齒科印模廣泛用于口腔修復領域,是用于口腔內形成印模,便于后期在其內灌制模型。為了測試齒科印膜材料厚度,為臨床醫學使用提供參考,采用臨床印模作為研究對象,通過光學方法,利用電荷耦合裝置(CCD)進行采集待測印模切面灰度圖像,并且該切面與鋼刻度尺置于同一平面。利用實際標尺刻度與像素間的轉換關系,對印模試件進行壁厚測量。結果表明利用光學方法測試壁厚可行,能夠到達微米量級。為類似結構的生物組織工程材料的厚度測試提供了實驗方法和技術。
引用本文： 米紅林, 吳雁, 鄭剛. 光學方法在齒科印模厚度測量中的應用研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1229-1232. doi: 10.7507/1001-5515.20140233 復制
引言
口腔修復時，制作修復體前需要制取印模，由于印模是預備體的陰型，因此齒科印模的制備直接影響到灌注模型的精準度，從而影響修復體的質量[1-2]甚至影響修復體的后續表現[3]。目前關于印模的制備[4]及其臨床使用和研究[5-9]已受到許多口腔醫務者的關注，研究者們對不同硅橡膠印模技術對模型尺寸精確性的影響[10-11]以及硅橡膠精密印模鑄造樁核臨床觀察等方面進行了深入研究[12]。印模材料的選擇有藻酸鹽、硅橡膠、彈性體印模等，其中彈性體印模是一類高分子人工合成橡膠，具有良好的彈性、韌性，而制備精確度高的印模是后期灌制牙模的關鍵，因此材料尺寸的精確測量十分重要。針對該類軟物質彈性膜厚度的測試，傳統的游標卡紙或千分尺等機械式測量方法具有一定的局限性，因此本研究采用光學方法非接觸式對印模進行壁厚測量，測試中只需采集截面圖像，與待測物彈性模量、泊松比無關，無需待測物的力學參數。結果顯示，本文方法可有效測量軟物質彈性膜的壁厚，并且操作簡單、易于推廣。
1 材料和方法
1.1 材料與實驗設備
本文以彈性體印模為研究對象，具體成分為聚醚基聚合體，通過亞胺端基聚合反應而生成。
采集圖像設備為電荷耦合裝置(charge-coupled device,CCD)，型號為大恒圖像DH-1302UM。ZOOM鏡為日本制造的AVENIR TV ZOOM LENS 12.5-75MM F1.8的鏡頭。
1.2 實驗光路
實驗光路如圖 1所示。一束白光照射在待測物體上，高分辨率CCD通過圖像卡連接于計算機上，待測試件經高倍ZOOM鏡后由CCD攝像并由專用軟件呈現于計算機屏幕。通過與試件同平面的標尺計算出每個像素代表的實際長度，然后轉換為薄膜厚度。
圖1
實驗測試光路
Figure1.
Sketch of optical arrangement
1.3 實驗試件
實驗中使用的彈性體印模如圖 2所示。為了測出齒模壁厚，將齒模沿橫向面和縱向面剖切，使待測壁厚展現出來，便于一次測出(若需測取其它部位，亦可以在其部位切剖)。在實際測試時，為了使剖切口處具有較好的對比度，要在剖切口的部位進行染色，以保證在采集后的圖像中待測部位的壁厚范圍易于識別。
圖2
待測印模實物
Figure2.
