CN111681311B - 通过计算机辅助的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过计算机辅助设计的稳定正颌术后颌骨位置的方法，其包括建立标准化下颌生物力学模型、建立个性化下颌骨生物力学模型、模拟下颌骨移动、下颌骨移动后受力情况分析、对抗分析及矫治器设计以及制作并佩戴具有限位、嵌合装置的矫治器等步骤，该方法通过模拟合理预测患者术后可能发生的咬合偏差，有的放矢进行力学纠正，引导下颌骨尽快达到新的动、静态的稳定；其通过设计、预制引导装置保证患者术后尽早开始功能训练，避免治疗偏差。

Description

通过计算机辅助的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种通过计算机辅助的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法。

背景技术

下颌骨通过双侧颞下颌关节结构连接于颅骨，靠肌肉、韧带等结构维持稳定的位置，又通过关节的运动实现咀嚼功能。正颌外科手术是纠正骨性牙颌面畸形的根本手段，术中瞬间改变下颌骨的位置和形态，附着于骨骼上的肌肉被部分剥离、牵拉、变形，原有平衡被打破，引起术后下颌骨位置不稳定，咬合关系紊乱。术后通过肌肉改建和咬合训练才能达到新的平衡。在此过程中，可能出现咬合紊乱、多重咬合等不稳定状态。因此术后通过牵引、训练等手段帮助肌肉重新达到平衡，对于早期恢复和远期稳定性具有重要意义。

传统治疗流程中，下颌骨的位置以牙齿咬合为参照标准；通过专用皮筋在上、下牙齿之间弹性牵引促使咬合关系迅速达到术前设计状态，并维持该状态制动2-4周，使肌肉重新附着。该方法存在以下诸多缺点，如，1.患者在颌间牵引期间下颌骨无法正常运动，不利于早期功能恢复；2.简单粗暴地建立静态平衡并不能获得动态平衡的预期效果，解除皮筋牵引后，下颌骨位置依然不能达到稳态。3.牙齿为被动固定，推迟了术后正畸开始的时间，延误疗程；4.患者在此期间无法正常进食、说话，不利于生理、心理的恢复。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过计算机辅助的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法。其是通过计算机辅助设计建立包含颌骨、肌肉等信息的生物力学模型，术前预测下颌骨形态、位置变化引起的肌肉应力改变，以此为依据设计稳定下颌骨的方案及装置，并将装置于术前安装在患者口内，或与术后牙齿矫正装置融为一体，引导下颌骨达到动、静态的稳定，保证患者术后尽早开始功能训练，避免治疗延误。为此，本发明采用的一个技术方案为包括以下步骤：

1)建立标准化下颌生物力学模型：基于动态MRI数据建立正常下颌骨和肌肉附着的生物力学模型；

2)建立个性化下颌骨生物力学模型：获取面部软组织、颅骨和牙列的三维数据，进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的全息头颅数据；将前一步骤中所述标准化下颌生物力学模型映射在所述头颅数据上；

3)模拟下颌骨移动：按照咬合关系大致正常、侧貌协调、两侧对称的原则移动下颌骨；

4)下颌骨移动后受力情况分析：按照步骤3)的颌骨移动情况模拟肌肉变动，分析肌肉变动后下颌骨受力情况和移位趋势；

5)对抗分析及矫治器设计：根据步骤4)的分析结果，设计对抗颌骨不稳定因素的力量及实施方法；

6)制作并佩戴具有限位、嵌合装置的矫治器：根据步骤5)的结果，将存储于可视化平台的限位装置和嵌合装置适应性加载于牙列表面，设计针对不同病例的个体化下颌骨稳定装置，前述个性化下颌骨稳定装置与牙齿矫治器相适应或融为一体。

本发明的优点在于：该方法解决了术后咬合关系偏差的不可预测性，通过数字化模拟，根据手术方案分析术后肌肉分布及生物力学特点，协助医生合理制定手术方案，预测患者术后可能发生的咬合偏差；有的放矢进行力学纠正，引导下颌骨尽快达到新的动、静态的稳定。通过设计、预制引导装置(即下文中出现的下颌骨稳定装置)保证患者术后尽早开始功能训练，避免治疗延误。建立功能状态下引导口颌系统平衡的治疗模式。具体的：

1.本方法在术前进行三维数字分析，解决了传统正畸正颌治疗对术后咬合和颌骨位置变化无法预测的问题。

2.通过数学建模，从对抗不平衡肌肉力量的角度，根本上解决了术后颌骨和咬合位置不稳定的问题，避免以损失下颌功能运动为代价的强行颌间牵引的做法。

3.本发明实现了从术前设计到术后效果实现的细节处理，第一次实现了个体化术后颌骨位置偏差可预测。避免了医生术后“随机应变”、“就地取材”的尴尬处境和对经验的依赖，也避免了患者咬合无法达到预期时产生的心理恐慌。

