［摘要］目的：对上颌中切牙内冠的计算机辅助设计与制造方法进行探讨和研究。方法：以右上中切牙为例，首先使用ATOS Ⅱ光学测量仪进行预备体表面数据采集；其次对所采集到的三角片数据进行处理，自动识别出颈缘线，重构预备体表面的曲面；然后利用生成的曲面分别针对无颈环内冠和半颈环内冠两种情况设计出所需内冠；最终利用3轴精雕机床进行数控铣削编程加工。结果：制作出的两种内冠均能够与预备体紧密贴合，整体设计精度均符合临床要求。结论：所选方法可行，具有临床实用价值，为进一步研究奠定了基础。
［关键词］口腔修复；切牙；内冠；计算辅助设计与制造
20世纪后期，CAD/CAM技术在口腔修复领域中的应用使得口腔修复技术取得了里程碑式的发展。我国口腔医学计算机的应用与研究开始于20世纪80年代，起步相对较晚，而且主要集中在理论方面。近几年在口腔修复CAD/CAM方面研究取得了实质性的进展，如高勃等［1］利用UG和二次开发软件研究了全冠的计算机辅助设计，吕培军等［2］初步实现了冠修复体的计算机辅助设计和制造，韩景芸等［3］研究了金属全冠的CAM工艺，张翔等［4］研究了烤瓷冠基底冠模型重构方法，戴宁等［5］研究了基于DFFD的牙齿修复冠约束设计方法；但是由于起步较晚，在理论研究和软、硬件水平方面与国外差距比较大。目前国内报道的研究主要集中在磨牙全冠的制作上，尚无关于制作上颌中切牙内冠的研究报道。采用CAD/CAM技术制作上颌中切牙内冠可以在虚拟的环境中完成上颌中切牙内冠的设计，与传统方法相比克服了纯手工雕塑蜡模的不稳定、不精确的问题，用数控铣削加工代替了铸造方法，可以避免铸造工艺固有的材料收缩和表面需要再次抛光的问题，具有效率高、精度高、加工方便的特点，有效地保证了修复体的质量。
1 材料与方法
11 材料与设备
111 标本 选择上颌中切牙修复病例，常规方法备牙、取模、灌注石膏模型。
112 硬件组成 德国ATOS Ⅱ光学测量仪。该测量仪具有1个激光发生器、2个CCD摄像头、1副移动旋转支架和1个回转工作台。主要参数：相机分辨率为1280×1024像素，7s最多可测定130万个点，照片精度为±002mm。测量采用投影光栅的原理，投射一束光线到被测物体上，CCD摄像头通过捕捉物体表面反射光角度的变化，计算物体表面三维坐标。通过旋转将物体表面所有信息采集完全后，自动完成各次扫描数据的拼合。微型计算机一台（基本配置：CPU P 26 G，内存256 M，硬盘80 G，显卡GeForce2 MX400 64 M）；北京精雕 (JDSign60)三轴高速数控铣削加工中心；试切材料为有机玻璃。
113 软件组成 操作系统Windows XP； Geomagic 80、UG NX、三维口腔修复CAD软件原形系统（自行研制）。
12 设计流程
121 预备体表面数据获取与处理 利用德国ATOS Ⅱ光学测量仪对预备体石膏模型进行测量。测量时，将石膏模型固定在专用工作台上，并在工作台上按照测量的需要粘贴分布均匀的参考点。一次扫描完成后，工作台自动按照固定方向旋转固定角度。每次旋转必须确保当前状态与前一次共享3个以上的参考点，以保证各次扫描数据可以准确拼合。测量完成后，系统自动完成各次扫描结果的拼合，输出数字模型。因为牙体表面形状复杂，所得三角片模型必然存在孔洞、噪音等缺陷，所以需要将测得的数据导入Geomagic软件处理，修补孔洞，去除表面噪音，平滑毛刺点。最终所得数据模型应保证表面完整、光滑（图1）。
图1 处理后的数据模型（略）
Fig 1 The model after fixed
122 预备体曲面重构 利用ATOS Ⅱ测量所得数据格式为STL文件，无法直接用于内冠重构，必须将其拟合为曲面后才能在该曲面的基础上进行设计。首先，自动提取并拟合颈缘线。利用测量数据在颈缘线处的曲率明显大于其它部位且成环状的特征，先对整个三角片模型的曲率进行计算，确定出颈缘线可能处于的大致区域，最后对该区域进行拟合，确定颈缘线的具体位置（图2）。
图2 颈缘线自动识别结果（略）
Fig 2 The automatically painted preparation line
其次，进行三角片切分，去除颈缘线以下的冗余数据，对剩余的预备体表面数据进行曲面拟合［6］。曲面拟合完成后，对曲面进行误差检测以保证曲面质量。如超出误差要求则返回前一步，调整拟合参数重新拟合。图3为拟合后的曲面。
图3 拟合后的曲面（略）
Fig 3 The surfaces after fitted
