CN112545679A

CN112545679A - 一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法

Info

Publication number: CN112545679A
Application number: CN202011263300.0A
Authority: CN
Inventors: 姜金刚; 梁瑞奇; 郭亚峰; 陈厚鋆; 王磊; 钱伟
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-03-26

Abstract

本发明提供了一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，该方法包括以下步骤：步骤1，利用人体口内CBCT三维数据，建立并优化牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板；步骤2，分别对牙齿、牙髓和牙槽骨的三维重建模型进行逆向工程处理，完成模型的实体化；步骤3，为每颗牙齿生成个性化牙周膜，并且为牙槽骨生成内部三维实体结构，并对所有部件模型进行装配处理；步骤4，对完整的牙颌三维实体模型进行网格划分，建立完整的牙颌网格模型；步骤5，对完整的牙颌网格模型内每一个组件进行单独的材料赋值，完成三维个性化牙颌模型有限元模型的建立。该方法建立的牙颌有限元模型具有极高的几何相似性和力学相似性，且建模速度快，在正畸领域中具有很大应用价值。

Description

一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法

技术领域

本发明专利涉及一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，属于口腔正畸技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，有限元模型建模技术广泛应用在机械工程、电气工程、自动化工程、建筑工程、医学工程等方面。在医学工程领域，错颌畸形是三大口腔疾病之一，影响面部美观，危害人体健康。目前，正畸治疗方法是治疗错颌畸形的最有效手段。现有的正畸治疗中，每个正畸阶段治疗方案的制定，正畸效果的预测等一系列问题主要依赖正畸医师积累的经验。这种仅凭个人经验的治疗方式会导致大量的反复就诊和治疗效果不稳定，降低正畸治疗的效率。正畸医生通过建立每一位患者个性化的牙颌有限元模型，进行正畸过程的仿真并进行数值分析，可以研究分析正畸原理的一般规律，能更加准确高效的制定个性化治疗方案和预测治疗效果，并且便于同患者交流讨论病情和治疗流程，改善医患关系。然而，现在并没有一种针对于口腔正畸的牙颌有限元模型建立方法，这导致牙颌建模效率低，模型的几何相似性和力学相似性同患者的真实牙颌情况存在较大误差，无法真实还原患者牙颌情况，直接影响到有限元仿真的结果精度，造成时间成本和人力成本浪费，治疗效果低下，降低患者满意度等问题。因此，针对以上问题，设计一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，具有很大的实际意义，非常有价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，解决目前口腔正畸技术领域缺少建模精度高，效率高的牙颌建模方法的问题，以便正畸医生制定个性化治疗方案和预测治疗效果，节约时间成本和人工成本，提升患者就诊舒适度。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案为：

一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤1：选取人体口内CBCT三维数据作为建立牙齿、牙髓和牙槽骨有限元模型数据来源，建立牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板，优化牙齿、牙髓和牙槽骨模型蒙板，完成对牙齿、牙髓和牙槽骨模型的三维重建；

步骤2：分别对牙齿、牙髓和牙槽骨的三维重建模型进行逆向工程处理，完成牙齿、牙髓和牙槽骨三维模型的实体化；

步骤3：为每颗牙齿生成个性化牙周膜，并且为牙槽骨生成内部三维实体结构，并对所有牙齿及其牙周膜和牙髓，牙槽骨模型进行装配处理，建立完整的牙颌三维实体模型；

步骤4：对完整的牙颌三维实体模型内每一个组件进行网格划分，建立完整的牙颌网格模型；

步骤5：对完整的牙颌网格模型内每一个组件进行单独的材料赋值，完成牙颌有限元模型的建立。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤1中所述的建立牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板包括定义截面方位，绘制轮廓线，根据牙齿、牙髓和牙槽骨阈值差异，读取边界，分离出牙齿、牙髓和牙槽骨的边界轮廓，分别建立牙齿、牙髓和牙槽骨对应的模型蒙板。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤1中所述的优化牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板包括区域增长和编辑蒙板，修正蒙板表面的缺陷。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤2中所述的对牙齿、牙髓和牙槽骨的三维重建模型进行逆向工程处理包括表面精细化处理和曲面化处理，所述的表面精细化处理包括细化、松弛、删除钉状物，所述的曲面化处理包括精确曲面、栅格划分，拟合曲面与合并曲面。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤3中所述的生成牙齿个性化牙周膜是根据患者年龄以及口内牙周膜所处的功能状态，设定牙周膜的厚度及高度，步骤3中所述的牙槽骨内部结构包括皮质骨和松质骨。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤4中所述的对完整的牙颌三维实体模型进行网格划分包含根据仿真精度要求和经济性原则来定义包括网格的大小和形状在内的网格单元属性，准确拟合牙颌模型的三维实体。

