构建3D打印牙齿模型及其形态仿真性研究

发布时间：2017-09-05 21:54

  本文关键词：构建3D打印牙齿模型及其形态仿真性研究

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【摘要】：一、研究背景口腔内科学是口腔医学的一个重要组成部分,是一门综合性、应用性、实践性很强的学科。其操作具有很高的实践操作技术要求,它需要口腔医师良好的综合素质和熟练的操作技能,丰富的操作经验能显著提高临床操作水平。牙体解剖结构包括牙表面形态解剖结构和较为复杂的髓腔形态解剖结构特点等。髓腔解剖结构由于位于高度矿化的牙体内部,导致其具有不可直视性,使得髓腔的形态学研究较于对牙体表面形态结构的研究更为复杂。目前在口腔内科教学、操作模拟等方面,现阶段多用离体牙进行操作练习来提高口腔内科操作技能,但由于离体牙来源限制、不可复制、交叉感染、伦理问题等原因而无法用于大规模操作培训。树脂牙、塑料块,与真实牙齿解剖形态相差较大,仿真性较差,因此目前尚缺乏可用于大规模操作培训且仿真度较高的离体牙替代模型。3D打印技术(Three-dimensional Printing)利用重建的三维数字模型并将其分割层状,然后逐层堆积形成实体模型。其特点是精准、可成型复杂结构、个性化和批量生产。现如今材料科学的快速发展已使个性化3D打印离体牙模型成为可能,国外学者通过锥形束CT(cone beam CT, CBCT)获得复杂牙影像数据后快速成型制作出树脂模型并将其用于模拟操作及制定手术计划,但其形态仿真度较低不能较好的替代真实牙齿。由此可见,对于复杂细微的结构进行3D打印时,超高分辨率的影像数据尤为关键。显微CT (micro-computedtomography,Micro-CT)因分辨率高、定位准确、重复性好等特性,近年来被广泛应用于口腔医学研究。其具有可从不同层面、方位和角度显示牙表面解剖结构和牙髓腔复杂的形态特征、空间位置及毗邻关系等优势。目前国内外已出现较多使用显微CT进行口腔科学研究,然而使用显微CT作为3D打印牙齿数字模型输入数据来源尚未见报道。二、目的应用3D打印技术构建出可大批量复制的仿真牙齿模型以替代离体牙,并通过形态仿真性研究来探讨3D打印牙齿模型在临床操作培训和术前模拟等方面的应用前景。三、材料与方法1.主要设备ProJet 3510 HD 3D打印设备(3D System,美国)；DDP桌面型3D打印设备(EnvisionTEC,德国)；SCANCO μCT80(SCANCO Medical AG,瑞士)；ProMax 3D(Planmeca,芬兰)；Mimics 10.01软件(Materialise,比利时)；Geomagic Studio 11软件(Raindrop Geomagic,美国)；Geomagic Qualify11软件(Raindrop Geomagic,美国)；SolidWorks2014软件(Dassault Systemes S.A,美国)。2.方法2.1 3D打印材料及设备的选择比较多种国内外3D打印材料,筛选出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal三种材料作为本研究成型材料。E-Dent颜色与牙体颜色接近,具有较高的硬度及刚度,是可用于口腔修复牙冠修复3D打印的光固化树脂,成形精度为100岬,Wic300a是价格较为低廉的工业树脂,成形精度为25μm, E-Dent和Wic300a支撑材料均为自身粉末,适配机型为DDP (EnvisionTEC公司,德国)。VisiJet Crystal,材料为透明树脂,是较为常见且性能稳定的快速成型材料,成形精度为16岬,支撑材料为石蜡,适配机型为ProJet 3510 HD(3D System公司,美国)。2.2材料根管成型能力测试SolidWorks 2014 (Dassault Systemes S.A公司,美国)软件是一款机械工程设计软件,应用该软件设计根管成型测试模型草图,根管直径从小至大分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm(图1)。用Wic300a、E-Dent和Visijet Crystal三种材料3D打印设计草图,获得根管测试模型。用8个3V LED灯泡改装并接通变压器制造实验光源,分别照射3种材料根管测试模型并用相机拍摄,观察各直径管腔是否成形,确定各材料成形根管的最小直径。2.3离体牙的处理及筛选选择因牙周病拔除的外形良好、无龋、无缺损的离体牙,用10%甲醛浸泡处理离体牙,去除周围牙槽骨、牙周膜和牙石,用ProMax 3D_CBCT (Planmeca公司,芬兰)拍摄并筛选出具有代表性的单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙各1颗。2.43D打印牙齿模型的构建分别用Latheta TM LCT-200、SCANCO μCT80机型显微CT尝试对离体牙进行扫描,前者设置扫描层厚为241μ,后者设置扫描层厚为36μ。对获得的影像数据进行图像分析,选择获得影像质量较高的机型应用于本研究。用选择的机型对筛选出的离体牙进行显微CT扫描,设置电压为70kV,电g流114gA,分辨率为1024像素×1024像素,以36μm的层距扫描牙体全长。将影像数据导入三维重建软件Mimics 10.01软件(Materialise公司,比利时),建立单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的牙齿三维模型。并根据根管成型能力测试结果,修饰离体牙三维模型使得模型根管直径最狭窄处与测试结果可成形根管最小直径一致,以STL格式保存。用不同材料对4种类型牙齿STL模型进行3D打印,获得3D打印牙齿模型,分别与原牙齿比较外观并选出两种材料进行形态仿真性评估。2.5 3D打印牙齿模型形态仿真性评估对3D打印牙齿模型进行二次显微CT扫描成像,重建出3D打印模型的三维模型,并分离为表面形态三维模型和髓腔形态三维模型。