CN111449773B - 隐形矫治器的自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

隐形矫治器的自适应加工方法，包括获取牙颌模型，在牙颌模型上真空热塑形成初始牙膜，获得初始牙膜的数字模型，并在数字模型上生成切割曲线；以切割曲线上的点作为刀具的第一落点，以偏置后切割曲线上对应的点作为第二落点，第一落点和第二落点约束刀具的形态倾角。本发明的优点在于自适应性好，可对于畸形牙膜自行进行调整切割角度，避免了切割碰撞的产生；能根据牙齿自身的特征自动找到关键点，然后根据关键点进行差值，自动计算路径需要的倾斜角度，从而避免自动切割中出现过切，漏切等情况的出现。

Description

隐形矫治器的自适应加工方法

技术领域

本发明涉及一种在隐形矫治器制作过程中，对隐形矫治器进行自动切割的方法。

背景技术

无托槽隐形矫治器是借助计算机三维重建、辅助诊断设计技术以及计算机制造技术，设计制造一系列有序的透明活动矫治器，利用矫治器本身材料的弹性形变而产生的回弹力，实现矫正牙颌畸形的矫治器。它是连续有序的矫治装置，通过持续的小范围的牙移动来达到牙齿矫治的目的。

隐形矫治器的制作过程包括获取患者口腔数据,根据该口腔数据建立患者口腔的三维模型,三维模型中包括牙齿数据和牙龈数据;设计矫治方案,将待矫正牙位调整到目标矫治位置,获得牙颌模型;在牙颌模型上生成切割线:用快速成型方式或者3D打印方式将三维牙颌模型成型为实体牙颌模型,用真空压膜机在实体牙颌模型上覆膜，然后将膜片沿着牙龈线切割或者手工打磨，获得隐形矫治器。但是，对于某些向舌侧或者唇侧特别突出的畸形牙齿，畸形牙齿的牙龈线偏离正常的牙弓曲线，如图1所示，导致牙弓畸变而无法切割、或者出现过切割，进而导致隐形矫治器无法实现自动化切割。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对存在牙弓突变的隐形矫治器进行自适应切割的隐形矫治器的自适应加工方法。

隐形矫治器的自适应加工方法，包括获取牙颌模型，在牙颌模型上真空热塑形成初始牙膜，获得初始牙膜的数字模型，并在数字模型上生成切割曲线；获得每个牙齿的颊舌向牙轴夹角β；以牙颌为下、以跟牙颌面距离为H的平面作为第二基准面，切割曲线投影到第二基准面上获得投影切割曲线；对于每个牙齿，获得第一基准面与第二基准面在投影切割曲线上的交点，每个交点作为一个关键点；设定空间基础切割角α，将投影切割曲线沿颊舌向向外偏置L*tan（α+β），获得偏置后切割曲线，针对切割曲线上的每一个点、第二基准面的Z坐标减去原始切割曲线的Z坐标得到L；记录每个牙齿的关键点，前一个牙齿的关键点和后一个牙齿的关键点之间切割路径通过点数线性插补得出；以切割曲线上的点作为刀具的第一落点，以偏置后切割曲线上对应的点作为第二落点，第一落点和第二落点约束刀具的形态倾角。

本发明中，投影切割曲线的两个关键点包含了该牙位的颊舌向牙长轴转角，牙长轴是纵行穿过牙体并经过牙体中心的几何轴。刀具的第一落点位于切割曲线上，刀具有第二落点在第二基准面上，两点定一条直线，确定了刀具的第一落点和第二落点，即可确定刀具在切割线上任意一点的形态夹角。偏置后切割曲线是刀具的第二落点的集合，切割曲线是刀具的第一落点的集合。每一个切割曲线上的第一落点都有且只有一个对应在偏置后切割曲线上的第二落点，每一组第一落点和第二落点作为刀具的一个切割形态。刀具的所有切割形态都同时包含了刀具的空间基础切割角α和牙齿的颊舌向牙轴夹角，因此能够根据牙齿的形态自适应调整刀具的切割形态，实现对牙膜的自适应、自动化切割。

优选的，颊舌向牙轴夹角获取方式为：将该牙位的牙长轴投影到第一基准面，在第一基准面上过牙长轴投影线做一条颊舌向的直线，牙长轴投影线和颊舌向直线之间的夹角为颊舌向牙轴夹角；第一基准面是过该牙位的中点并垂直于牙弓曲线的平面。

优选的，获取第一基准面的方式为：对每一个牙齿获取其中间线，取中间线的中点A，找到牙弓曲线上与该牙齿的A点距离最近的B点，过直线AB并垂直于牙弓曲线做第一基准面。

优选的，将颊向的颊舌向牙轴夹角设为正值，将舌向的颊舌向牙轴夹角设为负值。

优选的，第二基准面高于所有牙齿的顶面。

优选的，对投影切割曲线向外偏置时，每个点的偏置方向的确定方法为：每一个点都有前后相邻的两个相邻点，以当前点与任意一个相邻点组成一个向量，每个当前点有两个向量，两个向量的角平分线为偏置方向所在的直线，将两个向量进行叉积计算确定角平分线的方向，角平分线的方向为偏置方向。每一个当前点都有前后相邻的两个点，当前点向相邻点形成一个单位向量，每个当前点有两个单位向量，两个单位向量的和实际上就是这个角的角平分线，叉积来决定角平分线的朝向修正，特别是对于三点共线的情况，无法判断内外侧，必须用叉积计算才能知道内外侧。

