应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究——牙颌石膏模型的层析三维测量
作者：高勃 周剑 毛勇 王忠义 黄卫东
单位：高勃(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，710082)；周剑(青岛海信集团技术中心、天津大学)；毛勇(第四军医大学口腔医学院修复科)；王忠义(第四军医大学口腔医学院修复科)；黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，710082)
关键词：三维；测量；牙列；牙模型；轮廓
应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究摘 要：目的：实现牙颌模型的精确三维测量信息贮存，为口腔修复体的激光近形制作和CAD/CAM奠定基础。方法：采用层析三维数字化仪，逐层铣出并扫描测量被测牙颌石膏模型的断面，经图象处理精确求出断面二维边缘轮廓数据，由断面边缘轮廓数据叠加重建牙颌模型。结果：获得了全牙列石膏模型断面边缘轮廓图和三维显示模型。结论：层析三维测量可对形状复杂的全牙列石膏模型进行精确、自动测量，避免了光学测量难以克服的测量盲区问题。
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分类号：P783-6 文献标识码：A
文章编号：1001-3733(2000)01-0004-03
Fabrication dental prosthesis with laser engineered net shaping method.Part 1: Measurement of dentognathic gypsum models with a 3D digitizer by cutting and scanning layer-by -layer
Gao Bo Zhou Jian Mao Yong et al.
(The State Key Laboratory of Solidification Processing in Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072)
, 百拇医药
Abstract：Objective: To achieve accurate three-dimensional(3D) measurement of dentognathic models with laser engineered net shaping method and dental CAD/CAM system for the purpose of fabrication dental prosthesis.Methods:Dentognathic gypsum models were measured with a 3D digitizer by cutting and scanning layer-by-layer, and the 3D shape of the models was reconstructed by image processing with a 3D program. Results:Vivid graphics of dentognathic models with whole dentition were obtained.Conclusion:Precise configuration of dentognathic models with complicat shape can be acquired with this system since there is no measuring blind spots.
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Key words：Three dimention; Measurement; Dentition; Dental model; Profile▲
80年代开始,CAD/CAM技术被引入口腔修复领域,采用数控铣床制作修复体。由于加工方法采用失材铣削方式，存在如下问题：第一必须预制留有加工余量的机加工材料，在铣削过程中势必造成材料的浪费；第二受切削材料韧性和数据印模的限制，只能制作较小的修复体，如单冠、简单固定桥，应用范围很有限；第三，机加工材料质单一，或者为金属或者为陶瓷，不具备自动制作复合材料修复体的能力。激光近形制造技术是将激光涂覆和激光快速原型制造技术相结合的高新技术[1]，其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，即将三维信息转成一系列的二维信息，每片数据转成数控加工命令，控制送粉器采取同步送粉方式，在激光辐照的同时，用气体将材料粉末以一定角度吹入熔池使之熔化，将材料进行逐层堆积，最终形成三维零件。由于激光束具有高功率密度、方向性好、控制快捷等优点，从而使激光近形制造技术具有快速、准确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制。同时，金属材料在激光束的照射下所获得的优越组织性能又可保证零件具有优越的性能。316不锈钢和Inconel625镍基高温合金极限强度和屈服强度与相同材料的锻后时效件相比，前者提高了36%和85%，提高了11.6%和29.3%，其性能优于采用传统方法加工的零件[1]。无论是数控失材铣削还是增材制造方式，其前提是都要能 准确、快速获取牙颌的数字化模型并依据模型进行计算机辅助设计。牙颌模型三维测量方法可分为光学非接触测量和机械接触式测量两类〔2〕。前者对于两牙之间狭窄的邻间隙，由于光线入射和反射角度的问题，存在测量盲区，很难测量到邻间隙正确的解剖形态〔3〕。迄今为止，国内外均未解决“基牙牙冠外形以及基牙周围容纳全冠垂直壁的缝隙结构”的光学印模这一难题，严重影响了口腔CAD/CAM系统的技术进步。因此，尝试新的计算机辅助制作和获取数据印模方法，成为急待解决的问题。本研究尝试应用一种全新的层析三维测量方法，在保证测量精度的同时，解决测量盲区问题，并为应用激光快速成型技术制作口腔修复体奠定基础。
