專利名稱：一種基于cad/rp技術的全口義齒設計制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于CAD/RP (Computer Aided Design / Rapid Prototyping,計算機輔助設計與快速成形)技術的中性區全口義齒 制作方法。
背景技術：
隨著我國人口的老齡化，全口牙列缺失即無牙頜患者逐年增多， 據第二次全國口腔健康流行病抽樣調查數據顯示，我國城鄉65-73歲 老人無牙頜患者占10.51%,各年齡層無牙頜患者約1500萬。各種類 型的全口義齒是目前無牙頜患者最主要的修復方式。中性區總義齒是 全口義齒的理想境界，輔以中性區理論制作的全口義齒能滿足無牙頜 患者口腔內軟組織例如咀嚼肌群等在功能狀態下的個性化要求，獲得 更加舒適、穩定的修復效果。但由于傳統手工設計制作流程中存在步 驟繁瑣、操作復雜且制作周期長等問題，該項技術一直未能在國內口 腔修復臨床中廣泛推廣。因此，開發高效率、低工作量并適合臨床應 用的中性區全口義齒設計制作方法將為無牙頜患者帶來福音。
近20年來，國內外學者對口腔固定修復體(冠、橋、嵌體)CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacture, 計算機
輔助設計與計算機輔助加工)進行了深入而廣泛的研究，多年的臨床 應用驗證了 CAD/CAM技術在口腔固定修復領域的可行性。但對活動義 齒(局部義齒和全口義齒)的CAD/CAM研究卻相對滯后，這是由于活 動義齒造型復雜，并且構成義齒的材料復雜多樣，很難用單一設備和 工序制造完成。迄今為止，國內外尚未獲得全口義齒CAD/CAM研究的突破性進展。
RP (Rapid prototyping)即快速原型技術，也稱為快速成形技 術，最早出現于1986年并首先應用于航天工業，是一種新型的計算 機輔助加工技術。它基于離散/堆積成形原理，通過快速成形機將粉 末狀材料逐層堆積成實體原型，能將三維設計數據直接物化為具有一 定結構功能的產品原型。RP技術適用于復雜形態物體的直接快速三 維成形，目前可用的材料包括石膏、樹脂、金屬及瓷等。RP技術在 口腔醫學中的應用，早期主要集中于頜面修復外科制作三維頭顱模型， 指導口腔頜面部復雜畸形患者的治療，取得滿意療效。RP技術也被 應用于批量制作金屬全冠和基底冠、樹脂全冠及可摘局部義齒支架的 樹脂鑄型。國外學者利用RP技術制作了全口義齒牙列和基托的樹脂 外殼，分別充入牙色和牙齦色流動樹脂后進行試制全口義齒的研究。 由此可見，RP技術在口腔修復體的制作方面有著廣泛的應用和發展 空間。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
為彌補現有技術的空白，本發明的目的在于提出一種高效率、低 工作量并適合臨床應用的中性區全口義齒設計制作方法，以制作出精 確、舒適、耐用的全口義齒修復體，從而解決傳統手工設計制作流程 中存在的步驟繁瑣、搡作復雜且制作周期長等問題，推動中性區全口 義齒在國內口腔修復臨床中的廣泛應用，為無牙頜患者帶來福音。
(二) 技術方案
一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒的制作方法。該方法包 括以下步驟
1、基于參數化定位的全口義齒人工牙三維圖形數據庫的建立。所述參數化定位是指根據解剖學特征及全口義齒排牙理論，創建各人 工牙定位坐標系、姿態坐標系、定位標志點、豐滿度標志點等邏輯關 系明確且充分必要的數學描述。
2、 基于帶有空間位置關系的三維激光掃描技術，釆集具有正中 關系的上下無牙頜及中性區頜提數據。所述釆集獲得的具有正中關系 的上下無牙頜及中性區耠提三維數據，可準確還原患者"個性化"的 頜間關系。
3、 基于逆向工程軟件設計符合中性區及全口義齒平衡駘排牙理 論的全口義齒人工牙列。
4、 基于逆向工程軟件設計符合全口義齒中性區理論及美學原則
的牙齦和基托。
5、 基于CAD/RP技術的全口義齒型盒設計和加工。所述全口義齒
型盒的設計為全口義齒陰模的設計，RP技術完成的是石膏陰模的加 工。
6、 手工插牙、裝膠完成全口義齒修復體。
