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计算机断层扫描技术范文1
从上个世纪70年代开始,医学影像获得了飞速的发展,医学成像方法越来越多,成像设备也在不断改善。人们还发明了很多新的技术,如单光子发射计算机断层显像(SPECT) , X射线计算机断层扫描(CT),磁共振成像(MRI),正电子发射计算机断层显像(PET),超声成像和先进的成像技术等⑴。这些新的成像技术给人们观察组织和器官的功能和结构提供了各种非常有效的手段,它们也因此成为重要的医疗诊断工具。传统医学成像技术是通过X射线或者其他手段获得人体的一个断面的图像数据,通过屏幕或胶片进行显示并观察和诊断的。但不管是通过屏幕或胶片来显示,医生都只能够观察到二维的图像,并只能在固定的图像上观察。通过二维图像,医生只能对病情作定性分析,因此诊断的结果主要取决于医生的读片经验和对医学影像的主观理解,不同医生诊断相同的疾病有时却会得出不同的诊断结果。显然,这种诊断技术远远不能满足患者的需求。进入20世纪90年代后,计算机图形和图像处理技术迅速发展,日渐成熟的图形图像处理分析技术开始逐步渗透到医疗领域。
人们幵始利用计算机对二维切片进行分析和处理,比如分割提取,三维重建,显示等。这种技术便于医生从多角度,多层次对人体器官,软组织和病变体进行观察和分析,可以帮助医生对人体的病变部位或感兴趣区域做出定性甚至准确的定量分析,这大大提高了医疗诊断的正确性和准确性。这些变化大大的提高了影像数据的应用价值,具有十分深远的意义。随着传统的医学影像处理技术和计算机图形处理技术的融合,逐渐产生了专门研究医学影像三维可视化技术的新学科。所谓的医学影像三维可视化技术[2],是指使用一系列通过二维图像重建成三维模型同时进行定性,定量分析的技术。该技术可以从二维图像得到三维的结构信息,为医生提供更逼真的显示和定量分析工具和手段,能够弥补成像设备在成像方面的不足,为医生提供了一个更有真实感的三维医学影像,而且可以使医生可以直接参与到数据的处理和分析中,便于医生从多个角度,多层次进行观察和分析。
这种技术在模拟手术,引导治疗中都可以发挥重要的作用。但是,重建出医学影像的三维模型并不是人们追求的最终目标,人们不仅仅要“看”到三维模型,还需要能够和三维模型进行交互,如旋转,缩放和平移等,使得医生们可以获得更好的视角,以便对疾病做出正确的判断。医学影像的三维重建和交互应用是当前的两个研究热点,它在医学上具有重要的意义。首先,它能够提高医生的诊断准确率和医院的效率。因为将二维数据重建成三维模型,能够方便医生观察人体内部的结构,使医生获得感兴趣的器官的定量描述,比如大小,形状和空间位置等,这将提高医生的诊断水平。第二,由于现在大多数医院仍使用传统形式的胶片来帮助医生诊断,这些胶片不仅有存储的问题,而且本身就是一笔不小的开支。实现数字化医院,可以将这些胶片保存成电子文档,这将大大的节省医院的支出。因此,展开医学影像的三维重建研究具有十分重要的意义。
1.2医学影像三维重建的临床应用
临床医学应用是可视化技术应用得最早最成功的领域之一,过去医生主要根据CT图像,磁共振成像和超声图像对病人做出诊断。但这些图像都是2维的图像序列,只有经过培训的医生才能通过这些图像获得器官或组织的整体认知。所以可视化的任务是揭示物体内部的复杂结构,让人们可以看到通常看不到的内部结构。由于三维可视化技术的日渐成熟,医学图像三维重建技术在临床医学中应用越来越广泛,具体概括如下:
一、 在检测诊断中的应用
在对病人身体的检测过程中,CT图像、磁共振图像和超声波图像一直都是一种十分重要的医疗诊断手段。而三维可视化技术可以对图像进行处理,构造出三维的几何模型,而且对重建出的模型能够从不同的方向进行观察,使得医生对感兴趣的部位的大小、形状和空间位置不仅有定性的认识,也能够得到定量的认识,这样可以极大的提局医生的诊断水平。
第二章医学图像和医学图像的预处理技术
在三维医学影像重建中,首先需要获得二维的医学图像即医学体数据,才能在此基础上进行三维重处理,本章将侧重于介绍各种医学体数据的采集方法和医学影像的预处理方法,及对比各方法的优缺点。
2.1医学体数据来源
