Luận văn: Nghiên cứu phương pháp quét 3D răng ứng dụng trong nha khoa - Nguyễn Văn Hòa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp quét 3D răng và ứng dụng trong nha khoa. Phân tích công nghệ, thuật toán và quy trình tạo mô hình 3D chính xác.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hòa
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Hồng Hải
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Quét 3D Răng Ứng Dụng Trong Nha Khoa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp quét 3D răng trong nha khoa

Phương pháp quét 3D răng đang trở thành công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực nha khoa hiện đại. Công nghệ này cho phép các nha sĩ tạo ra mô hình 3D chính xác của hàm răng người, hỗ trợ đắc lực trong việc thiết kế và gia công răng giả. So với phương pháp truyền thống, quét 3D cung cấp độ chính xác cao hơn, giảm thời gian điều trị và nâng cao chất lượng phục hình. Hàm răng con người có biên dạng phức tạp, do đó việc xây dựng mô hình 3D hoàn thiện là thách thức lớn. Ứng dụng thuật toán ICP (Iterative Closest Point) và GO-ICP giúp tối ưu hóa độ chính xác của mô hình, hạn chế hiện tượng vỡ điểm ảnh và đảm bảo kết quả chính xác nhất.

1.1. Sự phát triển của công nghệ quét 3D trong nha khoa

Công nghệ quét 3D đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Từ phương pháp truyền thống (lấy dấu răng) đến phương pháp kỹ thuật số không tiếp xúc, công nghệ không ngừng cải tiến. Máy quét 3D Laserdenta là một trong những thiết bị tiên tiến, cho phép quét mẫu hàm răng dưới thạch cao với độ chính xác cao. Sự phát triển này mang lại nhiều lợi ích cho bệnh nhân và nha sĩ trong quá trình điều trị.

1.2. Ứng dụng trong phục hình nha khoa

Phục hình nha khoa là ứng dụng chính của quét 3D. Công nghệ này hỗ trợ gia công chính xác biên dạng răng, tạo ra răng giả phù hợp với cấu trúc tự nhiên. Từ quét mẫu đến thiết kế, công nghệ này rút ngắn thời gian điều trị đáng kể.

II. Kỹ thuật xử lý ảnh và nguyên lý hoạt động máy quét 3D

Kỹ thuật xử lý ảnh là nền tảng của quét 3D hiệu quả. Máy quét 3D hoạt động dựa trên các nguyên lý quang học, chụp nhiều hình ảnh từ các góc độ khác nhau để tái tạo mô hình 3D. Quá trình này bao gồm lọc nhiễu, trích xuất cạnh và xử lý dữ liệu. Kỹ thuật mặt nạ cơ bản được áp dụng để tìm đường biên theo chiều đọc. Nhiễu Gaussian và nhiễu mudi thường gặp trong quá trình quét cần được xử lí để đảm bảo chất lượng mô hình. Các bộ lọc tiên tiến giúp loại bỏ nhiễu hiệu quả, từ đó nâng cao độ chính xác của mô hình 3D cuối cùng.

2.1. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh nha khoa

Xử lý ảnh trong nha khoa phải giải quyết nhiều thách thức. Noise (nhiễu) từ thiết bị quét ảnh hưởng đến chất lượng ảnh. Trích xuất cạnh giúp xác định ranh giới chính xác của các cấu trúc. Các kỹ thuật lọc như Gaussian blur được sử dụng để làm mịn ảnh và giảm nhiễu, đảm bảo dữ liệu đầu vào cho các thuật toán tiếp theo.

2.2. Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D

Máy quét 3D sử dụng công nghệ laser hoặc công nghệ cấu trúc sáng để quét bề mặt. Cảm biến trên máy ghi nhận độ sâu và tọa độ không gian của mỗi điểm. Dữ liệu này được xử lý để tạo thành đám mây điểm, từ đó ghép nối thành mô hình 3D hoàn chỉnh.

III. Thuật toán ICP và GO ICP trong tối ưu hóa mô hình 3D

Thuật toán ICP (Iterative Closest Point) là phương pháp cốt lõi để ghép nối các đám mây điểm thành mô hình 3D hoàn chỉnh. Thuật toán này hoạt động bằng cách tìm điểm tương ứng giữa hai đám mây điểm và tính toán phép biến đổi tối ưu. GO-ICP (Global Optimization - ICP) là phiên bản cải tiến, giải quyết vấn đề tối ưu hóa toàn cục, từ đó nâng cao độ chính xác. Quá trình liên kết từng cặp đám mây điểm được thực hiện lặp đi lặp lại cho đến khi đạt độ hội tụ. Phương pháp ghép thô SAC-IA được sử dụng trước đó để chuẩn bị dữ liệu tốt hơn. Các thuật toán này giúp hạn chế vỡ điểm ảnh và tạo ra mô hình 3D chính xác, sẵn sàng cho quá trình gia công nha khoa.

