CN104107094A - 一种无痕矫治器的三维力测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种口腔医学无托槽无痕矫治力在三维坐标中的测量问题，提出了一种无痕矫治器的三维力测量系统及测量方法。其将单颗待矫治牙从整体牙颌石膏模型中分离出来，六维力传感器是与单颗待矫治牙固定连接，用X,Y,R轴位移微调平台模拟正畸过程控制单颗待矫治牙的位置变化，迫使无痕矫治器发生变形，产生变形回复力，从而测定无痕矫治在三维坐标上的矫治力。通过对无痕矫治器在三维坐标的作用力系及作用效果的研究，使正畸医生制定更加合理有效的治疗方案，设计人员设计更完美的个性化无痕矫治器。该方法不仅测量精度高，实时性好，而且测量过程简单易行。

Description

一种无痕矫治器的三维力测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及口腔医学无托槽无痕矫治力在三维坐标中的测量领域，特别是无痕矫治器的三维矫治力测量系统及测量方法，测量并分析牙齿无痕矫治过程中在三维坐标中的受力情况。

背景技术

所谓无托槽隐形矫治技术是相对于传统的固定矫治技术而言，其矫治器是由医用树脂膜片加工而成，无带环、托槽、弓丝等固定矫治器的矫正装置，因而称为“无托槽”隐形矫治器。无托槽隐形矫治技术的产生与发展融合了现代正畸学、数字化图像采集与处理技术、快速成型技术等多学科、多领域的科技成果。

在牙齿萌出和移动的过程中，受压侧的牙槽骨骨质吸收，而牵引侧的牙槽骨骨质增生。临床上即利用此原理进行牙颌畸形的矫正治疗，即加一定强度的压力于牙齿，一定时间后，受压侧牙槽骨被吸收，牙齿的位置随之移动。隐形矫正器的矫正原理是，矫治器的形状与牙冠的外形存在差异，当被戴到牙齿上后，由于被强制性的发生了形状改变（有位移产生），产生分布式反作用力（即矫治力） 刺激牙周组织产生一定的生物学效应发生组织重建，致使牙齿移动，达到牙齿矫治的目的。目前，矫正各阶段牙齿的平动量和转动量更多的是依据医师临床经验确定，由于个体组织特性的差异往往造成在矫治过程中作用力过大，使患者产生疼痛感。因此，通过对隐形矫治器的作用力系以及作用效果的研究，可以使正畸医生制定更加合理有效的治疗方案，设计人员也可以设计出更完美的个性化无痕矫治器。

测隐形矫治力最直接的方法就是用力传感器，将力传感器置于牙齿和矫治器的接触面，测量两者之间的挤压力。目前有些学者研究隐形矫治力是用了应变片，力传感器等，但是由于口腔医学隐形矫治的矫治力微小，牙齿表面与隐形矫治器接触面积小和接触间隙紧，测量过程中对传感器的尺寸、厚度及柔软度要求高，要直接精确测量隐形矫治力很难做到。而且用这种方法测量隐形矫治力，只能研究牙齿在倾斜移动下的力，且是单一方向的力，不能研究牙齿旋转运动或牙齿复合运动时的矫治力及分析其在三维方向上的力的分布。

之前有澳大利亚的学者用感压纸测量隐形矫治力，感压纸是由两层薄膜组成，一是传讯膜，二是显色膜。将裁切后的感压纸贴在需要测量矫治器上需要测量压力的位置，一段时间后取出感压纸，根据颜色的变化情况检查压力的大小（与标准色卡对比），这样可以分析各个点的压力分布情况，由此推算出矫治力的大小。这种方法虽然可以分析各个点的压力分布情况，但是一旦将感压纸取出，就很难确定各个颜色点在牙齿上的对应位置，而且这种方法更适合于定性分析，而不是定量分析矫治力。