医学体数据是一个数据场,人们通过医疗成像设备扫描器官和软组织得到断层图像后,将这些图像叠加在空间中的同一个方向,这样便构成一个立体的数据场,这个数据场就称为体数据。目前,医学影像数据的采集主要通过以下途径:X射线断层扫描(CT),磁共振成像(MRI),超声成像(UI),正电子发射计算机断层扫描(PET)等,其中两个最常用的医学影像来源是CT和MRI图像[5]。
2.1.1 CT (Computed Tomography)图像
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影像医学的发展历史
早在1895年德国物理学家威廉•康拉德•伦琴发现X射线[1]，开创了影像医学的新篇章。近年来影像医学发展非常迅速，影像医学设备不断更新，检查技术不断完善，特别是计算机科学的融入，使影像医学如虎添翼，增添了活力，丰富了内容。
影像检查方法的特点和适用性
X射线检查：主要包括X线片、摄影术、萤光透视镜、牙齿摄影、心血管摄影、血管摄影等。其特点主要表现在以下几点：①结构层次显示比较丰富，有利于整体观察受检部位的组织结构，具有较高的空间分辨率。②检查相关操作方法比较简单，其费用相对低廉。③可灵活变换进行动态病变观察，但由于影像难以长时间保留图像，所以不利于以后治疗过程中的对比分析，同时对细微的病变发现比较困难，而且患者需要接受较大照射量的X线，最好在检查之前应做到目标明确。④密度分辨率较低，对组织密度差别较小的部位不能显示足够清晰的图像。⑤CR和DR虽在图像的清晰度方面较传统X线检查更好，对某些结节性病变具有更高的检出率，但对肺间质和肺泡病变的显示效果仍与传统胸片差别明显，而且该方法的成本也会更高。⑥钼靶X线摄影是根据各种组织对X线存在不同吸收量的原理，可将脂肪、肌肉和腺体等密度差距不大的组织在X线片上形成良好对比的影像，该方法多用于对软组织形态及病理变化的观察。电脑断层扫描(CT)：是X线与计算机技术联合形成的医学影像系统，多用于头四肢关节、腹盆腔、肝肾胰脾、胸部、颈部以及软组织的检查，分辨率高，图像清晰。主要特点：①CT检查无需应用对比剂的情况下，可为多种疾病提供诊断依据。②强化CT：在静脉注射碘对比剂之后，可是否存在血管性病变的疾病做出判断。③高分辨率螺旋CT的应用：高分辨率螺旋CT可以获得多层面图像数据，对病灶的不同角度进行分析，同时能够对病灶细微结构进行观察，图像十分清晰、直观。核磁共振成像(MRI)：是根据人体组织含水量的差异而研发地一种非介入性的探测技术，能够清晰地显示出体内各解剖组织及相关的关系[2]，对病灶的定位和定性非常好，特别是对早期肿瘤的诊断[3]，意义重大，图像非常清晰，且对人体无电离辐射影响。超声成像(USG)：超声成像应用广泛，操作简便，无痛苦，目前主要有超声造影、谐波成像以及多普勒组织成像技术，可获得患者器官的任意断面图像。近年来，与X线相结合，钼靶技术的应用，提高了乳腺癌的早期检出率[4]。内视镜：根据内视镜所到达的部位不同进行分类：分为喉镜、鼻窦镜、关节镜、腹腔镜、电切镜、尿道膀胱镜、神经镜等。随着技术的发展，电视内视镜得到了飞速的发展，这些内视镜可以经口腔进入胃内或经其他天然孔道进入体内，既能做出诊断又能进行治疗，如内视镜的光导纤维能输送激光束，可以封闭出血的血管，灼赘生物或肿瘤。其他：包括单一光子发射电脑断层扫描[5]、正子发射电脑断层扫描、热影像技术、光声成像技术、显微镜、萤光血管显影术等。
医学影像的综合应用
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肺癌的早期发现、早期诊断和早期治疗，是挽救患者生命的关键措施。过去，临床上发现和诊断的肺癌多属中、晚期，往往失去最佳治疗机会。若能在早期发现肺癌，并给予手术治疗，5年以上存活率较高。
早期肺癌，顾名思义，就是肿瘤细胞局限在黏膜或黏膜下层，或肿瘤的最大直径小于3厘米，伴有或不伴有支气管周围或同侧肺门的淋巴转移。目前检查早期肺癌有以下几种方法。
X线检查 分为胸部X线透视、X线摄片和断层摄片、支气管造影和电子计算机断层扫描(CT)、X线电视透视双轴定位、支气管断层摄片等。胸部X线摄片简单易行，在基层单位也可开展。凡是45岁以上有长期吸烟史的男性患者，或与致癌因子有接触史者，每间隔6～12月应进行一次胸部摄片，有助于肺癌的发现。发现可疑病灶时进一步作断层摄片、支气管造影、CT等项检查。
