CN108362482B - 基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法 - Google Patents

Abstract

本申请的一方面提供了一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，包括：获取牙列的有限元模型；获取壳状牙科器械的有限元模型；获取所述壳状牙科器械的摘取参数；基于所述牙列的有限元模型、壳状牙科器械的有限元模型以及摘取参数，对佩戴于所述牙列的所述壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析结果，其包括以下至少之一：摘取力以及所述壳状牙科器械在所述摘取过程中的局部应力；以及基于所述有限元分析结果判断所述壳状牙科器械是否合格。

Description

基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法

技术领域

本申请总体上涉及基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法。

背景技术

现今，高分子材料的壳状牙科器械越来越受欢迎。壳状牙科器械包括但不限于牙齿正畸矫治器以及保持器。

对于保持器而言，希望摘戴力合适，使得既便于摘戴，又不易于脱落。

对于牙齿正畸矫治器而言，则希望其既具有足够的施力以有效、快速地实现牙齿的正畸治疗，又要便于摘戴。然而，过大的施力可能使矫治器不易摘戴。为使得矫治器易于摘戴，需要将摘戴力，即摘戴矫治器所需的力，控制在合理范围内。为避免矫治器因摘戴过程中所承受的应力而损坏，需要将其控制在一定水平以下。

壳状牙科器械的摘戴力以及摘戴过程中产生的应力受到矫治器的材料特性、厚度分布、几何形态、牙颌的几何形态及附件设计等多方面因素的影响。

目前，高分子材料的壳状牙科器械一般是基于热压膜成型技术制作，由于材料和制作工艺的因素，其最终形态与设计时期望的形态之间存在差异，这使得在设计阶段很难控制壳状牙科器械的摘戴力以及其在摘戴过程中所承受的应力。

另一方面，为更有效地实现某些矫治目标，可能在牙齿和矫治器上添加附件，这使得在设计阶段控制成品矫治器的摘戴力和局部应力更为复杂。

目前，缺乏能够测量壳状牙科器械在摘戴过程中所承受的应力的方法，以及高效的、经济的能够对壳状牙科器械摘戴力进行测量的方法。因此，无法在设计阶段有效避免壳状牙科器械易于脱落以及在摘戴过程中损坏等问题。故而有必要提供一种新的检测壳状牙科器械摘戴力和摘戴过程中所承受的应力的方法，为壳状牙科器械的设计提供指导，以保障壳状牙科器械的质量。

发明内容

本申请的一方面提供了一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，包括：获取牙列的有限元模型；获取壳状牙科器械的有限元模型；获取所述壳状牙科器械的摘取参数；基于所述牙列的有限元模型、壳状牙科器械的有限元模型以及摘取参数，对佩戴于所述牙列的所述壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析结果，其包括以下至少之一：摘取力以及所述壳状牙科器械在所述摘取过程中的局部应力；以及基于所述有限元分析结果判断所述壳状牙科器械是否合格。

在一些实施方式中，所述牙列的有限元模型的六个自由度被限制。

在一些实施方式中，所述摘取参数包括所述壳状牙科器械指定部分(比如拿捏部分)的轨迹和速率。

在一些实施方式中，所述轨迹是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

在一些实施方式中，所述速率是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的有限元模型是佩戴于所述牙列时的有限元模型，包括所述壳状牙科器械佩戴于所述牙列时的几何形态以及应力分布。

在一些实施方式中，若所述有限元分析获得的摘取力大于预定的摘取力阈值，则确定所述壳状牙科器械质量不合格。

在一些实施方式中，若所述有限元分析获得的局部应力大于预定的应力阈值，则确定所述壳状牙科器械质量不合格。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的有限元模型是通过对所述壳状牙科器械的基于热压膜成型技术的制作工艺进行有限元分析而获得。

本申请的又一方面提供了一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，包括：获取牙列的有限元模型；获取壳状牙科器械的有限元模型；获取所述壳状牙科器械的摘取参数；基于所述牙列的有限元模型、壳状牙科器械的有限元模型以及摘取参数，对佩戴于所述牙列的所述壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析结果，其包括以下至少之一：摘取力以及所述壳状牙科器械在所述摘取过程中的局部应力；以及基于所述有限元分析结果优化所述壳状牙科器械。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的优化是基于所述有限元分析结果优化所述壳状牙科器械的几何形态。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的优化包括基于所述有限元分析结果优化所述壳状牙科器械与附件配合的结构。