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1 材料和方法
1.1 实验设备和实验对象
采用CMS400层析三维数字化测量机(由青岛海信集团和西安交通大学激光与红外研究所共同研制)。该测量机系统包括：数控加工系统、扫描系统、计算机控制处理系统、软件处理系统四大部分(图1)。主要硬件设备有：数控机床(M7232S磨床改装)、平板扫描仪(A3)、计算机(PⅢ450以上)、真空/压力罐、夹具、随机附件等。
图1 系统关联图
1.2 测量过程
首先制作符合层析测量牙颌石膏模的测量模块。牙颌石膏模型用环氧树脂6101包裹，固化剂采用聚酰胺树脂。为增加对比度，在环氧树脂中均匀加入适量石墨粉或其他色素。测量模块制作完成后，用特制夹具固定在机床工作台上，开始层析测量。设断层厚度为0.1 mm，以该断层厚度铣去一层断面，获得下一层断面，用负压排屑装置清除待测断面的切屑，再用一高精度的平板扫描仪获取该断面的二维图象，设定扫描仪的光学分辨率为600 DPI。把二维图象送入计算机经图象处理，精确提取牙颌石膏模型断面边缘轮廓，贮存模型断面二维数据，完成一次测量循环。重复上述测量循环过程，直到整个牙颌模型测量完毕为止，用三维图象处理软件由断面二维数据重建牙颌模型的三维形态。最后，可将三维数据进行格式转换，符合标准的CAD/CAM格式(如IGES、STL、DXF文件等)。
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2 结 果
如图2所示，邻间隙清晰可辨，未见测量盲目。模型边缘轮廓连续平滑。
图2 全牙列模型三维显示图
3 讨 论
3.1 层析三维测量原理
层析三维测量机是集光学、机械、电子、控制、计算机视觉和图象处理于一体的高科技产品〔4〕。其原理是采用“断面剖开与断面叠加”的形态学方法，即首先用铣床或磨床剖开被测物体，然后用光电转换装置采集断层面边缘轮廓的二维形态信息，并将之用图象处理软件叠加成三维信息，再现被测物体的表面立体形态，在此基础上提取任意复杂形状的三维形态。
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3.2 层析三维测量方法特点
目前在口腔CAD/CAM系统中应用的三维测量技术有三坐标测量仪〔5〕、立体摄影测量、莫尔条纹测量、光栅投影直接测量、激光扫描测量〔1〕等。机械三坐标测量仪由于采用了机械探头进行接触式扫描测量，测量速度很慢，且象具有复杂曲面和狭窄缝隙结构的全牙列模型很难用三坐标测量仪来逐点实现数字化。激光扫描测量的本质是三角测量，受被测物表面散射特性的限制，必须满足“光线所及(光线能照到)和视线所及(能被观察到)”两个条件，对于光线不可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲区问题。其它可见光测量方法的不足之处与激光扫描测量类似。层析三维测量由于采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法，综合了机械接触测量和光学测量的优点，能够快速、自动、准确地测量被测物体的三维数据。图2结果显示，邻间隙形态清晰可辨，解决了邻牙狭窄缝隙结构难以测量的难题。当然，其缺点是具有破坏性。牙颌形态测量只能通过转化为石膏模型才能实现。
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3.3 层析三维测量在口腔医学中的应用前景
3.3.1 牙颌形态三维测量 测量分析是进行任何形态学研究必不可少的一项内容，它可提供定量资料。形态测量的数字化、计算机化为三维形态分析提供了强有力的手段。牙颌模型的研究也不例外。图象处理软件可进行有关牙齿、牙弓等参数的测量分析。通过移动光标，可测量模型表面任意两点间的x、y、z坐标，求出两点间的距离。
3.3.2 牙颌模型的三维显示、储存及再现 牙颌模型记载了牙齿、牙槽嵴的全部情况，用于辅助诊断和确定治疗方案。在医疗、教学及科研中占有重要地位，常常需要长期保存。激光全息、激光扫描测量方法固然能达到贮存牙颌模型三维信息的目的，但只能局限于计算机图象显示，往往在需要时并不能将图象转化成实物模型〔6，7〕。本研究则有效地解决了这一问题。软件处理系统可输出STL、IGES、DXF文件等CAD实体数据。也可直接输入到激光快速成型RP(Rapid Prototyping)系统中，用激光快速成型机直接加工制作出树脂或陶瓷模型，再现被测物形态(另文著述)。
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3.3.3 开辟计算机辅助制作口腔修复体新方法，与测量全牙列牙颌模型相比，全口无牙颌模型及部分牙、牙列缺失的模型测量则要相对简单一些。日本学者采用激光扫描测量获得了无牙颌数据印模，在此基础上尝试应用液态激光光敏树脂选择性固化，也称立体平版印刷(stereolithography apparatus，简称SLA)制作全口义齿〔8〕，但激光光敏树脂的力学、生物学性能远不能满足临床实际需要。目前，义齿CAD/CAM技术受数据印模和数控铣削方式的困扰，应用只局限于冠、简单固定桥的设计制作。将层析测量方法与激光近形制造技术相结合，如果获得成功，必将为口腔修复体的制作开辟一种全新的加工方法和制作工艺，使计算机辅助设计的配套加工手段更加完善；并能加工制作多种材料，有望制作复合材料修复体；所加工修复体的材料性能将远远优于现有材料；能节省昂贵的牙科材料，与切削加工方法相比，应用范围更广，实用价值更高。如同现代激光照排技术取代传统的排版印刷技术一样，极大地提高口腔修复体的自动化程度和生产效率，拓宽义齿CAD/CAM技术的应用范围。