痰液脱落细胞检查 查痰容易受到痰液质量优劣、痰检次数、肿瘤生长部位、组织类型以及检查细致程度等方面的影响，因而需要多次送检，阳性率较低，耗时、费力，不宜大面积开展。在胸部x线检查发现可疑肿瘤病灶后，结合痰液细胞学检查，阳性率将大大增加。
光导纤维支气管镜检查 能导光传象，操作简便、安全，被检查者痛苦小。该镜易伸入亚段支气管，在病变处直视下取活检或刷检。对不能直视的周围型肺癌，可在电视指引下，用活钳和细胞刷作支气管活检和刷检；亦可选择性进行支气管肺泡灌洗，作细胞学、生化学或免疫学的测定，或选择性支气管造影。能使许多过去无法诊断的早期肺癌得以确诊。
肿瘤的免疫学检查 血中癌胚抗原(CEA)测定和血清铁蛋白测定含量高于正常时，结合胸部C线等项检查，肺癌高度可疑。亦可利用单克隆抗体I和I等标记抗癌胚抗原和抗血清铁蛋白的单克隆抗体测定检查肺癌。肿瘤标记物还包括各种肿瘤代谢酶及其蛋白质。多种标记物同时测定，进行动态观察，可推断转移病灶存在与否并估计预后。
发射单光子计算机断层扫描(ECT)和磁共振成象技术(MRI)、r照像等这些现代医学显象技术有利于肺癌的早期诊断。但检查费用较高，能进行这些项目检查的单位不多，只适用于发现可疑后的进一步检查。
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Abstract: The requiring and measuring of data is the first step of reverse engineering and is one of the most critical technologies. Combining physical data acquisition methods of contact measurement technology and non-contact measurement technology is the most effective engineering measurement mothod for large and complicated measuring object among so many reverse engineering measurement technologies.
关键词:逆向工程;接触式工程测量;非接触式工程测量;测量误差
Key words: reverse engineering;contact engineering measurement;non-contact engineering measurement;measurement error
中图分类号:TU19 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)18-0052-01
0引言
数据的获取、测量是逆向工程中的第一个步骤,也是逆向工程测量最关键的技术之一。综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法,是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式。这种方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标,再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据,从而获取得到整体测量数据。这种综合方法既具有以往工程测量技术的高效性,又消除了数据拼接时的累积误差。
1逆向工程概述
逆向工程,又称反求工程、反向工程,指通过各种测量手段和三维几何建模方法,将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程,是工程测量技术、计算机软硬件技术的综合。近几十年来,随着计算机技术的发展,CAD技术已经广泛地应用于工程测量工作,但由于多种因素的限制,现实世界中的很多物体形状并不能完全用CAD设计的方法进行描述。因而,我们提出了逆向工程的概念。这种实物数字化建模的方法如今己经发展为CAD/CAM中的一个相对独立的范畴,成为复杂工程测量的重要手段之一。[1]
