基于NX口腔建模与治疗过程的模拟研究

程律莎



基于NX口腔建模与治疗过程的模拟研究

程律莎

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

以牙体缺损充填治疗的口腔医学理论为依据，通过使用 NX10.0建模功能建立口腔实体模型，并进行运动仿真模块生成牙体缺损充填治疗过程的仿真动画．采取适于模型快速加工和打印成型的NX工业建模软件，使所建模型不仅用于示教，还可直接用于塑料模具生产、五轴数控加工、3D打印等计算机辅助设计制造接口．在运动仿真功能的应用上，由于其手术运动规划较简单，可以满足准确形象地反映口腔结构及补牙的全过程．用NX进行口腔模型建模及补牙仿真动画模拟，能够从不同角度观察口腔结构以及牙体缺损充填治疗过程，有助于制定手术预案、医患交流以及个性化牙齿假体的制造与替代．

NX10.0；口腔模型；牙体缺损充填治疗过程；运动仿真

世界卫生组织（WHO）将牙齿健康确定为人体健康十大标准之一．口腔健康是指具有良好的口腔卫生，健全的口腔功能及没有口腔疾病．目前口腔患者就医时，医生一般根据患者情况和所拍的X光片，使用PPT或实物模型等辅助手段与患者讲解相关的口腔问题及治疗方案，容易造成沟通障碍从而产生不必要的医患矛盾[1]．目前相关研究也有其他软件应用于口腔实体模型和运动仿真[2]，例如用flash软件制作全套的口腔治疗过程动画．但是flash软件只适合做展示和教学动画．我们希望运用工程的手段将建模、动画仿真与制造接口统一起来，并且当患者口腔龋齿位置不同是时，可以很轻松地基于个体的牙齿库进行相应的替代和更换．基于西门子NX工程软件在建模以及制造接口的优势，我们选择此计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）软件应用于口腔的建模与辅助医疗仿真，为后续的假体制造或者模型制造提供良好的基础．另外，基于NX10.0设计的口腔模型将每颗牙齿及牙龈部分保存为独立的部件，NX10.0功能模块较为完善，可以将部件导入NX其他功能模块中，例如每颗牙齿及牙龈部件可以通过注塑模具的设计用于模具的生产以及批量化生产出相应的产品，同样口腔模型可用于3D打印生成成品．基于NX建立口腔模型能够从三维角度进行细节观察，口腔模型及补牙动画可用于教学演示，口腔模型能够全方位的观察牙齿结构，便于讲解、说明及学习，补牙动画亦能够较为完整清晰地演示补牙全程．

1 NX口腔建模研究

1.1 口腔建模过程

本次建模主要根据口腔结构，确保牙齿在形态以及表面特征上相类似．使用Simens公司的NX10.0软件的建模功能（默认单位mm）．建模中采用整体建模的方法：由于牙齿牙龈结构较不规则，曲面较多，为避免牙齿牙龈独立建模导致装配时由于不规则曲面而导致装配不完整、存有间隙等麻烦．建模时牙齿牙龈作为一整个模型构建，一方面可以减少装配工作量，另一方面建模过程中牙齿牙龈的位置、结构可互相参照．在整个口腔模型建好后再通过移出参数等方法对牙齿及口腔进行另存，而后再使用NX装配功能将添加各个组件即可[3]．建模参照正常成年人口腔模型，不包含第三磨牙，牙齿数量为28，上下颌各14颗．模型包括牙齿及牙龈．建模步骤上先创建牙龈的轮廓作为牙齿轮廓的参照，牙龈俯视轮廓大致为封闭的弧形轮廓，牙齿牙冠俯视图轮廓较近似于四边形，可通过拉伸指令得到牙龈、牙冠雏形，然后再运用拉伸、拔模、求差、扫略、修建体等指令对牙冠、牙龈雏形进行逐步的修饰而达到结构上相似的目的；牙齿牙根则可根据牙冠的轮廓、运用样条曲线、扫略等功能构建．原则上在建模过程中每颗牙齿及牙龈的建模过程应独立进行，尽量减少互相干涉以方便修改及导出[4]，模型树状图如图1所示．

