CN111265316A - 一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，包括如下步骤。步骤S110：采集口内扫描数据，生成基础正畸模型。步骤S120：在基础正畸模型上虚拟生成牙周膜几何模型。步骤S130：确定牙周膜本构模型，建立牙周膜的有限元模型。步骤S140：用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数。步骤S150：得到完整正畸模型。步骤S160：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况。步骤S170：根据牙齿受力分布情况，模拟牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。本发明建立了包含牙周膜在内的完整的正畸模型，并对佩戴矫治器之后的牙齿进行模拟计算，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程。

Description

一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法及装置

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助设计技术，特别是涉及一种计算机辅助生成牙齿正畸模型并利用所述牙齿正畸模型进行牙齿受力分析的方法。

背景技术

口腔正畸是针对牙齿排列畸形或错颌，利用弓丝、托槽等组成的固定矫治器械，或者可摘式的隐形牙齿矫治器，对牙齿施加三维矫治力和力矩，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。

无论是固定矫治还是隐形矫治，在进行矫治阶段，通常依靠医生的经验制定矫治方案。方法是在获得患者的牙颌模型之后，将牙颌模型上的每颗牙齿手工切割下来，之后进行手动排齐，模拟矫治过程，但是此种方式存在一定的误差。首先切割过程为认为手工操作，容易存在误差；其次当所有牙齿被切割完成之后，模拟排牙过程的标准仅为医生的经验程度，因此没有固定的衡量标准，主观因素较强；再次，医生手工操作的工作量很大，效率较低，且对患者的矫治结果预测不准。

随着计算机图像技术和机器学习技术的发展，自动化的正畸治疗正在快速发展。计算机三维数字化技术的发展，为口腔正畸的诊断设计及矫治带来了革命性改变。采集患者软硬组织的三维影像数据，进行诊断分析及治疗预测，通过计算机模拟进行牙齿的切割和排齐，最终实现矫治系统的个性化制作，正成为三维数字化正畸的发展方向，此种方式的操作方式受控于计算机模拟软件，由于不同患者口内差异性较大，因此在遇到一些复杂病例时，无法精准预测排齐效果，另外，临床医生可以根据临床经验对虚拟矫治过程修改，但是这种方式与医生个人经验值相关，不同医生输出的修改过程可能不同，无法进行量化统一。

对于模拟数字化排牙过程，现有技术中使用的数字化牙颌模型和数字化牙槽骨模型进行虚拟设计，但是在人体实际的口腔环境中牙根和牙槽骨之间还存在牙周膜，而牙周膜为软组织，其在牙齿移动的过程中变化较难模拟，因此目前的虚拟矫治过程中，只利用牙齿模型和牙槽骨模型进行矫治过程的模拟，上述方法与实际的牙齿移动过程存在偏差，如果模拟设计不当，在佩戴矫治器之后，如果实际矫治结果与矫治方案偏差较大，容易对患者造成损害。

因此，研究一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型进行受力分析，对后续的排牙矫治过程，具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过计算机辅助建立牙齿正畸的三维模型，一方面通过专门的测量装置测得患者牙周膜的特性，构建患者定制化的完整正畸模型；另一方面通过实验等方式获得隐形矫治器的几何模型和材料特性；将以上两者结合，模拟并分析患者佩戴矫治器后的牙齿受力情况，以用于辅助和指导正畸矫治过程。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，包括如下步骤。步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下具有位姿的数字化基础正畸模型。步骤S120：在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型。步骤S130：确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型。步骤S140：用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型。步骤S150：得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型。步骤S160：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况。步骤S170：根据牙齿受力分布情况，模拟牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

上述方法建立了包含牙周膜在内的完整的正畸模型，并对佩戴矫治器之后的牙齿进行模拟计算，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程，进而预测牙槽骨重构和牙齿移动情况。

进一步地，在步骤S160之前还包括：获取矫治器的材料特性以及矫治器随时间变化的特性。这些数据可使得对佩戴矫治器之后的牙齿进行有限元模拟计算的结果更准确。

进一步地，所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数据分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型、补齐数字化牙龈模型已得到完整的数字化牙龈模型、确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型、数字化牙龈模型和数字化牙槽骨模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。这是一种优选的实现方式。

进一步地，所述步骤S110中，还包括在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型，再根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型；其后各步骤均基于所述过程正畸模型进行。标注正畸模型在基础正畸模型的基础上增加了标注牙齿的几何形态特征，过程正畸模型在标注正畸模型的基础上增加了参考数据，所增加的内容对于后续的建模运算提供了帮助。

