CN111728720A - 决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，首先获取三维全息头颅数据，然后在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，基于虚拟术前正畸后的排牙，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系；在建立了上下颌骨正确位置关系的虚拟上下颌复合体上，预演原始牙列的上下牙齿咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态进行筛选，获得达到手术时机的最早的上下牙列稳定中间咬合状态。本发明通过计算机全程数字化虚拟设计，规避了传统正畸正颌联合方案治疗过分依赖医生经验的不可预测性，对正畸正颌联合治疗具有重要的指导意义。

Description

决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助设计技术领域，特别是涉及决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法。
背景技术
正畸正颌联合治疗是矫正骨性牙颌面畸形的重要医学手段，需要正畸医生和正颌外科医生共同治疗完成。传统的正畸正颌联合治疗的过程为：在制定联合治疗方案后，正畸医生先进行术前正畸治疗，使骨畸形得以充分展现，然后正颌医生设计、实施手术，手术即刻达到大致正常的咬合关系，但个别牙齿的咬合欠佳，需要通过术后正畸治疗继续完善。上、下颌骨之间的相对位置关系是正颌外科医生塑造面形的基础，也是正畸医生重塑咬合关系的基础，是两个科室医生进行治疗交接的重要技术环节，也是影响治疗效果的关键节点。该环节传统治疗模式为：正畸医生在术前正畸治疗时“且行且观”，不断采集患者咬合模型进行手动拼对，直至认为上下颌牙齿都能够达到稳定咬合关系，转诊至正颌外科医生实施手术。该方法存在 3个弊病：1.正畸医生的术前正畸缺乏明确目标，治疗效率较低，通常需要2-3年的时间，甚至更久；2.术前正畸的速度、质量高度依赖正畸医生的经验，无法标准化，严重限制了医疗技术的推广应用；3.在漫长的术前正畸过程中，患者的咬合关系日益恶化，面形每况愈下，“要想美、先变鬼”成为很多患者不能接受该治疗的原因。
发明内容
本发明根据现有技术存在的缺陷，提供一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，以“尽早实施手术，缩短整体治疗流程”为前提的，填补正畸、正颌医生的信息断层，制定客观、统一的评价标准，协助医生在信息对称的情况下共同决策手术时机、设计正畸、正颌一体化治疗计划；通过有效的信息载体确保实际治疗过程精确实施。
本发明的技术方案是：
1.一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，首先获取三维全息头颅数据，然后在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，基于虚拟术前正畸后的排牙，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系；在建立了上下颌骨正确位置关系的虚拟上下颌复合体上，预演原始牙列的上下牙齿咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态进行筛选，获得达到手术时机的最早的上下牙列稳定中间咬合状态。
2.所述方法包括以下步骤：
1)获取三维数据，包括三维面部软组织数据、颅骨CBCT数据和牙列的石膏模型/口内扫描数据；并进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的全息头颅数据；
2)在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，分别对上、下牙列进行正畸排牙，解除由于上下颌骨位置异常造成的继发性牙轴倾斜；
3)在虚拟术前正畸的基础上，以“牙齿正常的咬合关系”为引导，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系，得到虚拟上下颌复合体；
4)将虚拟上下颌复合体中虚拟正畸后牙列替换为原始牙列，然后在虚拟上下颌复合体上预演原始牙列的上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，并由计算机自动将变化过程分为若干步骤；
5)根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态，由正颌外科医生、正畸医生通过可视化平台进行筛选，获得最早的上下牙列稳定中间咬合状态；