2逆向工程测量数据获取技术研究
数据获取是反求工程的关键技术,数据的获取通常是利用一定的测量设备对所测工程进行数据采样,得到的是采样数据点的(x,y,z)坐标值。数据获取的方法大致分为两类:接触式和非接触式。
2.1 接触式工程测量技术接触式工程测量技术是在机械手臂的末端安装探头,通过与工程表面接触来获取表面信息,目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量机(CMM)。传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量头,可通过编程规划扫描路径进行点位测量,每一次获取被测形面上一点的(x,y,z)坐标值,测量速度都很慢。CMM的优点是测量精度高,对被测工程无特殊要求,对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被测工程,CMM是一种非常有效可靠的三维数字化手段。它的缺点是不能对软物体进行精密测量;价格昂贵,对使用环境要求高;测量速度慢,测量数据密度低,测量过程需人工干预;还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿,无法测量小于测头半径的凹面工程,这些不足限制了它在快速反求领域中的应用。[2]
2.2 非接触式工程测量技术①激光线结构光扫描测量技术。激光线结构光扫描测量技术是一种基于三角测量原理的主动式结构光编码工程测量技术,亦称为光切法,通过将一线状激光束投射到三维物体上,利用CCD摄取物面上的二维变形线图像,即可解算出相应的三维坐标。每个测量周期可获取一条扫描线,物体的全轮廓测量是通过多轴可控机械运动辅助实现的。这类设备的扫描速度可达15000点/秒,测量精度在±0.01～±0.1mm之间,价格适中,对测量工程对象型面的光学特性要求不高。[3]②投影光栅测量技术。投影光栅测量技术是一类主动式全场三角测量技术,通常采用普通白光将正弦光栅或矩形光栅投影于被测物面上,根据CCD摄取变形光栅图像,根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化,可解算出被测物面的空间坐标,这类测量方法具有很高的测量速度和较高的精度,是近年发展起来的一类较好的三维传感技术。根据形变、高度关系的描述方法的不同,光栅测量可分为两类:直接三角法和相位测量法。直接三角法原理简单、速度快,不易受被测工程物面不连续等干扰的影响,但是其测量精度不高,不能实现全场测量;而相位测量法测量精度相对较高。③计算机断层扫描(CT)技术。计算机断层扫描(CT)技术最具代表的是基于X射线的CT扫描机,它是以测量物体对X射线的衰减系数为基础,用数学方法经过计算机处理而重建断层图像,这种方法最早是应用于医疗领域,目前已经广泛用于工程测量领域,即称为“工程CT”。对中空物体的无损三维测量,这种方法是目前较先进的非接触式检测方法,它可对被测工程的内部形状、壁厚、材料,尤其是内部构造进行测量,该方法同样能够获得被测工程内表面数据,且不破坏工程结构。但它存在造价高,测量系统的空间分辨率低,获取数据时间长,设备体积大等缺点。[4]④立体视觉测量技术。立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(或多个)摄像机拍摄的图像中的视差,以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个(或多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量,而无须伺服机等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了将具有空间编码的结构光投射到被测工程表面,制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题,但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。
3结语