在一些实施方式中，所述牙列的有限元模型的六个自由度被限制。

在一些实施方式中，所述摘取参数包括所述壳状牙科器械指定部分(比如拿捏部分)的轨迹和速率。

在一些实施方式中，所述轨迹是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

在一些实施方式中，所述速率是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的有限元模型是佩戴于所述牙列时的有限元模型，包括所述壳状牙科器械佩戴于所述牙列时的几何形态以及应力分布。

在一些实施方式中，所述方法还包括：基于所述有限元分析结果确定所述壳状牙科器械是否合格；以及若不合格，则基于所述有限元分析结果优化所述壳状牙科器械。

在一些实施方式中，若所述有限元分析获得的摘取力大于预定的摘取力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格。

在一些实施方式中，若所述有限元分析获得的局部应力大于预定的应力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格。

在一些实施方式中，所述壳状牙科器械的有限元模型是通过对所述壳状牙科器械的基于热压膜成型技术的制作工艺进行有限元分析而获得。

附图说明

以下将结合附图及其详细描述对本申请的上述及其他特征作进一步说明。应当理解的是，这些附图仅示出了根据本申请的若干示例性的实施方式，因此不应被视为是对本申请保护范围的限制。除非特别指出，附图不必是成比例的，并且其中类似的标号表示类似的部件。

图1为本申请一个实施例中的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法的示意性流程图；

图1A为图1所示的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法的子流程图；

图1B为图1所示的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法的子流程图；

图2A示意性地展示了本申请一个实施例中壳状牙科器械的摘取轨迹的定义；

图2B示意性地展示了本申请一个实施例中壳状牙科器械的摘取轨迹的定义；

图3为本申请一个实施例中壳状牙科器械优化方法的示意性流程图。

具体实施方式

以下的详细描述中引用了构成本说明书一部分的附图。说明书和附图所提及的示意性实施方式仅仅是出于说明性的目的，并非意图限制本申请的保护范围。在本申请的启示下，本领域技术人员能够理解，可以采用许多其他的实施方式，并且可以对所描述实施方式做出各种改变，而不背离本申请的主旨和保护范围。应当理解的是，在此说明并图示的本申请的各个方面可以按照很多不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，这些不同配置都在本申请的保护范围之内。

本申请的一方面提供了一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法。请参图1，为本申请一个实施例中基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法100的示意性流程图。

在101中，获取牙列的有限元模型。

请参图1A，获取牙列的有限元模型可以包括：

在1011中，获取表示牙列第一布局的第一数字几何模型。

在一些实施方式中，可以通过扫描患者的牙列获取第一数字几何模型。

在一些实施方式中，可以通过扫描患者的咬模获取第一数字几何模型。

在一些实施方式中，可以通过扫描患者牙列的实体模型，比如石膏模型，获取第一数字几何模型。在一些实施方式中，该实体模型可以被操作，以改变牙列布局。

在一些实施方式中，可以先获取表示牙列第二布局的第二数字几何模型，然后通过修改第二数字几何模型获得第一数字几何模型。在该实施例中，可以把牙列的数字几何模型中的多颗牙齿切割成独立的个体，从而可以通过修改各牙齿的位置获得表示新的牙列布局的数字几何模型。

在一些实施方式中，可以先获取表示牙列原始布局的数字几何模型以及表示牙列目标布局的数字几何模型，然后基于该两个数字几何模型产生一系列的表示牙列中间布局的数字几何模型。第一数字几何模型可以是该一系列表示牙列中间布局的数字几何模型中的一个。

牙列可以是患者的完整牙列，也可以是患者的部分牙列，可以根据壳状牙科器械覆盖牙列的情况来确定。

在1013中，基于第一数字几何模型进行网格划分获得牙列的有限元模型。

在一些实施方式中，可以将第一数字几何模型转换为非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)曲面，然后对其进行网格划分，获得牙列的有限元模型。

在一些实施方式中，为简化计算，可以把牙列的有限元模型设置为刚性并且限制其六个自由度。

请再参图1，在103中，获取佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型。

请参图1B，获取佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型可以包括：

在1031中，获取处于自然状态的壳状牙科器械的有限元模型。

当今，较常用的技术是基于预设的牙列布局的数字几何模型制作壳状牙科器械。在一些实施例中，可以先利用预设的牙列布局的数字几何模型控制设备制作阳模，然后，基于热压膜成型技术在该阳模上压膜获得壳状牙科器械。在又一些实施例中，可以修改代表预设的牙列布局的数字几何模型，以经修改的数字几何模型控制设备制作阳模，然后，基于热压膜成型技术在该阳模上压膜获得壳状牙科器械。因此，可以基于预设的牙列布局的数字几何模型或经修改的数字模型，并赋予预定的厚度，获得壳状牙科器械的数字几何模型。

