CN112545680B - 一种隐形矫治器的制作方法及系统 - Google Patents

一种隐形矫治器的制作方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隐形矫治器的制作方法及系统，通过采集患者口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型，而后构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型，进而获取模拟矫治过程中牙齿的模拟移动路径和牙周膜的力学响应数据。将牙齿的模拟移动路径与预设移动路径相比较，将牙周膜的生物力学响应数据与预设区间进行比对，进而根据对比结果对第二有限元模型进行调整，最终实现矫正过程更具有针对性，矫治器的结构达到最优，所产生的弹性矫正力正好符合每个阶段的需求。解决了目前正畸治疗中矫治力施加不明确，牙齿移动不可控的问题，降低了正畸治疗对临床医生的过度依赖性，提高了正畸治疗的安全性和效率。

Description

一种隐形矫治器的制作方法及系统
技术领域
本发明涉及口腔正畸技术领域，具体涉及一种隐形矫治器的制作方法及系统。
背景技术
现有的口腔正畸技术中，利用隐形矫治器对牙齿进行矫正是较为常规的手段。隐形矫治器的形态与患者实际牙列之间存在设计偏差，患者佩戴之后矫治器会产生弹性变形，并对牙齿施加弹性回复力，从而引导牙齿向预定位置移动。通过有次序的佩戴一组(约20-90副)隐形矫治器，错位牙齿会逐渐移动到规划的理想位置，完成牙齿的正畸矫治。
目前，隐形矫治器的设计主要依靠正畸医生的临床经验和主观判断，医生依据患者的牙列症状利用排牙软件调整错位牙齿的位置，规划牙齿从原位置移动到理想位置的移动路径，并依据患者牙列移动过程中的一系列中间位置设计一组隐形矫治器。在牙齿矫治过程中，隐形矫治器施加在牙齿上的矫治力并不明确，普遍采用试错式的治疗方式。当佩戴矫治器之后牙齿没有按照预设路径进行移动时，则需要根据牙列的分布状态，重新规划牙齿移动路径，并制作新的矫治器。另外，矫治器变形产生的矫治力大小也不确定，矫治器变形越大所产生的弹性回复力就越大，变形越小产生的回复力越小。过大的矫治力会压迫牙周组织，引起局部血流闭塞，使牙周膜发生透明性样变；过小的矫治力则无法有效激发牙齿移动或牙齿移动速度很慢，矫治效果不明显。所以，矫治力必须在合适的范围内才能获得更加安全、高效的正畸治疗，而现有的矫治器往往依靠正畸医生经验判定，无法精确针对每个患者进行矫治。
发明内容
为了解决隐形矫治器施加在牙齿上的矫治力不明确等问题，本发明提出了一种隐形矫治器的制作方法,包括步骤：
S1、采集患者的口腔数据；
S2、根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
S3、根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
S4、根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的力学响应数据；判定是否同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间，若是，则进入下一步骤，若否，则调整第二有限元模型直至牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间后进入下一步骤；
S5、根据调整结果获取多个不同区段的隐形矫治器。
进一步地，在步骤S1中，还包括步骤：
S11：扫描患者口腔，获取患者的口腔CT图像；
S12：获取患者牙颌印模，并制作石膏牙模。
进一步地，在步骤S2中，还包括步骤：
S21：基于患者CT图像数据，构建患者的牙周组织数字模型；
S22：扫描患者石膏牙模，构建患者石膏牙模的数字模型；
S23：将牙周组织数字模型与石膏牙模数字模型拟合配准，获取患者牙颌组织数字模型。
进一步地，在步骤S3中，还包括步骤：
S31：根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
S32：预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
S33；通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
进一步地，在步骤S4中，所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量。
进一步地，在步骤S5中，通过选择性激光烧结技术SLS，制作调整后的多个牙颌组织的数字模型，并在55-65℃条件下将透明膜片热压成型于牙颌组织的数字模型上，获得隐形矫治器。
进一步地，在步骤S5中，利用透明材料粉末，通过三维立体打印技术制作隐形矫治器。
本发明还公开了一种隐形矫治器的制作系统，包括：
采集模块，用于采集患者的口腔数据；
第一构建模块，用于根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
第二构建模块，用于根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
调整模块，用于根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的力学响应数据；调整第二有限元模型直至同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间；
制作模块，用于根据调整结果制作多个不同区段的隐形矫治器。
进一步地，第二构建模块包括：
第一构建单元，用于根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
截取单元，用于预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
