CN110931133B - 一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法与系统，包括以下步骤：信息获取模块获取或输入患者信息，传输给处理模块进行处理；分析模块根据处理结果利用数值模拟分析建立牙周组织应力和应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线；根据牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动速度与牙周组织应变第四关系曲线，依据临床医学研究分别确定应力和应变的区间，利用输入模块将该区间传输给分析模块；分析模块根据应力和应变的区间，确定第一和第二关系曲线分别在应力和应变坐标轴上对应的区间，并确定矫治力范围。本发明降低了牙齿移动过程中发生牙根吸收的可能性，提高了正畸治疗的安全可靠性，同时保证牙齿具有较高的移动速度。

Description

一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法与系统

技术领域

本发明属于牙齿正畸技术领域，特别涉及一种基于数值模拟的牙齿移动矫 治力范围获取方法与系统。

背景技术

口腔正畸是针对牙齿排列畸形或错牙合，利用固定式矫治器或无托槽隐形 矫治器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。 矫治力一般施加在牙冠上，并通过牙体传递给牙根周围的牙周组织，经过牙周 组织的缓冲和吸收之后作用在牙槽骨上，并进一步引起牙槽骨改建，受压侧的 骨吸收不断被吸收，受拉侧的骨细胞则不断分裂、沉淀成新骨，最终在矫治力 的牵引下错位牙齿逐渐移动到理想位置。

在牙齿移动过程中，矫治力的大小至关重要。过小的矫治力在经过牙周组 织缓冲吸收之后不足以激发牙齿移动或牙齿移动速度较低；过大的矫治力则会 迫使牙周组织发生透明性样变甚至局部闭塞、坏死，引起牙根吸收。为此，矫 治力必须保持在合理范围才能实现高效安全的正畸治疗。目前临床正畸中，对 牙齿矫治力的施加主要依赖医生的临床经验和主观判断，并采用回访的方式定 期调整力的矫治力的大小，这种试错性的治疗方式具有很高的不确定性，使治 疗始终处于“矫正-调整-矫正”的循环状态，治疗效率较低，也增加了患者和 医生的额外负担。

为了明确牙齿移动的最佳矫治力范围，优化临床正畸治疗，许多学者开展 了研究，但都没能获得理想的研究结果。有的人求解获得的最佳矫治力范围区 间很宽，难以给临床医生提供理论指导；有的人只分析了在个别矫治力作用下 牙周组织的生物力学响应，未能概括出最佳的矫治力范围。大量理论和实验研 究表明牙齿移动过程中，牙根的吸收主要受牙周组织应力的影响，应力值过大 时才会引起牙根吸收；另一方面，在一定程度内牙齿的移动速度基本与牙周组 织应变线性相关。因此，在矫治力作用下牙周组织的应力和应变可分别用于评 估牙根吸收情况和牙齿移动速度，进而评价矫治力大小是否合理。理想正畸治 疗应该是在保证不发生大量牙根吸收的前提下，使牙齿具有更高移动速度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围 获取方法，具体包含以下步骤：

S1:获取患者信息，并对患者信息进行处理；

S2:根据处理结果利用数值模拟分析在二维坐标系上建立牙周组织应力和 应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

S3:根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动 速度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设 定牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小 [a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间 V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

S4:根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线在应 力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范围 [C,B]。

进一步地，所述步骤S1中，所述患者信息包括：患者颌骨CT图像和临 床症状信息。

进一步地，所述步骤S1中，对患者信息进行处理包括：

根据CT图像构建与患者真实颌骨结构和生物力学特性相近的三维有限元 模型；

根据临床症状信息构建牙齿矫治器有限元模型。

其中，所述三维有限元模型中包括牙列、牙周组织和牙槽骨。

进一步地，所述步骤S2中，所述数值模拟分析具体表现为：

利用数字化软件，根据处理结果分析不同大小矫治力作用下的牙周组织应 力与应变的关系。

本发明还提供了一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取系统，包括 信息获取模块、输入模块、处理模块、分析模块和显示模块，其中：

信息获取模块用于获取或输入患者信息，并传输给处理模块进行数据处 理；

分析模块用于根据处理结果利用数值模拟分析建立牙周组织应力和应变 与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动速 度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设定 牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小 [a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间 V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

分析模块根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线 在应力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范 围[C,B]。

