基于三维数字化的快速牙齿排列方法研究外文翻译资料

本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（ 2019届）

外文资料译文规范说明

一、外文资料译文：

全口义齿数字化牙齿选择与虚拟牙齿排列的研究

关键词：全口义齿，义齿数据库，牙齿选择系统，个性化虚拟牙齿排列

摘要：

背景与目的：在牙科学中，全口义齿是无牙颌患者的常规治疗方法。计算机辅助设计和计算机辅助制造 (CAD/CAM) 已应用于快速发展的数字全口义齿。牙齿的选择和排列是数字全口义齿中最重要的部分之一。本文提出了一种个性化牙齿排列的新方法。

方法：本文介绍一种全口义齿的排列的方法。首先，扫描并提取义齿三维三角网格数据的特征点 (PLY 格式)，然后建立牙齿选择系统。其次，扫描并标记上颌和下颌铸型面的解剖特征，如面部中线、拱形曲线。通过输入信息，研究计算了义齿的常见排列线。第三，选择首选的义齿，并使用我们自己的软件自动模拟将它们按正确的位置排列。在此基础上，设计义齿的牙龈部分，然后使用计算机数控（CNC）技术，快速成型（RP）技术或3D打印机技术进行制造。最后，选择义齿植入蜡圈。结果该系统可以合理选择义齿，牙体植入可在一定程度上满足牙科医生的要求，而所有手术均基于医学原理。结论本研究涉及计算机科学、医学、牙科等领域，提出了一种牙齿选择系统，并对其进行了虚拟齿排。本研究具有帮助操作人员选择牙齿的能力，提高了牙齿排列的准确性，并对全口义齿进行了定制。

1. 介绍

随着世界人口的老龄化，无牙颌患者的数量迅速增长，全口义齿是最常见和最有效的治疗方法。此外，牙齿的排列对全口义齿修复的功能和美观至关重要。传统的全口义齿工艺较为复杂，尤其是在人工排牙方面。这一过程在很大程度上依赖于技术人员的经验和技术技能，这是一项耗时且操作精度低、重复性低的工作。

自从 1980 年代首次将 CAD/CAM 引入临床口腔修复学以来，许多研究人员致力于研究全口义齿的机器人辅助齿形定位，并取得了一些成果。与传统牙齿设置方法相比，在机器人的帮助下的全口义齿的牙齿定位更可靠、更灵活。然而，附加装置是必要的，并且义齿的不规则形状增加了抓握的难度。此外，牙齿的重复对准也使得装置变得复杂。

为了简化牙齿的排列，在CNC和RP技术应用于口腔修复学领域时，提出了数字牙齿设置。从此以后，全口义齿的制作主要依赖于义齿的制作。Maeda 等人提出了研究全口义齿的方法。用 3 D激光光刻和填充法制备了两种牙列塑料外壳。但这种方法不切实可行的。Kawahata等人对全口义齿表面进行了扫描，并利用 CNC 制作了口腔修复蜡的类型，并对其复制过程进行了研究。Kanzawa 等人和Inokosh 等人分别使用三维锥束计算机断层扫描 (CBCT) 分别扫描一个完整义齿基托和义齿，并根据扫描数据创建了一个新的扫描基托。他们使用RP制造了丙烯酸树脂义齿基托，并通过结合RP和快速铣削制造了完全无腊的制造工艺。最后，对齿进行了调整并将其固定在铣削基托的铣削槽中。孙某等人获得了义齿和无牙颌的三维数据，确定了义齿和无牙颌的解剖标志。在此之后，他们制定了牙齿排列的原则，并使用 3 D 打印机创建了个人物理软盘。然而，在他们的研究中，他们没有形成一个完整的系统，很难根据无牙患者的性别和年龄来选择义齿。王某等人研究了 CAD 对全口义齿自动选齿的逻辑表达，但对不同的选型模式没有任何探讨。吴某等人介绍了一种传统的全口义齿的选择和排列方法，作为数字化的参考。数字牙齿的排列和选择与传统的排列方式相比具有重要的优势：牙齿排列的精度稳定，无手动误差，椅位时间少，周期短。

