CN114404085A - 制造牙齿修复体的方法 - Google Patents

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H·约翰
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Abstract

本发明涉及一种制造牙齿修复体的方法，该方法包括以下步骤：生成(S101)数字牙齿模型，该数字牙齿模型具有第一空间区域和第二空间区域，第一空间区域中布置有第一修复体材料，第二空间区域中布置有第二修复体材料；对数字牙齿模型进行渲染(S102)，以生成表示数字牙齿模型的光学特性的实际数据集；确定(S103)目标数据集与实际数据集之间的偏差；改变第一空间区域和第二空间区域中的至少一者，以获得重新渲染的数字牙齿模型的所获取的目标数据集与实际数据集之间的较小偏差；以及基于具有较小偏差的数字牙齿模型来制造(S105)牙齿修复体。

Description

制造牙齿修复体的方法
技术领域
本发明涉及制造牙齿修复体的方法、用于制造牙齿修复体的计算机装置以及计算机程序。
背景技术
在牙齿修复体的模拟和数字制造方法中，修复体材料(例如它们的颜色)的选择是由用户借助模拟色调指南主观地进行的。随后是逐层手工构建修复体。修复体的构建是通过采用自然模型的牙齿构建来进行的。
这可以在数据库或图书馆中提供。备选地，牙科技师基于自己的专业知识，手动或基于CAD进行分层。这些过程是不精确的，往往不能充分地再现期望的自然外观。此外，只有经验丰富的牙科技师才能实现自然的外观。
发明内容
本发明的技术目标是确定牙齿修复体的内部结构，使其与期望的自然外观相一致。
这一技术目标由根据独立权利要求的主题所实现。技术上有利的实施方式是从属权利要求、说明书和附图的主题。
根据第一方面，技术问题通过一种用于制造牙齿修复体的方法来解决，该方法包括步骤：生成数字牙齿模型，该模型具有第一空间区域和第二空间区域，在第一空间区域中布置有第一修复体材料，在第二空间区域中布置有第二修复体材料；渲染数字牙齿模型以生成表示数字牙齿模型的光学特性的实际数据集；确定目标数据集和实际数据集之间的偏差；改变第一空间区域和第二空间区域中的至少一者，以获得重新渲染的数字牙齿模型的检测到的目标数据集和实际数据集之间的较小偏差；以及基于具有较小偏差的数字牙齿模型制造牙齿修复体。第一和第二空间区域形成牙齿模型的子体积(subvolume)。在该方法中，空间区域的修复体材料可以保持不变。
该方法使牙齿修复体的内部架构能够以这样的方式自动设计，即创建与患者的整体牙齿外观相适应的整体印象(impression)。此外，用户对牙齿修复体的整体光学印象的主观影响可以被排除，并且在牙齿修复体的制造中可以实现高度的准确性和可重复性。
在方法的技术上有利的实施方式中，进行改变，以使得第一空间区域是牙齿模型的向内变形的外部区域。第二空间区域可以从外表面导出并向内变形。在第一空间区域内创建新的边界面，其与外表面具有确定的距离。这个距离可以有选择地改变。这实现了技术上的优势，例如，该方法可在广泛的空间范围内进行，并获得良好的结果。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，进行改变，使得第二空间区域是牙齿模型的向外变形的内部区域。这也实现了技术上的优势，例如，该方法可在广泛的空间范围内进行，并获得良好的结果。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，数字牙齿模型生成有第一空间区域和第二空间区域之间的边界面。这实现了例如这样的技术优势，即该边界面可以被移动以同时改变第一和第二空间区域。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，边界面位于数字牙齿模型的中心。这实现了技术上的优势，例如该方法迅速收敛到一个低偏差。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，边界面在相应的牙齿位置上与牙弓相切。这实现了技术上的优势，例如该方法甚至更快地朝低偏差收敛。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，边界面位于数字牙齿模型的内侧或外侧。这提供了技术优势，例如牙齿模型可以从内部或外部被改变。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，通过边界面形成核区，从其第一空间区域和/或第二空间区域被改变。这实现了，例如，形成子体积的技术优势，空间区域可以从中扩展。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，第一空间区域和第二空间区域是相对于彼此分层布置的。