根据牙齿结构，牙齿的分布保持左右两端对称，建模中上下颌的牙齿分别只需建模一侧的牙齿即7颗为准，分别是切牙（中切牙、侧切牙）、尖牙、双尖牙（第一双尖牙、第二双尖牙）、磨牙（第一磨牙、第二磨牙），建模时根据牙冠表面形态特征牙齿主要分为切牙、尖牙、双尖牙、磨牙四大类①．而后可使用镜像几何体指令完成牙齿模型另一边的建模．上牙牙齿牙龈建模方法与下牙牙齿建模方法基本相似，建模时上牙与下牙是在完全咬合的前提下建模．步骤上同样先构建上牙牙龈轮廓，而后是牙齿排列的布局草图，建模顺序上分别是牙冠、牙根、牙龈，同样在建模时由于草图、片体、样条曲线过多，避免混乱，需先准备好不同的图层放置不同类型的草图，如图2所示．

基于牙体缺损充填治疗过程的需要，需将导出后的磨牙进行再次的建模，一方面是建立龋齿区域的模型，牙齿龋坏的程度以浅龋为参照，即较浅的龋洞；另一方面是要建立补牙完成后，即树脂材料填充完整的牙齿模型．首先制作龋齿的效果，如图3所示，在牙尖顶面新建草图，投影牙冠轮廓线，同时画出一个小圆．之后将小圆拉伸至与牙冠相交一定距离、且拉伸时偏置一步角度．此步骤决定了龋坏组织的范围．之后磨牙与拉伸的实体求交，保留目标，并将相交的实体渲染为黑色，并将该实体放置独立的图层以便应用于仿真过程．最后将口腔的各零件图进行装配与爆炸，如图4所示．

图1 建模树状图

图2 上下牙牙冠图

图3 龋齿部分建模图

图4 牙齿总装配图和爆炸图

2 运动仿真实施

2.1 麻醉过程运动过程分析及设计思路

在打针过程中，针筒沿着轨迹前进，在到达牙龈位置时停止前进，做一个打针动作．该过程中有2个运动：针筒沿矢量方向前行一段距离后停止；活塞和推进器在针筒玻璃管上沿玻璃管方向前行一段距离．整个打针过程设定为15 s，前10 s为针筒的前进，后5 s为打针动作．针筒运动类型为滑动，当针筒运动到接近牙龈时，速度应较缓直至停止，故驱动方式可以选择函数驱动，使用运动函数STEP（，0，0，1，1）设置某个时间段内速度、加速度以及位移的变化．在此基础上建立运动副，类型为滑动副，选择连杆为针筒玻璃管连杆，矢量选择运动轨迹线条的方向．完成连杆和运动副的建立后，点击结算方案，时间设定为20 s，步数定位100步，步数设定越多，则运动过程越为详细．最后点击求解即可生成打针麻醉的运动仿真动画．生成动画后可将线条、连杆名称、运动副隐藏，并渲染模型，如图5所示．

2.2 去除龋坏组织过程

去除龋坏组织过程中，首先在放大镜和牙钻机移动到待补磨牙附近，放大镜应比牙钻机提前到达磨牙附近以便观察牙钻机的动作，然后牙钻机钻头开始旋转同时牙钻机向下运动做一个切除磨牙表面龋齿的动作，与此同时，磨牙表面应形成一个窝洞．

图5 麻醉过程解算方案的设定

如表1所示，整个运动过程设定为25 s，前10 s中，放大镜与牙钻机做滑动过程，到达10s时放大镜到达磨牙附近并停止滑动；10~15 s的过程中，牙钻机逐渐减速滑动至磨牙上方；15~20 s钻头开始旋转加速至恒定速度，随后钻头保持匀速旋转；20~25 s的过程过，牙钻机带动旋转的钻头开始向下滑动，同时磨牙中形成窝洞（此步以磨牙中的龋齿块同时向下滑动表述）．此上运动过程主要通过step函数控制各个运动与时间的关系，在运动仿真过程中，放大镜作为一个连杆填加滑动副用step函数控制驱动沿轨迹滑动即可实现．牙钻机的运动则需分为两部分，一是钻头的旋转，二是牙钻机的滑动，故钻头作为一个连杆（钻头连杆），其余部分作为另一个连杆（把手连杆），牙钻机需整体进行滑动，故钻头连杆应选择把手连杆为啮合连杆，钻头连杆再填加旋转副以step函数控制驱动即可实现运动．牙钻机的滑动亦分为2个部分，首先是沿轨迹的矢量方向到达磨牙上表面，然后往z轴负方向运动，由于把手连杆作为一个连杆无法做两个方向上的运动，故需填加辅助线作为辅助连杆，辅助连杆做沿轨迹矢量滑动，把手连杆以辅助连杆为啮合，把手连杆设为沿轴负方向滑动，同样以step函数控制驱动，如此把手连杆便可完成两个方向上的运动．牙钻机的滑动亦分为两个部分，首先是沿轨迹的矢量方向到达磨牙上表面，然后往z轴负方向运动，由于把手连杆作为一个连杆无法做两个方向上的运动，故需填加辅助线作为辅助连杆，辅助连杆做沿轨迹矢量滑动，把手连杆以辅助连杆为啮合，把手连杆设为沿轴负方向滑动，同样以step函数控制驱动，如此把手连杆便可完成两个方向上的运动．同样当牙钻机接近龋齿部分是，龋齿部分开始下轴下方滑动即可，用step函数控制龋齿的滑动速度与牙钻机滑动速度相同即可．