到目前为止，虚拟牙齿排列技术已被添加到全口义齿的CAD中，然后采用 CNN、RP和 3 D 打印机制作义齿。Katadiyil 等人报告了两个商业制造系统之间的比较。在他的报告中，两颗牙齿都是虚拟的，并采用了两步法。采用 3 D 打印机和 Avadent 系统，用 CNC 制作义齿基托。Infante 等人获得了所需的数据，并在 Avadent 系统上虚拟排列了牙齿。然后他将数据发送到加工中心。比尔金等人通过Dental Wings系统研究了一套对齐的人造牙齿（1SA），然后使用 CAD/CAM 和 RP 制作成一体，但由于印刷材料的安全性，它还没有扩展。Wimmer 等人通过 Ceramill 全义齿系统提出了义齿的位置，该系统可以自行消除咬合干扰。最后，他们采用 CNC 制作义齿基托，并手动插入义齿。Baba详细报告了四种义齿系统，并揭示了 CAD/CAM 全口义齿的优点和缺点。

虽然 CAD/CAM amp; RP 技术在制作全口义齿方面的应用已经得到广泛的报道，但对虚拟牙排列的描述并不详细。本研究旨在介绍一种基于多级数据库的全口义齿虚拟义齿排列的新方法，并提出一系列优化方法。

图1 义齿数据库和选择系统

2 .材料和方法

本文中的患者模型由口腔修复学系、北京大学医学院和口腔医院提供，患者为老年人和无牙颌患者。参与者自愿加入研究并提供知情同意书。

2.1 人工齿选系统

2.1.1 义齿数据库

本文中，我们建立了一个义齿数据库，并形成了一种牙齿选择系统。该数据库包含大量的义齿齿数据集，牙齿数据集的一般定义函数具有以下格式：

从数据库 (图 1) 中，牙科医生可以自动选择和/或手动选择人造牙齿，该数据库由四种类型牙齿中多个不同的牙齿大小、形状和颜色的数据集组成：上/下牙和 左/右牙。数据集中的牙齿由 ABi 唯一标识，其中 A = {L，R}；B = {U ，D}，而字母 L、R、U 和 D 分别表示左、右、上颌和下颌牙，而 i 是表示中、侧切牙、犬齿的 1 到 7 的数字。第一前磨牙和第二前磨牙，第一磨牙和第二磨牙。例如，LU1 表示左侧上颌中切牙。对于每颗牙齿，数据库存储其 3 D 模型信息和参数化的解剖特征，从这些特征中计算出数据集中的牙齿的总宽度 (w)，并作为数据库的索引。

2.1.2. 义齿解剖特征的定义

我们使用牙科3D扫描仪 (3Shape Q-750，0.02 毫米准确度； 3Shape，哥本哈根，丹麦) 扫描义齿的颈部区域，以获得我们提取的解剖特征的三角网格数据 (STL/PLY)。义齿的解剖特征主要用于牙齿位移过程中的牙齿平移和旋转。前牙、后牙、上颌牙和下颌牙的定位模式是不同的，因此其特征参数不一致 (表 1 和图 2)。

表 1

义齿解剖特征

注：“ ”表示“是”，“-”表示“否”。

图2. 牙齿的解剖特征

为了便于义齿数据库的存储和管理，为每颗牙构建了一个 XML 文件，以存储牙齿及其特征。我们还为每个数据库创建了一个 XML 文件，存储了牙齿的存储路径和齿宽 (索引) 信息。

