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基本信息
- 項目名稱：
- 基于光柵投影的非接觸式牙頜三維測量系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品采用基于光柵投影的非接觸式測量方法，利用編碼結(jié)構(gòu)光對牙頜進(jìn)行掃描，可快速完成牙頜三維數(shù)字化測量。本作品采用無約束的三維重建模型，有效降低系統(tǒng)對制作的精度要求，從而降低成本；針對牙頜點云拼合問題，設(shè)計制作融入標(biāo)定功能的專用夾具，提出基于坐標(biāo)配準(zhǔn)的點云自動拼合方法，實現(xiàn)多角度點云的自動拼接。本作品為口腔CAD/CAM修復(fù)系統(tǒng)研制提供數(shù)字化基礎(chǔ)，對實現(xiàn)相關(guān)醫(yī)療設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義與實用價值。
- 詳細(xì)介紹：
- 現(xiàn)代口腔修復(fù)CAD/CAM系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造三部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集的精度和速度直接影響到修復(fù)體制作的質(zhì)量和效率。 本作品采用基于光柵投影的非接觸式測量方法，利用格雷碼編碼結(jié)構(gòu)光對牙頜模型進(jìn)行掃描，可快速完成牙齒的三維數(shù)字化測量。該測量系統(tǒng)采用無幾何約束的三維重建模型，有效降低測量系統(tǒng)對加工及裝配的精度要求，從而大幅度降低成本；針對牙頜模型的裝夾及多角度點云拼合問題，設(shè)計制作了融入標(biāo)定功能的專用夾具及轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，提出了基于坐標(biāo)配準(zhǔn)的點云自動拼合方法，從而實現(xiàn)牙模點云數(shù)據(jù)的多角度采集與自動拼接。本作品針對牙頜這類小型復(fù)雜曲面的數(shù)字化測量，建立了合理的結(jié)構(gòu)光測量模型，提出新的點云自動拼合方法，為口腔CAD/CAM修復(fù)系統(tǒng)的研制提供數(shù)字化基礎(chǔ)，對于實現(xiàn)相關(guān)醫(yī)療設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義與實用價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計目的：實現(xiàn)牙頜模型這一類小型復(fù)雜曲面的非接觸式高效數(shù)字化測量，為口腔修復(fù)CAD/CAM提供基礎(chǔ)，推進(jìn)醫(yī)療設(shè)備國產(chǎn)化，降低設(shè)備成本。 基本思路：采用視覺測量領(lǐng)域的光柵投影三維形貌測量方法，通過向待測物投射結(jié)構(gòu)光柵獲取物體對光柵條紋調(diào)制后的圖像，并對其解碼，通過線面求交的原理實現(xiàn)三維重構(gòu)，獲得待測物的點云，實現(xiàn)數(shù)字化測量。 創(chuàng)新點：采用基于線面求交的無幾何約束測量模型，降低了測量系統(tǒng)對加工裝配的要求；設(shè)計具有標(biāo)定功能的夾具，將標(biāo)定技術(shù)應(yīng)用到點云坐標(biāo)系的配準(zhǔn)中，實現(xiàn)點云的自動拼接；開發(fā)適用于牙頜點云處理的軟件，操作方便快捷。 技術(shù)關(guān)鍵：系統(tǒng)標(biāo)定，三維重構(gòu)，點云拼接 主要技術(shù)指標(biāo)：1.單幅測量時間：10s 2.測量精度：0.1mm
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：基于光柵投影的非接觸式牙頜三維測量系統(tǒng)采用格雷碼編碼結(jié)構(gòu)光，解碼健壯性好，誤碼率低；采用基于線面求交的無約束測量模型，無需光軸交于一點等嚴(yán)格的幾何約束，有效降低系統(tǒng)對加工及裝配的的精度要求，從而降低了成本；提出基于坐標(biāo)配準(zhǔn)的點云自動拼合方法，將點云坐標(biāo)變換問題轉(zhuǎn)化為外參數(shù)標(biāo)定問題，避免了人工貼標(biāo)記點帶來的不便和誤差。 先進(jìn)性：在國外牙齒三維光學(xué)掃描測量技術(shù)的研究起步較早，目前已有成熟的商業(yè)化系統(tǒng)，但在國內(nèi)售價都很昂貴。國內(nèi)有高校和科研院所進(jìn)行相關(guān)的研究，多為基于線結(jié)構(gòu)激光的掃描系統(tǒng)，其測量速度較慢，目前國內(nèi)尚未出現(xiàn)商業(yè)化系統(tǒng)。目前我們的作品處于國內(nèi)領(lǐng)先行列，通過面結(jié)構(gòu)光掃描實現(xiàn)牙頜模型表面的快速數(shù)字化測量，在保證測量精度的前提下有效降低了設(shè)備成本，性價比高，對于實現(xiàn)相關(guān)醫(yī)療設(shè)備的國產(chǎn)化具有重要意義。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011.6 榮獲湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利