123 内冠的内表面与外表面设计 预备体表面重构完成之后，就可以在该曲面的基础上进行内冠设计。本研究分别针对无颈环和半颈环两种样式进行设计［7］。（1）将内颈缘线以上的曲面向外等距005mm生成等距曲面，这样粘固时可为填充粘结剂留出空间，同时也能防止因拟合和加工的误差导致内冠的内表面与预备体不匹配而无法佩戴的发生。（2）按照临床要求，对生成的等距曲面向外增厚04mm，形成上颌中切牙内冠外表面阶台以上的部分。（3）在外表面底部曲线环与外颈缘线之间，根据无颈环内冠和半颈环内冠的不同要求，生成外形轮廓线，通过扫描得到阶台部分，从而形成一个完整的内冠外表面。（4）根据患者颌牙的情况对内冠外表面形态作微小调整，确保内冠设计的精确性。图4为设计完成的无颈环内冠与半颈环内冠。
图4 无颈环内冠与半颈环内冠（略）
Fig 4 The non collor coping crowns on maxillary incisor（略）
13 加工流程采用北京精雕三轴高速数控铣削加工中心对设计完成的模型进行加工。加工材料可选取钯银合金、不锈钢等，本研究采用有机玻璃进行试切。加工时，机床主轴转速为20000r・min-1，粗加工采用2平底铣刀，走刀方式为等高线型，进给速度1m・s-1；精加工选用1球头铣刀，采用Z字型刀轨，进给速度为04m・s-1。加工采用内外表面分别加工的方法，首先加工精度要求较高的内表面，完成后填充石膏，加强内表面强度，打定位销，再翻面利用定位销将毛坯精确定位于原位完成外表面的加工。
2 结果
根据设计出的模型利用数控精雕铣床加工出的实物（图5）符合设计要求，加工质量稳定，精度高，与预备体的贴合程度较好（图6）。利用CAD/CAM技术设计制作上颌中切牙内冠，与传统方法相比具有省时、省力、精确的特点，具有很高的临床实用价值。
图5 半颈环内冠内外表面（略）
Fig 5 The inner and outer surfaces of the half collor coping crowns
图6 半颈环内冠佩戴图（略）
Fig 6 The half collar coping crown fits the model
3 讨论
CAD/CAM技术在口腔修复领域的应用使口腔修复学取得了革命性的发展，大大缩短了治疗周期，减少了病人的痛苦，提高了修复体的制作效率和质量。德、日等国已经推出多种商品化的齿科CAD/CAM软硬件系统。我国相关研究开展较晚，在设计、制造等方面与国外还有相当大的差距。引进国外设备存在价格过高等问题，所以开发具有自主知识产权的齿科CAD/CAM系统是十分必要的。本研究内冠又称烤瓷金属基底冠，是制作烤瓷熔附金属全冠的金属基底，通常由镍铬、钯银等合金制成，通过在其表面覆盖与天然牙相似的低熔瓷粉，再在真空高温瓷炉中烧结熔附得到烤瓷金属全冠。根据是否具有颈环特征，内冠可以分为无颈环内冠、半颈环内冠和全颈环内冠。我们采用通用CAD软件与自行开发的三维口腔修复CAD软件原形系统相结合的方法设计了上颌中切牙内冠，并利用高速精雕铣床加工出实物，大大提高了设计和加工过程的自动化程度。整个设计和加工过程可以在2h内完成。设计阶段：（1）所采用的简单、可靠的虚拟可视化设计方法完全避免了手工雕塑蜡模的过程，缩短了治疗时间，降低了医生的工作量。（2）颈缘线采用计算机自动提取，使得颈缘线的提取精度相对手工提取大大提高，保证了内冠的密合度，提高了修复体质量。（3）外表面设计完成后可以针对患者对颌牙的情况对其进行微小变形调整，进一步满足了患者的个性化要求。制造阶段：采用的三轴数控精雕铣床加工的方式精度很高，而且材料不受热，所以可以完全避免铸造带来的材料收缩问题。所用刀具很细，刀轨也很细密，所以加工后的表面比较光滑，完全可以直接佩戴，省去了再次抛光的过程。加工时间和简易程度均明显优于传统铸造方法。目前自主开发的三维口腔修复CAD软件原形系统在制作上颌中切牙内冠的过程中发挥了重要的作用，但还有一些设计模块需要进一步完善功能和改进算法。曲面拟合的精度虽然已经满足临床要求，但仍需进一步提高。加工过程中采用的定位销定位方法，精度虽然可以满足要求，但是增加了加工步骤，使得加工的不确定因素增多，所以在今后的工作中还应对夹具做进一步改进，以减少内外表面的定位误差，提高加工效率。随着患者对口腔修复体制作质量、效率等要求的不断提高，在口腔修复领域应用CAD/CAM的数字化快速设计技术将是今后我国口腔修复技术研究发展的重点。本研究使用自主开发的三维口腔修复CAD软件原形系统，通过模型测量、预备体表面拟合、内冠设计和数控加工等步骤，设计、制作上颌中切牙内冠的方法高效、简单、精确，为上颌中切牙内冠的数字化设计和制造提供了新的思路，为研制国产口腔修复CAD系统提供了第一手的资料。
［参考文献］
［1］高勃，王忠义，施长溪 下颌磨牙全冠计算机辅助设计初步［J］. 实用口腔医学杂志，1999，4:304305.
