口腔基底桥数字化设计技术研究与应用

摘要

CAD/CAM技术在口腔修复领域的广泛应用，使得口腔修复技术实现了由手工操作向自动化、智能化方向的跨越。基底桥修复体是口腔修复体的重要组成部分，本文结合口腔临床的应用需求，以基底桥修复体为研究对象，以基底桥的设计流程为研究主线，系统研究了基底桥修复体数字化设计的相关基础理论、方法及关键技术。本文主要研究内容和成果如下：
　　 （1）提出了基底桥网格模型数据预处理算法。为基底桥各组成部分的STL文件重建了拓扑结构，采用以三角片为单位的思想，将冗余点去除和拓扑结构的创建统一在一个过程中完成，节省了创建中间结构所需的时间，可以快速查找三角网格的点、线、面及其一维邻域等基本信息，以及孔洞、边界等拓展信息，较以往算法可以节省20％－50％的时间，实现了基底桥三角网格模型的快速半边拓扑结构重建。
　　 （2）建立了标准桥体/连接体数据库。基于标准全冠模型，设计了28颗标准桥体数据并组成了标准桥体数据库，其中模型外形符合临床要求、表面光滑、数据完整，而且基于国人标准全冠设计，因此更加适合中国人的牙齿形态；根据磨牙与切牙近远中面形态的差异，设计了2种不同截面形状的标准连接体，使得设计更加人性化，基底桥的形态更加合理，实现了标准桥体/连接体数据库的建立。
　　 （3）提出了桥体/连接体定位算法：首先计算整副模型网格顶点的曲率，利用趋势面分析的方法获得了咬合平面；之后根据两侧内冠的位置，利用体积加权法和咬合平面确定标准桥体的位置及角度，完成自动定位；最后通过手工微调，确定模型的精确位置。最终定位结果可以满足实际临床的需求，完成桥体和连接体的定位只需两分钟左右，实现了桥体和连接体的精确定位。
　　 （4）采用比例变换的方法完成了桥体的整体变形调整；提出了基于面积约束的连接体模型变形设计算法，实现了连接体截面形状调整；提出了基于梯度域的桥体面局部变形设计算法，通过线性Laplacian变形、旋转分量叠加和微分坐标系更新三个步骤的不断迭代，使得初始网格不断向目标网格逼近，变形后的网格光顺，并可以保持原始网格的细节特征，操作过程简单、直观，实现了桥体和连接体的变形设计。
　　 （5）提出了“交线提取—网格裁剪—网格缝合—网格光顺”的基底桥模型整体融合算法。提出了基于拓扑的网格交线提取算法，实现了两个三角网格交线的快速提取；提出了基于交线的三角网格裁剪算法，完成了三角网格准确、快速的裁剪；提出了通过直接连接边界点构造过渡三角片实现网格缝合的方法，将两个独立的三角网格缝合为一个整体；利用Taubin光顺对网格过渡区域进行光顺，保证了过渡区域的自然光滑，实现了基底桥各组成部分的融合，得到了基底桥的最终数字化模型。
　　 （6）设计了基底桥数字化设计系统的总体设计框架，将整个设计系统划分为内冠设计、桥体设计和连接体设计等三个主要部分，阐述了各个部分在系统中的作用；详细说明了基底桥修复体的总体设计流程。结合口腔修复临床的实际需要，开发了口腔基底桥数字化设计系统原型软件，针对实际病例，完成了多例基底桥修复体的设计，取得了良好的效果。