CN116562068A - 牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法 - Google Patents

牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及牙齿正畸技术领域，公开了一种牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法，牙齿矫正仿真方法包括：获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；施加矫治力，获取牙齿产生的瞬时位移和牙周膜的应变；根据牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移；根据牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移，更新有限元模型，并将更新后的有限元模型作为预设时长内的仿真结果。在牙齿矫正仿真过程中充分考虑了生物力学机制对牙齿矫治效果的影响，使得牙齿矫正仿真尽可能贴合实际情况，提高仿真结果的准确性。

Description

牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法
技术领域
本申请实施例涉及牙齿正畸技术领域，特别涉及一种牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法。
背景技术
随着社会的不断发展，牙齿矫正被越来越多的人所采用，牙齿矫正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，或者可摘式的隐形牙齿矫治器，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、排齐牙列以及提高咀嚼效能。
为了达到更好的牙齿矫正效果通常会由工程师以及临床医生对牙齿矫治过程进行拆分，并分别为拆分出的各个阶段设计牙齿矫治器对患者进行牙齿矫正。具体方法为：根据牙齿的初始扫描数据以及预期矫治后的目标位三维图像数据，通过临床经验将矫治过程拆解，再分别为每一步矫治单独设计相应的矫治器，按照指定的矫治顺序逐个使用各阶段对应的矫治器，通过多个矫治阶段完成牙齿的矫正。
但是，在根据上述方案进行牙齿矫治过程的拆分和牙齿矫治器的设计，并使用设计出的牙齿矫治器进行牙齿矫正的过程发现，牙齿矫正的效果与预期存在一定的偏差，无法较为准确的实现目标矫治效果，患者容易对矫治效果产生不满。
发明内容
本申请实施例的主要目的在于提出一种牙齿矫正仿真、预测方法、装置、矫治器设计、制造方法，解决如何提高牙齿矫正过程中各矫治器设计的准确性，如何实现更好的牙齿矫治效果。
为实现上述目的，本申请实施例提供了一种牙齿矫正仿真方法，包括：获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；施加矫治力，获取所述牙齿产生的瞬时位移和所述牙周膜的应变；根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移；根据所述牙槽骨重建量、所述牙槽骨重建方向、所述瞬时位移和所述回弹位移，更新所述有限元模型，并将更新后的所述有限元模型作为所述预设时长内的仿真结果。
进一步地，根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向，包括：根据所述牙周膜在不同方向的应力分量，获取所述牙周膜的主应变方向；将所述主应变方向作为所述牙槽骨重建方向。通过根据应力分量确定牙周膜的主应变方向，进而准确获取牙槽骨重建方向，提高仿真结果的准确性。
进一步地，根据所述牙周膜的应变确定预设时长后的牙槽骨重建量，包括：获取所述牙周膜的各所述主应变，并根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率；根据所述牙槽骨重建速率，获取所述预设时长后各所述主应变方向上的所述牙槽骨重建量。根据预设关系函数和牙周膜各主应变方向对应的主应变，准确获取预设时长后各主方向上的牙槽骨重建量。
进一步地，根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率，包括：对于每个所述主应变方向，获取所述主应变方向对应的所述主应变与应变下限的关系；在所述主应变不大于所述应变下限的情况下，所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率为零；在所述主应变大于所述应变下限的情况下，根据所述主应变与应变上限的关系，获取所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率。通过为牙槽骨重建速率计算设置应变下限，并根据应变下限筛选出不会发生牙槽骨重建的主应变方向，提高牙槽骨重建速率计算效率的同时，避免不满足要求的主应变方向对牙槽骨重建量预测的影响。
进一步地，根据所述主应变与应变上限的关系，获取所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率，包括：在所述主应变不大于所述应变上限的情况下，根据所述主应变与预设系数的乘积，确定所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率；在所述主应变大于所述应变上限的情况下，所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率为预先计算出的极限重建速率。通过根据牙槽骨重建的极限速率设置应变上限，避免计算出的牙槽骨重建速率超出最理想的实际情况。
进一步地，获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率，包括：根据以下公式获取所述牙槽骨重建速率
其中，e为所述主应变方向对应的所述主应变，c、l为常数，a为牙槽骨重建的应变下限，b为牙槽骨重建的应变上限。根据预设公式准确的获取各主应变方向上的牙槽骨重建速率。
进一步地，根据所述牙周膜在不同方向的应力分量，获取所述牙周膜的主应变方向，包括：根据所述牙周膜在不同方向的所述应力分量，获取若干主方向应力的方向向量；将各所述主方向应力的方向向量作为各所述主应变方向。通过根据各应力分量的大小确定主方向应力的方向向量，简化预测的复杂程度，保证方向向量获取的准确性。
进一步地，获取若干主方向应力的方向向量，包括：根据以下公式获取所述方向向量Si(li，mi，ni)：
其中，
Ai＝τxyτyz-(σy-σi)τzx
Bi＝τxyτzx-(σx-σi)τyz
其中，i为所述主方向应力的编号，σi为第i个所述主方向应力，σx、σy分别为沿三维空间坐标系中X轴、Y轴方向上的正应力，τxy、τzx、τyz分别为沿三维空间坐标系对应平面的切应力。
进一步地，所述有限元模型中的所述牙周膜的材料属性基于粘弹性本构模型，或超弹性本构模型确定。通过根据特定本构模型获取牙周膜材料属性，提高得到的材料属性与实际情况的吻合程度。
