提供巨大帮助。 9MacchiA,CarrafielloG,CacciafestaV,etal.Three-dimensional 3.2三维颅颌面软、硬组织模型的重建整合颅面软、硬 digitalmodelingandsetupJ.AmJOrthodDentofacialOrthop,组织及牙颌模型任何单一组织的三维重建过程,虽然都较 2006,129(5):605-610.为精确地捕获了该部分的三维信息,但均不能全面反映颅 10王邦康.口腔正畸矫治方法的新进展-无托槽隐形矫治器的 研究与展望J.北京口腔医学,2005,13(1):2-5.颌面各部分之间的关系。而应用阻射线的“结点”就可高精度地将重建的颅骨、面像、牙颌模型3种数字化三维信息 2008-01-02收稿2008-01-14修回本文编辑:杨永庆整合形成完整的颅颌面软、硬组织三维结构模型,帮助正畸