进一步地，所述数值模拟具体为：

利用数字化软件，根据处理结果分析不同大小矫治力作用下的牙周组织应 力和应变的关系。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)通过本发明，解决了临床正畸治疗过程中牙齿移动最佳矫治力范围 不明确的问题，降低了正畸治疗对医生个体经验的依赖性，并进一步协助医生 获得更佳的正畸治疗效果。

(2)在临床正畸治疗实施之前，通过数值模拟求解获得牙齿移动的最佳 矫治力范围，可以降低牙齿移动过程中发生牙根吸收的可能性，提高正畸治疗 的安全可靠性；同时保证牙齿具有较高的移动速度，缩短正畸治疗周期，减轻 患者和医生的额外负担。

附图说明

图1为牙周组织应力和应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线图；

图2为牙根吸收与牙周组织应力的第三关系曲线图；

图3为牙齿移动速度与牙周组织应变的第四关系曲线图；

图4为一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法与系统的流程

图5为一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法与系统的系统 框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明了，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，以下说明中，省略了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。

实施例1：

如图1、2、3和4所示，本具体实施例采用以下技术方案，一种基于数值 模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1:获取患者信息，并对患者信息进行处理；

S2:根据处理结果利用数值模拟分析在二维坐标系上建立牙周组织应力和 应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

S3:根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动 速度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设 定牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小 [a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间 V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

S4:根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线在应 力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范围 [C,B]。

研究首先需要采集数据样本，本发明选用CT或CBCT扫描设备对患者头部 进行扫描，获取缓则颌骨的精确CT图像。相比较于传统的X射线机，CT操作 更加简便，同时可以观察到人体内部非常小的细节，直接显示X线平片无法显 示的器官和病变，大幅提高了分辨率和准确率，有利于数据采集之后有限元模 型的构建。

CT图像采集完毕后，通过医学影像处理软件和模型后处理软件构建与患 者颌骨结构和生物力学特性相近的三维有限元模型。其中，三维有限元模型包 含有牙列、牙周组织和牙槽骨。

同时，依据患者的临床症状，在正畸医生的指导下设计和构建牙齿矫治器 有限元模型。根据三维有限元模型和牙齿矫治器模型，利用数字化软件进行数 值模拟，通过判断不同矫治力大小作用下，牙周组织产生的应力和应变情况的 变化，得到牙周组织应力和应变与矫治力大小的关系曲线，如图1。图1中， 横坐标F表示矫治力的大小，纵坐标表示牙周组织应力σ或应变μ的大小。

从图1中可以看出牙周组织应力和应变都随着矫治力的增大而增大，但矫 治力并不是越大越好，矫治力越大，相应的牙齿移动速度也会越快，但过大的 矫治力会迫使牙周组织发生透明性样变甚至局部闭塞、坏死，引起牙根吸收， 同时过小的矫治力在经过牙周组织缓冲吸收之后不足以激发牙齿移动或牙齿 移动速度较低。为此，还需要明确压根吸收与牙周组织应力的关系，以及牙齿 移动速度与牙周组织应变的关系。

为此，通过查阅医学界过往的理论分析以及临床医学研究，建立了牙根吸 收与牙周组织应力关系曲线和牙齿移动速度与牙周组织应变关系曲线，如图2 和图3。图2中横坐标表示牙周组织应力σ的大小，纵坐标表示牙根吸收程度 P。从图2中可以看出随着牙周组织应力的增大，牙根吸收程度逐渐上升，根 据临床正畸最大牙根允许吸收程度设定牙根吸收区间P_i，进而明确牙周组织应 力区间[a，b]。图3中横坐标表示牙周组织应变ε的大小，纵坐标表示牙齿移 动速度V。从图3可以看出随着牙周组织应变的增大，牙齿移动速度先快速增 加随后增速变慢，根据临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度 区间V_i，进而明确牙周组织应变区间[c，d]。将该应力和应变区间带入图1， 可分别得到牙周组织应力σ和应变ε区间对应的矫治力大小范围[A,B]和 [C,D],取两区间的交叉区域[C,B]，该矫治力范围即为所要求的牙齿移动矫治 力范围。

通过本发明所述的方法，解决了临床正畸治疗过程中牙齿移动最佳矫治力 范围不明确的问题，降低了正畸治疗对医生个体经验的依赖性，并进一步协助 医生获得更佳的正畸治疗效果。