进一步地，获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型，包括：对所述牙齿进行锥形束电子计算机断层扫描CBCT，根据所述CBCT的结果进行三维逆向重建获取所述牙齿的数字模型，并进行网格化处理；对所述牙齿外表面网格进行沿外法向堆叠，获取所述牙周膜的数字模型，并进行所述网格化处理。通过对牙齿进行CBCT和逆向重建，保证牙齿数字模型的准确性；通过沿外法向堆叠，准确获取牙周膜数字模型。
进一步地，在所述获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移前，还包括：获取所述牙周膜的实时形变，根据所述实时形变对所述牙周膜的应力状态进行检测。通过根据牙周膜的形变状态准确识别是否存在应力，对牙周膜应力状态进行准确识别，便于准确获取牙周膜无应力时牙齿的回弹位移。
进一步地，牙齿矫正仿真还包括：根据获取到的仿真预测时长及单次仿真的所述预设时长，确定仿真次数；将前一次所述预设时长内的仿真结果作为新的初始状态，并根据所述仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的所述有限元模型作为所述仿真预测时长对应的所述仿真结果。通过将仿真预测时长后的仿真结果通过连续的多个预设时长的仿真进行代替，并且每个预设时长内的仿真的初始状态为前一次仿真的结果，并基于“牙周膜初始应变—牙槽骨重建—牙周膜应力释放”的循环对牙周膜和牙齿状态进行预测，尽可能的贴合实际牙齿矫正过程，提高牙齿矫正结果预测的准确性。
为实现上述目的，本申请实施例还提供了一种牙齿矫正预测方法，将上述的牙齿矫正仿真方法作为单次仿真；所述预测包括：根据获取到的仿真预测时长及单次仿真对应的所述预设时长，确定需要进行的仿真次数；将前一次所述预设时长的仿真结果作为新的初始状态，并根据所述仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的所述有限元模型作为所述仿真预测时长对应的预测结果。
为实现上述目的，本申请实施例还提供了一种牙齿矫治器设计方法，包括：根据上述牙齿矫正仿真方法分别获得更新后的有限元模型；从所述有限元模型中提取牙齿的几何形态特征；生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型；生成与所述数字化正畸模型匹配的数字化矫治器。
为实现上述目的，本申请实施例还提供了一种牙齿矫治器制造方法，包括：根据上述牙齿矫正仿真方法分别获得更新后的有限元模型；从所述有限元模型中提取牙齿的几何形态特征；生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型；根据所述数字化正畸模型制造矫治器的阳模；在所述矫治器的阳模上以热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械；在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙齿矫治器。
为实现上述目的，本申请实施例还提供了一种牙齿矫治器制造方法，包括：根据上述矫治器设计方法获得数字化矫治器；根据所述数字化矫治器对应的数据信息，通过增材制造的工艺制造得到壳状牙齿矫治器。
为实现上述目的，本申请实施例还提出了一种牙齿矫正仿真装置，包括：第一获取模块，用于获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；第二获取模块，用于施加矫治力，获取所述牙齿产生的瞬时位移和所述牙周膜的应变；第三获取模块，用于根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；第四获取模块，用于获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移；仿真模块，用于根据所述牙槽骨重建量、所述牙槽骨重建方向、所述瞬时位移和所述回弹位移，更新所述有限元模型，并将更新后的所述有限元模型作为所述预设时长内的仿真结果。
为实现上述目的，本申请实施例还提出了一种电子设备，设备包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如上所述的牙齿矫正仿真方法。
为实现上述目的，本申请实施例还提出了计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的牙齿矫正仿真方法。
本申请实施例提供的牙齿矫正仿真方法，先获取到包括患者牙齿及牙周膜在内的有限元模型，然后在有限元模型中的向牙齿施加矫治力，并获取牙齿在矫治力作用下的瞬时位移和牙周膜产生的应变。然后根据牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向和预设时长后的牙槽骨重建量，并获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态过程中，牙齿产生的回弹位移，然后根据获取到的牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移，对有限元模型进行更新，将更新后的有限元模型作为预设时长内牙齿矫正的仿真结果。通过将牙周膜应变作为牙齿正畸移动的刺激条件，根据牙周膜应变获取牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向，获取牙周膜回弹至无应力状态过程中牙齿的回弹位移，使得牙齿矫正仿真过程中充分考虑了生物力学机制下，口腔中各个位置可能产生的生理特点及变化；再结合矫治力施加瞬间牙齿的瞬时位移对有限元模型进行准确的更新，以获取更为准确的牙齿矫正仿真结果，使得牙齿矫正仿真尽可能贴合实际情况，提高仿真结果的准确性。还能为矫治器、矫治方案的设计、评估提供科学的参考。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
图1是本申请第一实施例中的牙齿矫正仿真方法的流程图；
图2是本申请第二实施例中的牙齿矫正仿真方法的流程图；
图3是本申请第三实施例中的牙齿矫正仿真方法的流程图
图4是本申请第四实施例中的牙齿矫正预测方法的流程图；
图5是本申请第五实施例中的牙齿矫正器设计方法的流程图；
图6是本申请第六实施例中的牙齿矫正器制造方法的流程图；
图7是本申请第七实施例中的牙齿矫正器制造方法的流程图；
图8是本申请第八实施例中的牙齿矫正仿真装置的结构示意图；
图9是本申请第九实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，根据当前方案进行牙齿矫治过程中牙齿矫治器的设计，并使用设计出的牙齿矫治器进行牙齿矫正时，牙齿矫正的效果与预期存在一定的偏差，无法较为准确的实现目标矫治效果。对此，本申请的发明人发现，采用准确高效的牙齿矫正过程的模拟，可以使得矫治器及矫治方案设计得更优。而要使得模拟过程更为准确，如何更为深入地分析牙齿受外外荷载移动时得生物力学机制，以设计出更加贴合实际需要的矫治器来提高牙齿矫正效果是一个迫切需要得到解决的技术问题。
