CN113558793B - 一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统，具体涉及牙齿正畸领域，主要包括步骤：根据患者口腔的临床数据构建整体牙列模型，并通过力传感器连接整体牙列模型中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分；通过定位导板引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中；通过托槽将弓丝固定于整体牙列模型中各牙齿模型的牙冠部分的外表面；通过磁场发射器调节磁流体各方向上的流体状态模拟患者口腔生物结构特性；获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据获取牙齿正畸方案。本发明通过磁流体模拟口腔的临床状态，避免了弓丝物理属性的性能受损，对于力传感器自身的热敏要求更低，提高了正畸准确率。

Description

一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统

技术领域

本发明涉及牙齿正畸领域，具体涉及一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统。

背景技术

口腔正畸是针对牙齿排列畸形或错颌，利用弓丝、托槽等组成的固定矫治器械，或者牙套等隐形可摘式矫治器械,对牙齿施加三维矫治力和力矩，调整颜面骨骼、牙齿和颌面肌肉三者间的平衡和协调，经过一段时间的矫治后改善面型、排齐牙列并提高咀嚼效能。

在正畸中，无论是固定矫治中的方丝弓矫治器还是直丝弓矫治器，或者牙套等可摘式隐形矫治器,都是通过弓丝或牙套的变形将持续载荷实施在牙齿上，实现牙齿的移动。因此矫治器提供给牙齿的三维正畸力和力矩将决定牙齿的移动过程和移动量，正畸治疗过程中要实现牙齿精确的、按需的移动，必须先清楚地知道正畸系统所提供的力和力矩。而且，牙齿在移动过程中，由于位置的改变，矫治器所提供的力也在实时改变。许多不希望的牙齿移动正是因为对正畸力的认识和控制不清晰造成的。不正确的力和力矩会导致牙齿移动过量或不足，此时需要根据实际情况调整矫治器以加力或减力，这样将大为延长矫治的时间，同时可能造成牙周组织的吸收，增加矫治失败的风险，出现较大的不确定性。

基于上述问题，现有的一篇技术文件提出了通过蜡模模拟牙槽来固定牙齿模型，而后通过加热蜡膜的方式改变其硬度、阻力和粘度，配合上弓丝自身基于形变记忆的恢复力，从而模拟临床状态下的牙齿矫治过程，采集其受力数据，进而对正畸方案进行优化。然而，目前利用镍钛丝的形状记忆特性制作的矫正弓丝，其在29℃-36℃时具有转变为原有形状的特性，因此其恢复力是在一定温度下(口腔温度)才能实现的，温度过高势必会对其形变恢复效果产生很大影响。而要使蜡膜的硬度、阻力和粘度发生改变，其所需的蜡膜温度是很高的，可达40℃-60℃，而要产生这一蜡膜温度所需要的环境温度势必要高于蜡膜温度。那么在这种环境温度下得到的数据必然无法真实模拟口腔温度下的正畸过程，其所得到的数据结果必然存在较大误差，同时高温环境也会对相应传感器的数据检测造成影响，也易使得数据结果产生偏差。

发明内容

为了模拟最真实的口腔环境，从而获得更优的牙齿矫正正畸数据，本发明提出了一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，包括步骤：

S1：根据患者口腔的临床数据构建整体牙列模型，并通过力传感器连接整体牙列模型中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分；

S2：通过定位导板引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中；

S3：通过托槽将弓丝固定于整体牙列模型中各牙齿模型的牙冠部分的外表面；

S4：在标准口腔温度下，通过磁场发射器调节磁流体各方向上的流体状态模拟患者口腔生物结构特性；

S5：获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案。

进一步地，所述定位导板为根据患者的临床牙冠形态设计的，并通过若干个定位销与整体牙列模型固定。

进一步地，所述步骤S2中，通过定位导板引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置保持与临床数据一致。

进一步地，所述力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，未浸没于磁流体中。

进一步地，所述步骤S5中，在获取感应数据后还包括步骤：

通过坐标系转换将感应数据转换为牙齿模型牙冠中心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

进一步地，所述步骤S5中，牙齿模型的正畸移动速度与牙齿正畸矫治过程中的实际速度呈预设比例关系。

本发明还提出了一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统，包括：

整体牙列模型，由患者口腔的临床数据构建的各牙齿模型组成，其中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分通过力传感器连接；

