人类恒牙的计算机三维建模

　　【摘要】　目的　牙体解剖学是口腔医学教育中一门主要的基础课程，对牙体形态的了解对于口腔内科、外科、正畸、修复等各专业都有重要的临床意义。方法　本研究将取自一个颅骨标本的32颗恒牙，通过包埋、磨切、摄影、扫描输入、模式识别等环节分解为单值二维数据，然后以计算机三维重建技术将二维数据组合成三维立体牙齿数学模型。结果　在这个模型基础上利用计算机图象图形学技术实现真实感的三维牙齿模型。结论　该数据牙模型为口腔医学计算机辅助教学提供了基本工具。

　　【关键词】　解剖学，牙　　计算机三维重建　　计算机辅助教学

　　牙齿的解剖形态和生理功能是口腔医学的重要基础知识。从每一牙齿形态特点到牙列及由上下牙列咬合接触所构成的各种关系，构成了口腔解剖生理学的一个主要组成部分［1］。在以往的教学中，通过文字描述辅以模型、图片等手段，难以使初涉口腔医学专业者很快地掌握这部分知识的要领。

　　数年前，美国科罗拉多大学曾将一具成年男性尸体以1 mm层厚分解成1 800个断面图象，输入计算机后生成一个150亿字节的人体数据模型即著名的“数字化亚当(digital Adam)”。该模型可被反复地切开、剥离，形成不同方向的断面，以便熟悉人体解剖结构。结合计算机虚拟现实(virtual reality)技术，可望在临床医院中利用这一模型进行教学模拟手术，以便在复杂病例术前提供宝贵的演练机会［2，3］。口腔医学因其专业特点，对“数字化亚当”以1 mm层厚所建立模型的精度不能满意。同时，在许多情况下口腔医师是以牙齿为单位实施治疗，因此，需要建立一个以每个牙为独立单位，又能依牙列解剖生理特点组合成弓形并重现上下牙列间咬合关系的三维模型。这样的工作国内外迄今尚未见报道。

材料和方法

　　一、颅骨模型的选择

　　本研究所选用的颅骨标本取自一男性青年，牙列完整，牙弓形状基本对称、正常，关系正常，面轻度磨耗。

　　二、牙齿断层磨面图象的采集

　　1.牙齿的包埋：为每一牙齿制作一个圆筒状包埋卡具，每颗牙齿从根尖孔高压注入酚醛树脂以标示髓腔根管边界后，将加碳黑的环氧树脂从卡具封闭端的小孔中注入，待其硬固。

　　2.用数控磨床将包埋成整体的卡具和牙齿以200 μm的层厚磨除，显现：①牙齿硬组织的唇颊-舌向断面(白色)。②牙髓腔根管的唇颊-舌向断面(黑色)。③两根标志杆的圆形断面(银白色)。

　　3.用相机逐一拍摄每一磨面，取得1 363张清晰的黑白胶片图象。

　　4.用一台LS-3500尼康胶片扫描仪将通过上述方法摄得的胶片逐一输入计算机，为每帧图象建立一个数据文件(图1)。

图1　拍摄牙齿颊舌剖面的照片(左)，经LS-3500扫描仪输入计算机后，建立二维图象数据文件(右)

　　三、牙齿三维数据模型的建立

　　1.图象数据的转换：将扫描仪专用的图象数据格式转换成Windows标准图象格式Bitmap(BMP)，以便识别程序的进一步处理。

　　2.识别过程中的人工干预处理：由口腔医学专家用不同颜色的点分别勾画每一磨面上显示的牙体外轮廓、内(髓腔)轮廓及定位标志点。这些彩点将有助于模式识别程序将牙齿的内、外轮廓分别定义为数学上的矢量圈。

　　3.三维重建：通过矢量叠加的算法实现三维重建。叠加的层厚即磨除的层厚(200 μm)，叠加时利用标志杆对层间位置和缩放比例实现校对和标准化，经过标准化的矢量坐标进行叠加后，即构成完整的三维牙网格模型(图2左)。

　　4.真实感三维牙齿模型：设置牙齿模拟材料数据及至少一个光源的位置和属性后，即可在屏幕上显示有真实感的三维牙齿(图2右)。

 

左　通过矢量叠加构成三维数据牙网格模型　　　　　　

右　通过计算机图象技术处理显示的真实感三维牙齿模型

　　图2　计算机三维牙齿模型的建立

　　上述工作均是在Pentium 150型计算机及Windows NT平台上实现的。同时还利用Open GL软件包所提供的各种三维立体图形显示灯光，材料模拟以及各种几何变形、识别、剪裁等功能［4］。