CN101536000A - 用于制造全口和局部假牙的系统和方法 - Google Patents

用于制造全口和局部假牙的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于制作假牙的至少一部分的系统(100)。该系统包括用于扫描假牙模型的表面的三维扫描装置(105)和包括计算机程序的计算机可读介质(110)，该计算机程序用于从该扫描装置接收数据，创建该表面的三维模型(315)，以及可选地修改该三维模型(315)和/或向该三维模型(315)添加特征。该系统还包括制作机(115)，用于基于该三维模型用选定材料制造假牙的至少所述部分。制作机(115)可为包括车床(805)或快速成型机的装置。本发明还提供一种用于制造假牙(810)的至少一部分的方法。

Description

用于制造全口和局部假牙的系统和方法
技术领域
本发明涉及医疗制造。更具体地，本发明涉及使用快速成型技术来制造全口假牙(full denture)和局部假牙(partial denture)的先进制造技术。
背景技术
制造假牙的现有工艺包括：使用诸如藻酸盐膏的材料取得口腔的腭或其它部分的印模、制造蜡型、将牙齿手动地放置于蜡型中、以及用丙烯酸聚合物替换蜡。这个过程非常繁琐，通常包括多次尝试，且通常要花费二至六个星期。所得到的假牙既不便于使用也不可定制。此外，所得到的假牙常常会碰到问题，包括痛处、缺少固定和保持力以及可能导致口臭和相关健康问题的细菌生长。
快速成型机(rapid prototyping machine)被用于多种用途，例如各种构件和产品(如机器构件)的原型或样品的制造、概念建模，并用于骨骼和血管的生物模型。这些技术目前被销售用于快速成型发展，例如可从3Dsystems、Stratasys、Arcam、solidscape、Roland、EOS、Envisiontech、Belcam、Objet以及Zcorp购买到的那些。然而，快速成型机尚未用于制造假牙、或具体说可定制的假牙。
需要一种快速而准确地制造全口或局部假牙的方法和装置，且能由诸如牙科医生之类的服务提供者为客户个别制造。
还需要一种利用快速成型机来制造全口或局部假牙的方法和装置。
还需要一种在制造过程中允许定制的制造全口或局部假牙的方法和装置。
还需要一种制造全口或局部假牙的方法和装置，能生产完全适合任何给定患者的假牙，并能允许在制造过程中将定制特征包括在假牙中，以改进对患者的适合性和舒适性。
发明内容
本发明提供一种用于制作假牙的至少一部分的系统。该系统包括：用于扫描假牙模型的表面的三维扫描装置；用于从所述扫描装置接收数据并创建所述表面的三维模型的包括计算机程序的计算机可读介质；以及用于基于三维模型从选定材料制造假牙的至少一部分的制作机。该扫描装置可直接扫描上腭或下腭的部分，或者扫描上腭和/或下腭的印模或模型。腭包括牙龈线、围绕牙龈线的组织和肌肉系统、以及形成牙龈线之间的区域或弓部(arch)的组织。该制作机可为包括车床或快速成型机的设备。还提供一种用于制作假牙的至少一部分的方法。
附图说明
图1是本发明的系统的方块图。
图2是扫描仪的实施例的内部视图，患者的牙龈线和腭的物理模型被安置于该扫描仪中。
图3是图2的扫描仪的实施例的内部视图，预先存在的假牙的模型被安置于该扫描仪中。
图4是假牙模型的三维图像的显示器的外部视图和图2的扫描仪的外部。
图5A是图2的物理模型的图像的顶视图，而图5B是图2的物理模型的图像的底视图。
图6A是图3的模型的图像的正视图，图6B是图3的模型的图像的顶视图，而图6C是图3的模型的图像的底视图。
图7是铣床的视图。
图8是图7的铣床的特写视图。
图9是在图7的铣床中所制造的假牙的特写视图。
具体实施方式
