三維重建技術研究及對口腔正畸矯正模擬

董文杰 孫 越 趙 磊

三維重建技術研究及對口腔正畸矯正模擬

董文杰 孫 越 趙 磊

本文重點闡述三維重建技術研究及對口腔正畸矯正模擬。對三維重建的過程、表面繪制方法以及體繪制方法等進行分析，采用OpenGL以及Visual C++等工具，從而實現對患者牙齒的三維重建，同時利用所重建的三維模型進行相關的旋轉以及平移操作，獲得滿意的三維重建模型后，為患者提供正畸診斷以及治療方案。

三維重建；技術；口腔；正畸矯正；模擬

目前隨著可視化技術的不斷進步以及影像學設備的研發，將患者顱頜面部組織解剖結構進行精確重建也不再是難題[1]。通過重建模型能夠讓操作者更加直觀地了解到患者的實際功能活動情況。同時隨著對生物力學的研究[2]，使得重建技術能夠更加系統地表達牙齒以及軟組織同骨的力學關系和牙槽骨的改建[3]，對患者治療效果進行全面評估。本文將重點闡述三維重建技術研究及對口腔正畸矯正模擬，現報道如下。

1 三維重建技術

醫學體數據是基于網格的標量數，在繪制過程中通過對數據進行描述，可以將三維可視化方法分為3類，即混合繪制法、體繪制方法以及表面繪制方法。

表面繪制是指通過三維空間數據場產生不同的幾何圖元，再利用計算機對畫面進行繪制，將得到的幾何單元拼接出擬合對象的表面，從而對擬合物體的三維結構進行全方位描述；表面繪制將充分利用到傳統圖形學以及相關硬件，對二維圖像進行提取。表面繪制可獲得清晰、完整的圖像，通過圖形硬件進一步提升模型的繪制速度，缺點是無法將數據中的信息完全反映。

體繪制方法能夠直接對所有的體數據進行明暗處理，不必對幾何圖元進行構造，同時可在屏幕顯示二維圖像。體繪制方法不用對其進行分割便能夠直接進行繪制，可對繪制圖像的細節信息進行全面保存。除此之外，體繪制方法可繪制出更高質量的圖像。其缺點則是需要對所有體素進行處理，進一步加大了計算機計算量，且無法通過硬件設置完成繪制，因而使圖像的繪制速度大大降低。

混合繪制包含兩種，其一是將體素集合通過幾何多邊形顯示出來；其二是采用體繪制方法繪制出多個或單個表面。前者通常顯示不規則網格體數據，若是對于有規則性的網格體數據，則需先將數據進行分解，在對其進行掃描后轉換至相對抽象的空間中，再對不透明度以及顏色進行計算，最后合成圖像。

2 三維重建口腔正畸牙齒模型

通過輔助系統以及計算機輔助設計（CAD）形成標準模板庫（STL）文件樣本實體，再將其轉換成STL格式文件，STL文件樣本模型是通過快速成型制造系統完成的，通過樣本模型生成切片，產生出模型樣件。對于STL文件以及CAD系統來講，自身也存在一定問題和缺陷，在對其進行轉換的同時若操作不當同樣會導致錯誤情況發生。因此，STL文件構造的實體同樣也會發生各種問題，使模型出現失真的情況。有文獻曾報道，近14%從CAD到STL的文件均會出現不同程度的失真[4]。當滿足各種條件后，轉換后所得到的STL文件將會是一個清晰、邊界封閉且拓撲關系一致的模型。但大多數情況下，STL文件或多或少都存在一些缺陷或問題。

通過研究后能夠發現 STL給出了一種數據結構，該結構是通過對三角面片鄰接表以及頂點鄰接表而得到的。鄰接表中儲存著點以及面的索引號，進而提升了查找效率，使存儲空間得到節約。通過該種方法能夠使其在 OpenGL下迅速完成三維重建，且重建速度較快。此方法可廣泛應用于口腔正畸的開發。

3 討論

本文主要對三維重建的相關知識進行了闡述，且對不同繪制方法的優缺點以及適用情況進行了探討和分析。同時結合STL文件格式的相關特點，提出了拓撲結構的重建方法，通過合理的數據結構，儲存三角形面片頂點、邊以及由此構成的面，同時也濾除了文件中冗余的數據，從而有效增加了儲存空間，進一步實現了對此類信息的快速索引。在滿足查找條件的同時，也為今后的處理工作創造了有利條件[5]。

可將三角面片網格轉化成為B樣條曲面，從而顯示出更加逼真的效果。從口腔正畸三角網格模型特點出發，研發出了適用于B樣條曲面的擬合算法。通過相關的計算步驟，可對三角網格進行計算插值數據，計算出B樣條曲面。B樣條曲面擬合算法具有較高的自動化程度，同時也具備更強的拓撲適應性，進而能夠生成更好的高質量樣條曲面，使其更加符合臨床相關要求[6]。

以擬合曲面為基礎，可設計針對口腔正畸治療的相關模擬，驗證模型的實用性。通過OpenGL以及相關軟件完成正畸治療的三維模擬，使臨床醫師能夠制訂更加準確的治療方案，同時也利于患者對整個治療過程的了解。

[1] 顧百利.三維重建技術研究及對口腔正畸矯正模擬[D].哈爾濱理工大學,2011.

[2] 楊玲.口腔圖像三維重建系統關鍵技術研究[D].電子科技大學,2012.

[3] 鄧鋒.口腔正畸微植體支抗技術的生物力學研究[D].四川大學,2013.

[4] 姜金玲,何玉宏,黃迪炎.三維CT精確重建顱頜面部組織的形態學特征[J].中國組織工程研究與臨床康復,2011,13(2):2442-2445.

[5] 口腔頜面外科學.中華口腔醫學會全球華人口腔醫學大會暨2010中國國際口腔醫學大會論文匯編[C].中華口腔醫學會, 2010:52-52.

[6] 李章一.動態三維影像處理在口腔頜面外科的臨床研究[D].天津醫科大學,2012.

Studies of Three-dimensional Reconstruction Techniques and Orthodontic Correction Simulation

Dong Wenjie Sun Yue Zhao Lei

This article focuses on the research on the technology of 3D reconstruction and Simulation of orthodontic correction.The 3D reconstruction process,surface rendering and volume rendering methods were analyzed,using OpenGL and Visual tools such as C++,so as to realize the 3D reconstruction for patients with teeth,with 3D model reconstruction were related to rotation and translation operation model of 3D reconstruction,a satisfactory,provide orthodontic diagnosis and treatment for patients.

3D reconstruction;Technology;Oral;Orthodontics;Simulation

R783.5;TP317.4

A

1673-5846(2015)04-0181-02

牡丹江醫學院附屬第二醫院，黑龍江牡丹江 157000