这例如实现了模仿天然牙齿结构的技术优势，并且只需几个步骤就可以实现小的偏差。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，第一空间区域和/或第二空间区域被改变，直到目标和实际数据集之间的偏差低于预定的值。这例如实现了如下的技术上的优势：能够以预定的精度制造牙齿修复体。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，第一空间区域和/或第二空间区域被改变，直到目标和实际数据集之间的偏差达到最小。这实现了技术上的优势，例如可以用与目标数据集的最佳匹配来制造牙齿修复体。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，目标数据集是基于天然牙齿而获得的。这例如实现了这样的技术上的优势，即牙齿修复体可以适应于天然牙齿。
在方法的另一个技术上有利的实施方式中，目标数据集再现天然牙齿的光学特性和/或几何构型。这实现了技术上的优势，例如，进一步提高牙齿修复体的保真度。
根据第二方面，该技术问题通过用于制造牙齿修复体的计算机装置来解决，该计算机装置包括适合于执行根据第一方面的方法的制造装置。由此，实现了与根据第一方面的方法相同的技术优势。
根据第三方面，该技术目标通过计算机程序来解决，该计算机程序包括使根据第二方面的计算机装置执行根据第一方面的方法步骤的指令。由此，实现了与根据第一方面的方法相同的技术优势。
本发明的多个实施方式的实施例在附图中示出，并在下文中更详细地进行描述。
附图说明
图1是数字牙齿模型的示意图；
图2是牙齿模型的空间区域的改变：
图3是目标数据集与实际数据集之间的比较图；
图4是用于计算目标数据集与实际数据集之间的偏差的示意图；以及
图5是制造牙齿修复体的方法的框图。
具体实施方式
图1示出数字牙齿模型200的示意图，数字牙齿模型200放置在残余的牙齿209上。数字牙齿模型200确定后续牙齿修复体100的外部形状和内部空间结构。为此目的，外部形状可以在CAID程序中生成。外部形状是通过在CAD程序中对牙齿修复体100进行建模来确定的。
牙齿模型200的内部空间结构可以通过计算或从数据库中获取，例如，从天然牙齿的结构得出，或者根据天然牙齿或牙齿修复体100的外部形状计算得出。给定牙齿修复体100的预定外部形状，由此可以通过牙齿模型200确定内部分层结构，并且每个单独的层203-1、203-2和203-3均可以被分配其自身的修复体材料201-1、201-2和201-3，并具有预定的光学材料参数。修复体材料201-1、201-2和201-3之间是边界面205-1和205-2。空间区域203-1、……、203-3中的不同修复体材料201-1、……、201-3被边界面205-1和205-2彼此分开。
例如，牙齿模型200再现牙齿修复体100，通过使用三种不同的修复体材料201-1、201-2和201-3分层构建牙齿修复体100。在外层203-1中，使用修复体材料201-1，在中间层203-2中，使用修复体材料201-2，并且在内层203-3中，使用修复体材料201-3。相应分配的修复体材料201-1、……、201-3的光学和物理特性(例如颜色值、散射值、反射值、透射值和/或吸收值)是已知的。
如果具有不同修复体材料201-1、……、201-3的牙齿模型200的外部形状和内部结构是已知的，那么就可以据此计算牙齿修复体100的后续外观。通过使用光线追踪的渲染(光模拟方法)，可基于创建的牙齿模型200来计算牙齿修复体100的颜色和半透明度。以这样的方式，仿生牙齿修复体的后续外观和光学印象，例如牙冠、部分牙冠、嵌体、镶体或贴面，就可以根据牙齿模型200来精确计算。
渲染是通过对光与所使用的修复体材料201-1、……、201-3之间的相互作用进行物理正确模拟(physically correct simulation)来进行的。各个修复体材料201-1、……、201-3的已知光学参数被用来生成牙齿修复体100的计算机辅助视图。
为此目的，还可以考虑现有的天然牙齿材料，例如要在其上放置牙齿修复体100的残余牙齿209。因此，在渲染过程中，针对指定的内部结构和选定的修复体材料201-1、……、201-3来计算后续牙齿修复体100的光学印象。为了进行渲染，可以在可见光范围内在至少三个波长执行反射、透射和吸收值的计算机辅助计算。
关于牙齿修复体100的制造方法，首先确定目标数据集。目标数据集可以通过光学捕捉和评估临近的牙齿来获得。为此目的，可以使用电子摄像机或三维扫描仪来确定天然牙齿的颜色值、反射、透射和/或吸收值以及空间形状或图像。此外，还可以用基于八个自然色彩空间的半透明度方案执行颜色测量或半透明度测量。基于这些数据，牙齿修复体100被规划为具有尽可能相同的特性。
