本文關(guān)鍵詞：構(gòu)建3D打印牙齒模型及其形態(tài)仿真性研究

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【摘要】：一、研究背景口腔內(nèi)科學(xué)是口腔醫(yī)學(xué)的一個重要組成部分,是一門綜合性、應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。其操作具有很高的實(shí)踐操作技術(shù)要求,它需要口腔醫(yī)師良好的綜合素質(zhì)和熟練的操作技能,豐富的操作經(jīng)驗(yàn)?zāi)茱@著提高臨床操作水平。牙體解剖結(jié)構(gòu)包括牙表面形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)和較為復(fù)雜的髓腔形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。髓腔解剖結(jié)構(gòu)由于位于高度礦化的牙體內(nèi)部,導(dǎo)致其具有不可直視性,使得髓腔的形態(tài)學(xué)研究較于對牙體表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究更為復(fù)雜。目前在口腔內(nèi)科教學(xué)、操作模擬等方面,現(xiàn)階段多用離體牙進(jìn)行操作練習(xí)來提高口腔內(nèi)科操作技能,但由于離體牙來源限制、不可復(fù)制、交叉感染、倫理問題等原因而無法用于大規(guī)模操作培訓(xùn)。樹脂牙、塑料塊,與真實(shí)牙齒解剖形態(tài)相差較大,仿真性較差,因此目前尚缺乏可用于大規(guī)模操作培訓(xùn)且仿真度較高的離體牙替代模型。3D打印技術(shù)(Three-dimensional Printing)利用重建的三維數(shù)字模型并將其分割層狀,然后逐層堆積形成實(shí)體模型。其特點(diǎn)是精準(zhǔn)、可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個性化和批量生產(chǎn)�，F(xiàn)如今材料科學(xué)的快速發(fā)展已使個性化3D打印離體牙模型成為可能,國外學(xué)者通過錐形束CT(cone beam CT, CBCT)獲得復(fù)雜牙影像數(shù)據(jù)后快速成型制作出樹脂模型并將其用于模擬操作及制定手術(shù)計(jì)劃,但其形態(tài)仿真度較低不能較好的替代真實(shí)牙齒。由此可見,對于復(fù)雜細(xì)微的結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印時,超高分辨率的影像數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。顯微CT (micro-computedtomography,Micro-CT)因分辨率高、定位準(zhǔn)確、重復(fù)性好等特性,近年來被廣泛應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)研究。其具有可從不同層面、方位和角度顯示牙表面解剖結(jié)構(gòu)和牙髓腔復(fù)雜的形態(tài)特征、空間位置及毗鄰關(guān)系等優(yōu)勢。目前國內(nèi)外已出現(xiàn)較多使用顯微CT進(jìn)行口腔科學(xué)研究,然而使用顯微CT作為3D打印牙齒數(shù)字模型輸入數(shù)據(jù)來源尚未見報(bào)道。二、目的應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)建出可大批量復(fù)制的仿真牙齒模型以替代離體牙,并通過形態(tài)仿真性研究來探討3D打印牙齒模型在臨床操作培訓(xùn)和術(shù)前模擬等方面的應(yīng)用前景。三、材料與方法1.主要設(shè)備ProJet 3510 HD 3D打印設(shè)備(3D System,美國)；DDP桌面型3D打印設(shè)備(EnvisionTEC,德國)；SCANCO μCT80(SCANCO Medical AG,瑞士)；ProMax 3D(Planmeca,芬蘭)；Mimics 10.01軟件(Materialise,比利時)；Geomagic Studio 11軟件(Raindrop Geomagic,美國)；Geomagic Qualify11軟件(Raindrop Geomagic,美國)；SolidWorks2014軟件(Dassault Systemes S.A,美國)。2.方法2.1 3D打印材料及設(shè)備的選擇比較多種國內(nèi)外3D打印材料,篩選出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal三種材料作為本研究成型材料。E-Dent顏色與牙體顏色接近,具有較高的硬度及剛度,是可用于口腔修復(fù)牙冠修復(fù)3D打印的光固化樹脂,成形精度為100岬,Wic300a是價格較為低廉的工業(yè)樹脂,成形精度為25μm, E-Dent和Wic300a支撐材料均為自身粉末,適配機(jī)型為DDP (EnvisionTEC公司,德國)。