第二构建单元，用于通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
进一步地，所述调整模块中，所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
模拟矫正过程并获取相应信息后，将牙齿的模拟移动路径与预设移动路径相比较，将牙周膜的生物力学响应数据与预设区间进行比对，进而根据对比结果对第二有限元模型进行调整，最终实现矫正过程更具有针对性，矫治器的结构达到最优，所产生的弹性矫正力正好符合每个阶段的需求。解决了目前正畸治疗中矫治力施加不明确，牙齿移动不可控的问题，降低了正畸治疗对临床医生的过度依赖性，提高了正畸治疗的安全性和效率。
附图说明
图1为制作隐形矫治器的方法步骤图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
请参照图1，本发明公开了一种隐形矫治器的制作方法,包括步骤：
S1、采集患者的口腔数据；
S2、根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
S3、根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
S4、根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的力学响应数据；判定是否同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间，若是，则进入下一步骤，若否，则调整第二有限元模型直至牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间后进入下一步骤；
S5、根据调整结果获取多个不同区段的隐形矫治器。
具体地说，通过有限元模拟隐形矫治器在患者口腔内的佩戴过程，分析牙齿在受到隐形矫治器作用之后的模拟移动路径，与规划的牙齿移动路径进行对比。如牙齿的模拟移动路径与规划路径不一致，则通过添加附件改善矫治器施力形式，使牙齿的模拟移动路径与预设移动路径相一致。
本实施例中，针对每个患者的口腔牙列情况的不同，构建不同患者的牙颌组织数字模型，而后构建第一有限元模型和第二有限元模型，进而模拟牙齿的矫正过程并获取牙齿的模拟移动路径以及牙周膜的生物力学响应数据。在构建并获取信息后，将牙齿的模拟移动路径与预设移动路径相比较，将牙周膜的生物力学响应数据与预设区间进行比对，进而根据对比结果对第二有限元模型进行调整，最终实现矫正过程更具有针对性，矫治器的结构达到最优，所产生的弹性矫正力正好符合每个阶段的需求。解决了目前正畸治疗中矫治力施加不明确，牙齿移动不可控的问题，降低了正畸治疗对临床医生的过度依赖性，提高了正畸治疗的安全性和效率。
进一步地，在步骤S1中，还包括步骤：
S11：扫描患者口腔，获取患者的口腔CT图像；
S12：获取患者牙颌印模，并制作石膏牙模。
进一步地，在步骤S2中，还包括步骤：
S21：基于患者CT图像数据，构建患者的牙周组织数字模型；其中，牙周组织数字模型包括了牙列、牙周膜和牙槽骨等；
S22：扫描患者石膏牙模，构建患者石膏牙模的数字模型；其中，石膏牙模的数字模型包括了牙列和牙龈组织等；
S23：将牙周组织数字模型与石膏牙模数字模型拟合配准，获取患者牙颌组织数字模型。其中，利用三维模型处理软件(如Geomagic studio等)将牙周组织数字模型与石膏牙模数字模型拟合配准，进而得到完整的、复合的患者牙颌组织数字模型，包括牙列、牙龈组织、牙周膜和牙槽骨等。
进一步地，在步骤S3中，还包括步骤：
S31：根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
具体地说，将患者牙颌组织数字模型导入网格划分软件(如3-matics、Hypermesh等)构建患者牙颌组织的体网格模型，将牙颌组织体网格模型导入有限元软件(如Abaqus、Ansys)进行材料赋值、接触关系定义构建第一有限元模型；
S32：预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
具体地说，将患者牙颌组织数字模型导入医学排牙软件(如Bonsmile)，根据患者牙冠、牙根、牙槽骨的分布状况，规划牙齿的移动路径，明确牙列的理想位置，并确定牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的一系列中间位置，提取牙列处于中间位置时牙冠的表面数据，生成厚度为0.45mm隐形矫治器数字模型；
S33：通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
具体地说，将隐形矫治器数字模型导入网格划分软件(如3-matics、Hypermesh等)构建其体网格模型，将隐形矫治器体网格模型导入有限元软件(如Abaqus、Ansys等)进行材料赋值、接触关系定义构建第二有限元模型。
进一步地，在步骤S4中，所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量。其中，如矫治力过大则减小隐形矫治器的变形量，如矫治力过小则增大隐形矫治器的变形量，使牙齿处于最佳的受力状态。
进一步地，在步骤S5中，通过选择性激光烧结技术SLS，制作调整后的多个牙颌组织的数字模型，并在55-65℃条件下将透明膜片热压成型于牙颌组织的数字模型上，获得隐形矫治器。其中，透明膜片为制作隐形矫治器的原材料，厚度与隐形矫治器数字模型的厚度保持一致为0.45mm、直径为100mm，具有良好的弹性。
进一步地，在步骤S5中，利用透明材料粉末，通过三维立体打印技术制作隐形矫治器。
本发明还公开了一种隐形矫治器的制作系统，包括：
采集模块，用于采集患者的口腔数据；