进一步地，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。这是对牙齿的几何形态特征的具体说明。

进一步地，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度，牙齿的尖圆比例中的一项或多项。这是对牙齿的几何形态特征的进一步具体说明。

进一步地，所述标注正畸模型的生成方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征。这里给出了生成标注正畸模型的一种具体实现方式。

进一步地，所述标注正畸模型的生成方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征。这是采用统计数据来预测最有可能的特征，精度较低。

进一步地，所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。这是对参考数据的具体说明。

进一步地，所述步骤S110中，还包括采集CBCT数据，建立数字化基础正畸模型中的牙根和牙槽骨的几何模型。这是对口内扫描数据的补充，精度较高，属于可选的实现方式。

进一步地，所述步骤S110中，还包括采集齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，修正数字化基础正畸模型中的牙根和牙槽骨的几何模型。这是对口内扫描数据的补充，属于可选的实现方式。

进一步地，所述步骤S120中，通过牙根在牙槽骨以下的表面向外延伸的方式建立牙周膜的几何模型。这是建立牙周膜的几何模型的一种具体实现方式。

进一步地，所述步骤S130中，牙周膜本构模型采用V-W超弹性模型、Yeoh超弹性模型、粘弹性模型、线弹性模型中的任一种。这些都是现有的牙周膜本构模型，本发明可选择其中任意一种。

进一步地，所述步骤S130中，采用线弹性模型时，牙周膜本构模型中的待定参数包括杨氏模量和泊松比。这是一种特定的牙周膜本构模型所包含的表征牙周膜力学特性的参数。

进一步地，所述步骤S140和步骤S160中，采用的有限元方法为直接迭代法、Newton-Raphson方法、修正的Newton-Raphson方法、欧拉增量法或Newton-Raphson增量法的任一种。这些都是现有的有限元方法(Finiteelement method，FEM)，本发明可选择其中任意一种。

进一步地，所述步骤S150中，牙齿和牙槽骨的本构模型将牙齿和牙槽骨作为刚体。这是指一颗牙齿上所有的点按照一致的方式移动，一颗牙齿不会发生形变。

进一步地，所述步骤S160改为：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器和附件以后的受力分布情况。在步骤S160之后还包括，根据牙齿带上矫治器以后的受力分布情况指导设计制造附件。这给出了受力分析后的一种实际应用。

本发明还提供了一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析装置，包括如下单元。口内采集单元，用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。牙周膜生成单元，用来在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型。本构模型确定单元，用来确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型。待定参数运算单元，采用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型。组合单元：用来得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型。模拟单元，用来采用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况。预测单元，用来根据牙齿受力分布情况，预测牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

上述装置建立了包含牙周膜在内的完整的正畸模型，并对佩戴矫治器之后的牙齿进行模拟计算，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程，进而预测牙槽骨重构和牙齿移动情况。

本发明取得的技术效果是建立了包含牙周膜在内的完整的正畸模型，模拟效果更贴近患者口内情况，对后续的正畸矫治过程提供基础。另外在正畸模型的设计过程中还加入了矫治器的材料特性，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程，进而预测牙槽骨重构和牙齿移动情况，可用于指导精确高效的进行牙齿矫治分步设计以及帮助设计附件的形态和位置。

附图说明

图1是本发明提供的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法的流程图。

图2是本发明提供的牙齿移动测量装置(实验装置)的实施例一的结构示意图。

图3是本发明提供的牙齿移动测量装置(实验装置)的实施例二的结构示意图。

图4是本发明提供的牙齿移动测量装置(实验装置)的实施例三的结构示意图。

图5是本发明提供的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析装置的结构示意图。

图中附图标记说明：110为口内采集单元；120为牙周膜生成单元；130为本构模型确定单元；140为待定参数运算单元；150为组合单元；160为模拟单元；170为预测单元；21为弹簧；22为万向锁；23为刚性结构；24a和24b为标记点；25为牙齿；26为矫治器。

具体实施方式

请参阅图1，这是本发明提供的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，包括如下步骤。

步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下具有位姿的数字化基础正畸模型。

步骤S120：在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型。

步骤S130：确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型。

步骤S140：用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型。

步骤S150：得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型。

步骤S160：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况。

步骤S170：根据牙齿受力分布情况，模拟牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

上述方法建立了包含牙周膜在内的完整的正畸模型，并对佩戴矫治器之后的牙齿进行模拟计算，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程，进而预测牙槽骨重构和牙齿移动情况。

可选地，在步骤S160之前还包括：获取矫治器的材料特性以及矫治器随时间变化的特性。这些数据可使得对佩戴矫治器之后的牙齿进行有限元模拟计算的结果更准确。

所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数据分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型、补齐数字化牙龈模型已得到完整的数字化牙龈模型、确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。