［2］吕培军，李彦生，王勇 国产口腔修复CAD/CAM系统的研究与开发［J］. 实用口腔医学杂志，2002，5:367370.
［3］韩景芸，费仁元，李彦生 金属全冠的CAM工艺技术研究［J］. 现代制造工程， 2004，10:1012.
［4］张翔，廖文和，俞青，等 烤瓷冠基底冠模型重构方法研究［J］. 东南大学学报：医学版，2006，25(1):15.
［5］戴宁，程筱盛，俞青，等 基于DFFD的牙齿修复冠约束设计方法的研究［J］. 东南大学学报：医学版，2005，24(1):2832.
关键词：计算机辅助设计软件；室内设计；应用研究
随着科学技术的不断发展，计算机技术在各行各业得到不断普及。室内设计也迎来新的春天，计算机技术与传统的技术相比，摆脱了原有的绘图工具来进行手工制作室内设计模型，更多地是运用计算机2D绘图软件和3D绘图软件来制作室内设计模型。这种制作方式是对传统制作方式的一种革新，具有一定的新颖性的特点，能够很好地彰显设计者的思想风格。
1 计算机辅助设计软件的基本认识
计算机辅助设计软件，是指运用计算机中的图形功能，采取相应的交互技术，图形变换技术、曲面造型、实体造型等技术进行相应的图形设计，帮助设计人员完成设计工作的一种数据系统[1]。这种数据系统通常是以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要是有图形显示终端、图形输入板、计算机主机等组成。第一台计算机绘图系统是在上个世纪五十年代产生，发源地是美国，是较为简单的绘图使用的计算机辅助设计技术。到了六十年代，计算机辅助设计技术有一定的进步，开始出现了CAD的曲面片技术，完整的CAD系统是七十年形成的。八十年代，随着集成电路在微处理器和存储器上的运用，CAD技术得到在中小型企业中逐步普及。
2 计算机辅助软件所具有的作用
计算机辅助设计软件最为重要的作用是可以直观地体现出设计作品的重要内容[2]。对于室内设计专业教学而言，计算机辅助设计软件呈现的设计作品比传统手工作品更加重要。目前来说，比较常见的计算机辅助设计软件主要有这么几种，分别是二维绘图软件、三维模型塑造件、图片与动画渲染软件和视频编辑软件等。计算机辅助设计软件最为特殊的的作用是可以呈现设计者的基本理念和创新设计。在室内设计过程中，设计者并不是固守在再设计方案的框架中，而是对设计作品反复打磨，认真仔细地做好每个环节，在不知不觉中融入了设计者的创新性思维，进而运用二维绘图软件和三维模型塑造软件来创造出新颖而独特的室内设计作品。计算机辅助设计软件最为实用的作用是可以运用计算机辅助设计软件对室内设计作品进行反复修改，从而提升室内设计作品的质量，减少手工制作的成本，缩短完成作品的时间。所以，计算机辅助设计软件在室内设计中的应用时无法取代的。
3 计算机辅助设计软件在室内设计中的应用
3.1 运用CAD软件，绘制出基本室内设计草图
对于室内设计者而言，绘制绘制出基本室内设计草图，必须要进行相应的实地考察和实地测量，采集相应的数据资料，根据数据资料来规划室内设计方案，从而提出一个有效地室内设计方案[3]。这个室内设计方案既要保证环境协调，又要构思独特而且布局完美。根据相应的基本数据资料，运用CAD软件相应的绘制出原始户型图、平面布置图、地材图等等各种草图，使这些草图富有一定的系统性和结构性，为实际室内设计施工提供依据。
3.2 通过三维模型塑造软件，建立真实的室内设计模型场景
建立真实的室内设计模型，主要有三步骤的内容，分别是建模设计、灯光设计、建模设计。根据CAD制作的相应的室内设计的草图，通过三维模型塑造软件建立室内设计的基本模型，再根据室内设计的实际要求，在基本模型上进行相应的调整和修改，进而制作出完整的室内设计的模型。其中的建模过程是把CAD制作的相应的室内设计的草图导入到三维模型塑造软件，再根据室内设计方案制作和完成模型制作。灯光设计。由于室内环境与灯光有着密切关系，所以对于灯光也要进行相应的设计，以便保证室内环境整体上的协调。再设计灯光时，必须要考虑场景的不同，采用不同形式灯光及其数量，必要突出最基本灯光类型类即主光、辅助光和背景光。主光要凸现形象美，辅助光是主光的补充，背景光具有很强的层次感。巡游动画设置。建立了相应的三维模型后，为达到强烈的视觉冲击效果，使该模型在视频上更具有立体化，从而形成无以伦比的动画模式。室内设计者往往要对模型进行拍摄，一人的视觉作为标准，一般采用人身高的摄像机，然后运用摄像机的方向、位置来呈现室内设计最出彩的部分。
