CN106803276B - 一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法 - Google Patents

Abstract

一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，涉及正畸弓丝弯制成形领域。本发明结合患者实际牙位信息，通过调整托槽直线段位置、改变过渡曲线段形状以及选择插入特殊功能曲的位置和类型，实现个性化正畸弓丝的成形弯制。技术要点为：选择患者数据、补偿值的设定、过渡曲线段的设定、插入特殊功能曲和托槽直线段的位置调整。本发明可用于正畸弓丝的数字化成形和个性化成形，为自动化设备弯制正畸弓丝提供必要的弯制算法。

Description

一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法

技术领域

本发明涉及一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，属于正畸弓丝弯制成形技术领域。

背景技术

正畸弓丝的形状是正畸力加载的决定因素，对矫治效果起重要影响。随着数字化成形技术在现代口腔正畸领域的应用越来越广泛，临床上逐渐采用正畸弓丝辅助成形设备和正畸弓丝弯制机器人对正畸弓丝进行弯制成形。在正畸弓丝弯制成形过程中，正畸弓丝弯制技师通常将托槽槽沟位置直线段正畸弓丝向两侧延伸若干长度(经验值)位置标记为弯制点或特殊弓形曲线插入点，进行正畸弓丝的弯制成形。由于每个病患个体的牙齿排列状态均不相同，为实现最优的矫治效果，需针对实际病例对正畸弓丝进行个性化的弯制。弯制方法是影响弯制设备使用性能的重要因素，也是目前制约自动化弯制设备发展的难点，目前市场上的同类设备较少，缺乏满足弯制精度、控制简单、适自动化设备开发的正畸弓丝弯制算法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，以解决目前缺少适于自动化设备开发的能够满足弯制精度的正畸弓丝弯制算法的问题。

本发明为解决上述问题所采取的方案为：

一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、选择患者数据：

首先导入患者数据，即正畸弓丝成形基准点数据，设i表示为患者按照牙位顺序的第i个牙齿，i＝0、1、…、13，按照牙位顺序第i个牙齿上的两个点坐标为(x_2i,y_2i,z_2i)和(x_2i+1,y_2i+1,z_2i+1)；

步骤二、补偿值的设定：

设置托槽直线段的近中补偿值a＝(a₀,…,a_i,…,a₁₃)和远中补偿值b＝(b₀,…,b_i,…,b₁₃)，这种托槽直线段的补偿值采用医师熟悉的表达方式，以左右两个中切牙的间隙中心为中线位置，牙齿靠近中线的一侧为近中，牙齿远离中线的一侧为远中，计算出i＝0,1,…,13时，空间点坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]的值，即得到上颌所有牙位对应的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T0，且T＝T0；

步骤三、过渡曲线段的设定：

设置过渡曲线段的比例参数E＝(e₀,…,e_k,…,e₁₂)，F＝(f₀,…,f_k,…,f₁₂)，其中k＝0、…、12，即按照患者数据牙位顺序，依次设置第k个过渡曲线段；通过设置过渡曲线段的比例参数E、F来计算正畸弓丝曲线过渡线段的两个控制点P₁、P₂坐标，按照患者导入的牙位顺序，第k个过渡曲线段的相邻的两个托槽直线段坐标为[(X_2k,Y_2k,Z_2k)，(X_2k+1,Y_2k+1,Z_2k+1)]、[(X_2k+2,Y_2k+2,Z_2k+2)，(X_2k+3,Y_2k+3,Z_2k+3)]，通过其所在XY平面投影下的直线方程求得在XY平面投影下交点为(X_i,Y_i)；将(X_i,Y_i)带入空间直线一般方程求得两个中间点坐标为(X_i,Y_i,Z_i)和(X_i,Y_i,Z_i+1)；再将第k个过渡曲线段四个控制点坐标带入Bezeir曲线的表达式，求得第k个过渡曲线段表达式；计算出k＝0,…,12时，所有过渡曲线段的表达式P_k(t)，则正畸弓丝曲线的坐标矩阵为：

步骤四、插入特殊功能曲：

判断是否插入特殊功能曲，若是，则选择插入特殊功能曲位置k，选择插入特殊功能曲类型j，得到新的正畸弓丝曲线坐标矩阵：

式中D_j为总体坐标系O-XYZ下特殊功能曲的坐标矩阵，根据正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，将坐标按顺序逐个连接生成正畸弓丝曲线，在显示窗口显示曲线；若否，则直接进入步骤五；

