CN101411647A - 一种体外测量口腔正畸力的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于体内取模和体外牙模测量相结合的装置和方法，属于力的测量技术领域，特别涉及口腔正畸力的测量。体外测量口腔正畸力的测量装置，其包括模型夹紧定位装置、标识定位装置、测力装置、坐标测量装置。该测量系统的特点是结构简单，操作方便，可以比较方便的获得正畸过程中任意时刻的矫治力，对牙齿移动进行预测，为正畸临床提供指导。

Description

一种体外测量口腔正畸力的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于力的测量技术领域，特别涉及口腔正畸力的测量。

背景技术

正畸是通过矫治器施加外力将错位牙排列整齐，施加矫治力是实现牙齿移动的唯一手段，研究正畸过程中外力对牙齿的作用对正畸理论和临床具有重要的意义。正畸力是通过弓丝的预定形状与牙齿实际排列形状之间的位移造成的变形力来实现的，正畸力的大小与弓丝预成型形状和病人的牙齿错位排列程度有关，在临床状态下的正畸力测量非常困难。国外有报道采用了六自由度的工业测量机器人对弓丝作用的正畸力进行测量，其基本方法是测力元件为传感器，六个自由度的手臂用来使托槽到达制定的位置，显然该装置是非常昂贵的，在国内目前尚未有该类装置。

发明内容

本发明提供了一种基于体内取模和体外牙模测量相结合的装置和方法，可以比较方便的获得正畸过程中任意时刻的矫治力，对牙齿移动进行预测，为正畸临床提供指导。

本发明提出一种体外测量口腔正畸力的测量装置，包括模型夹紧定位装置、标识定位装置、测力装置、坐标测量装置，所述夹紧定位装置为一带有T形槽及定位螺栓的载板，所述标识定位装置、测力装置、坐标测量装置安装于载板上，所述测力装置包括施力装置和四根弹簧，施力装置与四根弹簧相连接，所述空间测量装置由导轨副、导轨滑块、竖向测距杆、横向测距杆及安装在横向测距杆上的探头组成。

所述标识定位装置为安装在T形槽上的探针.

所述标识定位装置为安装在夹紧定位装置载板上的定位螺栓.

所述的施力装置包括两个与载板相连的并在在载板上相对设置的竖端板，所述两个竖端板上分别开有两个孔，四根螺栓分别与两个竖端板上的四个孔相配合安装在竖端板上，并在每个螺栓一端装有一个螺母，所述四个螺栓的另一端与六自由度的球头销接，所述六自由度球头安装在球套上，球套与端盖用螺栓相连接.

采用本发明述的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)患者体内印模，获得正畸过程中的牙齿排列状态和托槽位置，

(2)采用石膏翻模，按照石膏模型上的托槽位置做好标记，并将模型上的托槽印记磨去，

(3)按照石膏模型上的标记，将托槽粘结到牙齿的石膏模型上，按照临床状况将弓丝绑扎到托槽上，

(4)将粘结绑扎好的石膏模型用测量装置的模型夹紧定位装置固定，用测量装置上的标识定位装置标记石膏模型的位置，并对要测量的托槽的位置进行标记。

(5)将需要测量牙齿模型与其他石膏模型的切割分离，

(6)将石膏模型重新安装到测量装置上，按照先前的标记重新对石膏模型进行定位，

(7)将被测托槽四个角分别连接测量装置上的测力装置上的四个弹簧，旋转测力装置上的螺母给四个角施加拉力，将托槽拉回到先前标记的位置，

(8)测量并记录四根弹簧的伸长量，测量并记录弹簧两个末端的空间坐标，

(9)通过弹簧末端的两个点的位置确定弹簧的空间位置，由弹簧的伸长量确定沿该位置施加的力的大小，通过空间力学的矢量合成，将四个分量合成为空间力和空间力偶。

本发明的力的合成原理如下：

可以通过四个点施加力将弓丝拉伸到正畸临床的位置是因为，一个刚体的空间位置可以由刚体上不在同一直线上的三个点的位置来确定，只要这三个点的位置完全确定了，那么该刚体的空间位置也就完全确定了，因此只要将托槽上的三个点位置与正畸临床中的位置完全对应起来，那么托槽的位置就与临床时的位置完全一致，从而弓丝的位置与临床位置也一致。(因为弓丝的变形或者位置可由托托槽的位置确定)

通过弹簧的伸长来获得每根弹簧作用在牙齿上的力的大小，通过测量弹簧两端的坐标获得力的方向，本装置将只采用拉力不使用压力，使用六个自由度的球头保证作用力沿直线方向，力的大小通过测量弹簧的伸长来获得，弹簧的伸长可以通过测量两个端点的坐标变化来获得或者直接用卡尺测量获得，弹簧两个末端的空间坐标通过坐标测量装置测得三个坐标。

