王增波 向海蘭 賀丹 熊湘林

摘要：針對隱形牙套矯治技術(shù)開發(fā)了一套虛擬牙齒矯正仿真系統(tǒng)，利用Vc++和OpenGL作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了模型導(dǎo)入顯示、交互操作、面片拾取、牙齒分割和矯正路徑規(guī)劃等功能，生成的三維牙頜組織模型幫助醫(yī)生模擬牙齒矯正的過程，并且直觀地向患者展示手術(shù)治療的效果。

關(guān)鍵詞：仿真系統(tǒng);牙齒矯正;交互式操作;拾取面片;分割

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（201 9133-0272-03

1概述

目前由于金屬矯正器治療存在著諸多的不足，新興了一種新型的用于錯(cuò)頜畸形矯正的虛擬手術(shù)技術(shù)

隱形牙套矯治技術(shù)，該技術(shù)采用一種隱形牙齒矯正手術(shù)對患者進(jìn)行牙齒矯正，文獻(xiàn)【1】中指出這種無托槽隱形矯治技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)輔助制作出一套透明的彈性材料矯正牙套裝置，通過在小范圍不斷移動(dòng)牙齒達(dá)到矯正牙齒的目的，因?yàn)檫@種牙套裝置外形美觀、佩帶舒適，在臨床中受到廣大患者的歡迎。文獻(xiàn)【1】中通過對比傳統(tǒng)矯治技術(shù)和無托槽隱形矯治技術(shù)，分析了無托槽隱形矯治技術(shù)的效果及臨床優(yōu)勢。這類手術(shù)是通過對患者的牙頜數(shù)字模型進(jìn)行交互式操作，再通過計(jì)算機(jī)仿真為患者量身定制一系列近乎無法察覺的透明牙托來完成整個(gè)矯正療程。這種牙齒矯正方法能讓醫(yī)生在牙齒矯正手術(shù)前通過對牙頜數(shù)字模型進(jìn)行交互式操作定制療程，也能讓用戶在術(shù)前體驗(yàn)未來的矯正過程，因此開發(fā)一套虛擬牙齒矯正仿真系統(tǒng)就具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。整個(gè)虛擬仿真過程要經(jīng)歷三維牙齒模型數(shù)字化掃描處理、三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重構(gòu)、牙頜組織分割、牙齒交互重排、牙齒移動(dòng)路徑規(guī)劃等諸多過程。下面就該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行介紹。

2矯正仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

牙齒矯正是個(gè)復(fù)雜的過程，牙齒矯正傳真系統(tǒng)主要是通過模型的三維直觀顯示和交互操作，幫助正畸醫(yī)生制定牙齒矯正計(jì)劃，系統(tǒng)的主要功能有：

（1）STL文件導(dǎo)入模塊。系統(tǒng)操作的數(shù)據(jù)來源于事先掃描好的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為常用的快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型STL文件格式，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)從二進(jìn)制和純文本兩種格式的STL文件里提取三角面片信息，并建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對三角面片信息進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)。

（2）控制顯示模塊。通過鼠標(biāo)動(dòng)作或工具按鈕操作實(shí)現(xiàn)三維牙齒模型的多方位的觀察，并能實(shí)現(xiàn)對模型任意地縮放和任意角度的旋轉(zhuǎn)。

（3）快速拾取模塊。通過鼠標(biāo)對三維牙齒模型的交互式操作，并在工具欄上設(shè)置為牙齒標(biāo)記組合框，用于對牙齦和牙齒進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分。

（4）數(shù)據(jù)測量模塊。利用快速拾取模塊可以測量出牙齒模型上的任意兩點(diǎn)的距離等信息。

（5）模型分割模塊。采用交互標(biāo)記擴(kuò)展分割法對牙齒進(jìn)行分割，對單個(gè)牙齒分別進(jìn)行保存，并設(shè)計(jì)單齒運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單齒運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)參數(shù)。

（6）分割后交互式操作模塊。對分割的各部件可實(shí)現(xiàn)獲取、平移、旋轉(zhuǎn)等各種交互式操作。

（7）牙弓線生成模塊。在通過交互式操作獲取牙齒模型的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用合理的數(shù)學(xué)模型生成理想牙弓曲線，作為牙齒重排的依據(jù)。

（8）動(dòng)畫生成模塊。采用關(guān)鍵幀技術(shù)，利用路徑規(guī)劃方法，依據(jù)理想牙弓曲線，生成符合生物醫(yī)學(xué)和口腔正畸學(xué)的理想牙列，并記錄牙齒移動(dòng)的關(guān)鍵幀運(yùn)動(dòng)參數(shù)，插值生成牙齒移動(dòng)過程的動(dòng)畫序列。