步骤五、托槽直线段的位置调整：

判断是否进行位置调整，若是，第i个牙齿上的添加补偿值后的托槽直线段的坐标为[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，计算其模长为l；选择旋转的方式m，m＝0、1，m＝0表示为绕托槽直线段近中点旋转，m＝1表示为绕托槽直线段远中点旋转；输入在第i个牙齿上的托槽直线段平移的距离h_i和旋转的角度ω_i；基于[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]建立局部坐标系O1-UVW，在局部坐标系下，当m＝0,i＝0、…、6或m＝1,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A×R₁)；当m＝1,i＝0、…、6或m＝0,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A_i，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A_i×R₁)，计算出第i个牙齿上托槽直线段经位置调整后的坐标为B_i，接着将经位置调整后托槽直线段坐标B_i替换位置调整前的托槽直线段坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，生成新的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T′,令T″＝T,T＝T′；判断是否保存位置调整，若是，则T＝T，若否，则T＝T″；跳转至步骤三；

若否，直接判断判断是否取消所有的位置调整并恢复默认，若否，则保存生成正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，完成个性化正畸弓丝曲线交互调整的全部过程；若是，则T＝T0，跳转至步骤三。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过离散和组合的方式，将复杂的牙弓曲线简化为托槽直线段和过度曲线段两个部分，并根据托槽上的基准点坐标对每段进行了定义。明确了交互调整方法的作用对象，降低了弯制算法的复杂程度。

2、本发明采用3阶Bezier曲线表达过渡曲线，通过提取前后两段托槽直线段的4个控制点作为构成过渡曲线的参数，为过渡曲线段准确、便捷的弯制提供了理论依据。

3、本发明基于LABVIEW平台开发，易与下位机建立通信，进而控制弓丝弯制设备完成所需弯制动作。控制界面具有丰富的参数输入端口，且便于扩展更多的控制模块。可视化的控制界面能够直观的反应出弓丝弯制后的形状和参数调整后的变化。

4、本发明包含选择患者数据、补偿值的设定、过渡曲线段的设定、选择弓丝材料类型、插入特殊功能曲和托槽直线段的位置调整等功能，全面覆盖弓丝弯制过程中涉及的重要技术参数，能够保证正畸弓丝弯制的质量。

5、本发明适于医师的操作习惯和使用要求，通过改变弯制参数即可迅速的对弓丝成形进行调整，操作便捷，调整效率高。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的基本原则示意图；

图3为本发明操作软件界面示意图；

图4为本发明初始正畸弓丝曲线形状示意图；

图5为本发明设置补偿值后的正畸弓丝曲线示意图；

图6为本发明设置过渡曲线的比例参数后的正畸弓丝曲线示意图；

图7为本发明在牙位26、11、15、16处进行托槽直线段位置调整后的正畸弓丝曲线示意图；

图8为本发明插入了开大垂直曲、带圈泪滴曲和泪滴曲的正畸弓丝曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、选择患者数据：

首先导入患者数据，即正畸弓丝成形基准点数据，设i表示为患者按照牙位顺序的第i个牙齿，i＝0、1、…、13，按照牙位顺序第i个牙齿上的两个点坐标为(x_2i,y_2i,z_2i)和(x_2i+1,y_2i+1,z_2i+1)；

步骤二、补偿值的设定：

设置托槽直线段的近中补偿值a＝(a₀,…,a_i,…,a₁₃)和远中补偿值b＝(b₀,…,b_i,…,b₁₃)，这种托槽直线段的补偿值采用医师熟悉的表达方式，以左右两个中切牙的间隙中心为中线位置，牙齿靠近中线的一侧为近中，牙齿远离中线的一侧为远中，计算出i＝0,1,…,13时，空间点坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]的值，即得到上颌所有牙位对应的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T0，且T＝T0；

