三维重建技术研究及对口腔正畸矫正模拟

董文杰 孙 越 赵 磊

三维重建技术研究及对口腔正畸矫正模拟

董文杰 孙 越 赵 磊

本文重点阐述三维重建技术研究及对口腔正畸矫正模拟。对三维重建的过程、表面绘制方法以及体绘制方法等进行分析，采用OpenGL以及Visual C++等工具，从而实现对患者牙齿的三维重建，同时利用所重建的三维模型进行相关的旋转以及平移操作，获得满意的三维重建模型后，为患者提供正畸诊断以及治疗方案。

三维重建；技术；口腔；正畸矫正；模拟

目前随着可视化技术的不断进步以及影像学设备的研发，将患者颅颌面部组织解剖结构进行精确重建也不再是难题[1]。通过重建模型能够让操作者更加直观地了解到患者的实际功能活动情况。同时随着对生物力学的研究[2]，使得重建技术能够更加系统地表达牙齿以及软组织同骨的力学关系和牙槽骨的改建[3]，对患者治疗效果进行全面评估。本文将重点阐述三维重建技术研究及对口腔正畸矫正模拟，现报道如下。

1 三维重建技术

医学体数据是基于网格的标量数，在绘制过程中通过对数据进行描述，可以将三维可视化方法分为3类，即混合绘制法、体绘制方法以及表面绘制方法。

表面绘制是指通过三维空间数据场产生不同的几何图元，再利用计算机对画面进行绘制，将得到的几何单元拼接出拟合对象的表面，从而对拟合物体的三维结构进行全方位描述；表面绘制将充分利用到传统图形学以及相关硬件，对二维图像进行提取。表面绘制可获得清晰、完整的图像，通过图形硬件进一步提升模型的绘制速度，缺点是无法将数据中的信息完全反映。

体绘制方法能够直接对所有的体数据进行明暗处理，不必对几何图元进行构造，同时可在屏幕显示二维图像。体绘制方法不用对其进行分割便能够直接进行绘制，可对绘制图像的细节信息进行全面保存。除此之外，体绘制方法可绘制出更高质量的图像。其缺点则是需要对所有体素进行处理，进一步加大了计算机计算量，且无法通过硬件设置完成绘制，因而使图像的绘制速度大大降低。

混合绘制包含两种，其一是将体素集合通过几何多边形显示出来；其二是采用体绘制方法绘制出多个或单个表面。前者通常显示不规则网格体数据，若是对于有规则性的网格体数据，则需先将数据进行分解，在对其进行扫描后转换至相对抽象的空间中，再对不透明度以及颜色进行计算，最后合成图像。

2 三维重建口腔正畸牙齿模型

通过辅助系统以及计算机辅助设计（CAD）形成标准模板库（STL）文件样本实体，再将其转换成STL格式文件，STL文件样本模型是通过快速成型制造系统完成的，通过样本模型生成切片，产生出模型样件。对于STL文件以及CAD系统来讲，自身也存在一定问题和缺陷，在对其进行转换的同时若操作不当同样会导致错误情况发生。因此，STL文件构造的实体同样也会发生各种问题，使模型出现失真的情况。有文献曾报道，近14%从CAD到STL的文件均会出现不同程度的失真[4]。当满足各种条件后，转换后所得到的STL文件将会是一个清晰、边界封闭且拓扑关系一致的模型。但大多数情况下，STL文件或多或少都存在一些缺陷或问题。

通过研究后能够发现 STL给出了一种数据结构，该结构是通过对三角面片邻接表以及顶点邻接表而得到的。邻接表中储存着点以及面的索引号，进而提升了查找效率，使存储空间得到节约。通过该种方法能够使其在 OpenGL下迅速完成三维重建，且重建速度较快。此方法可广泛应用于口腔正畸的开发。

3 讨论

本文主要对三维重建的相关知识进行了阐述，且对不同绘制方法的优缺点以及适用情况进行了探讨和分析。同时结合STL文件格式的相关特点，提出了拓扑结构的重建方法，通过合理的数据结构，储存三角形面片顶点、边以及由此构成的面，同时也滤除了文件中冗余的数据，从而有效增加了储存空间，进一步实现了对此类信息的快速索引。在满足查找条件的同时，也为今后的处理工作创造了有利条件[5]。

可将三角面片网格转化成为B样条曲面，从而显示出更加逼真的效果。从口腔正畸三角网格模型特点出发，研发出了适用于B样条曲面的拟合算法。通过相关的计算步骤，可对三角网格进行计算插值数据，计算出B样条曲面。B样条曲面拟合算法具有较高的自动化程度，同时也具备更强的拓扑适应性，进而能够生成更好的高质量样条曲面，使其更加符合临床相关要求[6]。

以拟合曲面为基础，可设计针对口腔正畸治疗的相关模拟，验证模型的实用性。通过OpenGL以及相关软件完成正畸治疗的三维模拟，使临床医师能够制订更加准确的治疗方案，同时也利于患者对整个治疗过程的了解。

[1] 顾百利.三维重建技术研究及对口腔正畸矫正模拟[D].哈尔滨理工大学,2011.

[2] 杨玲.口腔图像三维重建系统关键技术研究[D].电子科技大学,2012.

[3] 邓锋.口腔正畸微植体支抗技术的生物力学研究[D].四川大学,2013.

[4] 姜金玲,何玉宏,黄迪炎.三维CT精确重建颅颌面部组织的形态学特征[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,13(2):2442-2445.

[5] 口腔颌面外科学.中华口腔医学会全球华人口腔医学大会暨2010中国国际口腔医学大会论文汇编[C].中华口腔医学会, 2010:52-52.

[6] 李章一.动态三维影像处理在口腔颌面外科的临床研究[D].天津医科大学,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

牡丹江医学院附属第二医院，黑龙江牡丹江 157000