参看附图，具体说图1，示出了以附图标记100概括地代表的系统。系统100包括连接到计算机110的扫描装置105。系统100还包括优选地连接到计算机110的制作机器，即制作机115。扫描装置105可包括自己的处理器和与扫描装置105集成的界面，或者可连接至如图1所示的处理器。此外，制作机115可不直接连接到计算机110或扫描装置105。从扫描装置105接收的数据可被存储于单独的存储器中，然后转移至制作机115。
扫描装置，即扫描仪105，是三维(3D)扫描仪，其优选地使用光源来取得代表假牙模型的形状的数据。扫描仪105可配置成测量假牙模型的任何部分的形状。假牙模型包括患者口腔的全部或部分，包括上下牙龈线、上下弓部以及腭。假牙模型也可是患者口腔的一个或多个部分的铸件或其它物理模型。假牙模型也可以是预先存在的假牙或假牙的物理模型，其能被扫描而用于制作假牙的复件或假牙的定制版本。
在一实施例中，扫描仪105是设计成模拟牙龈线的形状的红外摄像机，以便它能捕捉整个上或下牙龈线的轮廓。红外摄像机用于扫描(例如)整个口腔，并按顺序或同时捕捉上或下弓部的图像。也可使摄像机以超声波、无电线波、雷达、软X射线、MRI和CAT扫描技术来工作。扫描仪105还可扫描牙龈和/或腭的模型或铸件。
计算机110可以是独立处理器，例如具有输入装置和显示器的个人计算机。计算机110也可以是合并于扫描仪105或制作机115中的处理器。计算机110包括用由扫描仪105所提供的数据来创建三维图像的软件。软件为建模程序，优选地存储于存储器120中。优选地，软件为计算机辅助制图(CAD)程序。软件将捕捉三维图像并计算假牙模型的所有尺寸，允许使用者进行任意修改，例如调整牙龈线或插入牙齿、以及当使用者满意时将图像转移至制作机115。
软件并不限于CAD程序。可使用各种语言，例如C++、Java、Basic、Pascal和任意其它适当的语言来编写任意适当的软件。所得到的软件可为能够接收扫描的图像、修改该图像并将代表该图像的数据发送到制作机115的任何形式。
尽管系统100在本文被描述为将用于本发明的方法的指令安装到存储器120内，但指令也可保存于外部存储介质125上以在随后载入到存储器120内。存储介质125可为任意常规存储介质，包括但不限于：软盘、光盘、磁带、只读存储器或光学存储介质。存储介质125也可为随机存取存储器或其它类型的电子存储器，位于远程存储系统上并连接到存储器120。
制作机115优选为快速成型机。快速成型机可包括类似于车床并受控于适当软件的工业机器。车床使诸如丙烯酸块之类的开始材料成形为所需的形状。车床被设计成从计算机110接受指令，并将诸如平坦的U形丙烯酸盘之类的材料切成与所需的上下牙龈线和腭类似，以模拟使用者当前所佩戴的假牙。车床可用于制出牙齿，或者切掉用于牙齿的区域，将预先存在的牙齿插入腔中并胶合以就位。
用于制作机115制作假牙的材料可为由诸如丙烯酸(PMMA)、尼龙、聚碳酸酯、ABS塑料、二甲基丙烯氨基甲酸乙脂(urethane dimethacrylate)/丙烯酸共聚物以及丁二烯-苯乙烯橡胶之类的任意无毒、可固化、非水溶性塑料聚合物组成的假牙聚合物。丙烯酸类是用于制造假牙的优选聚合物。但是，具有与丙烯酸聚合物类似性质的任何硬质塑料也是合适的。
有采用多种不同技术的多种快速成型机能作为制作机115并用于制作全口和局部假牙。这样的快速成型机包括立体光刻(stereo lithography)、激光烧结(laser-sintering)、多喷口建模(multi-jet modeling)、熔融沉积建模(fused deposition modeling)、电子束熔炼(electron beam melting)以及三维打印等机器。
立体光刻(SLA)是利用液态塑料和激光的方法。通过使槽(tank)中的液态塑料层的选定区域暴露于辐射而使之硬化，SLA机的激光“画出(paint)”多个液态塑料层之一。该过程持续用于每个层直到建好所有层。然后升降器(manifold)被提升以暴露模型。然后该模型被适当的溶剂清洗并在UV室中固化以完成制造过程。
