三维激光扫描并重建基牙预备体的精确度分析

【关键词】  激光扫描；三维测量；基牙

　　Precision of abutment tooth model reconstructed by 3D laser scanner

　　【Abstract】 AIM: To evaluate the precision of the threedimensional (3D) laser scanner for scanning abutment tooth and reconstructing its model so as to offer some evidence for its application in CAD/CAM of oral prosthesis. METHODS: Five plaster supramaxillary abutment tooth models were scanned and reconstructed by 3D laser scanner. The 3D shape of the models was measured by Surfacer10.5 software and the plaster models were measured manually with vernier caliper. The data were statistically analyzed. RESULTS: The 3D laser scanner showed the better reliability and repeatability (r>0.75, P<0.05). There were no significant differences between the data acquired by scanning and manual measurement in the precision (P<0.05). CONCLUSION: 3D laser scanner is precise and reliable enough for reconstructing the abutment tooth model fit for the clinical application.

　　【Keywords】 laser scanning; 3dimensional measurement; abutment tooth

　　【摘要】 目的： 检验三维激光扫描仪扫描基牙预备体的重复性与准确性，并为其应用于口腔修复体的机辅助设计与制作（CAD/CAM）提供依据. 方法：采用激光扫描仪对上颌1，2，3，5，6共5颗牙的基牙预备体石膏代型进行三维扫描，并用Surfacer软件测量相关指标，用游标卡尺在石膏代型上测量基牙预备体的各个相关指标，用三种不同的方法分析系统的可靠性、可重复性以及扫描精度. 结果：可靠性与可重复性的结果显示无显著性的统计学差异，扫描精度结果显示与游标卡尺测量结果无显著性的统计学差异. 结论：激光扫描仪可靠性强、可重复性高、能准确地获得牙预备体的三维数据，可满足临床的要求.

　　【关键词】 激光扫描；三维测量；基牙

　　0引言

　　口腔组织的数据采集是计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD/CAM）系统的重要组成部分,目前常用的数据采集方法有接触式和非接触式两种. 接触式的方法主要有针触式机械测量；非接触性的方法有莫尔云纹测量法、数字散斑相关法、立体摄影测量法等. 由于这些方法在数据处理时存在费时费力、测量技术要求相当高以及设备昂贵等缺点,至今未能在口腔临床得到广泛应用［1］. 而三维激光扫描技术可有效避免上述问题，具有使用方便、抗干扰能力强、自动立体重构、可重复性强等优点. 国内外学者应用三维激光扫描仪构建了数字化的牙颌模型、眼、耳、鼻等颌面赝复体［2-3］. 我们应用三维激光扫描仪重建牙预备体并分析其获取数据的可靠性.

　　1材料和方法

　　1.1材料ChitaiLSH600四轴CNC高速激光扫描仪（智泰科技公司）. 计算机硬件系统：Intel P4 2.0G处理器，内存256 M，硬盘80 G；计算机软件系统：3Dscannow扫描操作软件（台湾3Dfamily公司）;Surfacer10.5 逆向工程软件（美国Imageware公司）. 游标卡尺（精度0.02 mm，无锡量具有限公司）. 牙预备后的石膏模型代型，上颌1，2，3，5，6共5颗牙（第四军医大学口腔修复科）.

　　1.2方法

　　1.2.1测量指标①牙预备体宽度：即牙预备体肩台的近远中向最远两点间的距离. ②牙预备体厚度：即牙预备体肩台的颊舌向最远两点间的距离.

　　1.2.2实验过程

　　1.2.2.1实验1由实验者对石膏模型进行扫描,在所生成的图像上测量相关指标，1 wk后重新对石膏模型进行扫描并测量相关指标，比较两次测量结果,检验系统本身的可靠性. 扫描并重建牙预备体：将牙预备体的石膏代型用胶泥固定于扫描工作台上，咬合面对着激光发射器，扫描的起点位于颊侧肩台下5 mm处，扫描时工作台转动180°，扫描的终点位于腭侧肩台下. 扫描前先控制激光按扫描的行程扫一遍，扫描的同时观测基牙是否有激光扫不到的盲区，如有盲区，调整基牙的方向直到没有扫描盲区. 激光扫描仪参数：波长650 mm,扫描宽度50 mm，测量景深150 mm，扫描步距0.5°,点距0.2 mm. 扫描方式：计算机控制一轴转动. 启动3Dscannow扫描程序，由半导体激光器及光学系统形成的线光束照射在石膏模型外表面，由与入射光成一定角度的双CCD摄像机进行取像，视频信号通过图像卡输入计算机. 扫描结束后所得数据滤波后以*・asc格式存盘. 在Surfacer10.5逆向工程软件中重现三维点云数据，去除外缘杂点后旋转模型，可见边缘清晰，无倒凹（图1）. 测量相关指标：将扫描得到的数据模型导入Surfacer10.5软件，调整模型的角度，使牙预备体的肩台清晰可见，没有盲区，使所有的牙都在相同的角度测量，应用Surfacer10.5软件中的测量功能测量相关指标，每个指标测量3次，取平均值，得到实验数据1（表1）. 1 wk后再次应用软件测量相关指标，得到实验数据2（表1）. 将两组数据输入SPSS11.0进行统计学分析（表2）.

