基于二维图片和三维光学扫描数据的口腔美学修复系统的研究

作     者：赵文杰 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柯永振;沙宏泉

授予年度：2020年

学科分类：1003[医学-口腔医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 100302[医学-口腔临床医学] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：美学修复 三维牙列模型 投影纹理映射 纹理融合 约束变形 

摘      要：随着经济的发展,人们在口腔医疗方面的关注点,已经从解决病痛向提高人们的生活质量改变。例如,对于患者而言,已经不仅仅满足于恢复基本的咀嚼功能,而是更加关注自己修复后的牙齿美感和容貌变化。而美学具有极强的主观性,传统的制作修复体的方法低效、烦琐,已无法满足需要。数字化技术的应用为患者个性化要求的实现提供了极大的可能性和便利性。文章研究了基于二维图片和三维光学扫描数据的口腔美学修复的方法,提出一种基于多特征2D-3D配准的半自动构建真实感牙齿模型的方法,将多张口内照精准映射到三维牙列模型上,获得带有真实图像纹理的牙列模型。首先使用光学扫描仪获得三维牙列模型,使用单反相机拍摄3张患者口内照,包括口腔内右侧位像、正位像和左侧位像。然后基于单张口内照上的点和局部轮廓特征,使用单目标优化算法计算口内照对应的相机投影姿态。接下来根据相机姿态进行初步投影纹理映射,找到纹理接缝位置,再基于图像金字塔,对纹理接缝两边的图像进行融合,最终消除三维牙模上的接缝,实现纹理融合。此外,文章还提出一种基于二维美齿特征线的牙齿形状美化方法,实现以二维美齿图像为约束,对三维牙列模型进行变形修复,从而获得美学修复后的三维牙列模型。首先拍摄患者正面微笑照片和口腔内正位像,并使用二维美齿系统设计出患者满意的牙齿图像,然后提取其中的牙齿轮廓线,并将该轮廓线的像素点坐标转换为三维空间中的顶点坐标。其次,获取待修复三维牙列模型的轮廓线。基于此轮廓,把待修复三维牙列模型划分为主动变形区、被动变形区和固定区。接下来,把美学修复后的二维牙齿轮廓线与待修复的三维牙齿模型轮廓线进行顶点配对,计算出主动变形区每一个顶点的目标位置坐标。然后,使用基于Laplace算子的网格变形算法,实现平滑变形。最后,对变形后的三维牙齿模型进行网格平滑处理,得到美学修复后的三维牙列模型。文章提出的基于多特征2D-3D配准的半自动构建真实感牙齿模型的方法,可以使用少量且简单的人工操作实现半自动构建真实感牙列模型,获得较好的仿真效果。未来在牙齿美学修复等口腔医疗辅助系统中,只需简单的人工操作,即可提高牙模的仿真效果。文章提出的基于二维美齿特征线的牙齿形状美化方法,使用二维美齿特征线,半自动实现了前牙美观缺陷的修复,获得美学修复牙模。通过3D打印技术打印出修复体,极大的提高医疗方案的实施效率,为患者个性化的美学修复需求提供可能。