CN117338453A - 一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,包括:(1)采集患者的口腔数据,构建初始牙颌数字模型;(2)根据初始牙颌数字模型和矫治目标位置以确定矫治方案,规划牙齿移动的关键参数;(3)根据矫治方案,构建与目标位置匹配的矫治器数字模型,并对所得矫治器数字模型进行戴入模拟,得到牙齿计算模拟位置;(4)对矫治器数字模型进行优化设计,使计算模拟位置与设计目标位置相一致;(5)根据优化设计后的矫治器数字模型加工制造出对应的隐形矫治器。本发明提供的设计优化方法能精确地控制矫治器的力学特性,显著提高了正畸牙移动的可预测性和矫治方案的实现率,有利于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明属于口腔正畸技术领域,设计一种隐形矫治器的设计方法,尤其涉及一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法。
背景技术
现在隐形矫治的计算机辅助设计多集中于虚拟牙齿位置的移动,仍有许多其他工作需要正畸医生通过大量人机交互完成。目前,医生只能先根据看似理想的牙齿形态学位置变化来判断牙齿移动方案的合理性,再根据每个患者的情况进行个性化调整,这个过程十分依赖于医生的专业水平和临床经验。然而,隐形矫治器作为临床移动牙齿的主要工具,其材料特性及形态造成的影响在方案设计阶段往往被忽视,也缺少与之匹配的个性化设计。
对于隐形矫治器来说,一方面,相同矫治器系统下,所有不同错畸形、牙齿形态、牙周状况和牙齿运动模式的患者都使用均一化设计的矫治器;另一方面,矫治器的牙龈边缘设计,在不同隐形矫治系统中并无统一标准。不同隐形矫治系统下矫治器的边缘切割线到牙龈顶点的高度在0mm到4mm之间,边缘形状分为扇形和平直形,使得相同牙齿移动方案使用不同系统的隐形矫治器会产生生物力学表达差异及牙齿移动变化。在方案设计阶段,这种差异是未知且不可控的,这也是牙齿实际移动往往与计算机预测不匹配的原因之一。
此外,在临床实践中,即使某些牙齿已经粘接附件并设计了合理的移动模式,如果矫治器的边缘切割不够精确或不足以覆盖到位,也会导致难以实现设计所需的移动。
由此可见,如何提供一种隐形矫治器的设计方法,精确控制位移量和矫治力大小,提高矫治方案的实现率,成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,所述设计方法精确地控制了位移量和矫治力大小,显著提高了矫治方案的实现率,有利于大规模推广应用。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,所述设计方法包括以下步骤:
(1)采集患者的口腔数据,构建初始牙颌数字模型;
(2)根据初始牙颌数字模型和矫治目标位置以确定矫治方案,规划牙齿移动的关键参数;
(3)根据矫治方案,构建与目标位置匹配的矫治器数字模型,并采用有限元分析算法对所得矫治器数字模型进行戴入模拟,得到牙齿计算模拟位置;
(4)对矫治器数字模型进行优化设计,使计算模拟位置与设计目标位置相一致,且所述优化设计包括边缘优化设计和补偿设计;
(5)根据优化设计后的矫治器数字模型加工制造出对应的隐形矫治器。
本发明提供的设计方法采用有限元分析算法将隐形矫治器对牙齿及牙周组织施加的力学结果可视化,根据生物力学计算结果有针对性地优化矫治器的边缘设计和补偿量,最终构建出计算模拟位置与设计目标位置相匹配的矫治器数字模型,不仅在方案规划阶段考虑了矫治器与牙齿相互作用的力学结果,而且针对不同情况为矫治器提供了合理设计,从而实现了矫治器的精准施力。
本发明在牙齿移动阶段有针对性地进行隐形矫治器设计,有助于更为精确地控制位移量和矫治力大小,显著提高了矫治方案的实现率。此外,本发明有利于从逆向工程到正向工程的转化,从实际的临床需求出发,优先对矫治器外部形状特性和参数进行合理规划,进一步提高了矫治器施力的精准性。
