三维牙颌数字印模测量获取与配准(附件)
在目前的口腔正畸领域中，采用三维数字化牙颌模型将避免由传统的石膏模型带来的一系列管理以及保存方面的麻烦，而且采用数字化牙颌模型能够使医生更加方便的，清晰的对病人进行诊断。本文中主要研究了三维牙颌数字印模的测量获取与配准问题，即如何使用激光扫描仪，如何利用geomagic软件对牙颌点云数据预处理以及曲面三维重建的操作流程。 本文着重说明了牙颌点云的三维重建及配准过程，即首先对孔洞修补以及光顺后的牙颌模型进行曲面片重建并最终得到nurbs曲面的一系列操作，其次利用配准操作对上下颌的咬合状态进行分析，最后利用3D打印获取牙颌的设计模型。关键词 牙颌模型，点云，重建，配准目 录
1 引言 1
1.1 牙颌数字化 1
1.2 课题的研究背景及意义 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文的主要研究内容 3
2 牙颌点云数据的获取与预处理 3
2.1 牙颌点云数据的采集 3
2.2 Geomagic软件介绍 5
2.3 点云数据的去噪 6
2.4 点云数据的精简 7
2.5 本章小结 9
3 牙颌点云模型的表面处理 9
3.1 牙颌点云模型的孔洞修补 9
3.2 牙颌点云模型的特征加工 11
3.3本章小结 13
4 牙颌点云模型的曲面重建 13
4.1 三维曲面重建介绍 13
4.2 牙颌点云模型的三维重建 14
4.3 基于Geomagic软件的曲面重建介绍 16
4.4 本章小结 19
5 三维牙颌模型的曲面配准 19
5.1 配准的基本问题 20
5.2 配准技术介绍 20
5.3 基于Geomagic软件的配准操作 21
6 牙颌模型3D打印 22
结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
随着当前人们生活水平的提高，越来越多的人已经开始在意自己的外表，畸形的牙齿会严重影响人的心情，因此在牙颌正畸领域的口腔正畸学，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 5.2 配准技术介绍 20
5.3 基于Geomagic软件的配准操作 21
6 牙颌模型3D打印 22
结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
随着当前人们生活水平的提高，越来越多的人已经开始在意自己的外表，畸形的牙齿会严重影响人的心情，因此在牙颌正畸领域的口腔正畸学，它作为口腔医学中的一个重要分支，越来越被人们所重视。而随着近年来计算机技术以及自动化技术的快速发展，牙科计算机辅助诊断在口腔正畸领域得到了越来越多的应用。众所周知，传统的牙科诊断手法是观察分析牙颌石膏模型并最终确定治疗方案，这种方法的弊端在于不利于管理和储藏，而计算机辅助诊断有效的解决了这一问题，而且避免了一些人为因素带来的失误，有助于提高医疗诊断效率。从目前来看，牙颌三维模型在数字化领域已经取得了非常大的成功，已将开始逐步成为当今口腔医学计算机应用领域的重要研究趋势。
1.1 牙颌数字化
牙颌数字化就是把牙颌模型从实际的模型转化成在电脑中可用的数字化模型。牙颌数字化是采用高精度的数据采集设备例如激光扫描仪从牙颌模型表面提取三维数据信息，并利用Geomagic软件对模型数据进行去噪等预处理操作以及曲面重建，最后构造出完美的虚拟的牙颌模型，如图1-1（2）所示。这种在电脑上绘制出来的模型可以使研究者利用计算机对其进行更为全面的观察和分析。在此基础上，操作者就可以在虚拟的牙颌模型上进行一系列的医学处理，比如进行牙颌碰撞检测，牙颌正畸操作，手术模拟等医学领域中具有大意义课题的研究。
图1-1 牙颌数字化 图1-2 牙齿修复
1.2 课题的研究背景及意义
在口腔正畸领域，我们通常用牙颌石膏模型来记录患者牙颌的实际形态，因此对牙颌石膏模型进行测量分析，可以对患者制定合适的治疗方案和评估治疗效果。但是，随着病人数量的增加，牙颌石膏模型的数量也变得越来越多，这将不利于牙颌模型的管理。在牙颌正畸分析过程中，随着对牙颌模型的多次使用，牙颌模型的表面会受到大小不同的损害，这种损害对牙颌模型是致命的，一次操作的失误就会带来一个模型的报废，这大大增加了模型的制作费用，而且还浪费了大量的研究时间，总之，牙颌石膏模型的存储也非常不易。