为了解决上述的问题，本申请部分实施例提供了一种牙齿矫正仿真方法，包括：获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；施加矫治力，获取牙齿产生的瞬时位移和牙周膜的应变；根据牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移；根据牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移，更新有限元模型，并将更新后的有限元模型作为预设时长内的仿真结果。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
下面将结合具体的实施例的对本申请记载的牙齿矫正仿真方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本申请的第一实施例提供了一种牙齿矫正仿真方法，牙齿矫正仿真方法的流程可以参考图1，在一些实施例中，牙齿矫正仿真方法应用于具有通信、计算和数据存储能力的终端中，如电脑、手机等电子设备，本实施例以应用在电脑为例进行说明，牙齿矫正仿真包括以下步骤：
步骤101，获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型。
具体地说，电脑在进行牙齿矫正仿真的时候，需要获取仿真过程中患者的牙齿及牙周膜初始状态，为了便于进行准确的仿真，电脑可以根据患者的口腔扫描数据构建包括牙齿和牙周膜在内的有限元模型，或者以通信的方式在指定的存储地址中读取预先构建完成的包含牙齿和牙周膜的有限元模型。
例如，通过对患者进行口腔扫描，得到患者口腔内牙齿的排列、形状和数量等信息，然后根据扫描数据对患者的牙齿进行三维重构，生成患者牙齿的数字模型，然后在牙齿的数字模型的外表面进行牙周膜覆盖，获取牙周膜的数字模型。其中，对患者进行口腔扫描的方式包括层析X射线扫描(CAT扫描)、数字化断层X线扫描(CT)、锥形束CT扫描(CBCT)、核磁共振造像(MRI)、口内光学扫描等，本实施例对此不做限制。
在一个例子中，获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型，包括：对牙齿进行锥形束电子计算机断层扫描CBCT，根据CBCT的结果进行三维逆向重建获取牙齿的数字模型，并进行网格化处理；对牙齿外表面网格进行沿外法向堆叠，获取牙周膜的数字模型，并进行网格化处理。
具体而言，电脑根据患者的口腔扫描数据进行有限元模型创建时，构建牙齿部分的模型时，可以通过锥形束电子计算机断层扫描对患者的牙齿进行扫描，得到患者牙齿的CBCT结果，然后根据得到的CBCT结果和预设的重构算法，在电脑上对CBCT结果进行三维逆向重建，从而在电脑中生成患者牙齿的数字模型，并对得到的牙齿数字模型进行网格化处理，完成有限元模型中牙齿部分的构建。然后在网格化处理后的牙齿数字模型上，根据预设的堆叠算法，对处理后的牙齿表面网格进行沿外法向堆叠，以此形成包裹在牙齿周围的牙周膜的数字模型，然后进行相应的网格化处理，完成有限元模型中牙周膜部分的构建。通过对牙齿进行CBCT后，根据扫描结果进行三维逆向重建，保证得到的牙齿数字模型的准确性；通过沿外法向堆叠，提高获取到的牙周膜数字模型的准确性，进而提高有限元模型与患者实际情况的吻合程度。
需要说明的是，有限元模型中除了牙齿和牙周膜外，还可以包括患者口腔中其余骨骼或者肌肉的网格化模型，本实施例对有限元模型中包含的具体模型数量，以及其他模型的获取方式不做限制。
进一步地，有限元模型中牙周膜的材料属性基于粘弹性本构模型，或超弹性本构模型确定。具体而言，有限元模型主要包含三个元素，网格模型、材料属性以及约束条件和加载条件。为了保证仿真过程中有限元模型变化与实际矫正过程的吻合程度，还需要对有限元模型中的各网格模型设置恰当的材料属性以及约束条件和加载条件。其中，牙齿网格模型的材料属性可以包括牙齿的弹性模量和泊松比；牙周膜的材料属性则基于粘弹性本构模型，或超弹性本构模型确定，使得牙周膜网格模型能够尽可能贴合牙周膜实际的生物应力机制。牙齿弹性模量、泊松比，牙周膜的具体材料属性可以通过将构成成分数据输入到相应的模型中进行计算得到，或者查询相关的文献资源获取，这里就不再赘述。
而为了贴合实际情况，牙齿的约束条件可以设置为牙根的外表面与牙周膜紧密解除，且不会产生相对滑移；牙周膜的约束条件可以设置为牙周膜外表面在矫治力施加的瞬时阶段为固定约束，在牙槽骨重建阶段时受到相应的重建位移荷载，在牙周膜应力释放阶段为自由状态。
步骤102，施加矫治力，获取牙齿产生的瞬时位移和牙周膜的应变。
具体地说，电脑根据预设有限元模型构建时的加载条件或者管理人员输入的指令，在有限元模型中向牙齿的网格模型上施加矫治力。由于牙齿受到矫治力作用的瞬间，会出现一个较为明显的瞬时移动。因此，施加矫治力的同时根据约束条件约束牙周膜外层节点，并得到各网格模型的刚度矩阵，然后通过有限元模型根据各网格模型的材料属性，计算各网格模型的平衡微分方程得到各节点的位移，从而计算出牙齿在矫治力作用下的瞬时位移，以及牙周膜外层节点在矫治力作用下的应变。例如，建立一个三维空间坐标系，获取牙齿在三维空间坐标系下的瞬时位移，获取牙周膜在三维空间坐标系中沿不同方向上的若干应变分量，以及主应变量。
步骤103，根据牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量。
具体而言，电脑通过有限元模型计算出牙齿在矫治力作用下的瞬时位移和牙周膜的应变后，分别将牙周膜沿不同方向的应变分量作为牙齿矫正过程中的刺激条件，并根据材料的本构关系以及牙周膜在不同方向上的若干应变分量和主应变力，计算得到牙周膜各个节点处的应力。例如，建立一个三维空间坐标系，获取牙周膜在三维空间坐标系中沿不同方向上的若干应力分量以及主应力，并根据获取到的应力、应变分量计算出牙槽骨重建方向和牙槽骨重建量。
在一个例子中，根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向，包括：根据牙周膜在不同方向的应力分量，获取牙周膜的主应变方向；将主应变方向作为牙槽骨重建方向。具体而言，在进行牙槽骨重建方向确定时，根据牙周膜在不同方向上的应变分量以及应力和应变的关系，获取牙周膜在不同方向上的应力分量，然后根据牙周膜在不同方向上的应力分量的值计算得到牙周膜的主应力，也即主应变方向，并将得到的各主应变方向作为牙槽骨重建方向。例如，在已知或者求得牙周膜在各个方向上的应力分量的情况下，通过根据应力分量确定主应变方向，进而准确获取牙槽骨重建方向，提高仿真结果的准确性。
在另一个例子中，根据牙周膜的应变确定预设时长后的牙槽骨重建量，包括：获取牙周膜的各主应变，并根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各主应变方向上的牙槽骨重建速率；根据牙槽骨重建速率，获取单位时间后各应变主方向上的牙槽骨重建量。
