一種設計正畸矯治方案的方法與流程

文檔序號：11088180閱讀：1059來源：國知局

本發(fā)明涉及牙齒正畸領域，尤其涉及一種設計正畸矯治方案的方法。

背景技術：

目前，用于矯正牙齒錯位不齊的正畸矯治器主要是唇側固定矯治器，通常是由粘接在牙齒唇面的金屬托槽/頰管(磨牙上一般用頰管)，串聯(lián)各個托槽/頰管的弓絲以及結扎絲組成，利用彈性弓絲的回彈作用排齊錯位的牙齒，利用粗尺寸硬度高的不銹鋼絲作為穩(wěn)定絲來關閉拔牙間隙。這是一種通用型矯治器(不同病人之間通用)，由正畸醫(yī)生在臨床上利用粘接劑直接安放到對應的牙齒上，具有臨床操作簡單，牙齒移動控制精確，治療效果理想同時價格經(jīng)濟等優(yōu)點；最大的不足之處在于矯治器位于牙齒的唇頰面，容易暴露于外面，從而影響美觀。

1998年，美國AlignTechnology，Inc.推出了透明矯正裝置(invisalignappliance)，也就是隱形矯治器。國內(nèi)首都醫(yī)科大學和北京時代天使公司于2003年開始進行隱形矯治器技術的研究，并于2006年開始推廣使用。無托槽隱形矯治器是一種通過計算機輔助設計和制作的透明彈性材料活動矯正裝置，它是一系列連續(xù)的矯治裝置，通過不斷的小范圍移動牙齒達到牙齒矯治的目的。與傳統(tǒng)的牙齒畸形矯治技術相比，隱形矯治器具有安全、舒適、美觀、容易清潔牙齒、椅旁操作時間短等優(yōu)點，因而受到越來越多正畸醫(yī)生和牙頜畸形患者的關注。但是在現(xiàn)有隱形矯治器的制作過程中，對牙齒的正畸調(diào)節(jié)比較繁瑣，并且精確度不高。

專利CN105748163A公開了一種計算機輔助牙齒無托槽隱形矯治器設計方法，包含下列步驟：步驟一、構建包含有牙齦的牙齒模型：步驟二、進行虛擬矯治對牙齒模型進行運動處理，獲得牙齒模型運動信息：包含依次進行的牙齒運動構建和牙齒路徑規(guī)劃的步驟，并根據(jù)牙齒模型的運動信息采用基于Laplacian算子的自由形變算法對牙齒模型中的虛擬牙齦網(wǎng)格進行形變計算；牙齒運動構建具體是包括建立單顆牙齒局部坐標和建立單顆牙齒的運動方式，運動方式包括以下六種方式：伸長/壓低變換、頰面/舌面平移變換、近中/遠中平移變換、近中/遠中方向牙冠旋轉、主軸方向旋轉變換、頰面/舌面牙齒根部旋轉。步驟三、再將處理后的牙齒模型進行優(yōu)化處理和生產(chǎn)，優(yōu)化處理和生產(chǎn)包含生物力學分析、矯治輔助附件安裝、3D打印預處理、牙齦線提取和矯治器實物生產(chǎn)的步驟。專利CN102512251A公開了一種隱形矯治器的制造方法，將牙頜物理模型中待矯正牙齒部位處的熱塑性材料加熱到70℃并保溫3分鐘，使其軟化；待熱塑性材料軟化后移動待矯正的牙齒一定距離至目標矯正位置；移動牙齒之后，冷卻熱塑性材料使其硬化；待熱塑性材料冷卻至室溫后以其為母模使用牙科用正畸片制出所需的隱形矯治器。

可見，現(xiàn)有技術中的調(diào)牙步驟繁瑣，不便于實際生產(chǎn)的操作，因此，有必要提供一種設計正畸矯治方案的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種設計正畸矯治方案的方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種設計正畸矯治方案的方法，包括如下步驟：

S1.通過3D掃描設備獲取牙頜的三維數(shù)字化模型；

S2.通過分析點云數(shù)據(jù)獲取牙頜三維數(shù)字化模型的坐標系，通過牙頜數(shù)字化模型獲取牙冠的三維數(shù)字化模型，并與獲取的牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息進行對比驗證，根據(jù)牙齒方向和牙根位置信息，重建完整的牙齒數(shù)字化模型；

