CN105520787B - 个性化矫治装置的设计方法 - Google Patents
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Abstract
个性化矫治装置的设计方法，包括：病症的诊断；确定理想牙列；确定移动牙齿的移动方式；患者三维有限元模型构建；移动牙齿施力形式的理论设计和模拟；目标移动牙齿上正畸力和力矩的测量；个性化矫治方式的有限元模拟；最优正畸治疗方案的获取；个性化矫治装置的制作；个性化矫治装置的使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种牙齿矫正装置的数字化设计方法。
背景技术
口腔正畸是针对牙齿排列畸形或错牙合(牙合为一个字，下同)，利用弓丝、托槽等组成的矫治器械，对牙齿施加机械矫治力和力矩，调整颜面骨骼、牙齿和颌面肌肉三者间的平衡和协调，经过一段时间的矫治后改善面型、排齐牙列并提高咀嚼效能。
目前临床正畸中，正畸治疗方案的设计主要依赖牙科医生的临床经验和主观判断，矫治方式的设计特别是矫治器施加在牙齿上的力和力矩没有经过科学的理论分析和仿真模拟。这种矫治方式具有很高的不稳定性，矫治效果也不明确，不能给患者一个直观的治疗效果，这会大大降低患者配合治疗的意愿；另外，不恰当的矫治方式可能适得其反，不仅没有获得预想的治疗效果，而且可能会使病症更加糟糕。错误的矫治方式会带来牙槽骨吸收、骨破裂和牙齿脱落等风险，造成意想不到的恶果，并将进一步恶化紧张的医患关系。尤其对于疑难病例，矫治方案的设计如果按照常规的处理方式，正畸治疗失败的风险非常高。
为了保证在临床治疗过程中不发生意外，当前临床牙医一般采用病人定期回访的方式，定期观察治疗效果，并根据矫治效果和患者的反馈不断地修整矫治方案，以期获得比较好的治疗效果。这种治疗方式比较繁琐，同时增加了患者和医生的负担，矫治始终处于“矫正-调整-矫正”的循环状态，效率较低。
为了解决以上问题，目前个性化正畸已经得到了广泛应用，市场上广泛使用的隐形矫治器是依据患者个人症状设计加工而成，通过佩戴一系列的隐形矫治器逐步达到正畸治疗的目的。但这种个性化矫治方式只考虑了牙齿移动的几何量，在制订方案及矫治器的设计均没有考虑牙周组织的生物力学性质，在矫治过程中各口腔组织的应力大小并不明确。隐形矫治器的矫治方式同样存在矫治应力集中、牙槽骨吸收以及牙齿脱落的可能性。
发明内容
为了解决目前临床正畸治疗方案设计的经验依赖，特别是矫治器施加在牙齿上的力和力矩的不确定性而导致的牙齿错误移动，进而引发一系列不良后果，本发明提出一种基于口腔生物力学理论分析、矫治力量化检测、以及仿真模拟的个性化正畸治疗装置的数字化设计方法。
本发明所述的基于矫治力量化和模拟的个性化正畸治疗装置的设计方法，包括以下步骤：
(1)病症的诊断：牙医依据临床观测、CT图像以及患者口述，掌握患者主要临床症状，包括牙列错位情况、牙根分布、牙槽骨质量、以及有无牙周炎症等，初步判断需要移动的牙齿、牙周组织薄弱区域以及矫治过程中的注意事项。
(2)确定理想牙列：根据患者临床病症通过排牙确定理想牙列，即矫治结束后的标准理想牙列，并最终确定需要移动的目标牙齿。
(3)确定移动牙齿的移动方式：参照制定的理想牙列以及患者移动牙齿牙根及牙槽骨分布情况，在初始牙列与理想牙列之间，制定合理的目标牙齿移动方式，使矫治结束后的牙齿移动到理想牙列。
(4)患者三维有限元模型构建：依据患者CT图像，利用建模处理软件Mimics和Geomagic构建患者口腔组织的三维数字化有限元模型，包括牙齿、牙周膜、皮质骨和松质骨，为后续的生物力学有限元分析做准备。
(5)移动牙齿施力形式的理论设计和模拟：根据步骤(3)规划的移动牙齿的理想移动方式，通过理论分析计算获得牙齿移动所需要的施力形式，包括载荷的方向及作用位置和约束的作用位置。以理论分析获得的施力形式、以及步骤(3)中构建的三维有限元模型为基础，通过有限元仿真验证施力方式的正确性，判断牙齿的移动方式是否满足步骤(3)中的制定的牙齿移动方式，如不满足，调整目标牙齿施力形式直至牙齿按照理想方式移动。