具体而言，在获取到牙周膜的应变后，对牙周膜的应变进行分析确定牙周膜的主应变方向的方向向量作为牙槽骨重建方向。然后根据获取到的牙周膜在各主应变方向上对应的主应变的具体应变大小，以及预先创建的牙槽骨重建速率和牙周膜应变的关系函数，获取各个主应变方向上的牙槽骨重建速率。再结合预设时长和各主应变方向上的牙槽骨重建速率，获取预设时长后各主应变方向上的牙槽骨重建量，然后再全局坐标系下对各主应变方向上的牙槽骨重建量进行分解和求和，得到全局坐标系下的牙槽骨重建量。通过根据预设的牙槽骨重建速率和牙周膜应变的关系函数，结合牙周膜在不同主应变方向上的主应变的具体应变大小，准确获取预设时长后各主应变方向上的牙槽骨重建量，利用有限元模型通过牙周膜外层节点的位移来表征牙槽骨重建，准确的预测出全局坐标系下的牙槽骨重建量。
步骤104，获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移。
具体地说，在矫治过程中，患者在佩戴一定时间的矫治器后会取下矫治器，此时矫治器施加的矫治力会消失，牙周膜会发生回弹直至牙周膜处于无应力状态，而牙周膜回弹过程中会导致牙齿也产生一定程度的位移。为了使仿真结果更加贴合实际情况，在停止施加矫治力后，根据创建有限元模型时设置的约束条件，解开针对牙周膜的位移约束使得牙周膜处于自由状态，并通过有限元模型根据牙周膜和牙齿的材料属性，计算出牙周膜回弹至无应力状态的过程中，牙周膜的应力变化，并根据牙周膜的应力变化计算出牙齿产生的回弹位移。
在一个例子中，在获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移前，还包括：获取牙周膜的实时形变，根据实时形变对牙周膜的应力状态进行检测。
具体而言，为了准确的获取牙齿的回弹位移，需要对牙周膜是否处于无应力状态进行准确的判断，因此，在获取牙齿的回弹位移前，先通过有限元模型根据牙周膜的材料属性和预设时长后的形变状态，计算出牙周膜回弹至无应力状态下的目标形变状态。然后对牙周膜回弹模拟过程中牙周膜的实时形变进行监测，在实时形变达到目标形变状态的情况下，判定牙周膜处于无应力状态，然后将此时牙齿产生的位移作为回弹位移。通过根据牙周膜的形变状态准确识别牙周膜是否处于无应力状态，从而准确的获取到牙周膜回弹至无应力状态时牙齿的回弹位移。
步骤105，根据牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移，更新有限元模型，并将更新后的有限元模型作为预设时长内的仿真结果。
具体地说，电脑在计算出牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移这些关键参数后，根据这些参数对获取到的初始状态下的有限元模型进行更新，具体的更新方式可以是将这些参数在有限元模型中进行叠加，获得有限元模型中位置及形态的变化结果，该变化结果作为预设时长内的仿真结果。通过牙槽骨重建方向、牙槽骨重建量和回弹位移等参数进行有限元模型的更新以得到预设时长后牙齿矫正的仿真结果，充分考虑牙周膜应变-应力释放这一生物力学过程对牙齿矫正的影响，使得得到的仿真结果更加贴合实际情况，提高根据仿真结果设计的牙齿矫治器的有效性和牙齿矫正的最终效果。
需要说明的是，对有限元模型进行更新的过程可以是分步完成的。例如，可以在施加矫治力并计算出牙齿的瞬时位移和牙周膜的应变后，根据计算出的瞬时位移和牙周膜的应变分别对牙齿网格模型和牙周膜网格模型进行更新，得到施加矫治力导致牙齿和牙周膜变形后的有限元模型。然后在计算出牙槽骨重建方向和预设时长后的牙槽骨重建量后，在牙齿发生瞬时位移，牙周膜发生应变后的有限元模型中，根据牙槽骨重建方向和牙槽骨重建量为牙齿网格模型和牙周膜网格模型设置位移边界，对牙齿网格模型和牙周膜网格模型进行更新，得到牙周膜回弹至无应力状态前的有限元模型。在计算出牙齿的回弹位移后，对牙周膜回弹至无应力状态前的有限元模型进行牙周膜回弹和牙齿回弹位移的更新，得到表征预设时长内仿真结果的有限元模型。
另外，对有限元模型进行更新的过程也可以是计算出所有关键参数后一次性更新所有参数。在计算出各关键参数后，一次性根据各关键参数对初始的有限元模型中将各网格模型进行参数调整，完成有限元模型的更新。本实施例对有限元模型参数更新的具体方式不做限制。
本实施例中，通过构建包括牙齿和牙周膜在内的有限元模型，并将牙周膜应变作为牙齿正畸移动的刺激条件，使得牙齿矫正仿真过程中充分考虑了生物力学机制下，口腔中各个位置可能产生的生理特点及变化，以获取更为准确的牙齿矫正仿真结果，使得牙齿矫正仿真尽可能贴合实际情况，提高仿真结果的准确性。还能为矫治器、矫治方案的设计、评估提供科学的参考。
本申请第二实施例提供了一种牙齿矫正仿真方法，在确定牙槽骨重建方向时，将根据牙周膜沿各方向的应力计算出的主方向应力的方向向量作为牙槽骨重建方向，简化牙槽骨重建方向获取的同时提高方向的准确性；通过设置牙周膜应变的应变上下限，提高牙槽骨重建量计算效率的同时，保证获取到的牙槽骨重建量更加符合实际情况，进而提高得到的仿真结果的准确性。
本实施例中牙齿矫正仿真方法的流程可以参考图2，包括以下步骤：
步骤201，获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型。
步骤202，施加矫治力，获取牙齿产生的瞬时位移和牙周膜的应变。
本实施例中的步骤201和步骤202分别和第一实施例中的步骤101和步骤102类似，在此就不再一一赘述。
步骤203，根据牙周膜在不同方向的应力分量确定牙槽骨重建方向，根据牙周膜在不同方向的应变确定预设时长后的牙槽骨重建量。
具体地说，在获取到牙周膜在不同方向的应变分量后，根据应力和应变间的转换关系，获取牙周膜沿各方向的应力分量，然后根据牙周膜在不同方向的应力分量，确定牙槽骨的重建方向，根据牙周膜在不同方向上的应变确定预设时长后的牙槽骨重建量。
在一个例子中，根据牙周膜在不同方向的应力分量，获取牙周膜的主应变方向，包括：根据牙周膜在不同方向的应力分量，获取若干主方向应力的方向向量；将各主方向应力的方向向量作为各主应变方向。具体而言，由于牙周膜应变带来的牙槽骨重建需要牙周膜应变满足一定的条件，因此，为了简化仿真过程中分析预测的复杂程度，可以直接基于牙周膜的主应变方向进行牙槽骨重建的预测，为了提高牙槽骨重建方向和牙槽骨重建量计算的准确性，需要准确的获取到主方向应力的方向向量，并将其作为牙周膜的各主应变方向。因此，可以根据牙周膜在不同方向上的应力分量和各主方向应力的应力大小，采用预设的公式计算出主方向应力的方向向量在三维空间坐标系下的坐标，得到各主方向应力的方向向量。
进一步地，在通过有限元模型获取矫治力作用的牙周膜应变时，可以将应变最大的三个应变分量对应的应力作为主方向应力，并获取一组由六个不同应变分量构成，能够表征牙周膜上各点在矫治力作用下的应力应变状态的应变分量，并根据应力应变内的关系，获取各应变分量对应的应力大小。然后根据各应变分量对应的应力大小，按照预设公式计算出主方向应力的方向向量。由于有些分量的大小是一致的，因此，可以将采用六个应力分量进行计算的方式进行一定的简化，获取若干主方向应力的方向向量，其中，物体中某一点应力状态的三个相互垂直面上的正应力和剪应力(也称为切应力)，共九个应力分量，为了精简计算，可以采用其中六个独立的应力分量，六个应力分量具体包括：三个坐标方向上的正应力和三个对应平面上的切应力。而本实施方式中为了进一步精简计算，采用其中五个，计算过程包括：根据以下公式获取方向向量Si(li，mi，ni)：
其中，
Ai＝τxyτyz-(σy-σi)τzx