为此目的，为牙齿修复体100创建初始牙齿模型200，该模型用于定义具有分配的修复体材料201-1、201-2和201-3的牙齿模型200的外部形状和内部空间区域203-1、……、203-3。基于此初始牙齿模型200，对牙齿修复体100的光学外观进行渲染，以创建反映光学特性的实际数据集。
理想情况下，从与基于天然牙齿获得的目标数据集的相同观察角度或视角执行牙齿修复体100的渲染。还可以从不同的观察角度进行渲染，以改善结果。可以从任何观察角度和任何可选择的环境情况进行渲染，例如预先确定的采光情况，考虑临近的牙齿、牙齿修复体100在口腔中的位置、或待制备的牙齿残余物的形状和光学特性。在渲染过程中还可以考虑其他影响条件，如已知的胶合剂、复合材料和/或粘合剂层的光学数据。
随后，将根据实际数据集所渲染的实际图像与根据目标数据集所获取的目标图像进行比较(映射匹配)，并确定偏差，例如平均偏差或最小或最大值。偏差是量化实际数据集和目标数据集之间差异的数值。
为了进一步调整牙齿修复体100的后续外观，可改变牙齿模型200的空间区域203-1、……、203-3。边界面205-1和205-2以及各个空间区域203-1、……、203-3的子体积都可以被改变。在偏差较大的情况下，不仅可以调整空间区域203-1、……、203-3，而且还可以调整所用的修复体材料201-1、……、201-3。例如通过调整空间区域203-1、……、203-3，在维持牙齿模型200的外部形状的同时，可以改变切端(incisal)和牙本质之间的边界面205-1的形貌。
然后再次渲染被改变的牙齿模型200，并且将所渲染的实际数据集与所记录的目标数据集进行新的比较，以确定新的偏差。然后重复改变牙齿模型和确定偏差的步骤，直到偏差低于指定的值。
这使得通过调整空间区域203-1、……、203-3对牙齿模型200进行迭代调整。执行对牙齿模型200的内部架构的调整以优化牙齿修复体100的整体光学外观。
图2示出作为制造方法的一部分的改变牙齿模型200的空间区域。
在牙齿模型200的最初均匀的体积(volume)中，针对额外内层的形成定义成核表面。成核表面可以位于牙齿模型200的体积内的任何位置，例如在与牙齿基底(制备)的边界面、在牙齿修复体的唇面、在与牙弓211相切的中心平面213或牙齿模型200的垂直中心轴线的旋转对称包络。
起点是修复体材料(如人造牙本质材料)在整个牙齿修复体100的空间区域中的均匀分布。从第一空间区域的唇面(切端)开始，形成第二空间区域，其变形到牙齿修复体100的内部，稍后形成切端层。这个第二空间区域与具有不同光学和物理特性的修复体材料相关联。第二空间区域与第一空间区域之间具有边界面205-1。
成核层还可以源自牙齿模型200的表面，以在釉质材料的均匀区域内生长出新的牙本质材料层。成核层也可以在空间上位于牙齿模型200的中间平面213上，例如在相应的牙齿位置上与牙弓211相切。
还可以预定具有预定的外部形状和由若干层组成的内部架构的牙齿模型200。在这种情况下，各层的边界面205可以在三维空间中迭代变形，以特别地将整体的光学外观近似于光学目标状态。
从新创建的边界面205开始，可以使用相同的程序进一步增加额外的层。通过将目标数据集与实际数据集进行迭代比较来执行各个边界面205的变形，直到达到预定的极限值。
图3示出目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间的偏差ΔES，I的示意图。目标数据集DS-S例如是由电子摄像机101获得的。
数字化生成的牙齿模型200包括与以下有关的数据：牙齿修复体100的空间几何构型和形成牙齿修复体100的相关修复体材料201-1、……、201-3以及其中布置修复体材料201-1、……、201-3的空间区域203-1、203-2和203-3。渲染所需的修复体材料201-1、……、201-3的光学和物理特性在渲染软件中已知。这些可以从参数表中获取，该参数表会不断补充新的材料。
实际的数据集DS-I是通过用选定的材料组合对数字牙齿模型200进行渲染得到的。渲染考虑到牙齿修复体100的空间几何构型和各种修复体材料201-1、……、201-3所存在的光学和物理特性。还可以考虑粘合剂材料和模具。
光在牙齿模型200中的传播可以用麦克斯韦方程来描述。例如，渲染使用辐射传输方程(RTE)，其中传播介质由吸收系数、散射系数、折射率和散射相位函数描述。
数字牙齿模型200包括与牙齿修复体100的空间几何构型和内部架构有关的数据以及各修复体材料201-1、……、201-3的吸收系数、散射系数、折射率和散射相位函数。当基于具有上述参数的牙齿模型200进行渲染时，散射相位函数可以在蒙特卡洛模拟中以任何所需的精度进行数值求解，其中在蒙特卡洛模拟中多个光子沿随机路径穿过牙齿模型200进行传播。
