标准牙冠和桥体数据库的建立
【摘要】 目的：开发口腔修复CAD/CAM系统中标准牙冠和桥体数据库原型系统，帮助口腔医生快速获得牙冠设计的数据模板，为高效地设计牙冠模型作准备。方法：首先，利用AtosⅡ激光测量设备，采集28颗标准冠/桥石膏模型（1∶1）的三维数据；然后，采用细分曲面逼近的方法重构标准冠/桥的数据模型；最后，设计标准冠/桥数据库的多层数据存储和管理结构，采用VC++ 6.0和Hoops图形库开发了标准冠/桥数据库系统原型。结果：标准冠/桥体数据库原型系统的构建符合设计要求，能够作为后续牙冠设计的数据模板。结论：所建立的标准冠/桥数据库高效、精确、可靠，可用于开发国产口腔修复CAD/CAM系统。
【关键词】 口腔修复 机辅助设计与制造 牙冠 桥体 数据库
自从20世纪70年代初 CAD/CAM技术应用于口腔修复领域以来，便从根本上改变了传统的义齿制作方法[1]。一个完整的CAD/CAM口腔修复系统包含数据采集、标准冠/桥数据库、牙体模型重建与设计、牙体模型的制造4个部分。标准冠/桥数据库的建立对于提高修复体重构及快速设计都有着十分重要的意义。近几年我国在口腔修复CAD/CAM方面研究取得了一些实质性的进展：邹波等[2]研究了标准牙冠数据的获取；陈建治等[3]采用三维层析法，研究了全口义齿树酯牙三维模型数据库的建立；宋雅丽等[4]采用机械探针式测量机，建立标准牙数据库等。上述研究中测量数据的处理、模型的重构大部分都是基于国外现有的软件系统。本研究采用三维光学测量设备采集标准冠/桥石膏模型的三维数据，利用VC++ 6.0和Hoops图形库设计建立标准数据库，完成国产“超人”Dental CAD V1.0口腔修复CAD/CAM软件原型中标准冠/桥数据库模块的开发。
1 数据采集
1.1 测量设备
数据采集设备采用德国AtosⅡ激光测量仪，该系统由一个激光发射器、两个CCD照相机、移动旋转支架和回转工作台组成。工作时采用两个CCD拍照，记录投射到被测物体表面的光栅发生的变形，计算物体上测量点的三维坐标，通过回转工作台的旋转和测量头的三方向旋转和两方向平移，可以采集被测物体360°外观的多幅照片，并自动坐标转换和数据拼合。测量主要参数：测量距离750 1600mm；相机精度1280×1024点阵象素；单张照片测量时间约8s；测点间距0.04 1mm;测量噪音0.002 0.02mm。
1.2 测量模型
测量模型包括上、下颌左右中切牙到第2磨牙共28颗标准牙冠/桥的超硬石膏模型（由南京市口腔提供），模型比例均为1∶1。
1.3 测量步骤
(1)在工作台上粘贴测量点，并对存在反光或吸光的模型作喷粉处理。
(2)将待测标准冠/桥模型放在测量工作台上，用油泥固定，并调整镜头焦距、光线。
(3)调整Atos测量镜头，按照逆时针方向从各个视角对模型测量，获取多片测量数据，当前视图数据必须保证有至少3个测量参考点和前1次的视图数据中的测量参考点相重合。
(4)利用相重合的测量参考点，对多片测量数据作坐标变换，并优化建立数据拓扑，生成STL三角网格数据。
2 模型重建
通过数据采集获取了带拓扑结构的STL数据，目前可以采用细分曲面逼近和样条曲面逼近两种方法进行模型重构。由于样条曲面逼近需要对数据按照特征区域进行分块处理，算法复杂。因此，本系统采用细分曲面逼近算法。首先对测量数据获得的STL数据作简化处理，获得细分曲面的基网格，然后对基网格数据进行细分逼近光顺，以细分误差（即当前细分曲面和原始测量数据之间的距离）来驱动迭代循环，从而获得满足一定误差精度的细分曲面，如图1所示。
3 标准冠/桥数据库设计与构建
采用开放的组织结构，灵活地管理数据库28颗标准冠/桥的数据，数据库总体结构设计图如图2所示。
3.1 数据物理层