Real impression model
實驗標定時，將最小刻度為0.5 mm的鋼尺放置在水平和豎直方位，光源采用白光照明，將剖切試件待測厚度的部位置于鋼尺同一平面，由于每個像素的尺寸小于待測試件壁厚，從采集的圖像中可以讀出待測壁厚的像素數目，然后根據像素與壁厚的對應關系，求得試件壁厚值。由于采用的CCD由電腦軟件控制采集圖像，因此能夠保證標定的準確度。實驗過程中，注意調節CCD的光圈與焦距，使圖像盡可能充滿計算機屏幕并確使圖像具有較好的清晰對比度。
2 計算方法和結果
2.1 計算方法
圖 3為放大16倍的待測截面圖，各截面起點和終點像素數目的橫坐標和縱坐標可以在畫圖板里讀出，對應相減可以得到兩個直角邊像素數目，利用勾股定理得到斜邊的像素個數，再乘以實際像素代表的長度即可得到壁厚。
圖3
CCD 采集放大16倍的縱剖圖
Figure3.
longitudinal cutting map of pick-up by CCD enlarged 16 times
圖 4所示為實驗中放大兩倍的完整截面的縱剖圖像采集結果，以圖像形式顯示，從上到下依次取8個截面。圖中A、B兩點間共有140個像素，AB間實際長度為10 000 μm(即10 mm，見刻度尺)，因此得到橫向每個像素代表的實際長度尺寸為10 000 μm/140 像素=71.4 μm/像素。同理，圖中C、D兩點間共有140個像素，實際長度尺寸為10 000 μm，所以得到豎向每個像素代表的實際長度也為10 000 μm/140 像素=71.4 μm/像素。如圖 4所示，采集圖像以上述標尺可得到圖中從上至下的1~8個截面的彈性膜厚度。
圖4
CCD 采集的兩倍縱剖圖
Figure4.
longitudinal cutting map of pick-up by CCD enlarged 2 times
2.2 測試結果
測試的橫剖面和縱剖面壁厚的結果如表 1所示。
表1
橫剖圖和縱剖圖不同部位印膜厚度
Table1.
Transverse and longitudinal section thickness of impression
如表 1所示，橫剖截面一列的數據顯示壁厚較為均勻，平均壁厚為213.7 μm，標準差為26.5 μm；縱剖截面一列的數據顯示，除了兩端外，中間部分壁厚較為均勻，平均壁厚為180.5 μm，標準差為32.5 μm。 數據顯示，該印膜底部稍厚于上部分壁厚，原因是彈性體印模在凝固過程中，由于自身重量引起材料向下滑移堆積造成的底部稍微比上部偏厚。對于橫剖數據中壁厚186.4 μm和159.8 μm比同截面其它數據偏小以及縱剖數據中257.5 μm比同截面其它數據偏大的現象，分析其主要原因是印模制作過程中局部不均所造成。
針對壁厚較薄的彈性體印膜材料，機械式測試有一定難度，本研究采用最小刻度為0.5 mm的鋼尺(最小刻度0.5 mm或1 mm對本文測試沒有影響，只要能夠清楚辨別刻度即可)，兩刻度之間的像素能夠準確得出71.4 μm/像素。從本文測得壁厚數據分析，可見標尺刻度小于待測印模壁的厚度，故能夠用來定量測試該印模的厚度，精度為0.5個像素，即指可測量的精確細密程度為半個像素長度。
3 精度分析
實驗中鋼尺采用的最小刻度為0.5 mm，即圖 4中兩條短刻度線的間距。由于兩條短刻線間的像素數目為7個，因此一個像素代表 0.5 mm/7=0.071 4 mm=71.4 μm，將截面圖放大64倍，如圖 5所示，通過刻度尺，能夠將一個像素進一步等分10份，精度可以提高到0.1像素，也就是能測到7.14 μm。
圖5
放大64倍的圖像
Figure5.
Image enlarged 64 times
如圖 4所示，以10 mm間的像素數目作為計算基礎進行精確測量。為保證落在A和B兩點的像素點位于刻度線的同一位置(同在刻度線的一側，而不是肉眼看上去大概對齊)，是保證測量精度的基礎，因此作者將采集圖像放大8倍，以便能夠清楚辨別像素，如圖 6所示。在刻度尺同一側標出A、B點，兩點間實際距離為1 mm，像素個數為14個，因此1個像素代表 1 mm/14=0.071 4 mm。 光學元件在一定尺度內所含像素越多，精度越高，本文采用的最小刻度是0.5 mm的刻度尺。臨床或基礎研究中所需測量的待測物在幾十微米或者納米范圍內，可采用最小刻度0.2 mm、0.05 mm，甚至1 200 線/mm的柵板，目前柵板制作已經很成熟，可以滿足一般的需求，但使用柵板作為刻度則需要在具有CCD的電子顯微鏡下進行圖像采集。
圖6
放大8倍的圖像
Figure6.
