《舌侧正畸生物力学分析及矫正器设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《舌侧正畸生物力学分析及矫正器设计.doc(42页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、 20 届毕业设计(论文)说明书 题 目 院 、 部: 机械工程学院 学生姓名: 粟永哲 指导教师1: 陈雪林 职称 指导教师2: 职称 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机本1101 完成时间: 摘要 随着经济的发展、文化的进步,越来越多的患者寻求口腔正畸治疗。由于职业、社交等原因患者对矫治过程中的美观要求越来越高。在这种市场强烈需求的背景下,舌侧矫治器应用而生。从美观、生物力学控制角度来看,舌侧矫治具有明显的优势,但是与唇侧矫治相比,舌侧矫正技术仍然存在很大争议,如矫治器的安置导致发音障碍、技工室操作程序繁杂、诊治费用昂贵等。针对上述目前口腔舌侧正畸过程中存在的问题,本文以一例中
2、切牙轻度拥挤的非拔牙矫治病例为研究对象,以精简舌侧矫治过程中的技工操作和改善舌侧矫治过程中患者的发音障碍为目的,对舌侧矫治过程和矫治器进行了改进。本文分别采用三维激光扫描法和CT断层扫描方法,获得患者的牙列扫描数据,采用体积对比法对两种扫描数据进行对比分析,证明了CT狈I量法取代激光扫描法获取患者牙列数据的可行性。 采用医学图像处理软件Mimics对患者牙列的CT扫描图像进行提取后,在Magics中实现了患者牙列的数字化重排,并采用快速成型的方法制作了重排后的牙列模型。 通过采用不同的模型重建方法对患者的牙齿进行模型重建,集成各种逆向软件的优势,提出了模型重建集成的新策略,并以现有托槽的尺寸结
3、构为依据,对舌侧托槽进行了三维建模。 在HyperWorks软件的支持下对简化后的托槽模型进行了力学分析,模拟了托槽的载荷和形变、应力的关系,为临床应用提供了参考依据。最后在托槽有限元模型的基础上对托槽的结构进行了改进,为托槽尺寸优化的进一步研究奠定了基础。关键词:舌侧正畸,医学CT,牙列重排,模型重建,有限元分析ABSTRACTWith the development of economy and rising of the standard of life,more and more patients seeking for orthodontic treatmentFor the rea
4、sons of occupational,social and SO on,the aesthetics during the treatment have become increasinglydemandingThe lingual appliance Was developed simultaneously in two countries during the 1970sLingual orthodontics has obvious advantages in appearance and biomechanical contr01Howevercompared、ith labial
5、 appliances,lingualorthodontics technology is still much controversy,such as appliance placement led todysphonia,complicated laboratory procedures,and expensive treatmentThis paper selected a mild crowding and space closure non-extraction case,improved the treatment process and the lingual appliance