激光烧结系统，诸如选择性激光烧结(SLS)系统，使用高功率的激光来熔化并熔合粉末微粒，一次建一层，直到整个模型被建好。粉末可根据需要由塑料聚合物、金属微粒或其组合制成。
多喷口建模(MJM)机使用带有多个喷嘴的大面积头。这些喷头喷射熔化的液态材料的小滴，这些小滴基于撞击而冷却并硬化以形成层。重复这个过程以生成多个层直到整个物体被建好。
熔融沉积建模(FDM))是一种工艺，其中热塑料聚合物被加热，然后熔融聚合物被沉积至精确位置并被允许冷却和硬化以一次建一层，直到物体被构造好。
电子束熔炼(EBM)使用电子束在精确位置熔化金属或塑料微粒，并使它们在适当位置熔合以形成层，重复这个过程以构建完整的物体。
三维打印机使用标准喷墨技术来喷射墨和粘合剂以及某些含有粘合剂的墨，以粘接微粒至基底上的精确位置，从而形成层。重复这个过程以构建构成完整物体的多个层。在另一实施例中，三维打印工艺可包括使用单体作为粘合剂。例如，诸如PMMA之类的聚合物可用作形成各层的墨，而单体可用作粘合剂层。PMMA和/或单体溶液可被着色，并分别用作墨和粘合剂。
激光烧结和电子束熔炼工艺能用于构建含有塑料和金属两者的假体(prosthese)，例如带有金属插入物的假牙和局部假牙。
三维打印也可用于在单个制造工艺期间制作集成有牙齿的假牙。当使用其它快速成型机时，用于后期放置牙齿的腔将被构建于基托(base plate)中。然后使用适当的胶将牙齿人工地胶合到基托中。用于将牙齿附着至基托的合适的胶可为熔融的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)或任意其它合适的塑料聚合物。
此外，诸如FDM或MJM之类的技术可被修改以经由使用单个或多个沉积头来生产具有多种颜色的原型。在这种情况下，这些技术可用于制作具有就位的牙齿的假牙。
本发明还提供了利用上述系统来制造全口或局部假牙的方法。该方法主要包括：1)可选的第一步骤，提供或制造患者口腔的至少一部分的物理模型，例如提供预先存在的假牙、取得患者口腔的至少一部分的印模和/或制造患者口腔的至少一部分的印模的铸件。因此，如上所述的假牙模型可包括患者口腔的至少一部分的物理模型和患者口腔的部分或整体。该方法还包括：2)扫描假牙模型，即直接扫描口腔或其物理模型，3)形成假牙模型的三维计算机模型，4)可选地修改该三维模型，以及5)在快速成型机中基于该三维模型来制造全口或局部假牙。
在第一可选的步骤中，取得牙龈线和/或腭的印模、模型或铸件。在一实施例中，具有U形或口腔的一般形状的柔性可塑塑料盘被插入口腔中。该盘可由适当的塑性材料制成，例如软尼龙、聚丙烯、聚乙烯或丙烯酸。可使用不可溶解的粘泥盘(clay disk)代替塑料盘。然后，患者咬入该盘。该盘根据上下牙龈线和上下腭的轮廓而变形。然后，完成的模型被从口中移除并放置到三维扫描仪上，然后该三维扫描仪扫描上下牙龈线和腭的轮廓。
在扫描步骤中，诸如牙科医生之类的使用者使用扫描仪105来扫描口腔，且此扫描被自动地转移到计算机110。可通过多种方法获得扫描。在一个方法中，设计成模拟牙龈线的形状的红外摄像机被放置到口腔中或口腔附近。摄像机优选地被设计成通过接收反射的红外线辐射来捕捉整个上和/或下牙龈线的轮廓。为了帮助摄像机对准(register)图像，可在扫描之前将反射红外线辐射的喷雾剂(spray)、膏或漱口剂施加到上或下牙龈线。然后红外线摄像机扫描整个口腔并且捕捉上下弓部的图像。在另一实施例中，摄像机可同时捕捉上下牙龈线两者的图像。
在扫描步骤的另一实施例中，扫描仪105是扫描牙龈线和/或腭的模型或铸件或者预先存在的假牙，而不是直接扫描口腔。该实施例在图2-4中示出。
图2示出扫描仪205的实施例的内部，包括台210和扫描单元220。患者的牙龈线和腭的模型215被置于台210上。在此实施例中，模型215表示下腭，但模型215也可为上腭的模型。启动后，位于扫描仪105内部的扫描单元220使模型215的选定表面暴露于激光辐射。从模型215的表面反射的辐射被扫描单元220捕捉。台210还使模型215旋转，于是扫描单元220以多个角度扫描模型215。然后，这些不同的扫描结果被软件合并起来以创建三维图像。图3示出扫描仪205的内部，其中模型215是包括牙齿的患者的上腭的铸件或预先存在的假牙。
