本发明涉及一种基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法。
背景技术：
牙种植指的是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。它包括下部的支持种植体和上部的牙修复体两部分。它采用人工材料（如金属、陶瓷等）制成种植体（一般类似牙根形态），经手术方法植入组织内（通常是上下颌）并获得骨组织牢固的固位支持，通过特殊的装置和方式连接支持上部的牙修复体。
由于牙种植手术的实施区域是结构复杂的口腔，由此产生的高精细度要求与高成本限制，使得牙种植医师的手术训练成为一个难题。通过老师书本授课、模具操作和现场观摩等方式开展医学教学的传统教学方法，不可避免地存在理论知识抽象难懂、实践与临床脱节等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对传统牙种植手术培训的种种不足，采用虚拟现实技术与3d打印技术相结合的方法，提供一种基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法，为受训者模拟出近似真实的手术操作环境，运用该技术培训实习医生可以大大降低手术培训的时间及费用，提高初学者手术操作的熟练程度及精细水准，进而减少手术并发症，提高手术成功率，增加手术的安全性，并且不受标本、场地等的限制；在此基础上，再结合3d打印技术制作出的实体模型，供学生进一步的训练或考核，切合实际操作，弥补了虚拟技术的不足；另外还可进行术前的手术模拟，并选取最佳方案以及对方案进行优化。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法，包括如下步骤：
步骤s1、虚拟现实技术应用部分：
s11、利用口腔ct，采用mimics软件来重建口腔模型，该口腔模型包括牙齿模型和骨骼模型；再用3dsmax软件制作一个钻头模型；而后，将口腔模型、钻头模型导入unity3d软件，赋予物理特性以及相互关系，使得钻头模型触碰到牙齿时，出现锥形孔洞；钻头模型采用vr手柄来操作，且操作过程中，钻头模型具有震动效果；
s12、使用unity3d软件编程，使得按住vr手柄按键则钻头模型开始工作，触碰到牙齿时，牙齿与钻头模型重合的部分消失，形成孔洞，且松开按键则钻头模型停止工作，孔洞不再扩大或加深；按住vr手柄按键时，钻头模型同样有震动效果；
s13、进行牙齿周围的神经、血管与粘膜的分布：利用口腔ct，采用mimics软件来完善口腔模型，进行神经、血管与粘膜的分布，神经、血管与粘膜以不同颜色加以区分；
s14、采用3dsmax软件制作各种型号的钻头模型和种植钉模型；将制作好的钻头模型与种植钉模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使各种型号的钻头模型与种植钉模型显示在口腔模型的右侧，并且可以使用vr手柄选取任意型号的钻头模型或种植钉模型进行操作；
s15、将完善的口腔模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使得钻头模型或种植钉模型触碰到神经或血管时，操作者收到听觉反馈，实现手术失误的报错；
步骤s2、3d打印技术应用部分：
s21、数据采集与获取：获取步骤s1建立的完善的口腔模型数据；
s22、数据导入后三维重建：将完善的口腔模型数据导入3d打印设备进行三维重建；
s23、3d打印三维模型：通过3d打印设备打印完善的口腔模型的三维模型。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明针对传统牙种植手术培训的种种不足，采用虚拟现实技术与3d打印技术相结合的方法，提供一种基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法，为受训者模拟出近似真实的手术操作环境，运用该技术培训实习医生可以大大降低手术培训的时间及费用，提高初学者手术操作的熟练程度及精细水准，进而减少手术并发症，提高手术成功率，增加手术的安全性，并且不受标本、场地等的限制；在此基础上，再结合3d打印技术制作出的实体模型，供学生进一步的训练或考核，切合实际操作，弥补了虚拟技术的不足；另外还可进行术前的手术模拟，并选取最佳方案以及对方案进行优化。
