本文關鍵詞：構建3D打印牙齒模型及其形態(tài)仿真性研究

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【摘要】：一、研究背景口腔內科學是口腔醫(yī)學的一個重要組成部分,是一門綜合性、應用性、實踐性很強的學科。其操作具有很高的實踐操作技術要求,它需要口腔醫(yī)師良好的綜合素質和熟練的操作技能,豐富的操作經驗能顯著提高臨床操作水平。牙體解剖結構包括牙表面形態(tài)解剖結構和較為復雜的髓腔形態(tài)解剖結構特點等。髓腔解剖結構由于位于高度礦化的牙體內部,導致其具有不可直視性,使得髓腔的形態(tài)學研究較于對牙體表面形態(tài)結構的研究更為復雜。目前在口腔內科教學、操作模擬等方面,現階段多用離體牙進行操作練習來提高口腔內科操作技能,但由于離體牙來源限制、不可復制、交叉感染、倫理問題等原因而無法用于大規(guī)模操作培訓。樹脂牙、塑料塊,與真實牙齒解剖形態(tài)相差較大,仿真性較差,因此目前尚缺乏可用于大規(guī)模操作培訓且仿真度較高的離體牙替代模型。3D打印技術(Three-dimensional Printing)利用重建的三維數字模型并將其分割層狀,然后逐層堆積形成實體模型。其特點是精準、可成型復雜結構、個性化和批量生產�，F如今材料科學的快速發(fā)展已使個性化3D打印離體牙模型成為可能,國外學者通過錐形束CT(cone beam CT, CBCT)獲得復雜牙影像數據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計劃,但其形態(tài)仿真度較低不能較好的替代真實牙齒。由此可見,對于復雜細微的結構進行3D打印時,超高分辨率的影像數據尤為關鍵。顯微CT (micro-computedtomography,Micro-CT)因分辨率高、定位準確、重復性好等特性,近年來被廣泛應用于口腔醫(yī)學研究。其具有可從不同層面、方位和角度顯示牙表面解剖結構和牙髓腔復雜的形態(tài)特征、空間位置及毗鄰關系等優(yōu)勢。目前國內外已出現較多使用顯微CT進行口腔科學研究,然而使用顯微CT作為3D打印牙齒數字模型輸入數據來源尚未見報道。二、目的應用3D打印技術構建出可大批量復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和術前模擬等方面的應用前景。三、材料與方法1.主要設備ProJet 3510 HD 3D打印設備(3D System,美國)；DDP桌面型3D打印設備(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打印材料及設備的選擇比較多種國內外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,是可用于口腔修復牙冠修復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)軟件是一款機械工程設計軟件,應用該軟件設計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打印設計草圖,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驗光源,分別照射3種材料根管測試模型并用相機拍攝,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打印牙齒模型的構建分別用Latheta TM LCT-200、SCANCO μCT80機型顯微CT嘗試對離體牙進行掃描,前者設置掃描層厚為241μ,后者設置掃描層厚為36μ。對獲得的影像數據進行圖像分析,選擇獲得影像質量較高的機型應用于本研究。用選擇的機型對篩選出的離體牙進行顯微CT掃描,設置電壓為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。將影像數據導入三維重建軟件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。并根據根管成型能力測試結果,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,參考模型與測試模型對應點之間的距離越大,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,進行形態(tài)仿真性評估。四、結果1.根管成形能力測試結果設計并制造出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光照射實驗設計需求。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,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,且可進行三維旋轉。3.3D打印牙齒模型根據根管成形能力測試結果,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。結合3D打印技術成功獲得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準差來反應模型與原牙齒的真實差異,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種材料模型組內雙根管前磨牙模型與原牙齒的差異最小。五、結論本研究中采用了顯微CT結合三維重建技術構建出牙齒三維模型,不僅為3D打印牙齒模型提供了精確的三維數據,還可較為立體的展示牙齒表面解剖結構和髓腔解剖結構。3D打印技術在形態(tài)學方面具有較好的展現能力,能夠滿足構建復雜的內部三維結構模型的需求,結合該優(yōu)勢,本研究構建出3D打印牙齒模型來替代離體牙,不僅可以應用于牙體解剖結構的教學,還可用于臨床復雜病例的術前診斷和模擬手術。此外,還可用于口腔內科操作培訓,如臨床醫(yī)生窩洞充填術、根管治療術等技能培訓等。本研究應用Geomagic Qualify 11軟件對2種材料模型表面和髓腔形態(tài)進行了仿真性評估并得到結論：(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模型組標準誤差均值較小。說明,3D打印技術在成形表面形態(tài)的能力較髓腔形態(tài)強,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到0.2mm,本研究在預實驗中獲得的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,故需要對模型進行修飾后方能打印出牙齒模型。根管成形能力測試結果顯示Wic300a根管成形能力最強,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機型為自身粉末,ProJet 3510 HD機型則為白蠟�？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,機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。由于現階段3D打印整體水平及材料發(fā)展的限制,尚不能完美復制真實牙齒的髓腔形態(tài),但這個問題在不久的將來將隨著3D打印技術及材料的繼續(xù)發(fā)展而得到解決。
【關鍵詞】：3D打印 三維重建 形態(tài)仿真性 術前模擬 技能培訓
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R781;TP391.73
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 前言18-23
• 第一章 3D打印牙齒模型的構建23-41
• 1 引言23
• 2 材料與方法23-29
• 3 結果29-35
• 4 討論35-40
• 5 結論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 結果45-51
• 4 討論51-52
• 5 結論52-53
• 參考文獻53-60
• 全文總結60-61
• 中英文對照縮略詞表61-62
• 攻讀碩士學位期間成果62-63
• 致謝63-65

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 杜立彬,高曉輝,王昊,夏進軍;逆向工程各關鍵技術的研究進展[J];機械制造;2004年06期

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本文編號：800368