步骤三、过渡曲线段的设定：

设置过渡曲线段的比例参数E＝(e₀,…,e_k,…,e₁₂)，F＝(f₀,…,f_k,…,f₁₂)，其中k＝0、…、12，即按照患者数据牙位顺序，依次设置第k个过渡曲线段；通过设置过渡曲线段的比例参数E、F来计算正畸弓丝曲线过渡线段的两个控制点P₁、P₂坐标，按照患者导入的牙位顺序，第k个过渡曲线段的相邻的两个托槽直线段坐标为[(X_2k,Y_2k,Z_2k)，(X_2k+1,Y_2k+1,Z_2k+1)]、[(X_2k+2,Y_2k+2,Z_2k+2)，(X_2k+3,Y_2k+3,Z_2k+3)]，通过其所在XY平面投影下的直线方程求得在XY平面投影下交点为(X_i,Y_i)；将(X_i,Y_i)带入空间直线一般方程求得两个中间点坐标为(X_i,Y_i,Z_i)和(X_i,Y_i,Z_i+1)；再将第k个过渡曲线段四个控制点坐标带入Bezeir曲线的表达式，求得第k个过渡曲线段表达式；计算出k＝0,…,12时，所有过渡曲线段的表达式P_k(t)，则正畸弓丝曲线的坐标矩阵为：

步骤四、插入特殊功能曲：

判断是否插入特殊功能曲，若是，则选择插入特殊功能曲位置k，选择插入特殊功能曲类型j，得到新的正畸弓丝曲线坐标矩阵：

式中D_j为总体坐标系O-XYZ下特殊功能曲的坐标矩阵，根据正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，将坐标按顺序逐个连接生成正畸弓丝曲线，在显示窗口显示曲线；若否，则直接进入步骤五；

步骤五、托槽直线段的位置调整：

判断是否进行位置调整，若是，第i个牙齿上的添加补偿值后的托槽直线段的坐标为[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，计算其模长为l；选择旋转的方式m，m＝0、1，m＝0表示为绕托槽直线段近中点旋转，m＝1表示为绕托槽直线段远中点旋转；输入在第i个牙齿上的托槽直线段平移的距离h_i和旋转的角度ω_i；基于[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]建立局部坐标系O1-UVW，在局部坐标系下，当m＝0,i＝0、…、6或m＝1,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A×R₁)；当m＝1,i＝0、…、6或m＝0,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A_i，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A_i×R₁)，计算出第i个牙齿上托槽直线段经位置调整后的坐标为B_i，接着将经位置调整后托槽直线段坐标B_i替换位置调整前的托槽直线段坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，生成新的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T′,令T″＝T,T＝T′；判断是否保存位置调整，若是，则T＝T，若否，则T＝T″；跳转至步骤三；

若否，直接判断判断是否取消所有的位置调整并恢复默认，若否，则保存生成正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，完成个性化正畸弓丝曲线交互调整的全部过程；若是，则T＝T0，跳转至步骤三。

过渡曲线段的两个端点是其相邻的两个托槽直线段添加补偿值后的端点，在交互调整的过程中，调整原则是补偿值的设定、托槽直线段的位置调整都会改变过渡曲线段的两个端点，但是特殊功能曲所在的局部坐标系是以改变后的过渡曲线段端点为参考点建立的，即插入特殊功能曲具体位置是根据托槽直线段的位置变化和添加补偿值的变化而变化的。而选择插入特殊功能曲的位置是指选择在哪两个相邻的牙位之间插入特殊功能曲。可以再多个位置上同时选择插入特殊功能曲，并在特殊功能曲线的数据库内选择插入特殊功能曲线的类型。

基于本发明的弯制方法，应用LabVIEW软件平台，实可以现对个性化正畸弓丝的交互调整，附图中节点控制参数利用国际标准的FDI牙位表示法，用每颗牙的牙位表示法表示其对应的托槽直线段，用相邻的两颗牙的牙位表示法表示其中间的过渡曲线段。

由交互调整的方法可知，各部分调整都是改变托槽直线段的两个端点的空间坐标，再根据改变后的坐标重新生成个性化正畸弓丝曲线，得到个性化正畸弓丝曲线的坐标矩阵，为实现自动化弯制个性化正畸弓丝提供准备。通过对软件的操作，可以在几分钟之内就能够实现医师预期的个性化正畸弓丝曲线的方案，还可以在后期调整个性化正畸弓丝曲线的方案时，通过交互调整，对原有方案上的个性化正畸弓丝曲线进行修改。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种个性化正畸弓丝曲线交互调整方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、选择患者数据：