在一些实施方式中，可以基于该壳状牙科器械的数字几何模型进行网格划分获得处于自然状态的壳状牙科器械的有限元模型，在该有限元模型中，可以假设壳状牙科器械内部无应力残留。

然而，基于热压膜成型法制作获得的壳状牙科器械可能有各部分厚度不一致以及存在内部残余应力的情况。为更精确地分析壳状牙科器械的摘取，可以对壳状牙科器械的制作过程进行有限元仿真，获取更接近真实情况的处于自然状态的壳状牙科器械的有限元模型。本申请的申请人于2016年5月10日递交的第201610304667.X号发明专利申请《基于热压成型技术的牙套制作工艺的验证方法》以及申请人于2016年5月10日递交的第201610304301.2号发明专利申请《基于热压成型技术的牙套制作工艺的验证方法》就披露了对壳状牙科器械的制作过程进行有限元仿真的方法。

在1033中，基于牙列的有限元模型和处于自然状态的壳状牙科器械的有限元模型对壳状牙科器械佩戴于牙列的状态进行有限元分析，获得佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型。

在一些实施方式中，可以将牙列的有限元模型和处于自然状态的壳状牙科器械的有限元模型进行约束组合，以获得佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型。在一些实施方式中，可以将其作为非线性结构的刚柔耦合动态接触问题来解决。

在一个实施例中，可以在壳状牙科器械的有限元模型对应每个牙齿的部位上随机选三个不在同一直线上的点，并将其设置为刚性连接，即所连接的每个节点的六个自由度完全同步，相互之间无相对变形。这可以使得有限元分析的计算更加稳定。

然后，可以在壳状牙科器械的有限元模型对应每个牙齿的部位上随机选一个点(该点不存在于牙齿的穿透干涉)，对这些点施加六个自由度的全约束，或仅限定这些点在所有方向上的旋转自由度。这也可以使得有限元分析的计算更加稳定。

在一些实施例中，可以基于牙颌的生物学有限元模型进行有限元分析，牙颌的生物学有限元模型是更接近真实牙颌的有限元模型，包括牙齿的材料特性、牙周组织的材料特性等。在这样的有限元模型中，牙齿和牙周组织会因外力发生变形和位移。

在又一些实施例中，为简化计算，可以对牙列的有限元模型施加六个自由度的全约束。

接着，可以将壳状牙科器械的有限元模型的内表面和牙列的有限元模型的外表面的相互位置进行一定方式的初始条件定义，例如，采用最佳拟合对齐算法进行初步形态拟合，或通过有限元前处理工具将壳状牙科器械的有限元模型的内表面移动到牙列的有限元模型的外表面。

再用显式算法对壳状牙科器械的有限元模型施加一定方向(例如沿牙列外表面的法向)的恒定载荷。在建立初步接触之后，再用显式算法缓慢卸除之前施加的载荷。

用显式算法完成接触建立后，释放壳状牙科器械上所有接触约束，然后用隐式算法进行应力重分布计算，以消除由于约束带来的不真实的应力集中，从而获得佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型，其代表了壳状牙科器械佩戴于牙列时的状态，包括但不限于壳状牙科器械佩戴于牙列时的几何形态以及应力分布。

请再参图1，在105中，获取壳状牙科器械的摘取参数。

在一个实施例中，可以针对壳状牙科器械的局部，设定速率以及移动轨迹。其中，速率可以是恒定的，也可以随时间变化。

通常，用户在摘取壳状牙科器械时，是以两手指捏住壳状牙科器械对应后磨牙的部分往外拔。

请参图2A，其示意性地展示了本申请一个实施例中壳状牙科器械的摘取轨迹。为模拟真实摘取情况，可以取左右两颗第二磨牙201a、201b的牙冠质心连线的中点203为圆心，作半径为30cm(约等于人手臂上臂的长度)且垂直于该连线的圆。沿圆弧朝颌平面往下约15度(约为摘取壳状牙科器械时肘部的位置)处作为新的圆心205，以圆心205和中点203之间的距离为半径作新的圆弧207，将其作为壳状牙科器械对应第二磨牙处的运动轨迹。

