应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究

平凡之烦

　　摘　要：目的：实现牙颌模型的精确三维测量信息贮存，为口腔修复体的激光近形制作和CAD/CAM奠定基础。方法：采用层析三维数字化仪，逐层铣出并扫描测量被测牙颌石膏模型的断面，经图象处理精确求出断面二维边缘轮廓数据，由断面边缘轮廓数据叠加重建牙颌模型。结果：获得了全牙列石膏模型断面边缘轮廓图和三维显示模型。结论：层析三维测量可对形状复杂的全牙列石膏模型进行精确、自动测量，避免了光学测量难以克服的测量盲区问题。
　　关键词：三维；测量；牙列；牙模型；轮廓
　　80年代开始,CAD/CAM技术被引入口腔修复领域,采用数控铣床制作修复体。由于加工方法采用失材铣削方式，存在如下问题：第一必须预制留有加工余量的机加工材料，在铣削过程中势必造成材料的浪费；第二受切削材料韧性和数据印模的限制，只能制作较小的修复体，如单冠、简单固定桥，应用范围很有限；第三，机加工材料质单一，或者为金属或者为陶瓷，不具备自动制作复合材料修复体的能力。激光近形制造技术是将激光涂覆和激光快速原型制造技术相结合的高新技术［1］，其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，即将三维信息转成一系列的二维信息，每片数据转成数控加工命令，控制送粉器采取同步送粉方式，在激光辐照的同时，用气体将材料粉末以一定角度吹入熔池使之熔化，将材料进行逐层堆积，最终形成三维零件。由于激光束具有高功率密度、方向性好、控制快捷等优点，从而使激光近形制造技术具有快速、准确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制。同时，金属材料在激光束的照射下所获得的优越组织性能又可保证零件具有优越的性能。316不锈钢和Inconel625镍基高温合金极限强度和屈服强度与相同材料的锻后时效件相比，前者提高了36%和85%，提高了11.6%和29.3%，其性能优于采用传统方法加工的零件［1］。无论是数控失材铣削还是增材制造方式，其前提是都要能准确、快速获取牙颌的数字化模型并依据模型进行计算机辅助设计。牙颌模型三维测量方法可分为光学非接触测量和机械接触式测量两类〔2〕。前者对于两牙之间狭窄的邻间隙，由于光线入射和反射角度的问题，存在测量盲区，很难测量到邻间隙正确的解剖形态〔3〕。迄今为止，国内外均未解决“基牙牙冠外形以及基牙周围容纳全冠垂直壁的缝隙结构”的光学印模这一难题，严重影响了口腔CAD/CAM系统的技术进步。因此，尝试新的计算机辅助制作和获取数据印模方法，成为急待解决的问题。本研究尝试应用一种全新的层析三维测量方法，在保证测量精度的同时，解决测量盲区问题，并为应用激光快速成型技术制作口腔修复体奠定基础。
　　1　材料和方法
　　1.1　实验设备和实验对象
　　采用CMS400层析三维数字化测量机（由青岛海信集团和西安交通大学激光与红外研究所共同研制）。该测量机系统包括：数控加工系统、扫描系统、计算机控制处理系统、软件处理系统四大部分（图1）。主要硬件设备有：数控机床（M7232S磨床改装）、平板扫描仪（A3）、计算机（PⅢ450以上）、真空/压力罐、夹具、随机附件等。

图1　系统关联图
　　1.2　测量过程
　　首先制作符合层析测量牙颌石膏模的测量模块。牙颌石膏模型用环氧树脂6101包裹，固化剂采用聚酰胺树脂。为增加对比度，在环氧树脂中均匀加入适量石墨粉或其他色素。测量模块制作完成后，用特制夹具固定在机床工作台上，开始层析测量。设断层厚度为0.1 mm，以该断层厚度铣去一层断面，获得下一层断面，用负压排屑装置清除待测断面的切屑，再用一高精度的平板扫描仪获取该断面的二维图象，设定扫描仪的光学分辨率为600 DPI。把二维图象送入计算机经图象处理，精确提取牙颌石膏模型断面边缘轮廓，贮存模型断面二维数据，完成一次测量循环。重复上述测量循环过程，直到整个牙颌模型测量完毕为止，用三维图象处理软件由断面二维数据重建牙颌模型的三维形态。最后，可将三维数据进行格式转换，符合标准的CAD/CAM格式（如 IGES、STL、DXF文件等）。
，