基本信息
- 项目名称：
- 基于光栅投影的非接触式牙颌三维测量系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用基于光栅投影的非接触式测量方法，利用编码结构光对牙颌进行扫描，可快速完成牙颌三维数字化测量。本作品采用无约束的三维重建模型，有效降低系统对制作的精度要求，从而降低成本；针对牙颌点云拼合问题，设计制作融入标定功能的专用夹具，提出基于坐标配准的点云自动拼合方法，实现多角度点云的自动拼接。本作品为口腔CAD/CAM修复系统研制提供数字化基础，对实现相关医疗设备的国产化具有重要意义与实用价值。
- 详细介绍：
- 现代口腔修复CAD/CAM系统主要由数据采集、计算机辅助设计、计算机辅助制造三部分构成，其中数据采集部分是整个系统的基础，数据采集的精度和速度直接影响到修复体制作的质量和效率。 本作品采用基于光栅投影的非接触式测量方法，利用格雷码编码结构光对牙颌模型进行扫描，可快速完成牙齿的三维数字化测量。该测量系统采用无几何约束的三维重建模型，有效降低测量系统对加工及装配的精度要求，从而大幅度降低成本；针对牙颌模型的装夹及多角度点云拼合问题，设计制作了融入标定功能的专用夹具及转位机构，提出了基于坐标配准的点云自动拼合方法，从而实现牙模点云数据的多角度采集与自动拼接。本作品针对牙颌这类小型复杂曲面的数字化测量，建立了合理的结构光测量模型，提出新的点云自动拼合方法，为口腔CAD/CAM修复系统的研制提供数字化基础，对于实现相关医疗设备的国产化具有重要意义与实用价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：实现牙颌模型这一类小型复杂曲面的非接触式高效数字化测量，为口腔修复CAD/CAM提供基础，推进医疗设备国产化，降低设备成本。 基本思路：采用视觉测量领域的光栅投影三维形貌测量方法，通过向待测物投射结构光栅获取物体对光栅条纹调制后的图像，并对其解码，通过线面求交的原理实现三维重构，获得待测物的点云，实现数字化测量。 创新点：采用基于线面求交的无几何约束测量模型，降低了测量系统对加工装配的要求；设计具有标定功能的夹具，将标定技术应用到点云坐标系的配准中，实现点云的自动拼接；开发适用于牙颌点云处理的软件，操作方便快捷。 技术关键：系统标定，三维重构，点云拼接 主要技术指标：1.单幅测量时间：10s 2.测量精度：0.1mm
科学性、先进性
- 科学性：基于光栅投影的非接触式牙颌三维测量系统采用格雷码编码结构光，解码健壮性好，误码率低；采用基于线面求交的无约束测量模型，无需光轴交于一点等严格的几何约束，有效降低系统对加工及装配的的精度要求，从而降低了成本；提出基于坐标配准的点云自动拼合方法，将点云坐标变换问题转化为外参数标定问题，避免了人工贴标记点带来的不便和误差。 先进性：在国外牙齿三维光学扫描测量技术的研究起步较早，目前已有成熟的商业化系统，但在国内售价都很昂贵。国内有高校和科研院所进行相关的研究，多为基于线结构激光的扫描系统，其测量速度较慢，目前国内尚未出现商业化系统。目前我们的作品处于国内领先行列，通过面结构光扫描实现牙颌模型表面的快速数字化测量，在保证测量精度的前提下有效降低了设备成本，性价比高，对于实现相关医疗设备的国产化具有重要意义。
获奖情况及鉴定结果
- 2011.6 荣获湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 实物，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明:在系统完成标定后，将待测牙颌模型装夹在定位平台上，关闭滑门。点击测量软件中的“扫描”按钮，单幅扫描结束后调整定位平台姿态，再次开始扫描。如此经过多个角度的扫描后，牙颌表面绝大部分位置的点云已经获取完毕，点击“拼合”按钮，系统将保存.asc格式的点云文件。该点云文件可在目前各种主流三维设计软件中打开。 产品优势:测量速度快、精度可靠、成本低 市场分析:目前进口系统售价一般在70～140 万元，国内只有少数大医院有能力引进这些设备，造成该技术推广困难。随着物质生活水平的提高和人口老龄化，需要进行口腔修复的人群会不断增长，对这种高效的口腔修复技术的需求也会相应增大。根据卫生部公布的名单，截至2008年,我国有19712家医院,如果所有医院都采购国外系统，设备上的投资将超过130亿。目前国内尚未出现商业化口腔CAD/CAM系统。本作品实现该技术的第一环，对于该技术的国产化有着重要意义。如果进一步开发出具有自己知识产权的口腔CAD/CAM系统，其市场前景无疑是巨大的。
同类课题研究水平概述
- 20世纪70年代末，法国学者Frances Duret教授首次将CAD/CAM技术引入口腔固定修复体的设计与制作中，经过近30年的发展，以欧美日为代表的商业化口腔CAD/CAM系统已经成功地投入使用，极大地提高了工作效率和修复体的质量，患者经过30～60 分钟的治疗就可完成各类病牙的口腔修复，恢复牙颌系统功能。 由于口腔外的测量环境优于口腔内，测量精度相对较高，设备开发成本相对较低，因此目前绝大多数商品化CAD/CAM系统的数据采集系统选用口腔外数据采集方式。在测量方法上，接触式测量以Procera系统为典型，非接触式测量广泛采用激光扫描测量（3Shape,Cercon等系统）及光栅投影测量(KavoEverest,Enios，Lava等系统)，其中采用光栅投影法的系统有不断增多的趋势，其测量速度快且精度较高。 相比于国外，目前国内测量系统多数停留在实验室阶段，并未推出商业化系统，与国外水平相差较大。所采用方法大多为激光测量系统与结构光测量系统。也有使用莫尔云纹法、激光散斑法等方法进行测量系统研究。北大口腔医学院吕培军等研制的D.04-L-3D SCANNER系统采用激光扫描法，其光学探测装置的平均分辨率为0.05mm，单个模型扫描时间 10min，扫描盲区小于物体表面积的 。第四军医大学吴江、高勃等人应用3DSS-STD-Ⅱ结构光三维测量系统对牙模进行测量实验，表明该系统的可靠性与重复性都很好，测量点距可达0.06mm，通过5个角度的测量，可拟合出牙颌表面模型；张修银等研发的测量系统，通过将矩形光栅投影到放大4倍的牙冠石膏模型表面，利用计算机自动生成参考光栅并实现相移，虽然只需要1幅图像即可得到三维模型数据，但是其对于表面斜率大、高度突变较大的曲面测量时，误差较大，不适合测量实际牙颌模型。 数字化是我国现代医疗设备发展的新趋势。牙颌模型三维测量系统，是数字化口腔诊疗修复的基础。由于技术封锁，市场上的口腔CAD/CAM系统以国外产品为主导，价格大都在百万元人民币以上。而小型的牙颌扫描系统，价格也在50~100万元不等。因此开展这方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。
