技术领域

本发明涉及牙体预备技术，具体涉及数控激光 自动化牙体预备方 法、 装备和牙齿定位器。 背景技术

1、 目前国内外临床应用的手工牙体预备技术。

传统的手工牙体预备模式难以达到教科书和临 床操作规范中的 标准要求。 我国手工牙体预备的水平整体偏低（据有关专 家统计， 合 格率约占 40%左右）。在我国，高水平的口腔医生数量较 为匮乏。同时， 培养一个高水平的临床医生， 往往需要多年时间。上述因素共同导致 "看牙贵， 看牙难"。 此外， 因此， 亟需研发全新的， 自动化、 智能 化临床牙体预备技术， 替代传统的手工模式。

2、 牙齿硬组织激光切削技术

一些商业化的 Er : YAG和 Er : YSGG激光器已用于牙体去腐和窝洞制 备等简单的手持激光式牙体预备，但 Er激光切削后的牙齿表面粗糙不 平， 可能伴微裂纹产生， 难以满足口腔修复牙体预备的高精度要求。 激光切削牙体硬组织有精度高、 作用集中、 热损伤小等特点， 能在非 常低的能量密度下切削，其对牙釉质、牙本质 的切削阈值为 0. 6〜2. 2、 0. 3〜1. 4 J/cm ² ， 有望成为高精度数控牙体预备的工具。 然而已有文 献报道激光对牙釉质、 牙本质的切削速率为 （0. 05〜3. 6 ) X 10— ³ 、 ( 0. 12〜： 1. 90 ) X 10-3 mmVs , 低于高速涡轮手机 (约 1 mm ³ /s )。 同 时， 激光与传统机械磨头不同， 在操作过程中没有力回馈， 不利于操 作着随着感受切削工具的位置、方向和姿态等 ， 不利于控制切削路径 的精度。

3、 关于狭小空间激光光路自动控制技术

目前， 国外已出现一些数控激光扫描光路控制技术。 如德国大型 激光设备生产商 TRUMPF 公司的三维激光加工设备配套的三维激光 加工软件 TbPs400， 但仅对圆管和矩形管件的切割有效， 严格说来， 这是一种 2. 5 维的激光加工。 而意大利著名的激光设备制造企业 PRIMAINUSTRIE S. P. A 提供的三维激光加工软件 FORMA 只能用于像 IBMRISC Systernl6000 这样的工作站上。 英国 CAMTEK 公司的 PEPS Pentacut 3D切割系统不仅仅缩短了工期， 同时还能提供更高的精度 要求带来了巨大的竞争优势， 但是该类软件价格昂贵， 不具备普遍推 广的市场。在 2009 年 4 月的第 ^一届北京国际机床展（CIMT2009) 上， 通过对参展的 20多家激光设备生产厂家（包括大族激光、 武汉法 利莱、团结百超、团结普瑞玛等国内知名激光 设备生产厂家）的调研， 发现参展的生产厂家展出的基本都是二维激光 切割机床，只有上海团 结普瑞玛公司展出了型号为 SESAM02545 的三维激光切割机床，但其 配套的三维激光切割自动编程软件采用的是英 国 Camtek 公司开发 的 PEPS PentaCut, 说明目前国内对三维激光切割设备， 尤其是自动 编程系统的研究还不是十分成熟， 制约了三维激光切割技术的推广。

对于口腔内这种狭小空间内的牙体预备，实现 激光光路的自动控 制， 尚未见及相关报道。 发明内容

本发明实施例的目的是提供一种数控激光自动 化牙体预备方法， 能替代医生的部分手工操作， 用激光替代传统机械磨削器械， 能在短 时间内有效提高基层医生的临床治疗操作技术 水平，提高诊疗效率和 质量。 本发明的目的是提供一种数控激光自动化牙体 预备装备。

根据本发明的一个方面，提供了一种数控激光 自动化牙体预备方 法， 包括以下步骤：

1 ) 用口内三维扫描仪获取目标牙齿冠部的三维表 面扫描数据， 用口腔颌面部锥形束 CT机获取目标牙齿冠部的三维体数据， 将上述 两组数据单独存储， 以便后续读取操作；

2 ) 用牙体预备 CAD软件对上述两组数据进行配准， 并统一在相 同坐标系中， 在计算机屏幕上提取预备体边缘、定义牙齿预 备体设计 参数， 分割牙釉质模型部分、 牙本质模型部分和牙髓腔模型部分， 完 成牙齿预备体的虚拟建模， 得到牙齿预备体虚拟模型数据， 最后将结 果存储为 STL格式数据；

3 ) 根据步骤 2 ) 获得的牙齿预备体虚拟模型数据， 利用激光牙 体预备 CAM软件自动生成牙体预备过程中的切削工艺相 关参数，并输 出到数控激光牙体预备控制系统中，该切削工 艺相关参数包括牙体预 备过程中激光的聚焦光斑直径、 光斑运动路径、 扫描速度；

4) 用硅橡胶将牙齿定位器固定在目标牙齿和近远 中邻牙上， 并 去除目标牙齿冠部周围的硅橡胶，用口内三维 扫描仪再次获取牙齿定 位器和目标牙齿的整体三维数据，利用所述牙 体预备 CAD软件将预备 体虚拟模型数据与该整体三维数据进行配准， 通过牙齿定位器上的定 位柱，将数控激光牙体预备控制系统的口腔内 工作端与牙齿定位器的 牙合面开口端进行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、牙齿定位器以及数 控激光牙体预备控制系统的口腔内工作端的空 间位置关系的统一固 定；

5 ) 在步骤 4) 形成的坐标系中， 利用激光牙体预备 CAM软件完 成激光在目标牙齿初始位置的准确对焦， 控制激光光斑按照步骤 3 ) 设定的扫描路径和扫描速度自动完成牙体预备 过程，同时在此过程中 利用在牙齿定位器上安装的负压吸引装置， 实时去除牙齿碎屑；