制作釆用"兩步法"的技術，用以解決RP技術在分色、分材料 成形的局限性。具體體現為，通過l到5步的CAD/RP階段(第一階 段)，完成全口義齒陰模的設計加工；第6步的手工階段(第二階段) 實現分色、分材料的工藝，完成最終修復體。 (三)有益效果
本發明首創"兩步法"思路，將傳統制作中技術含量最高、操作 最復雜的手工排牙和蠟型制作由計算機和快速成形技術完成，只需最 后輔以簡單的手工步驟，即可完成全口義齒的全部制作，大大簡化了 傳統手工工藝的繁雜工序，提高了效率和修復體的準確性，實現了全 口義齒的設計制作過程從手工向數字化的轉變。
圖l基于CAD/RP技術的全口義齒"兩步法"制作流程示意圖
圖2人工牙層析掃描數據示意圖
圖3參數化定位的人工牙模型示意圖
圖4掃描重建后的無牙頜及頜提模型示意圖
圖5創建的耠平面及全局坐標系示意圖
圖6創建的上下頜前牙排牙線示意圖
圖7全口義齒人工牙列示意圖
圖8全口義齒CAD數字模型示意圖
圖9全口義齒型盒示意圖
圖10 RP陰模示意圖
圖11全口義齒修復體示意圖
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的保護范圍。 如圖1所示，本發明完成了一種基于CAD/RP技術的中性區全口
義齒的"兩步法"制作流程。
本發明的方法內容包括以下步驟
1、基于參數化定位的全口義齒人工牙三維圖形數據庫的建立， 包括人工牙數據獲取、人工牙定位坐標系及各標志點的建立，兩個 步驟。
(l)人工牙數據獲取 ， 應用硅橡膠包埋翻模技術，將三層色樹脂人工牙(賀利氏古莎齒 科有限公司)翻制成白色硬石膏模型，使用SB-01型層析機(北京時 代天使生物科技有限公司，掃描層厚O. 平面掃描精度600*600 DPI)對石膏牙進行自動切層掃描，各層二維數據在計算機中進行三 維重建，獲得各人工牙全表面三維STL數據，如圖2所示，為典型牙 位掃描數據。(2)人工牙定位坐標系及各標志點的建立 根據掃描重建后的人工牙數據解剖學特征及全口義齒排牙理論， 在逆向工程軟件中創建與各牙位對應的近、遠中定位坐標系、姿態坐 標系、前牙唇面豐滿度標志點、人工牙觀測長軸和人工牙切向(耠向)、 頸向、近遠中向旋轉軸定位點等用于全口義齒排牙的量化參數以及邊
緣齦曲面。如圖3所示，為左上中切牙參數化定位后的STL數據模型。 由全口各牙位參數化定位后的人工牙STL數據創建可直接用于 全口義齒CAD的人工牙三維圖形數據庫。
2、 使用D. 02-L三維點激光掃描儀分次掃描上下無牙頜牙槽嵴石 膏模型及由口腔醫生臨床制取的個性化駘提上下表面，獲取具有正中 關系的上下無牙頜及中性區頜提三維點云數據。
所述三維數據釆集設備為北京大學口腔醫學院開發的D.02-L三 維點激光掃描儀，精度0.05mm，該掃描儀配有專用的上下頜模型關 系定位裝置，可實現帶有一定空間位置關系的上下頜模型的數據獲 取。
如圖4所示，為逆向工程軟件重建后的具有正中關系的上下無牙 頜及中性區耠提三維數據，格式為STL數字模型。模型記錄了無牙頜 解剖標志區及預先雕刻好的后提區形態，個性化駘提記錄了無牙頜患 者上下頜之間的垂直和水平頜位關系、耠平面的位置、前牙豐滿度、 面部中線等個性化信息，準確還原了患者"個性化"的頜間關系。
3、 基于逆向工程軟件設計符合中性區及全口義齒平衡駘排牙理 論的全口義齒人工牙列，包括創建駘平面與全局坐標系、創建排牙 線和排列人工牙，三個步驟。
(1)創建駘平面與全局坐標系
駘平面是排列全口義齒人工牙的重要依據，掃描獲取的個性化耠提的耠面部分代表了準確、個性化的胎平面。
如圖5所示，在逆向工程軟件中調入上下無牙頜牙槽嵴及耠堤數 據，以上耠堤切緣線與面部中線的交點為坐標原點O，將上耠提的始 面部分擬合為通過原點的駘平面。以驗平面為XOY平面，以正中矢狀
面為Y0Z平面，應用迪卡爾規則創建"全局坐標系"。
(2) 創建排牙線
排牙線用來表達人工牙列的曲率特征、上下頜牙列間的覆耠覆蓋 關系及各人工牙與駘平面的空間關系。本發明根據全口義齒排牙理論 分別創建了上頜前牙、下頜前牙、上頜后牙及下頜后牙排牙線。
如圖6所示，為創建的上下頜前牙排牙線示意圖。上頜前牙排牙