定位导板，用于引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中，且引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置保持与临床数据一致；

弓丝，通过托槽固定于整体牙列模型中各牙齿模型牙冠部分的外表面，用于为牙齿正畸提供矫治力；

磁场发射器，用于调节磁流体各方向上的流体状态以模拟患者口腔生物结构特性；

处理终端，用于获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案。

进一步地，还包括若干定位销，用于固定整体牙列模型于定位导板上，所述定位导板的设计符合患者的临床牙冠形态。

进一步地，所述力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，未浸没于磁流体中。

进一步地，所述处理终端中还包括坐标转换单元，用于将感应数据进行坐标转换，转换为以牙齿模型牙冠中心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统，通过磁场发生器改变磁流体的状态模拟口腔临床状态下的真实情况，从而使得获取的数据是患者最真实口腔状态下的数据，提高了正畸的准确率；

(2)采用磁流体进行口腔状态模拟，无需置于高温环境，避免了弓丝受热导致物理属性改变的性能受损问题，减少了对性能受损所需要的补偿计算；

(3)基于磁流体的导向性控制，可以有效的模拟某一方向上的牙床状态模拟，从而可以更加真实的模拟患者的口腔状态，实现更为个性化的口腔正畸；

(4)基于口腔温度下的数据采集，对于传感器自身的热敏要求更低，降低了设备成本，间接降低了患者正畸所需要的成本；

(5)采用模型模拟的方式进行口腔正畸试验，相较于直接临床实现，大大降低了术后风险，为患者的口腔健康提供了更为优质的保障。

附图说明

图1为一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统的方法步骤图；

图2为一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统的系统结构图；

图3为磁流体牙齿正畸的示意图；

图4为定位导板示意图；

图5为整体牙列模型的示意图；

图6为力传感器安装示意图；

图7为待矫治牙齿模型拆分安装之意图；

附图标记说明：1-测量底座、2-磁场发射器、3-测试牙颌模型、31-牙颌底座、32-待矫治牙齿模型、321-牙冠、322-连接杆、323-力传感器、324-牙根、33-磁流体、34-托槽、35-弓丝、4-磁场控制器、5-数据线、6-处理终端。

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。

实施例一

考虑到现有技术中，在牙齿正畸过程中存在的一些问题，如一种基于力传感器的测量装置的测量方法，其声称直接可以用于口内测量，但由于需要在托槽与和牙齿之间插入插拔垫片，在临床实际使用中是不可能实现的，因为现有的正畸矫治器械都是根据人体口腔尺寸设计成标准尺寸的元件，不允许插入多余辅件，否则会影响病人戴上器械后舒适性和治疗效果，而且也会大大增加临床医生的工作量，无法得到真正的实施；更为重要的是，测量得到的力学数据是已经佩戴了矫治器后的数据，无法用于临床实施前的正畸治疗方案的设计，而由于测量的力学数据不正确，也就无法对正畸治疗方案进行有效的修改。

而针对每一个患者，为了在实施正畸治疗前制订出精确的治疗方案，预测出正畸矫治过程中，矫治器实时提供给患者牙齿上在三个方向上的矫治力和力矩，需要根据患者自身的口腔数据，设计治疗方案，设计并制作出能模拟患者口腔环境下牙齿移动的个性化口腔模型，在模型上动态的测量出真实的矫治力和力矩，然后在一些辅助导航工具的支持下，将该方案转移到患者的牙齿上。因此，个性化的精确正畸治疗需要专门的正畸力动态实时检测装置的支持。基于上述，如图1所示，本发明提出了一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，包括步骤：

S1：根据患者口腔的临床数据构建整体牙列模型，并通过力传感器连接整体牙列模型中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分；