具体的力的合成计算方法是首先建立一个坐标系，若弹簧i(i＝1，2，3，4)伸长后的两个端点的坐标分别为：

那么该弹簧所承受的拉力的方向矢量为 $\left[\begin{array}{c}{l}_i^1\\ l_i^2\\ l_i^3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_i^{\′}\\ y_i^{\′}\\ z_i^{\′}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]$

弹簧的施加的力可以表示为 $\stackrel{\→}{F_i}=f_i*{\left[\begin{array}{ccc}{l}_i^1& l_i^2& l_i^3\end{array}\right]}^T$ 其中弹簧拉力的大小

弹簧的刚度k可以通过试验测出，弹簧的伸长Δl可测量得到。

可以将四个力分别投影到一个坐标系的三个坐标轴上，也可以按如下方法合成到任意一个点上：

假设该点坐标为[x₀y₀z₀]^T，将每个力

向该点平移可得和原力大小相等、方向相同的一个力和一个力偶 $\stackrel{\→}{M_i}=\stackrel{\→}{F_i}\×\stackrel{\→}{d_i},$ 其中 $\stackrel{\→}{d}=\left[\begin{array}{c}{d}_i^1\\ d_i^2\\ d_i^3\end{array}\right]=(\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right])$

力偶的方向为按右手法则决定。将四个力全部平移到到该点，平移后得到的四个新力

形成一空间共点力系，这四个力的合力可以按矢量加法法则进行合成：

$\stackrel{\→}{F_{\mathrm{total}}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{F_i^{\′}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i*{\left[\begin{array}{ccc}{l}_i^1& l_i^2& l_i^3\end{array}\right]}^T$

总力矩仍然可以按矢量合成法则计算：

$\stackrel{\→}{M_{\mathrm{total}}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{M_i}$

如果需要知道沿牙体上某一方向7的力或者绕该轴的力矩，只需将总的合力和合力矩向该方向投影即可：

本发明具有以下优点：

由于正畸力测量既要保证托槽位置与临床状态一致，又要同时测出正畸力的六个分量，这在实际测量中是非常困难的，因为托槽在位置是空间三维的，如果把测量机构和该托槽位置完全匹配，测量机构必须有一个使测量元件可以六个自由度移动的部件，这种机构是比较复杂的，而且牙模尺寸比较小，没有空间容纳复杂的机构；同时因为要测量力有六个分量，测量机构必须有相应的六个单独的测量元件，因此测量部件也是非常复杂的，而本发明通过一个简单的机构，将移动部件和测量元件融合在一起，减少了结构尺寸，并且操作简便，实现了正畸力的实时测量，为正畸理论研究和临床操作提供有力的指导。

附图说明

图1是测量装置的正视图。

图2是测量装置局部放大图。

图3是六自由度球头、球套、端盖结构示意图。

具体实施方式

实施例1

体外测量口腔正畸力的测量装置，包括一个带有T形槽1及定位螺栓的载板2，探针作为标识定位装置为安装在T形槽1上，两个与载板2相连的并在在载板上相对设置的竖端板3，所述两个竖端板3上分别开有两个孔，四根螺栓4分别与两个竖端板上的四个孔相配合安装在竖端板3上，并在每个螺栓一端装有一个螺母5，所述四个螺栓的另一端与六自由度的球头6销接，球头6安装在球套7上，球套7与端盖8用螺栓相连接，四根弹簧9与端盖8相连接，所述空间测量装置由导轨副10、导轨滑块11、竖向测距杆12、横向测距杆13及安装在横向测距杆上的探头14组成。