3.3 通过Vray渲染技术进行效果渲染和PhotoShop后期处理技术
Vray是针对三维模型的一种独特渲染，特别是要达到全局照明、光迹追踪等一些特殊效果。与3ds Max内置材质不一样，Vray的反射、折射、透明参数都排列在基本参数卷展览中分区域。运用PhotoShop，能够调整图像画面的影像敏感以及色彩效果，从而构图设计出室内周围的环境。对于PremierePro里执行而言，后期处理归为最终步骤，可以经由渲染出的连续。tga文件，将视频动画进行导出，能够更加清晰的让人们观看到画面效果。
4 结语
由于计算机技术的不断革新和普及，使得人们对于高新技术行业的认识不断加深，对于室内设计的要求越来越高，致使传统的室内设计已经无法满足人们的设计需求多样化和现代化，才会孕育出在室内设计上运用计算机技术地想法。正是这种想法，颠覆了以往的传统的室内设计，改手工制作为计算机辅助设计软件制作，从而节省制作时间和制作成本。同时，这种制作方式，能够很好地迎合现代人的口味，便以设计者随时更改设计风格，从而达到现代化的审美体验。
参看文献：
[1]马爱平。浅析计算机辅助设计软件在室内设计中的应用[J].沿海企业与科技，2012，0723：23-25.
[2]林春蕾。计算机辅助设计软件在室内设计中的应用[J].企业技术开发，2015，03（43）：69-70.
界，构造了用户能与之进行各个层次交互处理的虚拟信息空间。
1.3 多媒体仿真技术
它是在科学计算机可视化和可视仿真技术基础上发展起来的，它用不同媒体形态描述不同性质的模型信息，将系统行为和形态、数学模型和物理模型以及它们的时空表现模式，有机统一地建模和求解。这种特点更适合于科学研究和工程设计的需要，因而受到工程界的普遍重视。
2 计算机辅助设计的发展及重要性
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机器生产的前提，同时也是决定机械性能的最主要因素，一部机器的质量及工作性能的好坏很大程度上取决于设计质量，狭义的机械设计仅指技术性的设计过程，广义的机械设计是指设计者根据使用要求和现有的条件，对机械的工作原理、结构、刚度和强度、各个零部件的材料和形状尺寸、以及润滑方法、力和能量的传递方式等进行分析、构思和计算，并将其形成具体的描述以作为机械制造依据的工作过程。这不仅是一个创造性的工作，同时也是建立在丰富的成功经验基础上的工作，只有将两者结合起来，才能设计出高质量的机器。
机械设计的所有步骤几乎都需要计算机的帮助。图形的编辑、修改，大量数据的计算和比较，对零部件动力、强度等方面的精确测试，都需要相应的计算机软件的支持。除了这些繁琐的工作可由计算机替代外，设计者还可以利用计算机进行虚拟样机的构建，也就是根据图纸，在计算机上制造一个模拟样机，对它的工作性能、受力情况、热度等各方面进行验证，根据出现的状况修改原设计，从而达到完善的程度。随着计算机技术的发展，计算机正在越来越广泛地应用于机械设计的各个方面以及各种各样的机械设计中，它在提高机械设计的质量和转化为实际制造的效率方面，发挥着重要作用。计算机辅助设计便是伴随着计算机技术的发展而出现，并广泛应用于多种学科的一种方法。计算机辅助设计又被称作“CAD”,是由计算机帮助设计人员完成机械设计中的计算、制图、模拟等工作，并在不断修改和反复验证的基础上，输出满意的设计结果和最后的产品图纸的一门技术。
