CN114176808A - 一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置及测量方法 - Google Patents

一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，包括压力传感器和颌骨模型；所述颌骨模型上插接有牙列，颌骨模型上形成有与牙列相对应的牙根窝洞；所述牙列由若干待测牙组成，压力传感器贴附于待测牙的牙冠和压根表面；所述牙列上安装有隐形矫治器，压力传感器连有数据采集处理电路；与现有技术相比，通过用石蜡来模拟牙齿牙周组织，且将石蜡放置于口腔环境温度下模拟牙周组织，实现对牙列和颌骨模型的仿真模拟，使得数据更具真实性，同时通过在牙列模型上设置压力传感器，且在牙列模型上佩戴矫治器，可实时观察矫治器所提供的矫治力，从而便于通过矫治器所能提供的矫治力设计矫治方案。

Description

一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及牙齿隐形矫治力测量领域，具体涉及一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置及测量方法。
背景技术
随着3D打印及计算机辅助设计技术的逐步成熟，无托槽隐形矫治技术应运而生，其中隐形牙齿矫治技术作为一种新型牙齿正畸技术，相对于传统矫治技术有着更加卫生、舒适、美观等优势，得到越来越多人的认可和使用。
在设计无托槽隐形矫治器时，为确定无托槽隐形矫治器每一阶段的位移量和转动量，对患者牙齿模型进行排牙，并且根据牙齿移动量和无托槽隐形矫治器基体的回复力确定单副无托槽隐形矫治器的治疗周期，从而得到正畸治疗每一阶段的牙列模型。隐形矫治器就是利用其每一阶段牙齿位姿的差异，使无托槽隐形矫治器发生弹性变形，产生持续施加给拟移动的牙齿矫治力，从而达到移动牙齿和矫治的目的。
在正畸治疗的过程中，牙齿的移动机理是矫治力作用在牙冠上，并通过牙体传给牙周组织，再经过牙周组织的吸收、缓冲传递给牙槽骨，从而引起牙槽骨改建等一系列的生物反应，并最终实现牙齿的移动，达到正畸的目的。目前，矫正各个阶段的平动量和转动量都是由医生的临床经验决定，由于个体组织的差异往往会造成平动量和转动量过大。
为了实现良好的正畸矫治，从生物力角度考量，矫治力必须处于合适的范围内，才能更好的激发牙槽骨改建机制从而实现牙齿移动，同时使矫治过程患者的疼痛感更少。因此，针对无托槽隐形矫治器施加在牙齿上的矫治力进行测量研究，能够帮助医生制定更加合理有效的治疗方案，让患者拥有更好的矫治效果和矫治体验感。并且，由于弹性材料的疲劳性，无托槽隐形矫治器施加给牙齿的矫治力在佩戴一段时间以后，力会逐渐衰减，为了减少这一现象对矫治效果的影响，利用检测数据可以制定更加正确的治疗方案，从而实现牙齿更加精确的移动。
对无托槽隐形矫治过程中的牙齿进行正畸力的测量，有三个主要难点：1、无托槽隐形矫治器对牙齿的矫治力非常小，大约在1-2N左右，对传感器的精度要求高；2、如果直接测无托槽隐形矫治器对牙齿的矫治力，由于两者之间的间隙非常小，对传感器的形状尺寸要求非常高。3、牙齿移动是一个动态的过程，传感器需要随着牙齿移动。
目前，可以通过基于模拟牙颌模型和六维力学传感器来测量正畸矫治力，但这类测量系统只能测量牙齿在某一时刻静态的正畸力系，这主要是由于无论是石膏牙模还是立体打印的模拟牙模，模型上的牙齿都是固定不动的，无法连续模拟牙齿移动过程中由于牙齿位姿的改变而导致的正畸力改变。并且，由于现有的六维力传器尺寸与单颗牙相比要大太多，传感器与牙齿间的固定连接比较困难、布局不方便，且六维力传感器价格昂贵，因此一般只能同时测量少数几颗牙上的力，无法获得全牙列的力数据，而正畸时牙齿之间互相影响且作用力耦合，因此部分牙上的测量数据利用价值并不大。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于佩戴无托槽隐形矫治器且牙齿可移动的模拟牙列模型，利用贴在牙列上的柔性薄膜压力传感器进行隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置及测量方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，包括压力传感器和颌骨模型；所述颌骨模型上插接有牙列，颌骨模型上形成有与牙列相对应的牙根窝洞；所述牙列由若干待测牙组成，压力传感器贴附于待测牙的牙冠和压根表面；所述牙列上安装有隐形矫治器，压力传感器连有数据采集处理电路。