6)完成牙体预备， 从患者口腔内顺序拆除数控激光牙体预备控制 系统口腔工作端和牙齿定位器。

其中， 所述牙体预备 CAD软件包括数据读取模块、 预处理模块、 数据融合模块、 约束建模模块、 后处理模块。

其中：

所述数据读取模块被配置为执行下述操作：

1 ) CT数据重建： 将 CT图像重建三维数据读入牙体预备 CAD软件， 进行光照、 渲染；

2 ) 扫描数据重建： 将通过对目标牙齿扫描获取的三维表面扫描 数据与 CT机获取的三维体数据读入牙体预备 CAD软件并存储， 方便后 续读取操作；

所述预处理模块被配置为执行下述操作：

1 ) 融合区域曲面获取： 首先对目标牙齿的三维表面扫描数据模 型 M进行区域划分， 分为融合区域和非融合区域， 非融合区域点集固 定不动，采用基于启发式搜索策略的颈缘线提 取算法对三维表面扫描 数据模型 M进行融合曲面裁剪提取； 2 )基于人工交互初始配准： 在 CT机获取的三维体数据模型 N与口 内三维扫描仪获取的三维表面扫描数据模型 M上拾取三个或三个以上 的对应的特征点， 通过特征点对齐实现模型的对齐，在 CT机获取的三 维体数据模型 N与口内三维扫描仪获取的三维表面扫描数据� �型 M上 分别标定特征点^、 通过 = + 计算特征点间几何变换矩阵 ^R ， ^τ , 将矩阵作用于 CT机获取的三维体数据模型 Ν与口内三维扫描仪 获取的三维表面扫描数据模型 Μ进行初始变换， 这种方法能够极大地 缩小后续迭代最近点 （Iterative Closest Point, ICP ) 模型配准间的平 移误差和旋转误差， 为精确配准提供良好初值；

3 ) 基于 ICP算法精确配准： 在初始配准后， 采用 ICP算法进行精 确配准，模型间的位置配准就是通过口内三维 扫描仪扫描获取的三维 表面扫描数据模型 M的坐标系与 CT机获取的三维体数据模型 N的坐标 系之间的旋转和平移， 使同源点之间距离最小， 通过计算第 次迭代 的最优旋转矩阵 与平移向量 ^， 使得 CT模型 N经过空间变化后与扫 描模型 M的最小二乘逼近目标函数

其中， P为特征点的个数，

所述数据融合模块被配置为进行下述操作：

1 )微分坐标建立： 引入拉普拉斯算子系数矩阵 确保能以矩 的乘法形式进行笛卡尔坐标与微分坐标之间的 转换， 如下式 (2)所

A = L V, L = I - D~ ^l A (2) 其中 Δ = fe}为网格微分坐标， 为对角矩阵，其中 = ， A为 网格的邻接矩阵；

2 ) 约束条件建立： CT机获取的三维体数据模型 N的变形曲面与 口内三维扫描仪扫描获取的三维表面扫描数据 模型 M的固定曲面配准 后，利用将网格显著度与莫尔斯理论相结合的 方法实现三维表面扫描 数据模型模型 M上显著特征点的提取， 其中以搜索与三维表面扫描数 据模型 M的固定曲面提取的特征点对应的在三维体数� �模型 N的变形 曲面中的最近点作为约束条件；

3 ) 融合变形迭代处理：

三维体数据模型 N的变形网格向三维表面扫描数据模型 M的固定 网格变形的过程中， 单次变形容易产生网格形态扭曲， 因此采取了一 种多次迭代变形的策略， 即将单次变形分解为多次进行， 迭代策略不 仅使变形后网格自然平缓，而且避免了网格自 交现象，每次变形量 M列 如可以按按下式 (3)来计算， 其中， n为迭代总次数， k为当前迭代次

1

b = k = 0,1 ... n― 1

n - k ^{(3 )}

4)变形权重系数设计： 通过设计权重矩阵来量化和评估变形点 与目标点之间的接近程度，权重矩阵例如可以 通过以下公式 (4)定义: w _t = w _d (k, d )x w _a (a)

其中， ^fc 为距离权重函数， 为当前迭代次数， i为特征点 索引， 为当前变形点 与目标变形点^之间的距离，

重函数， "为变形点 的法矢方向与三维表面扫描数据模型 M的重心 至变形点的射线方向 ^之间的夹角 ·'

5 ) 模型网格重建： 将上述权重矩阵 W引入线性方程 到公式 (5)和（6) ， 其中 L为目标网格变形前的 Laplacian矩阵， I 为 _m 阶单位矩阵， Z'为目标网格变形后的 Laplacian矩阵， 为目标 网格变形后的顶点， 为目标网格的 Laplacian坐标， C为顶点变形 量， 为约束顶点 j的变形后的坐标， 为约束顶点 j的变形量：

当能量函数 (6)取最小值时， 变形网格为达到预期变形位置， 求 解最小值的过程中采取基于 Cholesky分解的预计算加速求解， 分别 求得 '， ， ζ' .