6)将双方共同认定的最早的上下牙列稳定咬合状态确定为手术时机。
3.所述步骤1)中，所述数据处理是指：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。
4.所述步骤2)中，进行正畸排牙的步骤包括：在牙槽骨内移动牙齿，设定旋转中心，进行平动、转动，最终达到牙齿排列整齐，牙列平整，位于牙槽骨中间位置。
5.所述步骤3)中，锁定的上下颌骨及牙列的正确位置关系是：上、下牙列覆
Figure RE-GDA0002641314300000021
覆盖正常，上尖牙咬合于下尖牙和下第一前磨牙之间，上齿槽座点A、下齿槽座点B与鼻根点N之间的夹角为2～4度，骨骼结构双侧对称。
6.所述步骤4)中，原始牙列替换以虚拟正畸排牙前设定好的布尔几何基准点为依据，保证牙列坐标系与颌骨坐标系之间的矩阵关系保持不变。
7.所述步骤4)中，在预演原始牙列上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程中，计算机自动将变化过程分为数十个步骤，将虚拟术前正畸过程按照每步牙齿的移动量进行分步，确保牙根全程位于牙槽骨内。
8.所述步骤5)中，计算机自动检测得到的上下牙列达到的稳定中间咬合状态是指：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，且碰撞接触点尽量双侧对称分布。
9.所述步骤5)中，如果医生发现计算机检测到的最早咬合稳定状态，还可以通过少量牙齿移动，更早达到稳定，则回到步骤4)对分步进行调整，尽早获得稳定咬合状态，从而获得尽早的手术时机。
10.包括根据步骤5)确定的手术时机设计和制作手术中引导就位的咬合导板，以及根据步骤4)的预演分部过程，生产全程牙齿移动所需要的隐形矫治器或打印牙列模型，用于指导固定矫治术前精准正畸。
本发明的技术效果：
本发明提供了一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，以“尽早实施手术，缩短整体治疗流程”为前提的，通过计算机全程数字化虚拟设计，规避了传统正畸正颌联合方案治疗过分依赖医生经验的不可预测性，填补正畸、正颌医生的信息断层，辅助医生在信息对称的情况下共同决策手术时机，设计正畸、正颌一体化治疗方案，对正畸正颌联合治疗具有重要的指导意义。
相比现有技术的效果和优势：
1.本发明能够筛选最早的手术时间，避免了术前正畸时面性、咬合日益恶化的情况；同时由于生物刺激效应，术后正畸速度较术前明显加快，因此早期手术能够明显缩短总体疗程。打破了手术优先模式的壁垒，在提高疗效的同时缩短疗程，避免了术前正畸时面形、咬合功能恶化，提高了患者治疗的满意度和体验感。
2.依靠三维数字化设计作为载体解决了传统正畸正颌联合治疗过程中，学科割裂、治疗脱节，沟通不畅的难题，真正实现了学科联合，学科交叉，提升了该疾病治疗的整体水平以及疑难病例的治疗效果。
3.本发明解决了正畸正颌联合治疗中最重要也是最难确定的“手术时机”问题，使更多正颌和正畸医生的治疗能够无缝衔接，降低了技术门槛，打破了医疗资源壁垒，推动了两个学科的发展，同时也给更多患者带来了福音。
附图说明
图1是本发明的一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法的流程图。
图2a是获取的三维面相图。
图2b是获取的头颅CBCT图。
图2c是获取的牙列模型图。
图2d是数据处理后得到的三维全息头颅图。
图3a是虚拟正畸前原始牙列影像图。
图3b是虚拟正畸后牙列影像图。
图4a是虚拟正畸后颌骨位置异常状态影像图。
图4b是虚拟截骨后颌骨及牙列的正确位置关系影像图。
图5a是替换为原始牙列的右侧面影像图。
图5b是替换为原始牙列的正面影像图。
图5c是替换为原始牙列的左侧面影像图。
附图标记如下：1-虚拟上下颌复合体，A-上齿槽座点、B-下齿槽座点，N-鼻根点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，首先获取三维全息头颅数据，然后在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，基于虚拟术前正畸后的排牙，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系；在建立了上下颌骨正确位置关系的虚拟上下颌复合体上，预演原始牙列的上下牙齿咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态进行筛选，获得达到手术时机的最早的上下牙列稳定中间咬合状态。
图1是本发明的一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法的流程图。所述方法包括以下步骤：