作为本发明的一种优选方案，所述数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器、A/D转换器、通讯模块和计算机。
作为本发明的一种优选方案，所述待测牙插接于相对应的牙根窝洞内，隐形矫治器连接所有的待测牙。
作为本发明的一种优选方案，所述压力传感器通过生物医用胶水粘贴于待测牙表面。
一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤A：取得患者口腔数据：用口内扫描仪直接扫描获取患者的牙冠数据，对患者进行CT扫描以得到患者的颌骨和牙根数据；
步骤B：建立牙列、颌骨的三维建模：利用医学图像处理技术，获得患者每一颗待测牙（包括牙根）和颌骨的三维模型；
步骤C：矫治过程中牙列位姿的设计：排牙根据牙列的初始形状和临床治疗目标，确定牙列的最终形状，并通过几何插值获得一系列中间牙列，并根据牙列位置的不同，调整颌骨的形态进行匹配，进而获得一系列矫治过程中的牙周三维模型；
步骤D：根据牙列形状设计矫治器，在分阶段的牙列模型上，通过曲面偏移得到矫治器的唇侧面，再通过加厚得到矫治器的基体模型；
步骤E：设计颌骨模具：根据需要，挑选需要测量的若干个带牙根窝洞的颌骨模型，通过设计包围立方体并进行布尔减运算，获得一系列颌骨模具；
步骤F：牙列、颌骨和颌骨模具制作：将牙列和颌骨的三维模型进行3D打印，打印出每一颗待测牙和每一个颌骨，并打印出一系列颌骨模具；
步骤G：颌骨模型制作：将石碏加热融化后，灌注在颌骨模具中，固化后得到一系列模拟颌骨模型；
步骤H：隐形矫治器的制作：利用打印的全部牙列和颌骨模型，在完整牙列模型上加工出无托槽隐形矫治器；
步骤I：牙列装配形成测量模拟模型：将每一颗待测牙插入对应的颌骨模型中的牙根窝洞中，获得待测量的模拟模型；
步骤J：安装压力传感器：将压力传感器贴在每一颗待测牙的牙冠或牙根表面；
步骤K：设置口腔环境：将模拟模型放置于恒温箱控制温度和湿度，以模拟人体实际口腔环境；
步骤L：设置实验组和对照组，实验组和对照组均为设置于恒温箱内的模拟模型和压力传感器，且实验组和对照组选用的模拟模型和压力传感器相同，压力传感器的粘贴位置、测试调条件和测试步骤均一致，区别在于实验组中模拟模型的牙列上佩戴有隐形矫治器；
步骤M：计算隐形矫治器的矫治力并对矫治方案进行优化：隐形矫治器的矫治力为实验组所得到的矫治力剪去对照组所得到的矫治力得出的数值，根据在模拟颌骨上测量得到的隐形矫治器的矫治力，对矫治方案进行设计和分析，确定最佳矫治方案，并重新设计隐形矫治器，用于实施临床矫治。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤C中的牙周三维模型包括相对应的牙列和颌骨，其中颌骨上形成有牙根窝洞。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤D中牙列的数量与矫治器数量相同。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤G中的颌骨模具包括相对应的凹模和凸模。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤J中压力传感器用于检测相对应的待测牙上三个坐标方向上的力和绕三个坐轴旋转的力矩。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤J的压力传感器上连有数据采集处理电路，数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器、A/D转换器、通讯模块和计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、根据不同患者形成不同的牙列和颌骨模型，从而可实现对不同患者的个性化定制和不同个体的准确测量分析；