6、,for the purpose ofstreamline the process of lingual orthodontics mechanics operation and Improve thedysphonia during lingual orthodonticsThen USeS three-dimensional laser scanning and CT tomography methods toobtain patientS dentition scan data,compared the two SCanS by volume comparisonmethodProved
7、 that CT scanning Can replace laser scanning In the process of dataacquisition in the field of orthodonticsExtracted the CT images of the dentition with medical image processingsoftware Mimics,rearranged the patientS dentition with Magics,and then rapidprototyping the rearranged dentitionBy using di
8、fferent methods to model reconstruction the dentition,intergrating theadvantages of a variety of reverse software,this paper presents an integrated modelreconstruction strategy,and then modeling the new lingual bracket based on the sizeof the existing bracketsMechanical analysis of the simplified br
9、ackets model based on HyperWorks,simulated the bracketS relationships between load,deformation and stressProvide areference for clinical applicationFinally,improve the structure of brackets on thebasis of the finite element model,laid the foundation for the further study of bracketsize optimizationK
10、ey words:Lingual orthodontic,Medical CT,Dentition rearrangement,ModelReconstruction,Finite element analysis第一章绪论511本课题研究的背景及意义512国内外发展现状6121舌侧正畸技术的发展61.2.2牙齿咬合及正畸移动生物力学分析6123有限元分析法在医学领域的应用1313本论文研究内容和技术路线15第二章 牙列数据的采集及处理1621牙列石膏模型数据测量及处理1622基于CT断层扫描数据的牙列三维重构17221 CT扫描技术及Mimics软件简介17222基于CT数据的牙列三维重构1
11、924本章小结22第三章 材料和方法2331研究对象2332参数设置及加载233.3 结果253.3.1 托槽体等效应力分布规律2534本章小结26第四章 牙列及矫治器的建模2741模型重建技术简介27421尝试采用UG对牙齿进行逆向造型2842采用不同方法对牙齿进行逆向造型29421尝试采用UG对牙齿进行逆向造型29422采用Imageware对牙齿进行逆向造型30423采用Geomagic Studio对牙齿进行逆向造型324.3托槽建模32(1)基底的建模32(2)槽沟的定位3244本章小结33第五章 舌侧托槽的结构分析与优化3451有限元方法与结构优化方法简介34511有限元方法345