由此，可以通过渲染计算出牙齿修复体100的外观的实际数据集DS-I，其考虑所使用的材料、牙齿模型200的外部形状和内部架构。然后，这个计算出来的实际数据集DS-I可以与目标数据集DS-S进行比较，后者已经基于临近的牙齿获得。为了简化比较，这可以在二维推导(二维图像)中进行。然而，在一般情况下，还可以使用三维方法。计算出一个数值，作为实际数据集DS-I和目标数据集DS-S之间的偏差ΔES，I的度量。
图4示出用于计算目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间的偏差ΔES，I的示意图。例如，数据集DS-S包括在给定视角下的牙齿的表示。相比之下，根据牙齿模型200渲染出来的数据集DS-I包括牙齿模型200在相同视角下的表示。来自目标数据集DS-S和实际数据集DS-I的两幅图像被缩放到相同的尺寸，并彼此相邻放置。
目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间的欧氏偏差ΔES，I可以通过对沿比较线207的像素的颜色值的差进行求和来计算，例如在L*a*b*颜色空间中进行。这些比较线207可以任意移动，例如通过将牙齿的两半移到一起来实现。然而，在一般情况下，比较线207可以有不同的形状。该比较可以在最小的分辨率的像素级下进行。
Figure BDA0003294642920000081
沿着比较线207的颜色梯度差异越大，数字偏差ΔES，I就越大。如果目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间存在完美的颜色匹配，则偏差ΔES，I为零。然而，在一般情况下，可以使用其他方法来计算偏差ΔES，I，例如基于光谱信息。
图5示出制造牙齿修复体100的方法的框图。首先，在步骤S101中，生成数字牙齿模型200，其具有：第一空间区域203-1，其中布置有第一修复体材料201-1；以及第二空间区域203-2，其中布置有第二修复体材料201-2。该牙齿模型200作为该方法的起点。在步骤S102中，对初始数字牙齿模型200进行渲染，以生成表示数字牙齿模型200的光学特性的实际数据集DS-I。牙齿模型200的计算和模拟是基于物理-光学材料的特定特性，使用物理正确模拟工具进行的。在步骤S103，确定目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间的偏差。
在步骤S104，改变第一空间区域203-1和/或第二空间区域203-2，以获得已重新渲染的数字牙齿模型200的所获取的目标数据集DS-S与实际数据集DS-I之间的较小偏差ΔES，I。为此目的，再次执行渲染具有变形区域203的牙齿模型200的步骤S103和计算目标数据集DS-S和实际数据集DS-I之间的偏差的步骤S104。例如，如果不超过偏差的预定极限值，则冻结具有修复体材料201-1、……、201-3的牙齿模型200的内部成形。
在步骤S105中，然后基于所确定的具有较小偏差的数字牙齿模型200来制造牙齿修复体100。可以基于具有计算出的空间区域和相应的修复体材料201-1、……、201-3的牙齿模型200，通过3D打印方法或其他合适的方法来生成牙齿修复体100。
在这种情况下，可以使用计算机装置来执行计算步骤，并随后使用制造装置制造牙齿修复体100。为此目的，计算机装置执行包括指令的计算机程序，该指令使计算机装置进行所需的方法步骤。计算机装置包括处理器和数字存储器，该存储器存储数据集和计算机程序，该程序执行程序步骤并适当地控制制造装置。制造装置例如是3D打印机，该打印机用各种修复体材料打印出牙齿修复体100。然而，一般来说，还可以使用用不同的修复体材料制造牙齿修复体的其他制造装置。
在插入以这种方式创制的牙齿修复体100后，仿生义齿的光学外观被最佳地接近于期望的自然外观。
该方法是一种迭代的、封闭的数字方法，其中牙齿修复体100的建模和模拟尽可能地接近患者口腔中的自然外观。因为已知修复体材料201-1、……、201-3的物理和光学参数在空间区域203-1、203-2和203-3中被模拟，所以可以获得计算机辅助的牙齿修复体100的逼真外观。
该制造方法可以实现牙齿模型200的内部多层结构的最佳设计，同时确保后续牙齿修复体100的最佳美学效果。为此目的，可以找出各个空间区域203-1、……、203-3的最佳厚度和空间位置。用于在牙齿修复体100的制造中创建多层牙齿修复体100的修复体材料201-1、……、201-3及其布置是已知的。
