楊瑤　何念哲　史延楓

【摘 要】本文介紹了運(yùn)用三維掃描技術(shù)反求人體牙列的三維輪廓技術(shù)，探討反求技術(shù)在外科手術(shù)策劃與假體制作中的應(yīng)用意義。描述了如何通過(guò)三維掃描技術(shù)獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用Geomagic Qualify 對(duì)掃描結(jié)果的云點(diǎn)進(jìn)行處理，完成曲面造型以獲得牙列表面輪廓三維模型。這些技術(shù)為外科手術(shù)預(yù)演習(xí)，復(fù)雜骨骼疾病診斷以及臨床教學(xué)打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】反求技術(shù)；三維投影光柵掃描儀

0.概述

反求技術(shù)是基于實(shí)物測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對(duì)于外形復(fù)雜的如骨骼、牙齒等異形結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維成像技術(shù)進(jìn)行掃描和測(cè)量，獲得零件的表面輪廓點(diǎn)云信息，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色、刪除噪點(diǎn)、封裝、填充、簡(jiǎn)化多邊形等處理，通過(guò)輪廓線的探測(cè)和編輯、構(gòu)造柵格、擬合曲面等曲面造型過(guò)程，可得到了表面光滑的三維模型[1]～[2]，此模型在外科手術(shù)策劃與義齒等假體制作中有較深遠(yuǎn)的意義。

1.主要設(shè)備和材料

三維投影光柵掃描儀，型號(hào)為TN3DOMS；Geomagic Qualify逆向軟件；實(shí)驗(yàn)室提供人的下牙列模型作為實(shí)體掃描對(duì)象。

2.反求技術(shù)運(yùn)用

反求工程技術(shù)根據(jù)三維掃描儀的原理不同，可分為接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量法包括坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和層去掃描法；非接觸式測(cè)量法包括光學(xué)測(cè)量和超聲波測(cè)量。

本文采用三維光柵掃描儀和Geomagic Qualify對(duì)下牙列進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，其步驟如下：

2.1三維數(shù)據(jù)采集

用光學(xué)掃描增白劑對(duì)下牙列進(jìn)行增白處理，應(yīng)用三維投影光柵掃描儀對(duì)下牙列進(jìn)行多維掃描，完成實(shí)體的三維初步重建圖形（圖1），將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為云點(diǎn)圖并導(dǎo)出，以備進(jìn)一步處理。在獲取數(shù)據(jù)過(guò)程中可能會(huì)遇到以下問(wèn)題：

①選取照明均勻性較好和亮度較高的等作為光源，以減少對(duì)圖像的條紋質(zhì)量的影響。

②測(cè)量時(shí)要外部環(huán)境光均勻且強(qiáng)度合適，以提高測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

③對(duì)同一物體表面采用同一型號(hào)顯影劑且噴涂時(shí)盡量均勻。

④有顏色差異的外表都均勻噴涂顯影劑，以防測(cè)量時(shí)出現(xiàn)未識(shí)別現(xiàn)象；形狀復(fù)雜產(chǎn)生的測(cè)量盲區(qū)應(yīng)在掃描后采用軟件進(jìn)行修復(fù)。

⑤粘貼標(biāo)記點(diǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意參考點(diǎn)之間的距離應(yīng)該互不相同，高低盡量錯(cuò)開(kāi)。

⑥測(cè)量擺放物體時(shí)應(yīng)使被測(cè)物體被測(cè)面正對(duì)掃描儀。

2.2三維數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）將三維掃描的云點(diǎn)圖導(dǎo)入Geomagic Qualify，對(duì)導(dǎo)入點(diǎn)進(jìn)行著色處理。

（2）刪除噪音點(diǎn)、較差的點(diǎn)云邊界、壞死點(diǎn)等。

（3）進(jìn)行全局注冊(cè)，把所有得到的點(diǎn)集合成一個(gè)整體。

（4）把所有的點(diǎn)以三個(gè)一組的形式形成面，并連接在一起，生成三角網(wǎng)絡(luò)面（圖2）。

（5）進(jìn)行多幅拼接，即將兩個(gè)或者兩個(gè)以上的云點(diǎn)圖進(jìn)行拼接。

（6）將三角網(wǎng)格面產(chǎn)生的小孔進(jìn)行填充。

（7）再次進(jìn)行全局注冊(cè)和注冊(cè)分析，使所有的點(diǎn)形成一個(gè)整體。

（8）運(yùn)用松弛、去除特征、編輯邊界、簡(jiǎn)化多邊形等技術(shù)來(lái)優(yōu)化點(diǎn)云，處理完后導(dǎo)出點(diǎn)云。（圖3）。

2.3曲面形成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)入曲面形成階段，運(yùn)用Geomagic Qualify軟件自動(dòng)抽取的零件特征、邊界轉(zhuǎn)換成輪廓線[3]，運(yùn)用手動(dòng)編輯輪廓線，并將其進(jìn)行延伸和編輯，以達(dá)到最好的銜接。根據(jù)輪廓線劃分的區(qū)域稱為面板，移動(dòng)面板使曲面片根據(jù)曲面的形狀劃分均勻，從而得到更光滑的曲面。在每塊曲面片內(nèi)設(shè)置規(guī)定數(shù)目的柵格（圖4），依據(jù)柵格按照NURBS定義擬合成曲面，得到表面光滑的曲面三維圖（圖5）。

3.應(yīng)用

反求技術(shù)可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，可運(yùn)用于復(fù)雜的牙列修復(fù)手術(shù)，通過(guò)假牙等假體進(jìn)行反求，獲取三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維模型的重構(gòu)，通過(guò)快速成型技術(shù)可直接得到原假牙的復(fù)制品，用來(lái)代替已經(jīng)損壞或壽命已到的原假牙等假體。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)反求技術(shù)在牙列缺損修復(fù)中應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)利用反求技術(shù)可以較好地逆向求解得到異形結(jié)構(gòu)體三維數(shù)據(jù)，為成型技術(shù)的運(yùn)用打下了基礎(chǔ)，并為醫(yī)學(xué)運(yùn)用提供了可靠的支撐，提高了醫(yī)學(xué)技術(shù)質(zhì)量。該項(xiàng)技術(shù)具有一定的運(yùn)用前景。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉亞雄，李滌沉.反求工程和快速成型在計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)臨床康復(fù)，2004.8（26）：5546-5547.

[2]楊玉江.異形結(jié)構(gòu)反求技術(shù)在生物工程制造領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究[D].成都大學(xué)，2012：16-20.

[3]胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31（9）：137.