首先导入患者数据，即正畸弓丝成形基准点数据，设i表示为患者按照牙位顺序的第i个牙齿，i＝0、1、…、13，按照牙位顺序第i个牙齿上的两个点坐标为(x_2i,y_2i,z_2i)和(x_2i+1,y_2i+1,z_2i+1)；

步骤二、补偿值的设定：

设置托槽直线段的近中补偿值a＝(a₀,…,a_i,…,a₁₃)和远中补偿值b＝(b₀,…,b_i,…,b₁₃)，这种托槽直线段的补偿值采用医师熟悉的表达方式，以左右两颗中切牙的间隙中心为中线位置，牙齿靠近中线的一侧为近中，牙齿远离中线的一侧为远中，计算出i＝0,1,…,13时，空间点坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]的值，即得到上颌所有牙位对应的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T0，且T＝T0；

步骤三、过渡曲线段的设定：

设置过渡曲线段的比例参数E＝(e₀,…,e_k,…,e₁₂)，F＝(f₀,…,f_k,…,f₁₂)，其中k＝0、…、12，即按照患者数据牙位顺序，依次设置第k个过渡曲线段；通过设置过渡曲线段的比例参数E、F来计算正畸弓丝曲线过渡线段的两个控制点P₁、P₂坐标，按照患者导入的牙位顺序，第k个过渡曲线段的相邻的两个托槽直线段坐标为[(X_2k,Y_2k,Z_2k)，(X_2k+1,Y_2k+1,Z_2k+1)]、[(X_2k+2,Y_2k+2,Z_2k+2)，(X_2k+3,Y_2k+3,Z_2k+3)]，通过其所在XY平面投影下的直线方程求得在XY平面投影下交点为(X_i,Y_i)；将(X_i,Y_i)带入空间直线一般方程求得两个中间点坐标为(X_i,Y_i,Z_i)和(X_i,Y_i,Z_i+1)；再将第k个过渡曲线段四个控制点坐标带入Bezeir曲线的表达式，求得第k个过渡曲线段表达式；计算出k＝0,…,12时，所有过渡曲线段的表达式P_k(t)，则正畸弓丝曲线的坐标矩阵为：

步骤四、插入特殊功能曲：

判断是否插入特殊功能曲，若是，则选择插入特殊功能曲位置k，选择插入特殊功能曲类型j，得到新的正畸弓丝曲线坐标矩阵：

式中D_j为总体坐标系O-XYZ下特殊功能曲的坐标矩阵，根据正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，将坐标按顺序逐个连接生成正畸弓丝曲线，在显示窗口显示曲线；若否，则直接进入步骤五；

步骤五、托槽直线段的位置调整：

判断是否进行位置调整，若是，第i个牙齿上的添加补偿值后的托槽直线段的坐标为[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，计算其模长为l；选择旋转的方式m，m＝0、1，m＝0表示为绕托槽直线段近中点旋转，m＝1表示为绕托槽直线段远中点旋转；输入在第i个牙齿上的托槽直线段平移的距离h_i和旋转的角度ω_i；基于[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]建立局部坐标系O1-UVW，在局部坐标系下，当m＝0,i＝0、…、6或m＝1,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A×R₁)；当m＝1,i＝0、…、6或m＝0,i＝7、…、13时，经过位置调整后的托槽直线段坐标为A_i，其变换到总体坐标O-XYZ下的托槽直线段的坐标矩阵为B_i＝R₂×(A_i×R₁)，计算出第i个牙齿上托槽直线段经位置调整后的坐标为B_i，接着将经位置调整后托槽直线段坐标B_i替换位置调整前的托槽直线段坐标[(X_2i,Y_2i,Z_2i)，(X_2i+1,Y_2i+1,Z_2i+1)]，生成新的托槽直线段添加补偿值后的空间点坐标矩阵T′,令T″＝T,T＝T′；判断是否保存位置调整，若是，则T＝T，若否，则T＝T″；跳转至步骤三；

若否，直接判断判断是否取消所有的位置调整并恢复默认，若否，则保存生成正畸弓丝曲线的坐标矩阵W，完成个性化正畸弓丝曲线交互调整的全部过程；若是，则T＝T0，跳转至步骤三。

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