CN111643202A - 一种牙齿矫治器的结构优化方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种牙齿矫治器的结构优化方法、装置和系统，所述方法包括：获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。从而解决了现有技术中缺乏涉及厚度数据支持、热压膜成型无法获知矫治器厚度而导致的矫治精度较低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及牙齿矫正器械技术领域，尤其涉及一种牙齿矫治器的结构优化 方法、装置和系统。
背景技术
隐形矫治技术是高分子膜片受力变形产生的矫治力作用于拟移动牙齿上， 以矫正牙齿的技术。现在技术主要是通过热压膜成型技术来制造矫治器，通过 该方法得到的矫治器的厚度无法得知，从而无法精确控制牙齿的矫正，影响牙 齿的矫治效果。同时，目前国内外有关隐形矫治技术的相关力学研究较少，对 不同移动方式下隐形矫治器各处厚度应为多少才能够使牙齿精确移动这一研 究少之又少，无法为设计变厚度隐形矫治器提供数据支持，从而制约着该技术 向精确矫治方向发展。
发明内容
本发明提供一种牙齿矫治器的结构优化方法、装置和系统，以最少部分解 决现有技术中缺乏涉及厚度数据支持、热压膜成型无法获知矫治器厚度而导致 的矫治精度较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种牙齿矫治器的结构优化方法，所 述方法包括：
获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；
在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；
对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器 模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；
根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫 治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。
进一步地，所述对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，具体包括：
选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元分析的定义单元。
进一步地，所述对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，具体包括：
选择自由网格划分方式作为有限元分析的定义网络划分方式。
进一步地，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：
y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
本发明还提供一种牙齿矫治器的结构优化装置，用于实施如上所述的方 法，所述装置包括：
牙颌模型获取单元，用于获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生 成牙颌数字模型；
等厚模型构建单元，用于在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生 成等厚隐形矫治器模型；
有限元分析单元，用于对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得 到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关 系；
3D打印单元，用于根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系， 生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。
进一步地，所述有限元分析单元，具体用于：
选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元分析的定义单元。
进一步地，所述有限元分析单元，具体用于：
选择自由网格划分方式作为有限元分析的定义网络划分方式。
进一步地，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：
y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
本发明还提供一种结构优化系统，所述系统包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储一个或多个程序指令；
所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如上所述的方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中包含一个或多 个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被一种结构优化系统执行如上所述 的方法。
本发明提供的牙齿矫治器的结构优化方法、装置和系统，通过扫描获取口 腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；在所述牙颌数字模 型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；并对所述等厚隐形矫治 器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量 与该处矫治力大小的线性关系；根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线 性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫 治器。这样，该方法通过对等厚矫治器进行有限元分析，确定牙齿的受力位置 及大小，根据得到的矫治力与矫治器厚度之间的数值关系，明确矫治器各处的 厚度，施于拟移动牙齿合适的矫治力，使其达到精确移动的目的，并且不影响 拟不动牙齿的姿态；省去了中间流程，缩短生成成本及制造周期，并提高了制 造精度，确定矫治力与厚度之间的关系，便于设计矫治器的厚度，同时，采用 3D打印加工矫治器，提高了加工精度。从而解决了现有技术中缺乏涉及厚度数 据支持、热压膜成型无法获知矫治器厚度而导致的矫治精度较低的技术问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发 明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中牙齿矫治器的结构优化方法的流程图；
图2为本发明实施例中结构优化方法一种具体实施场景下的流程框图；
图3为本发明实施例中牙齿矫治器的结构优化装置的结构示意图；
图4为本发明实施例中牙齿矫治器的结构优化系统的结构示意图；
图5为本发明实施例中具体场景下的矫治器结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的 优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的牙齿矫治器的结构优化方法，通过口内扫描方法得到牙颌 数字模型，依据逆向软件对其进行分牙、排牙，构建等厚隐形矫治器模型，通 过有限元分析得到矫治器每处增加的厚度与矫治力大小成线性关系，接着设计 变厚度矫治器数字模型，依托3D打印设备进行制作，通过对间接制造工艺路 线进行改进，省去了中间制造工艺，这样缩短了工艺路线，节省成本及周期， 并且可以提前设计矫治器厚度，以确定每处的矫治力，达到了牙齿精确移动的 效果，提高了牙齿矫治精度。
在一种具体实施方式中，如图1所示，本发明提供的牙齿矫治器的结构优 化方法包括以下步骤：
S1：获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；在 实际操作过程中，可通过口腔扫描(例如拍摄口腔内X光片等方式)获取口腔 内的图像信息，该图像信息应至少包括需要矫治的牙齿图像，一般包括整个口 腔内所有牙齿、牙龈的图像，其生成的牙颌数字模型为一种三维模型，其应包 括牙齿模型和牙龈模型。
