CN102169519B - 一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学领域先天性腭裂非创伤性治疗方法，具体涉及一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：1）利用显微CT技术获取腭裂牙槽骨颌弓断层信息数据，扫描层厚为50μm；2）在逆行工程软件内，将上颌颌弓实体模型的腭裂牙槽骨骨段由畸形状态模拟移动至接近正常上颌颌弓形态，并将这一塑形变化过程进行分步模拟演示；3）依据模拟演示获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型；4）依据腭裂牙槽骨颌弓数字化模型制作牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型；5）利用快速成形技术自动加工出牙槽骨塑形矫治器原型。它提供了一种不依赖于医师经验与手工的腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化设计和制备方法。

Description

一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法

技术领域

本发明属于医学领域先天性腭裂非创伤性治疗方法，具体涉及一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法。

背景技术

唇腭裂是全世界发病率最高的的先天性颌面缺损畸形，在中国腭裂发病率约为出生人口的1.6‰，给社会和家庭带来极大负担。腭裂直接导致患者严重的上颌牙槽骨组织缺损，使其上颌颌弓连续性丧失，牙槽骨段发生组织移位，给后续手术带来许多困难，因此需要进行牙槽骨塑形治疗。大量临床研究已经证明腭裂婴儿上颌牙槽骨具有较强的可塑性，利用矫治器进行牙槽骨塑形，能以非创伤性方式最大限度矫正患者颌弓外形和缩小组织缺隙，从而极大改善腭裂手术修复效果并降低手术难度和风险。但是现有国内外各种牙槽骨塑形矫治器均完全依靠医师主观经验设计，采用纯手工方式制作，治疗随意性大，制作精度不稳定，对治疗过程及效果难以预计。在我国仅有少数唇腭裂治疗专科中心能够开展此项治疗，严重限制了该技术在我国的推广应用。因此，需要建立一种牙槽骨塑形矫治器数字化精确设计和自动加工方法，可以实现牙槽骨塑性的全程预控与分步实施，以为腭裂患者提供标准、快捷的个体化治疗方法。

要想实现上述过程，首先需要建立患者腭裂形态的数字化实体模型，使得医师能够掌握腭裂表面形态、实际体积等重要信息，进行后续的个性化矫治器设计与制作。目前可供选择方法主要有激光三维扫描、可见光三维扫描和计算机断层扫描技术（Computed Tomography，CT）等。激光扫描与可见光扫描均属于非接触式的三维测量方法，其特点是单次扫描速度快、精度较高，但是缺点是只能获得腭裂组织表面形态数据，不能获得整个腭裂内部结构信息，无法获得实体化的数字化模型；而且由于腭裂形态结构复杂，倒凹较多，往往需要变换扫描角度、扫描多次才能获得一个完整的腭裂模型数据。

CT技术属于断层扫描方法，其优点是不受被扫描物体的内外部复杂程度限制，一次扫描即可同时获取目标物体表面与体内的全部数据，并三维重建成物体的实体数据模型，因此适合用于腭裂牙槽骨塑形矫治器的数字化建模。现有CT包括普通断层CT、螺旋CT属于肉眼分辨水平的宏观CT，受其技术原理所限，扫描层厚一般为5-10mm，即使采用超薄层扫描，扫描层厚也在 1.0～1.5mm左右，这样导致最终获得三维模型表面呈“阶梯状”，精度无法满足牙槽骨塑形矫治器数字化精确设计的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种不依赖于医师经验与手工的腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化设计和制备方法，以便为腭裂患者提供个体化的非创伤性治疗手段的一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：其步骤至少包括

1）应用牙科印模技术制取单侧腭裂患者腭裂牙槽骨颌弓石膏模型；

2） 然后利用显微CT系统对石膏模型进行分层扫描，扫描层厚为50μm；

3）获得腭裂牙槽骨颌弓石膏模型的全部断层图像原始数据；

4）将所有数据导入Mimics医学影像控制系统；通过阈值设定，在矢状面、水平面及冠状面修整去除多余部分；

5）最后三维重建出腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型；

6）通过逆行工程软件将上颌颌弓实体模型的腭裂牙槽骨骨段由畸形状态模拟移动至接近正常上颌颌弓形态，并将这一塑形变化过程进行分步模拟演示，获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型； 