Bi＝τxyτzx-(σx-σi)τyz
其中，i为主方向应力的编号，σi为第i个主方向应力，σx、σy分别为沿三维空间坐标系中X轴、Y轴方向上的正应力，τxy、τzx、τyz分别为沿三维空间坐标系对应平面的切应力。实际应用中，也可以采用五个其他分量进行方向向量的计算，计算过程中根据采用的对应分量调整公式即可，在此不再一一赘述。
在另一个例子中，通过牙周膜在各方向上的应变分量，确定牙槽骨重建量，包括：根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各主应变方向上的牙槽骨重建速率。对于每个主应变方向，获取主应变方向对应的主应变与应变下限的关系；在主应变不大于应变下限的情况下，主应变方向上的牙槽骨重建速率为零；在主应变大于应变下限的情况下，根据主应变与应变上限的关系，获取主应变方向上的牙槽骨重建速率。
具体而言，由于牙槽骨重建需要在牙周膜应变达到一定的限度后才能发生，因此，计算牙槽骨重建速率时，可以设置一个应变下限，在根据各主应变方向对应的主应变的具体应变大小确定各主应变方向上的牙槽骨重建速率时，可以先对主应变进行一次检测。对于每个主应变，获取主应变与应变下限的关系。检测到主应变不大于应变下限的情况下，判定此方向上的牙周膜应变不足以引起牙槽骨在此方向上发生重建，此方向上的牙槽骨重建速率为零。在主应变大于应变下限的情况下，判定此方向上的牙周膜应变足以引起牙槽骨在此方向上发生重建，再对主应变与应变上限之间的关系进行进一步检测，并根据检测结果确定此方向上的牙槽骨重建速率。通过为牙槽骨重建速率计算设置应变下限，并根据应变下限筛选出不会发生牙槽骨重建的主应变方向，提高牙槽骨重建速率计算效率的同时，避免不满足要求的主应变对牙槽骨重建量预测的影响。
进一步地，根据主应变与应变上限的关系，获取主应变方向上的牙槽骨重建速率，包括：在主应变不大于应变上限的情况下，根据主应变与预设系数的乘积，确定主应变方向上的牙槽骨重建速率；在主应变大于应变上限的情况下，主应变方向上的牙槽骨重建速率为预先计算出的极限重建速率。
具体而言，牙槽骨重建速率在主应变大于应变下限的情况下，一般会与主应变的具体应变大小存在线性关系，但是牙槽骨重建受到人体机能等因素的影响，会存在一个理论上的重建速率极限，因此，需要根据牙槽骨重建过程中的极限重建速率设置一个应变上限。在检测到主应变方向对应的主应变大于应变下限后，对主应变与应变上限的关系进行检测，在主应变不大于应变上限的情况下，根据牙槽骨重建速率和主应变的线性关系，利用主应变与预设系数的乘积确定主应变方向上的牙槽骨重建速率。在主应变大于应变上限的情况下，主应变方向上的实际牙槽骨重建速率无法再根据重建速率和主应变的线性关系进行计算，直接输出牙槽骨重建速率为预先计算出的极限重建速率。通过根据牙槽骨的极限重建速率设置应变上限，避免主应变过大时对牙槽骨重建速率的估计超出最理想的实际情况，保证计算出的牙槽骨重建速率更加符合实际情况，提高最终得到的仿真结果的准确性。
在另一个例子中，可以根据如下公式进行牙槽骨重建速率的计算：
其中，e为主应变方向对应的主应变，c、l为常数，a为牙槽骨重建的应变下限，b为牙槽骨重建的应变上限。根据预设公式准确的获取各主应变方向上的牙槽骨重建速率。
步骤204，获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移。
步骤205，根据牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移和回弹位移，更新有限元模型，并将更新后的有限元模型作为预设时长内的仿真结果。
本实施例中的步骤204和步骤205分别与第一实施例中的步骤104和步骤105类似，在此就不再一一赘述。
本实施例中，根据各方向上的应力分量和预设的计算公式，准确的计算出作为牙槽骨重建方向的主方向应力的方向向量，提高牙槽骨重建方向获取的准确性的同时，保证牙槽骨重建方向获取的效率；根据设置的应变上下限对不同方向上的牙槽骨重建速率进行确定，避免不满足要求的主方向应力对仿真结果的干扰的同时，也避免了仿真结果偏离实际情况，使得得到的仿真结果更加贴合实际情况。
本申请第三实施例提供了一种牙齿矫正仿真方法，在对仿真预测时长后的牙齿矫正效果进行仿真模拟的时候，将仿真预测时长的仿真拆分为多个连续的预设时长的仿真组合形成的一个迭代仿真，通过按照实际应用过程中的循环方式进行仿真设计，提高仿真预测时长内牙齿矫正效果仿真的准确性。
本实施例的牙齿矫正仿真方法的流程图可以参考图3，包括以下步骤：
步骤301，根据仿真预测时长及单次仿真对应的预设时长，获取仿真预测时长内仿真结果对应的仿真次数。
具体地说，在进行仿真前，根据管理员输入的指令或者通过通信的方式接收到的消息，确定需要仿真出患者在多长时间后的牙齿矫正仿真效果，得到输出的仿真结果对应的仿真预测时长。然后根据单次仿真对应的预设时长，将仿真预测时长内的牙齿矫正仿真拆分为连续的多个预设时长内的仿真，并根据仿真预测时长和单次仿真对应的预设时长，确定需要设置的仿真次数。
例如，根据仿真预测时长和预设时长的比值进行仿真次数的计算，将两者的比值作为仿真次数，在比值的计算结果不为整数的情况下，可以进行取整。具体的取整方式可以根据需要进行选择，本实施例对此不做限制。
步骤302，根据获取到的有限元模型，进行一个预设时长内的单次仿真并统计已仿真次数。
具体地说，在完成仿真次数的计算后，通过本地数据读取或者通信数据传输的方式，获取患者的口腔扫描数据，完成包含牙齿和牙周膜的有限元模型的创建，或者直接获取预先完成创建的包含牙齿和牙周膜的有限元模型。然后获取预设时长内患者牙齿矫正的单次仿真结果，并对已经进行的已仿真次数进行统计和计数。这里单次仿真的具体实现方式可以参考第一实施例和/或第二实施例，在这里就不再一一赘述。
步骤303，检测已仿真次数是否满足仿真次数的要求，在已仿真次数满足仿真次数要求的情况下，进入步骤304，输出仿真预测时长对应的仿真结果；在已仿真次数不满足仿真次数要求的情况下，回到步骤302，将当前的仿真结果作为新的初始状态，进行一个预设时长内的单次仿真并统计已仿真次数。
具体地说，在每完成一次预设时长内的牙齿矫正效果仿真后，对已经进行的仿真次数进行检测，检测已仿真次数是否达到了计算出的仿真次数的要求，以此判断当前的仿真结果是否为仿真预测时长后的牙齿矫正仿真结果。在检测到已仿真次数不小于预先计算出的仿真次数的情况下，判定当前获取到的仿真结果就是仿真预测时长后的牙齿矫正仿真结果，进入步骤304，将当前获取到的仿真结果作为若干次仿真后的最终结果，将当前获取到的仿真结果作为仿真预测时长对应的仿真结果输出。在检测到已仿真次数小于预先计算出的仿真次数的情况下，判定当前获取到的仿真结果不是仿真预测时长后的牙齿矫正仿真结果，则将当前仿真结果作为下一次预设时长内仿真的初始状态，然后回到步骤302中，以当前仿真结果作为初始状态，进行下一次预设时长内牙齿矫正效果的仿真，并在仿真结束后对已仿真次数进行更新。
本实施例中，通过获取仿真结果对应的仿真预测时长，结合单次仿真对应的预设时长，获取想要得到的目标仿真结果需要进行的仿真次数，并根据仿真次数将仿真拆分为若干个连续的单次仿真，将仿真预测时长后的仿真结果通过连续的多个预设时长的仿真代替，并且将每个预设时长内仿真的初始状态设置为前一次仿真的结果，通过利用多个“牙周膜初始应变—牙槽骨重建—牙周膜应力释放”的循环对牙周膜和牙齿状态进行预测，尽可能的贴合实际牙齿矫正过程，提高牙齿矫正结果预测的准确性。