28颗标准牙冠/桥的数据，分别经过细分拟合以后生成三维模型（包含颜色、纹理等属性信息），统一存放在各自的几何模型数据文件中，从而构成了数据库中最基本的数据单元。这些基本数据单元在磁盘中按照一定顺序存放，形成了数据的物理层。
3.2 数据逻辑层
物理层的模型数据组织是独立而松散的，不利于数据的有效管理。因此构建数据逻辑层是必须的，它可以加强物理数据单元之间的联系，也可以附加一些几何模型中所无法表达的属性信息，如位置信息等。逻辑层的数据组织依照树状层次结构表示（图2），根结点为牙颌系统，下分上、下颌2个分支，各颌分14颗单牙，每颗单牙下设冠模型、桥模型（数据模型通过虚拟路径指针，指向实际的物理文件地址）和定位属性信息（如模型几何中心、局部坐标系等）等属性集。树状层次结构采用XML表单实现，可以通过数据字典中的关键字方便地访问XML表单进行数据交换，从而对数据库实施有效访问管理。
3.3 数据库界面
见图3，左侧是上、下颌牙齿位置的索引编号，用户可以方便地选择修复牙的位置；牙体类型包含了牙冠模型和桥模型，用于选择修复类型；采用ActiveX组件技术实现的三维模型预览窗口，可以快速预览模型的三维形状，帮助医生快速地了解修复体的全貌。数据库界面和数据逻辑层之间通过XML解析器作为数据通道，可以灵活地实现数据的定义、查询、增加、删除、修改等基本操作。
3.4 模型显示流程
根据用户选择修复牙的位置、修复的类型，程序将返回唯一的索引号，通过XML解析器在数据逻辑层中查询相匹配的模型数据及相关的属性信息，显示模块将调用数据查询的结果参数,显示所需模型。图2 标准冠/桥数据库的总体结构设计图
3.5 模型操作
由于修复体在设计过程中需要对模型进行动态的调整，提供灵活的模型修改工具是必须的。模型从数据库中查询读出之后，还要读取各牙附加的相对位置属性信息（位置矩阵），通过对模型施加平移变换，调整模型到合适的位置；通过对模型施加旋转变换，调整模型到合适的角度；通过对模型施加比例变换，调整模型的大小。
4 与展望
义齿CAD/CAM技术在国外得到了广泛应用，尤其是德、日、美等国，相继开发出了相关商品化的软硬件设备。从20世纪90年代开始我国已有少数大开始逐渐引进口腔修复CAD/CAM设备，提高了修复体制作的效率和质量，也使患者减少就诊次数，但设备的引进造价过高，而且在设备维护、材料消耗等都过分依赖国外，所以开发具有自主知识产权的口腔修复CAD/CAM设备是大势所趋。
我们重点独立研发了口腔修复CAD/CAM系统中标准冠/桥数据库原型系统模块。数据库的设计采用了逻辑层和物理层分离的多层构架，可以有效地管理数据库的内部数据，数据之间的逻辑关联采用XML表结构维护，具有一定的可扩展性和较高的灵活性。标准冠/桥的构建，为后续研究冠/桥的个性化快速设计提供了数据模板，具有十分重要的意义。
目前构建的标准冠/桥数据库主要存储数据的几何模型和相关的属性信息，还未能对标准模型的解剖特征（如牙尖、窝沟）进行划分及特征参数化，所以对局部变形处理的能力还较欠缺，今后还需要进一步深入研究。
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[1]DURET F,BLOUIN J L,DURET B.CAD/CAM in dentistry[J].J Amer Dent Assoc，1988,117(6):715?760.
[2]邹波，吕培军，王勇.标准牙冠数据的获取[J].实用口腔医学杂志,2002,18(6):550?552.
[3]陈建治，徐圣瑞，孙桂兰.全口义齿树脂牙三维模型数据库的建立[J].中华医学美学美容杂志,2003,9(3):142?144.
[4]宋雅丽，李佳，黃田.义齿CAD/CAM系统中标准牙冠数据库的建立[J].组合机床与自动化加工技术,2003,12:38?39,42.