 本发明提出的一种无痕矫治器的三维力测量系统及测量方法，逆向测量无痕矫治力的方法和系统，将单颗待矫治牙从整体牙颌石膏模型中分离出来，六维力传感器是与单颗待矫治牙固定连接，用X,Y,R轴位移微调平台模拟正畸过程控制单颗待矫治牙的位置变化，迫使无痕矫治器发生变形，产生变形回复力，从而测定无痕矫治在三维坐标上的矫治力。这样就避免了对传感器的尺寸、厚度及柔软度要求高的问题，而且借助六维力传感器，可以全方位的分析牙齿在三维力空间中的受力情况，为正畸治疗提供有力的参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无痕矫治器的三维力测量方法，该方法测量精度高，实时性好，且测量过程简单易行。

    为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无痕矫治器的三维力测量方法，其特征在于，利用真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器，用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将单颗待矫治牙从原始整体牙颌石膏模型中分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变；将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上，用恒温箱模拟真实口腔环境，通过X,Y,R轴位移微调平台控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转以模拟口腔正畸矫治过程，同时通过六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向的移动力和3个方向的转矩。 

进一步地，所述的测量矫治力方法是牙齿无痕矫治的逆过程，即先使牙齿按照正畸方案发生位置变化，迫使无痕矫治器发生变形，产生变形回复力和回复转矩。

进一步地，所述的测试结果是单颗牙在三维方向受到的整体力，该力包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩，以综合分析牙齿在无痕矫治过程中在三维方向上的受力情况。

    本发明另提供一种无痕矫治器的三维力测量系统，能实现无痕矫治器的三维力测量，其特征在于包括：

双层固定平台；

X,Y,R轴位移微调平台，设置于所述双层固定平台的下层，用以牙齿正畸过程的模拟；

六维力传感器，设置于所述X,Y,R轴位移微调平台上，用于测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩；

恒温箱，设置于所述述双层固定平台的上层，用以模拟真实口腔环境；以及

数据采集系统，用以接收六维力传感器采集的数据，并发送给上位机。

进一步地，所述的X,Y,R轴位移微调平台既能单独模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y方向的移动或Z轴转动，也能通过微调平台的复合运动精确模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y平面任意方向的移动和Z轴任意角度的转动。

本发明的再一目的是提供一种利用上述的无痕矫治器的三维力测量系统的测量方法，其特征在于：按以下步骤进行：

（1）由牙科医生按常规方法获得患者的牙颌石膏模型，通过真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器； 

（2）分离待矫治牙；用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将待矫治的单颗牙分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变，将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上；

（3）切割后的整体牙颌石膏模型的固定；将单颗待矫治牙通过连接装置固定在六维力传感器的一侧，将去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型固定在双层固定平台上；按原始牙颌整体石膏模型中牙齿的排列规律，保持所切割下的单颗待矫治牙齿与剩余牙列的相对位置关系不变；

（4）设置恒温箱的温度和湿度，模拟真实口腔环境；

（5）模拟矫治过程；通过X,Y,R轴位移微调平台有步骤地控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转，以模拟实际口腔正畸矫治过程；

（6）矫治力的测量；随着单颗待矫治牙齿的移动和旋转，通过连接在该牙齿上的六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩。

进一步地，在所述步骤（3）中，单颗待矫治牙是与传感器固定连接，去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型是与固定平台的上层平台固定连接，即在模拟口腔正畸过程中，用X,Y,R轴位移微调平台控制单颗待矫治牙的位置变化，而保持去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型的位置固定不动。  

相较于现有技术，本发明的有益效果是针对口腔医学无痕矫治的矫治力小，无痕矫治器佩戴在牙齿表面上接触面积小和接触间隙紧密，很难有理想的传感器可以直接测出无痕矫治力及分析其在三维坐标的分布情况的问题，提出了一种逆向测量无痕矫治力的方法和系统，避免了之前研究对传感器的大小、厚度及柔软性有苛刻要求的情况，而且利用六维力传感器可以测量分析牙齿无痕矫治力在三维坐标的分布情况。通过对无痕矫治器在三维坐标的作用力系及作用效果的研究，使正畸医生制定更加合理有效的治疗方案，设计人员设计更完美的个性化无痕矫治器。该方法不仅测量精度高，实时性好，而且测量过程简单易行。