优选地,步骤(1)所述口腔数据包括颌骨形态数据、牙齿形态数据、牙冠表面形态数据和口内软组织表面形态数据。
优选地,所述牙齿形态数据具体为包括牙根在内的牙齿形态数据。
优选地,所述颌骨形态数据和牙齿形态数据由CBCT扫描设备进行采集。
优选地,所述牙冠表面形态数据和口内软组织表面形态数据由口内扫描仪进行采集。
优选地,步骤(1)所述初始牙颌数字模型具体为包括颌骨、牙列、牙周膜和牙龈在内的口腔软硬组织三维模型。
优选地,步骤(1)所述初始牙颌数字模型的构建采用Mimics软件和Geomagic软件。
优选地,步骤(1)所述初始牙颌数字模型的构建还包括定义坐标轴。
具体地,所述定义坐标轴包括:将X轴定义为水平向,向左为正值,向右为负值;将Y轴定义为矢状向,向后为正值,向前为负值;将Z轴定义为垂直向,向上为正值,向下为负值。
优选地,步骤(2)所述矫治方案的确定基于的考虑因素包括:患者的牙齿及牙周情况、面部特征和个人需求。
优选地,步骤(2)所述牙齿移动的关键参数包括牙齿从初始位置到终末位置的移动路径、牙齿移动的顺序、每一步移动距离和方向。
优选地,步骤(3)所述矫治器数字模型的构建包括:先根据牙齿移动不同阶段的目标牙位模型,以抽壳的方式构建出相应阶段的矫治器数字模型,再将所得矫治器数字模型进行网格划分,结合材料参数和接触设置,构建出隐形矫治牙移动的生物力学模型。
优选地,所述材料参数包括颌骨、牙齿、牙周膜、牙龈和矫治器的弹性模量、泊松比或粘弹性相关Prony系数中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述接触设置包括不同组件之间的绑定关系、矫治器与牙齿及牙龈之间的摩擦系数。
优选地,步骤(3)所述戴入模拟在三维有限元分析软件中进行,以预设矫治器材料保持不变为条件,将矫治器数字模型施加于牙颌数字模型,两者发生相互作用,牙齿发生移动。
优选地,步骤(4)所述边缘优化设计包括:逐渐调整每颗牙位颊侧、舌侧的矫治器所对应的边缘形态及边缘高度,当力学计算结果中牙齿模拟移动位置与设计的终位置重叠率最大时,此时所得矫治器数字模型即为对应阶段的矫治器数字模型。
优选地,所述边缘形态包括平直形和/或扇形,且边缘高度为0-4mm,例如可以是0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm或4mm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(4)所述补偿设计在改变矫治器边缘设计仍与设计目标位无法完全一致时进行,具体包括:在三维直角坐标系中,基于生物力学计算牙齿目标位与设计目标位之间的弧度及旋转角度,进而计算矫治器在不同坐标平面的旋转补偿量。
具体地,以YZ平面为例,基于生物力学计算牙齿目标位与设计目标位之间的弧度公式为:
其中,(y1,z1)和(y2,z2)分别为设计目标位各牙的牙冠和牙根标志点;(y′1,z′1)和(y′2,z′2)分别为基于生物力学计算牙齿目标位各牙的牙冠和牙根标志点。
旋转角度公式为:
故而需要在隐形矫治器的YZ平面上添加θyz的旋转补偿量,同理可得隐形矫治器在XY平面和XZ平面上的旋转补偿量。
优选地,步骤(4)所述优化设计还伴随着生物力学监控,具体包括:输出不同阶段的力学参数,选取最佳矫治器数字模型,并对牙周膜与牙龈软组织的应力进行监控。
优选地,所述力学参数包括牙冠和牙根标志点三维方向的位移、软硬组织的应力和应变。
优选地,所述最佳矫治器数字模型的选取方法包括:将设计目标位与力学计算终末位的模型进行重叠,选取重叠偏差最小时对应的矫治器数字模型。
优选地,所述监控将牙周膜的应力控制在安全范围内。
优选地,所述监控将牙龈软组织与矫治器的接触应力控制在疼痛阈值内。
优选地,步骤(5)所述隐形矫治器的加工制造方法包括热压成形法和/或3D打印法。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明针对隐形矫治临床问题,基于生物力学计算提出了一种无托槽隐形矫治器的智能优化设计方法,采用有限元分析算法将隐形矫治器对牙齿及牙周组织施加的力学结果可视化,并根据生物力学计算结果有针对性地优化矫治器的边缘设计和补偿量,而非采用传统均一化的边缘切割,最终构建出计算模拟位置与设计目标位置相匹配的矫治器数字模型,实现了矫治器的精准施力;