具体实施方式
下面结合，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法，包括如下步骤：
步骤s1、虚拟现实技术应用部分：
s11、利用口腔ct，采用mimics软件来重建口腔模型，该口腔模型包括牙齿模型和骨骼模型；再用3dsmax软件制作一个钻头模型；而后，将口腔模型、钻头模型导入unity3d软件，赋予物理特性以及相互关系，使得钻头模型触碰到牙齿时，出现锥形孔洞；钻头模型采用vr手柄来操作，且操作过程中，钻头模型具有震动效果；
s12、使用unity3d软件编程，使得按住vr手柄按键则钻头模型开始工作，触碰到牙齿时，牙齿与钻头模型重合的部分消失，形成孔洞，且松开按键则钻头模型停止工作，孔洞不再扩大或加深；按住vr手柄按键时，钻头模型同样有震动效果；
s13、进行牙齿周围的神经、血管与粘膜的分布：利用口腔ct，采用mimics软件来完善口腔模型，进行神经、血管与粘膜的分布，神经、血管与粘膜以不同颜色加以区分；
s14、采用3dsmax软件制作各种型号的钻头模型和种植钉模型；将制作好的钻头模型与种植钉模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使各种型号的钻头模型与种植钉模型显示在口腔模型的右侧，并且可以使用vr手柄选取任意型号的钻头模型或种植钉模型进行操作；
s15、将完善的口腔模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使得钻头模型或种植钉模型触碰到神经或血管时，操作者收到听觉反馈，实现手术失误的报错；
步骤s2、3d打印技术应用部分：
s21、数据采集与获取：获取步骤s1建立的完善的口腔模型数据；
s22、数据导入后三维重建：将完善的口腔模型数据导入3d打印设备进行三维重建；
s23、3d打印三维模型：通过3d打印设备打印完善的口腔模型的三维模型。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明针对传统牙种植手术培训的种种不足，采用虚拟现实技术与3d打印技术相结合的方法加以弥补。首先利用虚拟现实技术，为受训者模拟出近似真实的手术操作环境，运用该技术培训实习医生可以大大降低手术培训的时间及费用，提高初学者手术操作的熟练程度及精细水准，进而减少手术并发症，提高手术成功率，增加手术的安全性。这比采用教科书的方式有效得多，并且不受标本、场地等的限制。在此基础上，再结合3d打印技术制作出的实体模型，供学生进一步的训练或考核，切合实际操作，弥补了虚拟技术的不足。另外，此系统还可进行术前的手术模拟，并选取最佳方案以及对方案进行优化。
具体的，本发明基于虚拟现实与3d打印技术的牙种植模拟方法，可分为虚拟现实技术应用部分和3d打印技术应用部分。
（1）虚拟现实技术应用：本项目的虚拟现实应用部分，总体上可分为两步实现。首先先利用3dsmax（3dstudiomax）等建模软件进行建模，再将模型导入unity3d软件，赋予物理特性以及相互关系，即可使用虚拟现实硬件交互设备体验虚拟手术操作。该部分所应用到的软件主要有：3dsmax、mimics（materialise'sinteractivemedicalimagecontrolsystem）和unity3d；应用到的虚拟现实硬件交互设备主要有：htvvive头显和vr手柄。