12、12 HyperWorks简介34521几何模型的简化与导入36522模型的几何清理36523设置材料参数及单元属性36524网格的划分3752.5载荷工况的选择3753本章小结38第六章结论与展望3861本论文主要工作总结3862对下一步工作的展望39参考文献40致谢41第一章绪论11本课题研究的背景及意义 20世纪70年代初,随着经济的发展、文化的进步,越来越多的患者寻求口腔正畸治疗。由于职业、社交等原因患者对正畸治疗的要求并不仅停留在矫治后的美观改善,对矫治过程中的美观要求也越来越高。因此,很多患者常会选择以美观矫治器进行治疗,如透明塑料托槽、透明陶瓷托槽等。但不管采用何种透明程度材料的
13、托槽,都难免从唇侧看到矫治器。而舌侧矫治器由于矫治托槽、弓丝等均在牙齿舌侧,矫治过程中患者唇颊牙面上与平常人并无两样,能够在不知不觉中达到完美的治疗效梨。与传统固定矫治器比较,美观是舌侧正畸最大的优点。由于托槽在舌侧,不影响患者的外观,同时牙齿唇侧釉质因不受酸蚀剂的作用避免了脱钙产生的白色斑点,治疗过程中也更方便医生从唇侧直观观察牙齿的位置与形态。另外从生物力学角度,舌侧正畸在上前牙压入、磨牙后移、上颌扩弓和下颌重新定位四点比唇侧矫治更有效。但是与唇侧矫正技术相比,舌侧矫正技术仍然存在很大争议。舌侧矫治最明显的缺点是在患者口腔舌侧面放置矫治器后会导致舌体的疼痛、肿胀以及发音障碍。除此之外,托槽
14、的定位、技工室繁杂的操作程序、过长的椅旁治疗时间和昂贵的诊治费用等都是其与唇侧矫治相比难以避免的缺点。本课题针对上述目前口腔正畸过程中存在的一系列问题提出了改进方案,其中包括:(1)将传统数据采集方法由三激光扫描石膏模型的方法,改进为对患者头颅直接进行CT扫描,这样可以省去对患者进行牙列的硅胶印模、灌注石膏模型以及对牙列的三激光扫描得到的多幅图像进行配准等繁琐的手工操作过程及较长的医师操作时间,同时可以方便的将患者的信息以数字格式存储在PC机上;(2)将目标牙列的手工排列方式全部在计算机中进行,这样可以避免包括牙齿分离、制作蜡基托、在台架上转移牙齿等复杂的技工操作,精简了技工室的操作程序;(3
15、)在实物模型三维重建的基础上,实现患者托槽的个体化设计,使得托槽的定位更加方便、准确,解决了因舌侧矫治操作空间较小导致定位困难的问题;(4)在现有托槽模型的基础上,利用有限元方法对矫治过程中托槽的力学行为进行了模拟分析,并对托槽的结构进行了改进,为下一步的托槽尺寸优化奠定了基础。12国内外发展现状121舌侧正畸技术的发展 1975年美国的Craven Kurz发明了第一个舌侧矫治器,受到了正畸医生和患者的广泛关注,生产商也立即看到了其商业价值。美国的Ormco公司最早支持研究并生产出舌侧矫治器械。随后,Kurz经过不断地研究与临床实践,与Ormco公司合作研发了舌侧矫治器,于1976年申请获得
16、了第一个固定舌侧矫治器的专利,并于1979年正式投入生产TKurzOrmco托槽。日本的Kinya Fujita也继之发明了舌侧矫治器,并于1979年在美国正畸杂志发表文章,提出了蘑菇形舌侧弓丝(mushroom arch wire)。与此同时,其他厂商也相继开发了各种舌侧托槽和矫治器械。1980年,Kurz医生在洛杉矾诊所中对近80例患者使用此托槽,取得了良好的矫治效果。1981年9月,6位杰出的美国正畸医师创设了第一届舌侧矫正技术学习班。但到了80年代中期,由于舌侧矫治装置及技术的不完善,临床治疗过程中出现了一系列问题,同时因为陶瓷托槽等其他兼顾美观和稳定的矫治器的出现,舌侧正畸进入了一个
17、低谷。进入90年代,随着舌侧正畸在托槽定位、间接黏结等技术及生物力学机制方面的研究成果的突破和成人正畸病例的治疗成功,舌侧正畸得到了复兴,在欧洲、亚洲出现了流行热潮。目前,仅在美国就有近20家大学将舌侧矫正技术列入其研究生教学范围之内。1996年徐宝华教授率先在国内开展舌侧隐形正畸的临床和基础研究,并成立了舌侧正畸小组,已经成功地完成了数百例舌侧隐形正畸患者。1998年,日本的Takemoto医生应傅民魁教授的邀请,在北京医科大学口腔医学院举办“舌侧矫治技术学习班”。2006年3月2日到3月4日,世界舌侧正畸学会(WSLO,WorldSociety of Lingual Orthodontic
