牙齿正畸路径规划方法研究及可视化开发

摘要

牙齿移动路径规划是虚拟牙齿正畸系统开发过程中的一个重要步骤，能够利用计算机辅助数据可视化技术在临床上模拟医生所提供的矫治方案。根据医生矫治方案及临床需求，依据牙齿移动路径规划方法，通过虚拟牙齿正畸系统设计出患者每个阶段的隐形矫治器，记录每颗牙齿每个步骤的位置，确定其移动旋转量，最后由医生判断矫治方案每个步骤的合理性，确定最终矫治方案，由虚拟牙齿正畸系统输出的数据制定患者隐形矫治器。然而目前虚拟牙齿正畸系统大多是国外引进的，价格较为昂贵，国内隐形矫治技术的相关研究还主要集中于可行性分析或者临床使用效果介绍，而有关牙齿正畸开发及研究相关工作的介绍很少。因此，对牙齿移动的路径规划方法设计及其可视化开发的研究具有重要的理论意义与实用价值。
　　为实现满足正畸医生临床需求开发虚拟牙齿矫正系统的目的，本文从医学CT图像出发，以牙齿移动的路径规划方法设计及其可视化开发为研究重点，在综合考虑了“隐形矫治器”在临床使用上的需求、牙齿临床矫治位置确定、牙齿临床矫治控制可行性等基础上，基于C++语言与OpenGL操作平台数据库完成了牙齿移动的路径规划方法设计及其可视化开发。本文的主要工作如下:
　　首先使用Mimics15.0对牙列CT数据进行三维重建及分割牙齿工作，利用阈值分割法及手动分割法获取每颗牙齿的STL文件，对OpenGL初始窗口建立进行参数设置，完成牙齿STL文件数据显示功能并实现牙齿平移旋转操作。
　　利用OBB包围盒方法对本文的牙齿移动过程进行碰撞检测，确定了OBB包围盒的中心位置坐标、包围盒三轴方向以及包围盒三边边长三个构成OBB包围盒的重要变量。利用分离轴理论确定了牙齿的碰撞检测方法并利用C++语言及OpenGL操作平台实现了OBB包围盒的显示及两颗牙齿的碰撞检测功能。
　　建立下牙颌所有牙齿的坐标系，分别对切牙、尖牙、磨牙提取数量不同的特征点。采用β函数以及已获取的相关牙齿的特征点来拟合牙弓曲线，得到β函数拟合理想牙弓曲线的显示结果。分别确定每颗牙齿从初始位置到理想位置的移动量和旋转量，从而确定患者牙齿的最终矫治理想位置。
　　设计了牙齿矫治路径规划的整体思路流程，提出了单颗牙齿的排牙方法及牙齿矫治过程中的碰撞检测方法。对牙齿矫治过程发生碰撞的检测结果提出了碰撞处理方法，确定了牙齿矫治路径规划的终止条件。最终利用OpenGL操作平台得到牙齿矫治路径规划方法的可视化结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 路径规划问题研究现状

1．2．1 全局路径规划方法

1．2．2 局部路径规划方法

1．3 隐形矫治技术国内外发展现状

1．3．1 隐形矫治技术国外发展现状

1．3．2 隐形矫治技术国内发展现状

1．4 课题技术路线

1．5 本文主要研究内容

第2章 数字化牙齿提取及其数据可视化

2．1 分割牙齿获取STL数据文件

2．1．1 牙齿图像分割方法

2．1．2 Mimics软件简介

2．1．3 获取单颗牙齿STL数据文件

2．2 可视化开发平台介绍

2．2．1 OpenGL简介

2．2．2 OpenGL工作路线

2．3 牙齿STL数据文件显示

2．3．1 STL文件格式

2．3．2 OpenGL初始参数设置

2．3．3 牙齿STL文件数据显示

2．4 本章小结

第3章 牙齿正畸过程中移动碰撞检测

3．1 碰撞检测方法选择

3．1．1 碰撞检测方法分类

3．1．2 碰撞检测方法选取

3．2 OBB包围盒的建立

3．2．1 OBB包围盒建立流程

3．2．2 OBB包围盒中心位置确定

3．2．3 OBB包围盒三轴方向确定

3．2．4 OBB包围盒三边边长确定

3．2．5 OBB包围盒建立结果显示

3．3 牙齿碰撞检测

3．3．1 OBB包围盒碰撞检测原理

3．3．2 牙齿碰撞检测方法

3．3．3 牙齿碰撞检测实现

3．4 本章小结

第4章 牙齿矫治理想位置确定

4．1 牙齿特征点选取

4．1．1 牙齿分类及特征

4．1．2 牙齿坐标系建立

4．1．3 牙齿特征点提取

4．2 牙弓曲线拟合

4．2．1 牙弓曲线拟合函数选取

4．2．2 β函数拟合牙弓曲线

4．2．3 理想牙弓曲线拟合实现

4．3 牙齿矫治理想位置确定

4．3．1 牙齿移动量确定方法

4．3．2 牙齿旋转量确定方法

4．3．3 牙齿矫治理想位置

4．4 本章小结

第5章 牙齿矫治路径规划

5．1 牙齿矫治过程约束条件

5．1．1 牙齿矫治次数初步确定

5．1．2 牙齿矫治过程碰撞规避

5．2 牙齿矫治路径规划方法

5．2．1 牙齿矫治路径规划整体思路流程

5．2．2 单颗牙齿排牙方法

5．2．3 牙齿矫治过程中的碰撞检测方法

5．3 牙齿矫治路径规划实现

5．3．1 牙齿矫治路径规划实现过程

5．3．2 牙齿矫治路径规划实现结果

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