研制一种牙颌模型专用三维扫描高精度光学采集系统，并在微机上进行模型线距、面积、弧度、体积的测量及拔牙模拟、矫治效果预测、咬合关系动态模拟。

        方法：依据激光三角形测距原理设计专用激光扫描仪。采用单片机控制扫描系统， PC机接收单片机传来的扫描数据，并将其转换为相应的三维坐标值。结果：研制出来的专用三维扫描仪能有效消除采集死区、精度达0.01mm。能成功对牙颌模型进行线距、弧长、面积、体积的测量以及拔牙模拟、治疗效果预测、咬合关系的动态观察。结论：该牙颌模型激光三维扫描分析系统能精确高效采集牙颌模型的立体形态，并可进行多指标的测量与模拟，也便于齿学资料的保存与观察。
　　对牙颌模型进行测量分析，是正畸医生进行牙颌畸形诊断并确定矫治计划的前提。但迄今为止，这个工作主要靠徒手操作完成，费时、费力、精度不高，而且模型的储存与管理花费大量的场地与人力。本文介绍利用激光对牙颌模型进行高精度立体信息采集，并在此基础上进行储存、观察、测量分析及矫治结果预测、咬合关系模拟的方法。
1. 牙颌模型激光三维扫描原理
　　对牙颌模型进行激光三维逆向扫描，实质是获取模型上每一个点的空间三维坐标x、y、z值。已报道的三维信息提取方法有多种［1－3］，本研究所设计的牙颌模型三维信息提取方法的理论依据是激光三角测量法。

图1　激光三角测距原理图

　　图1所示，当激光束照射到待测物体表面后，在其上形成漫反射光斑，光斑经成像物镜在CCD器件上成像。被测点与参考平面之间的距离d决定了CCD器件上像点P的位置。通过解读出P的位置即可计算出待测距离d。
　　然而，由于牙颌结构本身的特殊性，即使使用三角形测量方法，也不可避免出现测量死区，导致测量不准确。文献［3］描述的4种采集方式，均难于消除扫描盲区。文献［1］描述的扫描方式虽然消除了扫描盲区，但结构复杂。能否根据牙颌模型的结构特点，找到一种简洁而有效的扫描方式，是研究能否成功的关键。在分析牙颌模型的结构特点时，笔者发现如果用一个虚的圆环体嵌在牙颌模型上，模型上所有的牙齿都将被包容在圆环体内，并且牙齿上的每一点，都可以从与该点对应的圆环体表面法线方向观察到。因此，理想的扫描方式应该是沿圆环体表面进行，在扫描过程中，激光应始终垂直圆环体表面。

图2　扫描系统结构图

图3　激光三维扫描几何原理图

　　O1： 底盘中心，O2： 竖盘中心，R： 两盘中心O1O2的距离在底盘上的投影。
　　δx： 激光束与O1的距离在底盘上的投影。
　　δy： 激光束与O2的距离在既垂直于底盘又垂直于竖盘的平面上的投影。
　　d： 激光测距采样结果，α：底盘旋转角度，θ：竖盘旋转角度（图中未标出）。
　　其中，δx、δy为装配误差（设计值为零）
　　每一个采样点的三维坐标（x,y,z）为：
　　
　　z＝d×cosα＋δx×sinα

　　针对牙颌模型的结构特点，所设计的扫描系统结构如图2所示：水平放置的底盘由步进电机控制绕竖轴转动。垂直于底盘的竖盘，其轴固定在底盘上，由步进电机控制绕水平轴转动。两盘的转动轴相对固定，其水平距离R为前述圆环体的半径。在竖盘正前方与竖盘轴心O2等高的位置放置激光源和CCD镜头。两CCD镜头的光轴互相垂直且都与激光束成45°，它们与竖盘轴心O2在同一水平面。通过激光测距得到模型上每一点的三维坐标的几何原理（见图3）。
　　在牙颌模型激光三维扫描系统中，采用单片机作为扫描系统的控制中枢，通过控制电路来控制激光器的电源开关及两个步进电机的转动，并通过数据采集电路将数据采集到单片机。PC机在扫描过程中的作用是启动扫描过程，接收单片机传来的扫描数据，并将扫描数据转换为相应的三维坐标值。