现代逆向工程测量技术是将接触式测量技术和非接触式测量技术相融合,是实现被测工程整体测量和数据拼接的有效方法,其使用越来越广泛。虽然关于摄影测量技术的研究几乎是自照相机发明以来就开始了,但是用于逆向测量工程的数字近景摄影测量技术仍然是一门“年轻”的技术,它继承了“摄影测量与遥感”领域的许多知识和技术,同时又发展出许多自身特有的技术和方法,比如设置人工标志点。笔者认为,研究逆向工程测量技术,对现代工程测量技术的发展有着重要的现实意义。
参考文献:
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乳腺近红外线扫描：红外线扫描诊断仪为乳腺疾病的诊断，尤其为乳腺癌二级预防提供了一个有效的方法。由于此项检查以其安全、简便、快速、无创伤、对人体无害，可重复性等优势，并且检查速度快，非常适用于开展妇女乳腺癌的普查工作，对早期乳腺癌的检出有独到之处，是一种有价值的乳腺疾病诊断途径。
X线摄片（MG）：MG技术已有近90年的历史。1969年法国医生Gross研制出钼靶阳板X线机，该技术成为20世纪70年代以来诊断乳腺疾病的重要方法。MG检查方便经济，在乳腺癌普查、诊断、随访中起重要作用，是发现早期乳腺癌的有效手段之一，具有较高的敏感性，可检出隐匿性及微小病灶，并且在良恶性肿瘤鉴别方面有着明显的优势。MG能检出以钙化点为主要表现的乳腺癌，这是其他设备无法代替的。
计算机辅助乳腺X线摄影（CAD）：CAD是通过计算机将钼靶X 线片数字化，再与计算机数据中的正常乳腺进行比较的一种新型诊断技术。由于乳腺组织与肿瘤组织在X线投照下缺乏良好的对比，早期体积较小的肿瘤很容易漏诊。CAD技术可选择性加强图像中有价值的信息，并抑制其他信息，从而达到人眼分辨的程度。CAD已在乳腺癌早期诊断和良恶性病变鉴别方面显示出明显的优越性，其特点是技术稳定，结果迅速，无生理局限，不受外来因素影响，在一定程度上克服了致密型乳腺所造成的诊断困难。但此技术的临床实用性仍需进一步研究观察。
乳腺高频B超检查（BUS）：BUS检查是乳腺X线摄片最重要的补充及释疑方法，BUS与MG是乳腺影像学的“黄金组合”。BUS的优点在于病人无痛苦，无放射性损害，经济简便，特别适于哺乳期、妊娠妇女及年轻女性的检查。在鉴别实性和囊性肿块方面更具优势，并能进行准确定位和明确病灶的层次，同时能探测腋窝及锁骨上淋巴结的情况。BUS适用于评价致密型乳腺内病变、乳腺肿块伴有弥漫性乳腺腺病、病灶紧贴胸壁等情况。早期乳腺癌的BUS影像表现为肿块形态和边缘不规则、内部回声不均匀、周围组织呈蟹足样浸润、后方回声衰减、周围脂肪强回声、血流丰富等。
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[关键词] 计算机模拟； 数据库； 三维重建； 牙齿形态； 修复前预测
[中图分类号] R 783.4 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.06.021
随着人们生活水平及审美意识的不断提高，在临床上要求前牙美容修复的患者日益增多，并且患者对前牙修复体美学要求也越来越高，不仅要求其美观、自然，还特别强调个性的扩展和体现[1]。但由于患者对修复专业知识的欠缺，同时涉及修复美学问题，修复医生和患者的认识难以统一。以往，患者对修复后效果的认识是通过医生的描述来想象的，由于没有直观的感受，患者对修复后的效果往往充满疑惑，从而导致患者在治疗前缺乏修复信心，或者修复后牙齿未达到患者的期望效果而产生医疗纠纷。
如何在修复前预测出修复体的外形，让患者在术前更加准确、直观地理解修复后的效果，一直是学者们研究的热点。许多学者[2-4]都进行了前牙修复体外形的设计研究，这些研究均以照相机、摄像机拍摄的图像作为研究对象，其处理的是二维图片，还不能对牙齿进行三维显示。与传统的静态二维图像相比，更加接近现实的三维图像能够更全面真实地反映客观事物，提供更多更准确的信息。国外先进的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）系统能在计算机上营造出真实、直观的口腔三维场景，有利于复杂信息的传播和交流。但国外的CAD系统核心技术保密，设备价格高昂，在国内临床推广运用困难。本研究从中国的实际出发，采用3Ds Max三维动画设计软件，结合数字化三维成像技术、图形图像处理技术，在个人计算机（person com-puter，PC）上建立前牙计算机模拟修复系统，意在开发经济、实用的前牙修复体外形设计系统，让每名口腔修复医师可以在普通的计算机上完成一些较为复杂病例的修复前模拟设计工作。患者也可参与设计，提出自己的要求，最终模拟的效果图还可以传递给技师，作为制作修复体的参考，从而增加医患间的沟通，加强医技间的信息交流，提高前牙修复体的美学质量。
