CN106340233B - 观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法 - Google Patents
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Abstract
观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法包括制作人工牙并存储牙齿数字模型；用定位模板带着人工牙插入软化或融化的蜡堤中；获得数字化的牙颌初始模型，正畸操作后再次扫描模型获得水浴后的牙颌数字化模型；将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠；寻找对应牙位的人工牙的牙齿数字模型，将牙齿数字模型的牙冠与牙颌初始模型中的对应牙位的牙冠配准、得到参考模型，再将牙齿数字模型的牙冠与水浴后的牙颌数字化模型的对应牙位的牙冠配准、得到测试模型；获取测试模型和参考模型之间的位移数据。本发明具有能够在正畸训练过程中，观察到Typodont模型中整牙（包括牙冠和牙根）的三维移动变化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及口腔正畸教学器具领域，特别是一种使用Typodont模型进行口腔正畸教学时，观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法。
背景技术
正畸治疗主要是通过各种矫正装置来调整面部骨骼、牙齿及颌面部的神经及肌肉之间的协调性，也就是调整上下颌骨之间、上下牙齿之间、牙齿和颌骨之间和联系他们的神经及肌肉之间不正常的关系，其最终矫治目标是达到口颌系统的平衡、稳定和美观。由于正畸治疗的平均疗程长达两年左右，初学者们较难完成一个病例的全部治疗。为了在短时间内使正畸初学者掌握更多的技能，通常将形象化的牙齿正畸操作（Typodont）模型应用于正畸试验教学中模拟临床矫治过程，以提升教学成效。
牙齿正畸操作模型的制作过程是：先用线切割制作具有模板，如图1所示，模板呈与牙列形状匹配的马蹄形，模板上有跟牙列一一对应的牙齿定位孔。将牙齿模型b一一插入模板上的模板的对应的牙齿定位孔内，用模板带着牙齿模型插入软化或融化的蜡堤a中，蜡堤a在蜡堤盒内。等蜡堤a冷却变硬后，先拆除定位模板，再将蜡堤a从蜡堤盒中脱模，即可用作牙齿正畸操作模型，如图2所示。
在实验操作时，学生通过实际操作在牙齿上安设托槽、弓丝，之后将蜡堤置入60℃左右的温水中。待蜡堤遇热软化，错颌牙齿在矫治弓丝的力作用下即可慢慢移动到正常位置。在此过程中，学员可以目视观测其加速矫治过程，加深学习理解。
田长生等于2012年8月在《中国生物医学工程学报》上发表了《基于Typodont模型的MDD和MBT矫治器排齐阶段切牙三维移动变化研究》一文，提出了借助流动光学扫描（ATOS）分析排齐阶段切牙三维移动变化的特点。其实验步骤包括：1、制作错颌印模，将融化的蜡及人工牙加入印模中，蜡冷却后获得初始Typodont模型，在初始Typodont模型上粘接矫治器。2、ATOS扫描初始Typodont模型获得其三维数字化模型。3、将初始Typodont模型放入恒温水浴中，水浴后再次扫描模型获得水浴后模型的三维数字化模型。4、用Geomagic软件以数字化的三维坐标系定位，将每次水浴后的三维数字化模型与初始模型重叠，通过色图分析法得出切牙近远中切角点在三个轴向上的三维移动变化值。这种观察Typodont模型中牙齿的三维移动变化的方法的缺点在于：Typodont模型中的人工牙的牙根埋入蜡堤之内，因此ATOS扫描只能获得牙冠的数字化模型，无法获得牙根的数字化模型，从而造成只能观察到牙冠的三维移动变化情况，无法观察到牙根的三维移动变化情况。而在临床正畸过程中，常会出现牙冠之间没有重叠或具有移动间隙，其牙根却可能出现贴靠甚至抵紧的情况，若移动牙冠、相邻牙根将会出现干涉的情况，因此，在正畸训练过程中，观察牙根的移动情况非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在正畸训练过程中，观察到Typodont模型中整牙（包括牙冠和牙根）的三维移动变化的方法。
观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，包括以下步骤：
1）、制作人工牙，人工牙包括牙冠和牙根，依次扫描所有的人工牙，获取并存储每个人工牙的牙齿数字模型；
2）、制作将人工牙排列成畸形牙列的定位模板，定位模板呈与牙列形状匹配的马蹄形，定位模板上有牙齿定位孔，牙齿定位孔与畸形牙列的牙位一一对应；用模板带着人工牙插入软化或融化的蜡堤中，等待蜡堤冷却变硬获得牙颌模型，拆除定位模板；