此外，应当理解的是，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本申请第四实施例涉及一种牙齿矫正预测方法，参考图4，包括：
步骤401，根据获取到的仿真预测时长及单次仿真对应的预设时长，确定需要进行的仿真次数。
具体而言，在进行牙齿矫正预测的时候，电脑会根据管理员输入的数据或者预先设置的仿真预测时长，获取输出的预测结果对应的仿真预测时长，然后将上述牙齿矫正仿真方法中一个预设时长内的仿真作为单次仿真，然后根据仿真预测时长和单次仿真对应的预设时长，确定获取仿真预测时长后的牙齿矫正预测结果需要进行的仿真次数。例如，根据仿真预测时长和预设时长的比值进行计算，将比值作为仿真次数，在比值的计算结果不为整数的情况下，可以进行取整。
步骤402，根据仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的有限元模型作为仿真预测时长对应的预测结果。
具体地说，电脑在根据仿真预测时长和单次仿真需要的预设时长，确定出获取预测结果需要进行的仿真次数后，根据仿真次数进行若干次的仿真。仿真过程中，先获取前一次预设时长内的仿真结果，并将前一次预设时长的仿真结果作为当前次仿真的新的初始状态，然后再进行当前次预设时长内的仿真结果获取。直至完成指定的若干次仿真后，将最终获取到的更新后的有限元模型作为仿真预测时长对应的牙齿矫正预测结果。
本实施例通过根据预设时长和仿真预测时长，将仿真预测时长后的仿真结果通过连续的多个预设时长的仿真进行代替，并且每个预设时长内的仿真的初始状态为前一次仿真的结果，通过利用多个“牙周膜初始应变—牙槽骨重建—牙周膜应力释放”的循环对牙周膜和牙齿状态进行预测，尽可能的贴合实际牙齿矫正过程，提高牙齿矫正结果预测的准确性。
本申请第五实施例涉及一种牙齿矫治器设计方法，参考图5，包括：
步骤501，获取更新后的有限元模型。
具体地说，电脑在进行牙齿矫治器设计的过程中，先通过本地数据读取或者与仿真设备进行通信的方式，获取根据上述牙齿矫正仿真方法进行仿真后的仿真结果，即，完成网格模型更新后的有限元模型，并对得到的有限元模型进行缓存。
需要说明的是，获取更新后的有限元模型时，可以是获取单次仿真后的一个更新后的有限元模型，也可以是获取需要通过若干单次仿真进行替代的一定时长内，每一次单次仿真后得到的更新后的有限元模型，即，获取一定时长对应的多个更新后的有限元模型。
步骤502，从有限元模型中提取牙齿的几何形态特征。
具体地说，电脑在获取到任一更新后的有限元模型后，对有限元模型进行数据转换和筛选，剔除有限元模型中牙齿网格模型的材料信息、外部荷载信息等，提取出有限元模型中的牙齿网格模型数据。然后根据获取到的牙齿网格模型数据中牙齿的几何模型，在三维空间坐标系下获取牙齿的几何形态特征。
步骤503，生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型。
具体地说，在完成牙齿的几何形态特征提取后，根据牙齿的几何形态特征，生成包括对若干颗牙齿的几何形状和牙齿之间的位置关系的数字数据，并根据得到的数字数据生成用于指导牙齿模型制造的计算机数字化正畸模型，其中，牙齿模型是牙齿状态(也可称为牙齿排列)的三维模型。
步骤504，生成与数字化正畸模型匹配的数字化矫治器。
具体地说，在完成数字化正畸模型的创建后，根据数字化正畸模型制造出包括容纳数字化正畸模型的容置空间，与数字化正畸模型匹配的数字化矫治器。
需要说明的是，数字化矫治器创建过程中，还可以考虑正畸过程中需要使用的辅助器械，根据对需要采用的辅助矫治装置和紧固件等辅助器械的数字化模型创建，在数字化矫治器中包含容纳辅助器械对应的数字化模型的容置空间，生成的数字化矫治器包括容纳数字化正畸模型的容置空间，还可以包含容纳辅助器械对应的数字化模型的容置空间。
本实施例通过构建数字化正畸模型，并根据数字化正畸模型生成数字化矫治器，准确的完成矫治器的设计，保证制造出的矫治器的有效性。
本申请第六实施例涉及一种矫治器制造方法，参考图6，包括：
步骤601，获取数字化矫治器。
具体地说，在进行矫治器制造的过程中，电脑先获取通过上述牙齿矫治器设计方法设计出的数字化矫治器，并对数字化矫治器进行解析，得到制造的牙齿矫治器的相关参数和数据。
步骤602，根据数字化矫治器对应的数据信息，通过增材制造的工艺制造得到壳状牙齿矫治器。
具体地说，在获取到数字化矫治器后，对数字化矫治器进行数据的提取和转换，将数字化矫治器的数据转换为具体的规格数据，然后根据获取到的数字化矫治器的规格数据，通过增材制造的工艺制造出与数字化矫治器对应的壳状牙齿矫治器。
值得一提的是，根据数字化矫治器的规格数据制造出壳状牙齿矫治器时，可以采用快速成型技术进行制造，将数字化矫治器的规格数据转换成采用的快速成型技术对应的数据格式，然后利用快速成型技术完成制造。其中，采用的快速成型技术包括：立体光刻(Stereo Lithography，STL)、激光快速成形(Stereo lithography Apparatus，SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)、激光选区烧结(Selected LaserSintering，SLS)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、三维打印制造(ThreeDimensional Printing，3DP)等，本实施例对采用的具体快速成型技术不做限制。
本实施例通过根据数字化矫治器，利用快速成型技术，准确高效的完成矫治器的制造。
本申请第七实施例涉及一种牙齿矫治器制造方法，参考图7，包括：
步骤701，获取更新后的有限元模型。
具体地说，电脑在进行牙齿矫治器设计的过程中，先通过本地数据读取或者与仿真设备进行通信的方式，获取根据上述牙齿矫正仿真方法进行仿真后的仿真结果，即，完成网格模型更新后的有限元模型，并对获取到的有限元模型进行缓存。
需要说明的是，获取更新后的有限元模型时，可以是获取单次仿真后的一个更新后的有限元模型，也可以是获取需要通过若干单次仿真进行替代的一定时长内，每一次单次仿真后得到的更新后的有限元模型，即，获取一定时长对应的多个更新后的有限元模型。
步骤702，从有限元模型中提取牙齿的几何形态特征。
具体地说，电脑在获取到任一更新后的有限元模型后，对有限元模型进行数据转换和筛选，剔除有限元模型中牙齿网格模型的材料信息、外部荷载信息等，提取出有限元模型中的牙齿网格模型数据。然后根据获取到的牙齿网格模型数据中牙齿的几何模型，在三维空间坐标系下获取牙齿的几何形态特征。
步骤703，生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型。
具体地说，在完成牙齿的几何形态特征提取后，根据牙齿的几何形态特征，生成包括对若干颗牙齿的几何形状和牙齿之间的位置关系的数字数据，并根据得到的数字数据生成用于指导牙齿模型制造的计算机数字化正畸模型，其中，牙齿模型是牙齿状态(也可称为牙齿排列)的三维模型。
