上頜中切牙內(nèi)冠的計算機輔助設計與制造

1、上頜中切牙內(nèi)冠的計算機輔助設計與制造                      作者：安濤, 廖文和, 俞青, 戴寧, 焦益群摘要目的:對上頜中切牙內(nèi)冠的計算機輔助設計與制造方法進行探討和研究。方法:以右上中切牙為例，首先使用ATOS 光學測量儀進行預備體表面數(shù)據(jù)采集；其次對所采集到的三角片數(shù)據(jù)進行處理，自動識別出頸緣線，重構預備體表面的曲面；然后利用生成的曲面分別針對無頸環(huán)內(nèi)冠和半頸環(huán)

2、內(nèi)冠兩種情況設計出所需內(nèi)冠；最終利用3軸精雕機床進行數(shù)控銑削編程加工。結果:制作出的兩種內(nèi)冠均能夠與預備體緊密貼合，整體設計精度均符合臨床要求。結論:所選方法可行，具有臨床實用價值，為進一步研究奠定了基礎。 關鍵詞口腔修復；切牙；內(nèi)冠；計算輔助設計與制造20世紀后期，CAD/CAM技術在口腔修復領域中的應用使得口腔修復技術取得了里程碑式的發(fā)展。我國口腔醫(yī)學計算機的應用與研究開始于20世紀80年代，起步相對較晚，而且主要集中在理論方面。近幾年在口腔修復CAD/CAM方面研究取得了實質(zhì)性的進展，如高勃等1利用UG和二次開發(fā)軟件研究了全冠的計算機輔助設計，呂培軍等2初步實現(xiàn)了冠修復體的計算機輔助設計

3、和制造，韓景蕓等3研究了金屬全冠的CAM工藝，張翔等4研究了烤瓷冠基底冠模型重構方法，戴寧等5研究了基于DFFD的牙齒修復冠約束設計方法；但是由于起步較晚，在理論研究和軟、硬件水平方面與國外差距比較大。目前國內(nèi)報道的研究主要集中在磨牙全冠的制作上，尚無關于制作上頜中切牙內(nèi)冠的研究報道。采用CAD/CAM技術制作上頜中切牙內(nèi)冠可以在虛擬的環(huán)境中完成上頜中切牙內(nèi)冠的設計，與傳統(tǒng)方法相比克服了純手工雕塑蠟模的不穩(wěn)定、不精確的問題，用數(shù)控銑削加工代替了鑄造方法，可以避免鑄造工藝固有的材料收縮和表面需要再次拋光的問題，具有效率高、精度高、加工方便的特點，有效地保證了修復體的質(zhì)量。1  材料與方

4、法11  材料與設備111  標本  選擇上頜中切牙修復病例，常規(guī)方法備牙、取模、灌注石膏模型。112  硬件組成  德國ATOS 光學測量儀。該測量儀具有1個激光發(fā)生器、2個CCD攝像頭、1副移動旋轉(zhuǎn)支架和1個回轉(zhuǎn)工作臺。主要參數(shù)：相機分辨率為1280×1024像素，7s最多可測定130萬個點，照片精度為±002mm。測量采用投影光柵的原理，投射一束光線到被測物體上，CCD攝像頭通過捕捉物體表面反射光角度的變化，計算物體表面三維坐標。通過旋轉(zhuǎn)將物體表面所有信息采集完全后，自動完成各次掃描數(shù)據(jù)的拼合。微型計算機一臺（基本配置

5、：CPU P 26 G，內(nèi)存256 M，硬盤80 G，顯卡GeForce2 MX400 64 M）；北京精雕 (JDSign60)三軸高速數(shù)控銑削加工中心；試切材料為有機玻璃。113  軟件組成  操作系統(tǒng)Windows XP； Geomagic 80、UG NX、三維口腔修復CAD軟件原形系統(tǒng)（自行研制）。12  設計流程121  預備體表面數(shù)據(jù)獲取與處理  利用德國ATOS 光學測量儀對預備體石膏模型進行測量。測量時，將石膏模型固定在專用工作臺上，并在工作臺上按照測量的需要粘貼分布均勻的參考點。一次掃描完成后，工作臺自動按照固定方向旋轉(zhuǎn)固定