3）、扫描牙颌模型，获得数字化的牙颌初始模型，进而获得牙冠的初始位置信息；在人工牙上进行正畸操作，牙颌模型整体放入恒温水浴箱中加热，水浴后再次扫描模型获得水浴后的牙颌数字化模型，进而获得水浴后牙冠的位置信息；
4）、用Geomagic软件将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠；
5）、隐藏正畸训练模型的牙龈和颌骨，确定需要知道牙根移动情况的一个或多个牙位，寻找对应牙位的人工牙的牙齿数字模型（如需要知道牙根移动情况的牙位为左侧第一磨牙，则找到左侧第一磨牙的人工牙的牙齿数字模型），将牙齿数字模型的牙冠与牙颌初始模型中的对应牙位的牙冠配准、得到参考模型，再将牙齿数字模型的牙冠与水浴后的牙颌数字化模型的对应牙位的牙冠配准、得到测试模型；参考模型和测试模型均具有牙冠和牙根信息；
6）、获取测试模型和参考模型之间的位移数据。
进一步，步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：将水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型分别导入Geomaigc Qualfiy软件中，分别在水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型上选择三组以上的特征点，以特征点配对进行配准对齐以实现两个模型的重叠；特征点的选取原则为：1、特征点位于曲率变化大的区域内，如牙齿的颊间、舌尖或中央窝等；2、一组特征点中，一个特征点位于牙颌初始模型上、另一个特征点位于水浴后的牙颌数字化模型上，两个特征点在模型的相同位置上。如：第一组特征点：1号特征点位于牙颌初始模型的左侧第一磨牙的近中颊尖位置，对应的1’号特征点位于水浴后的牙颌数字化模型的左侧第一磨牙的近中颊尖位置。如此选择至少3组特征点，将所有组特征点两两重叠，从而实现水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型的重叠。
或者，在步骤2）中，蜡堤位于蜡堤盒中，蜡堤盒呈马蹄形，蜡堤盒具有与牙列形成匹配的容腔，融化的蜡灌入蜡堤盒的容腔内、凝固的蜡和蜡堤盒共同形成蜡堤；蜡堤盒的底面作为第一匹配基准面，蜡堤盒的顶面作为第二匹配基准面和蜡堤盒的U型开口端的端面作为第三匹配基准面；
步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：将水浴后的牙颌数字化模型的第一匹配基准面与牙颌初始模型的第一匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第二匹配基准面与牙颌初始模型的第二匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第三匹配基准面与牙颌初始模型的第三匹配基准面重合。
进一步，步骤6）中，使用Geomaigc Qualfiy 软件的“3D比较”功能获得牙齿位移情况的云图，云图中颜色越深的部位代表其位移越大；在牙位上建立剖面，在该剖面上测量牙齿位移。
进一步，步骤1）中，将所有人工牙的扫描数据导入逆向软件Geomagic中，进行修整后得到所有人工牙的牙齿数字模型。
本发明的优点在于：在正畸模拟试验中可以看到任何牙齿的牙冠和牙根的整体移动情况。
附图说明
图1是定位模板的示意图。
图2是牙齿正畸操作模型的示意图。
图3是所有人工牙的示意图。
图4是将人工牙排列成畸形牙列的示意图。
图5是将牙颌初始模型指定牙位的牙冠与对应人工牙的牙冠的匹配的示意图；a是牙颌初始模型的牙冠的示意图；b是对应人工牙的牙齿数字模型的示意图；c是牙颌初始模型指定牙位的牙冠与对应人工牙的牙冠匹配后的示意图。
图6是牙颌初始模型与水浴后的牙颌数字化模型重叠的示意图，牙根被隐藏。
图7是牙颌初始模型中的牙齿数字模型与水浴后的牙颌数字化模型中的牙齿数字模型经3D比较后得到的牙齿位移情况的云图。
图8是在剖面上牙齿移动情况的示意图，剖面沿牙齿轴向设置。
图9是剖面沿牙齿横向设置、整个牙列再剖面上的牙齿移动情况的示意图。
图10为人工牙形成的牙列和蜡位于蜡堤盒内的示意图。
图11是以蜡堤盒上的3个匹配基准面使牙颌初始模型与水浴后的牙颌数字化模型重叠的示意图。
具体实施方式
实施例1
观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，包括以下步骤：