4.本发明通过动态诱导，患者术后早期(72小时以内)就可以进食、说话，大大提高了术后恢复期生活质量。

附图说明

图1为本发明公开的方法的流程示意图；

图2a、2b分别是下颌骨位置移动前在垂直、前后方向上的受力分析图；

图3a、3b分别是下颌骨位置移动后在垂直、前后方向上的力学分析图；

图4对抗下颌骨移位所需牵引力分析；

图5为牵引装置设计示意图。

具体实施方式

图1是本发明提供的计算机辅助设计的稳定正颌术后下颌骨位置方法的流程示意图。所述方法包括以下步骤：

S100建立标准化下颌生物力学模型：基于对正常人MRI(磁共振成像)数据分析建模，建立正常下颌骨和肌肉附着的生物力学模型。

详细的，基于大样本(》100个正常人)动态MRI数据中通过肌肉组织边界提取、三维容积重建、容积变形等图像处理技术建立肌肉(在本发明的一个实施例中，这里的肌肉是指咀嚼肌)的形态、力学模型。前述肌肉的形态、力学模型中包括肌肉起止点、三维形态和平均容积、弹性模量等信息；此外，位于骨骼上的肌肉起止点应设置为“与骨骼关联的”可调整状态，如此，完成正常下颌骨和肌肉附着的生物力学模型的建立。

S200建立个性化下颌生物力学模型：获取面部软组织、颅骨和牙列的三维数据，优选的，颅骨三维数据可通过颅骨CBCT数据(锥形束CT数据)获得，牙列三维数据可通过石膏模型或口内扫描获得，随后，进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的全息头颅数据；将步骤S100的标准化下颌生物力学模型映射在全息头颅数据上，得到包含骨骼、肌肉形态和受力情况分析(也即颌骨移动前的受力情况分析)的个性化下颌骨生物力学模型，如图2a、2b中所示。

图2a、2b中，F1为颞肌和二腹肌后腹在垂直方向产生的力，S1是F1到颞下颌关节的力臂；F2是咬肌和翼内肌在垂直方向产生的力，S2是F2到颞下颌关节的力臂；F3是下颌舌骨肌、颏舌骨肌、舌骨舌肌和二腹肌前腹在垂直方向产生的力，S3是F3到颞下颌关节的力臂；类似的，图2b中的P1为翼外肌在前后方向产生的力；P2为咬肌和翼内肌在前后方向产生的力；P3为下颌舌骨肌、颏舌骨肌、舌骨舌肌和二腹肌前腹在前后方向产生的力，图2b中的S1、S2、S3即为P1、P2、P3对应的力臂。人的咀嚼功能得以实现，则各肌肉在垂直(即图中竖直)方向、前后(即图中左右)方向相对于颞下颌关节产生的力矩能够达到平衡，即满足图中所示公式。

进一步的，步骤S200中的数据处理是指：通过牙列的石膏模型/口内扫描数据获得牙冠数据，通过颅骨CBCT数据获得牙根及颌骨数据，将牙冠数据与牙根、颌骨数据进行坐标系匹配和矩阵变换，对每个牙冠与相应牙根进行数据融合，生成stl数据，并减去冗余数据，得到包含面部骨骼、牙齿、牙根的全息三维虚拟头颅数据。

此外，步骤S200中“映射”是指将标准的模型中规定的肌肉起止点通过人、机交互定义在每个患者真实的骨骼结构上。

S300模拟下颌骨移动：正畸和正颌医生共同确定咬合关系、设计治疗方案。按照咬合关系大致正常或满足正畸医生要求，术后骨骼轮廓侧貌协调、两侧对称的原则移动下颌骨。

优选的，正颌、正畸医生通过可视化平台，在全息头颅数据上模拟下颌骨的移动，以术后至少3点稳定咬合为原则，确定手术后咬合关系。

详细的，软件自动建立上下颌牙齿相应标记点的矢量箭头，全口牙列矢量和与坐标系的前后方向坐标轴重合；全口牙列碰撞接触点不少于3个，且尽量双侧对称分布。

S400下颌骨移动后受力情况分析：按照步骤S300的颌骨移动情况模拟肌肉变动(术中或术后肌肉会发生的剥离、重新附着、牵拉、变形等情况)，分析颌骨移动、肌肉变动后下颌骨受力情况和移位趋势(即可相应预测可能的咬合偏差)。

具体的，手术后下颌骨的形态位置发生改变，肌肉的起止点发生变化，肌腹变形，产生肌肉张力，根据形态改变的距离和弹性模量参数可以计算形变带来的肌肉张力具体变动数值，进而得到新的下颌骨肌肉的力学分析三维图示。