VisiJet Crystal,材料為透明樹脂,是較為常見且性能穩(wěn)定的快速成型材料,成形精度為16岬,支撐材料為石蠟,適配機(jī)型為ProJet 3510 HD(3D System公司,美國)。2.2材料根管成型能力測試SolidWorks 2014 (Dassault Systemes S.A公司,美國)軟件是一款機(jī)械工程設(shè)計(jì)軟件,應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)根管成型測試模型草圖,根管直徑從小至大分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm(圖1)。用Wic300a、E-Dent和Visijet Crystal三種材料3D打印設(shè)計(jì)草圖,獲得根管測試模型。用8個3V LED燈泡改裝并接通變壓器制造實(shí)驗(yàn)光源,分別照射3種材料根管測試模型并用相機(jī)拍攝,觀察各直徑管腔是否成形,確定各材料成形根管的最小直徑。2.3離體牙的處理及篩選選擇因牙周病拔除的外形良好、無齲、無缺損的離體牙,用10%甲醛浸泡處理離體牙,去除周圍牙槽骨、牙周膜和牙石,用ProMax 3D_CBCT (Planmeca公司,芬蘭)拍攝并篩選出具有代表性的單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙各1顆。2.43D打印牙齒模型的構(gòu)建分別用Latheta TM LCT-200、SCANCO μCT80機(jī)型顯微CT嘗試對離體牙進(jìn)行掃描,前者設(shè)置掃描層厚為241μ,后者設(shè)置掃描層厚為36μ。對獲得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析,選擇獲得影像質(zhì)量較高的機(jī)型應(yīng)用于本研究。用選擇的機(jī)型對篩選出的離體牙進(jìn)行顯微CT掃描,設(shè)置電壓為70kV,電g流114gA,分辨率為1024像素×1024像素,以36μm的層距掃描牙體全長。將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics 10.01軟件(Materialise公司,比利時),建立單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的牙齒三維模型。并根據(jù)根管成型能力測試結(jié)果,修飾離體牙三維模型使得模型根管直徑最狹窄處與測試結(jié)果可成形根管最小直徑一致,以STL格式保存。用不同材料對4種類型牙齒STL模型進(jìn)行3D打印,獲得3D打印牙齒模型,分別與原牙齒比較外觀并選出兩種材料進(jìn)行形態(tài)仿真性評估。2.5 3D打印牙齒模型形態(tài)仿真性評估對3D打印牙齒模型進(jìn)行二次顯微CT掃描成像,重建出3D打印模型的三維模型,并分離為表面形態(tài)三維模型和髓腔形態(tài)三維模型。利用Geomagic Qualify11軟件(Raindrop Geomagic公司,美國)從表面形態(tài)和髓腔形態(tài)兩方面選取3D打印模型三維模型與原牙齒三維模型做兩兩最佳擬合配準(zhǔn),參考模型與測試模型對應(yīng)點(diǎn)之間的距離越大,反映兩個模型在該處的差異越大,差異的幅度可以在配準(zhǔn)差異分布圖上通過不同的顏色顯示出來。通過檢測3D打印牙齒模型與原牙齒的差異來分析不同材料3D打印牙齒模型的精確度,進(jìn)行形態(tài)仿真性評估。四、結(jié)果1.根管成形能力測試結(jié)果設(shè)計(jì)并制造出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal三種材料的3D打印根管成形測試模型,能滿足LED光照射實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求。分析并比較拍攝的圖像,光束通過Wic300a測試模型的最小直徑為0.4mm; E-Dent測試模型的最小直徑為0.6mm, Visijet Crystal,測試模型為0.8mm。 Wic300a根管成形能力最強(qiáng),其次是E-Dent,最差是Visijet Crystal。2. 獲得離體牙和3D打印模型三維模型成功建立單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的三維模型,模型透明化處理后表面形態(tài)和髓腔形態(tài)顯示清晰直觀,連續(xù)性好,且可進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)。3.3D打印牙齒模型根據(jù)根管成形能力測試結(jié)果,對三維模型修飾使根管最窄處為0.6mm,獲得最終離體牙三維模型。結(jié)合3D打印技術(shù)成功獲得E-Dent、Wic300a、Visijet Crystal的單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的3D打印牙齒模型,模型1：1還原離體牙三維模型。在自然光線下,直觀上形態(tài)均與真實(shí)牙齒十分接近,效果逼真,E-Dent模型在顏色及美觀性方面更接近離體牙。Visijet Crystal模型根尖被白蠟堵塞,不選用該材料模型進(jìn)行形態(tài)逆向校核比較。