(2)本发明在牙齿移动阶段有针对性地进行隐形矫治器设计,有助于更为精确地控制位移量和矫治力大小,显著提高了矫治方案的实现率;这一设计方法有利于从逆向工程到正向工程的转化,从实际的临床需求出发,优先对矫治器外部形状特性和参数进行合理规划,进一步提高了矫治器施力的精准性,从而生产出符合力学要求的隐形矫治器。
附图说明
图1为本发明提供的基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器优化设计的方法流程图。
图2是实施例1提供的设计方法所得优化设计后的矫治器数字模型组图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
本发明提供一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,如图1所示,所述设计方法包括以下步骤:
(1)采集患者的口腔数据,构建初始牙颌数字模型。
(1.1)患者在进行隐形矫治前,需常规采集口腔数据,包括CBCT和口腔数字化扫描模型:利用CBCT扫描设备采集颌骨和包括牙根在内的牙齿形态数据,利用口内扫描仪采集牙冠表面和口内软组织表面形态数据;通过Mimics、Geomagic等软件对上述两组数据进行处理和重合,构建包括颌骨、牙列、牙周膜和牙龈在内的口腔软硬组织三维模型,最终所得牙列模型由光学扫描重建的牙冠图像和CBCT成像获得的牙根解剖图像组成,这种方法可以获得高分辨率的牙冠形态,以此作为后续建立精准隐形矫治器模型的关键。
(1.2)定义坐标轴:将X轴定义为水平向,向左为正值,向右为负值;将Y轴定义为矢状向,向后为正值,向前为负值;将Z轴定义为垂直向,向上为正值,向下为负值。
(2)根据初始牙颌数字模型和矫治目标位置以确定矫治方案,规划牙齿移动的关键参数。
根据患者的牙齿及牙周情况、面部特征和个人需求等,规划包括牙齿从初始位置到终末位置的移动路径、牙齿移动的顺序、每一步移动大小和方向等关键参数。
(3)根据矫治方案,构建与目标位置匹配的矫治器数字模型,并采用有限元分析算法对所得矫治器数字模型进行戴入模拟,得到牙齿计算模拟位置。
(3.1)根据牙齿移动的不同阶段,由该阶段牙列模型中的目标牙位模型,以抽壳的方式构建出相应阶段的矫治器数字模型;之后,将所得矫治器数字模型进行网格划分,结合材料参数和接触设置,构建出隐形矫治牙移动的生物力学模型;其中,所述材料参数包括颌骨、牙齿、牙周膜、牙龈和矫治器的弹性模量、泊松比或粘弹性相关Prony系数等;所述接触设置包括不同组件之间的绑定关系、矫治器与牙齿及牙龈之间的摩擦系数。
(3.2)在三维有限元分析软件中进行矫治器的戴入模拟,以预设矫治器材料保持不变为条件,将矫治器数字模型施加于牙颌数字模型,两者发生相互作用,牙齿发生移动。
(4)对矫治器数字模型进行优化设计,使计算模拟位置与设计目标位置相一致,且所述优化设计包括边缘优化设计和补偿设计。
(4.1)边缘优化设计:逐渐调整每颗牙位颊侧、舌侧的矫治器所对应的边缘形态及边缘高度,当力学计算结果中牙齿模拟移动位置与设计的终位置重叠率最大时,此时所得矫治器数字模型即为对应阶段的矫治器数字模型;其中,所述边缘形态包括平直形和/或扇形,且边缘高度为0-4mm。
(4.2)补偿设计:当改变矫治器边缘设计仍与设计目标位无法完全一致时进行矫治器的补偿设计,具体包括:在三维直角坐标系中,基于生物力学计算牙齿目标位与设计目标位之间的弧度及旋转角度,进而计算矫治器在不同坐标平面的旋转补偿量。
具体地,以YZ平面为例,基于生物力学计算牙齿目标位与设计目标位之间的弧度公式为:
其中,(y1,z1)和(y2,z2)分别为设计目标位各牙的牙冠和牙根标志点;(y′1,z′1)和(y′2,z′2)分别为基于生物力学计算牙齿目标位各牙的牙冠和牙根标志点。