18、s)第一次会议在美国纽约召开,约有400余名来自世界各地的代表参加。 舌侧矫治技术发展至今已经有30多年的历史。在这30多年里,舌侧矫治技术在各个方面都有了长足的发展。近几十年,随着计算机辅助设计和计算机辅助制造技术的发展,个性化舌侧矫治技术在口腔领域得到了广泛的应用。在口腔正畸领域,计算机技术现已应用于正畸托槽的设计、制作以及使用机械手弯制矫治弓丝。2001年德国的正畸医fiWiechmann率先将计算机辅助设计和制造技术应用于舌侧正畸托槽的生产、加工以及使用机械手弯制弓丝,研究开发了个性化舌侧矫治系统。个性化舌侧矫治系统有效的克服了传统舌侧矫治技术固有的局限性,成为当今欧洲正畸临床上使用率
19、第一位的舌侧矫治技术,深受广大患者及医师的欢迎。 随着舌侧矫治技工制作程序的不断改进,生物力学机制的深入研究,临床矫治技术的积累成熟,其临床应用势必会得到很大提升,在不久的将来,该技术一定会成为口腔正畸治疗的一种常规治疗方法。1.2.2牙齿咬合及正畸移动生物力学分析1.舌颊侧正畸移动分析 研究下颌第一磨牙分别受到舌侧与颊侧近中向矫治力(近中水平力、近中方式垂直移动、近中倾斜移动、近中旋转移动、近中整体移动)时,牙根及牙周膜、牙槽骨表面的应力分布特点,颊舌侧矫治方式的应力大小和分布情况比较。2.模型牙周膜厚度为0.2 mm的牙-牙周膜-牙槽骨几何模型。材料属性及载荷各部分材料属性部位弹性模量(M
20、Pa)泊松比牙冠51720 0.3牙根18620 0.3牙周膜3.45 0.45牙槽骨13800 0.3牙槽骨底面的自由度全部约束,在牙冠上舌侧正畸矫正器托槽安装的相应位置处加正畸移动载荷,近中水平力大小为2 N,由于加载参考坐标系与牙体阻抗中心不一致以及模型间的细微差别,为避免直接借鉴经验抗力矩值加载可能带来的结果误差,建立以抗力矩大小为优化变量,牙周膜最大应力值最小为目标函数的数学模型,通过数值优化计算,获得相应的抗力矩载荷值,另为了便于结果的分析和对比,增加了近中水平力加载分析。载荷情况见下正畸方式及移动类型载荷颊侧近中水平力近中水平力2 N颊侧垂直移动垂直力2 N+10.98 Nmm抗
21、倾斜力矩颊侧倾斜移动近中水平力2 N+10.854 Nmm抗旋转力矩颊侧旋转移动近中水平力2 N+16.285 Nmm抗旋转颊侧整体移动近中水平力+16.285 Nmm抗倾斜力矩+10.854 Nmm抗旋转力矩正畸方式及移动类型载荷舌侧近中水平力近中水平力2 N舌侧垂直移动垂直力2 N+10.98 Nmm抗倾斜力矩舌侧倾斜移动近中水平力2 N+10.854 Nmm抗旋转力矩舌侧旋转移动近中水平力2 N+16.285 Nmm抗旋转舌侧整体移动近中水平力+16.285 Nmm抗倾斜力矩+10.854 Nmm抗旋转力矩3.结果(1)牙周膜应力结果(MPa)颊侧stress(牙周膜)部位颊侧垂直2N+
22、9.495抗倾斜0.022233舌侧交叉颊侧水平2N0.054661近中颊侧边缘颊侧水平2N+14.762抗倾斜0.013739近中颊侧牙根颊侧水平2N+10.42抗扭0.044833近中颊侧边缘颊侧水平2N+14.762抗倾斜+10.42抗扭0.0081066舌侧交叉舌侧stress(牙周膜)部位舌侧垂直2N+10.98抗倾斜0.024669舌侧交叉舌侧水平2N0.055614近中舌侧边缘舌侧水平2N+16.285抗倾斜0.021411舌侧交叉舌侧水平2N+10.854抗扭0.046302近中颊侧边缘舌侧水平2N+16.285抗倾斜+10.854抗扭0.0083637舌侧交叉(2)牙周膜应力
23、图颊侧方式垂直移动舌侧方式垂直移动颊侧近中水平力舌侧近中水平力颊侧整体移动舌侧整体移动注:由于表格数据没有像上面牙周膜结果数据般单独统计成表,较凌乱,故没有附上,牙根及牙槽骨表面图与牙周膜应力图相似,图片较多,故未贴上,望见谅!1.2.3不同牙周膜厚度对正畸移动过程中牙周膜、牙根及牙槽骨影响分析近年来学者们在应用有限元数值计算等方法对正畸生物力学进行研究时,对牙周膜厚度一般均取定值0.2 mm或0.25 mm,而牙周膜正常厚度是与年龄及牙齿的功能状态有关,并在0.15-0.38 mm范围间变动的,刘建平等采用三维有限元法对桥体牙合面中央位置在垂直载荷、水平载荷作用下,固定桥基牙牙周膜厚度不同时
24、的牙周膜和固定桥应力情况进行了分析,结果表明下颌后牙固定桥和牙周膜的应力分布与基牙牙周膜厚度在一定范围内具有相关性;张山川等对不同牙周膜厚度下桩核牙根联合体抗折力学性进行了测试,发现牙周膜厚度在一定范围时,相同质量、相同高度牙周膜的桩核牙根联合体抗折力和位移与其牙周膜厚度成正比,显然,牙周膜厚度因素对牙齿受力下牙周组织的应力大小及分布是存在较大影响的。本部分研究不同牙周膜厚度值下,下颌第一磨牙分别受到舌侧近中向矫治力(近中方式垂直移动、近中倾斜移动、近中旋转移动、近中整体移动)时,牙根及牙周膜、牙槽骨表面的应力和位移分布特点。1.模型分别建立牙周膜厚度值为0.15 mm、0.2 mm、0.25