可选地，所述步骤S110中还包括采集CBCT(Cone beam computed tomography，锥束CT)数据、齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，所述数字化基础正畸模型还包括结合CBCT数据、齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项作为口内扫描数据的补充。CBCT数据的精度较高，如采集CBCT数据，则利用CBCT数据精确建立患者的牙根和牙槽骨的几何模型。齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片的精度较低，可与口内扫描数据结合使用，得到精度差一些的牙根及牙槽骨的几何模型。

可选地，所述步骤S110中，还包括在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型，再根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型；其后各步骤均基于所述过程正畸模型进行。本发明中出现了基础正畸模型、标注正畸模型、过程正畸模型，各自的含义说明如下。基础正畸模型是由患者数字化的牙齿、牙龈、牙根、牙槽骨等口内扫描数据，可选地加上颅骨侧位影像、齿科全景图、照片中提取的辅助数据组成。标注正畸模型是在基础正畸模型的基础上，加上了牙齿的几何形态特征。过程正畸模型是在标注正畸模型的基础上，加上了根据牙齿的几何形态特征计算得到的参考数据。所增加的内容对于后续的建模运算提供了帮助。

所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。例如，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度，牙齿的尖圆比例中的一项或多项。例如，所述标注正畸模型的生成方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。又如，所述标注正畸模型的生成方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征，也就得到了标注正畸模型。

所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。这些参考数据是根据医学规则在计算正畸治疗过程中需要使用的，由上述牙齿的几何形态特征得到。具体请参考以下文献一和文献二。

文献一是指1998年11月出版的《美国正畸和齿面矫形学杂志》(American Journalof Orthodontics and Dentofacial Orthopedics)第114卷第5期上刊登文章《牙科模型与曲面断层的评分系统》(Grading System for Dental Casts and PanoramicRadiographs)，作者为美国正畸协会(American Board of Orthodontics)。

文献二是指1972年9月出版的《美国正畸学杂志》(American Journal ofOrthodontics)第62卷第3期刊登文章《正常咬合的六个关键点》(The six keys to normalocclusion)，作者为Lawrence F.Andrews。

所述步骤S120中，通过牙根在牙槽骨以下的表面向外延伸的方式建立牙周膜的几何模型。从牙根在牙槽骨以下的表面向外延伸时，牙周膜的厚度采用统计数据方法，这可以根据口腔学大数据得到，或通过牙槽骨向牙根方向延伸求差的方法获取。

所述步骤S130中，牙周膜本构模型采用V-W超弹性模型、Yeoh超弹性模型、粘弹性模型、线弹性模型中的任一种。牙周膜本构模型没有公认的最佳方案，可以选择的模型包括均匀介质模型、各向同性模型、线弹性模型、不均匀介质模型、粘弹性模型、时间效应模型、超弹性模型、时间延迟效应模型、纤维加基质模型模型等；本发明可选择其中任意一种。每种牙周膜本构模型中都含有几个待定的参数，用来表示患者个体差异性。

所述步骤S130中，采用线弹性模型时，牙周膜本构模型中的待定参数包括杨氏模量(也称弹性模量)和泊松比。这是一种特定的牙周膜本构模型所包含的表征牙周膜力学特性的参数。

所述步骤S140和步骤S160中，采用的有限元方法为直接迭代法、Newton-Raphson方法、修正的Newton-Raphson方法、欧拉增量法或Newton-Raphson增量法的任一种。这些都是现有的有限元方法(Finite element method，FEM)，本发明可选择其中任意一种来模拟计算患者牙齿在未佩戴矫治器、以及佩戴矫治器后受力(例如正畸力)下的移动情况。。

所述步骤S140中，将有限元方法模拟的计算结果与实验采集的牙齿移动情况进行重叠拟合，构造损失函数，例如对比牙齿位姿的差异，从而优化牙周膜本构模型中的待定参数，至最优解，作为待定参数的确定值。这可以采用传统的优化方法，或者机器学习中常用的随机梯度下降等方法。

请参阅图2，这是本发明提供的牙齿移动测量装置的实施例一。所述牙齿移动测量装置为弹簧测试装置，其中利用弹簧21连接相邻两颗牙齿25，测量弹簧形变得知弹簧受力F，可以换算成牙齿间的作用力，采集牙齿在所述作用力下的移动情况。具体而言，弹簧21的每一端均通过万向锁22连接一个刚性结构23，所述刚性结构23再刚性连接一颗牙齿25。万向锁22用来确保力沿着弹簧21方向施力。