所述约束建模模块被配置为进行下述操作：

1 ) 空间点云数据轴线提取： 利用空间直线拟合的最优化方法提 取牙齿的牙长轴，空间内方向向量为 S= (m， n, p)且过点（x。， y。， z。） 的直线方程如下式 (7)所示 微

其中 x。， y。， z。为经过任意点的三维坐标值， m， n， p为方向向 量的坐标表示， 根据最佳平方逼近原理， 得到如下式 (8)的误差方程：

=∑» ₂ ² + ² ) (8) ， 其中， 分别为点云中第 i点在拟合直线的 X轴向、 Y轴向、

Z轴向的误差分量， q为点的个数。

利用最优梯度法解这个三元二次非线性方程， 可得最优化方向向 量 (m， n, p)，利用此方向向量和已知中点可以求出直线� �� 即为牙体轴 线；

2 )空间曲线投影： 用线段加密投影法将颈缘线离散成数据点集， 逐点沿曲率方向投影到 CT机获取三维体数据模型上， 连接各投影点 即为投影曲线；

3 ) 离散模型偏置： 利用基于点的偏置算法偏置模型， 网格顶点 上的多向量通过类型分类并赋予不同的权值， 偏置方向计算方程如下 式 (9)所示：

∑；

(9) 其中 V。 _ffset 为点的偏置方向， l〜n为顶点一圈的三角片个数， W.i 为不同类型三角片不同的权重值， _{Nl ]} 为顶点一圈三角片分别对应的法 矢， 通过在每个点法矢方向偏置点得到偏置以后的 模型；

4)模型约束方程组分析和求解： 通过分析约束模型尺寸链关系， 列出模型约束方程组（10) :

其中， L代表颊舌向总长度； H代表某截面纵向总高度； 、 1 ₃ 分 别代表肩台宽度和面边界到牙牙体长轴的距离 ； 、 分别代表面预 备厚度和颈缘线到下部某指定位置的距离； 《为预备体轴壁倾斜度； h、 分别为《对应的边长和高度。

对于完整预备体， 《=3， m=2， 其中， L、 L ₂ 、 《为参数化的三个 变量值， 对于指定牙齿， H、 L和 L4为固定值， 当参数值给定时， 方程 组为含有三个未知数的方程组，由已知的三个 方程可以唯一确定一组 L _x 、 L _y 和 L ₃ 的值， 从而可以唯一确定预备体模型， 通过求解此约束方 程， 即可确定模型各部分空间位置；

5 ) 多约束模型参数化建模： 利用参数化操作的方法驱动预备体 建模， 并利用基于历史的方法实现模型的参数化动态 修改；

所述后处理模块被配置为进行下述操作：

检测约束的满足情况：通过计算生成的预备体 各截面的角度和尺 寸约束， 检测生成预备体模型的误差大小， 并利用彩色云图形式直观 显示误差的分布情况。

其中，所述基于历史的方法是将参数化操作和 参数值一起按照模 型构造顺序被记录下来， 形成模型构造树， 并为每个操作附上标记， 当参数尺寸修改时，找到对应标记的操作并以 此开始按照构造历史以 新的参数值重新构造模型， 完成新模型的更新。

本发明的一种数控激光自动化牙体预备装备， 包括口内三维扫描 仪、 激光器、 数控激光牙体预备控制系统口腔工作端、 口腔颌面部锥 形束 CT机、 计算机、 牙齿定位器、 负压吸引器和实时监控装置。 所述 计算机分别与口内三维扫描仪、牙科激光器、 数控激光牙体预备控制 系统口腔工作端、 口腔颌面部锥形束 CT机、 负压吸引器连接以及实时 监控装置连接，激光器通过导光臂与数控激光 牙体预备控制系统口腔 工作端连接，数控激光牙体预备控制系统口腔 工作端与牙齿定位器和 实时监控装置连接， 负压吸引器与牙齿定位器连接。

其中， 所述数控激光牙体预备控制系统口腔工作端包 括导光臂、 反射镜盖、 定位器接口、 底座、 电机座、 摆动电机一、 摆动电机二、 双振镜系统、 直线电机、 聚焦透镜座、 直线导轨、 光栅传感器， 所述 导光臂固定在底座的左侧， 反射镜盖位于导光臂的端部， 定位器接口 位于反射镜盖之下， 所述直线导轨位于底座上， 聚焦透镜座位于直线 导轨上， 光栅传感器位于聚焦透镜座之下， 所述直线电机固定在底座 上， 摆动电机一、 摆动电机二固定在电机座上， 双振镜系统与摆动电 机一、 摆动电机二连接。

其中，所述双振镜系统包括振镜一、振镜二、 聚焦透镜、反射镜， 所述振镜一位于振镜二的下方， 聚焦透镜位于振镜二与反射镜之间， 振镜一、 振镜二分别通过摆动电机一、 摆动电机二驱动旋转， 聚焦透 镜通过直线电机驱动。

由于采取了以上技术方案， 本发明的优点在于：

本发明能替代医生的部分手工操作，用激光替 代传统机械磨削器 械， 能在短时间内有效提高基层医生的临床治疗操 作技术水平， 提高 诊疗效率和质量。

根据本发明的另一方面， 提供了一种牙齿定位器， 包括顶面和两 个侧面，当牙齿定位器被安装在口腔内时该顶 面和两个侧面分别对应 于口腔内牙齿的顶面、 颊面和腭面， 顶面具有圆形开口， 该圆形开口 的直径与激光工作端的入口垂直部分的内径相 一致；顶面的圆形开口 后端具有定位部件， 与激光工作端的入口垂直部分刚性连接， 从而实 现目标牙齿冠部、 牙齿定位器以及激光工作端的空间位置关系的 固 定； 定位器沿牙齿排列方向的前后长度能够横跨目 标牙及前后 1-2个 邻牙。

根据本发明的另一方面， 一种牙体预备方法， 包括以下步骤：

1 )获取目标牙齿冠部的三维表面扫描数据； 2 ) 自动或手动提取预备 体边缘数据、定义牙齿预备体设计参数， 得到牙齿预备体虚拟模型数 据； 3 )根据步骤 2 )获得的牙齿预备体虚拟模型数据， 获得切削工艺 相关参数，该切削工艺相关参数包括牙体预备 过程中激光的聚焦光斑 直径、 光斑运动路径、 扫描速度； 4) 将牙齿定位器固定在目标牙齿 和与该目标牙齿相邻的一个或更多个牙齿上， 获取牙齿定位器的整体 三维数据和目标牙齿的整体三维数据，将预备 体虚拟模型数据与该整 体三维数据进行配准，将数控激光牙体预备控 制系统的口腔内工作端 与牙齿定位器的牙合面开口端进行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、牙 齿定位器以及数控激光牙体预备控制系统的口 腔内工作端的空间位 置关系的统一固定； 以及 5 )在步骤 4)形成的坐标系中， 执行激光在 目标牙齿初始位置的对焦， 控制激光光斑按照步骤 3 ) 设定的切削工 艺相关参数完成牙体预备过程。