1）、制作人工牙，人工牙包括牙冠和牙根，依次扫描所有的人工牙；将所有人工牙的扫描数据导入逆向软件Geomagic中，进行修整以得到所有人工牙的牙齿数字模型，获取并存储每个人工牙的牙齿数字模型，如图3所示。可以对每个人工牙按照牙位顺序编号，并按照编号对应存储其牙齿数字模型。
修整的目的在于：标准牙颌模型本身可能存在缺陷，扫描过程也会出现噪点灯缺陷，修整的目的是为了删除在扫描过程中产生的与实际牙颌不符的凸起、凹坑和噪点等缺陷，使数字化模型表面更加真实光顺。如果人工牙制作的足够精细，也可以不进行修整。
2）、制作将人工牙排列成畸形牙列的定位模板，畸形牙列如图4所示，定位模板呈与牙列形状匹配的马蹄形，定位模板上有牙齿定位孔，牙齿定位孔与畸形牙列的牙位一一对应；用模板带着人工牙插入软化或融化的蜡堤中，等待蜡堤冷却变硬获得牙颌模型，拆除定位模板。
3）、扫描牙颌模型，获得数字化的牙颌初始模型，进而获得牙冠的初始位置信息；在人工牙上进行粘托槽、装弓丝或者戴隐形矫治器的正畸操作，牙颌模型整体放入恒温水浴箱中加热，水浴后再次扫描模型获得水浴后的牙颌数字化模型，进而获得水浴后牙冠的位置信息。
4）、用Geomagic软件将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠。
5）、如图5所示，隐藏正畸训练模型的牙龈和颌骨，确定需要知道牙根移动情况的一个或多个牙位，寻找对应牙位的人工牙的牙齿数字模型（如需要知道牙根移动情况的牙位为左侧第一磨牙，则找到左侧第一磨牙的人工牙的牙齿数字模型），将牙齿数字模型的牙冠与牙颌初始模型中的对应牙位的牙冠配准、得到参考模型，再将牙齿数字模型的牙冠与水浴后的牙颌数字化模型的对应牙位的牙冠配准、得到测试模型；参考模型和测试模型均具有牙冠和牙根信息。
6）、获取测试模型和参考模型之间的位移数据。
如图6所示，步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：将水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型分别导入Geomaigc Qualfiy软件中，分别在水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型上选择三组以上的特征点，以特征点配对进行配准对齐以实现两个模型的重叠；特征点的选取原则为：1、特征点位于曲率变化大的区域内，如牙齿的颊间、舌尖或中央窝等；2、一组特征点中，一个特征点位于牙颌初始模型上、另一个特征点位于水浴后的牙颌数字化模型上，两个特征点在模型的相同位置上。如：第一组特征点：1号特征点位于牙颌初始模型的左侧第一磨牙的近中颊尖位置，对应的1’号特征点位于水浴后的牙颌数字化模型的左侧第一磨牙的近中颊尖位置。如此选择至少3组特征点，将所有组特征点两两重叠，从而实现水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型的重叠。
步骤6）中，使用Geomaigc Qualfiy 软件的“3D比较”功能获得牙齿位移情况的云图，云图中颜色越深的部位代表其位移越大，如图7所示；在牙位上建立剖面，在该剖面上测量牙齿位移。剖面可以是沿任意方向，如图8所示，剖面沿牙齿的轴向设置。如图9所示，剖面沿牙齿的横向设置，整个牙列再剖面上的牙齿移动情况的示意图。
本发明的优点在于：在正畸模拟试验中可以看到任何牙齿的牙冠和牙根的整体移动情况。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法不同，其余步骤均与实施例1相同。
具体来说：，在步骤2）中，如图10所示，蜡堤位于蜡堤盒中，蜡堤盒呈马蹄形，蜡堤盒具有与牙列形成匹配的容腔，融化的蜡灌入蜡堤盒的容腔内、凝固的蜡和蜡堤盒共同形成蜡堤；蜡堤盒的底面作为第一匹配基准面1，蜡堤盒的顶面作为第二匹配基准面2和蜡堤盒的U型开口端的端面作为第三匹配基准面3；
步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：如图11所示，将水浴后的牙颌数字化模型的第一匹配基准面与牙颌初始模型的第一匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第二匹配基准面与牙颌初始模型的第二匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第三匹配基准面与牙颌初始模型的第三匹配基准面重合。
实施例1中通过选取多组特征点，通过特征点对的匹配来实现水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠。但是，正畸矫治时矫治力的作用是相互的，基本上所有的牙齿都会移动，理论上不存在完全静止不动的牙齿，所以将牙齿上的特征点设定为匹配基准，本身就有理论误差。另外，牙齿上的特征点是由操作人员根据经验手工选择，所以必然存在选点误差，不同的人，或者同一个人的两次选择都不可能完全相同。这两种误差导致用该匹配方法获得牙齿移动量的过程精度不高。