在牙颌模型的分析中，一些不易确定的操作参数比如打磨的面积将主要取决于研究者的临床经验，而这些数值并不精确。对牙颌模型的测量一般用游标卡尺，但是牙颌模型不是常规几何体，它表面结构复杂，因此测量需要集中精神才能得到精准的数据。但是如果研究人员采用数字化的牙颌模型，并利用计算机图形学技术辅助研究，这些传统测量中的不足都可以得到解决。利用计算机就可以对数字化模型进行精确地测量，大大地缩短了手工操作的时间，同时在操作完成后可以对牙颌模型的一些复杂特征进行观察分析，而这些操作都将给医生提供便利。
获取牙颌点云数据的激光扫描仪在一个视角下很难获得全部三维信息，必须通过扫描仪在不同视角下对模型进行多次扫描，然后配准这些不同视角的曲面，才能够完成牙颌模型的三维重建。因此牙颌模型的配准在牙颌数字化进程中也有着重要意义。
总之三维牙颌数字印模的测量获取与配准是牙颌数字化进程中最基本的操作，因此熟练掌握这一系列操作步骤将会更好的了解牙颌数字化带来的好处。
1.3 国内外研究现状
我国目前对牙颌的临床研究和诊断大部分还停留在二维阶段，尽管我国的三维扫描设备领域已经取得一点进步，但是国内市场上还没有出现成熟的获取三维数据地产品，并且大多是针对石膏牙颌模型的。目前大多数医院采用激光扫描设备，例如线激光扫描等，虽然这种扫描设备获得的结果精度高，但是它的费用比较昂贵，而且复杂的表面增加了操作的难度。北京大学口腔医学院吕培军、李忠科等学者研制出了一种利用激光点扫描获取三维数据的方法，但这种方法的弊端是扫描时间长，盲区大。总的来说，目前国内市场还没有市场化的专门针对牙颌三维扫描的设备。
在国外，由于虚拟口腔正畸领域起步早，所以取得了较大的成就。其中最典型的 产品就是3M ESPE公司的LAVA COS以及SIEMENS公司的CEREC AC，它们的工作机制都是通过像笔一样的探头深入口腔来获得实时的三维重建模型，医生和患者对这种系统的评价非常高，但是由于技术上的封锁原因，目前中国国内还没有引进。而日本的柯尼卡美能达公司推出的Vivid 9i系列的三维扫描产品造价昂贵，尽管其精度高、扫描性能好，但是如果医院用作牙颌三维扫描就会显得大材小用，而且一般的中小型医院很难承担它的费用。
1.4 本文的主要研究内容
本课题来源于实际应用中的诉求，并且是典型的多学科交叉产物，主要任务就是研究如何利用激光扫描仪和Geomagic软件处理牙颌模型，
1 引言 1
1.1 牙颌数字化 1
1.2 课题的研究背景及意义 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文的主要研究内容 3
2 牙颌点云数据的获取与预处理 3
2.1 牙颌点云数据的采集 3
2.2 Geomagic软件介绍 5
2.3 点云数据的去噪 6
2.4 点云数据的精简 7
2.5 本章小结 9
3 牙颌点云模型的表面处理 9
3.1 牙颌点云模型的孔洞修补 9
3.2 牙颌点云模型的特征加工 11
3.3本章小结 13
4 牙颌点云模型的曲面重建 13
4.1 三维曲面重建介绍 13
4.2 牙颌点云模型的三维重建 14
4.3 基于Geomagic软件的曲面重建介绍 16
4.4 本章小结 19
5 三维牙颌模型的曲面配准 19
5.1 配准的基本问题 20
5.2 配准技术介绍 20
5.3 基于Geomagic软件的配准操作 21
6 牙颌模型3D打印 22
结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
随着当前人们生活水平的提高，越来越多的人已经开始在意自己的外表，畸形的牙齿会严重影响人的心情，因此在牙颌正畸领域的口腔正畸学，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 5.2 配准技术介绍 20
5.3 基于Geomagic软件的配准操作 21
6 牙颌模型3D打印 22
结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
