姜淑鳳, 劉宏發(fā), 周子業(yè)，崔超

(1 齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江,齊齊哈爾 161001;2 齊齊哈爾大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江，齊齊哈爾 161001)

口腔診療中牙植入體的數(shù)字化印模技術(shù)，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療的發(fā)展及逆向工程技術(shù)與3維掃描技術(shù)在臨床上的應(yīng)用的發(fā)展而拓展出的新的醫(yī)療技術(shù)[1]. 閆慧鑫等[2]在口腔數(shù)字化診療的數(shù)字化印模與傳統(tǒng)印模的應(yīng)用效果對(duì)比方面做了很多研究工作，對(duì)臨床應(yīng)用舒適度做了統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)字組的臨床有效率(97.78%)顯著高于傳統(tǒng)組(82.22%).

應(yīng)用3維掃描后逆向重建牙齒模型的數(shù)字化印模技術(shù)有兩個(gè)主要的掃描建模方式，第1種是直接法，但該方法受儀器精密度，掃描操作者熟練程度，患者的配合度及口腔環(huán)境及牙齒缺損程度影響較大；第2種是間接法，即使用3維逆向掃描成像儀器進(jìn)行逆向數(shù)字化掃描傳統(tǒng)模型，前序工序復(fù)雜繁重，后序掃描精度受模型影響較大. 使建立的數(shù)字化印模與實(shí)際缺損植入體偏差大，使用過(guò)程中醫(yī)患雙方舒適度降低，使3D打印重建植入體(牙)臨床的應(yīng)用中需要二次修整模型. 由于直接法是新興方向，掌握傳統(tǒng)印模技術(shù)的現(xiàn)有工作人員廣泛存在，給間接印模提供了原有的普遍性的應(yīng)用市場(chǎng). 目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，臨床上主要還是使用間接法獲取數(shù)字化模型[3-4].

在本文通過(guò)間接的3維掃描牙模數(shù)據(jù)的曲面光順與精簡(jiǎn)方法，利用3D分析數(shù)據(jù)對(duì)比分析數(shù)字化印模與傳統(tǒng)印模制作修復(fù)體的逆向重建效果，探討3維掃描的參數(shù)與掃描流程在數(shù)字化印模中對(duì)逆向建模精度的影響，具有支撐現(xiàn)代數(shù)字化(3維逆向掃描)技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義.

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒓氨粶y(cè)標(biāo)本選擇

進(jìn)行間接的數(shù)字化印模和傳統(tǒng)印模以及口外掃描印模對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其準(zhǔn)確性、重復(fù)性、適合性等方面進(jìn)行精確度分析，以類比的形式作出有效參數(shù)設(shè)置的詳細(xì)效果差異對(duì)比，篩選出最優(yōu)的掃描參數(shù)與3D打印參數(shù)，研究最優(yōu)制模與3D打印植入體的方法.

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用InspireS250-3D打印機(jī)1臺(tái)，OKIO-I型高精度3維掃描儀1臺(tái)，實(shí)驗(yàn)儀器如圖1、圖2所示.

1.2 被測(cè)標(biāo)本

標(biāo)本組的選擇考慮到完整健康牙列，間接掃描建模的數(shù)字化印模模型，畸形牙齒缺損修復(fù)等口腔常見數(shù)字化診療的需要，做3維掃描逆向模型重建的對(duì)比實(shí)驗(yàn)標(biāo)本.

實(shí)驗(yàn)1選擇牙全列模型1套，模擬健康牙齒人群的全牙列，進(jìn)行牙齒數(shù)字化模型掃描建檔，該數(shù)字化牙模檔案可用于終身跟蹤口腔診療使用，如圖3

所示. 實(shí)驗(yàn)2選擇牙石膏模型2套，是口腔數(shù)字化印模間接法的常用標(biāo)本，如圖4所示. 人畸形牙齒1個(gè)，是利用人真實(shí)牙齒作為掃描重建標(biāo)本，還原牙修復(fù)過(guò)程中替代植入體制造的真實(shí)掃描數(shù)據(jù)，如圖5所示.

1.3 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示，首先是通過(guò)“文博winscan”及“天遠(yuǎn)3維掃描儀”，對(duì)a組、b組、c組所選擇的被測(cè)標(biāo)本組進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)獲得，對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用“Geomagic Studio”點(diǎn)云處理軟件對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理及曲面的光順性處理[5]. 通過(guò)點(diǎn)云去噪，曲面光順生成數(shù)字化模型后,并通過(guò)支持向量機(jī)(SVM)算法進(jìn)行曲面邊界特征提取，二次修正標(biāo)本的逆向建模的數(shù)字化模型；在處理好的數(shù)字化印模的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行模擬口腔咀嚼特征的分析，找出受力不均的部分修正到咬合的合適形狀[6]. 然后在Matlab里面運(yùn)用合適的支持向量機(jī)算法對(duì)數(shù)字化印模求解最優(yōu)邊界提取后的模型，該模型基于幾何特征提取[7].