S2：通过定位导板引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中；

S3：通过托槽将弓丝固定于整体牙列模型中各牙齿模型的牙冠部分的外表面；

S4：在标准口腔温度下，通过磁场发射器调节磁流体各方向上的流体状态模拟患者口腔生物结构特性(由患者口腔的临床数据获得)；

S5：获取弓丝正畸时牙齿移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案。

其中，为了保证牙齿模型组合成整体牙列模型且固定后能与患者自身的牙列位置、角度和高低状态保持一致，本发明中定位导板是根据患者口腔的临床数据，依据每一颗牙齿在牙齿中的角度、位置和深度进行模拟重建出的牙床模拟模型。而整体牙列模型与定位导板之间是通过若干个定位销固定的，考虑到成本和结构稳定性，定位销的数量一般为三个，采用三角定位的方式达到最小成本下的结构稳固。通过定位导板的引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置与临床数据一致。

而考虑到磁流体本身可能会对传感器的数据采集产生影响，因此，本发明中力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，确保只有牙根部分会浸没于磁流体当中，而力传感器不会浸没于磁流体中，在保证数据采集真实性的情况下，最大程度上的避免了磁流体对力传感器的干扰。而力传感器、牙冠和牙根之间是通过高强度胶水和连接杆进行刚性连接固定的。

在整体牙列模型、定位导板准备且固定完毕后，将固定完成后的整体牙列模型插入到磁流体中，而后根据患者口腔的临床数据，通过磁场发射器产生磁场，从而使磁流体当中磁性微颗粒的产生定向运动，从而改变磁流体粘流状态，实现模拟状态下牙床硬度、阻力和粘度的精准调控。同时还可以利用磁流体的定向运动改变需要正畸的牙齿模型处磁流体某一方向上的粘流状态，从而使获取的模拟数据更加贴近患者真实的口腔状态，实现个性化的正畸治疗。

而在整个模拟测试过程中，整个模型处于标准口腔温度下，保证弓丝导致能够保持在正常口腔温度下的物理特性，同时避免高温对力传感器的影响，降低力传感器实验成本，间接减少患者正畸所需的花费。

由于力传感器至通过连接杆与牙冠、牙根固定在一起的，因此其与真实状态下的牙齿还存在一定的力学结构差异，因此，在步骤S5中，在获取感应数据后还包括步骤：

通过坐标系转换将感应数据转换为牙齿模型质心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

通过实时记录力传器测量得到的三个方向的力和力矩等六个参数，通过坐标转换关系，将测量得到的数值转换到牙齿模型牙冠的中心处，得到所测量牙齿的实际力和力矩。而需要说明的是，测试中，牙齿模型的正畸移动速度与牙齿正畸矫治过程中的实际速度呈预设比例关系，以保证最终获得的数据符合实际正畸过程中的移动数据，避免过度正畸或正畸过快导致的口腔受损。

实施例二

为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的方式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统，包括：

整体牙列模型，由患者口腔的临床数据构建的各牙齿模型组成，其中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分通过力传感器连接；

定位导板，用于引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中，且引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置保持与临床数据一致；

弓丝，通过托槽固定于整体牙列模型中各牙齿模型牙冠部分的外表面，用于为牙齿正畸提供矫治力；

磁场发射器，用于调节磁流体各方向上的流体状态以模拟患者口腔生物结构特性；

处理终端，用于获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案。

进一步地，还包括若干定位销，用于固定整体牙列模型于定位导板上，所述定位导板的设计符合患者的临床牙冠形态。

进一步地，所述力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，未浸没于磁流体中。

进一步地，所述处理终端中还包括坐标转换单元，用于将感应数据进行坐标转换，转换为以牙齿模型牙冠中心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

实施例三

本实施例以一具体模型来对本发明结构进行说明，如图3所示，本发明包括有磁场发射器2、测试牙颌模型3(固定于测量底座1上)、数据线5和处理终端6，其中，处理终端通过发送数据至磁场控制器4来调节磁场发射器的磁场强度和方向。而测试牙颌模型包括整体牙列模型(如图4)和定位导板(如图5)组成，整体牙列模型和定位导板之间通过三个定位销7进行固定。