随着当前人们生活水平的提高，越来越多的人已经开始在意自己的外表，畸形的牙齿会严重影响人的心情，因此在牙颌正畸领域的口腔正畸学，它作为口腔医学中的一个重要分支，越来越被人们所重视。而随着近年来计算机技术以及自动化技术的快速发展，牙科计算机辅助诊断在口腔正畸领域得到了越来越多的应用。众所周知，传统的牙科诊断手法是观察分析牙颌石膏模型并最终确定治疗方案，这种方法的弊端在于不利于管理和储藏，而计算机辅助诊断有效的解决了这一问题，而且避免了一些人为因素带来的失误，有助于提高医疗诊断效率。从目前来看，牙颌三维模型在数字化领域已经取得了非常大的成功，已将开始逐步成为当今口腔医学计算机应用领域的重要研究趋势。
1.1 牙颌数字化
牙颌数字化就是把牙颌模型从实际的模型转化成在电脑中可用的数字化模型。牙颌数字化是采用高精度的数据采集设备例如激光扫描仪从牙颌模型表面提取三维数据信息，并利用Geomagic软件对模型数据进行去噪等预处理操作以及曲面重建，最后构造出完美的虚拟的牙颌模型，如图1-1（2）所示。这种在电脑上绘制出来的模型可以使研究者利用计算机对其进行更为全面的观察和分析。在此基础上，操作者就可以在虚拟的牙颌模型上进行一系列的医学处理，比如进行牙颌碰撞检测，牙颌正畸操作，手术模拟等医学领域中具有大意义课题的研究。
图1-1 牙颌数字化 图1-2 牙齿修复
1.2 课题的研究背景及意义
在口腔正畸领域，我们通常用牙颌石膏模型来记录患者牙颌的实际形态，因此对牙颌石膏模型进行测量分析，可以对患者制定合适的治疗方案和评估治疗效果。但是，随着病人数量的增加，牙颌石膏模型的数量也变得越来越多，这将不利于牙颌模型的管理。在牙颌正畸分析过程中，随着对牙颌模型的多次使用，牙颌模型的表面会受到大小不同的损害，这种损害对牙颌模型是致命的，一次操作的失误就会带来一个模型的报废，这大大增加了模型的制作费用，而且还浪费了大量的研究时间，总之，牙颌石膏模型的存储也非常不易。
在牙颌模型的分析中，一些不易确定的操作参数比如打磨的面积将主要取决于研究者的临床经验，而这些数值并不精确。对牙颌模型的测量一般用游标卡尺，但是牙颌模型不是常规几何体，它表面结构复杂，因此测量需要集中精神才能得到精准的数据。但是如果研究人员采用数字化的牙颌模型，并利用计算机图形学技术辅助研究，这些传统测量中的不足都可以得到解决。利用计算机就可以对数字化模型进行精确地测量，大大地缩短了手工操作的时间，同时在操作完成后可以对牙颌模型的一些复杂特征进行观察分析，而这些操作都将给医生提供便利。
获取牙颌点云数据的激光扫描仪在一个视角下很难获得全部三维信息，必须通过扫描仪在不同视角下对模型进行多次扫描，然后配准这些不同视角的曲面，才能够完成牙颌模型的三维重建。因此牙颌模型的配准在牙颌数字化进程中也有着重要意义。
总之三维牙颌数字印模的测量获取与配准是牙颌数字化进程中最基本的操作，因此熟练掌握这一系列操作步骤将会更好的了解牙颌数字化带来的好处。
1.3 国内外研究现状
我国目前对牙颌的临床研究和诊断大部分还停留在二维阶段，尽管我国的三维扫描设备领域已经取得一点进步，但是国内市场上还没有出现成熟的获取三维数据地产品，并且大多是针对石膏牙颌模型的。目前大多数医院采用激光扫描设备，例如线激光扫描等，虽然这种扫描设备获得的结果精度高，但是它的费用比较昂贵，而且复杂的表面增加了操作的难度。北京大学口腔医学院吕培军、李忠科等学者研制出了一种利用激光点扫描获取三维数据的方法，但这种方法的弊端是扫描时间长，盲区大。总的来说，目前国内市场还没有市场化的专门针对牙颌三维扫描的设备。
在国外，由于虚拟口腔正畸领域起步早，所以取得了较大的成就。其中最典型的 产品就是3M ESPE公司的LAVA COS以及SIEMENS公司的CEREC AC，它们的工作机制都是通过像笔一样的探头深入口腔来获得实时的三维重建模型，医生和患者对这种系统的评价非常高，但是由于技术上的封锁原因，目前中国国内还没有引进。而日本的柯尼卡美能达公司推出的Vivid 9i系列的三维扫描产品造价昂贵，尽管其精度高、扫描性能好，但是如果医院用作牙颌三维扫描就会显得大材小用，而且一般的中小型医院很难承担它的费用。
1.4 本文的主要研究内容
本课题来源于实际应用中的诉求，并且是典型的多学科交叉产物，主要任务就是研究如何利用激光扫描仪和Geomagic软件处理牙颌模型，
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