利用Geomagic Qualify11软件(Raindrop Geomagic公司,美国)从表面形态和髓腔形态两方面选取3D打印模型三维模型与原牙齿三维模型做两两最佳拟合配准,参考模型与测试模型对应点之间的距离越大,反映两个模型在该处的差异越大,差异的幅度可以在配准差异分布图上通过不同的颜色显示出来。通过检测3D打印牙齿模型与原牙齿的差异来分析不同材料3D打印牙齿模型的精确度,进行形态仿真性评估。四、结果1.根管成形能力测试结果设计并制造出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal三种材料的3D打印根管成形测试模型,能满足LED光照射实验设计需求。分析并比较拍摄的图像,光束通过Wic300a测试模型的最小直径为0.4mm; E-Dent测试模型的最小直径为0.6mm, Visijet Crystal,测试模型为0.8mm。 Wic300a根管成形能力最强,其次是E-Dent,最差是Visijet Crystal。2. 获得离体牙和3D打印模型三维模型成功建立单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的三维模型,模型透明化处理后表面形态和髓腔形态显示清晰直观,连续性好,且可进行三维旋转。3.3D打印牙齿模型根据根管成形能力测试结果,对三维模型修饰使根管最窄处为0.6mm,获得最终离体牙三维模型。结合3D打印技术成功获得E-Dent、Wic300a、Visijet Crystal的单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的3D打印牙齿模型,模型1：1还原离体牙三维模型。在自然光线下,直观上形态均与真实牙齿十分接近,效果逼真,E-Dent模型在颜色及美观性方面更接近离体牙。Visijet Crystal模型根尖被白蜡堵塞,不选用该材料模型进行形态逆向校核比较。4.3D打印牙齿模型形态精度分析通过绝对偏差的均值与标准差来反应模型与原牙齿的真实差异,3D打印牙齿模型表面形态上,Wic300a模型组差异为(0.008121±0.0480)mm。E-Dent模型组为(0.009554±0.0526)mm。Wic300a模型组的差异小于E-Dent模型组。两种材料模型组内三根管磨牙模型与原牙齿的差异最大。3D打印牙齿模型髓腔形态上,Wic300a模型组差异为(0.045181±0.1022) mm, E-Dent模型组差异为(0.056953±0.1995)mm。2种材料模型组内双根管前磨牙模型与原牙齿的差异最小。五、结论本研究中采用了显微CT结合三维重建技术构建出牙齿三维模型,不仅为3D打印牙齿模型提供了精确的三维数据,还可较为立体的展示牙齿表面解剖结构和髓腔解剖结构。3D打印技术在形态学方面具有较好的展现能力,能够满足构建复杂的内部三维结构模型的需求,结合该优势,本研究构建出3D打印牙齿模型来替代离体牙,不仅可以应用于牙体解剖结构的教学,还可用于临床复杂病例的术前诊断和模拟手术。此外,还可用于口腔内科操作培训,如临床医生窝洞充填术、根管治疗术等技能培训等。本研究应用Geomagic Qualify 11软件对2种材料模型表面和髓腔形态进行了仿真性评估并得到结论：(1)牙齿模型表面形态上,2种材料模型组与离体牙一致性较好,且同类型牙齿2种材料模型组无明显差异。(2)髓腔形态方面,Wic300a模型组的一致性尚可,但E-Dent模型组一致性较差,同类型牙齿2种材料模型组差异明显。(3) Wic300a模型组标准误差均值较小。说明,3D打印技术在成形表面形态的能力较髓腔形态强,Wic300a在成形髓腔形态上较E-Dent更有优势,但E-Dent颜色外观更接近真实牙齿,2种材料3D打印牙齿模型各有优势。然而3D打印牙模型在现阶段依然存在一定的缺陷及不足。由于牙齿根尖孔直径可达到0.2mm,本研究在预实验中获得的3D打印牙齿模型根管较不通畅,Visijet Crystal 3D打印牙齿模型根尖孔封闭,Wic300a和E-Dent均在根尖1/3段堵塞,故需要对模型进行修饰后方能打印出牙齿模型。根管成形能力测试结果显示Wic300a根管成形能力最强,其次是E-Dent,最差是Visijet Crystal,三种材料精度分别为25μm、100μm、16μm,支撑材料DDP机型为自身粉末,ProJet 3510 HD机型则为白蜡。可以推测,根管成形能力,与打印材料的精度和支撑材料去除难易有关,机器精度越高且支撑材料越容易去除,则根管成形能力越好,反之,则根管成形能力越差。由于现阶段3D打印整体水平及材料发展的限制,尚不能完美复制真实牙齿的髓腔形态,但这个问题在不久的将来将随着3D打印技术及材料的继续发展而得到解决。
【关键词】：3D打印 三维重建 形态仿真性 术前模拟 技能培训
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R781;TP391.73
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 前言18-23
• 第一章 3D打印牙齿模型的构建23-41
• 1 引言23
• 2 材料与方法23-29
• 3 结果29-35
• 4 讨论35-40
• 5 结论40-41
• 第二章 3D打印牙齿模型形态仿真性评估41-53
• 1 引言41-43
• 2 材料与方法43-45
• 3 结果45-51
• 4 讨论51-52
• 5 结论52-53
• 参考文献53-60
• 全文总结60-61
• 中英文对照缩略词表61-62
• 攻读硕士学位期间成果62-63
• 致谢63-65

【参考文献】

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1 杜立彬,高晓辉,王昊,夏进军;逆向工程各关键技术的研究进展[J];机械制造;2004年06期

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本文编号：800368