7）依据模拟演示获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型，分别设计出不同阶段的牙槽骨塑形矫治器基托模型； 

8）依据腭裂牙槽骨颌弓数字化模型制作牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型；

9）利用快速成形技术自动加工出牙槽骨塑形矫治器原型。

所述的步骤6）中获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型，是指首先对腭裂牙槽骨颌弓数字化模型进行降噪、平滑处理是通过逆向工程软件完成，然后上颌颌弓实体模型中牙槽骨由于腭裂分成两段，其颌弓呈“八”字形相互游离错开，通过逆向工程软件将上颌牙槽骨段模拟分步排列,并获得接近正常人“∩”形状颌弓的矫治过程中的每一阶段腭裂牙槽骨颌弓数字化模型。

所述的步骤7）中矫治过程中各阶段的牙槽骨塑形矫治器基托模型是将获得的每个分阶段腭裂牙槽骨颌弓数字化模型，分别在逆向工程软件中，通过对牙槽骨裂隙及腭裂缺隙边界的设定，先去除全部缺隙部分数据，然后通过软件“补洞”功能将缺隙区域按照正常上颌表面形态修复平整；最后确定矫治器基托边界范围，赋予2mm的实体厚度，获得所需的牙槽骨塑形矫治器基托实体模型。

所述的步骤8）中，制做牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型；是利用GeomagicStudio软件几何实体构建功能，设计两个相同的圆柱体固位柱，其直径为2mm-3mm，长度为8mm-10mm。

所述的步骤9）中，加工出牙槽骨塑形矫治器原型包括步骤：

A、将牙槽骨塑形矫治器实体模型数据导入快速成形辅助软件Materiallise Magics；

B、软件将作切层处理；

C、运行软件Smart Space模块自动依据各矫治器的几何形状自动对其进行嵌套排放；

D、然后将牙槽骨塑形矫治器实体模型文件转化成自动加工指令；

E、通过快速成形系统根据自动加工指令，自动、快速的将所有数字化模型直接加工成牙槽骨塑形矫治器实物模型。

本发明优点是：首次利用Micro CT对腭裂石膏模型进行断层扫描，扫描层厚仅为50μm，获得了精确度最高的腭裂牙槽骨颌弓的实体模型，不仅包含腭裂组织表面三维信息，还包括腭裂内部结构信息。优点二是首次实现牙槽骨塑性矫治器个性化精确设计与快速自动制作的方法，改变以往单纯依靠医师主观经验与手工制作的落后状况，医师在术前就能对整个治疗过程进行全程预控与分步实施。

Micro CT采用微焦点线球管。以锥形线束代替扇形X线束，扫描空间分辨率达到1～10μm，最小扫描层厚达到10μm，可以清楚地显示目标物体的细微内部结构，是已知精度最高的断层扫描方法。目前未见有应用于唇腭裂治疗研究中的报道。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施步骤流程图；

图2是加工出牙槽骨塑形矫治器原型包括步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，至少包括如下步骤：

101步，应用牙科印模技术制取单侧腭裂患者腭裂牙槽骨颌弓石膏模型；

102步，然后利用显微CT系统对石膏模型进行分层扫描，扫描层厚为50μm；

103步，获得腭裂牙槽骨颌弓石膏模型的全部断层图像原始数据；

104步，将所有数据导入Mimics医学影像控制系统；通过阈值设定，在矢状面、水平面及冠状面修整去除多余部分；

105步，三维重建出腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型；

106步，通过逆行工程软件将上颌颌弓实体模型的腭裂牙槽骨骨段由畸形状态模拟移动至接近正常上颌颌弓形态，并将这一塑形变化过程进行分步模拟演示，获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型； 