對(duì)不同方式掃描所得的口腔數(shù)字化印模數(shù)據(jù)分別進(jìn)行精度對(duì)比，驗(yàn)證人牙齒數(shù)字化印模的有效方法.

實(shí)驗(yàn)與分析過(guò)程應(yīng)用在口腔診療的實(shí)踐中，可以建立個(gè)人的口腔數(shù)字化印模檔案，在需要的時(shí)候進(jìn)行調(diào)取制模的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)印模與數(shù)字印?！八奈灰惑w”修復(fù)的應(yīng)用，其相對(duì)于傳統(tǒng)咬模制牙的優(yōu)勢(shì)在于將病人牙齒信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便下次就醫(yī)直接調(diào)取，省去了隨著年齡增長(zhǎng)口腔后續(xù)診療的再掃描的過(guò)程[8].

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采用間接口外掃描后3D分析對(duì)比的方式，對(duì)被測(cè)標(biāo)本組進(jìn)行光學(xué)掃描生成逆向重構(gòu)的3維模型，對(duì)生成的數(shù)字模型進(jìn)行曲面擬合的光順處理，提高重建曲面精度[9].

2.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)利用3維掃描儀掃描，將被測(cè)標(biāo)本(a實(shí)驗(yàn))的多點(diǎn)拼接提取3維模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)，以a組標(biāo)本作為模擬健康人牙列的驗(yàn)證組.

實(shí)驗(yàn)流程如參照1.3節(jié)，掃描得到標(biāo)本的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomagic studio軟件，n為拼接點(diǎn)數(shù)目，經(jīng)過(guò)n點(diǎn)拼接擬合后得到3維重構(gòu)數(shù)據(jù)模型，利用曲面漏洞修補(bǔ)功能補(bǔ)齊掃描缺陷，建立二次逆向重構(gòu)數(shù)據(jù)模型；對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：采樣另外2組(b、c實(shí)驗(yàn))，在b、c實(shí)驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)牙齒植入體的石膏牙模和人牙齒(患者拔掉的牙齒)做間接掃描，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件后處理，得到的數(shù)據(jù)利用Geomagic studio軟件中的標(biāo)準(zhǔn)差分析功能. 不同的間接掃描方式實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)截圖如圖7所示.

選擇按照標(biāo)志點(diǎn)拼接掃描，分別對(duì)3組模型進(jìn)行間接數(shù)字化印模的3維逆向重建，在第b組與第c組中實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)志點(diǎn)環(huán)境補(bǔ)償?shù)恼迟N方式，在進(jìn)行N次掃描,每一次掃描旋轉(zhuǎn)移動(dòng)標(biāo)本的角度大于30°后得到點(diǎn)云數(shù)據(jù).

B實(shí)驗(yàn)曲面重構(gòu)過(guò)程如圖8所示，采樣b組n=4點(diǎn)拼接數(shù)據(jù)作為參考數(shù)值擬合過(guò)程截圖，可以得出精度對(duì)比的目視效果，在間接數(shù)字化印模中，掃描石膏模型精度不高.

2.2 偏差分析與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

如果牙植入體的間接咬模的逆向建模僅限于對(duì)于模型的重構(gòu)，則只是基于線結(jié)構(gòu)光的3維牙模掃描在形狀上對(duì)它的復(fù)制，并不能做到從精確度上精準(zhǔn)復(fù)原，因此對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行誤差分析是非常必要的一個(gè)環(huán)節(jié). 而醫(yī)療用數(shù)字化印模的建模與醫(yī)用植入體的3維打印體的應(yīng)用效果的好壞，一定程度上還依賴打印機(jī)的性能[10].

在偏差分析功能的技術(shù)支持下，建立模型的誤差分析模型，根據(jù)圖9所示，是b組實(shí)驗(yàn)沒有修補(bǔ)漏洞時(shí)的n=4點(diǎn)擬合后的3維模型.

實(shí)驗(yàn)b中模型數(shù)據(jù)偏差太大，所以對(duì)c標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比.