20世纪60年代初，麻省理工学院的一名研究生发表了题为《人机对话图形通信系统》的论文，首次提出了交互技术及计算机和图形符号的存储采用分层的思想，为CAD技术的确立提供了理论支撑。随着这一理论的不断完善，众多行业的领军人物开始认识到计算机辅助技术的重大作用，并投入重金研发。美国的IBM公司开发了以大型机为基础的CAD系统，该系统具有绘图、数控编制等功能，之后有关计算机辅助设计的研制与开发接踵而至，通用汽车公司研制出了用于汽车设计的DAC-1系统，洛克希飞机公司研发的CADAM系统，适用于不同阶段的飞机设计。这时的计算机辅助设计系统都是在大型机或超级小型机的基础上开发的，购买这套系统通常需要上百万美元，因而这一系统只在经济实力比较雄厚、规模较大的航空、汽车、轮船、石油等行业应用。
在20世纪70年代初出现了柔性制造系统FMS“,柔性”意为在使用计算机制造产品的过程中，制造系统会根据所编程序中指令的变换而改变加工过程，这种适应性以及加工的灵活性被称为“柔性”。我国对FMS的定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量的生产。随着计算机技术、通讯技术等的发展，CAD技术也日益走向完善，比如80年代出现的由超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件，使得CAD技术在中小企业逐渐普及，从飞机、汽车到服装、建筑、出版等行业都开始采用CAD技术。如今，计算机辅助设计技术已在机械制造业得到广泛应用，而且现在的CAD应用系统可以将机械设计中的绘图、分析、数据处理、仿真、加工修改等一系列环节集于一身，大大缩短了设计时间，提高了设计效率和质量，降低了生产成本与制造周期。CAD的常用软件有很多，但由Parametric Technology公司推出的Pro/Engineer产品，在目前三维造型软件领域中占有重要地位，引领着CAD技术的新潮流。
3 逆向工程中CAD的应用
逆向工程是一种消化、吸收先进设计的重要手 段。技术的自主研发固然重要，但研发成本却是相当高昂的，而且研发过程还受到科技人员的素质、国家财政的投入、现有条件等各方面因素的影响，因而一项新技术的产生通常需要几年甚至十几年的时间，这对于技术条件及设备相对落后的发展中国家而言是不可想象的。因而，充分利用他国的科技成果，在消化、吸收的基础上再进行创新不失为一种加
快科技发展的重要手段。日本在二战结束后的重新崛起，很大程度上是因为他大规模引进美国、英国等欧洲发达国家的先进技术，并做了很好地消化吸收，从而转化为本国生产力的一部分。逆向工程就是在只有产品或实物模型的条件下，在了解产品原设计的基础上，逆向重构产品零部件的CAD模型，已达到设计创新的目的。以前的“逆向工程”技术的研究和应用都集中在实物方面，即在拆解原有产品的过程中，重建产品实物模型，以实现新产品的制造。随着现在机械制造技术的发展，可以通过坐标测量设备、通用的CAD软件等方法，把实物样件转化为CAD模型，综合利用CAM(计算机辅助制造)、CIMS(计算机集成制造系统)等技术对其进行处理和再设计。Pro/Engineer软件中SCAN-TOOLS是一个专用的逆向设计模块，可以通过数据点构造网格曲线，并对点云进行拟合，以得到光滑、连续的曲面，再对曲面进行交互修改，从而得到与实物一致的CAD模型。SCAN-TOOLS与Pro/SURFACE配合使用，可以在曲面生成后，通过切割、裁剪、延伸等工作，将曲面转换为实体，再利用Pro/Engineer软件基于特征的参数化设计功能，完成模型的二次设计，实现CAD模型的重建。
结语
计算机辅助设计技术在确保机械设计的精度、处理机械设计中的大量数据、绘制复杂图形等方面发挥着重要作用，但这些计算机辅助设计的技术大都产自欧美等发达国家，我国自主研发的较少，加之对引进他国的技术没有完全消化，致使我国的机械制造业水平同国外相比，还存在较大差距，仅以目前的矿山机械设备为例，我国的输送机特性研究只有理论，还没有成熟的安全设计方法。因而，应加强计算机辅助设计的自主研发能力，为我国的机械设计提供必要的技术支撑，从而提高我国的机械装备水平。
参考文献