根据本发明的另一方面， 提供了一种牙体预备方法， 包括以下步 骤： 1 )获取目标牙齿冠部的三维表面扫描数据， 获取目标牙齿冠部 的三维体数据； 2 ) 对该三维表面扫描数据和该三维体数据上述两 组 数据进行配准， 并统一在相同坐标系中， 提取预备体边缘、 定义牙齿 预备体设计参数， 分割牙釉质模型部分、牙本质模型部分和牙髓 腔模 型部分， 得到牙齿预备体虚拟模型数据； 3 )根据步骤 2 )获得的牙齿 预备体虚拟模型数据， 获得切削工艺相关参数，该切削工艺相关参数 包括牙体预备过程中激光的聚焦光斑直径、光 斑运动路径、扫描速度； 4) 将牙齿定位器固定在目标牙齿和与该目标牙齿 相邻的一个或更多 个牙齿上，获取牙齿定位器的整体三维数据和 目标牙齿的整体三维数 据， 将预备体虚拟模型数据与该整体三维数据进行 配准， 将数控激光 牙体预备控制系统的口腔内工作端与牙齿定位 器的牙合面开口端进 行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、牙齿定位器以及数控激光 牙体预备 控制系统的口腔内工作端的空间位置关系的统 一固定； 5 ) 在步骤 4) 形成的坐标系中， 执行激光在目标牙齿初始位置的对焦， 控制激光光 斑按照步骤 3 ) 设定的切削工艺相关参数完成牙体预备过程。 附图说明

图 1示出了根据本发明实施例的数控激光自动化� �体预备示例性 方法的流程图；

图 2示出了根据本发明实施例的预备体模型约束� �示意图； 图 3示出了根据本发明实施例的示例性数控激光� �动化牙体预备 装备的配置框图； 图 4示出了根据本发明实施例的示例性数控激光� �体预备控制系 统口腔工作端的结构示意图；

图 5示出了根据本发明实施例的双振镜系统的结� �示意图； 图 6示出了根据本发明实施例的牙齿定位器的立� �示意图和工作 样态示意图；

图 7示出了根据本发明一个实施例的实时监控装� �的结构示意 图；

图 8示出了根据本发明一个实施例的实时监控装� �的另一结构示 意图；

图 9示出了根据本发明另一实施例的数控激光自� �化牙体预备示 例性方法的流程图。

图中： 1、 导光臂； 2、 反射镜盖； 3、 定位器接口； 4、 聚焦透镜 座； 5、 光栅传感器； 6、 直线导轨； 7、 直线电机； 8、 底座； 9、 双 透镜系统； 10、 摆动电机一； 11、 摆动电机二； 12、 电机座； 13、 振 镜一； 14、 振镜二； 15、 聚焦透镜； 16、 反射镜； 17、 目标牙齿； 18、 激光束。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明， 但不用来限制本发明的范围。

图 1示出了根据本发明实施例的数控激光自动化� �体预备示例性 方法的流程图。

该示例性数控激光自动化牙体预备方法， 包括以下步骤：

1 ) 用口内三维扫描仪获取目标牙齿冠部的三维表 面扫描数据， 用口腔颌面部锥形束 CT机获取目标牙齿冠部三维体数据，将上述两� �� 数据单独存储， 以便后续读取操作；

2 )用牙体预备 CAD软件对上述两组数据进行配准，并统一在相 同 坐标系中， 在计算机屏幕上提取预备体边缘、 定义牙齿预备体设计参 数， 分割牙釉质、 牙本质和牙髓腔， 完成牙齿预备体的虚拟建模， 最 后将结果存储为 STL格式数据；

3 )根据步骤 2 )获得的牙齿预备体虚拟模型数据， 激光牙体预备 CAM 软件自动生成牙体预备过程中激光的聚焦光斑 直径、 光斑运动路 径、 扫描速度等切削工艺相关参数， 并输出到数控激光牙体预备控制 系统中， 在一个示例中， 光斑运动路径包括 Z轴方向的切削路径； 上述激光牙体预备采用的是逐层去除的方法获 得预备体，整个路径 规划包括两个环节， 一个是切片分层， 一个是针对切片分层得到的截 面轮廓线生成高效的激光切割路径；

快速切片分层环节： 首先是对牙体 STL格式数据的三维模型中的 三角面片进行分组， 将三角面片按照与其相交切平面的不同分成若 干 组， 每一组内的三角面片均和同一切平面相交； 然后， 将每一组中的 三角面片与切平面求交运算， 每个三角面片与切平面相交会得到一个 相交线段， 根据 STL格式数据的三维模型中三角面片的连续性， 能形 成一个无向封闭的截面轮廓线， 无需对三角面片进行拓扑结构重建或 对所得到的交线段进行排序；

截面轮廓的高效激光切割路径生成环节： 首先采用直线填充的方 法求解激光切割区域与填充直线相交线段， 计算出激光切割线， 然后 对这些切割线进行排序和区域划分， 将复杂的切割区域分割成小的单 调的切割区域， 最终生成高效的激光切割路径；

4 ) 用硅橡胶将牙齿定位器固定在目标牙齿和近远 中邻牙上， 并去 除目标牙齿冠部周围的硅橡胶。 用口内三维扫描仪再次获取牙齿定位 器和目标牙齿的整体三维数据， 利用步骤 2 ) 中软件将预备体虚拟模 型数据与整体扫描数据进行配准。 通过牙齿定位器上的定位柱， 将数 控激光牙体预备控制系统的口腔内工作端与牙 齿定位器的牙合面开口 端进行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、 牙齿定位器以及数控激光牙体 预备控制系统的口腔内工作端的空间位置关系 的统一固定；