25、 mm、0.3 mm、0.35 mm的等牙槽骨高的牙齿-牙周膜-牙槽骨三维模型。模型外型如1.1中几何模型图。2.载荷与舌侧近中向矫治载荷情况相同。3.牙周膜应力对应牙周膜厚度值下的牙周膜最大应力情况图牙周膜最大应力集中部位牙周膜厚度/mm垂直移动近中水平力旋转移动倾斜移动整体移动0.15近中牙根近中牙颈近中牙颈近中牙颈近中牙根0.2牙分叉近中牙颈牙分叉近中牙颈牙分叉0.25近中牙根近中牙颈牙分叉近中牙颈近中牙根0.3近中牙根近中牙颈近中牙根近中牙颈近中牙根0.35近中牙颈近中牙颈牙分叉近中牙颈牙分叉4.牙根应力及位移牙根最大应力值情况图牙根最大位移值情况图牙根最大应力及位移分布情况在旋转移动
26、、整体移动时,随牙周膜厚度变化,最大应力均集中在牙体交叉部位;近中水平力、垂直移动载荷及倾斜载荷作用时,在牙周膜厚度0.150.25 mm内,最大应力均集中在牙根部位,在牙周膜厚度达到0.25 mm后,最大应力部位转移到牙体交叉部位。在垂直移动和倾斜移动中,牙根最大位移出现在近中牙颈部位,在旋转移动和整体移动中,牙根最大位移出现在近中根部区域。5.牙槽骨表面应力及位移 牙槽骨表面最大应力值情况图牙槽骨表面最大位移值情况图牙槽骨表面最大应力和位移分布情况牙周膜厚度垂直移动近中水平力旋转移动倾斜移动整体移动应力位移应力位移应力位移应力位移应力位移0.15 mm分叉牙根牙根分叉牙根分叉牙根牙颈牙根分
27、叉0.20 mm牙根牙根牙根分叉牙根分叉牙根牙根牙根分叉0.25 mm牙颈牙颈牙根分叉牙根分叉牙根分叉牙根分叉0.30 mm牙颈牙颈牙颈分叉牙颈分叉分叉分叉牙颈分叉0.35 mm分叉牙颈分叉分叉分叉分叉分叉分叉分叉分叉结论牙周膜较薄时,牙根及牙槽骨表面最大应力值较大,正畸移动过程中骨吸收现象明显,牙周膜厚度较大时,牙根及牙槽骨表面最大位移值增大,牙齿动度增加,正畸移动控制难度增大;牙周膜厚度不同,牙周膜、牙根及牙槽骨最大应力集中部位有变化。静态咬合分析不同加载方式及咬合部位对下颌骨应力分布的影响研究不同的加载方式(咬肌加载,颞肌加载及咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌四组肌肉同时加载)及不同的咬合部位
28、(前牙咬合及单、双侧后牙咬合)对下颌骨,特别是下颌角区域应力分布的影响。前牙:近中的六颗牙(靠近中线左右各三颗)。后牙:远中的十颗牙(远离中线的左右各五颗牙)。123有限元分析法在医学领域的应用 有限元法是20世纪60年代以来随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种有效的数值分析方法。三十多年来,有限单元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力学问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已经从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合
29、。可以预计,随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展,有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具,必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用,其自身亦将得到进一步的发展和完善。 经过长期的进化过程,人体形成了一个近乎完美的力学结构。由于通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。六十年代,在与心血管相关的流体力学问题上,有限单元法得到了初步应。从七十年代起,有限元开始应用于骨科生物力学研究,最早是应用于脊柱。八十年代后,其应用范围逐渐扩展到颅面骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上,并在牙齿