步骤704，根据数字化正畸模型制造矫治器的阳模。
具体地说，在获取到数字化正畸模型后，对数字化正畸模型进行数据的提取和转换，将数字化正畸模型的数据转换为制造矫治器阳模的规格数据，然后根据得到的规格数据完成矫治器的阳模的制造。
值得一提的是，根据矫治器的阳模的规格数据制造出矫治器时，可以采用快速成型技术进行制造，将矫治器阳模的规格数据转换成采用的快速成型技术对应的数据格式，然后利用快速成型技术完成制造。其中，采用的快速成型技术包括：立体光刻、激光快速成形、分层实体制造、激光选区烧结、熔融沉积制造、三维打印制造等，本实施例对采用的具体快速成型技术不做限制。
步骤705，在矫治器的阳模上以热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械。
具体地说，在获取到矫治器的阳模后，可以借助热压成形设备，通过正压压膜技术，将由透明聚合物材料(具有弹性的聚合物，例如聚碳酸酯)构成的矫治器膜片在上述矫治器的阳模上进行压制，以形成壳体，从而制得包含牙齿形状的壳状牙科器械。通过热压成型的方式极大提升制造效率和准确性。
步骤706，在包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙齿矫治器。
具体地说，为了使得制造出的牙齿矫治器能够良好的起到矫治作用，需要保证牙齿矫治器能够正常使用，因此，在热压成型的壳状牙科器械上，沿牙龈线或邻近牙龈线处对壳状牙科器械进行切割，使得切割后的壳状牙科器械能够容纳患者的牙齿，进而完成壳状牙齿矫治器的制造。
本实施例通过热压成型的方式高效的得到矫治器的初始结构，然后根据牙龈线的位置对初始壳状结构进行切割，准确得到能够容纳患者牙齿的矫治器。
本申请第八实施例涉及一种牙齿矫正仿真装置，参考图8，包括：
第一获取模块801，用于获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型。
第二获取模块802，用于施加矫治力，获取牙齿产生的瞬时位移和牙周膜的应变。
第三获取模块803，用于根据牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量。
第四获取模块804，用于获取停止施加矫治力后，牙周膜回弹至无应力状态下，牙齿产生的回弹位移。
仿真模块805，用于根据牙槽骨重建量、牙槽骨重建方向、瞬时位移、回弹位移，更新有限元模型，并将更新后的有限元模型作为预设时长内的仿真结果。
第一获取模块801，具体用于获取牙齿的锥形束电子计算机断层扫描CBCT结果，根据CBCT的结果进行三维逆向重建获取牙齿的数字模型，并进行网格化处理；对牙齿外表面网格进行沿外法向堆叠，获取牙周膜的数字模型，并进行网格化处理。
另外，有限元模型中的所述牙周膜的材料属性基于粘弹性本构模型，或超弹性本构模型确定。
仿真模块805，还用于根据获取到的仿真预测时长及单次仿真对应的预设时长，确定需要进行的仿真次数；将前一次预设时长的仿真结果作为新的初始状态，并根据仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的有限元模型作为仿真预测时长对应的预测结果。
第三获取模块803，具体用于根据牙周膜在不同方向的应力分量，获取若干主方向应力的方向向量；将各主方向应力的方向向量作为各主应变方向。
第三获取模块803，具体用于获取牙周膜的各主应变，并根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各主应变方向上的牙槽骨重建速率；根据牙槽骨重建速率，获取预设时长后各主应变方向上的牙槽骨重建量。
不难发现，本实施例为与方法实施例相对应的装置实施例，本实施例可与方法实施例互相配合实施。方法实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在方法实施例中。
值得一提的是，本实施例中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施例中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元。
本申请第九实施例提供了一种电子设备，参考图9，包括：至少一个处理器901；以及，与至少一个处理器901通信连接的存储器902；其中，存储器902存储有可被至少一个处理器901执行的指令，指令被至少一个处理器901执行，以使至少一个处理器901能够执行上述任一方法实施例所描述的牙齿矫正仿真方法、牙齿矫正预测方法或牙齿矫治器设计方法。
其中，存储器902和处理器901采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器901和存储器902的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器901处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传输给处理器901。
处理器901负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器902可以被用于存储处理器901在执行操作时所使用的数据。
本申请实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (19)

1.一种牙齿矫正仿真方法，其特征在于，包括：
获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；
施加矫治力，获取所述牙齿产生的瞬时位移和所述牙周膜的应变；
根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；
获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移；
根据所述牙槽骨重建量、所述牙槽骨重建方向、所述瞬时位移和所述回弹位移，更新所述有限元模型，并将更新后的所述有限元模型作为所述预设时长内的仿真结果。
2.根据权利要求1所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向，包括：
根据所述牙周膜在不同方向的应力分量，获取所述牙周膜的主应变方向；
将所述主应变方向作为所述牙槽骨重建方向。
3.根据权利要求2所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述根据所述牙周膜的应变确定预设时长后的牙槽骨重建量，包括：
获取所述牙周膜的各主应变，并根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率；
根据所述牙槽骨重建速率，获取所述预设时长后各所述主应变方向上的所述牙槽骨重建量。
4.根据权利要求3所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述根据预先创建的牙槽骨重建速率与牙周膜应变的关系函数，获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率，包括：