4.3D打印牙齒模型形態(tài)精度分析通過絕對偏差的均值與標(biāo)準(zhǔn)差來反應(yīng)模型與原牙齒的真實(shí)差異,3D打印牙齒模型表面形態(tài)上,Wic300a模型組差異為(0.008121±0.0480)mm。E-Dent模型組為(0.009554±0.0526)mm。Wic300a模型組的差異小于E-Dent模型組。兩種材料模型組內(nèi)三根管磨牙模型與原牙齒的差異最大。3D打印牙齒模型髓腔形態(tài)上,Wic300a模型組差異為(0.045181±0.1022) mm, E-Dent模型組差異為(0.056953±0.1995)mm。2種材料模型組內(nèi)雙根管前磨牙模型與原牙齒的差異最小。五、結(jié)論本研究中采用了顯微CT結(jié)合三維重建技術(shù)構(gòu)建出牙齒三維模型,不僅為3D打印牙齒模型提供了精確的三維數(shù)據(jù),還可較為立體的展示牙齒表面解剖結(jié)構(gòu)和髓腔解剖結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)在形態(tài)學(xué)方面具有較好的展現(xiàn)能力,能夠滿足構(gòu)建復(fù)雜的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)模型的需求,結(jié)合該優(yōu)勢,本研究構(gòu)建出3D打印牙齒模型來替代離體牙,不僅可以應(yīng)用于牙體解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué),還可用于臨床復(fù)雜病例的術(shù)前診斷和模擬手術(shù)。此外,還可用于口腔內(nèi)科操作培訓(xùn),如臨床醫(yī)生窩洞充填術(shù)、根管治療術(shù)等技能培訓(xùn)等。本研究應(yīng)用Geomagic Qualify 11軟件對2種材料模型表面和髓腔形態(tài)進(jìn)行了仿真性評估并得到結(jié)論：(1)牙齒模型表面形態(tài)上,2種材料模型組與離體牙一致性較好,且同類型牙齒2種材料模型組無明顯差異。(2)髓腔形態(tài)方面,Wic300a模型組的一致性尚可,但E-Dent模型組一致性較差,同類型牙齒2種材料模型組差異明顯。(3) Wic300a模型組標(biāo)準(zhǔn)誤差均值較小。說明,3D打印技術(shù)在成形表面形態(tài)的能力較髓腔形態(tài)強(qiáng),Wic300a在成形髓腔形態(tài)上較E-Dent更有優(yōu)勢,但E-Dent顏色外觀更接近真實(shí)牙齒,2種材料3D打印牙齒模型各有優(yōu)勢。然而3D打印牙模型在現(xiàn)階段依然存在一定的缺陷及不足。由于牙齒根尖孔直徑可達(dá)到0.2mm,本研究在預(yù)實(shí)驗(yàn)中獲得的3D打印牙齒模型根管較不通暢,Visijet Crystal 3D打印牙齒模型根尖孔封閉,Wic300a和E-Dent均在根尖1/3段堵塞,故需要對模型進(jìn)行修飾后方能打印出牙齒模型。根管成形能力測試結(jié)果顯示W(wǎng)ic300a根管成形能力最強(qiáng),其次是E-Dent,最差是Visijet Crystal,三種材料精度分別為25μm、100μm、16μm,支撐材料DDP機(jī)型為自身粉末,ProJet 3510 HD機(jī)型則為白蠟�？梢酝茰y,根管成形能力,與打印材料的精度和支撐材料去除難易有關(guān),機(jī)器精度越高且支撐材料越容易去除,則根管成形能力越好,反之,則根管成形能力越差。由于現(xiàn)階段3D打印整體水平及材料發(fā)展的限制,尚不能完美復(fù)制真實(shí)牙齒的髓腔形態(tài),但這個問題在不久的將來將隨著3D打印技術(shù)及材料的繼續(xù)發(fā)展而得到解決。
【關(guān)鍵詞】：3D打印 三維重建 形態(tài)仿真性 術(shù)前模擬 技能培訓(xùn)
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R781;TP391.73
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 前言18-23
• 第一章 3D打印牙齒模型的構(gòu)建23-41
• 1 引言23
• 2 材料與方法23-29
• 3 結(jié)果29-35
• 4 討論35-40
• 5 結(jié)論40-41
• 第二章 3D打印牙齒模型形態(tài)仿真性評估41-53
• 1 引言41-43
• 2 材料與方法43-45
• 3 結(jié)果45-51
• 4 討論51-52
• 5 結(jié)論52-53
• 參考文獻(xiàn)53-60
• 全文總結(jié)60-61
• 中英文對照縮略詞表61-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果62-63
• 致謝63-65

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 杜立彬,高曉輝,王昊,夏進(jìn)軍;逆向工程各關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展[J];機(jī)械制造;2004年06期

，

本文編號：800368