S2：在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模 型；根据不同的牙颌数字模型，结合使用者的不同需求，有针对性的进行等厚 隐形矫治器模型的构建，使其更加与不同使用者的牙型及口腔结构相适配。也 就是说，具体地，在牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治 器模型；在Geomagic软件中获取牙冠连续曲面，并按照对象进行提取，对得 到的曲面进行光滑处理得到矫治器内表面，通过偏置命令对矫治器内表面按照 法线方向偏置预设厚度，例如0.6mm，再通过填充孔命令将两表面进行合并形 成等厚隐形矫治器模型。
S3：对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫 治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；通过对等厚矫治 器进行有限元分析，确定牙齿的受力位置及大小，根据得到的矫治力与矫治器 厚度之间的数值关系，并结合各不同矫治位置和所需变形量等矫治参数，明确 矫治器各处的厚度，施于拟移动牙齿合适的矫治力，使其达到精确移动的目的， 并且不影响拟不动牙齿的姿态。
例如，具体地，对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析；有限元分析 流程为划分网格-定义边界条件-添加约束与载荷-计算处理模型。将牙齿从顶 向下平均分成三部分，根据实际情况施加约束。具体参数设置可以为：自由网 格划分定义为SmartSize，精度为0.4mm，弹性模量为2.4GPa，密度为 1.38g/cm3，泊松比0.3。
在有限元分析时，具体地，选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元 分析的定义单元，有限元分析的定义单元属性选择具有中间节点的四面体单 元，可以更好地划分出高质量的四面体。选择自由网格划分方式作为有限元分 析的定义网络划分方式，有限元分析的定义网络划分方式为自由网格划分方 式，减少计算机工作时间，提高了效率。
具体地，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
S4：根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系，生成变厚度隐 形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。如图2所示，初 步打印完成的变厚度隐形矫治器还需通过患者试戴，若试戴舒适性不够或不匹 配，则返回步骤S3进行重新优化，直至试戴成功为止；若试戴成功，则提示 该变厚度隐形矫治器匹配成功，可完成变厚度隐形矫治器的生成。
下面结合具体场景，对以上方法进行补充说明：
根据上述具体实施方式，如图5所示，例如某患者牙齿21需要平行向舌 侧移动，首先通过Geomagic软件对牙齿21进行分割提取，偏移命令将提取的 表面偏置0.6mm，再将其合并成等厚隐形矫治器模型。牙齿21移动时需要0.24N 的矫治力，通过有限元分析得到的数值关系得到厚度补偿量应为0.2mm。 Geomagic软件将等厚隐形矫治器唇侧表面通过套索方式选中并偏置0.2mm，最 终生成变厚度隐形矫治器模型。
在一种具体实施方式中，本发明提供的牙齿矫治器的结构优化方法，通过 扫描获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；在所述 牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；并对所述等 厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的 厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；根据各处的厚度补偿量与该处矫治 力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变 厚度隐形矫治器。这样，该方法通过对等厚矫治器进行有限元分析，确定牙齿 的受力位置及大小，根据得到的矫治力与矫治器厚度之间的数值关系，明确矫 治器各处的厚度，施于拟移动牙齿合适的矫治力，使其达到精确移动的目的， 并且不影响拟不动牙齿的姿态；省去了中间流程，缩短生成成本及制造周期， 并提高了制造精度，确定矫治力与厚度之间的关系，便于设计矫治器的厚度， 同时，采用3D打印加工矫治器，提高了加工精度。从而解决了现有技术中缺 乏涉及厚度数据支持、热压膜成型无法获知矫治器厚度而导致的矫治精度较低 的技术问题。
除了上述方法，本发明还提供一种牙齿矫治器的结构优化装置，用于实施 如上所述的方法，如图3所示，在一种具体实施方式中，所述装置包括：
牙颌模型获取单元100，用于获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信 息生成牙颌数字模型；在实际操作过程中，可通过口腔扫描(例如拍摄口腔内 X光片等方式)获取口腔内的图像信息，该图像信息应至少包括需要矫治的牙 齿图像，一般包括整个口腔内所有牙齿、牙龈的图像，其生成的牙颌数字模型 为一种三维模型，其应包括牙齿模型和牙龈模型。
等厚模型构建单元200，用于在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建， 生成等厚隐形矫治器模型；根据不同的牙颌数字模型，结合使用者的不同需求， 有针对性的进行等厚隐形矫治器模型的构建，使其更加与不同使用者的牙型及 口腔结构相适配。
有限元分析单元300，用于对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析， 以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线 性关系；通过对等厚矫治器进行有限元分析，确定牙齿的受力位置及大小，根 据得到的矫治力与矫治器厚度之间的数值关系，并结合各不同矫治位置和所需 变形量等矫治参数，明确矫治器各处的厚度，施于拟移动牙齿合适的矫治力， 使其达到精确移动的目的，并且不影响拟不动牙齿的姿态。
在有限元分析时，具体地，选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元 分析的定义单元，有限元分析的定义单元属性选择具有中间节点的四面体单 元，可以更好地划分出高质量的四面体。选择自由网格划分方式作为有限元分 析的定义网络划分方式，有限元分析的定义网络划分方式为自由网格划分方 式，减少计算机工作时间，提高了效率。
具体地，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
3D打印单元400，用于根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关 系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。 初步打印完成的变厚度隐形矫治器还需通过患者试戴，若试戴舒适性不够或不 匹配，则返回步骤S3进行重新优化，直至试戴成功为止；若试戴成功，则提 示该变厚度隐形矫治器匹配成功，可完成变厚度隐形矫治器的生成。
在上述具体实施方式中，本发明提供的牙齿矫治器的结构优化装置，通过 扫描获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；在所述 牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；并对所述等 厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的 厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；根据各处的厚度补偿量与该处矫治 力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变 厚度隐形矫治器。这样，该方法通过对等厚矫治器进行有限元分析，确定牙齿 的受力位置及大小，根据得到的矫治力与矫治器厚度之间的数值关系，明确矫 治器各处的厚度，施于拟移动牙齿合适的矫治力，使其达到精确移动的目的， 并且不影响拟不动牙齿的姿态；省去了中间流程，缩短生成成本及制造周期， 并提高了制造精度，确定矫治力与厚度之间的关系，便于设计矫治器的厚度， 同时，采用3D打印加工矫治器，提高了加工精度。从而解决了现有技术中缺 乏涉及厚度数据支持、热压膜成型无法获知矫治器厚度而导致的矫治精度较低 的技术问题。