在一些实施例中，可以设定为两边一起拉，也可以设定为单边先拉。

请参图2B，在又一实施例中，也可以设定把壳状牙科器械对应第二磨牙211a、211b附近的部分以恒定速率沿Z轴方向拔出。

在一些实施例中，可以设定为两边一起拉，也可以设定为单边先拉。

如业界一般技术人员所知，壳状牙科器械的摘取方式多种多样，每个用户可能有不同的摘取习惯，因此，摘取参数的设定并不限于以上例子。

在107中，对壳状牙科器械的摘取进行有限元分析。

基于在101中获得的牙列的有限元模型、在103中获得的佩戴于牙列的壳状牙科器械的有限元模型以及在105中获得的壳状牙科器械的摘取参数，对壳状牙科器械的摘取进行有限元分析。

在一个实施例中，可以如下方式定义载荷施加部位。首先，根据摘取方式确定载荷施加处所对应的牙齿。然后，对应该牙齿唇侧和舌侧的牙冠中心位置，在壳状牙科器械上寻找距离该位置最近处各取一点，并将该两个点设定为主节点。再以该两个主节点为球心，做半径为预定值的球，比如半径为2.5mm，将该球形区域内壳状牙科器械上其他有限元节点作为从节点。将所有主节点和从节点所关联的有限元单元视为摘取载荷施加部位。

在一个实施例中，可以把摘取载荷施加部位的所有节点设置为刚性连接(如Kinematic coupling或nodal rigid)，也就是说这些节点的6个自由度完全同步，相互之间没有相对变形。

在又一实施例中，可以将主节点与从节点的连接关系设为柔性连接(如distributing coupling)，允许主从节点之间的力学传递，使主从节点之间位移和力都可以不一致。

在一些实施方式中，可以把摘取载荷施加部位的所有节点施加约束，使其只能沿预设的运动轨迹移动。

在一些实施方式中，对非摘取载荷施加部位，只做壳状牙科器械与牙颌模型的边界约束条件。

在一些实施方式中，可以设置壳状牙科器械与牙列的接触为面-面(静态和动态)接触。

在一些实施方式中，可以通过调整接触刚度，穿透容差、穿透补偿等参数设置来改善接触状况。

接着，对壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析的结果，其包括：摘取过程中的摘取力和壳状牙科器械内的应力变化。

在109中，基于有限元分析结果判断壳状牙科器械是否合格。

在一些实施方式中，可以基于摘取力和/或壳状牙科器械的应力判断牙科器械是否合格。

在一个实施例中，可以预设一摘取力的阈值，当壳状牙科器械摘取过程中的摘取力超过该阈值，即认为该壳状牙科器械质量不合格。

在一个实施例中，可以根据壳状牙科器械的材料特性，比如屈服强度，预设一应力的阈值，当壳状牙科器械摘取过程中的局部应力超过该阈值，即认为该壳状牙科器械质量不合格。

本申请的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械检验方法能够在壳状牙科器械制作之前的设计阶段对壳状牙科器械的质量进行检验，从而指导壳状牙科器械的设计，以改进其质量，从而降低次品率，提升矫治效率，同时提高经济效益。

请参图3，为本申请一个实施例中的壳状牙科器械的优化方法300的示意性流程图。

在301中，检验壳状牙科器械的质量，此处可以采用本申请的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法。

若检验结果为“合格”，则跳至303，结束流程。

若检验结果为“不合格”，则跳至305，优化壳状牙科器械的设计。

可以根据具体的不合格原因，优化牙科器械，包括制作参数(比如热压膜成型工艺参数)、材料(选择不同的壳状牙科器械的材料，以获得不同的机械性能和力学性能)、厚度(比如选择不同厚度的膜片)以及几何形态(比如可以通过修改阳模的填倒凹，以改变壳状牙科器械与牙列的配合；可以通过修改阳模的牙弓曲线的宽度(比如扩弓补偿)，以改变壳状牙科器械与牙列的配合；可以修改壳状牙科器械上与附件的配合结构，以改变壳状牙科器械与固定于牙列的附件的配合)。