3.1. Giải thuật ICP và nguyên lý hoạt động

ICP hoạt động qua các bước lặp: tìm điểm gần nhất, tính ma trận biến đổi, và áp dụng phép quay và tịnh tiến. Quá trình lặp cho đến khi sai số giữa hai đám mây điểm nhỏ nhất. Thuật toán ICP được viết bằng ngôn ngữ C++, đảm bảo tốc độ xử lý cao và hiệu quả tính toán tốt.

3.2. GO ICP và tối ưu hóa toàn cục

GO-ICP khắc phục hạn chế của ICP bằng cách tìm giải pháp tối ưu toàn cục thay vì chỉ tối ưu cục bộ. Thuật toán này sử dụng kỹ thuật tìm kiếm nâng cao để khám phá không gian giải pháp một cách toàn diện, đảm bảo kết quả chính xác nhất.

IV. Quy trình thực hành và ứng dụng thực tế

Quy trình quét 3D trong thực hành nha khoa bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, mẫu hàm răng dưới thạch cao được đưa vào máy quét 3D Laserdenta. Sau đó, tiến hành hiệu chỉnh máy để đảm bảo độ chính xác cao nhất. Quét mẫu được thực hiện từ nhiều góc độ khác nhau. Dữ liệu được xử lý bằng thuật toán GO-ICP để tạo mô hình 3D hoàn thiện. Sử dụng phần mềm Geomagic Control để kiểm tra sai lệch giữa mô hình dự tính và thực tế. Phần mềm 3D Builder giúp chỉnh sửa và tạo khối mô hình. Cuối cùng, phần mềm Sum3D được dùng để đưa ra file G-code cho quá trình gia công trên máy CNC, tạo ra răng giả hoàn chỉnh với độ chính xác cao.

4.1. Quy trình quét và xử lý dữ liệu

Hiệu chỉnh máy quét 3D là bước đầu tiên quan trọng để đảm bảo chất lượng quét. Tiến hành quét mẫu từ các góc độ khác nhau, thu thập dữ liệu chi tiết. Sử dụng thuật toán GO-ICP để ghép nối các dữ liệu quét thành mô hình 3D hoàn chỉnh. Geomagic Control giúp so sánh và đánh giá sai lệch mô hình.

4.2. Thiết kế và gia công răng giả

Phần mềm 3D Builder cho phép chỉnh sửa biên dạng răng và tạo khối mô hình. Chọn mẫu răng từ thư viện, điều chỉnh thông số độ dày và hình dạng. Sum3D tạo ra file G-code để gia công trên máy, tạo ra răng giả chính xác, sẵn sàng cho bệnh nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỎNG QUAN.Phương pháp truyền thống (Lay dau rang): .Phương pháp kỹ thuật số (không tiếp xúc). a) Phương pháp kỹ thuật số thông thường. _ 11 b) Phuong phap kf thuat sé siéu toc (khéng tiép xtic) 12 CHUONG I: KY THUAT XU LY ANH TRONG NHA KHOA VA NGUYEN LÝ HOAT DONG CUA MAY QUET 3D.K¥ thuat xu ly anh trong Nha khoa .1, Cac van đề cơ bản trong xử ly ảnh 16 2. Kĩ thuật mặt nạ cơ bản 18 2.

Các kỹ thuật lọc nhiễu mua sine vuitseuse 19 2.Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D. CHUONG III: THUAT TOAN ICP VA GO-ICP 3.Tổng quan về thuật toán ICP. a) Giải thuật ICP. 39 b)Phương pháp ghép thô SAC-IA.

sas at c) Quá trình liên kết từng cặp đám mây điểm thành vật thể hoàn chỉnh.Thuật toán GO-ICP CHUONG IV: HE THONG THi NGHIEM nd 4.Quét mẫu hàm răng dưới thạch cao bằng máy Quét 3D Laserdenta.69 a) Hiệu chỉnh máy Quét 3D. nh No swnsaussraerso. b) Tiến hành quét mẫu. soe TS HV: Nguyén Van Hoa 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.

Hoang Hồng Hải LOI NOI DAU Hiện nay, công nghệ quét 3D đang nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty ứng dụng quy trình tạo mẫu ngược vào sản xuất Các ứng dụng của công nghệ quét 3D đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quét mẫu đúc, tạo hình cơ khí, phục hình nha khoa. Trong nha khoa, công nghệ quét 3D đang được áp dụng rộng rãi với vai trò hỗ trợ gia công chính xác biên dạng răng. Tuy nhiên, với biên dạng phức tạp của hàm răng người, việc đưa ra mô hình 3D hoàn thiên là trở ngai lớn nhất đối với công nghệ quét 3D hiện nay Để nâng cao độ chính xác của m6 hinh 3D, thuat toan interative closest point duoc viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ được áp dung giúp cho việc xây dựng biên dạng răng người một cách chính xác, hạn chế việc mô hình bị vỡ điểm ảnh. Mặc dù đã hạn chế được việc mô hình bị vỡ điểm ảnh.

Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện hạn chế nên đề tài của tôi vẫn chưa được tối ưu nhất. Tôi mong sự đóng góp và sửa chữa để để tài này mang lại kết quả tốt nhất Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Hoàng Hồng Hải đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. HV: Nguyén Van Hoa 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.

Hoang Hồng Hải Loi cam doan Tôi tên là: Nguyễn Văn Hòa Lớp: I6BCTM.KT Khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu phương pháp quét 3D răng ứng dụng trong Nha khoa Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận văn là của riêng tôi và chưa được công bồ trong bắt kì công trình nghiên cứu nào Hà nộ ngày tháng năm Học viên ———— HV: Nguyén Van Hòa 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Hoang Hồng Hải Loi cam doan Tôi tên là: Nguyễn Văn Hòa Lớp: I6BCTM.KT Khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy Đề tài: Nghiên cứu phương pháp quét 3D răng ứng dụng trong Nha khoa Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận văn là của riêng tôi và chưa được công bồ trong bắt kì công trình nghiên cứu nào Hà nộ ngày tháng năm Học viên ———— HV: Nguyén Van Hòa 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Hoang Hong Hai c) Str dung thuat toan GO - ICP (Global Optimization — Iterative Closest Point). 78 d) Su dung phan mém Geomagic Control.Sử dụng phần mềm 3D builder để chỉnh sửa và tạo khối 4.

Thiết kế răng giả dựa trên file .stl đã được hoàn chỉnh.Sử dụng phần mềm Sum3D để đưa ra file G-code gia công răng trên „91 -93 TÀI LIỆU THAM KHẢO. -94 —_——[——S— HV: Nguyén Van Hoa t Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Hoang Hồng Hải Hinh 5.14: Qua trinh ghép rang tho.15: Quá trình ghép rang tini Hình 5.16: Mô hình 3D hoàn thiệi Mình 5.17: Mô hình 3D hàm răng đã được quét bằng máy imetric Lm và mô hình 3D hàm răng đã được tối wu hóa bằng thuật toán GO-ICP.18: So sánh sai lệch giữa 2 mô hình.19: Bảng so sánh sai lệch.20: Mlàn hình khởi động phan mềm 3D builder.21: Mô hình 3D hàm răng đã được tạo khối.22: Cắt bỏ phân không cần thiết trên mô hình 3D.23: Chọn đường hoàn tất thô Hình 5.24: Chọn đường hoàn tắt tinh.25: Chọn mẫu răng trong thư viện.26: Chọn thông số độ dày.27: Chỉnh sửa biên dạng răng.28: Mô hình chiếc răng hoàn chỉnh Hình 5.29: Màn hình khởi động phần mềm Sum3D.30: Chọn phôi và vật liệu Hình 5.31: Chỉnh vị trí gia công và chân r ———— HV: Nguyén Van Hoa 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Hoàng Hồng Hải DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tạo răng giả bằng phương pháp truyền thống.2: Tạo răng giả bằng phương pháp kỹ thuật số.3: Tạo răng giá bằng phương pháp kỹ thuật sỐ siêu tốc.1: Phương pháp dùng mặt nạ để tìm đường biên theo chiều đọc.2: Nhiễu phụ thuộc vào đữ liệu.3: Nhiễu Gaussian trước và sau khi xử lí.4: Nhiéu mudi tiêu trước và sau khi xử lí.5: Kết quả trích xuất cạnh sử dụng phương pháp dò cạnh Robert Cross «ed Hình 2.6: Kết quả trích xuất cạnh sử dụng phương pháp đò cạnh Sobel.

Kết quả trích xuất cạnh sử dụng phương pháp dé cạnh Canny.1: Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D.2: Phương pháp tam giác điểm .3: Hình ảnh quá trình quét. vai SUỐI Hình 4.1: Kết quả ghép nỗi hai đám mây điểm đùng ICP .2: Kết quả ghép nỗi hai đám mây điểm dùng ICP khi góc lệch hai đám mây điểm gân bằng 30°.3: Kết quả ghép nồi ICP sai số nhiều khi đám mây điểm có góc lệch lớn.4: Ước lượng vector pháp tuyến bề mặt: pháp tuyến tại một điểm được tước lượng từ các lân cận của nó nằm trong mặt câu có bản kính 0.5: Biểu diễn khung Darboux và góc đặc tính PEH cho cặp điểm 7: và /: cũng với vector pháp tuyễn tương ứng n; và n.6: Biểu đồ vùng tỉnh toán PEH. Điêm truy vấn (đỏ) và k-diém lân cận (xanh) được nồi với nhau thành lưới.7: Lí dụ biểu diễn PEH của hai lớp điểm trong cùng đám mây điềm.8: Biểu đồ vùng tính toán dac tinh Fast Point Feature Histogram. 51 ee HV: Nguyén Van Hoa 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.