进一步地，本发明还提供一种结构优化系统，如图4所示，所述系统包括： 处理器201和存储器202；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处 理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如上所述的方法。
本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中包含一个或多 个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被一种结构优化系统执行如上所述 的方法。
在本发明实施例中，处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能 力。处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor， 简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific工ntegratedCircuit， 简称ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，简称FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通 用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本 发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或 者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存 储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄 存器等本领域成熟的存储介质中。处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件 完成上述方法的步骤。
存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或 可包括易失性和非易失性存储器两者。
其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)、 可编程只读存储器(ProgrammableROM，简称PROM)、可擦除可编程只读存储 器(ErasablePROM，简称EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，简称EEPROM)或闪存。
易失性存储器可以是随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)， 其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用， 例如静态随机存取存储器(StaticRAM，简称SRAM)、动态随机存取存储器 (DynamicRAM，简称DRAM)、同步动态随机存取存储器(SynchronousDRAM， 简称SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DoubleDataRateSDRAM， 简称DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(EnhancedSDRAM，简称 ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(SynchlinkDRAM，简称SLDRAM)和 直接内存总线随机存取存储器(DirectRambusRAM，简称DRRAM)。
本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类 型的存储器。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描 述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储 在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进 行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括 便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通 用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种牙齿矫治器的结构优化方法，其特征在于，所述方法包括：
获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；
在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；
对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；
根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。
2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，具体包括：
选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元分析的定义单元。
3.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，具体包括：
选择自由网格划分方式作为有限元分析的定义网络划分方式。
4.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：
y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
5.一种牙齿矫治器的结构优化装置，其特征在于，用于实施如权利要求1-4任一项所述的方法，所述装置包括：
牙颌模型获取单元，用于获取口腔内的图像信息，并基于所述图像信息生成牙颌数字模型；
等厚模型构建单元，用于在所述牙颌数字模型的基础上通过位移构建，生成等厚隐形矫治器模型；
有限元分析单元，用于对所述等厚隐形矫治器模型进行有限元分析，以得到所述等厚隐形矫治器模型中各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系；
3D打印单元，用于根据各处的厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系，生成变厚度隐形矫治器，并通过3D打印技术得到所述变厚度隐形矫治器。
6.根据权利要求5所述的结构优化装置，其特征在于，所述有限元分析单元，具体用于：
选择具有中间节点的四面体单元，作为有限元分析的定义单元。
7.根据权利要求5所述的结构优化装置，其特征在于，所述有限元分析单元，具体用于：
选择自由网格划分方式作为有限元分析的定义网络划分方式。
8.根据权利要求5所述的结构优化装置，其特征在于，所述厚度补偿量与该处矫治力大小的线性关系为：
y＝1.2x；
其中，y为矫治力，x为厚度补偿量。
9.一种结构优化系统，其特征在于，所述系统包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储一个或多个程序指令；
所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被一种结构优化系统执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
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