CN111613332A - 基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，包括：通过牙粉逆向进行牙列模型建立，得到三维立体的石膏牙模；将生成的牙模在三维空间进行扫描，去除动静态噪声，生成牙列的三维数字模型；对得到三维牙列模型进行运动模拟，得到咬合运动中位置信息参数；基于扫描重构的牙列三维数字模型，创建三维网格，并基于扫描重构的上下牙列咬合关系；设置计算初始条件和边界条件，设置计算时惩罚函数接触算法，对三维网格模型用数值法进行求解；分析不同部位咬合后应力分布情况，根据应力最小值方法计算出咬合应力指数，从而评估咬合啮合度情况。

Description

基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法
技术领域
本发明属于咬合功能评估领域，特别涉及基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法。
背景技术
目前的牙齿不齐、咬合错乱已经成为普遍现象，不仅影响美观，而且对咀嚼等口颌面颈的功能都有不同程度的影响。目前国际上尚没有一种准确检测咬合接触特征及基于咬合接触而进行的咬合功能评价方法。临床上可以制取咬合石膏模型，但其动静态咬合时的应力分布等功能信息尚无法获得，目前国际通用的咬合度评估方法主要基于经验积累，所采用的咬合评估标准主要是形态学方面的指标，缺乏功能性指标。
发明内容
本发明的目的在于提供基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，包括以下步骤：
S01：提取牙列实体模型：通过分析定义口腔的空间，通过牙粉逆向进行牙列模型建立，通过咬合后得到三维立体的牙模；
S02：生成牙列三维数字模型：将步骤S01生成的三维立体的牙模在三维空间进行扫描，去除动静态噪声，生成牙列的三维数字模型，获取牙列的尺寸和最小间隙；
S03：计算咬合运动参数：对得到牙列三维数字模型进行运动模拟，计算得到牙列咬合运动时上下牙列时的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数；
S04：牙列网格划分：基于扫描重构的牙列三维数字模型，创建三维网格，并基于扫描重构的数字化牙列，生成运动中心轴，生成六自由度的运动模式；
S05：咬合啮合仿真计算：基于步骤S03得到的咬合运动参数与步骤S04生成的牙列三维网格模型，求解有限元分析的基本公式，对三维网格模型进行求解，
S06：咬合啮合应力指数计算：基于S05的分析步骤，分析不同部分咬合后应力分布情况，根据应力最小值方法计算出咬合应力指数，评估咬合啮合度情况。
进一步的，步骤S01具体包括：
通过分析定义口腔的空间，根据不同的测量个体，获得若干基本的口腔尺寸，然后准备适量的印模材料和托盘，分别在上、下牙列放置含有印模材料的托盘，待结固后整体取下，用石膏灌注，提取牙列的石膏模型。
进一步的，步骤S02包括以下步骤：
S21：将步骤S01生成的石膏模型在三维空间进行扫描，将参考图像减去目标图像，去除静态噪声，通过均值滤波去除动态噪声，通过灰度直方图分析，利用阈值进一步去除噪声，通过多尺度的海森矩阵对降噪后的图像的牙列模型进行图像增强；
S22：生成牙列的三维工程模型：将处理后的牙列图像进行三维重建，对牙齿部分进行表面化处理，获得上下牙列的三维工程模型；
S23：在S22中获得的三维工程模型，测量获取牙列的尺寸和整个咬合过程中牙齿间的最小间隙。
进一步的，步骤S03具体包括：对得到三维牙列模型进行运动模拟，进行三维的六自由度运动算例模拟；计算得牙列咬合时的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数。
进一步的，步骤S05中，求解中设置计算的初始条件和边界条件，设置计算时惩罚函数接触算法，用数值法求解有限元控制方程：
Figure BDA0002504698540000021
其中M，C和K分别是系统的质量、阻尼和刚度矩阵，R是外荷载向量。
进一步的，步骤S06中，基于S05的分析步骤，分析不同部分咬合后应力分布情况，通过模拟不同的咬合动作来模拟不同情况下外载荷约束来进行；根据应力最小值方法计算出牙列咬合应力指数，从而评估牙列咬合啮合度情况。