1 材料和方法
1.1 材料和设备
硬件：锥形束CT（cone beam CT，CBCT）（卡瓦盛邦公司，美国），本研究中扫描范围为16 cm（直径）×6 cm（高度），X光设备输出120 kV，电流5 mA，曝光时间4 s，共生成528个断面图，精确度0.25 mm。计算机（DELL公司，美国）配置：中央处理器（central processing unit，CPU）为Pentium Dual-Core，内存2 G，硬盘250 G，显示器TFT LED，分辨率1 280×768，显存256 MB。
软件：Windows XP操作系统、Microsoft Visual C++6.0语言编制数据库系统程序（微软公司，美国），Mimics逆向工程软件（Materialise公司，比利时），3Ds Max中文版9.0软件（Autodesk公司，美国）。
1.2 方法
1.2.1 前牙外形数字化 利用南昌大学口腔医学院修复教研室保存的标准牙模型，其牙形态依据中国人牙冠的解剖形态特征雕刻而成[5]。使用硅橡胶印模材翻制各颗标准上颌前牙的牙冠印模，超硬石膏灌注。模型的表面光滑，无缺损和突起，对模型进行修整，保留完整牙冠。用游标卡尺分别对每个前牙进行测量，并与王惠芸[6]的恒牙测量统计数据进行校正，选择符合中国人牙体测量平均数据的石膏模型牙。最后将其固定于CBCT扫描仪工作台上扫描，获得重建的二维断层图像，以DICOM格式存储。
1.2.2 模型三维重建 将扫描的标准牙齿模型的DICOM数据输入Mimics软件，重建出牙齿三维模型（图1），以STL（Standard Template Library）格式保存。
1.2.3 建立标准牙齿外形数据库 将标准牙三维模型作为提供修复体设计的模板保存于数据库中。进行模拟修复设计时，提取数据库中的标准牙数据作为构造修复体外表面的模板，可以缩短设计的时间，提高设计效率。
1.2.4 建立上颌前牙形态修复效果模拟修复系统 在Windows XP环境下，以3Ds Max三维动画设计软件为核心，MS SQL SERVER2000数据库为后台，前端应用程序使用Microsoft Visual C++6.0 编写，建立上颌前牙修复体外形的模拟修复系统。将数据库与3Ds Max软件连接，进行修复体外形的修改和设计（图2）。
1.3 临床应用
选择在南昌大学附属口腔医院修复科就诊的需要前牙美容修复的5例患者在治疗前运用本系统进行模拟修复，探讨模拟系统的应用效果。
2 结果
本研究建立的三维模拟修复系统的界面设计简单，操控方便简捷，便于临床医师操作使用。模拟修复的效果真实可靠，与最终临床修复效果非常接近，显著提高了患者的修复信心。
典型模拟修复病例：患者方某某，女，45岁，因“前牙牙列不齐”就诊。2月前已接受了完善的牙周治疗。专科检查：11、12、21、22唇向错位，11、21近中舌向扭转，11、12间及21、22间均存在2 mm间隙；上下前牙呈深覆、深覆盖。上前牙牙龈颜色正常，无牙结石，牙周探诊深度2～3 mm，牙无明显松动。全景片示：11、12、21、22牙槽骨吸收达根长的1/3。
治疗计划：患者牙周条件欠佳，为了调整咬合，分散上前牙力限制其移动，建议上前牙联冠修复。为了改善前牙美观效果，必须进行矫正性的牙体预备。对需要进行牙体长轴矫正的11、12、21、22进行根管治疗。
征得患者同意后，上下颌制取印模，灌注石膏模型。利用CBCT分别扫描上、下颌模型以及上下颌牙尖交错的咬合模型。将扫描得到的DICOM数据利用Mimics三维重建，以STL格式保存。三维重建的上下颌模型见图3。登录数据库，将患者的就诊信息和三维模型输入保存于计算机中，以便将来查询。