5 )在步骤 4 )形成的坐标系中， 利用激光牙体预备 CAM软件完成 激光在目标牙齿初始位置的准确对焦， 控制激光光斑按照设定的扫描 路径和扫描速度自动完成牙体预备过程， 同时在牙齿定位器上安装负 压吸引装置， 实时去除牙齿碎屑；

激光牙体预备 CAM软件工作方式如下：

初始位置的自动对焦： 首先， 透镜位置初始化， 使透镜回到初始 零点位置； 然后， 通过目标牙齿 STL模型可以得到目标牙齿的最高点 坐标值 （目标牙齿的最大 Z值）； 最后， 根据所获得的牙齿最高坐标 和激光光路的参数可以计算出透镜最终移动的 距离，最终可以使激光 的焦点位置准确地落在目标牙齿的最高点位置 处；

牙体预备自动化过程控制： 在激光牙体预备路径规划中， 采用直 线切割的方式匀速进行牙体预备。 激光的切割路径均由不同长度的激 光切割线段组成。 要实现激光的匀速切割， 需要对激光切割线段进行 插补处理， 即将不同长度的激光扫描线段分割成小间距激 光切割点， 通过运动学逆运算将小间距的激光切割点三维 坐标值转为激光工作头 中的振镜一、 振镜二的角位移和透镜的线位移。 由于振镜与透镜均采 用直接驱动方式， 所以振镜一、 振镜二电机和透镜的直线电机同时运 动可以控制激光光斑跟踪插补后的激光切割点 ， 最终实现激光匀速沿 着规划的切割路径实现切割， 完成自动牙体预备过程；

6 )完成牙体预备，从患者口腔内顺序拆除数控� �光牙体预备控制 系统口腔工作端和牙齿定位器。

上述切削工艺参数包括扫描速度、 光斑直径、 焦距距离、 波长、 频率、 脉冲宽度。 这些参数值的组合搭配方式数量巨大， 最终希望得 到兼顾切削效率、 切削质量和温度控制等多个方面的最佳组合。

发明人通过大量的实验，得到如下性能优越的 切削工艺相关参数 组合：扫描速度 1700-2100mm/s、光斑直径 25-45μιη、光斑搭接率 0_50%、 波长 780-1064nm、 重复频率 50_150KHz、 脉冲宽度 25ps_45ps。。 更优 选地， 大量实验发现下面的切削工艺参数具有很好的 性能： 扫描速度 1900mm/s (毫米每秒）、 光斑直径 38μιη (微米每秒）、 焦距距离 175mm (毫米）、 波长 1064nm (纳米）、 重复频率 ΙΟΟΚΗζ (千赫）、 脉冲宽度 15ps (皮秒）。 通过利用这样的切削工艺参数设定激光器， 切削的预 备体精度与临床要求相比提高了一个量级，切 削速度可控制在 17分钟 之内。

在一个示例中，控制激光光斑按照设定的扫描 路径和扫描速度自 动完成牙体预备过程包括按照层切法来切削牙 釉质部分和牙本质部 分。 层切法是指分层切削对象的方法。

激光工作头是激光牙体预备自动化系统中的核 心部件，控制激光 聚焦光斑实现激光的三维切削运动，即实现控 制激光聚焦光斑在牙齿 横截面 (X0Y平面）运动以及在牙齿深度方向（Z轴）上� ��运动。

传统技术上， 通常用瓷牙来进行激光切削测试。

但是瓷牙材料和人类牙齿材料具有很大的性质 差别。 具体地， 瓷 牙材料是纯粹的无机材料， 且是在体外切削， 不需要特殊考虑生物安 全相关的温度升高等问题； 而人类牙齿是由牙釉质、 牙本质和釉牙本 质界构成的各向异性的生物有机材料， 理论上需要根据不同的材料特 性应用不同的切削参数， 但实现技术相对复杂， 高速扫描切削时控制 较困难。 由于整个光路的准直性，不同牙的差异性对实 验结果的影响， 确定优选的切削参数需要付出艰辛的劳动。

本发明的发明人经过约 500颗不同来源牙齿样本的反复激光切削 试验， 历时约 2年， 研究完成了适用于不同来源、 不同牙齿硬组织的 优化参数组合， 并通过实验验证了该参数的实际应用精度和有 效性。 发明人发现如下优选的层切法单次步进量切削 层数和每层切削 深度： 切削牙釉质的 Z轴单次步进量为 3-7层 30-100μιη， 切削牙本质的 Ζ轴单次步进量为 3-7层 50-120μηι， Ζ轴为激光焦点平面的法向。 Ζ轴单 次步进量为 3-7层 30-100μιη的含义是， 激光的 Ζ轴单次步进量切削 3_7 层， 每层切削深度为 10-30um。 利用这样的参数可获得较精确的深度 误差控制和自然形成的侧壁倾斜度的控制。

所述牙体预备 CAD软件可以包括数据读取模块、 预处理模块、 数 据融合模块、约束建模模块、后处理模块，这 些模块当被诸如计算机的 计算装置执行时， 可以执行下述操作。

其中， 所述数据读取模块可以配置为进行下述操作：

1 ) CT数据重建： 将 CT图像重建三维数据读入牙体预备 CAD软件， 进行光照、 渲染。

2 ) 扫描数据重建： 通过对目标牙齿扫描获取三维表面扫描数据 与 CT机获取的三维体数据， 并读入软件存储， 方便后续读取操作； 所述预处理模块可以配置为进行下述操作：