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基金项目：本研究得到国家自然科学基金资助(39900035)和陕西省自然科学基金资助(99DM70)
参考文献：
[1]Keicher D M, Smugeresky J E,Romero J A, et al. Using the laser engineered net shaping (LENS) process complex component from a CAD solid model. SPIE, 1997, 2993:91
[2]高勃,王忠义,张少锋.光栅变形条纹直接分析法用于牙冠形状的三维测量——正交验波法. 实用口腔医学杂志,1998,14(2)：125
[3]木村博, 庄村泰治, 渡边隆司. 齿牙形状の三次元计测(第六报).齿科材料*器械, 1990,9(2):295
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[4]Zhou J, Yang YX, Tan YS. A 3D digitizer by cutting and scanning layer-by-layer.Chin J Laser, 1999,B8(1):7
[5]Rekow ED. CAD/CAM system--what is the state of the art? J Am Dent Assoc, 1991,122(12):43
[6]Hall JA.The use of laser holograms in study model storage. Aust Orthod J,1987,10(1):36
[7]柯杰，李忠科，林珠,等，牙颌模型激光三维测量分析系统(一)—系统组成与功能.实用口腔医学杂志,1995,11(3)：200
[8]Maeda Y, Minoura M, Tsutsumi S, et al. A CAD/CAM system for removable denture. Pant 1:Fabrication of complete dentures . Int J Prosthodont,1994,7(1):17
收稿日期：1999-11-30, http://www.100md.com
单位：高勃(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，710082)；周剑(青岛海信集团技术中心、天津大学)；毛勇(第四军医大学口腔医学院修复科)；王忠义(第四军医大学口腔医学院修复科)；黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室，710082)
关键词：三维；测量；牙列；牙模型；轮廓
应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究摘 要：目的：实现牙颌模型的精确三维测量信息贮存，为口腔修复体的激光近形制作和CAD/CAM奠定基础。方法：采用层析三维数字化仪，逐层铣出并扫描测量被测牙颌石膏模型的断面，经图象处理精确求出断面二维边缘轮廓数据，由断面边缘轮廓数据叠加重建牙颌模型。结果：获得了全牙列石膏模型断面边缘轮廓图和三维显示模型。结论：层析三维测量可对形状复杂的全牙列石膏模型进行精确、自动测量，避免了光学测量难以克服的测量盲区问题。
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分类号：P783-6 文献标识码：A
文章编号：1001-3733(2000)01-0004-03
Fabrication dental prosthesis with laser engineered net shaping method.Part 1: Measurement of dentognathic gypsum models with a 3D digitizer by cutting and scanning layer-by -layer
Gao Bo Zhou Jian Mao Yong et al.
(The State Key Laboratory of Solidification Processing in Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072)
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Abstract：Objective: To achieve accurate three-dimensional(3D) measurement of dentognathic models with laser engineered net shaping method and dental CAD/CAM system for the purpose of fabrication dental prosthesis.Methods:Dentognathic gypsum models were measured with a 3D digitizer by cutting and scanning layer-by-layer, and the 3D shape of the models was reconstructed by image processing with a 3D program. Results:Vivid graphics of dentognathic models with whole dentition were obtained.Conclusion:Precise configuration of dentognathic models with complicat shape can be acquired with this system since there is no measuring blind spots.
