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牙科CAD技术方案

news 来源：原创 2025/9/2 17:37:01

本牙科CAD系统旨在打造一个数字化牙科设计的高性能CAD/CAM软件，提供从修复体设计（如牙冠、牙桥、贴面、活动义齿）到生产准备的全流程解决方案。系统整合多源数据（口内扫描、DICOM文件、颌骨运动数据等）实现精准设计，利用3D建模技术生成精确的牙科模型，并提供多种修复方案的模拟。为降低学习门槛和迁移成本，软件采用直观的向导模式，同时允许高级用户自定义设置，兼顾易用性与灵活性。

未来，可通过模块化设计（如种植体规划、虚拟咬合架、微笑设计工具）扩展了适应症范围，满足从基础修复到全口重建的多样化需求。

主要包括6个方面的设计介绍。

1. 架构设计

1.1产品架构：

牙科CAD系统采用模块化设计，分为以下6个核心模块：

数据采集模块

口内扫描仪、CBCT、模型扫描仪等硬件集成。

数据处理模块

处理点云去噪、配准、网格重建和网格修复。

CAD设计模块

修复体参数化创建和编辑（牙冠、贴面、种植导板）以及自由造型编

CAM制造模块

CAM输出（数控切削、3D打印

用户管理模块

病例管理、医技协作、质量控制。

数据管理模块

存储管理以上模块中使用的数据和版本控制

1.2 技术架构

桌面设计端

提供便捷高效的参数化设计交互界面及显示渲染（牙冠、贴面、种植导板），采用平台+组件机制，支持插件化开发，支持Python/C++的二次开发接口，具备常用CAD设计软件的基础功能。

1.2.1设计平台架构

设计目标

可扩展性

提供灵活的扩展接口和机制，允许用户根据需求定制和扩展功能，同时保持平台的稳定和高性能。

国际化版本

能够灵活支持多语言版本。

兼容性

保持向后兼容性，包括数据兼容和API的兼容性，确保扩展的稳定性和可迁移性，防止扩展对原有功能的冲突和破坏。

支持跨平台

支持Windows和Linux平台，能够适配国产操作系统。

安全性

保证数据不能丢失，用户信息不能泄露以及网络安全等。

1.3 应用架构

几何计算服务

提供三维重建，网格修复服务。主要几何造型能力将支持：修复体自由造型、设计牙冠底部、镜像功能、侦测 / 校正边缘线、设置就位方向、复制牙齿、排列牙齿、适应对颌 / 邻牙调整修复体、回切解剖全冠 (收缩/回切)、连接杆设计、保存修复体设计、套筒冠等。

Web端

用户信息管理，例如病例管理、医技协作、质量控制等

数据管理服务

包括采集信息，CAD几何数据，CAM生成数据，用户权限，用户信息等管理及版本控制

1.3数据架构

1.3.1数据处理流程

1.3.2数据标准
（1）DICOM（CBCT数据）、STL/PLY（网格）、G-Code（制造）。
（2）符合FDA/IEC 62304医疗软件规范。

1.3.3数据存储

除采用自定义文件格式进行存储，亦可考虑数据库。例如，点云等非结构化数据采用MongoDB,用户管理等数据采用MySQL数据库存储。数据库存储采用Master/Slave架构。

技术方案

2.1数据采集

支持iTero/3M口扫仪API对接，采用DCMTK库进行DICOM图像解析。

2.2三维重建

泊松重建采用CGAL提供的Mesh重建算法和VTK的Marching Cubes算法，可以保证精度≤50μm。

2.3 CAD设计平台

在现有CAD的框架基础进行修改为Tooth CAD，整体采用C++开发语言，Qt6.3和C++17标准库，支持跨平台开发和适配国产操作系统。采用增量更新存储机制，提高保存性能。