Image enlarged 8 times
4 討論與結論
目前集三維勘測、三維成像于一體的三維數字齒雕系統已應用于口腔修復，能夠精確定義牙齒缺損部位，對優質全瓷塊體進行雕刻，從而實現對牙齒缺損全面無縫修復。利用激光掃描技術獲取修復部位模型的三維數據[13]，在計算機內獲得相應的數據文件，通過對數字化圖像的形態、大小分析，三維激光掃描技術能夠快速而準確地實現三維重建。研究人員也對三維激光掃描系統與手工測量進行了比較，結果顯示三維激光掃描系統可靠性強、穩定性好[14-15]。當前計算機掃描光學印模技術和三維齒雕修復等先進技術與傳統的印模技術同存于口腔修復領域，本方法與上述兩種方法均屬于數字圖像方法，但本方法操作簡便，適用于平面，而三維掃描和三維齒雕法主要用于三維形貌測試，操作較專業化，適用于特殊訓練的專業人員操作使用。目前尚未見到上述兩種方法應用于印模壁厚測試方面的應用文獻，因此本方法可以作為一種測試壁厚的方法供讀者參考和采用。
本文采用非接觸式的光學方法測試了軟物質齒科印模壁厚，實驗表明該方法實用可行，為類似結構(如測試耳印模[16])的厚度測試提供了一種新的方法，也為組織工程研究提供了較好的技術方法和實驗手段，特別適用于薄的形狀不規則的彈性膜物質。由于本文采用剖切法進行壁厚測試，對不同部位的測試要進行多次剖切，因此具有一定的局限性，能夠數字化全場非接觸式得到任何一點處的壁厚，提高測試精度是本文將要進一步研究的課題，也是具有挑戰性的問題。
總之，隨著數字化技術、光學激光技術引入生物醫學工程領域，必將為生物組織結構的三維形貌、壁厚以及受力后的應力、應變和位移等測試提供新的研究手段。
引言
口腔修復時，制作修復體前需要制取印模，由于印模是預備體的陰型，因此齒科印模的制備直接影響到灌注模型的精準度，從而影響修復體的質量[1-2]甚至影響修復體的后續表現[3]。目前關于印模的制備[4]及其臨床使用和研究[5-9]已受到許多口腔醫務者的關注，研究者們對不同硅橡膠印模技術對模型尺寸精確性的影響[10-11]以及硅橡膠精密印模鑄造樁核臨床觀察等方面進行了深入研究[12]。印模材料的選擇有藻酸鹽、硅橡膠、彈性體印模等，其中彈性體印模是一類高分子人工合成橡膠，具有良好的彈性、韌性，而制備精確度高的印模是后期灌制牙模的關鍵，因此材料尺寸的精確測量十分重要。針對該類軟物質彈性膜厚度的測試，傳統的游標卡紙或千分尺等機械式測量方法具有一定的局限性，因此本研究采用光學方法非接觸式對印模進行壁厚測量，測試中只需采集截面圖像，與待測物彈性模量、泊松比無關，無需待測物的力學參數。結果顯示，本文方法可有效測量軟物質彈性膜的壁厚，并且操作簡單、易于推廣。
1 材料和方法
1.1 材料與實驗設備
本文以彈性體印模為研究對象，具體成分為聚醚基聚合體，通過亞胺端基聚合反應而生成。
采集圖像設備為電荷耦合裝置(charge-coupled device,CCD)，型號為大恒圖像DH-1302UM。ZOOM鏡為日本制造的AVENIR TV ZOOM LENS 12.5-75MM F1.8的鏡頭。
1.2 實驗光路
實驗光路如圖 1所示。一束白光照射在待測物體上，高分辨率CCD通過圖像卡連接于計算機上，待測試件經高倍ZOOM鏡后由CCD攝像并由專用軟件呈現于計算機屏幕。通過與試件同平面的標尺計算出每個像素代表的實際長度，然后轉換為薄膜厚度。
圖1
實驗測試光路
Figure1.