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Key words：Three dimention; Measurement; Dentition; Dental model; Profile▲
80年代开始,CAD/CAM技术被引入口腔修复领域,采用数控铣床制作修复体。由于加工方法采用失材铣削方式，存在如下问题：第一必须预制留有加工余量的机加工材料，在铣削过程中势必造成材料的浪费；第二受切削材料韧性和数据印模的限制，只能制作较小的修复体，如单冠、简单固定桥，应用范围很有限；第三，机加工材料质单一，或者为金属或者为陶瓷，不具备自动制作复合材料修复体的能力。激光近形制造技术是将激光涂覆和激光快速原型制造技术相结合的高新技术[1]，其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，即将三维信息转成一系列的二维信息，每片数据转成数控加工命令，控制送粉器采取同步送粉方式，在激光辐照的同时，用气体将材料粉末以一定角度吹入熔池使之熔化，将材料进行逐层堆积，最终形成三维零件。由于激光束具有高功率密度、方向性好、控制快捷等优点，从而使激光近形制造技术具有快速、准确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制。同时，金属材料在激光束的照射下所获得的优越组织性能又可保证零件具有优越的性能。316不锈钢和Inconel625镍基高温合金极限强度和屈服强度与相同材料的锻后时效件相比，前者提高了36%和85%，提高了11.6%和29.3%，其性能优于采用传统方法加工的零件[1]。无论是数控失材铣削还是增材制造方式，其前提是都要能 准确、快速获取牙颌的数字化模型并依据模型进行计算机辅助设计。牙颌模型三维测量方法可分为光学非接触测量和机械接触式测量两类〔2〕。前者对于两牙之间狭窄的邻间隙，由于光线入射和反射角度的问题，存在测量盲区，很难测量到邻间隙正确的解剖形态〔3〕。迄今为止，国内外均未解决“基牙牙冠外形以及基牙周围容纳全冠垂直壁的缝隙结构”的光学印模这一难题，严重影响了口腔CAD/CAM系统的技术进步。因此，尝试新的计算机辅助制作和获取数据印模方法，成为急待解决的问题。本研究尝试应用一种全新的层析三维测量方法，在保证测量精度的同时，解决测量盲区问题，并为应用激光快速成型技术制作口腔修复体奠定基础。
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1 材料和方法
1.1 实验设备和实验对象
采用CMS400层析三维数字化测量机(由青岛海信集团和西安交通大学激光与红外研究所共同研制)。该测量机系统包括：数控加工系统、扫描系统、计算机控制处理系统、软件处理系统四大部分(图1)。主要硬件设备有：数控机床(M7232S磨床改装)、平板扫描仪(A3)、计算机(PⅢ450以上)、真空/压力罐、夹具、随机附件等。
图1 系统关联图
1.2 测量过程
首先制作符合层析测量牙颌石膏模的测量模块。牙颌石膏模型用环氧树脂6101包裹，固化剂采用聚酰胺树脂。为增加对比度，在环氧树脂中均匀加入适量石墨粉或其他色素。测量模块制作完成后，用特制夹具固定在机床工作台上，开始层析测量。设断层厚度为0.1 mm，以该断层厚度铣去一层断面，获得下一层断面，用负压排屑装置清除待测断面的切屑，再用一高精度的平板扫描仪获取该断面的二维图象，设定扫描仪的光学分辨率为600 DPI。把二维图象送入计算机经图象处理，精确提取牙颌石膏模型断面边缘轮廓，贮存模型断面二维数据，完成一次测量循环。重复上述测量循环过程，直到整个牙颌模型测量完毕为止，用三维图象处理软件由断面二维数据重建牙颌模型的三维形态。最后，可将三维数据进行格式转换，符合标准的CAD/CAM格式(如IGES、STL、DXF文件等)。
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2 结 果
如图2所示，邻间隙清晰可辨，未见测量盲目。模型边缘轮廓连续平滑。
图2 全牙列模型三维显示图
3 讨 论
3.1 层析三维测量原理
层析三维测量机是集光学、机械、电子、控制、计算机视觉和图象处理于一体的高科技产品〔4〕。其原理是采用“断面剖开与断面叠加”的形态学方法，即首先用铣床或磨床剖开被测物体，然后用光电转换装置采集断层面边缘轮廓的二维形态信息，并将之用图象处理软件叠加成三维信息，再现被测物体的表面立体形态，在此基础上提取任意复杂形状的三维形态。
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3.2 层析三维测量方法特点
目前在口腔CAD/CAM系统中应用的三维测量技术有三坐标测量仪〔5〕、立体摄影测量、莫尔条纹测量、光栅投影直接测量、激光扫描测量〔1〕等。机械三坐标测量仪由于采用了机械探头进行接触式扫描测量，测量速度很慢，且象具有复杂曲面和狭窄缝隙结构的全牙列模型很难用三坐标测量仪来逐点实现数字化。激光扫描测量的本质是三角测量，受被测物表面散射特性的限制，必须满足“光线所及(光线能照到)和视线所及(能被观察到)”两个条件，对于光线不可及或视线不可及的地方，形状测量则无法实现，出现阴影和盲区问题。其它可见光测量方法的不足之处与激光扫描测量类似。层析三维测量由于采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法，综合了机械接触测量和光学测量的优点，能够快速、自动、准确地测量被测物体的三维数据。图2结果显示，邻间隙形态清晰可辨，解决了邻牙狭窄缝隙结构难以测量的难题。当然，其缺点是具有破坏性。牙颌形态测量只能通过转化为石膏模型才能实现。