2.1.3 . 无牙颌患者解剖特征的定义

从牙科3D扫描仪获得的三角网格模型（STL / PLY）中提取无牙颌患者的解剖学特征，包括中线，唇线和咬合平面等，并用于牙齿设置[10]，如表2和图3所示

2.1.4 . 牙齿选择

牙齿设置具有以下所有因素：上颌尖牙远端表面与近中颌尖牙线方向一致，下颌第二磨牙远端表面不超过后磨牙垫。牙齿的选择通常基于牙科技术人员的经验，他们预测蜡边的牙齿位置，然后主观选择牙齿。然而，不合理的牙齿选择使其难以满足牙齿设置的要求。为此，我们使用上面所述的牙齿数据库来创建一个数字牙齿选择系统。根据牙医的经验技巧，我们通过比较牙齿的宽度和患者的牙弓的长度来获得合适的牙齿。数据集中义齿宽度的计算公式如下：

其中p_near和p_far分别是第 i 个牙齿的近中点和远端点，而 n 是数据集中的牙齿数。我们分别用 w_ua 和 w_da 来表示上颌前牙和下颌牙的宽度，用 w_lp 和 w_rp 来表示左上颌后牙和右上颌后牙的宽度。

前牙选择。上颌前牙的形状、大小、颜色是影响人们面部美观的主要因素。对于上颌前牙，w_ua 等于嘴角之间的弧长，这是选择牙的条件。我们发现了牙齿数据集的w_ua 小于但最接近 c_ua (上颌前牙排列曲线)。下颌前牙的选择方式类似。

后牙选择。后牙注重功能恢复，我们主要考虑其大小和咬合，后牙的选择类似于前牙，我们根据后牙的长度 w_p (w_lp/w_rp) 和排列线 l_p 选择牙齿。为了更好的咬合，左侧相对的牙齿 (包括上齿和下齿) 使用上齿大小作为数据库中的唯一索引。由于后齿的长度不一定相等，因此两侧后齿是不对称对齐的。公式如下：

其中w_aj和w_pj是第 j 个数据集的前牙和后牙宽度，n 是数据集中的齿数，公式 (3) 和 (4) 说明了不同类型牙的选择原则，它们使用的不仅有患者牙齿的牙齿排列线或曲线和大小信息。同样，牙齿的高度应该考虑，但由于问题复杂，本文暂时搁置它。

如图 1 所示，我们刚才描述的是自动齿选，然后是手动齿选，在这种情况下，牙科技术人员必须依次选择所有类型的牙。所有类型的牙齿可能是或不是相同的形状、大小和颜色。在牙科学中，上颌牙和下颌牙有固定模型的组合，并且以前牙为基准，因此以前牙的大小为前牙指数（图1）。丰富的数据库通过提供多个选项来满足不同性别、性格和年龄 (SPA) 患者的需求。

2.2. 实现义齿的排列

2.2.1. 义齿的选择

在本研究中，全口义齿的牙齿几乎是虚拟的。在此之前，我们通过牙齿选择系统来选择牙齿，并做一些准备。例如，前牙的近中点和远端点投射在其局部坐标系统的 x 轴上，而后牙投射在中央沟线上，然后通过以下过程中矩阵的变换和转置计算移动牙齿来排列曲线/旋转线。

2.2.1. 前牙的排列

根据本文的规则，上颌前牙的边缘线与下唇的微笑线一致。牙齿的近中点和远端点投射到其自身的 x 轴上，牙齿的 x 轴移动到病人的排列曲线上并相互重叠。在那之后，牙齿成功定位。牙齿绕 x 轴旋转，其扭矩角由满度标志点 p_f 和满度表面 S_f 确定，而下颌前牙则依赖于长轴 l_ma 和基缘 c_e [1]。

图4. 牙齿排列流程图

图5. 虚拟牙齿排列。 （a）前牙放置。 （b）上颌后牙放置。 （c）下颌后牙放置。

以下是上颌前牙定位的一个例子。（图4 和 5 (a) )。首先，我们必须输入患者的口腔信息和义齿数据库。然后将 LU 1 的中心点移动到面部中线上，并将牙的远端点放在c_ua上，并根据扭矩角度旋转

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