优选的，获得偏置后切割曲线后，先消除偏置后切割曲线的自交区域，再对关键点进行操作。

优选的，消除偏置后切割曲线的自交区域采用的方式是，获得自交区域中最先相交的点和最后相交的点，舍去中间部分的点；舍去点的对应的偏置外置点由最先相交的点和最后相交的点的中点来代替。

本发明的优点在于：1、自适应性好，可对于畸形牙膜自行进行调整切割角度，避免了切割碰撞的产生。2、关键点插补运算产生的刀具轨迹可有效避免如AC双转台等加工系统的C轴来回转而影响加工效率的问题，从而较显著的减少加工时间。3、能根据牙齿自身的特征自动找到关键点，然后根据关键点进行差值，自动计算路径需要的倾斜角度，从而避免自动切割中出现过切，漏切等情况的出现。

附图说明

图1是畸形牙齿导致的牙弓突变的示意图。

图2是牙齿牙膜的数字模型的示意图。

图3是牙膜的切割数字模型的示意图。

图4是牙颌模型上每个牙齿的中间线示意图。

图5是牙弓曲线的示意图。

图6是牙长轴的示意图。

图7是切割曲线在第二基准面上的投影、获得投影切割曲线的示意图。

图8是用三点确定偏置方向的示意图。

图9是偏置后切割曲线自交区域的示意图。

图10是消除自交区域的偏置后切割曲线和投影切割曲线的示意图。

图11是所有切割点位的刀具倾角形态分布图。

具体实施方式

结合附图1-11，详细说明本发明。

隐形矫治器的自适应加工方法，包括获取牙颌模型，在牙颌模型上真空热塑形成初始牙膜，获得初始牙膜的数字模型，如图2所示，并在数字模型上生成切割曲线及牙膜的切割模型，如图3所示；获得每个牙齿的颊舌向牙轴夹角β；以跟牙颌面距离为H的平面作为第二基准面，切割曲线投影到第二基准面上获得投影切割曲线；对于每个牙齿，获得第一基准面与第二基准面在投影切割曲线上的交点，每个交点作为一个关键点；设定空间基础切割角α，将投影切割曲线沿颊舌向向外偏置L*tan（α+β），获得偏置后切割曲线，针对切割曲线上的每一个点、第二基准面的Z坐标减去原始切割曲线的Z坐标得到L；记录每个牙齿的关键点，前一个牙齿的关键点和后一个牙齿的关键点之间切割路径通过点数线性插补得出；以位于牙颌平面的切割曲线上的点作为刀具的第一落点，以位于第二基准面的偏置后切割曲线上对应的点作为第二落点，第一落点和第二落点约束刀具的形态倾角。

在一些实施例中，颊舌向牙轴夹角获取方式为：将该牙位的牙长轴3投影到第一基准面，在第一基准面上过牙长轴3投影线做一条颊舌向的直线，牙长轴3投影线和颊舌向直线之间的夹角为颊舌向牙轴夹角；第一基准面是过该牙位的中点并垂直于牙弓曲线2的平面。

获取第一基准面的方式为：对每一个牙齿获取其中间线1，去中间线1的中点A，找到牙弓曲线2上与该牙齿的A点距离最近的B点，过直线AB并垂直于牙弓曲线2做第一基准面。

将颊向的颊舌向牙轴夹角设为正值，将舌向的颊舌向牙轴夹角设为负值。

在一些实施例中，第二基准面高于所有牙齿的顶面。

在一些实施例中，获得偏置后切割曲线后，先消除偏置后切割曲线的自交区域6，再对关键点进行操作。

实施例1

隐形矫治器的自适应加工方法，包括以下操作：

S1、在获得如图2所示的牙膜初始模型后，生成如图3所示的切割曲线和牙膜切割模型,该步骤可由人工完成或者算法自动完成，采用现有技术即可。

S2、由每个牙齿的中间线1和牙长轴3，以及牙颌的牙弓曲线2计算得到牙齿初始的颊舌向牙轴夹角。每个牙齿的中间线1如图4所示，每个牙齿的牙长轴3如图6所示，牙颌的牙弓曲线2如图5所示。

获得颊舌向牙轴夹角的具体实施过程为:对每一个牙齿，取中间线1中1点（记为A），找到牙弓曲线2距离A点距离最近的点(记为B)。通过AB线且垂直于牙弓曲线做一面，记为第一基准面。将牙长轴3往第一基准面投影，如图10所示为消除自交区域后的投影切割曲线7，其于垂直方向的夹角即为该牙齿在该牙位上颊舌向牙轴夹角。记录该角为基准角，且规定颊向为正，舌向为负。