Hoang Hồng Hải LOI NOI DAU Hiện nay, công nghệ quét 3D đang nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty ứng dụng quy trình tạo mẫu ngược vào sản xuất Các ứng dụng của công nghệ quét 3D đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quét mẫu đúc, tạo hình cơ khí, phục hình nha khoa. Trong nha khoa, công nghệ quét 3D đang được áp dụng rộng rãi với vai trò hỗ trợ gia công chính xác biên dạng răng. Tuy nhiên, với biên dạng phức tạp của hàm răng người, việc đưa ra mô hình 3D hoàn thiên là trở ngai lớn nhất đối với công nghệ quét 3D hiện nay Để nâng cao độ chính xác của m6 hinh 3D, thuat toan interative closest point duoc viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ được áp dung giúp cho việc xây dựng biên dạng răng người một cách chính xác, hạn chế việc mô hình bị vỡ điểm ảnh. Mặc dù đã hạn chế được việc mô hình bị vỡ điểm ảnh.

Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện hạn chế nên đề tài của tôi vẫn chưa được tối ưu nhất. Tôi mong sự đóng góp và sửa chữa để để tài này mang lại kết quả tốt nhất Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Hoàng Hồng Hải đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. HV: Nguyén Van Hoa 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.

Hoàng Hồng Hải MO DAU 1. Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ quét 3D là một quá trình xác định hình dạng bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều để tạo ra mô hình kỹ thuật số 3D. Quét 3D đã mở ra một bước ngoặt mới trong công nghệ 3D, bất kỳ mô hình vật chất nảo tổn tại trên thể giới đều có thể mô hình hóa bằng dữ liêu kỹ thuật số chỉ trong vòng vài giờ đồng hồ. Công nghệ này được ửng dụng trong nhiều lĩnh vực từ sản xuất, khảo cổ học, y tế đến giao thông, xây dựng Trong y học, công nghệ quét 3D được phát triển rất nhanh.

Từ nhu cầu của việc cần thiết tạo chính xác số lượng lớn mô hình 3D hảm răng của các ngành Nha khoa phục hồi và chỉnh hình. Hiên nay, có rất nhiều thiết bị quét 3D cho ngành Nha khoa phục hồi được phát triển trên toàn thế giới. Tuy nhiên, các thiết bị này đều gặp phải vấn đề là mô hình khi quét ra đa số bị phân mảnh, không thể quét được toàn bộ đám mây điểm của vật thể, điều này gây ảnh hưởng đến việc gia công chính xác biên dạng răng. Xuất phát từ tầm quan trọng của việc nâng cao độ chính xác của mô hình 3D răng.

Do vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp quét 3D răng ứng dụng trong Nha khoa”. Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu là mô hình mẫu răng thạch cao của người. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài là nghiên cứu ứng dụng của công nghệ quét 3D trong Nha khoa và xây dựng một thuật toán ghép đám mây điểm của từng chiếc răng vào mô hình 3D tổng thể của hàm răng người để khắc phục việc mô hình 3D hàm răng bị vỡ điểm ảnh qua đó hỗ trợ trong việc gia công răng khi sử dụng máy quét 3D Laserdenta. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ~_ Nghiên cứu lý thuyết về quét 3D - Nghiên cửu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy quét 3D Laserdenta.

HV: Nguyén Van Hoa 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Hoang Hồng Hải Hinh 5.14: Qua trinh ghép rang tho.15: Quá trình ghép rang tini Hình 5.16: Mô hình 3D hoàn thiệi Mình 5.17: Mô hình 3D hàm răng đã được quét bằng máy imetric Lm và mô hình 3D hàm răng đã được tối wu hóa bằng thuật toán GO-ICP.18: So sánh sai lệch giữa 2 mô hình.19: Bảng so sánh sai lệch.20: Mlàn hình khởi động phan mềm 3D builder.21: Mô hình 3D hàm răng đã được tạo khối.22: Cắt bỏ phân không cần thiết trên mô hình 3D.23: Chọn đường hoàn tất thô Hình 5.24: Chọn đường hoàn tắt tinh.25: Chọn mẫu răng trong thư viện.26: Chọn thông số độ dày.27: Chỉnh sửa biên dạng răng.28: Mô hình chiếc răng hoàn chỉnh Hình 5.29: Màn hình khởi động phần mềm Sum3D.30: Chọn phôi và vật liệu Hình 5.31: Chỉnh vị trí gia công và chân r ———— HV: Nguyén Van Hoa 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.