因此，该方法是一种迭代方法，其中自动生成牙齿修复体100的优化内部架构。这可以独立于牙齿模型200的初始结构规范来实现。实际数据集与目标数据集之间的匹配(最佳匹配)确保了可用的修复体材料201-1、……、201-3的可重复的最佳结果以及牙齿修复体100的最佳美学效果。这里可以排除用户对整体光学印象的主观影响。程序的客观准确性和可重复性排除了由用户的空间设计所造成的错误。
所有结合本发明的单个实施方式进行的解释和示例的特征都可以在本发明的主题中以不同的组合提供，以同时实现它们的有益效果。
所有的方法步骤都可以由适合执行相应方法步骤的装置来实现。由实际特征执行的所有功能都可以是方法的方法步骤。
本发明的保护范围由权利要求书给出，不受本说明书中所说明的特征或附图中所示的特征所限制。

Claims (15)

1.一种制造牙齿修复体(100)的方法，包括步骤：
-生成(S101)数字牙齿模型(200)，所述数字牙齿模型(200)具有第一空间区域(203-1)和第二空间区域(203-2)，在所述第一空间区域(203-1)中布置有第一修复体材料(201-1)，在所述第二空间区域(203-2)中布置有第二修复体材料(201-2)；
-对所述数字牙齿模型(200)进行渲染(S102)，以生成表示所述数字牙齿模型(200)的光学特性的实际数据集(DS-I)；
-确定(S103)目标数据集(DS-S)和所述实际数据集(DS-I)之间的偏差(ΔES，I)；
-改变(S104)所述第一空间区域(203-1)和/或所述第二空间区域(203-2)，以获得重新渲染的数字牙齿模型(200)的所获取的目标数据集(DS-S)与所述实际数据集(DS-I)之间的较小偏差(ΔES，I)；和
-基于具有较小偏差的所述数字牙齿模型(200)来制造(S105)所述牙齿修复体(100)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述改变(S104)，使得所述第一空间区域是所述牙齿模型(200)的向内变形的外部区域。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中执行所述改变(S104)，使得所述第二空间区域是所述牙齿模型(200)的向外变形的内部区域。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述数字牙齿模型(200)生成为具有在所述第一空间区域(203-1)与所述第二空间区域(203-2)之间的边界面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述边界面位于所述数字牙齿模型(200)的中心。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述边界面(205)在相应的牙齿位置与牙弓(211)相切。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述边界面位于所述数字牙齿模型(200)的内侧或外侧。
8.根据权利要求7所述的方法，其中由所述边界面(205)形成成核区，所述第一空间区域(203-1)和/或所述第二空间区域(203-2)从其被改变。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述第一空间区域(203-1)和所述第二空间区域(203-2)相对于彼此分层布置。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中所述第一空间区域(203-1)和/或所述第二空间区域(203-2)被改变，直到所述偏差低于预定值。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一空间区域(203-1)和/或所述第二空间区域(203-2)被改变，直到所述偏差达到最小。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述目标数据集(DS-S)是基于天然牙齿获得的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述目标数据集(DS-S)表示所述天然牙齿的光学特性和/或几何构型。
14.用于制造牙齿修复体(100)的计算机装置，其包括适于执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法的制造装置。
15.一种计算机程序，其包括指令，所述指令使根据权利要求14所述的计算机装置执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法步骤。
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