进一步的，步骤S05还包括：对于二维网格模型，用数值法来进行有限元方程的求解，二维模型需要将边界条件和初始条件进行简化；二维模型仿真中，需要用到不同的单元类型，计算结果参照三维数字模型中的应力最小值方法来评估牙齿咬合啮合度情况。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
目前临床上尚无用测量动静态咬合接触力的方法，长期以来一直用咬合纸咬合后牙面着色部位、深浅来推测局部咬合力的大小，缺乏定量指标，且其敏感性、特异性都距临床需求相差很远，属于经验性很强的操作。一些压电设备、压敏材料辅助检测，因在上下牙之间放置了传感器薄膜，使得所获咬合接触信息与实际上下牙直接接触的咬合信息有一定偏差，严重影响判断咬合接触的所需准确性。本专利项目利用激光扫描建模技术，在上下牙之间不放置任何物品，通过有限元仿真分析、计算，即可获得上下牙动静态接触信息。
咬合接触不仅影响口腔美观及咀嚼功能，而且对头面肩颈运动、姿势，对心理应激等功能，都有非常明显的影响。本专利将为牙正畸、正颌、修复、牙体充填、牙周等有关咬合度评估提供支持，提供便利、有效的咬合度评估技术和方法。
附图说明
图1是本发明的方法流程图
图2是本发明的牙列石膏模型。
图3是本发明的牙列三维数字模型。
图4是本发明的咬合运动模拟示意图
图5是本发明的网格结构示意图。
图6是本发明的有限元分析结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图6，本发明的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1、如图2所示的提取牙列模具：通过分析定义口腔的空间，通过牙粉逆向进行牙列模型建立，通过灌注后得到三维立体的牙模
通过分析定义口腔的空间，根据不同的测量个体，准备适量的印模材料和托盘；
分上、下牙列，用托盘装载印模材料，制作牙模时，张开嘴套在牙齿上，等印模材料自然结固，整体取下，用石膏灌注，提取牙列的石膏模型。
2、如图3所示的生成牙列三维数字模型：将生成的牙模在三维空间进行扫描，去除动静态噪声，生成牙列的三维数字模型，获取牙列的尺寸和最小间隙，将分为以下步骤：
步骤1，生成的牙模在三维空间进行扫描，将参考图像减去目标图像，去除静态噪声，通过均值滤波去除动态噪声，通过灰度直方图分析，利用阈值进一步去除噪声，通过多尺度的海森矩阵对降噪后的图像的牙列模型进行图像增强；
步骤2，将处理后的牙列图像进行三维重建，对牙齿部分进行表面化处理；获得上下牙列的三维工程模型；
步骤3，获得的三维工程模型，测量可以获取牙列的尺寸和整个咬合过程中牙齿间的最小间隙。
3、如图4所示的计算咬合运动参数：对得到三维牙列模型进行运动模拟，计算得牙列咬合时的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数，具体步骤如下：
步骤1，对得到三维牙列模型进行运动模拟，进行三维的六自由度运动算例模拟；
步骤2，计算得牙列咬合时的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数；
4、如图5所示的牙列网格划分：基于扫描重构的牙列三维数字模型，创建三维网格，并基于扫描重构的牙列，生成运动中心轴，生成六自由度的运动模，具体步骤如下：
步骤1，基于扫描重构的牙列三维数字模型，创建三维网格；
步骤2，并基于扫描重构的牙列，生成运动中心轴，生成六自由度的运动模式；
5、如图6所示的咬合啮合度仿真计算：基于咬合运动参数与步骤生成的三维网格模型，求解有限元分析的基本公式，对三维网格模型进行求解，设置计算的初始条件和边界条件，设置计算时惩罚函数接触算法，用数值法求解有限元控制方程：
Figure BDA0002504698540000051
其中M，C和K分别是系统的质量、阻尼和刚度矩阵，R是外荷载向量。具体步骤如下：
步骤1，基于得到的咬合运动参数与步骤三维网格模型，求解有限元分析的基本公式，对三维网格模型进行求解；
步骤2，设置计算的初始条件和边界条件，设置计算时惩罚函数接触算法，用数值法求解有限元控制方程；
对于啮合度仿真计算，还应包括以下二维模型的相关方法：
对于二维网格模型，用数值法来进行有限元方程的求解，二维模型需要将边界条件和初始条件进行简化；
二维模型仿真中，需要用到不同的单元类型，计算结果参照三维数字模型中的应力最小值方法来评估牙齿咬合啮合度情况。