在本发明提供的用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，还具有这样的特征：步骤5中所述的对完整的牙颌网格模型内每一个组件进行单独的材料赋值是指根据经验公式以及患者的口腔条件分别完成对牙齿模型材料赋值、牙周膜材料赋值、牙槽骨皮质骨材料赋值以及牙槽骨松质骨材料赋值，实现正畸患者个性化牙颌的精确仿真。

本发明的有益效果为：

本发明在为患者建立个性化牙颌模型的过程中，未对口腔组织造成破坏，为非破坏性建模，建模过程中可以灵活改变模型参数，具有良好的模型严格对照性及模型转换便捷性，并且建模过程可重复。

本发明在建立牙颌有限元模型的过程中，综合考虑牙周膜以及牙槽骨骨质的影响，并且在重建的过程中根据患者的个性化牙颌条件将其一起重建，根据牙颌模型不同的生理结构为其赋予不同的材料属性，进一步真实还原患者的牙颌环境。

本发明在对牙齿模型进行建立的过程中，先单独建立出单个标准牙齿模型，分别装配在牙槽骨模型上的形成牙列，保证了牙颌模型内各牙齿的独立性，此外在建立牙齿模型时没有区分牙釉质、牙本质，在满足正畸分析误差要求的同时，降低了计算的复杂性，提高建模速度。

本发明为模型划分网格时，可以根据建模精度要求以及牙颌组织结构特点自由选择设置单元属性，进而将牙颌模型精细离散化，灵活的设置约束方式以获得准确的正畸力学数据，为临床上牙齿正畸设计提供理论指导依据。

本发明在选取初始的三维数据资源时，将数据来源设定为患者的CBCT口扫数据，由于其在口腔检查中的普遍性，大大增加了该建模方式的普遍适用性，并且CBCT二维图像成像清晰，便于计算机处理，保证了模型的准确性。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法的流程图；

图2为牙齿蒙版示意图；

图3为牙髓蒙版示意图；

图4为牙槽骨蒙版示意图；

图5为逆向工程处理后实体化牙齿示意图；

图6为逆向工程处理后实体化牙髓示意图；

图7为逆向工程处理后实体化牙槽骨示意图；

图8为建立牙周膜示意图；

图9为建立皮质骨示意图；

图10为建立松质骨示意图；

图11为牙颌模型组装体示意图；

图12为牙颌模型网格划分示意图；

图13为牙颌模型网格材料赋值示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面将结合具体实施例及附图进行说明。

本实施例为便于说明，选用一名患有深覆盖错颌畸形患者部分上牙颌为建模区域。

如图1所示，利用CBCT扫描仪对患者口内进行扫描，得到的格式为DICOM的CBCT图像，导入minmics21.0软件中，依次执行“截面定义”、“坐标定位”、“绘制轮廓线”、“阈值设定”操作，分离出牙齿、牙髓、牙槽骨的边界轮廓，分别建立牙齿及其牙髓，牙槽骨的对应模型蒙版，对模型蒙版进行“区域生长”和“手动编辑”以消除蒙版毛刺，填补蒙版缺陷，再使用“3D计算”功能将预生成出的牙齿、牙髓、牙槽骨模型蒙版保存为STL格式的三维点云模型，如图2、图3、图4所示。

将预处理获得的STL格式的牙齿、牙髓、牙槽骨模型分别导入到逆向工程软件Geomagic studio中，将标准单位设置为毫米。利用“细化”、“松弛”、“删除钉状物”操作指令对模型进行精细化处理，使得模型表面光滑平顺，接着进入精确曲面模块，提取表面精修后的模型轮廓线，构造曲面片，检查曲面片的质量不存在错误后，构造栅格并为其拟合NURBS曲面，完成了对牙齿、牙髓、牙槽骨三维模型的逆向处理，实现模型实体化，并且将得到的牙齿、牙髓、牙槽骨实体化模型以IGS格式保存，如图5、图6、图7所示。