作品可展示的形式
- 實物，圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明:在系統(tǒng)完成標(biāo)定后，將待測牙頜模型裝夾在定位平臺上，關(guān)閉滑門。點擊測量軟件中的“掃描”按鈕，單幅掃描結(jié)束后調(diào)整定位平臺姿態(tài)，再次開始掃描。如此經(jīng)過多個角度的掃描后，牙頜表面絕大部分位置的點云已經(jīng)獲取完畢，點擊“拼合”按鈕，系統(tǒng)將保存.asc格式的點云文件。該點云文件可在目前各種主流三維設(shè)計軟件中打開。 產(chǎn)品優(yōu)勢:測量速度快、精度可靠、成本低 市場分析:目前進(jìn)口系統(tǒng)售價一般在70～140 萬元，國內(nèi)只有少數(shù)大醫(yī)院有能力引進(jìn)這些設(shè)備，造成該技術(shù)推廣困難。隨著物質(zhì)生活水平的提高和人口老齡化，需要進(jìn)行口腔修復(fù)的人群會不斷增長，對這種高效的口腔修復(fù)技術(shù)的需求也會相應(yīng)增大。根據(jù)衛(wèi)生部公布的名單，截至2008年,我國有19712家醫(yī)院,如果所有醫(yī)院都采購國外系統(tǒng)，設(shè)備上的投資將超過130億。目前國內(nèi)尚未出現(xiàn)商業(yè)化口腔CAD/CAM系統(tǒng)。本作品實現(xiàn)該技術(shù)的第一環(huán)，對于該技術(shù)的國產(chǎn)化有著重要意義。如果進(jìn)一步開發(fā)出具有自己知識產(chǎn)權(quán)的口腔CAD/CAM系統(tǒng)，其市場前景無疑是巨大的。
同類課題研究水平概述
- 20世紀(jì)70年代末，法國學(xué)者Frances Duret教授首次將CAD/CAM技術(shù)引入口腔固定修復(fù)體的設(shè)計與制作中，經(jīng)過近30年的發(fā)展，以歐美日為代表的商業(yè)化口腔CAD/CAM系統(tǒng)已經(jīng)成功地投入使用，極大地提高了工作效率和修復(fù)體的質(zhì)量，患者經(jīng)過30～60 分鐘的治療就可完成各類病牙的口腔修復(fù)，恢復(fù)牙頜系統(tǒng)功能。 由于口腔外的測量環(huán)境優(yōu)于口腔內(nèi)，測量精度相對較高，設(shè)備開發(fā)成本相對較低，因此目前絕大多數(shù)商品化CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用口腔外數(shù)據(jù)采集方式。在測量方法上，接觸式測量以Procera系統(tǒng)為典型，非接觸式測量廣泛采用激光掃描測量（3Shape,Cercon等系統(tǒng)）及光柵投影測量(KavoEverest,Enios，Lava等系統(tǒng))，其中采用光柵投影法的系統(tǒng)有不斷增多的趨勢，其測量速度快且精度較高。 相比于國外，目前國內(nèi)測量系統(tǒng)多數(shù)停留在實驗室階段，并未推出商業(yè)化系統(tǒng)，與國外水平相差較大。所采用方法大多為激光測量系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)。也有使用莫爾云紋法、激光散斑法等方法進(jìn)行測量系統(tǒng)研究。北大口腔醫(yī)學(xué)院呂培軍等研制的D.04-L-3D SCANNER系統(tǒng)采用激光掃描法，其光學(xué)探測裝置的平均分辨率為0.05mm，單個模型掃描時間 10min，掃描盲區(qū)小于物體表面積的 。第四軍醫(yī)大學(xué)吳江、高勃等人應(yīng)用3DSS-STD-Ⅱ結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)對牙模進(jìn)行測量實驗，表明該系統(tǒng)的可靠性與重復(fù)性都很好，測量點距可達(dá)0.06mm，通過5個角度的測量，可擬合出牙頜表面模型；張修銀等研發(fā)的測量系統(tǒng)，通過將矩形光柵投影到放大4倍的牙冠石膏模型表面，利用計算機(jī)自動生成參考光柵并實現(xiàn)相移，雖然只需要1幅圖像即可得到三維模型數(shù)據(jù)，但是其對于表面斜率大、高度突變較大的曲面測量時，誤差較大，不適合測量實際牙頜模型。 數(shù)字化是我國現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的新趨勢。牙頜模型三維測量系統(tǒng)，是數(shù)字化口腔診療修復(fù)的基礎(chǔ)。由于技術(shù)封鎖，市場上的口腔CAD/CAM系統(tǒng)以國外產(chǎn)品為主導(dǎo)，價格大都在百萬元人民幣以上。而小型的牙頜掃描系統(tǒng)，價格也在50~100萬元不等。因此開展這方面的研究具有重要的理論意義和實用價值。