图3a、3b中示出的分别是下颌骨位置移动(图3a、3b中给出的是下颌前徙的一种情形)后，垂直(竖直)、前后(头颅的前后方向，图中的左右方向)方向上的力学分析图。

如图3a中所示，当下颌前徙后，在竖直方向：S3变大，F3变大(因为相应肌肉被拉伸)，两者乘积(力矩)变大，原来的平衡被打破，由图2a中的公式可知，此时下颌骨在力的作用下有向下(图3a中顺时针方向)旋转的运动趋势，为了平衡这一运动趋势，则需要增加一个对抗力F’3，且该力与其力臂S’3所产生的力矩应能够平衡掉由于S3变大，F3变大所产生的运动趋势。

类似的，如图3b中所示，当下颌前徙后，在前后(即图中的左右)方向：S3不变或略变小，P3变大，两者乘积变大，原来平衡被打破，由图2b中公式可知，下颌骨有向后(图中的向左)旋转的趋势，为了继续保持平衡，则需要加载一个使下颌骨有向前(图中向右)旋转趋势的力，图中以对抗力P‘3表示，该力及其力臂S’3的乘积应能够平衡掉因S3、P3乘积变大所带来的不稳定趋势。

S500对抗分析及矫治器设计：根据步骤S400的分析结果，设计对抗颌骨不稳定因素的力量和实施方法。

如图4所示，根据步骤S400中得到的力学分析结果，设计对抗下颌骨移位的力学稳定方案，包括外置力量的方向、大小和起止点(如，牵拉皮筋的锚点位置)，并表达在牙列之间。

S600制作并佩戴具有限位、嵌合装置的矫治器：根据步骤S500的结果，将存储于可视化平台的限位装置和嵌合装置适应性加载于牙列表面，得到针对不同病例的个体化下颌骨稳定装置(即辅助引导装置)，前述下颌骨稳定装置与牙齿矫治器相适应或融为一体。

具体的，根据步骤S500力学稳定方案，在设计界面选择设计系统中已有的标准限位装置和嵌合装置，安置于合适的位置，然后根据牙齿结构大小进行适配调整，得到针对不同病例的个体化下颌骨稳定装置。

其中，限位装置与牙齿或牙齿矫治器连接，限位装置和嵌合装置可通过3D打印技术单独制作或者与牙齿矫治器融合在一起制作。如，根据步骤S500中的设计需求，选择不同形态限位器(限位装置)，调整大小与牙冠相适应，以布尔运算叠加于牙冠表面或相邻牙齿之间，得到牙列与限位器融合一体的数字化模型，进行3D打印牙列印膜，以牙科膜片制作多副隐形牙套，如图5(右图)。

其中，需安装于牙面的限位器，由医生于术前安装，如图5(左图)所示。

用于诱导术后咬合关系到达指定状态的需要安装于牙齿表面的嵌合装置，由正畸医生于术前安装，防止术后早期患者面部肿胀无法张口而错失良机。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.通过计算机辅助的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法，其特征在于，用于功能状态下引导口颌系统平衡，包括：

S100：建立标准化下颌生物力学模型：基于动态MRI数据建立正常下颌骨和肌肉附着的生物力学模型；

S200：建立个性化下颌骨生物力学模型：获取面部软组织、颅骨和牙列的三维数据，进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的全息头颅数据；将步骤S100中所述标准化下颌生物力学模型映射在所述头颅数据上；

S300：模拟下颌骨移动：按照咬合关系大致正常、侧貌协调、两侧对称的原则离断并移动下颌骨；

S400：下颌骨移动后受力情况分析：按照步骤S300的颌骨移动情况模拟肌肉变动，分析肌肉变动后下颌骨受力情况和移位趋势；

S500：对抗分析及矫治器设计：根据步骤S400的分析结果，运算得到使所述下颌骨平衡所需的外力，设计实施方法；

S600：制作并佩戴具有限位、嵌合装置的矫治器：根据步骤S500的结果，将存储于可视化平台的限位装置和嵌合装置适应性加载于上牙列表面和下牙列表面之间，设计针对不同病例的个体化下颌骨稳定装置，前述个性化下颌骨稳定装置与牙齿矫治器相适应或融为一体。

2.根据权利要求1所述的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法，其特征在于，步骤S200中的所述数据处理是指：通过牙列的石膏模型或口内扫描数据获得牙冠数据，通过颅骨CBCT数据获得牙根及颌骨数据，将牙冠数据与牙根、颌骨数据进行坐标系匹配和矩阵变换，对每个牙冠与相应牙根进行数据融合，生成stl数据，并减去冗余数据，得到包含面部骨骼、牙齿、牙根的全息头颅数据。

3.根据权利要求1所述的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法，其特征在于，步骤S200中的所述映射是指将标准化下颌生物力学模型中规定的肌肉起止点通过人、机交互定义在每个患者真实的骨骼结构上。

4.根据权利要求1所述的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法，其特征在于，所述步骤S600中下颌骨稳定装置与牙齿矫治器的设计融为一体，通过3D打印技术加工生产。

5.根据权利要求1所述的稳定正颌手术术后颌骨位置的方法，其特征在于，需安装于牙面的所述限位装置和嵌合装置，由医生于术前安装。