下一步骤的结果在图4中示出。计算机110从扫描仪205接收数据，且位于存储器120中的CAD软件创建三维图像305。三维图像305被示为如显示器310上所显示的。图4还示出扫描仪205的外部。
图5A、5B、6A、6B和图6C示出由扫描软件所生成的图像的实例。该图像是能经由CAD软件从任意角度观察的三维图像。图5A是模型215的图像的顶视图，示出患者的腭和牙龈线的上铸件，而图5B是模型215的图像的底视图，示出患者的腭和牙龈线的下铸件。
图6A至图6C示出所取得的预先存在的假牙的图像305的实例。图6A是图像305的正视图，图6B是图像305的顶视图，而图6C是图像305的底视图。
然后，软件计算上下牙龈线和腭的所有尺寸。然后尺寸被转移到制作机115。尺寸可自动地转移到制作机115，或在使用者的命令下转移至制作机115。
在图7和图8中示出制作机115的实施例。图7示出基于扫描的图像数据来雕刻假牙的铣床705。图7还示出由从扫描仪105接收到的数据而创建的显示的CAD图像710。铣床705从计算机110接受指令。
如图8所示，铣床(milling machine)705包括车床(lathe)805。基于来自计算机110的指令，铣床705控制车床805以从块815切制假牙810。铣床705将块805切成与所需的上下牙龈线和腭类似，以模拟使用者当前所佩戴的假牙。
图9是从块815切制以复制由计算机110中的CAD软件所提供的图像的假牙810的特写。在形成假牙810的步骤之前，从扫描仪105取得的图像可由使用者根据使用者的特定需要进行修改。例如，可实现多种修改，例如改变假牙的高度、改变腭的表面轮廓、改变牙龈线以及插入多种牙齿。因此，虽然完成的假牙复制CAD软件中的三维图像，但完成的假牙可能不是完全复制最初扫描的模型或口腔。使用者和/或患者可观察扫描的图像并决定应当进行哪些修改。此外，在图像最终确定并发送到制作机115之前，使用者和/或患者可预览每个修改。
然后假牙810被进一步加工以制出牙齿，并加工该区域以便牙齿为白色，而假牙的其余部分为粉红色以类似口腔组织。由假牙810中的牙齿所占据的区域可使用过氧化氢或其它适当的氧化剂来漂白以限定出牙齿。在另一实施例中，假牙810的牙齿区域可简单地涂覆为白色或乳白色(offwhite)以形成牙齿。在又一实施例中，用于牙齿的腔可被切出，当前市场上销售的牙齿可被插入腔中并胶合以就位。
使用上述方法，合适的丙烯酸聚合物或任意其它合适的塑料聚合物或其混合物可用于生产具有所需特性的最终假体(prosthesis)。聚合混合物(polymeric blend)的成分可配制成使聚合反应能在室温下通过化学反应或热或光来引发。
使用上述系统和方法制作的假牙可具有许多新特征，有助于对患者的适合性和舒适性。可在假牙定制的期间，具体说在处理扫描的CAD图像的期间制作这些特征。
可制造不包括腭的夹上型假牙(clip-on denture)。上下假牙具有设计成绕牙龈线设置并使假牙就位的内置式夹(clip)。此外，上假牙没有常规假牙所需要的用来提供吸力和保持力的腭。这种设计是有利的，因为传统的腭是食物滞留(entrapment)的主要原因，而且具有使细菌生长的多孔表面，这导致口臭和其它健康问题。从假牙中去除这种腭，消除这些问题，使假牙更易使用。
可选地，牙龈区域可具有吸盘(suction cup)，该吸盘能增强假牙的固定和保持力。这些吸盘在人咀嚼食物时还会提供缓冲效应。这种效应会增强患者的舒适感。在另一可选实施例中，会在上假牙的背部上构建弓部来为假牙提供额外的稳定性，如果需要这样的话。
在另一可选实施例中，上和/或下假牙会具有大小足以容纳条(strip)或囊片(caplet)的小室。该囊片或条可含有药剂，且经过2至24小时的时间段后释放该药剂以杀死细菌，减少齿菌斑(plaque)并清新口气。
