摘 要

虚拟现实技术现在与医学领域的交叉越来越多，基于虚拟现实技术的模型重建在医学仿真系统中占据了重要地位。借助于计算机系统测量模型数据，建立出虚拟环境，通过逆向工程技术重建出牙颌模型的实体具有很重要的实际意义。

本文首先通过三坐标测量机测量出牙颌模型的点云坐标，导入到CATIA中进行三角网格化和光顺处理，最后生成牙颌实体模型。然后采用三维打印机将重建后的牙颌模型进行实体打印，对建模精度进行验证。结果表明，基于三坐标测量系统的牙颌石膏模逆向重建的精确度，操作难度可以满足医学研究。

关键词：牙颌；三坐标测量；CATIA；三维打印

Reverse reconstruction of dental plaster mold based on three coordinate measuring system

ABSTRACT

Now，there are more and more relationships between virtual reality technology and medical field. The reconstruction of the model based on virtual reality technology plays an important role in the medical simulation system. There is important practical significance to reconstruct the teeth model by using reverse engineering technology with the help of computer measurement system.

Firstly, measuring the cloud points of teeth by using three coordinate measuring machine and importing to CATIA to do the treatment of triangular mesh and fairing. Then, Forming the model of teeth. Printing the teeth model which is reconstruct with the 3D printer and measuring the accuracy of it. The results show that the accuracy and difficulty of the reverse reconstruction of the teeth model based on the three coordinate measuring system can meet the medical research.

Key words：dental；three coordinate measurement；CATIA ；3D printing

目 录

1绪论 - 1 -

1.1课题的背景与意义 - 1 -

1.1.1牙颌数字化 - 1 -

1.1.2三坐标测量机的作用以及发展趋势 - 2 -

1.1.3逆向重建在口腔医学中的作用以及发展趋势 - 5 -

1.2国内外研究现状 - 6 -

1.2.1国外研究发展概况 - 6 -

1.2.2国内研究发展现状 - 7 -

1.2.3国内外研究不足之处 - 10 -

1.3本文的研究内容与结构 - 11 -

1.4本章小结 - 12 -

2基于三坐标测量系统获得牙颌石膏模的点云数据 - 13 -

2.1引言 - 13 -

2.2三坐标测量机的简介 - 14 -

2.3三坐标测量机的使用操作 - 15 -

2.3.1测头校验 - 16 -

2.3.2测头校验的步骤 - 17 -

2.3.3开始测量 - 21 -

2.3.4文件的导出 - 23 -

2.4对获得的点云文件的处理方法 - 23 -

2.5本章小结 - 24 -

3在CATIA中重建出牙颌实体模型 - 26 -

3.1引言 - 26 -

3.2 CATIA的简介 - 27 -

3.3建模的过程 - 28 -

3.4建立实体模型 - 31 -

3.5本章小结 - 32 -

4三维打印以及评估建模精度 - 33 -

4.1三维打印 - 33 -

4.1.1三维打印简介 - 33 -

4.1.2快速成型工艺流程 - 34 -

4.1.3三维打印的发展 - 35 -

4.1.4三维打印步骤 - 37 -

4.2评估建模精度 - 39 -

4.3本章总结 - 39 -

5总结与展望 - 41 -

5.1总结 - 41 -

5.2展望 - 41 -

致谢 - 43 -

参考文献 - 44 -

1绪论

1.1课题的背景与意义

伴随着虚拟现实技术和现代医学的飞速发展与交叉融合，基于虚拟现实技术的手术仿真在医学仿真系统中占据了非常重要的地位。借助于计算机建立的虚拟环境，医生既能够事先合理制定手术方案，又能够选择最佳手术路线，减少手术损伤，提高病灶定位精度。同时由于虚拟手术仿真可以模拟活体组织的各种特性，它为外科医生的培训提供了无尽的实验对象，降低了医学教育成本，为医学教育模式的改革提供了有力的技术支持。

在医学辅助诊断领域，口腔三维可视化因为其结果能真实的反映病人牙颌病变部位的形态，方便医生以更方便、清晰的方式对病人进行诊断的特点，已经成为临床诊断中一个非常重要的诊断方法，并逐渐成为医学计算机应用的重要研究方向和研究热点。

本课题对机械制造专业的学生而言，是扩展知识面，加深知识的理解和掌握，强化应用技术与技能的很好的途径。

1.1.1牙颌数字化

牙颌数字化就是把牙颌模型通过测量将实际模型转化为可以在计算机中使用的数字化模型，最后重建出实体模型。牙颌数字化采用高精度的数据采集设备从牙颌模型表面提取三维数据，并应用点云处理，数据重建等方法对模型数据进行优化，重构出精确的虚拟三维牙颌模型。并在计算机上清晰的绘制出来，使得研究者能应用计算机对模型进行分析。并在此基础上，在虚拟的牙颌模型上进行一系列的医学处理，比如进行牙颌正畸操作，手术模拟等医学领域中具有重大意义课题的研究。

牙颌石膏模型记录了患者牙颌的实际形态，是患者重要的病例资料，作为重

要的医学资料，医院至少保留患者诊断前的牙颌石膏模型和治疗后的牙颌石膏模型，以此作为治疗对比档案保存。当然这些牙颌模型将在医院保留相当长的时间，但是由于石膏模型体积较大(10cm×10cm×5cm)，随着病例的不断积累，石膏模型的存储与管理将会变得越来越不方便。医院需要花费大量的人力，物力，财力来管理保存这些模型，这将会出现极大的投入。而且石膏模型要防潮防震，这无疑中增加了牙颌石膏模型保存成本。以上诸多的不便如果采用数字化的牙颌模型就可以得到很大的改善。并且我们可以把这些模型按照电脑的文件格式进行存储，用数据库的技术对模型进行分区管理，这样方便存储，管理，查询。在需要的时候只要对存储的牙颌模型用三维打印机打印出来。由于牙颌打磨处理的不可逆性和牙颌石膏模型的不易存储性，牙颌模型的数字化需求在现在变得越来越迫切，采用数字化的技术就可以解决上述问题，如果再提供一些正畸治疗的一些特殊功能，如咬合分析，虚拟正畸手术等，就能从根本上对口腔正畸的分析方法进行改革。

本文预备使用三坐标测量机测量出牙颌模型的点云数据，然后在CATIA中通过逆向工程技术重建出实体模型。

1.1.2三坐标测量机的作用以及发展趋势

三坐标测量机(CMM)，是一类得到广泛应用的接触式测量设备，它具有噪声低、精度高、重复性好等优点，其缺点是速度慢、效率低下^[1]。目前比较快的CMM有英国Renishaw公司推出的扫描式硬测头^[2]。测头在被测表面滑动，扫描速度为500点/秒，精度为0.03mm。机械手臂测量也属于接触式测量。机械手臂为一关节机构，具有多自由度，可用做弹性坐标测量机。这种测量方式几乎不会受方向的限制，可在空间进行任意方向的测量。精度不高是其主要的缺点，一般常用于大型模具件的逆向工程测量。