　　图1基牙预备体的三维点云数据　略

　　表15颗基牙预备体不同指标的测量(略)

　　表2基牙预备体宽度与厚度的统计学信度分析　略

　　1.2.2.2实验2由另一名实验人员用软件测量三维图像的相关指标得到实验数据3（表1），将实验数据3与实验数据1进行统计学分析（表2），检验系统的可重复性.

　　1.2.2.3实验3由实验者直接在模型上用游标卡尺直接测量基牙代型的宽度与厚度， 每个指标测量3次， 取平均值， 得到实验数据4（表1）， 将实验数据4与实验数据1进行统计学分析（表2）， 检验系统的精度.
统计学处理： 采用信度与效度分析，当r＞0.75且P＜0.05则认为两种测量方法具有相似的平行效度. 统计软件为SPSS11.0.

　　2结果

　　实验1结果表明不同时间段测量的指标高度相关，绝对误差小于0.04 mm. 说明系统的可靠性好. 实验2结果表明不同人员测量的结果没有显著性差异，说明系统的可重复性好. 实验3说明软件测量与游标卡尺测量的结果高度相关. 效度分析表明以游标卡尺为测量金标准，软件测量宽度的误差在-0.15~0.15 mm之间，软件测量厚度的误差在-0.16~0.16 mm之间，精确度较高，完全可以满足重建基牙预备体的精度要求.

　　3讨论

　　随着CAD/CAM技术在口腔领域的广泛应用，许多学者应用不同方法对牙冠三维形态进行了扫描构建，建立了全牙列三维图形数据库. 机械接触式三维测量仪逐点测量，具有很高的精度，但测量速度太慢，不能满足口腔临床的需要［4］. 目前已经成形的测量方法包括近景立体摄影测量术、机辅助云纹影像测量法、计算机层析测量系统等［1-4］. 近景立体摄影测量系统因设备昂贵、操作程序复杂并且测量精度欠佳而影响其应用推广；计算机辅助云纹影像测量法因其条纹粗糙造成测量精度差也阻碍其在口腔领域的应用. 王晓波等［5］应用计算机层析测量系统获得了16颗后牙牙冠的三维数据模型，但层析测量需破坏模型，不适于基牙预备体的扫描重建. 三维激光扫描技术可有效避免上述问题，而且具有使用方便、简洁、精度高、抗干扰能力强、立体重构快捷、自动控制、可重复性强等诸多优点［6］.
　　
　　对于一种测量仪器的评价,可以从仪器本身的可靠性和精确性以及测量者的可重复性三个方面考虑. 实验1检验了系统本身的可靠性;实验2检验了测量者的可重复性; 实验3通过分析软件测量与游标卡尺测量的结果验证系统的精度. 由于基牙预备体表面为不规则的弧形，在基牙表面的标志点重复性差，可靠性不高，不适于游标卡尺测量，而肩台的宽度与厚度标志点明显宜于用游标卡尺测量，所以选择这两个指标进行测量. 基牙预备体肩台的形状在三维空间里为起伏的不规则的环形，肩台的宽度与厚度不在同一个平面里，所以这两个指标不但反映了XY方向的精度，同时反映了Z轴方向的精度. 软件测量和手工测量的结果信度分析表明两者之间高度相关，效度分析表明三维激光扫描系统具有较高的精度，可以满足口腔修复体对光学印模的精度要求.

　　本实验激光测量系统使用最佳数据参数,测量点距达到0.2 mm, 完全能够满足研究需要. 被测物体方面,主要是表面粗糙度等. 本研究我们使用超硬石膏在真空条件下灌制模型,材料颗粒细小致密,模型结固后表面光整、粗糙度低、无气泡,尽量使物体表面特性对测量精度影响降至最低. 因此,测量误差主要来自激光扫描数据是否完整，本研究我们改变了原有的扫描方式,扫描前先用激光预扫一遍，同时观察有无激光扫不到的盲区，将扫描盲区减少到最小. 但实验中发现在近远中面的某些特定区域仍存在小面积的盲区,原因可能是由于这些部位在扫描时其表面与激光束接近平行,从而导致CCD接收不到激光信号所致.

　　【】

　　［1］ 韩强,张富强. 应用于口腔医学领域的三维测量技术［J］. 口腔材料器械杂志,2003,12(1):39-41.

　　［2］ 刘晓芳,赵铱民,吴国锋,等. 三维激光扫描测量外鼻形态的可靠性研究［J］. 实用口腔医学杂志,2004,20(2):211-213.

　　［3］ Katsuaki MI, Yoshihide MO, Tomohiro YA, et al. Anthropometric analysis of the nose in the Japanese［J］. Cells Tissues Organs, 2002,170:198.

　　［4］ Sokovic M, Kopac J. RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development［J］. J Mater Process Technol，2006, 175:398-403.

　　［5］ 王晓波,姚月玲,高勃,等. 改进的层析测量系统建立后牙三维模型的实验研究［J］.实用口腔医学杂志，2004,20(1):5-7.

　　［6］ 吕培军,邹波. 一种新型三维牙颌模型激光扫描仪可靠性对比研究［J］.实用口腔医学杂志，2002,18(6):546-549.