口腔基底桥数字化设计技术研究与应用

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基底桥修复技术
• 1.3 基底桥修复体数字化设计与制造技术
• 1.3.1 基底桥修复体CAD/CAM 系统的构成
• 1.3.1.1 基底桥模型数据采集技术
• 1.3.1.2 基底桥修复体数字化设计技术
• 1.3.1.3 基底桥修复材料与数控加工技术
• 1.3.2 基底桥修复体CAD/CAM 系统发展概况
• 1.3.2.1 国外发展概况
• 1.3.2.2 国内发展概况
• 1.4 本文选题背景及研究内容
• 1.4.1 本文的选题背景
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 基底桥网格模型数据预处理技术
• 2.1 引言
• 2.2 三角网格曲面模型结构分析
• 2.3 STL 数据存储及拓扑结构分析
• 2.3.1 STL 数据存储结构分析
• 2.3.2 三角网格拓扑结构分析
• 2.4 三角网格拓扑快速重建算法
• 2.4.1 类和结构体设计
• 2.4.2 三角网格拓扑结构快速重建算法
• 2.5 算法测试实例
• 2.5.1 测试环境
• 2.5.2 测试实例与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 标准桥体/连接体数据库组建技术
• 3.1 引言
• 3.2 标准全冠模型的数据获取
• 3.2.1 标准全冠模型的获取
• 3.2.2 标准全冠模型图例
• 3.3 标准桥体模型设计
• 3.3.1 标准桥体上表面设计
• 3.3.2 标准桥体龈面设计
• 3.3.3 标准桥体局部坐标系调整
• 3.3.4 标准桥体模型图例
• 3.4 标准连接体模型设计
• 3.4.1 标准连接体设计要求
• 3.4.2 标准连接体模型设计
• 3.4.3 专用数据库的设计与应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 桥体/连接体定位技术
• 4.1 引言
• 4.2 桥体精确定位算法
• 4.2.1 桥体精确定位算法流程
• 4.2.2 牙颌及内冠模型离散曲率估算
• 4.2.2.1 三角网格顶点法矢估算
• 4.2.2.2 三角网格曲率估算
• 4.2.3 咬合平面的拟合
• 4.2.4 桥体自动定位算法
• 4.2.4.1 算法流程
• 4.2.4.2 内冠面法矢获取
• 4.2.4.3 桥体的自动定位
• 4.2.5 桥体手工微调
• 4.3 连接体定位算法
• 4.4 算法实例与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 桥体/连接体变形调整技术
• 5.1 引言
• 5.2 三角网格曲面变形
• 5.3 桥体整体变形设计
• 5.4 基于面积约束的连接体变形设计
• 5.4.1 磨牙连接体的变形设计
• 5.4.2 尖牙连接体的变形设计
• 5.5 基于梯度域的桥体面局部变形设计
• 5.5.1 基于梯度域的三角网格变形原理
• 5.5.2 三角网格初始化
• 5.5.3 三角网格变形迭代过程
• 5.5.3.1 线性Laplacian 变形
• 5.5.3.2 旋转分量叠加
• 5.5.3.3 微分坐标系更新
• 5.5.4 桥体面约束条件获取
• 5.5.5 算法实例与分析
• 5.5.5.1 第一磨牙桥体面约束变形调整算例
• 5.5.5.2 全冠模型变形调整算例
• 5.5.5.3 其他网格变形调整算例
• 5.6 本章小结
• 第六章 基底桥模型整体融合技术
• 6.1 引言
• 6.2 三角网格模型融合技术
• 6.3 基于拓扑的三角网格交线提取算法
• 6.3.1 算法原理
• 6.3.2 初始交线线段提取
• 6.3.2.1 包围盒的计算及剖分
• 6.3.2.2 初始交线线段的计算
• 6.3.3 交线追踪
• 6.4 三角网格裁剪与缝合算法
• 6.4.1 基于交线的三角网格裁剪算法
• 6.4.2 三角网格缝合算法
• 6.5 网格过渡区域的光顺
• 6.6 算法实例
• 6.7 本章小结
• 第七章 基底桥数字化设计系统框架及应用
• 7.1 引言
• 7.2 设计系统总体设计框架
• 7.2.1 设计系统总体架构
• 7.2.2 设计系统总体设计流程
• 7.3 个性化基底桥模型设计实例
• 7.3.1 下颌左后六磨牙基底桥设计
• 7.3.2 上颌左前二切牙基底桥设计
• 7.3.3 上颌右后六磨牙基底桥设计
• 7.4 基底桥修复体数控加工验证
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录：“固定桥支架设计系统”软件著作权登记证书