2、通过用石蜡来模拟牙齿牙周组织，且将石蜡放置于口腔环境温度下模拟牙周组织，实现对牙列和颌骨模型的仿真模拟，使得数据更具真实性；
3、通过牙列模型和颌骨模型的单独加工，由于牙列模型始终不变形，确保颌骨模型在矫正变形过程中，减少对牙列模型造成的影响；
4、通过在牙列模型上设置压力传感器，且在牙列模型上佩戴矫治器，可实时观察矫治器所提供的矫治力，从而便于通过矫治器所能提供的矫治力设计矫治方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是颌骨模型的结构示意图；
图3是矫治器的结构示意图；
图4是凸模的结构示意图；
图5是凹模的结构示意图；
图6是压力传感器与待测牙的连接示意图；
附图标记：颌骨模型1，牙根窝洞1-1，压力传感器2，牙列3，运算放大器4，ADC转换器5，通讯模块6，计算机7，矫治器8，凸模9，凹模10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1-6所示，一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，包括压力传感器2和颌骨模型1；所述颌骨模型1上插接有牙列3，颌骨模型1上形成有与牙列3相对应的牙根窝洞1-1；所述牙列3由若干待测牙组成，压力传感器2贴附于待测牙的牙冠和压根表面；所述牙列3上安装有隐形矫治器8，压力传感器2连有数据采集处理电路。
隐形矫治器8安装与牙列3上后，对牙列3形成一定的矫治力，各个待测牙上所受到的矫治力根据压力传感器2进行识别传导，从而可实现对各个待测牙上的矫治力进行实施观测和分析，各个待测牙上所受到的外力就是隐形矫治器8位于相应位置所提供的矫治力。
数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器4、A/D转换器5、通讯模块6和计算机7，运算放大器4是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力，能对压力传感器2的电压信号进行放大，将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，从而将压力传感器2所检测的电压信号转化为数字信号，通过通讯模块6发送至计算机7中，可实现操作人员的远程观察。
待测牙插接于相对应的牙根窝洞1-1内，隐形矫治器8连接所有的待测牙，隐形矫治器8与牙列3相对应。
压力传感器2通过生物医用胶水粘贴于待测牙表面，使得压力传感器2与待测牙之间具有更好的稳定性，待测牙上粘贴有根据实际需要设置的多个压力传感器2。
一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤A：取得患者口腔数据：用口内扫描仪直接扫描获取患者的牙冠数据，对患者进行CT扫描以得到患者的颌骨和牙根数据，得到对应患者的颌骨和牙根数据。
步骤B：根据患者的颌骨和牙根数据，建立牙列3、颌骨的三维建模：利用医学图像处理技术，获得患者每一颗待测牙（包括牙根）和颌骨的三维模型。
步骤C：矫治过程中牙列3位姿的设计：排牙根据牙列3的初始形状和临床治疗目标，确定牙列3的最终形状，并通过几何插值获得一系列中间牙列3，并根据牙列3位置的不同，调整颌骨的形态进行匹配，进而获得一系列矫治过程中的牙周三维模型。
牙周三维模型包括相对应的牙列3和颌骨，其中颌骨上形成有牙根窝洞1-1，由于正畸过程中牙齿本身的形状并不会改变，因此牙列3的三维模型只有一种，但正畸过程中牙列3的位姿会有变化，因此颌骨形状和颌骨中的牙根窝洞1-1会不同。
步骤D：根据牙列3形状设计矫治器8，在分阶段的牙列3模型上，通过曲面偏移得到矫治器8的唇侧面，再通过加厚得到矫治器8的基体模型，牙列3的数量与矫治器8数量相同，患者不同矫正阶段的牙列3模型对应不同的矫治器8。
步骤E：设计颌骨模具：根据需要，挑选需要测量的若干个带牙根窝洞1-1的颌骨模型1，颌骨模型1的数量根据患者所需矫正偏移量进行选择，通过设计包围立方体并进行布尔减运算，获得一系列颌骨模具。