同时，在临床正畸治疗实施之前，通过数值模拟求解获得牙齿移动的最佳 矫治力范围，可以降低牙齿移动过程中发生牙根吸收的可能性，提高正畸治疗 的安全可靠性；同时保证了牙齿具有较高的移动速度，缩短正畸治疗周期，减 轻了患者和医生的额外负担。

实施例2：

如图5所示，一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取系统，包括： 信息获取模块、输入模块、处理模块、分析模块和显示模块，其中：

信息获取模块用于获取或输入患者信息，并传输给处理模块进行数据处 理；

分析模块用于根据处理结果利用数值模拟分析建立牙周组织应力和应变 与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动速 度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设定 牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小 [a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间 V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

分析模块根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线 在应力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范 围[C,B]。

进一步地，本发明中，信息获取模块选用CT或CBCT扫描设备；处理模块 选用带有医学影像处理软件和模型后处理软件的智能设备；分析模块选用具有 数值模拟功能的数字化软件，如FLUENT，CFX，3DFLOW等软件。

进一步地，所述患者信息包括患者颌骨CT图像和临床症状信息。

进一步地，所述对患者信息进行处理包括：

根据CT图像，通过处理模块构建与患者真实颌骨结构和生物力学特性相 近的三维有限元模型；

根据临床症状信息构建牙齿矫治器有限元模型。

进一步地，所述数值模拟具体表现为：

利用分析模块，结合患者颌骨有限元模型和牙齿矫治器有限元模型，通过 数值模拟分析不同大小矫治力作用下的牙周组织应力和应变关系。

通过本发明所述的系统，解决了临床正畸治疗过程中牙齿移动最佳矫治力 范围不明确的问题，降低了正畸治疗对医生个体经验的依赖性，并进一步协助 医生获得更佳的正畸治疗效果。

同时，在临床正畸治疗实施之前，通过数值模拟求解获得牙齿移动的最佳 矫治力范围，可以降低牙齿移动过程中发生牙根吸收的可能性，提高正畸治疗 的安全可靠性；同时保证牙齿具有较高的移动速度，缩短正畸治疗周期，减轻 患者和医生的额外负担。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属 技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或 采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所 定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：获取患者信息，并对患者信息进行处理；

S2：根据处理结果利用数值模拟分析在二维坐标系上建立牙周组织应力和应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

S3：根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动速度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设定牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小[a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

S4：根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线在应力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范围[C,B]。

2.如权利要求1所述的一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述患者信息包括：患者颌骨CT图像和临床症状信息。

3.如权利要求1或2任意所述的一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述对患者信息进行处理包括：

根据CT图像构建与患者真实颌骨结构和生物力学特性相近的三维有限元模型；

根据临床症状信息构建牙齿矫治器有限元模型。

4.如权利要求3所述的一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，所述三维有限元模型包括牙列、牙周组织和牙槽骨。

5.如权利要求1所述的一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述数值模拟分析为：

利用数字化软件，根据处理结果分析不同大小矫治力作用下的牙周组织应力和应变的关系。

6.一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取系统，包括：信息获取模块、输入模块、处理模块、分析模块和显示模块，其中：

信息获取模块用于获取或输入患者信息，并传输给处理模块进行数据处理；

分析模块用于根据处理结果利用数值模拟分析建立牙周组织应力和应变与矫治力大小的第一和第二关系曲线；

根据二维坐标系中牙根吸收与牙周组织应力第三关系曲线和牙齿移动速度与牙周组织应变第四关系曲线，并结合临床正畸最大牙根允许吸收程度设定牙根吸收区间P_i，确定第三关系曲线在该区间下在应力坐标轴上的区间大小[a，b]；并结合临床正畸可获得的最大牙齿移动速度设定牙齿移动速度区间V_i，确定第四关系曲线在该区间下在应变坐标轴上的区间大小[c，d]；

分析模块根据牙周组织应力和应变的区间大小，确定第一和第二关系曲线在应力和应变坐标轴上，对应区间大小[a,b]和[c,d]交集下的矫治力大小的范围[C,B]。

7.如权利要求6所述的一种基于数值模拟的牙齿移动矫治力范围获取系统，其特征在于，所述数值模拟为：

利用数字化软件，根据处理结果分析不同大小矫治力作用下的牙周组织应力和应变的关系。

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