對(duì)c組改變了3維光柵掃描儀的掃描方法，增加了掃描分塊，進(jìn)行了3次掃描獲得c標(biāo)本的3組掃描數(shù)據(jù)，如圖10所示，擬合時(shí)分成n=4點(diǎn)c-1組數(shù)據(jù)與n=3點(diǎn)c-2組數(shù)據(jù)進(jìn)行一次拼接得中間數(shù)據(jù)組c12，中間數(shù)據(jù)c12與n=3點(diǎn)c-3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到c標(biāo)本的3維逆向重構(gòu)模型.

圖11為c標(biāo)本點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為c實(shí)驗(yàn)分組擬合過(guò)程的未修補(bǔ)的點(diǎn)云圖，可以得出精度對(duì)比的目視效果，在間接數(shù)字化印模中，人牙齒掃描效果較好.

如表1所示，對(duì)b組第1次試驗(yàn)的模型的偏差分析得到這組實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.108 259 mm. c標(biāo)本采樣效果良好，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.076 573 mm，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了3維參數(shù)驗(yàn)證精度的準(zhǔn)確性.

表1 b、c兩組n點(diǎn)擬合數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)表

2.3 前序?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到得3維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于后續(xù)數(shù)字化模型重構(gòu)，得到被測(cè)標(biāo)本的3維擬合曲面模型，在對(duì)模型曲面修補(bǔ)過(guò)程中，標(biāo)本的不規(guī)則曲面在掃描過(guò)程中出現(xiàn)了漏洞，增加了修補(bǔ)曲面的難度，采用曲面重構(gòu)的漏洞修補(bǔ)，需要找到更適合曲面修補(bǔ)的算法來(lái)對(duì)其進(jìn)行重建. 曲面重構(gòu)修補(bǔ)完成后，將a、b、c 3個(gè)標(biāo)本的掃描實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行全局注冊(cè)，得到全局3維分析數(shù)據(jù)，如圖12所示兩次試驗(yàn)的最佳擬合全局注冊(cè)對(duì)齊對(duì)比，對(duì)比得出表2對(duì)比數(shù)據(jù)，由于a為健康牙列文博掃描數(shù)據(jù)作為本次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)參考值，在表2中不做比較. b組與c組是本實(shí)驗(yàn)的被測(cè)物標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

b、c兩組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全局注冊(cè)，如表2所示. 全局注冊(cè)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)表可以得到如下結(jié)果：b標(biāo)本的采樣實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為c標(biāo)本采樣實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的2.761倍. 通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出，對(duì)于3維掃描數(shù)字化印模來(lái)說(shuō)，不同掃描角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越多，n擬合過(guò)程中能夠找到的相似點(diǎn)越多，曲面擬合越容易重合，偏差越低.

表2 b、c兩次實(shí)驗(yàn)全局注冊(cè)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)

2.4 3D模型偏差分析

在進(jìn)行曲面擬合模型重構(gòu)的過(guò)程，本研究采用3D模型偏差分析用來(lái)驗(yàn)證重構(gòu)模型的真實(shí)性，驗(yàn)證曲面擬合的完整性等參考指標(biāo). 圖13～15為3組

不同掃描標(biāo)本的數(shù)字化印模的3D比較圖，其中實(shí)驗(yàn)c的3D模型偏差分析可以從顏色參考上明顯看出精準(zhǔn)度大大提高，這個(gè)3D比較是按照軟件庫(kù)中的參數(shù)比對(duì)，得出逆向建模精度的有效分析.

3個(gè)被測(cè)標(biāo)本的3組多次實(shí)驗(yàn)，每一次的3維模型進(jìn)行3D偏差分析的結(jié)如表3所示，為6次封裝體的偏差分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

表3 a、b、c三次實(shí)驗(yàn)中3D偏差分析

根據(jù)表3所示數(shù)據(jù)得出，在a實(shí)驗(yàn)中的模型的3D偏差最小，為0.038mm；b實(shí)驗(yàn)中的2個(gè)模型與c實(shí)驗(yàn)中第1組、第2組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?D偏差接近，彼此偏差的差值在0.1左右；而在c實(shí)驗(yàn)中，采用掃描第3次獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與前序該標(biāo)本的3維掃描數(shù)據(jù)拼接后的3D偏差明顯減少，為0.040 mm. 在實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)了c組實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)論為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的增加使得曲面更好地?cái)M合，從而使得最終3D模型的偏差變小.

3 3D效果比較與實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集之后，利用a、b、c實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的被測(cè)標(biāo)本的3維模型，對(duì)比分析3D偏差與打印效果的3維紋理特性.