对于每个所述主应变方向，获取所述主应变方向对应的所述主应变与应变下限的关系；
在所述主应变不大于所述应变下限的情况下，所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率为零；
在所述主应变大于所述应变下限的情况下，根据所述主应变与应变上限的关系，获取所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率。
5.根据权利要求4所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，根据所述主应变与应变上限的关系，获取所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率，包括：
在所述主应变不大于所述应变上限的情况下，根据所述主应变与预设系数的乘积，确定所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率；
在所述主应变大于所述应变上限的情况下，所述主应变方向上的所述牙槽骨重建速率为预先计算出的极限重建速率。
6.根据权利要求5所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述获取各所述主应变方向上的牙槽骨重建速率，包括：根据以下公式获取所述牙槽骨重建速率
其中，e为所述主应变方向对应的所述主应变，c、l为常数，a为牙槽骨重建的应变下限，b为牙槽骨重建的应变上限。
7.根据权利要求2所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述根据所述牙周膜在不同方向的应力分量，获取所述牙周膜的主应变方向，包括：
根据所述牙周膜在不同方向的所述应力分量，获取若干主方向应力的方向向量；
将各所述主方向应力的方向向量作为各所述主应变方向。
8.根据权利要求7所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述获取若干主方向应力的方向向量，包括：根据以下公式获取所述方向向量Si(li，mi，ni)：
其中，
Ai＝τxyτyz-(σy-σi)τzx
Bi＝τxyτzx-(σx-σi)τyz
其中，i为所述主方向应力的编号，σi为第i个所述主方向应力，σx、σy分别为沿三维空间坐标系中X轴、Y轴方向上的正应力，τxy、τzx、τyz分别为沿三维空间坐标系对应平面的切应力。
9.根据权利要求1所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述有限元模型中的所述牙周膜的材料属性基于粘弹性本构模型，或超弹性本构模型确定。
10.根据权利要求1所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，所述获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型，包括：
对所述牙齿进行锥形束电子计算机断层扫描CBCT，根据所述CBCT的结果进行三维逆向重建获取所述牙齿的数字模型，并进行网格化处理；
对所述牙齿外表面网格进行沿外法向堆叠，获取所述牙周膜的数字模型，并进行所述网格化处理。
11.根据权利要求1所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，在所述获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移前，还包括：
获取所述牙周膜的实时形变，根据所述实时形变对所述牙周膜的应力状态进行检测。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的牙齿矫正仿真方法，其特征在于，还包括：
根据获取到的仿真预测时长及单次仿真的所述预设时长，确定仿真次数；
将前一次所述预设时长内的仿真结果作为新的初始状态，并根据所述仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的所述有限元模型作为所述仿真预测时长对应的所述仿真结果。
13.一种牙齿矫正预测方法，其特征在于，将所述权利要求1至11中任一项所述的牙齿矫正仿真方法作为单次仿真；所述预测包括：
根据获取到的仿真预测时长及单次仿真对应的所述预设时长，确定需要进行的仿真次数；
将前一次所述预设时长的仿真结果作为新的初始状态，并根据所述仿真次数进行若干次仿真，将最终获取到的所述有限元模型作为所述仿真预测时长对应的预测结果。
14.一种牙齿矫治器设计方法，其特征在于，包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的牙齿矫正仿真方法分别获得更新后的有限元模型；
从所述有限元模型中提取牙齿的几何形态特征；
生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型；
生成与所述数字化正畸模型匹配的数字化矫治器。
15.一种牙齿矫治器制造方法，其特征在于，包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的牙齿矫正仿真方法分别获得更新后的有限元模型；
从所述有限元模型中提取牙齿的几何形态特征；
生成包含牙齿的几何形态特征的数字化正畸模型；
根据所述数字化正畸模型制造矫治器的阳模；
在所述矫治器的阳模上以热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械；
在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙齿矫治器。
16.一种矫治器制造方法，其特征在于，包括：
根据权利要求14所述的矫治器设计方法获得数字化矫治器；
根据所述数字化矫治器对应的数据信息，通过增材制造的工艺制造得到壳状牙齿矫治器。
17.一种牙齿矫正仿真装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取包括牙齿及牙周膜的有限元模型；
第二获取模块，用于施加矫治力，获取所述牙齿产生的瞬时位移和所述牙周膜的应变；
第三获取模块，用于根据所述牙周膜的应变确定牙槽骨重建方向及预设时长后的牙槽骨重建量；
第四获取模块，用于获取停止施加所述矫治力后，所述牙周膜回弹至无应力状态下，所述牙齿产生的回弹位移；
仿真模块，用于根据所述牙槽骨重建量、所述牙槽骨重建方向、所述瞬时位移和所述回弹位移，更新所述有限元模型，并将更新后的所述有限元模型作为所述预设时长内的仿真结果。
18.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至12中任意一项所述的牙齿矫正仿真方法。
19.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至12中任一项所述的牙齿矫正仿真方法。
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