6、角度。每次旋轉(zhuǎn)必須確保當前狀態(tài)與前一次共享3個以上的參考點，以保證各次掃描數(shù)據(jù)可以準確拼合。測量完成后，系統(tǒng)自動完成各次掃描結果的拼合，輸出數(shù)字模型。因為牙體表面形狀復雜，所得三角片模型必然存在孔洞、噪音等缺陷，所以需要將測得的數(shù)據(jù)導入Geomagic軟件處理，修補孔洞，去除表面噪音，平滑毛刺點。最終所得數(shù)據(jù)模型應保證表面完整、光滑（圖1）。圖1  處理后的數(shù)據(jù)模型（略）Fig 1  The model after fixed122  預備體曲面重構  利用ATOS 測量所得數(shù)據(jù)格式為STL文件，無法直接用于內(nèi)冠重構，必須將其擬合為曲面后才能在該曲面的基

7、礎上進行設計。首先，自動提取并擬合頸緣線。利用測量數(shù)據(jù)在頸緣線處的曲率明顯大于其它部位且成環(huán)狀的特征，先對整個三角片模型的曲率進行計算，確定出頸緣線可能處于的大致區(qū)域，最后對該區(qū)域進行擬合，確定頸緣線的具體位置（圖2）。圖2  頸緣線自動識別結果（略）Fig 2  The automatically painted preparation line 其次，進行三角片切分，去除頸緣線以下的冗余數(shù)據(jù)，對剩余的預備體表面數(shù)據(jù)進行曲面擬合6。曲面擬合完成后，對曲面進行誤差檢測以保證曲面質(zhì)量。如超出誤差要求則返回前一步，調(diào)整擬合參數(shù)重新擬合。圖3為擬合后的曲面。圖3  擬合

8、后的曲面（略）Fig 3  The surfaces after fitted123  內(nèi)冠的內(nèi)表面與外表面設計  預備體表面重構完成之后，就可以在該曲面的基礎上進行內(nèi)冠設計。本研究分別針對無頸環(huán)和半頸環(huán)兩種樣式進行設計7。（1）將內(nèi)頸緣線以上的曲面向外等距005mm生成等距曲面，這樣粘固時可為填充粘結劑留出空間，同時也能防止因擬合和加工的誤差導致內(nèi)冠的內(nèi)表面與預備體不匹配而無法佩戴的發(fā)生。（2）按照臨床要求，對生成的等距曲面向外增厚04mm，形成上頜中切牙內(nèi)冠外表面階臺以上的部分。（3）在外表面底部曲線環(huán)與外頸緣線之間，根據(jù)無頸環(huán)內(nèi)冠和半頸環(huán)內(nèi)冠的不同要求，生成

9、外形輪廓線，通過掃描得到階臺部分，從而形成一個完整的內(nèi)冠外表面。（4）根據(jù)患者頜牙的情況對內(nèi)冠外表面形態(tài)作微小調(diào)整，確保內(nèi)冠設計的精確性。圖4為設計完成的無頸環(huán)內(nèi)冠與半頸環(huán)內(nèi)冠。圖4  無頸環(huán)內(nèi)冠與半頸環(huán)內(nèi)冠（略）Fig 4  The non collor coping crowns on maxillary incisor（略）13  加工流程采用北京精雕三軸高速數(shù)控銑削加工中心對設計完成的模型進行加工。加工材料可選取鈀銀合金、不銹鋼等，本研究采用有機玻璃進行試切。加工時，機床主軸轉(zhuǎn)速為20000rmin-1，粗加工采用2平底銑刀，走刀方式為等高線型，進給速度1

10、ms-1；精加工選用1球頭銑刀，采用Z字型刀軌，進給速度為04ms-1。加工采用內(nèi)外表面分別加工的方法，首先加工精度要求較高的內(nèi)表面，完成后填充石膏，加強內(nèi)表面強度，打定位銷，再翻面利用定位銷將毛坯精確定位于原位完成外表面的加工。2  結果根據(jù)設計出的模型利用數(shù)控精雕銑床加工出的實物（圖5）符合設計要求，加工質(zhì)量穩(wěn)定，精度高，與預備體的貼合程度較好（圖6）。利用CAD/CAM技術設計制作上頜中切牙內(nèi)冠，與傳統(tǒng)方法相比具有省時、省力、精確的特點，具有很高的臨床實用價值。圖5  半頸環(huán)內(nèi)冠內(nèi)外表面（略）Fig 5  The inner and outer surfac