优选地，所述万向锁22加装有平衡杆(未图示)，能够确保施力的平衡稳定性。

优选地，所述牙齿移动测量装置的实施例一为标记测试装置，其中在牙齿的牙冠表面增加标记点，以帮助确定牙齿位姿(位置和姿态)，具体的，所述标记点可以为颜色标记点、提示标记点等其它标记形式。

请参阅图3，这是本发明提供的牙齿移动测量装置的实施例二。所述牙齿移动测量装置的实施例二为标记拍摄测试装置，其中在牙齿的牙冠表面设置标记点24a和24b，其中标记点可以为染色点，也可以为位置提示点等其它起到标识作用的点，相邻牙齿的牙冠上的标记点分组配对，例如标记点24a和24b配为一对。带上矫治器26之前拍摄牙齿25的照片，计算每一对标记点例如24a和24b之间的距离d1，图中单项箭头的指向为带上矫治器26达到暂稳平衡态且牙槽骨重建之前拍摄牙齿25的照片，计算每一对标记点例如24a和24b之间的距离d2，根据两次侧拉杆的距离差值，获得牙齿的移动情况。

可选地，所述拍摄照片可以改为口内扫描获取图像，再计算照片或图像中每一对标记点之间的距离。除此之外，还可以将牙冠的三维模型投影到照片上，确定标记点在牙冠的三维模型上的坐标，再计算牙冠的三维模型中每一对标记点之间的距离，获得牙齿的移动情况。

采用本实施例获得的牙齿移动情况能够直接测量患者真实的牙齿移动情况，对后续个性化治疗过程提供依据。

请参阅图4，这是本发明提供的牙齿移动测量装置的实施例三。所述牙齿移动测量装置的实施例三为拍摄测试装置，其中在带上矫治器26之前拍摄牙齿25的照片，图中单项箭头的指向为带上矫治器26达到每一个暂稳态后拍摄牙齿25的照片，通过两次获得牙齿的照片差异，得到牙齿的移动情况。所述拍摄牙齿照片由相机实现、或者口内扫描仪获取牙齿图像。

所述步骤S150中，牙齿和牙槽骨的本构模型将牙齿和牙槽骨作为刚体。单颗牙齿本身不会发生形变，此种处理方式将单颗牙齿视为一个不会发生形变的刚体，在牙齿移动的过程中不会因为牙齿本身的弹性变量影响整体移动的效果。所述步骤S140得到了牙周膜的几何模型和本构模型。所述步骤S150进一步增加了正畸治疗中需要考虑到的牙齿(含牙冠和牙根)、牙龈、牙槽骨、牙周膜的几何模型与表征各自生物力学特性的本构模型，构成一个完整正畸模型。

可选地，所述步骤S160改为：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器和附件以后的受力分布情况。在步骤S160之后还包括，根据牙齿带上矫治器以后的受力分布情况指导设计制造附件。在隐形牙齿矫正中，附件一般粘结在牙齿上，与隐形牙套配合使用，方便隐形牙套固定及为隐形牙套在矫正过程中提供着力点，协助隐形牙套对牙齿进行矫正。附件的更多信息可参考人民卫生出版社在2014年4月出版的《口腔正畸现代无托槽隐形矫治技术》一书、以及世界图书出版公司在2014年1月出版的《口腔正畸学：现代原理与技术》一书。

请参阅图5，这是本发明提供的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析装置，包括口内采集单元110、牙周膜生成单元120、本构模型确定单元130、待定参数运算单元140、组合单元150、模拟单元160和预测单元170。

所述口内采集单元110用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型。

所述牙周膜生成单元120用来在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型。

所述本构模型确定单元130用来确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型。

所述待定参数运算单元140采用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型。

所述组合单元150用来得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型。

所述模拟单元160用来采用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况。

所述预测单元170用来根据牙齿受力分布情况，预测牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

本发明提供的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法及装置通过实际测量患者口内的数据，来建立定制化的包含牙周膜在内的完整正畸模型。如果没有实测数据，也可以根据患者基本信息采用机器学习方式预测参数，建立速度较快。本发明还对佩戴矫治器之后的牙齿进行模拟计算，可以在生物力学层面上模拟正畸治疗的过程的每一步(每个阶段)，进而预测牙槽骨重构和牙齿移动情况的每一步(每个阶段)。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤S110：采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下具有位姿的数字化基础正畸模型；