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3.3 层析三维测量在口腔医学中的应用前景
3.3.1 牙颌形态三维测量 测量分析是进行任何形态学研究必不可少的一项内容，它可提供定量资料。形态测量的数字化、计算机化为三维形态分析提供了强有力的手段。牙颌模型的研究也不例外。图象处理软件可进行有关牙齿、牙弓等参数的测量分析。通过移动光标，可测量模型表面任意两点间的x、y、z坐标，求出两点间的距离。
3.3.2 牙颌模型的三维显示、储存及再现 牙颌模型记载了牙齿、牙槽嵴的全部情况，用于辅助诊断和确定治疗方案。在医疗、教学及科研中占有重要地位，常常需要长期保存。激光全息、激光扫描测量方法固然能达到贮存牙颌模型三维信息的目的，但只能局限于计算机图象显示，往往在需要时并不能将图象转化成实物模型〔6，7〕。本研究则有效地解决了这一问题。软件处理系统可输出STL、IGES、DXF文件等CAD实体数据。也可直接输入到激光快速成型RP(Rapid Prototyping)系统中，用激光快速成型机直接加工制作出树脂或陶瓷模型，再现被测物形态(另文著述)。
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3.3.3 开辟计算机辅助制作口腔修复体新方法，与测量全牙列牙颌模型相比，全口无牙颌模型及部分牙、牙列缺失的模型测量则要相对简单一些。日本学者采用激光扫描测量获得了无牙颌数据印模，在此基础上尝试应用液态激光光敏树脂选择性固化，也称立体平版印刷(stereolithography apparatus，简称SLA)制作全口义齿〔8〕，但激光光敏树脂的力学、生物学性能远不能满足临床实际需要。目前，义齿CAD/CAM技术受数据印模和数控铣削方式的困扰，应用只局限于冠、简单固定桥的设计制作。将层析测量方法与激光近形制造技术相结合，如果获得成功，必将为口腔修复体的制作开辟一种全新的加工方法和制作工艺，使计算机辅助设计的配套加工手段更加完善；并能加工制作多种材料，有望制作复合材料修复体；所加工修复体的材料性能将远远优于现有材料；能节省昂贵的牙科材料，与切削加工方法相比，应用范围更广，实用价值更高。如同现代激光照排技术取代传统的排版印刷技术一样，极大地提高口腔修复体的自动化程度和生产效率，拓宽义齿CAD/CAM技术的应用范围。
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基金项目：本研究得到国家自然科学基金资助(39900035)和陕西省自然科学基金资助(99DM70)
参考文献：
[1]Keicher D M, Smugeresky J E,Romero J A, et al. Using the laser engineered net shaping (LENS) process complex component from a CAD solid model. SPIE, 1997, 2993:91
[2]高勃,王忠义,张少锋.光栅变形条纹直接分析法用于牙冠形状的三维测量——正交验波法. 实用口腔医学杂志,1998,14(2)：125
[3]木村博, 庄村泰治, 渡边隆司. 齿牙形状の三次元计测(第六报).齿科材料*器械, 1990,9(2):295
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[4]Zhou J, Yang YX, Tan YS. A 3D digitizer by cutting and scanning layer-by-layer.Chin J Laser, 1999,B8(1):7
[5]Rekow ED. CAD/CAM system--what is the state of the art? J Am Dent Assoc, 1991,122(12):43
[6]Hall JA.The use of laser holograms in study model storage. Aust Orthod J,1987,10(1):36
[7]柯杰，李忠科，林珠,等，牙颌模型激光三维测量分析系统(一)—系统组成与功能.实用口腔医学杂志,1995,11(3)：200
[8]Maeda Y, Minoura M, Tsutsumi S, et al. A CAD/CAM system for removable denture. Pant 1:Fabrication of complete dentures . Int J Prosthodont,1994,7(1):17
收稿日期：1999-11-30, http://www.100md.com