11、es of the half collor coping crowns圖6  半頸環(huán)內(nèi)冠佩戴圖（略）Fig 6  The half collar coping crown fits the model3  討論CAD/CAM技術在口腔修復領域的應用使口腔修復學取得了革命性的發(fā)展，大大縮短了治療周期，減少了病人的痛苦，提高了修復體的制作效率和質(zhì)量。德、日等國已經(jīng)推出多種商品化的齒科CAD/CAM軟硬件系統(tǒng)。我國相關研究開展較晚，在設計、制造等方面與國外還有相當大的差距。引進國外設備存在價格過高等問題，所以開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的齒科CAD/CAM系統(tǒng)是十分必要的。本研

12、究內(nèi)冠又稱烤瓷金屬基底冠，是制作烤瓷熔附金屬全冠的金屬基底，通常由鎳鉻、鈀銀等合金制成，通過在其表面覆蓋與天然牙相似的低熔瓷粉，再在真空高溫瓷爐中燒結熔附得到烤瓷金屬全冠。根據(jù)是否具有頸環(huán)特征，內(nèi)冠可以分為無頸環(huán)內(nèi)冠、半頸環(huán)內(nèi)冠和全頸環(huán)內(nèi)冠。我們采用通用CAD軟件與自行開發(fā)的三維口腔修復CAD軟件原形系統(tǒng)相結合的方法設計了上頜中切牙內(nèi)冠，并利用高速精雕銑床加工出實物，大大提高了設計和加工過程的自動化程度。整個設計和加工過程可以在2h內(nèi)完成。設計階段:（1）所采用的簡單、可靠的虛擬可視化設計方法完全避免了手工雕塑蠟模的過程，縮短了治療時間，降低了醫(yī)生的工作量。（2）頸緣線采用計算機自動提取，使得

13、頸緣線的提取精度相對手工提取大大提高，保證了內(nèi)冠的密合度，提高了修復體質(zhì)量。（3）外表面設計完成后可以針對患者對頜牙的情況對其進行微小變形調(diào)整，進一步滿足了患者的個性化要求。制造階段:采用的三軸數(shù)控精雕銑床加工的方式精度很高，而且材料不受熱，所以可以完全避免鑄造帶來的材料收縮問題。所用刀具很細，刀軌也很細密，所以加工后的表面比較光滑，完全可以直接佩戴，省去了再次拋光的過程。加工時間和簡易程度均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造方法。目前自主開發(fā)的三維口腔修復CAD軟件原形系統(tǒng)在制作上頜中切牙內(nèi)冠的過程中發(fā)揮了重要的作用，但還有一些設計模塊需要進一步完善功能和改進算法。曲面擬合的精度雖然已經(jīng)滿足臨床要求，但仍需進

14、一步提高。加工過程中采用的定位銷定位方法，精度雖然可以滿足要求，但是增加了加工步驟，使得加工的不確定因素增多，所以在今后的工作中還應對夾具做進一步改進，以減少內(nèi)外表面的定位誤差，提高加工效率。隨著患者對口腔修復體制作質(zhì)量、效率等要求的不斷提高，在口腔修復領域應用CAD/CAM的數(shù)字化快速設計技術將是今后我國口腔修復技術研究發(fā)展的重點。本研究使用自主開發(fā)的三維口腔修復CAD軟件原形系統(tǒng)，通過模型測量、預備體表面擬合、內(nèi)冠設計和數(shù)控加工等步驟，設計、制作上頜中切牙內(nèi)冠的方法高效、簡單、精確，為上頜中切牙內(nèi)冠的數(shù)字化設計和制造提供了新的思路，為研制國產(chǎn)口腔修復CAD系統(tǒng)提供了第一手的資料。參考文獻1高勃，王忠義，施長溪 下頜磨牙全冠計算機輔助設計初步J.  實用口腔醫(yī)學雜志,1999,4:304305.2呂培軍，李彥生，王勇 國產(chǎn)口腔修復CAD/CAM系統(tǒng)的研究與開發(fā)J.  實用口腔醫(yī)學雜志,2002,5:367370.3韓景蕓，費仁元，李彥生 金屬全冠的CAM工藝技術研究J