3矯正仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的功能需求，為了實(shí)現(xiàn)較好的交互和可視化效果，系統(tǒng)開發(fā)采用Vc++的MFC進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，利用OpenGL三維圖形庫實(shí)現(xiàn)三維模型的顯示和交互式操作，系統(tǒng)通過設(shè)置合理的菜單和工具欄按鈕，完成的主界面如圖1所示，菜單欄和工具欄實(shí)現(xiàn)了所有的功能，如圖2所示，其中有些菜單項(xiàng)和按鈕是灰色的不能操作是因?yàn)榍懊娴墓ぷ鬟€未完成這些功能是不能操作的，當(dāng)前面所需的工作完成了灰色的狀態(tài)就會(huì)取消變成可操作，這樣可避免使用者的不規(guī)范操作或錯(cuò)誤操作。

3.1模型文件導(dǎo)入及顯示模塊

通過鼠標(biāo)單擊導(dǎo)入按鈕，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)函數(shù)OnFileOpenf）的功能模塊，該功能模塊顯示打開文件對話框，并進(jìn)行一些變量初始化的工作;通過使用ImportSTLO函數(shù)載人數(shù)據(jù)，建立拓?fù)潢P(guān)系并建立模型的顯示列表供顯示使用;并判斷是否已存在分割文件，若存在通過調(diào)用OnShowDentition（）函數(shù)顯示分割后的模型。模型被導(dǎo)入后會(huì)自動(dòng)調(diào)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成算法，生成面片間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并調(diào)用顯示模塊顯示出三維牙齒模型，并可以通過工具欄上的相應(yīng)按鈕實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型顯示、網(wǎng)格模型顯示、點(diǎn)云顯示、平移、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)軸顯示、模型信息顯示、模型重置、材質(zhì)渲染、數(shù)據(jù)測量等交互功能，按鈕位置按順序見圖2加框部分。

3.2拾取模塊

通過鼠標(biāo)單擊拾取按鈕回響應(yīng)函數(shù)OnPickup（）的功能模塊，該功能模塊首先初始化區(qū)域劃分?jǐn)?shù)組m_tag大小為面片數(shù)，該數(shù)組值表示該面片所屬牙齒的編號;在響應(yīng)鼠標(biāo)左鍵單擊按下調(diào)用拾取函數(shù)GetSelectionRay（），通過拾取算法找到一個(gè)距離最近的相交三角形作為拾取面片，并把拾取的面片索引保存在數(shù)組IntersectFlag中，交點(diǎn)坐標(biāo)保存在數(shù)組PickPointion中，同時(shí)對拾取的面片作上分類標(biāo)記，拾取效果如下圖3所示。拾取過程中通過鼠標(biāo)左鍵單擊不同牙齒或牙齦上的特征點(diǎn)作為分割模塊的種子點(diǎn)，工具欄上有一個(gè)下拉列表框會(huì)自動(dòng)切換牙齒的名稱，也可以自己先確定牙齒名稱再進(jìn)行拾取，如果某個(gè)牙齒分割效果不太理想，可以在這顆牙齒上再多選一到兩個(gè)點(diǎn)，再進(jìn)行分割。

3.3分割模塊

分割模塊通過菜單“分割方法”的下拉菜單項(xiàng)目中選擇交互式標(biāo)識分割、自動(dòng)域值分割和域值設(shè)定分割三種方法，滿足使用者的不同需求。三種不同的分割方法會(huì)自動(dòng)調(diào)用對應(yīng)的分割算法，根據(jù)拾取模塊確定的種子點(diǎn)進(jìn)行牙齒和牙齦的分割，分割后用不同顏色的渲染對各顆牙齒和牙齦進(jìn)行渲染顯示，如圖4所示。

3.4分割后牙齒的交互操作

牙齒被分割后需要對牙齒和牙齦以獨(dú)立對象進(jìn)行顯示，并通過鼠標(biāo)能夠?qū)晤w牙齒進(jìn)行交互式操作，具體的這些功能在工具欄和菜單欄上有相應(yīng)的按鈕和菜單項(xiàng)可以調(diào)用。

（1）顯示牙列模塊

打開“交互排牙”菜單中的相應(yīng)菜單項(xiàng)或工具欄中相應(yīng)圖標(biāo)按鈕實(shí)現(xiàn)牙列渲染和繪制牙弓曲線，實(shí)現(xiàn)牙頜模型的真實(shí)感渲染效果以及牙弓線的繪制輔助矯正后牙齒的定位。通過單擊工具欄上按鈕囹調(diào)用響應(yīng)函數(shù)onshowdentitionO建立各牙齒顯示列表，分開顯示各顆牙齒，按牙齒白和牙齦紅兩色方式顯示牙齒模型，如圖5所示。

4結(jié)論

該仿真系統(tǒng)利用vc++和0penGL開發(fā)平臺(tái)，研制出一套基于隱形牙套矯治技術(shù)的虛擬牙齒矯正系統(tǒng)，通過對患者牙齒的三維牙頜數(shù)字模型進(jìn)行三維重構(gòu)、交互式操作、牙齒分割和路徑規(guī)劃等模塊功能的實(shí)現(xiàn)，完成了牙齒矯正過程的可視化，并為后期的治療提供了大量的數(shù)據(jù)。