在再一实施例中，可在腭中，优选地在牙龈线之间的弓部区域上形成多个空隙(space)。这些开放的空隙形成口腔的表面与口腔的内部之间的多个通道。这样的空隙可为任意构造，例如交叉平行线模式(cross-hatchpattern)或多个孔。这些空隙允许食物与腭接触，以便使用者在保留假牙的同时能感受食物的味道和质地。
上述特征在制造过程中被设计到假牙中。具体而言，在扫描后，使用CAD软件将夹(clip)、吸盘、室和/或空隙并入计算机图像中。然后由制作机115将完成的假牙制作为包括这些特征的单个整体件(monolithic piece)。
多种制作方法允许包括多种材料以改进所制作的假牙的性能。例如，假牙可被制造成包括生物粘合剂材料。被包括在假牙的选定外部部分中的这些材料自然地粘附至口腔隔膜(membrane)，并转而提供更好的粘附性，以改善假牙的固定能力，而且还可能消除需要假牙粘合剂或吸盘。
假牙还可被制造成使抗微生物剂内置入用于制造假牙的材料中，如聚合物基体(polymer matrix)。例如，用于制造假牙的丙烯酸块可被制造成使所需浓度的抗微生物剂溶解到塑料中。在这种情况下，抗微生物剂在经过一长时间段后会从塑料中渗出，而防止假牙的表面上的细菌生长，以消除口臭和所有与细菌生长相关的健康风险。此外，它还能杀死口腔中的病原菌。抗微生物功效的长度能通过并入塑料中的成分的量以及调整塑料的组成而控制释放速率来控制。抗微生物功效的持续时间可为一个月到一年或更长的时间，给患者提供优良的便利性和卫生性。
假牙聚合物可由能粘附到假牙表面的任意无毒、可固化、非水溶性聚合物组成。抗微生物剂将被嵌入固化的聚合物基体中，且将随着时间推移而渗出，从而生成在较长的时间段内对在假牙材料的表面上和可能在口腔中的微生物不利的环境。
所使用的抗微生物剂可包括但不限于以下化合物：西吡氯铵(cetylpyridinium chloride)、氯己定(chlorhexidine)、苄索氯铵(benzethoniumchloride)、三氯生(triclosan)、百里酚(thymol)、山梨酸(sorbic acid)及其盐、苯甲酸(benzoic acid)及其盐、制霉菌素(Nystatin)、酮康唑(ketoconazole)和米康唑(miconizole)及其盐。
本文所描述的方法和装置提供许多优点。这些优点包括假牙假体的快速制作，一般在2小时内，与可能花费长达8小时至大约6周才完成的现有技术工艺形成对比。
另一优点是，该方法和装置允许牙科医生、或其它使用者以及打算用假牙的患者看到假体已就位的患者的图像，并在制作之前对单元的设计做出任意必要的改变。这些改变包括：调整垂直尺寸；评估牙齿的各种大小、形状和颜色的美观性；实现中性区(effect of neutral zone)，校正唇把手(lippull)等。
对于假牙佩戴者，该方法和装置提供更便于使用的假牙，做成匹配于口腔的精确轮廓。假牙能在牙科办公室被非常快速地制造，而且只需拜访一次牙科医生的办公室就能完成。假牙还提供更好的固定性、更多的舒适感和功能，并且能设计成减少或消除臭味。
然后，这将带来患者口腔卫生的整体改善，从而帮助减轻一些与佩戴假牙相关联的疾病状态和卫生问题，包括以下：食物滞留和净化、假牙菌斑的形成、增加的假牙褪色(staining)、口臭、口腔念珠菌病(candidosis)、对现有的天然和人造(植入)牙齿的损坏以及其它口腔细菌感染。
应了解的是，本文所述的教义的各种替代、组合以及修改可由本领域技术人员来设计。本发明旨在包括属于权利要求范围内的所有替代、修改和变体。

Claims (21)

1、一种用于制作假牙的至少一部分的系统，包括：
三维扫描装置，用于扫描假牙模型的表面；
计算机可读介质，包括用于从所述扫描装置接收数据并创建所述表面的三维模型的计算机程序；以及
制作机，用于基于所述三维模型用选定材料来制作所述假牙的至少一部分。