在一个实施例中，可以基于经优化的壳状牙科器械的制作参数，对壳状牙科器械的制作工艺进行有限元分析，获得经优化的壳状牙科器械的有限元模型。

再跳至301，检验经优化的壳状牙科器械的质量。如此循环，直至获得合格的壳状牙科器械。

本申请中的有限元分析可以采用适用的有限元分析软件实现。目前，比较受欢迎的有限元分析软件包括ANSYS、NASTRAN、Creo(Pro\E)、UG、CATIA、FEPG、SciFEA、JiFEX、KMAS、FELAC、DYNAFORM、LS-DYNA、ABAQUS、HyperWorks、Geomagics、Mimics、3-Matic等。

尽管在此公开了本申请的多个方面和实施例，但在本申请的启发下，本申请的其他方面和实施例对于本领域技术人员而言也是显而易见的。在此公开的各个方面和实施例仅用于说明目的，而非限制目的。本申请的保护范围和主旨仅通过后附的权利要求书来确定。

同样，各个图表可以示出所公开的方法和系统的示例性架构或其他配置，其有助于理解可包含在所公开的方法和系统中的特征和功能。要求保护的内容并不限于所示的示例性架构或配置，而所希望的特征可以用各种替代架构和配置来实现。除此之外，对于流程图、功能性描述和方法权利要求，这里所给出的方框顺序不应限于以同样的顺序实施以执行所述功能的各种实施例，除非在上下文中明确指出。

除非另外明确指出，本文中所使用的术语和短语及其变体均应解释为开放式的，而不是限制性的。在一些实例中，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”这样的扩展性词汇和短语或者其他类似用语的出现不应理解为在可能没有这种扩展性用语的示例中意图或者需要表示缩窄的情况。

Claims (12)

1.一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，包括：

获取牙列的有限元模型；

获取壳状牙科器械的有限元模型；

获取所述壳状牙科器械的摘取参数，所述摘取参数包括所述壳状牙科器械指定部分的轨迹和速率；

基于所述牙列的有限元模型、壳状牙科器械的有限元模型以及摘取参数，对佩戴于所述牙列的所述壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析结果，其包括以下至少之一：摘取力以及所述壳状牙科器械在所述摘取过程中的局部应力；以及

基于所述有限元分析结果判断所述壳状牙科器械是否合格，若所述有限元分析获得的摘取力大于预定的摘取力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格，或者若所述有限元分析获得的局部应力大于预定的应力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格。

2.如权利要求1所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，其特征在于，所述牙列的有限元模型的六个自由度被限制。

3.如权利要求1所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，其特征在于，所述轨迹是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

4.如权利要求1所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，其特征在于，所述速率是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

5.如权利要求1所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，其特征在于，所述壳状牙科器械的有限元模型是佩戴于所述牙列时的有限元模型，包括所述壳状牙科器械佩戴于所述牙列时的几何形态以及应力分布。

6.如权利要求1所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的检验方法，其特征在于，所述壳状牙科器械的有限元模型是通过对所述壳状牙科器械的基于热压膜成型技术的制作工艺进行有限元分析而获得。

7.一种基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，包括：

获取牙列的有限元模型；

获取壳状牙科器械的有限元模型；

获取所述壳状牙科器械的摘取参数，所述摘取参数包括所述壳状牙科器械指定部分的轨迹和速率；

基于所述牙列的有限元模型、壳状牙科器械的有限元模型以及摘取参数，对佩戴于所述牙列的所述壳状牙科器械的摘取进行有限元分析，获得有限元分析结果，其包括以下至少之一：摘取力以及所述壳状牙科器械在所述摘取过程中的局部应力；

基于所述有限元分析结果确定所述壳状牙科器械是否合格，若所述有限元分析获得的摘取力大于预定的摘取力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格，或者若所述有限元分析获得的局部应力大于预定的应力阈值，则确定所述壳状牙科器械不合格；以及

若所述壳状牙科器械不合格，则基于所述有限元分析结果优化所述壳状牙科器械的几何形态。

8.如权利要求7所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，其特征在于，所述牙列的有限元模型的六个自由度被限制。

9.如权利要求7所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，其特征在于，所述轨迹是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

10.如权利要求7所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，其特征在于，所述速率是根据用户摘取壳状牙科器械的习惯定义。

11.如权利要求7所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，其特征在于，所述壳状牙科器械的有限元模型是佩戴于所述牙列时的有限元模型，包括所述壳状牙科器械佩戴于所述牙列时的几何形态以及应力分布。

12.如权利要求7所述的基于计算机有限元分析的壳状牙科器械的优化方法，其特征在于，所述壳状牙科器械的有限元模型是通过对所述壳状牙科器械的基于热压膜成型技术的制作工艺进行有限元分析而获得。

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