(6)目标移动牙齿上正畸力和力矩的测量：为后续的个性矫治方案的有限元模拟，需要获得错位牙列上目标移动牙齿的正畸力和力矩的量化精确数据，正畸力的测量在模拟牙颌模型上进行。包括以下两个步聚：
a.模拟牙颌模型的设计制作：基于患者的CT数据，构建患者三维数字模型，并利用三维建模软件设计模拟牙颌模型，模拟牙颌模型与患者实际口腔模型相一致，目标移动矫正牙齿顶部设计有延伸杆，用于连接测力传感器。目标牙齿除与测力传感器和弓丝接触之外，不与其他口腔组织相接触，目标牙齿通过固位钉固定。模拟牙颌模型的制作通过立体打印技术实现。
b.错牙合牙列上目标牙齿正畸力的测量：在获得错牙合牙列的模拟牙颌实物模型之后，佩戴标准托槽和正畸弓丝，标准弓丝在错牙合牙列上会产生形变，弓丝形变产生的回复力通过目标牙齿顶端的延伸杆传递到力传感器，在固位钉去除之前弓丝的回复力有固位钉相互平衡，在去除固位钉之后，弓丝产生的形变回复力就会传递到传感器上，通过正畸力测量装置即可测得目标牙齿所受到的正畸力和力矩，包括力的大小和方向。
(7)个性化矫治方式的有限元模拟：以步骤(4)中重建获得有限元模型为基础，依照步骤(5)中经过理论分析和模拟的牙齿施力形式，施以步骤(6)经过正畸力测量装置测得的目标牙齿上的正畸力和力矩作为有限元分析载荷，进行初步矫治方式的有限元模拟，通过仿真分析获得不同口腔组织在各部分处的应力和位移。
(8)最优正畸治疗方案的获取：通过步骤(7)的仿真模拟，将不同口腔组织在初步矫治方式下产生的应力和位移与临床牙齿移动中最佳应力和位移相对比，并进一步判断矫治方案的合理性，如不满足临床要求返回至步骤(2)，通过不断修整目标牙齿的矫治方式，最终获得理想的正畸治疗方案。
(9)个性化矫治装置的制作：在通过生物力学理论分析、矫治力量化检测、以及仿真模拟获得理想的个性化正畸治疗方案之后，需要将正畸方案转移到临床患者口腔中。以步骤(8)获得的最优正畸治疗方案的加力方式和参数，设计制作个性化矫治装置上的个性化的施力或约束装置；个性化矫治装置包括两部分：一是选用通用的自锁托槽与弓丝；二是在此基础上，根据加力方式设计个性化的施力或约束装置，然后用金属立体打印制作出来。
(10)个性化矫治装置的使用：利用通用方法如加热真空吸塑制作托槽准确定位的间接粘接导板以及个性化施力或约束装置的辅助定位装置，帮助医生将个性化方案通过临床操作转移到患者口腔牙齿上。
本发明的有益效果是：经过牙齿正畸生物力学理论分析和有限元仿真模拟的个性化正畸方案，可以精确计算并实施矫治器施加在牙齿上的力和力矩，从而提高了临床治疗的准确性和可靠性，降低了正畸过程中因矫治方式不当引发牙槽骨吸收、破裂和牙齿脱落的可能性；减轻了患者和医生的负担，同时提高了正畸治疗效率；尤其对于疑难病例矫治方案的设计提供了一种科学的理论方法。
附图说明
图1一例疑难病例的上颌中切牙临床症状示意图，图中A、B分别表示唇侧和舌侧。
图2所述上颌中切牙理想移动方式。
图3所述中切牙理论施力形式。
图4初步施力方式下有限元模拟结果。
图5模拟牙颌模型。
图6个性化矫治装置的临床实施效果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图1-6：
本发明所述的一种个性化矫治装置的设计方法，包括以下步骤：
(1)病症的诊断：牙医依据临床观测、CT图像以及患者口述，掌握患者主要临床症状，包括牙列错位情况、牙根分布、牙槽骨质量、以及有无牙周炎症等，初步判断需要移动的牙齿、牙周组织薄弱区域以及矫治过程中的注意事项。
(2)确定理想牙列：根据患者临床病症通过排牙确定理想牙列，即矫治结束后的标准理想牙列，并最终确定需要移动的目标牙齿。