S3、将牙颌面向上平行移动获得第二基准面，将中间线1中点和切割原始切割曲线往牙颌平面平行的第二基准面投影获得投影切割曲线，在投影切割曲线的颊侧5和舌侧4分别取跟各中间线1中点距离最近的点，分别记为各牙位的关键点C,D。由此得到了完整的各牙位的分布情况，含初始颊舌向根转距角，颊侧5和舌侧4的切割线关键点。

S4、设置空间基础切割角为α,将投影切割曲线沿颊舌向向外偏置L*tan(α+β)，其中L为刀具有效长度，获得偏置后切割曲线。

对投影切割曲线向外偏置时，每个点的偏置方向的确定方法为：每一个点都有前后相邻的两个相邻点，以当前点与任意一个相邻点组成一个向量，每个当前点有两个向量，两个向量的角平分线为偏置方向所在的直线，将两个向量进行叉积计算确定角平分线的方向，角平分线的方向为偏置方向。每一个当前点都有前后相邻的两个点，当前点向相邻点形成一个单位向量，每个当前点有两个单位向量，两个单位向量的和实际上就是这个角的角平分线，叉积来决定角平分线的朝向修正，特别是对于三点共线的情况，无法判断内外侧，必须用叉积计算才能知道内外侧，如图8所示。

S5、消除偏置后切割曲线中的自交点，获得无自交的偏置后切割曲线。消除方法为：获得自交区域6中最先相交的点和最后相交的点，舍去中间部分的点；舍去点的对应的偏置外置点由最先相交的点和最后相交的点的中点来代替。

如图9所示，自交区域6舍去，用舍去部分两端的端点的中点来代替中间舍去的点。如原来x轴坐标序列是5,6,4,8,9等一系列点，得到的中点为6，则代替部分的x轴坐标序列为6,6,6,6,6点数相同填充。

S6、记录每个牙齿的关键点，前一个牙齿的关键点和后一个牙齿的关键点之间切割路径通过点数线性插补得出；以位于牙颌平面的切割曲线上的点作为刀具的第一落点，以位于第二基准面的偏置后切割曲线上对应的点作为第二落点，第一落点和第二落点约束刀具的形态倾角。

S7、将刀具轨迹文件（x,y,z,i,j,k）导入后处理，生成基于加工坐标下的点轨迹文件，如AC双转台系统的（X,Y,Z,A,C）。

Claims (7)

1.隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：包括获取牙颌模型，在牙颌模型上真空热塑形成初始牙膜，获得初始牙膜的数字模型，并在数字模型上生成原始 切割曲线；获得每个牙齿的颊舌向牙轴夹角β；以跟牙颌面距离为H的平面作为第二基准面，切割曲线投影到第二基准面上获得投影切割曲线；对于每个牙齿，获得第一基准面与第二基准面在投影切割曲线上的交点，每个交点作为一个关键点；设定空间基础切割角α，将投影切割曲线沿颊舌向向外偏置L*tan（α+β），获得偏置后切割曲线，针对偏置后切割曲线上的每一个点的L的计算方法是：用该点在第二基准面的对应点的Z坐标减去该点在原始切割曲线对应点的Z坐标得到L；

获取第一基准面的方式为：对每一个牙齿获取其中间线，取中间线的中点A，找到牙弓曲线上与该牙齿的A点距离最近的B点，过直线AB并垂直于牙弓曲线做第一基准面；

记录每个牙齿的关键点，前一个牙齿的关键点和后一个牙齿的关键点之间切割路径通过点数线性插补得出；以切割曲线上的点作为刀具的第一落点，以偏置后切割曲线上对应的点作为第二落点，第一落点和第二落点约束刀具的形态倾角。

2.如权利要求1所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：颊舌向牙轴夹角获取方式为：将牙位的牙长轴投影到第一基准面，在第一基准面上过牙长轴投影线做一条颊舌向的直线，牙长轴投影线和颊舌向直线之间的夹角为颊舌向牙轴夹角；第一基准面是过该牙位的中点并垂直于牙弓曲线的平面。

3.如权利要求2所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：将颊向的颊舌向牙轴夹角设为正值，将舌向的颊舌向牙轴夹角设为负值。

4.如权利要求1所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：第二基准面高于所有牙齿的牙冠面。

5.如权利要求1所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：对投影切割曲线向外偏置时，每个点的偏置方向的确定方法为：每一个点都有前后相邻的两个相邻点，以当前点与任意一个相邻点组成一个向量，每个当前点有两个向量，两个向量的角平分线为偏置方向所在的直线，将两个向量进行叉积计算确定角平分线的方向，角平分线的方向为偏置方向。

6.如权利要求1所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：获得偏置后切割曲线后，先消除偏置后切割曲线的自交区域，再对关键点进行操作。

7.如权利要求6所述的隐形矫治器的自适应加工方法，其特征在于：消除偏置后切割曲线的自交区域采用的方式是，获得自交区域中最先相交的点和最后相交的点，舍去中间部分的点；舍去点的对应的偏置外置点由最先相交的点和最后相交的点的中点来代替。

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