3.1 實(shí)驗(yàn)證明

b組實(shí)驗(yàn)的口腔修復(fù)診療的間接掃描印模的效果不好，在間接掃描石膏模型一次掃描建模偏差大，需要后續(xù)技術(shù)人員利用軟件重構(gòu)才能達(dá)到植入體建模需要；a與c組實(shí)驗(yàn)的效果較好. 圖16為建立的基于光柵3維掃描曲面擬合重構(gòu)的牙植入體標(biāo)本的3維效果圖.

在對(duì)模型曲面漏洞修補(bǔ)過(guò)程中，不規(guī)則標(biāo)本與曲面掃描方式增加了修補(bǔ)曲面的難度. 利用Geomagic studio軟件中的漏洞修補(bǔ)指令，利用實(shí)驗(yàn)者經(jīng)驗(yàn)找到漏洞修補(bǔ)的切入點(diǎn)很重要. 修補(bǔ)塊的多少與大小影響了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域植入體建模形成閉合曲面的精度.

通過(guò)圖16與1.2節(jié)的實(shí)際標(biāo)本圖的對(duì)比可以看出，3維模型與被測(cè)標(biāo)本的相似度不同，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出3種不同被測(cè)標(biāo)本不同的n點(diǎn)拼接擬合后偏差如圖17所示. a組實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)3D偏差0.038 8，b組實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)3D偏差0.058 5 mm，c組實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)3D偏差0.040 mm，a組效果最好，c組對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果次之，b組3D偏差最大.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

① 實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同，標(biāo)本的3維形態(tài)不同，對(duì)掃描精度有影響，但可以通過(guò)增加拼接次數(shù)來(lái)彌補(bǔ)掃描誤差改善這個(gè)弊端；在n點(diǎn)擬合時(shí)一定要選最具有代表性的點(diǎn)，選取兩個(gè)帶拼接點(diǎn)云最相似的部位，這樣可以大大提高擬合的精確度，降低數(shù)字化印模中點(diǎn)云數(shù)據(jù)漏洞修補(bǔ)畸變率.

② a組n點(diǎn)擬合偏差與全局偏差接近，但3D偏差較大；b組的3種偏差不一致，這一點(diǎn)驗(yàn)證了間接模式掃描精度難以控制這個(gè)結(jié)論；c組的3種偏差分散，這與牙齒實(shí)物的3維掃描情況一致，驗(yàn)證了不同的人牙齒形狀不同，建模與3D打印植入體的適應(yīng)度不同，3維逆向建模的畸變率不同.

③ a組實(shí)驗(yàn)作為健康牙全列標(biāo)本掃描與重建效果的精度最高；b組實(shí)驗(yàn)方法為目前常用的間接法數(shù)字化印模技術(shù)，掃描數(shù)據(jù)獲得后依賴逆向軟件與曲面重構(gòu)人員的技術(shù)支持較多，需要更多的漏洞修補(bǔ)與曲面擬合才能提高了其的外表面曲面重建的精準(zhǔn)度；c組作為間接印模中真實(shí)牙齒3維掃描，實(shí)驗(yàn)標(biāo)本與牙植入體真實(shí)性相似比可以達(dá)到99%以上，其3D比較數(shù)據(jù)的偏差較小，3維模型重構(gòu)過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)后序曲面擬合工作量小.

④ 當(dāng)數(shù)字化印模所測(cè)模型形狀不規(guī)則時(shí)，可考慮增加幾個(gè)不同角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖擬合，這樣可以大大降低模型最終的偏差值. 但一定要選取適量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每次擬合都存在著誤差，擬合次數(shù)過(guò)多也會(huì)增大偏差值.

4 結(jié) 論

本研究的實(shí)驗(yàn)方法是數(shù)字化印模間接掃描的技術(shù)應(yīng)用，是臨床數(shù)據(jù)采集與分析的流程優(yōu)化的技術(shù)支持，并通過(guò)建立對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停治鰧?duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，得出光柵3維掃描逆向曲面擬合的牙植入體間接建模的有效方法，是對(duì)逆向重建模型數(shù)據(jù)誤差分析與3D打印植入體的優(yōu)化. 研究實(shí)驗(yàn)方法完備可行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與預(yù)期結(jié)論可用于逆向工程技術(shù)在數(shù)字化口腔診療中的技術(shù)支持. 但在在曲面擬合重構(gòu)過(guò)程中，技術(shù)人員的選取的擬合點(diǎn)，選取的漏洞修補(bǔ)切入點(diǎn)對(duì)3D偏差也有很大影響，需要在進(jìn)一步的研究中找到擬合點(diǎn)選取與擬合次數(shù)n的取值對(duì)模型重構(gòu)精度影響的線性關(guān)系.