如图1所示，为一例疑难病例的上颌中切牙2临床症状示意图，矫治目标牙齿为两颗中切牙2。主要症状表现为中切牙2牙冠向舌侧B内凹，牙根向唇侧A外凸，牙槽骨1唇侧A骨壁薄弱，厚度不足0.45毫米。
(3)确定移动牙齿的移动方式：参照制定的理想牙列以及患者移动牙齿牙根及牙槽骨分布情况，在初始牙列与理想牙列之间，制定合理的目标牙齿移动方式，使矫治结束后的牙齿移动到理想牙列。
如图2所示是依照患者的主要病症规划设计的中切牙2理想移动方式，图中实线表示中切牙2所在实际位置，虚线表示其移动之后的理想位置。在矫治过程中需要实现中切牙2的旋转，促使牙冠向唇侧A移动，同时牙根向舌侧B移动，满足理想牙列要求。
(4)患者三维有限元模型构建：依据患者CT图像，利用建模处理软件Mimics和Geomagic构建患者口腔组织的三维数字化有限元模型，包括牙齿、牙周膜、皮质骨和松质骨，为后续的生物力学有限元分析做准备。
(5)移动牙齿施力形式的理论设计和模拟：根据步骤(3)规划的移动牙齿的理想移动方式，通过理论分析计算获得牙齿移动所需要的施力形式，包括载荷的方向及作用位置和约束的作用位置。以理论分析获得的施力形式、以及步骤(3)中构建的三维有限元模型为基础，通过有限元仿真验证施力方式的正确性，判断牙齿的移动方式是否满足步骤(3)中的制定的牙齿移动方式，如不满足，调整目标牙齿施力形式直至牙齿按照理想方式移动。
如图3所示，为参考患者中切牙2理想移动方式通过理论分析设计获得的牙齿施力形式，即在对中切牙2牙冠施加一个唇向A牵引力的同时，在舌侧B牙齿中间位置添加一个铰链约束3，限制牙根沿唇向A的位移。作用效果相当于一个力偶，实现中切牙2的旋转运动。如图4所示为在设计的施力形式下，牙齿移动方式的有限元模拟结果，可以看出模拟结果与理想牙齿移动方式相一致。
(6)目标移动牙齿上正畸力和力矩的测量：为后续的个性矫治方案的有限元模拟，需要获得错位牙列上目标移动牙齿的正畸力和力矩的量化精确数据，正畸力的测量在模拟牙颌模型上进行。包括以下两个步聚：
a.模拟牙颌模型的设计制作：基于患者的CT数据，构建患者三维数字模型，并利用三维建模软件设计模拟牙颌模型，模拟牙颌模型与患者实际口腔模型相一致，目标移动矫正牙齿顶部设计有延伸杆，用于连接测力传感器。目标牙齿除与测力传感器和弓丝接触之外，不与其他口腔组织相接触，目标牙齿通过固位钉固定。模拟牙颌模型的制作通过立体打印技术实现。
如图5所示，为根据患者CT数据重建设计出的模拟牙颌模型，矫正目标牙齿为两颗上颌中切牙2，中切牙2顶部设计有延伸杆4，中切牙2依靠固位钉5与其他口腔组织相连接。
b.错牙合牙列上目标牙齿正畸力的测量：在获得错牙合牙列的模拟牙颌实物模型之后，佩戴标准托槽和正畸弓丝，标准弓丝在错牙合牙列上会产生形变，弓丝形变产生的回复力通过目标牙齿顶端的延伸杆传递到力传感器，在固位钉去除之前弓丝的回复力有固位钉相互平衡，在去除固位钉之后，弓丝产生的形变回复力就会传递到传感器上，通过正畸力测量装置即可测得目标牙齿所受到的正畸力和力矩，包括力的大小和方向。
(7)个性化矫治方式的有限元模拟：以步骤(4)中重建获得有限元模型为基础，依照步骤(5)中经过理论分析和模拟的牙齿施力形式，施以步骤(6)经过正畸力测量装置测得的目标牙齿上的正畸力和力矩作为有限元分析载荷，进行初步矫治方式的有限元模拟，通过仿真分析获得不同口腔组织在各部分处的应力和位移。
(8)最优正畸治疗方案的获取：通过步骤(7)的仿真模拟，将不同口腔组织在初步矫治方式下产生的应力和位移与临床牙齿移动中最佳应力和位移相对比，并进一步判断矫治方案的合理性，如不满足临床要求返回至步骤(2)，通过不断修整目标牙齿的矫治方式，最终获得理想的正畸治疗方案。
(9)个性化矫治装置的制作：在通过生物力学理论分析、矫治力量化检测、以及仿真模拟获得理想的个性化正畸治疗方案之后，需要将正畸方案转移到临床患者口腔中。以步骤(8)获得的最优正畸治疗方案的加力方式和参数，设计制作个性化矫治装置上的个性化的施力或约束装置；个性化矫治装置包括两部分：一是选用通用的自锁托槽与弓丝；二是在此基础上，根据加力方式设计个性化的施力或约束装置，然后用金属立体打印制作出来。