步骤S120：在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型；

步骤S130：确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型；

步骤S140：用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型；

步骤S150：得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型；

步骤S160：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况；

步骤S170：根据牙齿受力分布情况，模拟牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

2.根据权利要求1所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征在于，在步骤S160之前还包括：获取矫治器的材料特性以及矫治器随时间变化的特性。

3.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S110中，所述设计处理方法包括根据口内扫描数据分割数字化牙齿模型和数字化牙龈模型，补齐数字化牙齿模型的侧面和底面以得到完整的数字化牙齿模型、补齐数字化牙龈模型已得到完整的数字化牙龈模型、确定数字化牙齿模型之间的咬合关系后形成的数字化牙齿模型、数字化牙龈模型和数字化牙槽骨模型，其中所述数字化牙齿模型包括牙冠和牙根。

4.根据权利要求1所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S110中，还包括在数字化基础正畸模型上标注牙齿的几何形态特征，生成包含牙齿的几何形态特征的标注正畸模型，再根据标注正畸模型中牙齿的几何形态特征获取参考数据，生成包含参考数据的过程正畸模型；其后各步骤均基于所述过程正畸模型进行。

5.根据权利要求4所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿表面的特征点、特征线、特征面。

6.根据权利要求5所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述牙齿的几何形态特征包括牙齿的长度、宽度、高度、牙根分叉数量、牙根长度，牙齿的尖圆比例中的一项或多项。

7.根据权利要求4所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述标注正畸模型的生成方法为将已标注有几何形态特征的标准牙齿模型与所述数字化基础正畸模型重叠，使标准牙齿模型形变至与数字化基础正畸模型上的每颗牙齿趋于重合，此时形变后的标准牙齿模型带有的几何形态特征作为数字化基础正畸模型上的牙齿的几何形态特征。

8.根据权利要求4所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述标注正畸模型的生成方法为通过机器学习方式根据性别、年龄、种族、牙齿发育阶段、牙周卫生情况中的一项或多项预测牙齿模型与标准牙齿模型的偏差，从而得到牙齿的几何形态特征。

9.根据权利要求4所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述参考数据包括牙弓曲线、咬合面、牙齿局部坐标系、Bolton比、牙齿间距离、牙齿相对于颌平面的倾斜角度中的一项或多项。

10.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S110中，还包括采集CBCT数据，建立数字化基础正畸模型中的牙根和牙槽骨的几何模型。

11.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S110中，还包括采集齿科全景图、颅骨侧位影像、牙齿照片中的一项或多项，修正数字化基础正畸模型中的牙根和牙槽骨的几何模型。

12.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S120中，通过牙根在牙槽骨以下的表面向外延伸的方式建立牙周膜的几何模型。

13.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S130中，牙周膜本构模型采用V-W超弹性模型、Yeoh超弹性模型、粘弹性模型、线弹性模型中的任一种。

14.根据权利要求13所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S130中，采用线弹性模型时，牙周膜本构模型中的待定参数包括杨氏模量和泊松比。

15.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S140和步骤S160中，采用的有限元方法为直接迭代法、Newton-Raphson方法、修正的Newton-Raphson方法、欧拉增量法或Newton-Raphson增量法的任一种。

16.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S150中，牙齿和牙槽骨的本构模型将牙齿和牙槽骨作为刚体。

17.根据权利要求1或2所述的模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析方法，其特征是，所述步骤S160改为：用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器和附件以后的受力分布情况；在步骤S160之后还包括，根据牙齿带上矫治器以后的受力分布情况指导设计制造附件。

18.一种模拟佩戴矫治器的牙齿模型受力分析装置，其特征是，包括如下单元：

口内采集单元，用来采集口内扫描数据，经过设计处理后生成包含每颗牙齿在牙颌坐标系下的位姿的数字化基础正畸模型；

牙周膜生成单元，用来在数字化基础正畸模型所包含的牙根和牙槽骨几何模型的基础上，虚拟生成牙周膜几何模型；

本构模型确定单元，用来确定牙周膜本构模型，所述牙周膜本构模型中包含表征个性特征的待定参数；将牙周膜的几何模型和本构模型综合后建立牙周膜的有限元模型；

待定参数运算单元，采用有限元方法模拟计算牙齿的移动量，对比实验采集的牙齿移动情况，确定牙周膜本构模型中的待定参数，得到一个包含牙周膜在内的个性化牙齿模型；

组合单元：用来得到包含牙齿、牙槽骨、牙周膜的几何模型和本构模型的完整正畸模型；

模拟单元，用来采用有限元方法模拟计算牙齿带上矫治器以后的受力分布情况；

预测单元，用来根据牙齿受力分布情况，预测牙齿受力后的牙槽骨重构和牙齿移动情况。

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