进一步地，如图5所示，测试牙颌模型包括牙颌底座31、待矫治牙齿模型32，各牙齿模型的外表面还设有托槽34，并在各槽通过弓丝35连接各个牙齿模型，同时整体牙列模型的牙根部分浸没于磁流体33中。

进一步地，如图7所示，待矫治牙齿模型的牙冠321和牙根324之间设有力传感器323，力传感器与牙冠、牙根之间通过连接杆322由高强度胶水进行刚性连接。

当需要进行模拟测试时，将患者口腔临床数据的导入处理终端，处理终端根据临床数据生成相应的调节信号至磁场控制器，磁场控制器根据调节信号调节磁场发生器的磁场方向和强度，从而实现口腔温度下的牙齿正畸数据采集。而后处理终端将感应数据进行牙冠中心处的数值转换，进行设计优化患者个性化的正畸方案。

综上所述，本发明所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法与系统，通过磁场发生器改变磁流体的状态模拟口腔临床状态下的真实情况，从而使得得到的数据是患者最真实口腔状态下的数据，提高了正畸的准确率。同时，采用磁流体进行口腔状态模拟，无需置于高温环境，避免了弓丝受热导致物理属性改变的性能受损问题，减少了对性能受损所需要的补偿计算。

而基于磁流体的导向性控制，可以有效的模拟某一方向上的牙床状态模拟，从而可以更加真实的模拟患者的口腔状态，实现更为个性化的口腔正畸。

基于口腔温度下的数据采集，对于传感器自身的热敏要求更低，降低了设备成本，间接降低了患者正畸所需要的成本。采用模型模拟的方式进行口腔正畸试验，相较于直接临床实现，大大降低了术后风险，为患者的口腔健康提供了更为优质的保障。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，其特征在于，包括步骤：

S1：根据患者口腔的临床数据构建整体牙列模型，并通过力传感器连接整体牙列模型中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分；

S2：通过定位导板引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中；

S3：通过托槽将弓丝固定于整体牙列模型中各牙齿模型的牙冠部分的外表面；

S4：在标准口腔温度下，通过磁场发射器调节磁流体各方向上的流体状态模拟患者口腔生物结构特性；

S5：获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案；

所述力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，未浸没于磁流体中。

2.如权利要求1所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，其特征在于，所述定位导板为根据患者的临床牙冠形态设计的，并通过若干个定位销与整体牙列模型固定。

3.如权利要求2所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过定位导板引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置保持与临床数据一致。

4.如权利要求1所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S5中，在获取感应数据后还包括步骤：

通过坐标系转换将感应数据转换为牙齿模型牙冠中心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

5.如权利要求1所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟方法，其特征在于，所述步骤S5中，牙齿模型的正畸移动速度与牙齿正畸矫治过程中的实际速度呈预设比例关系。

6.一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统，其特征在于，包括：

整体牙列模型，由患者口腔的临床数据构建的各牙齿模型组成，其中待矫治牙齿模型的牙冠部分和牙根部分通过力传感器连接；

定位导板，用于引导整体牙列模型中各牙齿模型的牙根部分浸没于磁流体中，且引导后的各牙齿模型，其牙冠部分的位置保持与临床数据一致；

弓丝，通过托槽固定于整体牙列模型中各牙齿模型牙冠部分的外表面，用于为牙齿正畸提供矫治力；

磁场发射器，用于调节磁流体各方向上的流体状态以模拟患者口腔生物结构特性；

处理终端，用于获取弓丝正畸时牙齿模型移动过程中力传感器的感应数据，并根据感应数据设计优化牙齿正畸方案；

所述力传感器位于牙冠部分和牙根部分两者中间，未浸没于磁流体中。

7.如权利要求6所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统，其特征在于，还包括若干定位销，用于固定整体牙列模型于定位导板上，所述定位导板的设计符合患者的临床牙冠形态。

8.如权利要求6所述的一种基于磁流体的牙齿正畸动态模拟系统，其特征在于，所述处理终端中还包括坐标转换单元，用于将感应数据进行坐标转换，转换为以牙齿模型牙冠中心处对应的实际力矩大小和力矩方向。

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