用于牙齿冠桥功能性咬合面的虚拟牙合架设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种牙齿冠桥修复体CAD，具体涉及一种用于牙齿冠桥功能性咬合面 的虚拟牙合架设计方法。
【背景技术】
[0002] 牙合架是一种临床常用的修复体设计制作辅助装置。它可以模拟人类的下颌运 动，用牙合架辅助设计制作的修复体更容易满足患者的个体需求。
[0003] 口腔修复 CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided manufacturing，计 算机辅助设计与计算机辅助制作）技术是一种自动化程度很高的修复体设计加工技术，该 类系统除了具有工业自动化的高精度、高效率的特点之外，还在CAD软件中集成了大量的 医学专家的知识和临床经验，可在短时间内明显提高修复体的制作质量，临床应用日趋广 泛。
[0004]目前常见的口腔修复CAD/CAM系统，在设计冠桥咬合面形态时，仅能应用静态牙 尖交错位牙列关系数据，尚不能应用动态功能性咬合，即前伸、侧方咬合数据。导致设计制 作出来的解剖全冠、固定桥戴入后仍需要调改干扰点，增加了医生临床工作量，延长了患者 的就诊时间。
[0005] 根据机械牙合架工作原理开发的计算机虚拟程序，称为虚拟牙合架。在冠桥咬合 面CAD虚拟设计时，如能辅以虚拟全可调牙合架程序，可在CAD阶段去除正中、前伸和侧方 咬合运动中的早接触点和干扰点，减少临床调磨难度。国内外关于虚拟牙合架在口腔修复 CAD/CAM技术中应用的相关研究可分为三个阶段。
[0006] 第一阶段虚拟简单牙合架阶段
[0007] 以1986年世界上第一套商品化口腔修复CAD/CAM系统Cerecl (Sirona公司，德 国)为代表的早期口腔修复CAD/CAM系统，通过扫描并应用咬合记录进行修复体咬合面形态 的设计。仅模拟人类单纯开闭口运动。无法定量记录和应用下颌功能运动状态下的咬合接 触关系，其功能类似于简单机械牙合架。应用此类系统设计制作的口腔修复体，在临床上位 患者试戴时，往往需要多次反复调磨，增加了患者生理、心理负担和临床工作量。
[0008] 第二阶段功能性咬合记录阶段(虚拟增强型简单牙合架）
[0009] 国外有学者在Cicero系统（Elephant公司，荷兰)和Cerec3D(Sirona公司，德国） 系统中，国内吕培军、王勇、邹波、刘明丽等在北京大学口腔医学院自行研制的口腔固定修 复CAD/CAM系统中将功能性咬合记录（Functional Generated Path, FGP)技术与单冠CAD 技术结合，为单颗牙齿全冠修复体设计功能性咬合面形态。在对颌牙解剖形态和上下颌咬 合关系基本正常时，FGP可满足单冠CAD的要求。而当对颌牙形态异常、有缺损、咬合关系 不良或需要进行多牙位乃至全牙列咬合重建修复时，FGP不能提供足够的设计信息和精确 度。
[0010] 第三阶段个体咀嚼运动虚拟阶段
[0011] 2002年Korda 3等用下颌运动轨迹描记仪获取下颌运动轨迹，初步建立了虚拟牙 合架系统。用该系统模拟下颌运动、检测天然牙列及口腔固定修复体CAD数字模型咬合接 触关系；2003 年，Faust 对 Digident? CAD/CAM 系统（Girrbach Dental 公司，德国）中的 虚拟牙合架程序进行了阐述，在该程序中输入患者个体下颌运动轨迹，可模拟患者的个性 化下颌运动，并且用减法机制去除口腔固定修复体CAD数字模型咬合干扰点。
[0012] 国内，2004年李鸿波等用三维CT获取上、下颌骨三维数据，用三维扫描仪获取了 牙列数据，将两部分数据配准，建立了牙列、颞下颌关节的三维数字模型，用下颌运动轨迹 描记仪获取下颌运动轨迹后，实现对下颌运动中上、下牙列相对位置关系、接触点和颞下 颌关节的观察；2005年陆尔奕等用三维坐标测量仪获得半可调机械牙合架前伸运动轨迹 特征点，建立了牙合架模拟下颌运动时上颌人工牙列咬合面上任意点前伸运动轨迹，后又 开发了模拟下颌牙列前伸运动的算法模块。
[0013] 迄今为止，国内、外尚无可用于口腔修复CAD/CAM技术的虚拟全可调式牙合架。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是提供一种用于牙齿冠桥功能性咬合面的虚拟牙合架设计方法，通 过模拟每个人的个性化咀嚼特征运动，实现精确定量的虚拟咬合自动检测和自动虚拟调牙 合，避免患者试戴修复体时反复调磨，从而大大提高了修复体制作的精度与效率。
[0015] 为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：
[0016] 本发明的一种用于牙齿冠桥功能性咬合面的虚拟牙合架设计方法，包括以下步 骤：
[0017] 1)用下颌运动轨迹分析仪记录个体咀嚼运动时下颌特征运动的三维轨迹信息；
[0018] 2)将下颌运动轨迹分析仪工作坐标系与牙列三维扫描坐标系配准融合；
[0019] 3)创建静态牙尖交错牙合牙齿冠桥修复体CAD数据；
[0020] 4)虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台的建立；