(10)个性化矫治装置的使用：利用通用方法如加热真空吸塑制作托槽准确定位的间接粘接导板以及个性化施力或约束装置的辅助定位装置，帮助医生将个性化方案通过临床操作转移到患者口腔牙齿上。
如图6所示为所述病例个性化正畸治疗装置在临床实施效果图。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.个性化矫治装置的设计方法，包括以下步骤：
(1)确定理想牙列：通过排牙确定理想牙列，即矫治结束后的标准理想牙列，最终确定需要移动的目标牙齿；
(2)确定移动牙齿的移动方式：参照制定的理想牙列以及患者移动牙齿牙根及牙槽骨分布情况，在初始牙列与理想牙列之间，制定合理的目标牙齿移动方式，使矫治结束后的牙齿移动到理想牙列；
(3)患者三维有限元模型构建：依据患者CT图像，利用建模处理软件Mimics和Geomagic构建患者口腔组织的三维数字化有限元模型，包括牙齿、牙周膜、皮质骨和松质骨，为后续的生物力学有限元分析做准备；
(4)移动牙齿施力形式的理论设计和模拟：根据步骤(3)规划的移动牙齿的理想移动方式，通过理论分析计算获得牙齿移动所需要的施力形式，包括载荷的方向及作用位置和约束的作用位置；以理论分析获得的施力形式、以及步骤(3)中构建的三维有限元模型为基础，通过有限元仿真验证施力方式的正确性，判断牙齿的移动方式是否满足步骤(3)中的制定的牙齿移动方式，如不满足，调整目标牙齿施力形式直至牙齿按照理想方式移动；
(5)目标移动牙齿上正畸力和力矩的测量：为后续的个性矫治方案的有限元模拟，需要获得错位牙列上目标移动牙齿的正畸力和力矩的量化精确数据，正畸力的测量在模拟牙颌模型上进行；包括以下两个步骤：
a.模拟牙颌模型的设计制作：基于患者的CT数据，构建患者三维数字模型，并利用三维建模软件设计模拟牙颌模型，模拟牙颌模型与患者实际口腔模型相一致，目标移动矫正牙齿顶部设计有延伸杆，用于连接测力传感器；目标牙齿除与测力传感器和弓丝接触之外，不与其他口腔组织相接触，目标牙齿通过固位钉固定；模拟牙颌模型的制作通过立体打印技术实现；
b.错牙合牙列上目标牙齿正畸力的测量：在获得错牙合牙列的模拟牙颌实物模型之后，佩戴标准托槽和正畸弓丝，标准弓丝在错牙合牙列上会产生形变，弓丝形变产生的回复力通过目标牙齿顶端的延伸杆传递到力传感器，在固位钉去除之前弓丝的回复力有固位钉相互平衡，在去除固位钉之后，弓丝产生的形变回复力就会传递到传感器上，通过正畸力测量装置即可测得目标牙齿所受到的正畸力和力矩，包括力的大小和方向；
(6)个性化矫治方式的有限元模拟：以步骤(4)中重建获得有限元模型为基础，依照步骤(5)中经过理论分析和模拟的牙齿施力形式，施以步骤(6)经过正畸力测量装置测得的目标牙齿上的正畸力和力矩作为有限元分析载荷，进行初步矫治方式的有限元模拟，通过仿真分析获得不同口腔组织在各部分处的应力和位移；
(7)最优正畸矫治方案的获取：通过步骤(7)的仿真模拟，将不同口腔组织在初步矫治方式下产生的应力和位移与临床牙齿移动中最佳应力和位移相对比，并进一步判断矫治方案的合理性，如不满足要求返回至步骤(2)，通过不断修整目标牙齿的矫治方式，最终获得理想的正畸矫治方案；
(8)个性化矫治装置的制作：以步骤(8)获得的最优正畸矫治方案的加力方式和参数，设计制作个性化矫治装置上的个性化的施力或约束装置；个性化矫治装置包括两部分：一是选用通用的自锁托槽与弓丝；二是在此基础上，根据加力方式设计个性化的施力或约束装置，然后用金属立体打印制作出来；
(9)个性化矫治装置的使用：利用通用方法如加热真空吸塑制作托槽准确定位的间接粘接导板以及个性化施力或约束装置的辅助定位装置。
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