完成连杆和运动副的建立后，点击结算方案，时间设定为30 s以便观察，步数定位100步，点击求解即可生成去除龋齿的运动仿真动画．同样可将线条、连杆名称、运动副隐藏，并渲染模型．

表1 钻牙过程运动副的相关设定

2.3 填充树脂材料过程

运动过程为镊子夹着填充材料到待补磨牙上方后，镊子向下运动将填充材料放置进窝洞．此过程分为3个过程，首先是镊子沿着轨迹线滑动至磨牙上方，然后镊子朝z轴负方向滑动靠近磨牙窝洞，最后填充材料滑动至窝洞．在仿真运动前，将磨牙中的龋齿部分隐藏，如此便形成了窝洞．整个过程设定为20 s．0~10 s为镊子沿着轨迹线滑动至磨牙上方然后停止，此步骤用函数step控制时间与速度即可实现；10~15 s为镊子朝窝洞方向滑动后停止，15~20 s为填充材料下落到窝洞内，分别以函数step控制时间与位移关系即可．由于镊子需要做2个不同方向的滑动，镊子整体作为一个连杆，朝轴负方向滑动，故需要使用到辅助线作为辅助连杆，辅助连杆沿轨迹的矢量方向滑动，镊子连杆以辅助连杆为啮合连杆即可．填充材料作为一个连杆沿z轴负方向滑动，以镊子连杆为啮合连杆即可跟随镊子共同运动．分别将镊子、填充材料、辅助红线、运动轨迹线设定为连杆．其中辅助红线、运动轨迹线为线条，需自定义质量属性（任意值即可），并将至质心设定在线上即可．另外运动轨迹线作为固定连杆．完成连杆和运动副的建立后，点击结算方案，时间设定为25 s，步数定为100步，点击求解即可生成填充材料的运动仿真动画．同样可将线条、连杆名称、运动副隐藏，并渲染模型．

2.4 牙齿调磨过程

放大镜与探针同时接近磨牙，放大镜先到达磨牙附近而后停止，探针继续接近直到磨牙上方，然后探针向下运动到达磨牙填充后的表面，沿着磨牙牙窝轨迹运动以表述整个牙齿调磨过程．设计思路：首先将磨牙中隐藏的牙龈轮廓拉伸实体显示以此表示填充材料后的磨牙形状．该过程主要分为两大部分，分别是放大镜和探针的滑动，类型与去除龋齿相同．此过程中放大镜的运动过程与去除龋齿中放大镜的运动过程相同．整个过程设为60 s，放大镜运动过程10 s．探针的滑动首先是沿着运动轨迹滑动，其次是朝z轴方向滑动，最后沿着牙窝轨迹运动，牙窝轨迹为十字形．简化的步骤是在探针接触到填充材料后，前进一段距离再后退，然后回到原点，再之后是左右两侧运动，其中前进的矢量方向与运动轨迹的矢量方向平行，左右的矢量方向为牙缝水平方向．故探针的滑动方向有3个，分别是运动轨迹矢量方向，轴负方向，以及牙窝水平方向．由于探针具有3个方向的运动，故需要有两条辅助线作为辅助连杆，辅助连杆一做沿轨迹线矢量方向运动，辅助连杆二沿z轴负方向运动，探针运动方向为沿牙窝水平方向．辅助连杆二以辅助连杆一为啮合连杆，探针以辅助连杆二为啮合连杆．由于探针在接触到填充材料时，探针位置与牙窝垂直方向有段距离，故需先向牙窝水平方向运动一段距离．通过step控制不同时间段两个方向上的位移距离即可实现探针沿磨牙牙窝轨迹运动的动作．完成连杆和运动副的建立后，点击结算方案，时间设定为50 s，步数定位100步，最后点击求解即可生成磨平的运动仿真动画．生成动画后可将线条、连杆名称、运动副隐藏，并渲染模型．

