上颌中切牙内冠的计算机辅助设计与制造
作者：安涛, 廖文和, 俞青, 戴宁, 焦益群
［摘要］目的:对上颌中切牙内冠的机辅助设计与制造方法进行探讨和研究。方法:以右上中切牙为例，首先使用ATOS Ⅱ光学测量仪进行预备体表面数据采集；其次对所采集到的三角片数据进行处理，自动识别出颈缘线，重构预备体表面的曲面；然后利用生成的曲面分别针对无颈环内冠和半颈环内冠两种情况设计出所需内冠；最终利用3轴精雕机床进行数控铣削编程加工。结果:制作出的两种内冠均能够与预备体紧密贴合，整体设计精度均符合临床要求。结论:所选方法可行，具有临床实用价值，为进一步研究奠定了基础。［关键词］口腔修复；切牙；内冠；计算辅助设计与制造
20世纪后期，CAD/CAM技术在口腔修复领域中的应用使得口腔修复技术取得了里程碑式的。我国口腔医学计算机的应用与研究开始于20世纪80年代，起步相对较晚，而且主要集中在理论方面。近几年在口腔修复CAD/CAM方面研究取得了实质性的进展，如高勃等［1］利用UG和二次开发软件研究了全冠的计算机辅助设计，吕培军等［2］初步实现了冠修复体的计算机辅助设计和制造，韩景芸等［3］研究了金属全冠的CAM工艺，张翔等［4］研究了烤瓷冠基底冠模型重构方法，戴宁等［5］研究了基于DFFD的牙齿修复冠约束设计方法；但是由于起步较晚，在理论研究和软、硬件水平方面与国外差距比较大。目前国内报道的研究主要集中在磨牙全冠的制作上，尚无关于制作上颌中切牙内冠的研究报道。采用CAD/CAM技术制作上颌中切牙内冠可以在虚拟的环境中完成上颌中切牙内冠的设计，与传统方法相比克服了纯手工雕塑蜡模的不稳定、不精确的问题，用数控铣削加工代替了铸造方法，可以避免铸造工艺固有的材料收缩和表面需要再次抛光的问题，具有效率高、精度高、加工方便的特点，有效地保证了修复体的质量。
1 材料与方法
11 材料与设备
111 标本 选择上颌中切牙修复病例，常规方法备牙、取模、灌注石膏模型。
112 硬件组成 德国ATOS Ⅱ光学测量仪。该测量仪具有1个激光发生器、2个CCD摄像头、1副移动旋转支架和1个回转工作台。主要参数：相机分辨率为1280×1024像素，7s最多可测定130万个点，照片精度为±002mm。测量采用投影光栅的原理，投射一束光线到被测物体上，CCD摄像头通过捕捉物体表面反射光角度的变化，计算物体表面三维坐标。通过旋转将物体表面所有信息采集完全后，自动完成各次扫描数据的拼合。微型计算机一台（基本配置：CPU P 26 G，内存256 M，硬盘80 G，显卡GeForce2 MX400 64 M）；北京精雕 (JDSign60)三轴高速数控铣削加工中心；试切材料为有机玻璃。
113 软件组成 操作系统Windows XP； Geomagic 80、UG NX、三维口腔修复CAD软件原形系统（自行研制）。
12 设计流程
121 预备体表面数据获取与处理 利用德国ATOS Ⅱ光学测量仪对预备体石膏模型进行测量。测量时，将石膏模型固定在专用工作台上，并在工作台上按照测量的需要粘贴分布均匀的点。一次扫描完成后，工作台自动按照固定方向旋转固定角度。每次旋转必须确保当前状态与前一次共享3个以上的参考点，以保证各次扫描数据可以准确拼合。测量完成后，系统自动完成各次扫描结果的拼合，输出数字模型。因为牙体表面形状复杂，所得三角片模型必然存在孔洞、噪音等缺陷，所以需要将测得的数据导入Geomagic软件处理，修补孔洞，去除表面噪音，平滑毛刺点。最终所得数据模型应保证表面完整、光滑（图1）。
图1 处理后的数据模型（略）
Fig 1 The model after fixed
122 预备体曲面重构 利用ATOS Ⅱ测量所得数据格式为STL文件，无法直接用于内冠重构，必须将其拟合为曲面后才能在该曲面的基础上进行设计。首先，自动提取并拟合颈缘线。利用测量数据在颈缘线处的曲率明显大于其它部位且成环状的特征，先对整个三角片模型的曲率进行计算，确定出颈缘线可能处于的大致区域，最后对该区域进行拟合，确定颈缘线的具体位置（图2）。
图2 颈缘线自动识别结果（略）
Fig 2 The automatically painted preparation line
其次，进行三角片切分，去除颈缘线以下的冗余数据，对剩余的预备体表面数据进行曲面拟合［6］。曲面拟合完成后，对曲面进行误差检测以保证曲面质量。如超出误差要求则返回前一步，调整拟合参数重新拟合。图3为拟合后的曲面。
图3 拟合后的曲面（略）
Fig 3 The surfaces after fitted
123 内冠的内表面与外表面设计 预备体表面重构完成之后，就可以在该曲面的基础上进行内冠设计。本研究分别针对无颈环和半颈环两种样式进行设计［7］。（1）将内颈缘线以上的曲面向外等距005mm生成等距曲面，这样粘固时可为填充粘结剂留出空间，同时也能防止因拟合和加工的误差导致内冠的内表面与预备体不匹配而无法佩戴的发生。（2）按照临床要求，对生成的等距曲面向外增厚04mm，形成上颌中切牙内冠外表面阶台以上的部分。（3）在外表面底部曲线环与外颈缘线之间，根据无颈环内冠和半颈环内冠的不同要求，生成外形轮廓线，通过扫描得到阶台部分，从而形成一个完整的内冠外表面。（4）根据患者颌牙的情况对内冠外表面形态作微小调整，确保内冠设计的精确性。图4为设计完成的无颈环内冠与半颈环内冠。