Sketch of optical arrangement
1.3 實驗試件
實驗中使用的彈性體印模如圖 2所示。為了測出齒模壁厚，將齒模沿橫向面和縱向面剖切，使待測壁厚展現出來，便于一次測出(若需測取其它部位，亦可以在其部位切剖)。在實際測試時，為了使剖切口處具有較好的對比度，要在剖切口的部位進行染色，以保證在采集后的圖像中待測部位的壁厚范圍易于識別。
圖2
待測印模實物
Figure2.
Real impression model
實驗標定時，將最小刻度為0.5 mm的鋼尺放置在水平和豎直方位，光源采用白光照明，將剖切試件待測厚度的部位置于鋼尺同一平面，由于每個像素的尺寸小于待測試件壁厚，從采集的圖像中可以讀出待測壁厚的像素數目，然后根據像素與壁厚的對應關系，求得試件壁厚值。由于采用的CCD由電腦軟件控制采集圖像，因此能夠保證標定的準確度。實驗過程中，注意調節CCD的光圈與焦距，使圖像盡可能充滿計算機屏幕并確使圖像具有較好的清晰對比度。
2 計算方法和結果
2.1 計算方法
圖 3為放大16倍的待測截面圖，各截面起點和終點像素數目的橫坐標和縱坐標可以在畫圖板里讀出，對應相減可以得到兩個直角邊像素數目，利用勾股定理得到斜邊的像素個數，再乘以實際像素代表的長度即可得到壁厚。
圖3
CCD 采集放大16倍的縱剖圖
Figure3.
longitudinal cutting map of pick-up by CCD enlarged 16 times
圖 4所示為實驗中放大兩倍的完整截面的縱剖圖像采集結果，以圖像形式顯示，從上到下依次取8個截面。圖中A、B兩點間共有140個像素，AB間實際長度為10 000 μm(即10 mm，見刻度尺)，因此得到橫向每個像素代表的實際長度尺寸為10 000 μm/140 像素=71.4 μm/像素。同理，圖中C、D兩點間共有140個像素，實際長度尺寸為10 000 μm，所以得到豎向每個像素代表的實際長度也為10 000 μm/140 像素=71.4 μm/像素。如圖 4所示，采集圖像以上述標尺可得到圖中從上至下的1~8個截面的彈性膜厚度。
圖4
CCD 采集的兩倍縱剖圖
Figure4.
longitudinal cutting map of pick-up by CCD enlarged 2 times
2.2 測試結果
測試的橫剖面和縱剖面壁厚的結果如表 1所示。
表1
橫剖圖和縱剖圖不同部位印膜厚度
Table1.