本实施例中用固定不动的金属蜡堤盒的平整的表面作为匹配基准面，所以消除了因为匹配基准（牙齿）移动而存在的理论匹配误差。
另外，由于本实施例在选择匹配误差时，是选择的大面积的平整表面，进行拟合建立匹配基准面，而不是像传统方法那样选择特征点，选择表面时，多选一点或者少选一点对拟合建立基准面的影响非常小，所以能够大大降低人为选择匹配基准的误差。
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及于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 (5)
1.观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，包括以下步骤：
1）、制作人工牙，人工牙包括牙冠和牙根，依次扫描所有的人工牙，获取并存储每个人工牙的牙齿数字模型；
2）、制作将人工牙排列成畸形牙列的定位模板，定位模板呈与牙列形状匹配的马蹄形，定位模板上有牙齿定位孔，牙齿定位孔与畸形牙列的牙位一一对应；用定位模板带着人工牙插入软化或融化的蜡堤中，等待蜡堤冷却变硬获得牙颌模型，拆除定位模板；
3）、扫描牙颌模型，获得数字化的牙颌初始模型，进而获得牙冠的初始位置信息；在人工牙上进行正畸操作，牙颌模型整体放入恒温水浴箱中加热，水浴后再次扫描模型获得水浴后的牙颌数字化模型，进而获得水浴后牙冠的位置信息；
4）、用Geomagic软件将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠；
5）、隐藏正畸训练模型的牙龈和颌骨，确定需要知道牙根移动情况的一个或多个牙位，寻找对应牙位的人工牙的牙齿数字模型，将牙齿数字模型的牙冠与牙颌初始模型中的对应牙位的牙冠配准、得到参考模型，再将牙齿数字模型的牙冠与水浴后的牙颌数字化模型的对应牙位的牙冠配准、得到测试模型；参考模型和测试模型均具有牙冠和牙根信息；
6）、获取测试模型和参考模型之间的位移数据。
2.如权利要求1所述的观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，其特征在于：步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：将水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型分别导入Geomaigc Qualfiy软件中，分别在水浴后的牙颌数字化模型和牙颌初始模型上选择三组以上的特征点，以特征点配对进行配准对齐以实现两个模型的重叠；特征点的选取原则为：1、特征点位于牙颌中曲率变化大的区域内；2、一组特征点中，一个特征点位于牙颌初始模型上、另一个特征点位于水浴后的牙颌数字化模型上，两个特征点在模型的相同位置上。
3.如权利要求1所述的观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，其特征在于：在步骤2）中，蜡堤位于蜡堤盒中，蜡堤盒呈马蹄形，蜡堤盒具有与牙列形成匹配的容腔，融化的蜡灌入蜡堤盒的容腔内、凝固的蜡和蜡堤盒共同形成蜡堤；蜡堤盒的底面作为第一匹配基准面，蜡堤盒的顶面作为第二匹配基准面和蜡堤盒的U型开口端的端面作为第三匹配基准面；
步骤4）中，将每次水浴后的牙颌数字化模型与牙颌初始模型重叠的方法为：将水浴后的牙颌数字化模型的第一匹配基准面与牙颌初始模型的第一匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第二匹配基准面与牙颌初始模型的第二匹配基准面重合，将水浴后的牙颌数字化模型的第三匹配基准面与牙颌初始模型的第三匹配基准面重合。
4.如权利要求1-3之一所述的观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，其特征在于：步骤6）中，使用Geomaigc Qualfiy 软件的“3D比较”功能获得牙齿位移情况的云图；在牙位上建立剖面，在该剖面上测量牙齿位移。
5.如权利要求4所述的观察正畸训练模型中整牙三维移动变化的方法，其特征在于：步骤1）中，将所有人工牙的扫描数据导入逆向软件Geomagic中，进行修整后得到所有人工牙的牙齿数字模型。
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