107步，依据模拟演示获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型，分别设计出不同阶段的牙槽骨塑形矫治器基托模型； 

108步，依据腭裂牙槽骨颌弓数字化模型制作牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型；

109步，利用快速成形技术自动加工出牙槽骨塑形矫治器原型。

上述步骤中，利用显微CT技术获取腭裂牙槽骨颌弓断层信息数据：应用牙科托盘和口腔重体硅橡胶印模材料制取单侧腭裂患者上颌印模，灌注牙科超硬石膏后，获得牙槽骨裂颌弓石膏模型。利用显微CT系统（Siemens Inveon，德国）进行石膏模型的分层扫描：将模型置于中心视野区域，设置适合系统参数，扫描层厚为50μm，连续扫描获得整个石膏模型的断层信息数据，将上述数据从CT工作站中导出，保存为DICOM通用数据格式并刻录为DVD数据光盘。将DICOM数据导入Mimics医学影像控制系统（Materiallise,比利时），应用其阈值分割功能，将牙槽骨裂颌弓表面轮廓形态数据分割出来然后利用软件区域增长功能，将牙槽骨形态信息构成一个实体模型，在矢状面、水平面及冠状面修整去除多余部分后，三维重建出腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型，导出数据格式为通用STL格式。

上述步骤中，模拟牙槽骨塑形分阶段治疗过程：将STL数据格式导入Geomagic Studio逆向工程软件（Raindrop，美国）中，进行去除杂点、降噪等操作，去除腭裂牙槽骨颌弓以外多余数据以及体外杂点后，获得理想的腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型。该模型中牙槽骨由于腭裂分成两段，相互游离错开，颌弓呈“八”字形；计划进行通过治疗后上颌牙槽骨段排列将接近正常人颌弓的“∩”形状。逆向工程软件将这一塑形变化过程进行分步模拟演示，获得矫治过程中每一阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化模型（模型A、B、C……），分别保存为Geomagic Studio软件专用WRP格式文件。

步骤中设计牙槽骨塑形各阶段矫治器基托数字化模型：将获得的每个分阶段腭裂牙槽骨颌弓数字化模型WRP格式文件（模型A、B、C……），分别在逆向工程软件中，通过对牙槽骨裂隙及腭裂缺隙边界的设定，先去除全部缺隙部分数据，然后通过软件“补洞”功能将缺隙区域按照正常上颌表面形态修复平整；通过三维数据处理软件，对腭裂三维模型中腭裂缺损区域数据作缝合处理，使其与其他区域光滑平整。参考正常人无牙颌颌弓解剖标志特征，在软件中标志矫治器基托的边缘线；在软件中进行360°各视角的详细检查，对不满意处进行器官局部形态细节的变形处理，改进修复效果，直至完全满意。执行软件“抽壳”指令赋予矫治器厚度的值（2mm），获得所需的牙槽骨塑形矫治器基托实体模型（模型甲、乙、丙……）获得牙槽骨塑形矫治器三维数据模型。

步骤中设计牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型：利用GeomagicStudio软件几何实体构建功能，设计两个相同的圆柱体固位柱，其直径为2mm-3mm，长度为8mm-10mm。在牙槽骨塑形矫治器基托实体模型（模型甲、乙、丙……）基托外表面前牙区左右对称部位分别安装一个固位柱，固位柱角度与基托前区呈45度角，将来起矫治器固位作用。两者间通过软件布尔运算和合并功能，获得最终的牙槽骨塑形矫治器实体模型（模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……）。GeomagicStudio软件对所有实体模型进行去噪、平滑化等处理，将其输出为快速成形系统能识别的STL文件。

如图2所示，利用快速成形技术加工出牙槽骨塑形矫治器原型包括如下步骤：201步，将牙槽骨塑形矫治器实体模型（模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……）数据导入快速成形辅助软件Materiallise Magics(Materialise，比利时)。202步，软件将作切层处理。203步，运行软件Smart Space 模块自动依据各矫治器的几何形状自动对其进行嵌套排放。204步，然后将牙槽骨塑形矫治器实体模型（模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……）文件转化成一系列自动加工指令，快速成形系统可以根据自动加工指令。205步，自动、快速的将所有数字化模型直接加工成牙槽骨塑形矫治器实物模型。