第一构建模块，用于根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
第二构建模块，用于根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
调整模块，用于根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的力学响应数据；调整第二有限元模型直至同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的力学响应数据处于预设区间；
制作模块，用于根据调整结果制作多个不同区段的隐形矫治器。
进一步地，第二构建模块包括：
第一构建单元，用于根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
截取单元，用于预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
第二构建单元，用于通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
进一步地，所述调整模块中，所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种隐形矫治器的制作方法,其特征在于，包括步骤：
S1、采集患者的口腔数据；
S2、根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
S3、根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
S4、根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的生物力学响应数据；判定是否同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的生物力学响应数据处于预设区间，若是，则进入下一步骤，若否，则调整第二有限元模型直至牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的生物力学响应数据处于预设区间后进入下一步骤；所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量；
S5、根据调整结果获取多个不同区段的隐形矫治器。
2.根据权利要求1所述的一种隐形矫治器的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，还包括步骤：
S11：扫描患者口腔，获取患者的口腔CT图像；
S12：获取患者牙颌印模，并制作石膏牙模。
3.根据权利要求2所述的一种隐形矫治器的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括步骤：
S21：基于患者CT图像数据，构建患者的牙周组织数字模型；
S22：扫描患者石膏牙模，构建患者石膏牙模的数字模型；
S23：将牙周组织数字模型与石膏牙模数字模型拟合配准，获取患者牙颌组织数字模型。
4.根据权利要求3所述的一种隐形矫治器的制作方法，其特征在于，在步骤S3中，还包括步骤：
S31：根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
S32：预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
S33：通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
5.根据权利要求1所述的一种隐形矫治器的制作方法，其特征在于，在步骤S5中，通过选择性激光烧结技术SLS，制作调整后的多个牙颌组织的数字模型，并在55-65℃条件下将透明膜片热压成型于牙颌组织的数字模型上，获得隐形矫治器。
6.根据权利要求1所述的一种隐形矫治器的制作方法，其特征在于，在步骤S5中，利用透明材料粉末，通过三维立体打印技术制作隐形矫治器。
7.一种隐形矫治器的制作系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集患者的口腔数据；
第一构建模块，用于根据患者的口腔数据构建患者的牙颌组织数字模型；
第二构建模块，用于根据患者的牙颌组织数字模型构建患者的牙颌组织的第一有限元模型与隐形矫治器的第二有限元模型；
调整模块，用于根据第一有限元模型和第二有限元模型模拟矫治过程，并获取牙齿的模拟移动路径和牙周膜的生物力学响应数据；调整第二有限元模型直至同时满足牙齿的模拟移动路径与预设的牙齿移动路径一致且牙周膜的生物力学响应数据处于预设区间；所述生物力学响应数据包括牙周膜静水压应力和对数应变，将静水压应力与牙周膜最佳应力进行对比，同时将对数应变与牙周膜最佳应变区间进行对比，计算隐形矫治器产生的矫治力大小与最佳矫治力的差值，并依据差值减小或增大隐形矫治器的变形量；
制作模块，用于根据调整结果制作多个不同区段的隐形矫治器。
8.根据权利要求7所述的一种隐形矫治器的制作系统，其特征在于，第二构建模块包括：
第一构建单元，用于根据牙颌组织数字模型构建牙颌组织的体网格模型，通过有限元软件对牙颌组织体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建牙颌组织的第一有限元模型；
截取单元，用于预设牙齿的理想位置及移动路径，获取牙齿从原始位置移动到理想位置路径中的多个不同区段的中间位置并生成隐形矫治器数字模型；
第二构建单元，通过网格划分软件对隐形矫治器数字模型进行划分并获取隐形矫治器的体网格模型，通过有限元软件对隐形矫治器的体网格模型进行材料赋值、接触关系定义构建隐形矫治器第二有限元模型。
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