30、及其附属结构、脊柱生物力学问题上得到了广泛应用231。目前,有限单元法在国内也得到普遍发展,取得了大量的研究成就,各类临床医生从临床角度出发,针对不同的问题做了不同的力学模型,用来模拟分析各种临床实际问题,这些研究结果对临床工作很有帮助,丰富了生理学和医学的内容,为疾病诊断和治疗、人工器官的设计和研制等方面提供了科学依据,为生物力学研究增加了新的活力。 上个世纪八十年代以来,生物力学逐渐在口腔领域得到了越来越广泛地应用,为口腔疾病治疗方法的评价以及修复用材料的研究、开发和应用提供力学基础,而以有限元为代表的数值分析方法的发展,为生物力学研究提供了建模、分析求解和分析结果可视化等强有力的支持。现
31、在数值方法已经广泛地应用于口腔科领域,利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具,可以很逼真地建立三维牙体组织模型,并赋予其生物力学材料特性。在仿真实验中,对模型进行实验条件仿真(几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度特性等),模拟拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验,可以求解获得在不同实验条件下模型任意部位变形、应力应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等变化情况。有限元法在口腔科生物力学中应用广泛,对各种几何形态、材料性质及复杂的支持条件和加载方式下牙齿及周围组织的应力应变分布是其主要研究内容,例如尖牙远中移动的有限元研究241,矫治力作用下牙周支持组织应力分布的三维有限元分析不同桩材料对牙
32、本质应力分布影响的三维有限元分析,等等。随着有限元技术的发展,目前在研究中已普遍地根据实验测量结果建立了牙齿及牙槽骨的三维有限元模型,计算结果与实验结果有较好的一致性。这些研究使人们对口腔正畸方案的治疗效果有了越来越深入的认识,促进了口腔治疗技术的发展。 随着现代计算技术的飞速发展,功能强大的三维设计软件如UG、ProE较大程度上推动了反求工程的发展,使得由此而诞生的计算机组织三维重建和显示成为可能,给医用图学领域带来好处。将一系列连续组织断层图像输入计算机,经图像处理与造型处理后,可以在二维屏幕上显示出组织的三维结构,这样就能更加真实、形象地再现各组织的空间结构,为诊断、手术计划的制定、生理
33、参数测量、解剖组织研究和整形外科等提供有效的信息。利用反求工程技术快速地建立牙体组织三维几何模型,能有力地促进数值方法在口腔科领域的应用。先进的有限元技术也依赖于软件系统的发展,大型有限元分析软件能够出色地完成人机对话、数据图形交互,具有高运算速度、无限的解题规模、强大的分析功能、丰富的单元库和求解器、良好的接口程序、高质量图形显示与打印等优良性能。国外已经有Ansys,Abaqus,CosmosM,Strand,MscNastran等有限元分析系统,在国内也开始开发引进与应用,这些软件的迅速发展,大大推动了有限元技术的发展。 将有限元分析方法与最优化技术结合起来,将促进口腔疾病诊断和治疗计算
34、机辅助设计的实现,使临床治疗技术跃上新台阶,给口腔科医学临床应用提供科学的理论依据,促进生物力学向更深入、更广泛、更光明的前景发展。13本论文研究内容和技术路线 本文以一例中切牙轻度拥挤的非拔牙矫治病例为研究对象,分别采用目前最常用的两种数据采集方法:三维激光扫描法和CT断层扫描方法,获得患者的牙列扫描数据,采用体积对比法对两种扫描数据进行对比分析,证明了CT测量法取代激光扫描法直接获取患者牙列数据的可行性,为数字化口腔正畸的数据采集方法提供了更加方便、简洁的新途径。采用医学图像处理软件Mimics对患者牙列的CT扫描图像进行提取后,在Magics中实现了患者牙列的数字化重排,并采用快速成型的