在数据库中选择患者拟修复牙相应的标准牙模型后直接点击“合并”按钮，就进入了三维动画编辑软件的界面中。为了提高模拟修复的效率，首先选择病例中的上颌模型，选择F3网格显示的快捷键将上颌模型网格化，选择“修改器可编辑多边形三角形面片编辑”用鼠标框选拟修复的临床牙冠沿颈缘去除（图4），然后在F5快捷键的操作命令下合并标准牙三维模型。
患者上前牙前突错位、有间隙，模拟设计时需诊断性排牙，内收前牙，尽量使覆、覆盖正常。将标准牙冠依次调入，根据缺隙近远中径、牙龈缘、牙弓弧度、咬合空间等修复实际情况将标准牙体模型通过移动、旋转、FFD修改器进行定位和调整。 最后精修，将破裂面在网格化编辑下修补、优化、平滑（图5）。
标准牙冠位置基本定位好后，将模拟修复后的3D效果图（图6A）与患者进行沟通，再根据患者的要求修改牙冠的外形，直到医患意见达到一致。患者可以从任意角度预览和观察修复后的美学效果。患者对预期效果图满意后，将其传递给技师，制作出美观、自然、符合患者个性特征的修复体（图6B）。
3 讨论
3.1 三维数据采集的方法
三维数据采集技术是三维重建技术工作的基础和前提。由于牙颌模型本身的不规则性和复杂性，获取数据时需要同时解决精度、完整获取模型信息、效率与过程自动化等问题。目前常用三维数据采集的方法有接触式测量法[7]、三维激光测量法[8]、层析三维测量法[9]、光栅投影测量法、计算机断层扫描法等。
计算机断层扫描法不受被测结构表面形状复杂性、材料性质和表面光滑程度的限制，现在被广泛用作获得3D数字外形的扫描工具。利用CT扫描数据建立三维数字模型已成为计算机辅助设计/计算机辅助制作、机体运动模拟以及生物力学研究中的重要方法。Tajima等[10]使用CT重建下颌磨牙的三维有限元模型，Pileicikiene等[11]使用螺旋CT建立正常颌骨及关节盘的三维有限元模型。Damstra等[12]利用CBCT三维重建下颌模型。
本研究利用CBCT来获取模型的三维数据，采用DICOM格式存取和传输CT数据，避免了信息丢失，实现了真正意义的计算机辅助建模[13]。将DICOM数据输入Mimics软件中采用三角面片无限逼近的方法直接重建三维表面形态。此法简化了建模中提取轮廓线的过程，大大缩短了建模的时间。
3.2 数据库结构
数据库总体的设计思想是用患者的信息数据库管理标准牙体数据库和后续的设计软件。本研究建立的数据库是一个通用的、开放的数据库，可以灵活地进行数据信息的录入、查询、增加、删除、修改等基本操作，可以将标准牙齿形态数据和任何一位患者相关联，减少了数据重复存储，实现了标准牙齿形态数据信息重复利用。患者信息数据库可以根据就诊患者的多少来扩充，标准牙齿形态数据也可以根据修复设计需要进行扩充。
3.3 三维动画设计软件
前牙修复的效果主要是以视觉评价为基础的，涉及大量的形态学问题。对于复杂空间关系的口腔来说，牙颌组织的三维图像比传统的二维图像能够更加全面真实地反映客观事物，为人们提供更多的信息。本系统用3Ds Max三维动画设计软件将修复体外形在计算机中用具体、形象、逼真的三维实体来直观展示给患者，弥补了以往简面图和枯燥文字叙述方式的不足。3Ds Max可在一个界面上打开多个视图窗口，任一窗口操作所产生的改变也会在其他窗口中显示。医生和患者可以同时从多个角度预览和观察修复体的外形。医患沟通时可以根据需要在计算机中随时调整修复体的外形，达到“椅旁”进行修改的功能。也可以制作成简单动画的方式向患者展示，利于患者准确地理解医生的设计方案和修复的效果。最后可以将模拟后的3D效果图交付技师作为制作修复体时的参考。此模拟修复系统很好地增加了医、患、技之间的沟通和交流，为制作出美观并符合患者个性特征的前牙修复体提供了一种有效的途径。
本研究初步建立的三维模拟修复系统的界面设计简单，操控方便简捷，不需要用户精通计算机方面的知识，便于临床医生操作使用。在今后的研究中，将朝着以下几个方向发展。1）智能化：实现标准牙体的精准自动定位，无需较多人工干预；2）精确化：能模拟实际动态的咬合过程，使最终的模拟修复效果更加符合现实口颌系统；3）逼真化：模拟真实修复体的色彩，并对修复区域相对应的颌面部软组织进行预测。
[参考文献]
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