整个过程可具体分为以下五个步骤。一：利用合作医院提供的口腔ct，使用mimics软件来重建口腔模型，该模型只包括牙齿和骨骼。再用3dsmax软件制作一个钻头模型。将两种模型导入unity3d软件，赋予物理特性以及相互关系，使得钻头触碰到牙齿时，会出现一个具有一定深度与大小的锥形孔洞。但这个孔洞的形成无法使其中途停止，也无法控制孔洞大小。钻头以vr手柄来操纵，钻头工作时有震动效果。二：使用unity3d软件编写程序，进一步完善此项交互。完善结果表现为：按住手柄按键则钻头开始工作，触碰到牙齿时，牙齿与钻头重合的部分消失，形成孔洞。松开按键则钻头停止工作，孔洞不再扩大或加深。按住vr手柄按键时，同样有震动效果。三：进行牙齿周围的神经、血管与粘膜的分布。利用合作医院提供的口腔ct，使用mimics软件来完善口腔模型，进行神经、血管与粘膜的分布。神经、血管与粘膜以不同颜色加以区分。四：使用3dsmax软件制作各种型号的钻头和种植钉。将制作好的钻头与种植钉模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使各种型号的钻头与种植钉显示在口腔模型的右侧，并且可以使用vr手柄选取任意型号的钻头或种植钉进行操作。五：将完善的口腔模型导入unity3d软件，在unity3d软件中编程，使得钻头或种植钉触碰到神经或血管时，操作者收到听觉反馈，实现手术失误的报错。
这个过程所构建的虚拟手术情境，以文字、图片等信息补充，结合人机交互设备，高精细度呈现牙种植的手术场景。视觉、听觉、触觉等感官的模拟使操作者可以沉浸在系统构建的虚拟场景中，对场景中的虚拟信息进行操作，从而身临其境地进行牙种植手术操作。
（2）3d打印技术应用：3d打印技术是依托于计算机、三维数字成像及多层次连续打印等技术而发展的一种快速成型技术。其主要包括数据采集与获取、数据导入后三维重建及3d打印三维模型等3步。3d打印与传统制造最大的区别是前者为“增材制造”，而后者为“减材制造”。“增材制造”简化了制造程序，提高了生产效率。因此，3d打印具有速度快、精度高、可成型复杂结构、个性化和批量生产等优点。
虚拟现实技术所构建的手术场景，虽然逼真且具有可重复练习等优点，但毕竟是虚拟场景，和实际牙种植手术操作有一定差别，因此需要有实体模型来进行进一步的训练或考核。而在现阶段的口腔内科教学、操作模拟等方面,多采用离体牙进行操作练习来提高口腔内科操作技能。但由于离体牙来源限制、不可复制、交叉感染、伦理问题等原因而无法用于大规模操作培训。树脂牙、塑料块,与真实牙齿解剖形态相差较大,仿真性较差,因此效果也不理想。
而采用3d打印技术制作口腔模型，则可以很好地解决这些问题。第一，利用3d打印技术具有个性化的特点，制作出的口腔模型可以精确模拟各种病例，有利于提高学生的牙种植技术水平，加深对牙种植手术的认识，对将来正确应对手术中出现的各种情况具有较大意义。第二，利用3d打印技术可成型复杂结构的特点，使牙齿周围的血管等复杂结构可以精确体现在口腔模型中，且牙齿与周围组织衔接自然，形态逼真，减少了操作者在日后的牙种植手术中误伤血管或神经的风险，显著增强手术培训效果。第三，利用3d打印技术精度高的特点，制作出的口腔模型更为精确，误差小。有利于减少操作者在实际牙种植手术中手术不精准、种植体角度不佳或安装不精密的失误。第四，利用3d打印技术可批量生产的特点，可以实现实体牙模型大规模操作培训的运用。
设备与材料：3d打印机（sps600b）、光硬化树脂
本发明针对牙种植手术培训的这一系列问题，采用虚实结合的方式，利用虚拟现实技术全方位模拟手术场景，利用3d打印技术制作实体口腔模型，一、可大大降低手术培训的时间及费用，并且不受标本、场地的限制，提高初学者手术操作的熟练程度及精细水准，显著增强牙种植手术的培训效果。二、在进行手术前进行该病例精确的手术模拟，从而选取最佳方案并进行方案的优化，进而减少手术并发症，提高手术成功率，增加手术的安全性。
用途：用于牙种植手术的培训、考核，以及术前的手术模拟，并进行方案的优化和最佳方案的选取。
利用本发明方法的产品的使用过程或方式。
在虚拟现实的场景中进行手术训练或者模拟时，需要穿戴vr头戴显示设备，手持vr手柄进行虚拟手术操作。3d打印的牙模型，则可直接作为实体模型进行手术预演或者实习医生的培训考核。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。