35、方制作了重排后的牙列模型。通过采用不同的模型重建方法对患者的牙齿进行模型重建,集成各种逆向造型软件的优势,提出了模型重建集成的新策略,并以现有托槽的尺寸结构为依据,对舌侧托槽进行了三维建模并对简化后的托槽模型进行了力学分析,确定了托槽的载荷形变和载荷应力关系,为临床应用提供了参考依据。最后在托槽有限元模型的基础上对托槽的结构进行了改进,为缩小托槽尺寸,改善患者发音障碍的进一步研究奠定了基础。 全文分为六章,主要结构如下:第一章简要介绍舌侧正畸、快速成型及有限元分析各项技术的理论基础和国内外研究现状以及本课题研究内容与研究目的意义。第二章对目前常用的数据采集方法进行了介绍,并分别采用不同方法获得
36、了患者牙列的激光扫描数据和CT断层扫描数据,利用医学图像处理软件Mimics从CT扫描数据中提取出各个带有齿根的独立牙齿和完整的牙槽骨,在Magics软件中采用体积对比法对两种扫描数据的牙冠部分进行对比分析,证明了CT测量法取代激光扫描法的可行性,为数字化口腔正畸的数据采集方法提供了更加方便、简洁的新途径。第三章介绍了牙列排列的规则与排列标准和传统手工排列方法的具体操作步骤,在Magics软件中依据牙列排列规则和标准对下颌牙列进行了数字化重排,并采用快速成型的方制作了重排后的牙列模型,高效准确的获得了目标牙列的数字模型,为矫治托槽的精确定位提供了依据。第四章采用不同的模型重建法对患者的目标牙齿
37、进行了模型重建,通过集合各种逆向软件的优势,提出了模型重建集成的新策略,为后续学者研究做出指导,并以现有模型尺寸结构为依据,对舌侧托槽进行了建模,为下一章舌侧托槽的有限元分析提供了几何模型。第五章建立了简化后的舌侧托槽有限元模型,并利用HyperWorks对其进行力学分析,确定了现有托槽的载荷形变和载荷应力关系,在现有托槽模型的基础上对托槽的部分结构进行了改进,为缩小托槽尺寸,改善患者发音障碍的进一步研究奠定了基础。第6章 总结全文工作,并对今后工作进行展望。第2章 牙列数据的采集及处理 实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件的几何坐标数据。只有获得了物体的三维信息才能实现复杂
38、曲面的建模、评价、改进和制造。目前最常用的三维表面数据采集方法是三坐标测量法,由于其快速、精确等优点广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中,但是三坐标测量法仅能得到实物模型的表面数据,难以测得实物模型的内部结构。随着CT技术的发展,断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用。断层数据测量可对物体的内部形状、壁厚,尤其是内部结构进行测量。但是其空间分辨率较低,获得数据需要较长的积分时间,重建图像计算量大,造价高。 在口腔正畸领域,常用的数据获取方法是对牙列石膏模型的激光扫描测量法,该方法可快速、准确的获得患者牙冠面表面的数据信息。但是患者牙列在矫治过程中的生物力学性能与牙列内部结构包括牙根、牙周
39、膜及牙槽骨有着直接的关联,因此只有采用断层扫描法对患者进行测量,才能使得整个分析结果更加直观、全面。 本章首先对目前常用的数据采集方法进行了介绍,然后采用LSH800激光扫描仪扫描患者牙列的石膏模型,获得了患者牙列石膏模型的三维激光扫描数据;采用GE,Light Speed plus 16层螺旋CT机对患者的头部进行了扫描,获取了患者头部的CT断层扫描数据,并利用医学图像处理软件Mimics对其进行处理,提取出患者牙列包括牙槽骨、牙周膜在内的断层扫描数据;最后在Magicsq丁对两种扫描方法所得数据进行对比分析,证明了CT澳IJ量法取代激光扫描法的可行性,从而省去对患者进行牙列的硅胶印模、灌注
40、石膏模型以及对牙列的三激光扫描得到的多幅图像进行配准等繁琐的手工操作过程及较长的医师操作时间,为数字化口腔正畸的数据采集方法提供了更加快速、方便的新途径。21牙列石膏模型数据测量及处理 三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能,因此,一开始就被选为逆向工程的主要数字化设备并一直使用至今。三坐标测量机的原理是:将被测物体置于三坐标测量机的测量空间,可获得被测物体上各测点的坐标位置,根据这些点的空间坐标值,经计算可求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。三坐标测量