1 ) 融合区域曲面获取： 首先对扫描目标牙齿扫描获取三维表面 扫描数据模型进行区域划分， 分为融合区域和非融合区域， 非融合区 域点集固定不动。采用基于启发式搜索策略的 颈缘线提取算法对三维 表面扫描数据模型进行融合曲面裁剪提取，启 发式搜索策略是通过评 价每一个待搜索目标的代价得到最优搜索位置 ，再从这个搜索直到最 终目标， 从而省略大量无谓路径， 提高搜索效率；

2 ) 基于人工交互初始配准： 根据三点重定位原理， 三点可以建 立一个坐标关系，在 CT机与口内三维扫描仪获取的模型上拾取对应� �� 特征点不少于三个， 通过特征点对齐实现模型的对齐。在 CT机与口内 三维扫描仪获取的模型上分别标定特征点 ·、 通过 = ^s ^ + 计 算特征点间几何变换矩阵 ^τ ，将矩阵作用于 CT机与口内三维扫描仪 获取的模型进行初始变换， 这种方法能够极大地缩小后续 ICP模型配 准间平移误差和旋转误差， 为精确配准提供良好初值；

3 ) 基于 ICP算法精确配准： 通过初始配准， 采用 ICP算法进行精 确配准，模型间的位置配准就是通过口内三维 扫描仪扫描获取的模型 与 CT机获取三维体数据模型坐标系之间的旋转和� ��移，使同源点之间 距离最小， 通过计算第 次迭代的最优旋转矩阵 与平移向量 ^， 使 得 CT模型 N经过空间变化后与扫描模型 M的最小二乘逼近目标函数达 f R,Tl 到最小， 如公式（1)所示： 其中， P为特征点的个数，

所述数据融合模块可以配置为进行下述操作：

1 )微分坐标建立： 引入拉普拉斯算子系数矩阵 确保能以矩 阵的乘法形式进行笛卡尔坐标与微分坐标之间 的转换， 如下式 (2)所 其中 Δ = 为网格微分坐标， ^为对角矩阵，其中 网格的邻接矩阵；

2 ) 约束条件建立： CT机获取三维体数据模型 N的变形曲面与口 内三维扫描仪扫描获取的三维表面扫描数据模 型 M的固定曲面配准 后，利用将网格显著度与莫尔斯理论相结合的 方法实现三维表面扫描 数据模型 M上显著特征点的提取， 其中以搜索与三维表面扫描数据模 型 M提取的特征点对应的在三维体数据模型变形� �面 N中的最近点作 为约束条件；

3 ) 融合变形迭代处理：

三维体数据模型 N的变形网格向三维表面扫描数据模型 M的固定 网格变形的过程中， 采取了多次迭代变形的策略， 即将单次变形分解 为多次进行， 从而不仅使变形后网格自然平缓， 而且避免了网格自交 现象， 其中每次迭代变形量 按下式 (3)来计算， 其中， n为迭代总次 数， k

4 )变形权重系数设计： 通过设计权重矩阵来量化和评估变形点 与目标点之间的接近程度， 权重矩阵通过以下公式 (4)定义： Wi = w _d (k, d )x w _a (a) (4) 其中， ^fc 为距离权重函数， 为当前迭代次数， i为特征点 索引， 为当前变形点 与目标变形点^之间的距离， ^(")为角度权 重函数， "为变形点 的法矢方向与扫描模型重心至变形点的射线方 向 之间的夹角；

5 ) 模型网格重建： 将上述权重矩阵 W引入线性方程和能量函 数， 得到公式 (5)和（6) ， 其中 L为目标网格变形前的 Laplac ian矩 阵， I为 _m 阶单位矩阵， Z'为目标网格变形后的 Laplacian矩阵， '为 目标网格变形后的顶点， 为目标网格的 Laplacian坐标， C为顶点 变形量， 为约束顶点 j的变形后的坐标， ^为约束顶点 j的变形量:

对能量函数（6)进行最小化求解， 求得最小化时的变量的值 作为变形网格为的预期变形位置， 其中求解过程中采取基于

Cholesky分解的预计算加速求解；

所述约束建模模块可以配置为进行下述操作：

1 )空间点云数据轴线提取： 利用空间直线拟合的最优化方法提 取牙齿的牙长轴， 设空间内方向向量为 S= (m， n， p)且过点

( ， y。， zo)的直线方程如下式 (7)所示 其中 x。， y。， z。为经过任意点的三维坐标值， m， n， p为方向向 量的坐标表示， 根据最佳平方逼近原理， 得到如下式 (8)的误差方程：

=∑» ₂ ² + ² ) (8)

， 其中， , _¾ , 分别为点云中第 i点在拟合直线的 X轴向、 Y轴向、 Z轴向的误差分量， q为点的个数。

利用最优梯度法解这个三元二次非线性方程， 可得最优化方向向 量 (m， n, p)，利用此方向向量和已知中点可以求出直线� �� 即为牙体轴 线；

2 )空间曲线投影： 用线段加密投影法将颈缘线离散成数据点集， 逐点沿曲率方向投影到 CT机获取三维体数据模型上， 连接各投影点 即为投影曲线；

3 ) 离散模型偏置： 利用基于点的偏置算法偏置模型， 网格顶点 上的多向量通过类型分类并赋予不同的权值， 偏置方向计算方程如下 式 (9)所示：

(9) 其中 V。 _ffS e _t 为点的偏置方向， l〜n为顶点一圈的三角片个数， W.i 为不同类型三角片不同的权重值， _{Nl ]} 为顶点一圈三角片分别对应的法 矢， 通过在每个点法矢方向偏置点得到偏置以后的 模型；

4)模型约束方程组分析和求解： 通过分析约束模型尺寸链关系， 得到模型约束方程组（10) :

其中， L代表颊舌向总长度； H代表某截面纵向总高度； 、 / ₃ 分 别代表肩台宽度和面边界到牙牙体长轴的距离 ； 、 分别代表面预 备厚度和颈缘线到下部某指定位置的距离； 《为预备体轴壁倾斜度；