線是與上耠提切緣線一致且落在駘平面上的二維曲線；下頜前牙排牙 線是應用逆向工程軟件提供的數據偏置工具將上頜前牙排牙線在袷 平面上舌向偏置2mm獲得的二維曲線；基于上下頜牙槽嵴頂連線和軟
件提供的放樣曲面工具創建空間曲面，提取與耠平面的相交二維曲 線，獲得上頜后牙排牙線；下頜后牙的排列依賴于正中駘時與上頜后 牙之間的尖窩交錯關系，因此下頜后牙排牙線在上頜后牙排列完畢后 可獲得。
(3) 排列人工牙
本發明根據全口義齒排牙理論按照上下頜前牙、上頜后牙和下頜 后牙的順序，依據(2)中創建的各排牙線，進出人工牙參數化定位。 a、上下頜前牙
上下頜前牙排牙原則為上頜前牙切緣應落在駘平面上，下前牙 切緣應高出駘平面lmm，上下頜前牙間應建立正常的覆耠、覆蓋關系。
數據庫中人工牙定位坐標系表達了上述要求，排牙時在個性駘平 面及無牙耠提上建立對應的排牙坐標系來定位人工牙。
初步定位的中切牙近中鄰面與正中矢狀面之間會出現數據干涉 或過大間隙。基于最小二乘法編制碰撞干涉檢測函數，將人工牙及近、遠中定位標志點沿排牙線移動，直至鄰面接觸區數據干涉值趨近于 零。上駘提唇面反映了患者的個性化豐滿度要求，以近、遠中定位標 志點間連線為旋轉軸，唇舌向旋轉人工牙，使前牙唇面豐滿度標志點 與上耠提唇面重合，滿足個性化豐滿度要求。
b、 上頜后牙
定位方法同a，在定位坐標系中人工牙駘面上的各解剖標志點與 始平面之間已經具有口腔修復學統編教科書中排牙原則要求的空間 位置關系。
c、 下頜后牙
下頜后牙排牙線。在排牙線上提取下頜后牙近、遠中定位標志點，應 用軟件提供的兩點配準工具初步定位下頜后牙。
利用基于最小二乘法的碰撞檢測函數計算下頜后牙頰尖頂點與 上頜后牙始面間的干涉值或距離值，以近、遠中定位標志點連線為軸， 對人工牙進行頰舌向旋轉，使該數值趨于"零"。
在處理鄰面數據干涉后，測量下頜后牙頰尖頂點與對應的兩上頜 后牙鄰面接觸點在上頜后牙排牙線上的投影距離值，根據該數值改變 上頜后牙在其排牙線近遠中方向上的位置，獲得上下頜后牙的牙尖交 錯關系。
如圖7所示，全口義齒人工牙排列完畢。
4、基于逆向工程軟件設計符合全口義齒中性區理論及美學原則 的牙齦和基托，包括邊界線提取、上頜基托設計及下頜基托設計， 三個步驟。
(1)邊界線提取
在逆向工程軟件中創建上下頜基托近齦邊界線； 融合各人工牙唇頰側邊緣齦及舌腭側齦-牙交界線，獲得上下頜基托近牙邊界線；
連接各人工牙唇頰側邊緣齦中點獲得"基托形態控制線"。
(2) 上頜基托設計
應用逆向工程軟件提供的uv放樣曲面工具創建上頜唇頰側及腭
側近牙部分基托磨光面；
提取上頜無牙頜數據中帶有腭皺形態的部分，應用數據偏置函數
增厚2mm，與已經創建的上頜腭側近牙側基托融合，獲得完整的上頜
基托磨光面；
在上頜無牙頜牙槽嵴數據上提取近齦邊界線以內的部分作為上 頜基托組織面。
(3) 下頜基托設計
應用UV放樣曲面工具創建下頜基托磨光面；
在下頜無牙頜牙槽嵴數據上提取近齦邊界線以內的部分作為下 頜基托組織面；
應用雙軌掃瞄曲面工具創建半球形基托邊緣。
如圖8所示，全口義齒人工牙齦和基托CAD完成，即全口義齒 CAD數字模型完成。
5、基于CAD/RP技術的全口義齒型盒設計和加工，包括全口義 齒型盒CAD與全口義齒型盒RP,兩個步驟。 (1)全口義齒型盒CAD
在逆向工程軟件中，基于上述1-4步驟完成的全口義齒CAD數字 模型，以全口義齒磨光面和組織面分別作為陰模的上、下功能面。陰 模的上功能面包括基托磨光面和人工牙"齦上"部分表面數據，下功 能面包括無牙頜牙槽嵴表面、基托邊緣面和人工牙"齦下"部分表面 數據。等比放大基托外邊界線約5mm (根據Z Corp公司提供的專用 石膏粉成形后的機械強度特征，厚度應至少達到4-5mm方可承受一定的壓力)，創建與耠平面垂直的軸面和與始平面平行的底平面。可獲 得上頜上下、下頜上下全口義齒型盒模型，如圖9所示。 (2)全口義齒型盒RP
將全口義齒型盒CAD數字模型以STL文件格式導入Z-Printer 310 plus三維立體打印機(Z Corp公司，美國)控制軟件中；
沿駘平面的法向分層，層厚設為0. lmm，將3D模型轉換成一系 列的2D圖層；