将建立的牙齿、牙髓、牙槽骨实体化模型导入Solidworks中，利用三维重建，将牙根表面作为牙周膜组织的内表面，从釉牙骨质界下1mm处向外加厚0.2mm作为牙周膜实体的外表面，牙槽骨皮质骨部分向内侧加厚1mm作为外层皮质骨实体模型，抽取内部组织作为松质骨实体模型，提取牙槽骨三维重构模型的外缘点，生成曲线，并作为牙列的基准线建立牙齿、牙髓、牙周膜、皮质骨、松质骨模型部件装配关系，调入每颗牙齿及其牙周组织进行移动、旋转操作使其到固定位置，组成完整的牙颌模型，并且将牙颌模型保存为IGS格式，如图8、图9、图10、图11所示。

导入IGS格式的牙颌模型到ABAQUS中，对模型进行网格划分，将模型牙列上的每个牙齿及对应牙髓和牙周膜，皮质骨，松质骨分别建立为部件，并且基于部件表面生成二维网格，根据建模精度要求，将网格近似全局尺寸设置为2.0，单元类型选择四面体单元，如图12所示。

进入ABAQUS属性模块，为牙颌模型的牙齿、牙周膜、牙髓、皮质骨、松质骨，分别进行材料赋值，其中牙齿的材料参数确定为：弹性模型为2.00*10⁴Mpa，泊松比为0.30；牙周膜的材料参数确定为：弹性模型为69Mpa，泊松比为0.45；牙髓的材料参数确定为：弹性模型为2Mpa，泊松比为0.45；皮质骨的材料参数确定为：弹性模量为1.37*10⁴Mpa，泊松比为0.3；松质骨的材料参数确定为：弹性模量为1.37*10³Mpa，泊松比为0.3，完成牙颌有限元模型的建立，如图13所示。

Claims

1.一种用于正畸的牙颌有限元模型建立方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤1：选取人体口内CBCT三维数据作为建立牙齿和牙槽骨有限元模型数据来源，建立牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板，优化牙齿、牙髓和牙槽骨模型蒙板，完成对牙齿、牙髓和牙槽骨模型的三维重建；

步骤4：对完整的牙颌三维实体模型进行网格划分，建立完整的牙颌网格模型；

步骤5：对完整的牙颌网格模型内每一个组件进行单独的材料赋值，完成三维个性化牙颌模型有限元模型的建立。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所述的建立牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板包括定义截面方位，绘制轮廓线，根据牙齿、牙髓和牙槽骨阈值差异，读取边界，分离出牙齿、牙髓和牙槽骨的边界轮廓，分别建立牙齿、牙髓和牙槽骨对应的模型蒙板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所述的优化牙齿、牙髓和牙槽骨的模型蒙板包括区域增长和编辑蒙板，修正蒙板表面的缺陷。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中所述的对牙齿、牙髓和牙槽骨的三维重建模型进行逆向工程处理包括表面精细化处理和曲面化处理，所述的表面精细化处理包括细化、松弛、删除钉状物，所述的曲面化处理包括精确曲面、栅格划分，拟合曲面与合并曲面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中所述的生成牙齿个性化牙周膜是根据患者年龄以及口内牙周膜所处的功能状态，使用布尔运算来设定牙周膜的厚度及高度，步骤3中所述的牙槽骨内部结构包括皮质骨和松质骨。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中所述的对完整的牙颌三维实体模型进行网格划分包含根据仿真精度要求和经济性原则来定义包括网格的大小和形状在内的网格单元属性，准确拟合牙颌模型的三维实体。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5中所述的对完整的牙颌网格模型内每一个组件进行单独的材料赋值是指根据经验公式以及患者的口腔条件分别完成对牙齿模型材料赋值、牙周膜材料赋值、牙槽骨皮质骨材料赋值以及牙槽骨松质骨材料赋值，实现正畸患者个性化牙颌的精确仿真。