1)获取三维数据，包括三维面部软组织数据、颅骨CBCT数据和牙列的石膏模型/口内扫描数据；并进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的三维全息头颅数据；
2)在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，分别对上、下牙列进行正畸排牙，解除由于上下颌骨位置异常造成的继发性牙轴倾斜；
3)在虚拟术前正畸的基础上，以“牙齿正常的咬合关系”为引导，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系，得到虚拟上下颌复合体；
4)将虚拟上下颌复合体中虚拟正畸后牙列替换为原始牙列，然后在虚拟上下颌复合体上预演原始牙列的上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，并由计算机自动将变化过程分为若干步骤；
5)根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态，由正颌外科医生、正畸医生通过可视化平台进行筛选，获得最早的上下牙列稳定中间咬合状态；
6)将双方共同认定的最早的上下牙列稳定咬合状态确定为手术时机。
其中，步骤1)中，所述数据处理是指：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，然后结合面部软组织数据，得到包含面部骨骼、牙齿、牙根的全息三维头颅数据。如图2a、2b、2c、2d所示，分别为获取的三维面相、头颅CBCT、牙列模型图和数据处理后得到的三维全息头颅图。
步骤2)中，进行正畸排牙的步骤包括：在牙槽突内移动每颗牙齿，在牙槽骨内移动牙齿，设定旋转中心，进行平动、转动，最终达到牙齿排列整齐，牙列平整，位于牙槽骨中间位置。如图3a、3b所示，分别为虚拟正畸前原始牙列、虚拟正畸后牙列的影像图。图3a中，正畸前原始牙列排列不齐，其中上前牙突出。图3b中，经过虚拟正畸操作后，每颗牙齿的牙轴较前直立，牙齿排列整齐，牙列平整，无间隙。
步骤3)中，锁定的上下颌骨及牙列的正确位置关系是：上、下牙列覆
Figure RE-GDA0002641314300000051
覆盖正常，上尖牙咬合于下尖牙和下第一前磨牙之间，上齿槽座点A、鼻根点N、下齿槽座点B之间的夹角为2～4度，骨骼结构双侧对称。
如图4a、4b所示，分别为虚拟正畸后颌骨位置异常状态以及虚拟截骨后颌骨及牙列的正确位置关系影像图。图4a中，将步骤1)得到的全息头颅中的牙列进行虚拟正畸后，牙齿排列整齐，但颌骨位置仍是术前异常状态；图4b中，按照实际截骨操作方式在计算机环境下模拟截骨操作，截骨后，上、下颌骨为独立物体；改变上、下颌骨的位置关系，直到上、下牙列达到覆
Figure RE-GDA0002641314300000052
覆盖正常，(即上中切牙切端垂直方向在下中切牙切1/3以内，上前牙切端在下切牙切端前方3mm以内)，上尖牙牙尖位于下尖牙和下颌第一前磨牙之间，上齿槽座点A、下齿槽座点B与鼻根点N之间的夹角(角ANB)为2～4度，骨骼结构双侧对称。此时上下颌骨的位置关系被锁定不再发生改变，得到虚拟上下颌复合体。通过虚拟截骨，暴露颌骨畸形严重程度，计算精确的移动量和移动方向。
步骤4)中，将虚拟上下颌复合体中虚拟正畸后牙列替换为原始牙列时，以虚拟正畸排牙前设定好的布尔几何基准点为依据，保证牙列坐标系与颌骨坐标系之间的矩阵关系保持不变。
如图5a、5b、5c所示，分别为替换为原始牙列的右侧面、正面、左侧面的影像图。替换后由于原始牙列未矫正，虽然颌骨位置正常，但牙齿咬合关系紊乱，存在不稳定的干扰点。在预演原始牙列上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程中，由计算机自动将变化过程分为数十个步骤，将虚拟术前正畸按照每步牙齿的移动量做分步，确保移动过程中牙根全程位于牙槽骨内。
步骤5)中，计算机自动检测得到的上下牙列达到的稳定中间咬合状态是指：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，且碰撞接触点尽量双侧对称分布。检测结果不唯一，且越到后来，稳定状态越密集。
步骤5)中，如果医生发现计算机检测到的最早咬合稳定状态，还可以通过少量牙齿移动，更早达到稳定，则回到步骤4)对分步进行调整，尽早获得稳定咬合状态，从而获得尽早的手术时机。
根据步骤5)确定手术时机后，设计和制作手术中引导就位的咬合导板，以及根据步骤4) 的预演分部过程，生产全程牙齿移动所需要的隐形矫治器或打印牙列模型，用于指导固定矫治术前精准正畸。