1 ₂ 、 分别为《对应的边长和高度。

对于完整预备体， n: m=2， 其中， L、 L ₂ 、 为参数化的三个 变量值， 对于指定牙齿， H、 UnL ₄ 为固定值， 当参数值给定时， 方程 组为含有三个未知数的方程组，由已知的三个 方程可以唯一确定一组 L _x 、 L _y 和 L ₃ 的值， 从而可以唯一确定预备体模型， 通过求解此约束方 程， 即可确定模型各部分空间位置， 见图 2;

5 ) 多约束模型参数化建模： 利用参数化操作的方法驱动预备体 建模， 并利用基于历史的方法实现模型的参数化动态 修改； 所述后处理模块可以配置为进行下述操作：

检测约束的满足情况：通过计算生成的预备体 各截面的角度和尺 寸约束， 检测生成预备体模型的误差大小， 并利用彩色云图形式直观 显示误差的分布情况。

其中，所述基于历史的方法是将参数化操作和 参数值一起按照模 型构造顺序被记录下来， 形成模型构造树， 并为每个操作附上标记， 当参数尺寸修改时，找到对应标记的操作并以 此开始按照构造历史以 新的参数值重新构造模型， 完成新模型的更新。

图 3示出了根据本发明实施例的示例性数控激光� �动化牙体预备 装备的配置框图，该数控激光自动化牙体预备 装备包括口内三维扫描 仪、 激光器、 数控激光牙体预备控制系统口腔工作端、 口腔颌面部锥 形束 CT机、 计算机、 牙齿定位器、 负压吸引器和实时监控装置。 所述 计算机分别与口内三维扫描仪、牙科激光器、 数控激光牙体预备控制 系统口腔工作端、 口腔颌面部锥形束 CT机、 负压吸引器连接以及实时 监控装置连接，激光器通过导光臂与数控激光 牙体预备控制系统口腔 工作端连接，数控激光牙体预备控制系统口腔 工作端与牙齿定位器和 实时监控装置连接， 负压吸引器与牙齿定位器连接。

图 4示出了根据本发明实施例的示例性数控激光� �体预备控制系 统口腔工作端的结构示意图。 图 5示出了根据本发明实施例的双振镜 系统的结构示意图。

如图 4和图 5所示，所述数控激光牙体预备控制系统口腔� �作端包 括导光臂 1、 反射镜盖 2、 定位器接口 3、 聚焦透镜座 4、 电机座 12、 摆 动电机一 10、 摆动电机二 11、 双振镜系统 13和 14、 直线电机 7、 聚焦 透镜座 4、 直线导轨 6、 光栅传感 5器， 所述导光臂 1固定在底座 8的左 侧， 反射镜盖位于导光臂 1的端部， 定位器接口位于反射镜盖之下， 所述直线导轨 6位于底座 8上， 聚焦透镜座 4位于直线导轨 6上， 光栅传 感器 5位于聚焦透镜座 4之下， 所述直线电机 7固定在底座 8上， 摆动电 机一 10、摆动电机二 11固定在电机座上， 双振镜系统 13和 14与摆动电 机一 10、 摆动电机二 11连接。

见图 5， 所述双振镜系统包括振镜一 13、 振镜二 14、 聚焦透镜 15、 反射镜， 所述振镜一 13位于振镜二 14的下方， 聚焦透镜 15位于振镜二 14与反射镜之间， 振镜一 13、 振镜二 14分别通过摆动电机一 11、 摆动 电机二 12驱动旋转， 聚焦透镜 15通过直线电机 7驱动。

图 6示出了根据本发明实施例的牙齿定位器的立� �示意图（左图） 和工作样态示意图 （右图）。

牙齿定位器包括顶面和两个侧面，当牙齿定位 器被安装在口腔内 时该顶面和两个侧面分别对应于口腔内牙齿的 顶面、颊面和腭面， 顶 面具有圆形开口，该圆形开口的直径与激光工 作端的入口垂直部分的 内径相一致； 顶面的圆形开口后端具有定位部件， 与激光工作端的入 口垂直部分刚性连接， 从而实现目标牙齿冠部、牙齿定位器以及激光 工作端的空间位置关系的固定；定位器沿牙齿 排列方向的前后长度能 够横跨目标牙及前后 1-2个邻牙。

该牙齿定位器能够实现与牙齿的牢固固位；能 够与激光工作头无 缝联接， 实现针对目标牙齿的高精度牙体预备操作； 以及为通过口内 扫描仪获得的牙齿几何模型提供坐标系，确保 目标牙齿几何数据和激 光工作头的坐标系是一致的。

在一个示例中，牙齿定位器的顶面和两个侧面 的每个具有多孔状 结构以利于用硅橡胶将牙齿定位器固定在邻牙 及周围软组织的表面， 并用硅橡胶保护邻牙及周围软组织不受伤害。

在一个示例中， 两个侧面的至少一个具有一个或更多个开口， 所 述开口中的一个接外置的降温装置， 例如风冷的降温措施。

在一个示例中， 两个侧面的至少一个具有一个或更多个开口， 一 个开口接外置的负压吸引装置，用于去除牙齿 切削过程中所产生的碎 屑。

在一个示例中，牙齿定位器两侧面的弧度与所 固定牙的牙弓弧度 相一致。

在一个示例中， 牙齿定位器的三个面的内面与目标牙、前后邻 牙 及周围牙槽骨表面具有间隔，以容纳硅橡胶固 定材料。在一个示例中， 该间隔为 0. 5-2mm。 具体地， 该间隔可以为 lmm。

在一个示例中， 在牙齿定位器上具有感应端口， 用于感测激光是 否在安全区域， 以防止患者舌头和口腔部位受到损伤。

在一个示例中，牙齿定位器的三个面中的每个 的中央部位具有三 个圆形的开口， 直径为 15mm， 大于或等于口腔内所有牙齿的横截面最 大径， 且与激光工作端的入口垂直部分的内径相一致 。