Transverse and longitudinal section thickness of impression
如表 1所示，橫剖截面一列的數據顯示壁厚較為均勻，平均壁厚為213.7 μm，標準差為26.5 μm；縱剖截面一列的數據顯示，除了兩端外，中間部分壁厚較為均勻，平均壁厚為180.5 μm，標準差為32.5 μm。 數據顯示，該印膜底部稍厚于上部分壁厚，原因是彈性體印模在凝固過程中，由于自身重量引起材料向下滑移堆積造成的底部稍微比上部偏厚。對于橫剖數據中壁厚186.4 μm和159.8 μm比同截面其它數據偏小以及縱剖數據中257.5 μm比同截面其它數據偏大的現象，分析其主要原因是印模制作過程中局部不均所造成。
針對壁厚較薄的彈性體印膜材料，機械式測試有一定難度，本研究采用最小刻度為0.5 mm的鋼尺(最小刻度0.5 mm或1 mm對本文測試沒有影響，只要能夠清楚辨別刻度即可)，兩刻度之間的像素能夠準確得出71.4 μm/像素。從本文測得壁厚數據分析，可見標尺刻度小于待測印模壁的厚度，故能夠用來定量測試該印模的厚度，精度為0.5個像素，即指可測量的精確細密程度為半個像素長度。
3 精度分析
實驗中鋼尺采用的最小刻度為0.5 mm，即圖 4中兩條短刻度線的間距。由于兩條短刻線間的像素數目為7個，因此一個像素代表 0.5 mm/7=0.071 4 mm=71.4 μm，將截面圖放大64倍，如圖 5所示，通過刻度尺，能夠將一個像素進一步等分10份，精度可以提高到0.1像素，也就是能測到7.14 μm。
圖5
放大64倍的圖像
Figure5.
Image enlarged 64 times
如圖 4所示，以10 mm間的像素數目作為計算基礎進行精確測量。為保證落在A和B兩點的像素點位于刻度線的同一位置(同在刻度線的一側，而不是肉眼看上去大概對齊)，是保證測量精度的基礎，因此作者將采集圖像放大8倍，以便能夠清楚辨別像素，如圖 6所示。在刻度尺同一側標出A、B點，兩點間實際距離為1 mm，像素個數為14個，因此1個像素代表 1 mm/14=0.071 4 mm。 光學元件在一定尺度內所含像素越多，精度越高，本文采用的最小刻度是0.5 mm的刻度尺。臨床或基礎研究中所需測量的待測物在幾十微米或者納米范圍內，可采用最小刻度0.2 mm、0.05 mm，甚至1 200 線/mm的柵板，目前柵板制作已經很成熟，可以滿足一般的需求，但使用柵板作為刻度則需要在具有CCD的電子顯微鏡下進行圖像采集。
圖6
放大8倍的圖像
Figure6.
Image enlarged 8 times
4 討論與結論
目前集三維勘測、三維成像于一體的三維數字齒雕系統已應用于口腔修復，能夠精確定義牙齒缺損部位，對優質全瓷塊體進行雕刻，從而實現對牙齒缺損全面無縫修復。利用激光掃描技術獲取修復部位模型的三維數據[13]，在計算機內獲得相應的數據文件，通過對數字化圖像的形態、大小分析，三維激光掃描技術能夠快速而準確地實現三維重建。研究人員也對三維激光掃描系統與手工測量進行了比較，結果顯示三維激光掃描系統可靠性強、穩定性好[14-15]。當前計算機掃描光學印模技術和三維齒雕修復等先進技術與傳統的印模技術同存于口腔修復領域，本方法與上述兩種方法均屬于數字圖像方法，但本方法操作簡便，適用于平面，而三維掃描和三維齒雕法主要用于三維形貌測試，操作較專業化，適用于特殊訓練的專業人員操作使用。目前尚未見到上述兩種方法應用于印模壁厚測試方面的應用文獻，因此本方法可以作為一種測試壁厚的方法供讀者參考和采用。
本文采用非接觸式的光學方法測試了軟物質齒科印模壁厚，實驗表明該方法實用可行，為類似結構(如測試耳印模[16])的厚度測試提供了一種新的方法，也為組織工程研究提供了較好的技術方法和實驗手段，特別適用于薄的形狀不規則的彈性膜物質。由于本文采用剖切法進行壁厚測試，對不同部位的測試要進行多次剖切，因此具有一定的局限性，能夠數字化全場非接觸式得到任何一點處的壁厚，提高測試精度是本文將要進一步研究的課題，也是具有挑戰性的問題。
總之，隨著數字化技術、光學激光技術引入生物醫學工程領域，必將為生物組織結構的三維形貌、壁厚以及受力后的應力、應變和位移等測試提供新的研究手段。