旋转角度公式为:
故而需要在隐形矫治器的YZ平面上添加θyz的旋转补偿量,同理可得隐形矫治器在XY平面和XZ平面上的旋转补偿量。
(4.3)输出不同阶段牙冠和牙根标志点三维方向的位移、软硬组织的应力和应变等力学参数。
(4.3.1)将设计目标位与力学计算终末位的模型进行重叠,选取重叠偏差最小时对应的矫治器数字模型。
(4.3.2)监控模块:①判断牙周膜的应力,控制在安全范围内;②判断牙龈软组织与矫治器的接触应力,控制在疼痛阈值内。
(5)根据优化设计后的矫治器数字模型加工制造出对应的隐形矫治器,且加工制造方法包括热压成形法和/或3D打印法。
实施例1
本实施例提供一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,以拔除双侧上颌第一前磨牙整体内收上前牙时隐形矫治器的设计为例,所述设计方法包括以下步骤:
(1)利用CBCT扫描设备扫描已拔除双侧上颌第一前磨牙患者从眶下缘到颏部区域,将原始图像以DICOM格式保存;随后,将DICOM文件导入医学三维重建软件Mimics,根据灰度阈值将单个牙齿从图像中分离出来,提取出包括牙根在内的完整牙齿;通过CBCT图像重建出上颌骨和牙列模型,在牙根和牙槽骨之间的间隙为牙周膜组织。
(2)利用口内扫描仪扫描患者口腔,获得口腔表面的牙冠和牙龈软组织的数据信息,以stl格式保存;通过逆向工程软件Geomagic对数据进行处理,得到精确的牙冠模型和牙龈表面模型;将该模型与基于CBCT重建的牙列模型重合后,得到复合牙列模型;将该模型与基于CBCT重建的颌骨模型进行布尔运算后,得到具有真实厚度的牙龈模型。
(3)最终建立包括上颌骨、上颌牙列、牙龈和牙周膜在内的三维解剖模型。
(4)定义坐标轴:将X轴定义为水平向,向左为正值,向右为负值;将Y轴定义为矢状向,向后为正值,向前为负值;将Z轴定义为垂直向,向上为正值,向下为负值。
(5)根据患者的牙齿及牙周情况、面部特征和个人需求等,规划包括牙齿从初始位置到终末位置的移动路径、牙齿移动的顺序、每一步移动大小和方向等关键参数;经厂商和医生确定后,获得多个阶段的牙齿设计目标位置;本实施例方案设计为:上颌前牙整体内收0.25mm。
(6)用上前牙整体内收0.25mm后的目标牙位模型,以抽壳的方式构建出相应阶段的矫治器数字模型。
(7)将矫治器数字模型进行网格划分,结合材料参数和接触设置,构建出隐形矫治牙移动的生物力学模型;其中,材料参数包括颌骨、上颌牙列、牙龈和牙周膜的弹性模量及泊松比。由于不同矫治系统中隐形矫治器材料的力学性能不同,且材料表现出非线性特性,因此采用对应矫治器的应力-应变信息;其中,应力-应变参数是通过电子万能测试机,根据国际标准化组织(ISO-527)中的测试获得。
(8)设置不同组件之间的绑定关系、矫治器与牙齿及牙龈之间的摩擦系数。
(9)模拟矫治器拉伸后戴入牙列,形变后产生回弹应力通过矫治器内表面作用于牙冠。
(10)读取计算后牙列位移后的模拟位置、各标志点的三维方向位移量和各部分模型的应力大小及分布等力学仿真结果。
(11)逐渐调整每颗牙位颊侧、舌侧的矫治器所对应的边缘形态及边缘高度等,当该力学计算结果中牙齿模拟移动位置与设计的终位置重叠率最大时,此时该矫治器数字模型即为该阶段的矫治器数字模型。
(12)具体的边缘形态有2种,分别为平直形和扇形;边缘高度在0-4mm之间,间隔为0.5mm。
(13)基于生物力学计算结果,构建出与设计目标位相匹配的具有差异性边缘设计的隐形矫治器。本实施例中,中切牙、侧切牙和尖牙区域,唇侧最适矫治器边缘高度为2mm,平直形;舌侧最适边缘高度为0mm,扇形;第二前磨牙、第一磨牙和第二磨牙区的唇、舌侧最适边缘高度均为2mm,平直形(见图2)。
(14)本实施例的监控模块涉及两部分:①判断牙周膜的应力,控制在安全范围(0.026MPa)内;②判断牙龈软组织与矫治器的接触应力,控制在疼痛阈值(0.63MPa)内。