步骤F：牙列3、颌骨和颌骨模具制作：将牙列3和颌骨的三维模型进行3D打印，打印出每一颗待测牙和每一个颌骨，并打印出一系列颌骨模具。
在打印选择中，可选用将牙列3和颌骨的三维模型用STL数据格式输入到三维立体打印机中，例如Connex350，用树脂对牙列3和颌骨进行立体打印，同理颌骨模具也可用STL数据格式输入到三维立体打印机中，用树脂对颌骨模具进行立体打印。
步骤G：颌骨模型1制作：将石碏加热融化后，灌注在颌骨模具中，固化后得到一系列模拟颌骨模型1，颌骨模具包括相对应的凹模10和凸模9，凹模10和凸模9由在三维软件中采用布尔减运算或布尔加运算得到。
步骤H：隐形矫治器8的制作：利用打印的全部牙列3和颌骨模型1，在热压膜成型机上，用100-120摄氏度的温度，在完整牙列3模型上加工出无托槽隐形矫治器8。
步骤I：牙列3装配形成测量模拟模型：将每一颗待测牙插入对应的颌骨模型1中的牙根窝洞1-1中，获得待测量的模拟模型。
步骤J：安装压力传感器2：将多个压力传感器2贴在每一颗待测牙的牙冠或牙根表面，压力传感器2为薄膜单点式结构，通过多点测量的压力值，压力传感器2用于检测相对应的待测牙上三个坐标方向上的力和绕三个坐轴旋转的力矩。
压力传感器2上连有数据采集处理电路，数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器4、A/D转换器5、通讯模块6和计算机7，运算放大器4是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力，能对压力传感器2的电压信号进行放大，将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，从而将压力传感器2所检测的电压信号转化为数字信号，通过通讯模块6发送至计算机7中，可实现操作人员的远程观察。
步骤K：设置口腔环境：将模拟模型放置于恒温箱控制温度和湿度，以模拟人体实际口腔环境，将牙列3插入相对应的颌骨模型1中，并用石蜡填充待测牙与相对应的牙根窝洞1-1之间的间隙，并将隐形矫治器8戴在插接完成的牙列3模型上，以保证初始牙齿所在的位置。
步骤L：设置实验组和对照组，实验组和对照组均为设置于恒温箱内的模拟模型和压力传感器2，且实验组和对照组选用的模拟模型和压力传感器2相同，压力传感器2的粘贴位置、测试调条件和测试步骤均一致，区别在于实验组中模拟模型的牙列3上佩戴有隐形矫治器8。
在压力传感器2测量前对压力传感器2进行校准，校准无误后将薄膜单点压力传感器2用生物医用胶水粘贴到拟移动待测牙表面的待测点上，连接电路。
在实验组中，将隐形矫治器8佩戴到牙列3模型上，实时检测出牙齿在移动过程中所受到的矫治力，而在对照组中，检测在自然反应下，检测出牙齿在无外物干涉情况下所受到的矫治力。
步骤M：计算隐形矫治器8的矫治力并对矫治方案进行优化：隐形矫治器8的矫治力为实验组所得到的矫治力剪去对照组所得到的矫治力得出的数值，根据在模拟颌骨上测量得到的隐形矫治器8的矫治力，对矫治方案进行设计和分析，确定最佳矫治方案，并重新设计隐形矫治器8，用于实施临床矫治。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：颌骨模型1，牙根窝洞1-1，压力传感器2，牙列3，运算放大器4，ADC转换器5，通讯模块6，计算机7，矫治器8，凸模9，凹模10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，包括压力传感器（2）和颌骨模型（1）；其特征在于，所述颌骨模型（1）上插接有牙列（3），颌骨模型（1）上形成有与牙列（3）相对应的牙根窝洞（1-1）；所述牙列（3）由若干待测牙组成，压力传感器（2）贴附于待测牙的牙冠和压根表面；所述牙列（3）上安装有隐形矫治器（8），压力传感器（2）连有数据采集处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，其特征在于，所述数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器（4）、A/D转换器（5）、通讯模块（6）和计算机（7）。