2.5 光固化过程

光固化机移动至第一磨牙上方后停止．该过程只需将光固化机设定为连杆后再填加滑动副，以运动轨迹线矢量方向为运动方向，用step函数控制时间与速度关系，在接近口腔附近减速，到达磨牙上方时停止即可．将光固化机及运动轨迹线定义为连杆，其中运动轨迹线为线条，需自定义质量属性，且设为固定连杆，其余默认．新建运动副，运动轨迹线连杆默认为固定副，光固化机连杆定义滑动副，沿运动轨迹线矢量方向滑动，函数驱动，用step函数控制时间与速度关系，设定值为STEP（time, 0, 45.6, 10, 0），意为0~10s时速度从46.5毫米每s降至0．完成连杆和运动副的建立后，点击结算方案，时间设定为20s，步数定为100步，点击求解即可生成光固化的运动仿真动画．同样可将线条、连杆名称、运动副隐藏，并渲染模型．最后分别将打针过程、去除龋坏组织过程、填充材料过程、牙齿调磨过程、光固化过程的运动仿真动画导出为电影avi格式，最后再将各个片段拼接便得完整的牙体缺损充填治疗过程运动仿真动画．

3 结 论

1）NX10.0设计的口腔装配模型能够将每颗牙齿及牙龈部分保存为独立的部件，后续可以将部件导入NX其它功能模块中进行制造，例如每颗牙齿及牙龈部件可以通过注塑模具的设计，用于模具的生产以及批量化生产出相应的产品．也可通过3D打印生成成品．

2）基于NX建立口腔模型能够从三维角度上进行观察，可根据每个患者的牙齿特征快速在整副牙齿的大环境下进行个别坏牙特征建立及补牙动画模拟．这一优点将完美的应用于医患沟通和教学演示，牙体缺损充填治疗过程的运动仿真动画能够用于加强医患之间的交流．医生通过口腔补牙的运动仿真能够向患者从三维角度清晰地展示牙齿正常结构与比邻，口腔补牙的整个过程，还能够帮助患者了解补牙步骤及补牙所需使用工具、材料等以消除患者恐惧心理．

3）NX建立的口腔装配模型能够全方位的观察牙齿结构，便于教学讲解及说明，补牙动画亦能够较为完整清晰地演示补牙全程，能够有效提升教学效果，降低教学难度．

[1] 张汉东．口腔疾病诊疗常规[M]．武汉：湖北科学技术出版社，2007．

[2] 北京兆迪科技有限公司．UG NX10.0运动仿真与分析教程[M]．北京：机械工业出版社，2015．

[3] Cattoni F & Mastrangelo F. A New Total Digital Smile Planning Technique (3D-DSP) to Fabricate CAD-CAM Mockups for Esthetic Crowns and Veneers[J]., 2016（1）：1-5．

[4] 焦培峰，刘阳，毕振宇．基于激光扫描与CT建立带牙根的三维数字化牙颌模型[J]．中国临床解剖学杂志，2013，31（4）：389-392．

On the Simulation of Oral Cavity Modeling and Therapeutic Process Based on NX

CHENG Lvsha

（）

Based on the theory of stomatology of filling treatment of tooth defect, this paper analyzes the possibility of establishing an oral cavity modeling by using NX10.0 modeling function. A motion simulation module is used to generate a simulation animation of the filling process of oral defect. With a software which is suitable for rapid model processing and printing, the model can not only be used for teaching, but also can be directly used in plastic mold production, five-axis CNC machining, 3D printing and other computer-aided design and manufacturing interface. When NX is applied to oral modeling and tooth filling simulation animation, it can observe the oral structure and filling treatment process of tooth defects from different perspectives. Therefore, it is conducive to the formulation of surgical plans, doctor-patient communication and the manufacture and replacement of personalized dental prosthesis.

NX10.0; oral model; process of filling dental defects; motion simulation

2018-08-14

程律莎（1981-），女，江西人，硕士，讲师，主要研究方向：先进制造与3D打印．

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.01.004

R782.1

A

1672-0318（2019）01-0021-05

① Haque S E. Effect of a school-based oral health education in preventing untreated dental caries and increasing knowledge, attitude, and practices among adolescents in Bangladesh[J]., 2016：1-8.