(15)根据优化设计后的矫治器数字模型加工制造出对应的隐形矫治器,本实施例中隐形矫治器的加工制作方法为:通过热压成形技术获得矫治器原型,然后机械臂将根据设置好的偏移量自动修整边缘,最终完成自动化加工、打磨和包装的过程。
此外,本实施例提供的设计方法中,由于重建出的矫治器模型stl文件包含了矫治器的几何形状和尺寸信息,故可以直接通过3D打印技术,快速、准确地制造出所设计的隐形矫治器。
由此可见,本发明针对隐形矫治临床问题,基于生物力学计算提出了一种无托槽隐形矫治器的智能优化设计方法,采用有限元分析算法将隐形矫治器对牙齿及牙周组织施加的力学结果可视化,并根据生物力学计算结果有针对性地优化矫治器的边缘设计和补偿量,而非采用传统均一化的边缘切割,最终构建出计算模拟位置与设计目标位置相匹配的矫治器数字模型,实现矫治器的精准施力。
此外,本发明在牙齿移动阶段有针对性地进行隐形矫治器设计,有助于更为精确地控制位移量和矫治力大小,显著提高了矫治方案的实现率;这一设计方法有利于从逆向工程到正向工程的转化,从实际的临床需求出发,优先对矫治器外部形状特性和参数进行合理规划,进一步提高了矫治器施力的精准性,从而生产出符合力学要求的隐形矫治器。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种基于生物力学计算的无托槽隐形矫治器的设计方法,其特征在于,所述设计方法包括以下步骤:
(1)采集患者的口腔数据,构建初始牙颌数字模型;
(2)根据初始牙颌数字模型和矫治目标位置以确定矫治方案,规划牙齿移动的关键参数;
(3)根据矫治方案,构建与目标位置匹配的矫治器数字模型,并采用有限元分析算法对所得矫治器数字模型进行戴入模拟,得到牙齿计算模拟位置;
(4)对矫治器数字模型进行优化设计,使计算模拟位置与设计目标位置相一致,且所述优化设计包括边缘优化设计和补偿设计;
(5)根据优化设计后的矫治器数字模型加工制造出对应的隐形矫治器。
2.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,步骤(1)所述口腔数据包括颌骨形态数据、牙齿形态数据、牙冠表面形态数据和口内软组织表面形态数据;
优选地,所述牙齿形态数据具体为包括牙根在内的牙齿形态数据;
优选地,所述颌骨形态数据和牙齿形态数据由CBCT扫描设备进行采集;
优选地,所述牙冠表面形态数据和口内软组织表面形态数据由口内扫描仪进行采集。
3.根据权利要求1或2所述的设计方法,其特征在于,步骤(1)所述初始牙颌数字模型具体为包括颌骨、牙列、牙周膜和牙龈在内的口腔软硬组织三维模型;
优选地,步骤(1)所述初始牙颌数字模型的构建采用Mimics软件和Geomagic软件;
优选地,步骤(1)所述初始牙颌数字模型的构建还包括定义坐标轴。
4.根据权利要求1-3任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(2)所述矫治方案的确定基于的考虑因素包括:患者的牙齿及牙周情况、面部特征和个人需求;
优选地,步骤(2)所述牙齿移动的关键参数包括牙齿从初始位置到终末位置的移动路径、牙齿移动的顺序、每一步移动距离和方向。
5.根据权利要求1-4任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(3)所述矫治器数字模型的构建包括:先根据牙齿移动不同阶段的目标牙位模型,以抽壳的方式构建出相应阶段的矫治器数字模型,再将所得矫治器数字模型进行网格划分,结合材料参数和接触设置,构建出隐形矫治牙移动的生物力学模型;
优选地,所述材料参数包括颌骨、牙齿、牙周膜、牙龈和矫治器的弹性模量、泊松比或粘弹性相关Prony系数中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述接触设置包括不同组件之间的绑定关系、矫治器与牙齿及牙龈之间的摩擦系数。
6.根据权利要求1-5任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(3)所述戴入模拟在三维有限元分析软件中进行,以预设矫治器材料保持不变为条件,将矫治器数字模型施加于牙颌数字模型,两者发生相互作用,牙齿发生移动。