3.根据权利要求1所述的一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，其特征在于，所述待测牙插接于相对应的牙根窝洞（1-1）内，隐形矫治器（8）连接所有的待测牙。
4.根据权利要求1所述的一种隐形正畸矫治力全牙列的动态测量装置，其特征在于，所述压力传感器（2）通过生物医用胶水粘贴于待测牙表面。
5.一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：取得患者口腔数据：用口内扫描仪直接扫描获取患者的牙冠数据，对患者进行CT扫描以得到患者的颌骨和牙根数据；
步骤B：建立牙列（3）、颌骨的三维建模：利用医学图像处理技术，获得患者每一颗待测牙（包括牙根）和颌骨的三维模型；
步骤C：矫治过程中牙列（3）位姿的设计：排牙根据牙列（3）的初始形状和临床治疗目标，确定牙列（3）的最终形状，并通过几何插值获得一系列中间牙列（3），并根据牙列（3）位置的不同，调整颌骨的形态进行匹配，进而获得一系列矫治过程中的牙周三维模型；
步骤D：根据牙列（3）形状设计矫治器（8），在分阶段的牙列（3）模型上，通过曲面偏移得到矫治器（8）的唇侧面，再通过加厚得到矫治器（8）的基体模型；
步骤E：设计颌骨模具：根据需要，挑选需要测量的若干个带牙根窝洞（1-1）的颌骨模型（1），通过设计包围立方体并进行布尔减运算，获得一系列颌骨模具；
步骤F：牙列（3）、颌骨和颌骨模具制作：将牙列（3）和颌骨的三维模型进行3D打印，打印出每一颗待测牙和每一个颌骨，并打印出一系列颌骨模具；
步骤G：颌骨模型（1）制作：将石碏加热融化后，灌注在颌骨模具中，固化后得到一系列模拟颌骨模型（1）；
步骤H：隐形矫治器（8）的制作：利用打印的全部牙列（3）和颌骨模型（1），在完整牙列（3）模型上加工出无托槽隐形矫治器（8）；
步骤I：牙列（3）装配形成测量模拟模型：将每一颗待测牙插入对应的颌骨模型（1）中的牙根窝洞（1-1）中，获得待测量的模拟模型；
步骤J：安装压力传感器（2）：将压力传感器（2）贴在每一颗待测牙的牙冠或牙根表面；
步骤K：设置口腔环境：将模拟模型放置于恒温箱控制温度和湿度，以模拟人体实际口腔环境；
步骤L：设置实验组和对照组，实验组和对照组均为设置于恒温箱内的模拟模型和压力传感器（2），且实验组和对照组选用的模拟模型和压力传感器（2）相同，压力传感器（2）的粘贴位置、测试调条件和测试步骤均一致，区别在于实验组中模拟模型的牙列（3）上佩戴有隐形矫治器（8）；
步骤M：计算隐形矫治器（8）的矫治力并对矫治方案进行优化：隐形矫治器（8）的矫治力为实验组所得到的矫治力剪去对照组所得到的矫治力得出的数值，根据在模拟颌骨上测量得到的隐形矫治器（8）的矫治力，对矫治方案进行设计和分析，确定最佳矫治方案，并重新设计隐形矫治器（8），用于实施临床矫治。
6.根据权利要求5所述的一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤C中的牙周三维模型包括相对应的牙列（3）和颌骨，其中颌骨上形成有牙根窝洞（1-1）。
7.根据权利要求5所述的一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤D中牙列（3）的数量与矫治器（8）数量相同。
8.根据权利要求5所述的一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤G中的颌骨模具包括相对应的凹模（10）和凸模（9）。
9.根据权利要求5所述的一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤J中压力传感器（2）用于检测相对应的待测牙上三个坐标方向上的力和绕三个坐轴旋转的力矩。
10.根据权利要求9所述的一种隐性正畸矫治力全牙列的动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤J的压力传感器（2）上连有数据采集处理电路，数据采集处理电路包括依次连接的运算放大器（4）、A/D转换器（5）、通讯模块（6）和计算机（7）。
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