在一个示例中， 顶面的圆形开口后端具有定位栓， 与激光工作端 的入口垂直部分紧密地卡抱在一起， 起到定位和固定作用。

在一个示例中， 在牙齿固定器上安装有内视镜， 以观察牙齿周围 环境。 下面参照图 7和图 8描述根据本发明一个实施例的实时监控装置 的结构示例。

图 7示出了根据本发明一个实施例的实时监控装� �的结构示意 图。

图 8示出了另一幅结构示意图。

结合图 7和 8: 在监控组件中， 工业镜头 32通过螺纹连接在 CCD图 像传感器 31上， CCD图像传感器 31的面 31-D通过螺钉固定在 CCD摄像头 连接架 34的面 34-C上， CCD摄像头连接架 34的面 34-B可以在 CCD摄像头 支撑架 33的槽 33-B内上下自由滑动， 通过螺钉将 CCD摄像头连接架 34 的孔 34-A与 CCD摄像头支撑架 33的孔 33-B固定在一起，上述 CCD摄像头 支撑架的孔 33-D可将其固定在大的操作台上， CCD图像传感器 31的中 心与安装于反射镜安装座 35的反射镜（图中未示出）的中心在同一水 平线上。

根据本发明的一个实施例， 提供了一种牙体预备方法， 包括以下 步骤：

1 ) 获取目标牙齿冠部的三维表面扫描数据；

2 ) 自动或手动提取预备体边缘数据、 定义牙齿预备体设计参数， 得到牙齿预备体虚拟模型数据；

3 ) 根据步骤 2 ) 获得的牙齿预备体虚拟模型数据， 获得切削工 艺相关参数，该切削工艺相关参数包括牙体预 备过程中激光的聚焦光 斑直径、 光斑运动路径、 扫描速度；

4 ) 将牙齿定位器固定在目标牙齿和与该目标牙齿 相邻的一个或 更多个牙齿上，获取牙齿定位器的整体三维数 据和目标牙齿的整体三 维数据， 将预备体虚拟模型数据与该整体三维数据进行 配准， 将数控 激光牙体预备控制系统的口腔内工作端与牙齿 定位器的牙合面开口 端进行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、牙齿定位器以及数控激光 牙体 预备控制系统的口腔内工作端的空间位置关系 的统一固定； 以及

5 ) 在步骤 4 ) 形成的坐标系中， 执行激光在目标牙齿初始位置 的对焦， 控制激光光斑按照步骤 3 ) 设定的切削工艺相关参数完成牙 体预备过程。

根据本发明的另一个实施例， 提供了一种牙体预备方法， 包括以 下步骤：

1 ) 获取目标牙齿冠部的三维表面扫描数据， 获取目标牙齿冠部 的三维体数据； 2 ) 对该三维表面扫描数据和该三维体数据上述两 组数据进行配 准， 并统一在相同坐标系中， 提取预备体边缘、 定义牙齿预备体设计 参数， 分割牙釉质模型部分、 牙本质模型部分和牙髓腔模型部分， 得 到牙齿预备体虚拟模型数据，该预备体边缘提 取可以手动在计算机屏 幕上进行或通过软件编程自动进行；

3 ) 根据步骤 2 ) 获得的牙齿预备体虚拟模型数据， 获得切削工 艺相关参数，该切削工艺相关参数包括牙体预 备过程中激光的聚焦光 斑直径、 光斑运动路径、 扫描速度；

4 ) 将牙齿定位器固定在目标牙齿和与该目标牙齿 相邻的一个或 更多个牙齿上，获取牙齿定位器的整体三维数 据和目标牙齿的整体三 维数据， 将预备体虚拟模型数据与该整体三维数据进行 配准， 将数控 激光牙体预备控制系统的口腔内工作端与牙齿 定位器的牙合面开口 端进行刚性连接， 实现目标牙齿冠部、牙齿定位器以及数控激光 牙体 预备控制系统的口腔内工作端的空间位置关系 的统一固定；

5 ) 在步骤 4 ) 形成的坐标系中， 执行激光在目标牙齿初始位置 的对焦， 控制激光光斑按照步骤 3 ) 设定的切削工艺相关参数完成牙 体预备过程。

在一个示例中， 切削工艺相关参数包括扫描速度 1900mm/s (毫米 每秒）、光斑直径 38μιη (微米每秒）、焦距距离 175mm (毫米）、波长 1064nm (纳米）、 重复频率 ΙΟΟΚΗζ (千赫）、 脉冲宽度 15ps (皮秒）。 在一个 示例中， 控制激光光斑按照步骤 3 ) 设定的扫描路径和扫描速度自动 完成牙体预备过程包括按照层切法来切削牙釉 质部分和牙本质部分。

在一个示例中， 切削牙釉质的 Z轴单次步进量为 3-7层 30-70μηι， 切削牙本质的 Ζ轴单次步进量为 3-7层 25-75μηι， Ζ轴为沿牙齿的垂直方 向的轴。

图 9示出了根据本发明另一实施例的数控激光自� �化牙体预备示 例性方法的概要流程图。

图 9所示的数控激光自动化牙体预备示例性方法� �图 1所示的方 法的主要不同在于，无需用口腔颌面部锥形束 CT机获取目标牙齿冠部 的三维体数据，而仅需用口内三维扫描仪获取 目标牙齿冠部的三维表 面扫描数据。接下来， 基于如此获得的三维表面扫描数据进行计算机 辅助设计 （CAD ) 设计、 计算机辅助制造 （CAM) 设计、 和 CAM切削。 除了去除了获取目标牙齿冠部的三维体数据和 与三维体数据相关的 操作外，图 9所示的各个步骤的实现可以与前面结合图 1描述的相应步 骤的实现相同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说 明本发明所作的举 例， 而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所 属领域的普通技术 人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变 动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡 是属于本发明的技术方 案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本 发明的保护范围之列。