7.根据权利要求1-6任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(4)所述边缘优化设计包括:逐渐调整每颗牙位颊侧、舌侧的矫治器所对应的边缘形态及边缘高度,当力学计算结果中牙齿模拟移动位置与设计的终位置重叠率最大时,此时所得矫治器数字模型即为对应阶段的矫治器数字模型;
优选地,所述边缘形态包括平直形和/或扇形,且边缘高度为0-4mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(4)所述补偿设计在改变矫治器边缘设计仍与设计目标位无法完全一致时进行,具体包括:在三维直角坐标系中,基于生物力学计算牙齿目标位与设计目标位之间的弧度及旋转角度,进而计算矫治器在不同坐标平面的旋转补偿量。
9.根据权利要求1-8任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(4)所述优化设计还伴随着生物力学监控,具体包括:输出不同阶段的力学参数,选取最佳矫治器数字模型,并对牙周膜与牙龈软组织的应力进行监控;
优选地,所述力学参数包括牙冠和牙根标志点三维方向的位移、软硬组织的应力和应变;
优选地,所述最佳矫治器数字模型的选取方法包括:将设计目标位与力学计算终末位的模型进行重叠,选取重叠偏差最小时对应的矫治器数字模型;
优选地,所述监控将牙周膜的应力控制在安全范围内;
优选地,所述监控将牙龈软组织与矫治器的接触应力控制在疼痛阈值内。
10.根据权利要求1-9任一项所述的设计方法,其特征在于,步骤(5)所述隐形矫治器的加工制造方法包括热压成形法和/或3D打印法。
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
CN105266906A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-01-27 | 肖然 | 一种隐形矫治器的制造方法 |
CN108268673A (zh) * | 2016-12-30 | 2018-07-10 | 无锡时代天使医疗器械科技有限公司 | 用于对牙齿矫治器的矫治效果进行数字化仿真的方法 |
CN112545680A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-03-26 | 宁波职业技术学院 | 一种隐形矫治器的制作方法及系统 |
CN116250945A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-06-13 | 山西赛力斯科技有限公司 | 一种隐形矫治器的制造方法 |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105266906A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-01-27 | 肖然 | 一种隐形矫治器的制造方法 |
CN108268673A (zh) * | 2016-12-30 | 2018-07-10 | 无锡时代天使医疗器械科技有限公司 | 用于对牙齿矫治器的矫治效果进行数字化仿真的方法 |
CN112545680A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-03-26 | 宁波职业技术学院 | 一种隐形矫治器的制作方法及系统 |
CN116250945A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-06-13 | 山西赛力斯科技有限公司 | 一种隐形矫治器的制造方法 |
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