另外，显示渲染使用VTK(OSG或Coin3d)，几何内核采用OCC，网格处理采用OpenMesh或借鉴Blender的网格处理算法。

它能够支持参数化设计，数据存储，Redo/Undo,交互编辑，显示渲染，二次开发Python接口，插件开发机制等.主要采用机制实现设计目标。

（1）采用平台+插件机制

接口模块和实现模块分离，事件订阅机制，减少系统耦合，增强可扩展性。

（2）采用分层架构

明确各层的职责，底层模块不能使用高层模块，模块间不能跨层调用。例如业务模块只能使用数据层，基础Builder业务模块，基础设施模块，不能使用UI模块。

（3）跨平台开发库

采用Qt6.3跨平台UI库，C++11标准库，避免选用非快平台的三方库。采用CMake管理编译项目。

（4）基于版本号升级机制

使用灵活的基于版本号控制数据和行为升级机制和基于Impl模式的API接口。

（5）资源和代码模块分离

将资源模块和代码模块分离，通过动态加载切换资源模块实现多语言版本。

（6）加密传输和日志机制

采用OpenSSL网络加密传输，用户敏感信息加密保存。采用日志机制可以确保程序崩溃时数据的恢复问题。

咬合分析

采用动态咬合模拟（基于T-Scan数据）+ 有限元分析（Ansys集成），集成进Tooth CAD进行模拟显示。

CAM输出方案

五轴数控路径规划（OpenCAMLib），3D打印支撑生成（Mesh Lab）

3.技术选型

AI辅助设计

（1）训练数据：10万+临床病例（牙冠形态、咬合关系）。
（2）模型：U-Net分割牙龈边缘，PointNet++提取牙体特征。

后端服务

采用开源Nginx服务器对外提供服务。

桌面交互设计端

（1）采用Visual Studio2019作为集成开发环境，CMake作为项目管理和编译工具。

（2）使用C++开发语言，采用C++17标准库，Pybind11支持Python二次开发接口。

（3）Qt6.3开发库和SARibbon开源库UI框架库，部分UI设计可以参考MeshLab.

（4）采用gTest的单元测试框架，采用sqlite作为本地数据存储，采用boost.aiso通讯库对接前后端通讯。

（5）显示渲染可以使用VTK，几何内核采用OCC，网格处理采用OpenMesh或借鉴Blender的网格处理算法。

数据存储

本地文件采用二进制流文件压缩包，结构化数据采用MySQL或PostgreSQL，非结构化数据采用MongoDB数据库。

开发工具

Visual Studio2019集成开发工具，Git版本控制，CMake项目管理和编译，Jenkins持续集成/持续部署（CI/CD）。

4. 迭代计划

第一阶段（1-3个月）：

完成需求分析和系统设计。
开发基础的用户界面和后端服务。
实现初步的3D模型上传和显示功能。

第二阶段（4-10个月）：

开发核心的3D建模和分析算法，主要涉及修复体自由造型和设计牙冠底部。
实现用户账户管理和权限控制。
进行初步的系统测试和用户反馈收集。

第三阶段（11-15个月）：

完善3D模型编辑和修复建议功能。
集成第三方牙科设备的制造文件输出。
开展beta测试，并根据反馈进行优化。

第四阶段（16-18个月）：

正式发布产品，提供技术支持和文档。
收集用户使用数据，为后续迭代提供依据。
规划下一阶段的功能扩展和优化。

5. 可能的风险

技术风险：3D建模算法的研发可能面临技术难题，延长开发周期。
市场风险：竞争对手可能推出类似产品，影响市场占有率。
合规风险：需确保系统符合医疗行业的数据保护法规，如HIPAA。
用户接受度：用户对新技术的接受程度可能低于预期，影响产品推广。
数据安全风险：需防范数据泄露和黑客攻击，保障系统安全稳定运行，采用基于OpenSSL通信加密方案数据传输。
硬件兼容性风险：不分扫描仪API封闭，需要开发通用SDK适配层等。

6.技术总结

本方案通过模块化化的可扩展架构、AI增强设计和开放技术栈，构建高精度、高效率的牙科CAD系统，可以带来两个核心价值。

修复效率提升90%

将传统2周修复流程缩短至1次就诊完成（One-visit Dentistry）。

降低设计师依赖，误差率降至<5%

通过智能化降低对技师经验的依赖，误差率<5%（传统手工设计约15%）。