[0021] 5)虚拟咬合自动检测；
[0022] 6)自动虚拟调牙合，创建具有功能性咬合面的牙齿冠桥CAD数据。
[0023] 其中，所述步骤1)中下颌运动轨迹分析仪是装有传感器的牙弓夹板固定在下颌 前牙区，信号接受器固定在受试者头部，在下颌运动过程中，传感器与下颌牙列保持相对静 止，通过计算机分析信号，创建三维下颌运动轨迹。所述个体咀嚼运动包括：开闭口运动、下 颌前伸运动、下颌侧方运动和以上三种运动的混合运动。
[0024] 其中，所述步骤2)指在牙弓夹板上设定标志平面，要求该标志平面与牙列之间有 已知定量空间关系，并且能用工作坐标系进行空间位姿的定量描述，以这个标志平面为中 介，实现下颌运动轨迹分析仪工作坐标系与牙列三维扫描坐标系的精确配准和融合。
[0025] 其中，所述步骤3 )是在Imageware 11软件平台上依次进行预备体数据提取和曲面 反求，标准牙冠数据读入，标准牙冠定位，轴面、静态解剖学咬合面个性化修改，完成冠桥 修复体的初步设计。
[0026] 其中，所述步骤4)是以VC++2008为开发平台，基于OpenGL图形显示库下开发的 虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台，虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台包括碰撞干涉 检测模块与干涉区域自动调牙合模块，这两个模块在该平台中交替作用于CAD设计完成的 冠桥，从而达到最终的动态咬合"平衡"状态。
[0027] 碰撞干涉检测模块：通过下颌运动轨迹驱动下颌与上颌之间的相互运动。在碰撞 检测过程中，对空间运动轨迹按邻近点位移大小相等的规则进行采样，如图3所示，在下颌 与上颌相对运动过程中，每当下颌运动到采样点位置时，利用碰撞干涉检测技术对冠桥与 对颌牙进行碰撞干涉检测，若有干涉，通过调牙合去除干涉；没有干涉，则继续相对运动。
[0028] 干涉区域自动调牙合模块：在利用碰撞干涉检测技术识别完干涉区域后，利用"种 子"搜索技术识别整个干涉区域（图4所示)。所述"种子"搜索技术具体为：碰撞干涉检测 技术识别干涉区域的边界后（图4 (a)所示)，找到干涉区域内的一个"种子"三角面片（图 4 (b)所示)，迭代搜索"种子"三角面片周围三角面片，以干涉边界为搜索边界，直到搜索到 的三角面片不再增加为止，图4 (c)为搜索的中间过程，图4 (d)为搜索完成后得到的整个 干涉区域，识别完成后，在干涉区域内，利用局部变形技术去除干涉区域。
[0029] 通过多次碰撞干涉检测与干涉区域自动调牙合的交替作用，最终完成冠桥的调牙 合。
[0030] 其中，所述步骤5)中，首先基于坐标系配准算法，实现下颌牙列相对于上颌牙列的 三维虚拟功能性运动，主要包括开闭口运动、下颌前伸运动、下颌侧方运动和以上三种运动 的混合运动；在完成相关坐标系的配准后，利用下颌运动轨迹分析仪所得到的下颌运动轨 迹在开发的虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台上模拟下颌的复合运动，在下颌运动过程 中，应用碰撞干涉检测模块，实时检测并反馈CAD全冠数字化模型与对颌牙的干涉情况，设 定检测阈值，即虚拟咬合纸的厚度，在下颌运动到某一终止点时自动检测修复体与对颌牙 之间的数据干涉，输出的数值为正值时表示发生了数据干涉，代表咬合早接触区或干扰 区；输出数值为零时表示修复体与对颌牙无接触；输出数据为负值时表示修复体与对颌牙 咬合面之间存在间隙；用多区域颜色梯度显示修复体咬合面与对颌牙列之间的空间位置关 系，碰撞干涉检测技术自动计算出修复体咬合早接触点、干扰点的位置、分布和干扰区域体 积。
[0031] 其中，所述步骤6)是在虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台上，应用干涉区域自 动调牙合模块，利用"种子"搜索技术识别并增亮显示"早接触区"或"干扰区"的位置、范围 和深度，操作者确认需要"调磨"的牙齿后，干涉区域自动调牙合模块自动判断干涉值是否 为"正值"，如为正值，则虚拟调牙合系统调用相交点云编辑工具进行虚拟调牙合，最终创 建具有功能性咬合面的牙齿冠桥CAD数据。
[0032] 本发明的优点在于：
[0033] 通过模拟每个人的个性化咀嚼特征运动，实现精确定量的虚拟咬合自动检测和自 动虚拟调牙合，避免患者试戴修复体时反复调磨，从而大大提高了修复体制作的精度与效 率。
【附图说明】
[0034]图1为本发明工作流程的方框示意图；
[0035] 图2为虚拟咬合自动检测与自动调牙合平台技术路线示意图；
[0036] 图3 -（1)为运动轨迹示意图；
[0037] 图3 - (2)为采样示意图；
[0038] 图4 一 a为"种子"搜索技术的干涉区域边界的示意图；
[0039] 图4 一b为"种子"搜索技术的选取种子三角形的示意图；
[0040] 图4 一c为"种子"搜索技术的种子搜索的示意图；
[0041] 图4 一d为"种子"搜索技术的搜索完成的示意图。
[0042]