2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述假牙模型从主要由患者口腔的至少一部分的物理模型和预先存在的假牙所组成的组中选择。
3、根据权利要求1所述的系统，其中，所述假牙模型从主要由口腔、上下牙龈线、上下弓部、以及腭所组成的组中选择。
4、根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机可读介质被可操作地连接到处理器，并且其中，所述处理器被并入从由独立计算机、所述扫描装置和所述制作机所组成的组中选择的位置。
5、根据权利要求1所述的系统，其中，所述扫描装置包括光源，用以取得代表所述假牙模型的形状的数据。
6、根据权利要求1所述的系统，其中，所述扫描装置从由红外摄像机、超声装置、无线电波装置、雷达、软X射线、磁共振成像(MRI)以及CAT(计算机断层摄影法)扫描装置所组成的组中选择。
7、根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机程序是计算机辅助制图(CAD)程序。
8、根据权利要求1所述的系统，其中，所述制作机包括车床，用于使材料成形以制作所述假牙的所述部分。
9、根据权利要求1所述的系统，其中，所述制作机是快速成型机。
10、根据权利要求8所述的系统，其中，所述快速成型机从主要由立体光刻机、激光烧结机、多喷口建模机、熔融沉积建模机、电子束熔炼机以及三维打印机器所组成的组中选择。
11、一种用于制作假牙的至少一部分的方法，包括：
使用三维扫描装置来扫描假牙模型的表面；
从所述扫描装置接收数据并基于所述数据形成所述表面的三维计算机模型；以及
基于所述三维模型来制作所述假牙的至少一部分。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，还包括在制作所述假牙的所述部分之前基于患者的规格来修改所述三维计算机模型。
13、根据权利要求11所述的方法，其中，所述扫描包括将摄像机置于患者口腔附近，并捕捉所述口腔的至少一部分的图像。
14、根据权利要求11所述的系统，其中，所述假牙模型从患者口腔的至少一部分、患者口腔的至少一部分的物理模型以及预先存在的假牙所组成的组中选择。
15、根据权利要求11所述的方法，其中，制作所述假牙的至少所述部分的所述步骤包括将数据从所述三维计算机模型传输至制作机，并且其中，所述制作机从由车床和快速成型机所组成的组中选择。
16、根据权利要求15所述的方法，其中，所述快速成型机从主要由立体光刻机、激光烧结机、多喷口建模机、熔融沉积建模机、电子束熔炼机和三维打印机所组成的组中选择。
17、根据权利要求15所述的方法，其中，所述制作机用从主要由金属、塑料聚合物、丙烯酸(PMMA)、聚碳酸酯、ABS塑料、尼龙、二甲基丙烯氨基甲酸乙脂/丙烯酸共聚物、丁二烯-苯乙烯橡胶及其任意组合所组成的组中选择的材料来制造所述假牙的所述部分。
18、根据权利要求12所述的方法，其中，修改所述计算机模型的所述步骤包括从主要由以下修改所组成的组中选择的修改：调整所述图像的形状、调整所述图像的大小和/或合并在所述假牙模型中不存在的特征，并且其中所述特征被所述制作机制作为所述假牙的所述部分的集成部分。
19、根据权利要求18所述的方法，其中，所述特征从主要由以下特征所组成的组中选择：使所述假牙的至少所述部分就位的夹、吸盘、为所述假牙提供额外稳定性的弓部、在所述假牙的表面之间的开放式空隙以及在所述假牙的所述至少所述部分内的室。
20、根据权利要求17所述的方法，其中，所述材料包括合并于其中的物质，所述物质从主要由生物粘合材料和抗微生物剂所组成的组中选择。
21、根据权利要求12所述的方法，其中，还包括向所述患者显示所述三维计算机模型以允许所述患者选择并观察所述规格。
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