41、机可分为主机、测头和电气系统三大部分。 从目前国内外三坐标测量机发展状况和科技、生产对三坐标测量及提出的要求看,在今后一段时间内,它的主要发展趋势体现在以下几个方面:高精度化、自动化、非接触测量、采用新材料,运用新技术、使用测量软件、使用现场化、成为制造系统的组成部分等。 本文采用台湾3DFAIMLY公司生产的LSH800激光扫描仪扫描模型(见图2-1),其主要性能指标如下:机台定位精度为0005mm;扫描量测精度为005mm;外形尺寸为14001200*2000mm3。采用激光配合双CCD摄影机系统作扫描测量,扫描景深达150mm;其速度极高,每秒500点,误差在005mm内,能够360度旋
42、转,一次定位就可量取全部点资料再经由测量系统运算,自动将所有点资料结合在同一坐标系统,完整地输出STL、OBJ、IGES、DXF、VRNL等资料格式,可以跟任何CADCAM系统相融合相匹配。模型扫描完成的图形是由多点组成的图2-1由三坐标测量机得到的实物外形数据将输入到CAD系统或专用的逆向造型软件进行三维CAD模型的重建。目前数据测量依然存在很多问题,激光扫描测量得到的是海量的数据“点云,对后续重建影响较大。因此,在进行重建之前,需要对数据进行预处理工作,以获得完整正确的测量数据以方便后续的造型工作。采用LSH800激光扫描仪获得的点云数据可在Imageware中进行过滤及平滑、数据精简等步
43、骤后可得到适合三维重建的数据点云,其结果可由多种格式输出。22基于CT断层扫描数据的牙列三维重构221 CT扫描技术及Mimics软件简介 除三坐标测量机外,目前断层数据采集方法在实物外形的测量中呈增长趋势,断层数据的采集方法分非破坏性测量和破坏性测量两种,非破坏性测量主要有:CT测量法、MRI钡,U量法、超声波测量法等,破坏性测量主要有铣削层去扫描法。 计算机断层扫描技术最具代表的是基于X射线的CT扫描机,它以测量物体对X射线的衰减系数为基础,用数学方法经过电子计算机处理而重建断层图像。这种方法最早应用于医学上,目前开始用于工业领域,形成工业CT(ICT),特别是针对中空物体的无损检测。这种
44、方法是目前最先进的非接触测量方法,它可对物体的内部形状、壁厚,尤其是内部结构进行测量。但是它的空间分辨率较低,获得数据需要较长的积分时间,重建图像计算量大,造价高。 CT的主要结构包括两大部分:X线体层扫描装置和计算机系统。前者主要由生产X线束的发生器和球管,以及接收和检测X射线的探测器组成;后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。此外,CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。 通过CT扫描,可以得到一系列灰度图像,反映了在一系列平形截面上测量的物理实体的密度分布,进一步采用分割技术来识别物理实体的表面轮廓,最终建立物体的CAD模型。与其他测量技术相比,CT狈1量为一
45、次性获得物实体的内外部几何特征信息提供了自动化和快速的解决方案,目前的工业CT系统已能提供和CMM、激光测量媲美的测量精度,经前处理后,CT扫描结果变为分层表示的物体曲面轮廓,每层的轮廓取决于被测几何的复杂程度。本研究采用美国通用电器(General Electric,GE,Light Speed plus,2004年)公司生产的16层螺旋CT机(如图23),可对研究对象进行颅颌面扫描,扫描范围为从颅底至下颌骨边缘。扫描条件为120kV,250mA。扫描基线为眶耳平面,扫描层厚0625 him,重建间隔为05 mi1,床进速度为171875 mrns,每圈螺旋转速为1Os,螺距为1375:1。头颅平卧,眼耳平面与地面垂直。将扫描获得的图像以DICOM的文件格式存储于光盘中,然后将这些数据转移到个人的计算机进行数据处理。图2-3美国通用电器公司生产的GE,Light Speed plus 16层螺旋CT机 本文利用软件mimics的图像处理工具,增强由CT扫描产生的图像数据的质量。Mimics是Materialise公司的交互式的医学影像控制系统,即为Materiaisesinteractive medical image control
链接地址:https://www.31doc.com/p-2747264.html