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牙頜模型專用激光三維掃描分析系統(tǒng)的研制及應用
牙頜模型專用激光三維掃描分析系統(tǒng)的研制及應用

牙頜模型專用激光三維掃描

        研制一種牙頜模型專用三維掃描高精度光學采集系統(tǒng)，并在微機上進行模型線距、面積、弧度、體積的測量及拔牙模擬、矯治效果預測、咬合關系動態(tài)模擬。

        方法：依據(jù)激光三角形測距原理設計專用激光掃描儀。采用單片機控制掃描系統(tǒng)， PC機接收單片機傳來的掃描數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應的三維坐標值。結果：研制出來的專用三維掃描儀能有效消除采集死區(qū)、精度達0.01mm。能成功對牙頜模型進行線距、弧長、面積、體積的測量以及拔牙模擬、治療效果預測、咬合關系的動態(tài)觀察。結論：該牙頜模型激光三維掃描分析系統(tǒng)能精確高效采集牙頜模型的立體形態(tài)，并可進行多指標的測量與模擬，也便于齒學資料的保存與觀察。
　　對牙頜模型進行測量分析，是正畸醫(yī)生進行牙頜畸形診斷并確定矯治計劃的前提。但迄今為止，這個工作主要靠徒手操作完成，費時、費力、精度不高，而且模型的儲存與管理花費大量的場地與人力。本文介紹利用激光對牙頜模型進行高精度立體信息采集，并在此基礎上進行儲存、觀察、測量分析及矯治結果預測、咬合關系模擬的方法。
1. 牙頜模型激光三維掃描原理
　　對牙頜模型進行激光三維逆向掃描，實質(zhì)是獲取模型上每一個點的空間三維坐標x、y、z值。已報道的三維信息提取方法有多種［1－3］，本研究所設計的牙頜模型三維信息提取方法的理論依據(jù)是激光三角測量法。

圖1　激光三角測距原理圖

　　圖1所示，當激光束照射到待測物體表面后，在其上形成漫反射光斑，光斑經(jīng)成像物鏡在CCD器件上成像。被測點與參考平面之間的距離d決定了CCD器件上像點P的位置。通過解讀出P的位置即可計算出待測距離d。
　　然而，由于牙頜結構本身的特殊性，即使使用三角形測量方法，也不可避免出現(xiàn)測量死區(qū)，導致測量不準確。文獻［3］描述的4種采集方式，均難于消除掃描盲區(qū)。文獻［1］描述的掃描方式雖然消除了掃描盲區(qū)，但結構復雜。能否根據(jù)牙頜模型的結構特點，找到一種簡潔而有效的掃描方式，是研究能否成功的關鍵。在分析牙頜模型的結構特點時，筆者發(fā)現(xiàn)如果用一個虛的圓環(huán)體嵌在牙頜模型上，模型上所有的牙齒都將被包容在圓環(huán)體內(nèi)，并且牙齒上的每一點，都可以從與該點對應的圓環(huán)體表面法線方向觀察到。因此，理想的掃描方式應該是沿圓環(huán)體表面進行，在掃描過程中，激光應始終垂直圓環(huán)體表面。

圖2　掃描系統(tǒng)結構圖

 

圖3　激光三維掃描幾何原理圖

　　O1： 底盤中心，O2： 豎盤中心，R： 兩盤中心O1O2的距離在底盤上的投影。
　　δx： 激光束與O1的距離在底盤上的投影。
　　δy： 激光束與O2的距離在既垂直于底盤又垂直于豎盤的平面上的投影。
　　d： 激光測距采樣結果，α：底盤旋轉(zhuǎn)角度，θ：豎盤旋轉(zhuǎn)角度（圖中未標出）。
　　其中，δx、δy為裝配誤差（設計值為零）
　　每一個采樣點的三維坐標（x,y,z）為：
　　
　　z＝d×cosα＋δx×sinα

　　針對牙頜模型的結構特點，所設計的掃描系統(tǒng)結構如圖2所示：水平放置的底盤由步進電機控制繞豎軸轉(zhuǎn)動。垂直于底盤的豎盤，其軸固定在底盤上，由步進電機控制繞水平軸轉(zhuǎn)動。兩盤的轉(zhuǎn)動軸相對固定，其水平距離R為前述圓環(huán)體的半徑。在豎盤正前方與豎盤軸心O2等高的位置放置激光源和CCD鏡頭。兩CCD鏡頭的光軸互相垂直且都與激光束成45°，它們與豎盤軸心O2在同一水平面。通過激光測距得到模型上每一點的三維坐標的幾何原理（見圖3）。
　　在牙頜模型激光三維掃描系統(tǒng)中，采用單片機作為掃描系統(tǒng)的控制中樞，通過控制電路來控制激光器的電源開關及兩個步進電機的轉(zhuǎn)動，并通過數(shù)據(jù)采集電路將數(shù)據(jù)采集到單片機。PC機在掃描過程中的作用是啟動掃描過程，接收單片機傳來的掃描數(shù)據(jù)，并將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應的三維坐標值。

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