设计并制作咬合导板时，以步骤5)中决定的咬合位置，以弧形标准几何体与被确定为手术时机的咬合关系三维模型作布尔减运算，得到具有牙齿咬合印记的导板，使上下牙列分别咬在导板印记时的上下颌骨相对位置关系为步骤5)约定的关系，并进行3D打印。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，首先获取三维全息头颅数据，然后在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，基于虚拟术前正畸后的排牙，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系；在建立了上下颌骨正确位置关系的虚拟上下颌复合体上，预演原始牙列的上下牙齿咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态进行筛选，获得达到手术时机的最早的上下牙列稳定中间咬合状态。
2.根据权利要求1所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)获取三维数据，包括三维面部软组织数据、颅骨CBCT数据和牙列的石膏模型/口内扫描数据；并进行数据处理，获得包含颌骨及每一颗牙齿的全息头颅数据；
2)在带有牙冠、牙根信息的牙槽骨上进行虚拟术前正畸，分别对上、下牙列进行正畸排牙，解除由于上下颌骨位置异常造成的继发性牙轴倾斜；
3)在虚拟术前正畸的基础上，以“牙齿正常的咬合关系”为引导，对上、下颌骨进行虚拟截骨，锁定上下颌骨及牙列的正确位置关系，得到虚拟上下颌复合体；
4)将虚拟上下颌复合体中虚拟正畸后牙列替换为原始牙列，然后在虚拟上下颌复合体上预演原始牙列的上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程，并由计算机自动将变化过程分为若干步骤；
5)根据计算机自动检测得到的一系列稳定咬合状态，由正颌外科医生、正畸医生通过可视化平台进行筛选，获得最早的上下牙列稳定中间咬合状态；
6)将双方共同认定的最早的上下牙列稳定咬合状态确定为手术时机。
3.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述数据处理是指：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。
4.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤2)中，进行正畸排牙的步骤包括：在牙槽骨内移动牙齿，设定旋转中心，进行平动、转动，最终达到牙齿排列整齐，牙列平整，位于牙槽骨中间位置。
5.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤3)中，锁定的上下颌骨及牙列的正确位置关系是：上、下牙列覆
Figure FDA0002408912080000011
覆盖正常，上尖牙咬合于下尖牙和下第一前磨牙之间，上齿槽座点A、下齿槽座点B与鼻根点N之间的夹角为2～4度，骨骼结构双侧对称。
6.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤4)中，原始牙列替换以虚拟正畸排牙前设定好的布尔几何基准点为依据，保证牙列坐标系与颌骨坐标系之间的矩阵关系保持不变。
7.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤4)中，在预演原始牙列上下牙列咬合关系从紊乱状态逐渐过渡到稳定状态的变化过程中，计算机自动将变化过程分为数十个步骤，将虚拟术前正畸过程按照每步牙齿的移动量进行分步，确保牙根全程位于牙槽骨内。
8.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤5)中，计算机自动检测得到的上下牙列达到的稳定中间咬合状态是指：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。
9.根据权利要求2所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，所述步骤5)中，如果医生发现计算机检测到的最早咬合稳定状态，还可以通过少量牙齿移动，更早达到稳定，则回到步骤4)对分步进行调整，尽早获得稳定咬合状态，从而获得尽早的手术时机。
10.根据权利要求2至9之一所述的决策正畸正颌联合治疗手术时机的计算机辅助设计方法，其特征在于，包括根据步骤5)确定的手术时机设计和制作手术中引导就位的咬合导板，以及根据步骤4)的预演分部过程，生产全程牙齿移动所需要的隐形矫治器或打印牙列模型，用于指导固定矫治术前精准正畸。
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