附图说明

图1是本发明无痕矫治器的三维矫治力测量系统结构及原理图。

具体实施方式

 本发明提供一种无痕矫治器的三维力测量方法，利用真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器，用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将单颗待矫治牙从原始整体牙颌石膏模型中分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变。将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上，用恒温箱模拟真实口腔环境，通过X,Y,R轴位移微调平台控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转，模拟口腔正畸矫治过程，同时通过六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩。通过对无痕矫治器在三维坐标的作用力系及作用效果的研究，使正畸医生制定更加合理有效的治疗方案，设计人员设计更完美的个性化无痕矫治器。该方法不仅测量精度高，实时性好，而且测量过程简单易行。

     具体的，如图1所示，无痕矫治器的三维力测量系统包括：

双层固定平台1；

X,Y,R轴位移微调平台2，设置于所述双层固定平台的下层10，用以牙齿正畸过程的模拟；

六维力传感器3，设置于所述X,Y,R轴位移微调平台上，用于测量由无痕矫治器5施加给牙齿6的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩；

恒温箱4，设置于所述述双层固定平台的上层9，用以模拟真实口腔环境；

以及数据采集系统7，用以接收六维力传感器采集的数据，并发送给上位机8。较佳的，所述的X,Y,R轴位移微调平台既能单独模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y方向的移动或Z轴转动，也能通过微调平台的复合运动精确模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y平面任意方向的移动和Z轴任意角度的转动。

下面介绍利用上述系统进行测量的方法，该方法包括以下步骤：

（1）由牙科医生按常规方法获得患者的牙颌石膏模型，通过真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器； 

（2）搭建实验平台。将X,Y,R位移微调平台用锁紧螺钉固定在双层固定平台的底层，六维力传感器通过连接装置同X,Y,R位移微调平台固定连接；

（3）分离待矫治牙。用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将待矫治的单颗牙分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变。将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上； 

（4）切割后的整体牙颌石膏模型的固定。将单颗待矫治牙通过连接装置固定在六维力传感器的一侧，将去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型用锁紧螺钉固定在双层固定平台上，按原始牙颌整体石膏模型中牙齿的排列规律，保持所切割下的单颗待矫治牙齿与剩余牙列的相对位置关系不变；

（5）将六维力传感器同电路采集部分连接，再通过通讯模块连接到计算机；

（6）将恒温箱同固定平台上层连接，设置温度和湿度，模拟真实口腔环境；

（7）模拟矫治过程。通过X,Y,R轴位移微调平台有步骤地控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转，以模拟实际口腔正畸矫治过程；

（8）力的测量。随着单颗待矫治牙齿的移动和旋转，通过连接在该牙齿上的六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩并在计算机中显示。

     下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

    （1）由牙科医生按常规方法获得患者的牙颌石膏模型，通过真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器； 

    （2）搭建实验平台。将X,Y,R位移微调平台用锁紧螺钉固定在双层固定平台的底层，六维力传感器通过连接装置同X,Y,R位移微调平台固定连接；

（3）分离单颗待矫治牙。用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将待矫治的单颗牙分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变。将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上； 

（4）切割后的整体牙颌石膏模型的固定。将单颗待矫治牙通过连接装置固定在六维力传感器的一侧，将去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型用锁紧螺钉固定在双层固定平台上，保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型及去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型相对位置关系不变；

（5）将六维力传感器同电路采集部分连接，再通过通讯模块连接到计算机；

（6）将恒温箱同固定平台上层连接，设置温度和湿度，模拟真实口腔环境；

（7）模拟矫治过程。通过X,Y,R轴位移微调平台有步骤地控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转，以模拟实际口腔正畸矫治过程。如依据口腔正畸过程，可以设置每个过程的移动量为0.17mm或旋转角度为0.5度，分别测试单独移动或旋转过程中3个方向上移动力和转矩的大小，也可以测试移动和旋转复合运动的移动力和转矩的大小；