在上述过程中，首先按照加工指令进行分层处理，得到零件的二维截面数据，然后根据每一层的截面数据，以特定的方法（固化光敏树脂或烧结树脂粉末等）生成与该层截面形状一致的薄片，这一过程自动反复进行，逐层累加，直至加工完成全部牙槽骨塑形矫治器实物模型。

腭裂组织几何形状非常复杂，而且存在矫治过程中每一阶段颌面软硬组织的渐变，没有任何两个矫治器是相同的，只能采用个性化小批量的制造形式。快速成形技术(Rapid Prototyping，RP)能满足这种需求。RP技术的基本原理是：将设计好的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的实物原型。在医学领域已经有很多RP技术成功应用的范例。RP技术尚未见有用于牙槽骨塑形治疗矫治器制作的报道。

Claims (5)

1.一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：其步骤至少包括：

1）应用牙科印模技术制取单侧腭裂患者腭裂牙槽骨颌弓石膏模型；

2） 然后利用显微CT系统对石膏模型进行分层扫描，扫描层厚为50μm；

3）获得腭裂牙槽骨颌弓石膏模型的全部断层图像原始数据；

4）将所有数据导入Mimics医学影像控制系统；通过阈值设定，在矢状面、水平面及冠状面修整去除多余部分；

5）三维重建出腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型；

6）通过逆行工程软件将腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型的腭裂牙槽骨骨段由畸形状态模拟移动至接近正常上颌颌弓形态，并将这一塑形变化过程进行分步模拟演示，获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型； 

7）依据模拟演示获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型，分别设计出不同阶段的牙槽骨塑形矫治器基托模型； 

8）依据腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型制作牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型；

9）利用快速成形技术自动加工出牙槽骨塑形矫治器原型。

2.根据权利要求1所述的一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：所述的步骤6）中获得矫治过程中各阶段的腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型，是指首先对腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型进行降噪、平滑处理是通过逆向工程软件完成，然后腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型中牙槽骨由于腭裂分成两段，其颌弓呈“八”字形相互游离错开，通过逆向工程软件将上颌牙槽骨段模拟分步排列,并获得接近正常人“∩”形状颌弓的矫治过程中的每一阶段腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型。

3.根据权利要求1所述的一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：所述的步骤7）中矫治过程中各阶段的牙槽骨塑形矫治器基托模型是将获得的每个分阶段腭裂牙槽骨颌弓数字化实体模型，分别在逆向工程软件中，通过对牙槽骨裂隙及腭裂缺隙边界的设定，先去除全部缺隙部分数据，然后通过软件“补洞”功能将缺隙区域按照正常上颌表面形态修复平整；最后确定矫治器基托边界范围，赋予2mm的实体厚度，获得所需的牙槽骨塑形矫治器基托实体模型。

4.根据权利要求1所述的一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：所述的步骤8）中，制作牙槽骨塑形各阶段矫治器固位柱数字化模型是利用GeomagicStudio软件几何实体构建功能，设计两个相同的圆柱体固位柱，其直径为2mm-3mm，长度为8mm-10mm。

5.根据权利要求1所述的一种腭裂牙槽骨塑形矫治器数字化方法，其方法是：所述的步骤9）中，加工出牙槽骨塑形矫治器原型包括步骤：

A、将牙槽骨塑形矫治器实体模型数据导入快速成形辅助软件Materiallise Magics；

B、软件将作切层处理；

C、运行软件Smart Space模块自动依据各矫治器的几何形状自动对其进行嵌套排放；

D、然后将牙槽骨塑形矫治器实体模型文件转化成自动加工指令；

E、通过快速成形系统根据自动加工指令，自动、快速的将所有数字化模型直接加工成牙槽骨塑形矫治器实物模型。

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