基于生物牙形态进化模型的牙嵌体修复体曲面推理设计研究

The digitized design technology is promoting a revolution in dental diagnostic technology. On this background, through the close combination of digitized design technology and restorative dentistry, the theory of individualized dental inlay design is studied, while the method based on the biological tooth evolution model is presented. The main contents include four parts as follows:. (1) The basic principle of geometry description fot tooth morphology is researched and the morphological characters of occlusion are analyzed through the spectral clustering method in order to characterize the morphology with limited feature combination.. (2) The biological tooth evolution model is constructed. The occlusal morphology of a specific sample is decomposed gradually, making use of statistical and principal component analysis approach comprehensively. By making the statistics of longitudinal and transverse evolutionary relationships of biological tooth morphological characteristics, the model can be established dynamically.. (3) The auto-reasoning design method of the absent part of occlusal surface is studied. With the remaining character extraction of residual tooth suface, the progressive approximation design of for occlusal surface morphology is realized based on topology matching of limited key features in the biological tooth evolution model.. (4) The tolerance distribution for inlay design is researched. Depending on the combination of error simulation by stages and experiment test, the mathematical model of tolerance distribution based on design parameters is built.

数字化设计技术正推动着"牙科诊疗技术革命"。本课题在此背景下，将数字化设计技术与口腔医学修复紧密结合，对个性化口腔嵌体修复体设计理论展开研究，提出基于生物牙进化模型的口腔嵌体修复设计方法，主要内容包含：.（1）研究牙齿解剖形态几何描述的基本原理，对三维牙合曲面形态进行谱聚类特征分析，以期用有限特征组合表征牙齿解剖形态。.（2）建立生物牙进化模型，采用统计法与主成份分析法相结合对样本牙合面的形态进行渐进分解，归纳统计生物牙形态特征的"纵、横"向进化关系,并进行动态建模。.（3）研究牙合曲面缺失部分的自动推理设计方法，提取残留牙表面的残留特征，基于生物牙进化模型的有限主特征解剖形态拓扑匹配，实现牙合曲面形态自动化渐进逼近设计。.（4）研究嵌体修复体设计的容差分配，采用分阶段误差仿真与加工实验验证相结合，建立基于设计参数的容差分配数学模型。

嵌体修复技术是治疗龋齿、牙齿缺损等的主要治疗技术。随着人们对修复质量的要求不断的提高，快速设计出既需要满足生物形态也同时需要满足牙齿功能性要求的嵌体修复体是一项挑战性的工作。本课题以快速、高效口腔嵌体修复设计为目标需求，结合口腔修复学、牙体解剖学、计算机图形学、设计方法学等多个交叉学科的理论，基于生物进化统计建模为基础，开展了嵌体数字化修复建模、推理、设计的相关研究工作，主要的研究成果包含：.（1）针对以牙齿颌面咬合生物特征的变化规律，提出了一种可预测牙齿磨耗三维特征变化的生物牙特征进行建模方法。.（2）针对采集的临床患者样本，建立基于统计解剖形态特征的均值牙建模技术，为嵌体修复的曲面推理提供了有效的统计样本模型。.（3）针对嵌体洞缘线自适应提取的要求，提出了基于决策搜索的嵌体洞缘线自适应提取算法，用户可以在几秒钟内完成各类型的嵌体洞缘线提取。.（4）针对各类牙嵌体缺失情况，提出了基于拉普拉斯变形的牙嵌体缺失部分曲面自动推理技术，通过特征权重的设计，可以实现自动推理嵌体修复体缺失曲面。.（5）针对牙齿咬合面功能性适合关系，提出了基于变形驱动的虚拟咬合曲面自动调合算法，通过上下牙的干涉情况，实现自动调合。. 基于上述算法，本课题基于VS2008和OpenGL两个平台，自主研发了面向嵌体修复体设计的软件原型系统，实现近50例临床嵌体模型的设计实验，开展了10例三维打印嵌体修复体设计制作精度的评价实验，实验结果显示，设计制作误差小于0.05mm，满足临床使用的要求。本课题的研究与应用，将为我国自主研发口腔数字化建模设计系统，提供重要的技术探索，同时相关个性化建模算法也可以用于各类医学假体的数字化设计。