6、咬合啮合应力指数计算：基于仿真运算结果分析不同部分咬合后应力分布情况，根据应力最小值方法计算出牙列咬合应力指数，从而评估牙列咬合啮合度情况，具体步骤如下
步骤1，基于分析结果，分析不同部分咬合后应力分布情况，通过模拟不同的咬合动作来模拟不同情况下外载荷约束来进行；
步骤2，根据应力最小值方法计算出牙列咬合应力指数，从而评估牙列咬合啮合度情况。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。

Claims (7)

1.基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：提取牙列实体模型：通过分析定义口腔的空间，通过牙粉逆向进行牙列模型建立，通过灌注后得到三维立体的石膏牙模；
S02：生成牙列三维数字模型：将步骤S01生成的三维立体的石膏牙模在三维空间进行扫描，去除动静态噪声，生成牙列的三维数字模型，获取牙列的尺寸和最小间隙；
S03：计算咬合运动参数：对得到牙列三维数字模型进行运动模拟，计算得到牙列咬合运动时上下牙列的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数；
S04：牙列网格划分：基于扫描重构的牙列三维数字模型，创建三维网格，并基于扫描重构的数字化牙列，生成运动中心轴，生成六自由度的运动模式；
S05：咬合啮合仿真计算：基于步骤S03得到的咬合运动参数与步骤S04生成的牙列三维网格模型，求解有限元分析的基本公式，对三维网格模型进行求解；
S06：咬合啮合应力指数计算：基于S05的分析步骤，分析不同部分咬合后应力分布情况，根据应力最小值方法计算出咬合应力指数，评估咬合啮合度情况。
2.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S01具体包括：
通过分析定义口腔的空间，根据不同的测量个体和基本的口腔尺寸，准备适量的印模材料和托盘，分别将上、下包含调制好的印模材料的托盘，放入口内上、下牙列上，等印模材料自然结固后整体取下，用石膏灌注，提取牙列的石膏模型。
3.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S02包括以下步骤：
S21：将步骤S01生成的石膏模型在三维空间进行扫描，将参考图像减去目标图像，去除静态噪声，通过均值滤波去除动态噪声，通过灰度直方图分析，利用阈值进一步去除噪声，通过多尺度的海森矩阵对降噪后的图像的牙列模型进行图像增强；
S22：生成牙列的三维工程模型：将处理后的牙列图像进行三维重建，对牙齿部分进行表面化处理，获得上下牙列的三维工程模型；
S23：在S22中获得的三维工程模型，测量获取牙列的尺寸和整个咬合过程中牙齿间的最小间隙。
4.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S03具体包括：对得到三维牙列模型进行运动模拟，进行三维的六自由度运动算例模拟；计算得牙列咬合时的最小位移，进一步得到咬合运动中位置信息参数。
5.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S05中，求解中设置计算的初始条件和边界条件，设置计算时惩罚函数接触算法，用数值法求解有限元控制方程：
Figure FDA0002504698530000021
其中M，C和K分别是系统的质量、阻尼和刚度矩阵，R是外荷载向量。
6.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S06中，基于S05的分析步骤，分析不同部分咬合后应力分布情况，通过模拟不同的咬合动作来模拟不同情况下外载荷约束来进行；根据应力最小值方法计算出牙列咬合应力指数，从而评估牙列咬合啮合度情况。
7.根据权利要求1所述的基于扫描图像和有限元模型咬合啮合度评估方法，其特征在于，步骤S05还包括：对于二维网格模型，用数值法来进行有限元方程的求解，二维模型需要将边界条件和初始条件进行简化；二维模型仿真中，需要用到不同的单元类型，计算结果参照三维数字模型中的应力最小值方法来评估牙齿咬合啮合度情况。
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