（8）矫治力的测量。随着单颗待矫治牙齿的移动和旋转，通过连接在该牙齿上的六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩并在计算机中显示；

（9）数据分析。根据实验结果，不同移动量和转动量下3个方向上移动力和转矩的大小，以综合分析牙齿在无痕矫治过程中在三维方向上的受力情况。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种无痕矫治器的三维力测量方法，其特征在于，利用真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器，用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将单颗待矫治牙从原始整体牙颌石膏模型中分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变；将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上，用恒温箱模拟真实口腔环境，通过X,Y,R轴位移微调平台控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转以模拟口腔正畸矫治过程，同时通过六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向的移动力和3个方向的转矩。

2.根据权利要求1所述的一种无痕矫治器的三维力测量方法，其特征在于：所述的测量矫治力方法是牙齿无痕矫治的逆过程，即先使牙齿按照正畸方案发生位置变化，迫使无痕矫治器发生变形，产生变形回复力和回复转矩。

3.根据权利要求1所述的一种无痕矫治器的三维力测量方法，其特征在于：所述的测试结果是单颗牙在三维方向受到的整体力，该力包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩，以综合分析牙齿在无痕矫治过程中在三维方向上的受力情况。

4.一种无痕矫治器的三维力测量系统，其特征在于包括：

双层固定平台；

X,Y,R轴位移微调平台，设置于所述双层固定平台的下层，用以牙齿正畸过程的模拟；

六维力传感器，设置于所述X,Y,R轴位移微调平台上，用于测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩；

恒温箱，设置于所述述双层固定平台的上层，用以模拟真实口腔环境；以及

数据采集系统，用以接收六维力传感器采集的数据，并发送给上位机。

5.根据权利要求4所述的一种无痕矫治器的三维力测量系统，其特征在于：所述的X,Y,R轴位移微调平台既能单独模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y方向的移动或Z轴转动，也能通过微调平台的复合运动精确模拟无痕矫治过程中单颗牙齿在X,Y平面任意方向的移动和Z轴任意角度的转动。

6.一种利用权利要求4所述的无痕矫治器的三维力测量系统的测量方法，其特征在于：按以下步骤进行：

（1）由牙科医生按常规方法获得患者的牙颌石膏模型，通过真空成型技术制作原始整体牙颌石膏模型的无痕矫治器； 

（2）分离待矫治牙；用金刚石磨盘切割原始整体牙颌石膏模型，将待矫治的单颗牙分离出来，并保持单颗待矫治牙和原始整体牙颌石膏模型相对位置关系不变，将无痕矫治器正确佩戴在切割后的整体牙颌石膏模型上；

（3）切割后的整体牙颌石膏模型的固定；将单颗待矫治牙通过连接装置固定在六维力传感器的一侧，将去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型固定在双层固定平台上；按原始牙颌整体石膏模型中牙齿的排列规律，保持所切割下的单颗待矫治牙齿与剩余牙列的相对位置关系不变；

（4）设置恒温箱的温度和湿度，模拟真实口腔环境；

（5）模拟矫治过程；通过X,Y,R轴位移微调平台有步骤地控制单颗待矫治牙齿的移动和旋转，以模拟实际口腔正畸矫治过程；

（6）矫治力的测量；随着单颗待矫治牙齿的移动和旋转，通过连接在该牙齿上的六维力传感器测量由无痕矫治器施加给牙齿的变形回复力，包括X,Y,Z轴3个方向上的移动力和3个方向的转矩。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，单颗待矫治牙是与传感器固定连接，去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型是与固定平台的上层平台固定连接，即在模拟口腔正畸过程中，用X,Y,R轴位移微调平台控制单颗待矫治牙的位置变化，而保持去除单颗待矫治牙后的牙颌石膏模型的位置固定不动。

8.根据权利要求2所述的一种无痕矫治器的三维力测量方法及系统，所述的测力系统不仅可以用于测无痕矫治器的三维力，也可以用于口腔咬合力的测量，模拟口腔咬合，测量单科牙齿在咬合时受到的三维力。