图4 无颈环内冠与半颈环内冠（略）
Fig 4 The non collor coping crowns on maxillary incisor（略）
13 加工流程采用北京精雕三轴高速数控铣削加工中心对设计完成的模型进行加工。加工材料可选取钯银合金、不锈钢等，本研究采用有机玻璃进行试切。加工时，机床主轴转速为20000r・min-1，粗加工采用2平底铣刀，走刀方式为等高线型，进给速度1m・s-1；精加工选用1球头铣刀，采用Z字型刀轨，进给速度为04m・s-1。加工采用内外表面分别加工的方法，首先加工精度要求较高的内表面，完成后填充石膏，加强内表面强度，打定位销，再翻面利用定位销将毛坯精确定位于原位完成外表面的加工。
2 结果
根据设计出的模型利用数控精雕铣床加工出的实物（图5）符合设计要求，加工质量稳定，精度高，与预备体的贴合程度较好（图6）。利用CAD/CAM技术设计制作上颌中切牙内冠，与传统方法相比具有省时、省力、精确的特点，具有很高的临床实用价值。
图5 半颈环内冠内外表面（略）
Fig 5 The inner and outer surfaces of the half collor coping crowns
图6 半颈环内冠佩戴图（略）
Fig 6 The half collar coping crown fits the model
3 讨论
CAD/CAM技术在口腔修复领域的应用使口腔修复学取得了革命性的，大大缩短了周期，减少了病人的痛苦，提高了修复体的制作效率和质量。德、日等国已经推出多种商品化的齿科CAD/CAM软硬件系统。我国相关研究开展较晚，在设计、制造等方面与国外还有相当大的差距。引进国外设备存在价格过高等问题，所以开发具有自主知识产权的齿科CAD/CAM系统是十分必要的。本研究内冠又称烤瓷金属基底冠，是制作烤瓷熔附金属全冠的金属基底，通常由镍铬、钯银等合金制成，通过在其表面覆盖与天然牙相似的低熔瓷粉，再在真空高温瓷炉中烧结熔附得到烤瓷金属全冠。根据是否具有颈环特征，内冠可以分为无颈环内冠、半颈环内冠和全颈环内冠。我们采用通用CAD软件与自行开发的三维口腔修复CAD软件原形系统相结合的方法设计了上颌中切牙内冠，并利用高速精雕铣床加工出实物，大大提高了设计和加工过程的自动化程度。整个设计和加工过程可以在2h内完成。设计阶段:（1）所采用的简单、可靠的虚拟可视化设计方法完全避免了手工雕塑蜡模的过程，缩短了治疗时间，降低了医生的工作量。（2）颈缘线采用机自动提取，使得颈缘线的提取精度相对手工提取大大提高，保证了内冠的密合度，提高了修复体质量。（3）外表面设计完成后可以针对患者对颌牙的情况对其进行微小变形调整，进一步满足了患者的个性化要求。制造阶段:采用的三轴数控精雕铣床加工的方式精度很高，而且材料不受热，所以可以完全避免铸造带来的材料收缩问题。所用刀具很细，刀轨也很细密，所以加工后的表面比较光滑，完全可以直接佩戴，省去了再次抛光的过程。加工时间和简易程度均明显优于传统铸造方法。目前自主开发的三维口腔修复CAD软件原形系统在制作上颌中切牙内冠的过程中发挥了重要的作用，但还有一些设计模块需要进一步完善功能和改进算法。曲面拟合的精度虽然已经满足临床要求，但仍需进一步提高。加工过程中采用的定位销定位方法，精度虽然可以满足要求，但是增加了加工步骤，使得加工的不确定因素增多，所以在今后的工作中还应对夹具做进一步改进，以减少内外表面的定位误差，提高加工效率。随着患者对口腔修复体制作质量、效率等要求的不断提高，在口腔修复领域应用CAD/CAM的数字化快速设计技术将是今后我国口腔修复技术研究发展的重点。本研究使用自主开发的三维口腔修复CAD软件原形系统，通过模型测量、预备体表面拟合、内冠设计和数控加工等步骤，设计、制作上颌中切牙内冠的方法高效、简单、精确，为上颌中切牙内冠的数字化设计和制造提供了新的思路，为研制国产口腔修复CAD系统提供了第一手的资料。
［］
［1］高勃，王忠义，施长溪 下颌磨牙全冠计算机辅助设计初步［J］. 实用口腔医学杂志,1999,4:304305.
［2］吕培军，李彦生，王勇 国产口腔修复CAD/CAM系统的研究与开发［J］. 实用口腔医学杂志,2002,5:367370.
［3］韩景芸，费仁元，李彦生 金属全冠的CAM工艺技术研究［J］. 制造工程, 2004,10:1012.
［4］张翔，廖文和，俞青,等 烤瓷冠基底冠模型重构方法研究［J］. 东南大学学报：医学版,2006,25(1):15.
［5］戴宁，程筱盛，俞青,等 基于DFFD的牙齿修复冠约束设计方法的研究［J］. 东南大学学报：医学版,2005,24(1):2832.
［6］朱心雄 自由曲线曲面造型技术［Ｍ］. 北京: 出版社,2000:1
［7］徐君伍 口腔修复学［Ｍ］. 第4版 北京:人民卫生出版社, 1997:88