采用上述测量装置的测量方法首先使用硅胶或者藻酸盐对正畸患者进行临床取模，采用石膏将所取印模翻为阳模，石膏模型凝固后牙齿上的托槽位置处进行标记，并将托槽打磨去，粘接上同样的托槽；将粘结绑扎好的石膏模型放在载板2的T型槽1上用定位螺栓固定，并用安装在T形槽1上的探针标记石膏模型的位置，并对要测量的托槽的位置进行标记。对石膏模型进行切割，将需要测量的牙齿同石膏模型的其他部分相分割，重新将其拼合；按照正畸的临床状态，将正畸弓丝绑扎到托槽中；将整个模型安装到载板上2，按照先前的标记重新对石膏模型进行定位，并通过载板上的定位螺栓将牙齿的石膏模型固定，选择四根弹簧9挂在托槽上的四个角上，然后通过转动螺母5来伸缩螺栓4，螺栓与球头6销接，球头六安装在球套7上，球套7与端盖8用螺栓连接。端盖8与弹簧9连接，球套和球头之间可以沿三个旋转自由度运动，螺栓与竖端板3上的孔相互配合，使得螺栓只能沿端板3上的孔沿轴线移动，不能绕轴转动，因此转动螺母5只能使弹簧沿球头和弹簧和托槽相连的端点确定的直线方向移动，不会产生旋转和其他方向的移动；球头6和球套7的形位公差选择将确保弹簧的轴线通过球头的中心；通过四根弹簧9的移动可以使托槽从标记位置移动到先前标记的位置，这时测量并记录下弹簧的伸长并与标定的尺寸相对照以获得弹簧上施加的拉力的大小；通过移动测量装置的探头14获得每根弹簧的两个端点的空间坐标，通过计算可以获得每根弹簧轴线的方向，即弹簧上施力的方向，因此四根弹簧上的力的大小和方向都已经确定，通过理论力学和高等机构学的理论可以将这四个力合成为空间的一个合力和一个合力偶。

空间位置的测量装置相当于一个三坐标测量仪，由一个安装到载板2上的竖向测距杆导轨12和横向测距杆13，导轨滑块11，导轨副10以及一个可以在横向测距杆13上旋转的探头14组成，探头因为具有旋转自由度可以有效的减少或者消除测量盲区，三根导轨上将安装磁栅尺来实现坐标测量，测量头的旋转轴上安装角度仪器，由磁栅尺以及角度仪的读数以及测量头的尺寸可以计算得到测量点的空间位置坐标。此测量装置相当于一个专门的牙模测量装置，也可以用来测量两个牙模对应的牙齿相对位移。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形与改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种体外测量口腔正畸力的测量设备，其特征在于：包括模型夹紧定位装置、标识定位装置、测力装置、坐标测量装置，所述夹紧定位装置为一带有T形槽(1)及定位螺栓的载板(2)，所述标识定位装置、测力装置、坐标测量装置安装于载板(2)上，所述测力装置包括施力装置和四根弹簧(9)，施力装置与四根弹簧(9)相连接，所述空间测量装置由导轨副(10)、导轨滑块(11)、竖向测距杆(12)、横向测距杆(13)及安装在横向测距杆(13)上的探头(14)组成。

2.根据权利要求1所述的一种体外测量口腔正畸力的测量设备，其特征在于：所述标识定位装置为安装在T形槽(1)上的探针。

3.根据权利要求1所述的一种体外测量口腔正畸力的测量设备，其特征在于：所述标识定位装置为安装在夹紧定位装置载板(2)上的定位螺栓。

4.根据权利要求1至3所述的一种体外测量口腔正畸力的测量设备，其特征在于：所述的施力装置包括两个与载板(2)相连的并在在载板(2)上相对设置的竖端板(3)，所述两个竖端板(3)上分别开有两个孔，四根螺栓(4)分别与两个竖端板(3)上的四个孔相配合安装在竖端板(3)上，并在每个螺栓(4)一端装有一个螺母(5)，所述四个螺栓(4)的另一端与六自由度的球头(6)销接，所述六自由度球头(6)安装在球套(7)上，球套(7)与端盖(8)用螺栓相连接。

5.如权利要求1所述测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)患者体内印模，获得正畸过程中的牙齿排列状态和托槽位置，

(2)采用石膏翻模，按照石膏模型上的托槽位置做好标记，并将模型上的托槽印记磨去，

(3)按照石膏模型上的标记，将托槽粘结到牙齿的石膏模型上，按照临床状况将弓丝绑扎到托槽上，

(4)将粘结绑扎好的石膏模型用测量装置的模型夹紧定位装置固定，用测量装置上的标识定位装置标记石膏模型的位置，并对要测量的托槽的位置进行标记。

(5)将需要测量牙齿模型与其他石膏模型的切割分离，

(6)将石膏模型重新安装到测量装置上，按照先前的标记重新对石膏模型进行定位，

(7)将被测托槽四个角分别连接测量装置上的测力装置上的四个弹簧(9)，旋转测力装置上的螺母(5)给四个角施加拉力，将托槽拉回到先前标记的位置，

(8)测量并记录四根弹簧的伸长量，测量并记录弹簧两个末端的空间坐标，

(9)通过弹簧末端的两个点的位置确定弹簧的空间位置，由弹簧的伸长量确定沿该位置施加的力的大小，通过空间力学的矢量合成，将四个分量合成为空间力和空间力偶。

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