應用Z-Printer 310 Plus及配套快速成形專用白色石膏粉末， 逐層進行成形，制作全口義齒石膏陰模，如圖10所示。單個石膏陰 模的加工時間約20分鐘。
6、利用牙科技工室傳統型盒固定石膏陰模，手工逐一插入l步 驟所用的人工牙，常規裝膠、開盒及拋光完成全口義齒的制作，如圖 ll所示。
本步驟為解決RP技術分色、分材料成形的局限性，在上述l到 5步的CAD/RP階段(第一階段)基礎上，以簡單手工操作(第二階 段)輔助完成全口義齒的分色、分材料工藝，并完成最終修復體。
制作完成的全口義齒在無牙頜石膏模型上試戴，修復體就位順 利，利用驗架和咬合紙檢查正中始、前伸耠及側方駘接觸關系，符合 設計要求。
權利要求
1、一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒的制作方法，該方法包括以下步驟a.基于參數化定位的全口義齒人工牙三維圖形數據庫的建立；b.基于帶有空間位置關系的三維激光掃描技術，采集具有正中關系的上下無牙頜及中性區頜堤數據；c.基于逆向工程軟件設計符合中性區及全口義齒平衡 id="icf0001" file="A2008101033180002C1.tif" wi="4" he="4" top= "72" left = "151" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>排牙理論的全口義齒人工牙列；d.基于逆向工程軟件設計符合全口義齒中性區理論及美學原則的牙齦和基托；e.基于CAD/RP技術的全口義齒型盒設計和加工；f.手工插牙裝膠完成全口義齒修復體。
2、 如權利要求1所述的一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒 的制作方法，其特征在于步驟a中所述參數化定位指，根據解剖學 特征及全口義齒排牙理論，創建各人工牙定位坐標系、姿態坐標系、 定位標志點、豐滿度標志點等邏輯關系明確且充分必要的數學描述。
3、 如權利要求1所述的一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒 的制作方法，其特征在于步驟b中獲取的具有正中關系的上下無牙 頜及中性區駘堤三維數據，可準確還原患者"個性化"的頜間關系。
4、 如權利要求1所述的 一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒 的制作方法，其特征在于步驟e中全口義齒型盒的設計為全口義齒 陰模的設計，RP技術完成的是石膏陰模的加工。
5 、如權利要求1所述的 一種基于CAD/RP技術的中性區全口義齒 的制作方法，其特征在于制作采用"兩步法"的技術，以解決RP 技術在分色、分材料成形的局限性。具體實施為，通過步驟a到步驟 e的CAD/RP階段，完成全口義齒陰模的設計加工；步驟f的手工階 段實現分色、分材料的工藝，完成最終修復體。
全文摘要
本發明公開了一種基于CAD/RP(Computer Aided Design/RapidPrototyping，計算機輔助設計與快速成形)技術的中性區全口義齒的制作方法。該方法包括以下步驟基于參數化定位的全口義齒人工牙三維圖形數據庫的建立、基于帶有空間位置關系的三維激光掃描技術采集具有正中關系的上下無牙頜及中性區頜堤數據、基于逆向工程軟件設計符合中性區及全口義齒平衡排牙理論的全口義齒人工牙列、基于逆向工程軟件設計符合全口義齒中性區理論及美學原則的牙齦和基托、基于CAD/RP技術的全口義齒型盒設計和加工、手工插牙裝膠完成全口義齒修復體。本發明首創“兩步法”思路，將傳統制作中技術含量最高、操作最復雜的手工排牙和蠟型制作由計算機和快速成形技術完成，只需最后輔以簡單的手工步驟，即“兩步法”的第二步，即可完成全口義齒的全部制作，大大簡化了傳統手工工藝的繁雜工序，提高了效率和修復體的準確性，實現了全口義齒的設計制作過程從手工向數字化的轉變。
文檔編號G06F17/50GK101548911SQ200810103318
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者呂培軍, 孫玉春, 勇 王 申請人:北京大學口腔醫學院