S3.獲取表示牙根方向和位置的調(diào)節(jié)器模塊，通過所述調(diào)節(jié)器模塊帶動牙齒移動進行調(diào)牙；

S4.基于步驟S2得到的牙齒數(shù)字化模型，從每顆牙齒獲取種子點，通過曲線擬合獲取當前牙齒的排列曲線；所述種子點為牙齒基于幾何拓撲結構計算的位置；

S5.提供正畸建議，獲得矯治器。

優(yōu)選地，通過圖像分析法分析口腔全景片和口腔側位片，獲取牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息。

優(yōu)選地，通過CT設備對牙齒掃描得到牙齒影像，并通過三維重建獲取牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息。

優(yōu)選地，所述步驟S1中通過口內(nèi)掃描儀獲取牙頜的三維數(shù)字化模型。

優(yōu)選地，所述步驟S1中對牙齒印模獲取牙頜的石膏模型，通過牙科3D掃描設備掃描牙齒的石膏模型，獲取牙頜的三維數(shù)字化模型。

優(yōu)選地，所述步驟S2包括：將牙頜的三維數(shù)字化模型進行切割獲取牙冠的三維數(shù)字化模型。

優(yōu)選地，對牙齒印模獲取牙頜的石膏模型，然后對石膏模型的每顆牙齒進行染色處理，最后對染色的石膏模型進行掃描，一次性獲取牙冠的三維數(shù)字化模型以及牙頜的三維數(shù)字化模型。

進一步地，所述步驟S2中采用最小包圍盒算法獲取牙齒的長方體形狀包圍盒，根據(jù)牙齒模型自身的拓撲特性，將最短邊設置為牙根牙冠方向；再根據(jù)門牙附近模型的點云數(shù)據(jù)集中在中間、后磨牙附近模型的點云數(shù)據(jù)集中在兩側、中間為空的特性，判斷牙頜的三維數(shù)字化模型從舌側到唇側的方向信息并建立牙頜坐標系；將獲取的單顆牙齒的方向信息匹配到S2獲取的牙頜坐標系中，從而得到指示牙齒方向的標識。

進一步地，所述步驟S3中通過可視化設備顯示牙齒、牙齦、牙齒坐標系、牙齒在牙頜中的位置以及牙頜坐標系；通過拖動牙齒方向標識，對牙齒進行移動或者旋轉操作，從而達到調(diào)牙的效果；調(diào)牙過程中，同時顯示相鄰牙齒的方向差異和牙齒在牙頜中的位置，用于判斷牙齒畸形程度和畸形矯正程度。

進一步地，所述步驟S5具體包括：

S501.預測并重建正畸后牙頜形狀；

S502.生成矯正的三維數(shù)字化牙頜模型或三維數(shù)字化矯治器模型；所述矯正的三維數(shù)字化牙頜模型為實體結構或中空結構；

S503.將獲得的三維數(shù)字化牙頜模型導入3D打印設備，打印得到牙頜模型，并對打印的牙頜模型進行壓膜處理得到矯治器；將獲得的三維數(shù)字化矯治器模型導入3D打印設備，打印得到矯治器。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的設計正畸矯治方案的方法，通過自動化計算獲取牙齒數(shù)字化模型；

(2)本發(fā)明的設計正畸矯治方案的方法，通過查看牙根移動是否超出牙槽骨的限制，從而避免對牙齒位置的過度調(diào)節(jié)；

(3)本發(fā)明采用自動化正畸方法，操作簡單、調(diào)牙精確度高，提高了牙齒的正畸效率和效果。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

本發(fā)明公開了一種設計正畸矯治方案的方法，包括如下步驟：

S1.通過交互式手工標注的方式，或者通過自動化數(shù)據(jù)識別的方式分析口腔全景片和口腔側位片，獲取每顆牙齒在片子中的位置，并計算牙齒方向信息，獲取牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息；如果是標準DICOM數(shù)字圖像，可以獲取具體的每一顆牙齒的坐標信息；通過口內(nèi)掃描儀獲取牙頜的三維數(shù)字化模型；

S2.通過最小包圍盒算法和點云數(shù)據(jù)分布獲取牙頜三維數(shù)字化模型的坐標系，采用手工切割或者其他自動化切割方式對牙頜模型進行切割，獲取牙冠的三維數(shù)字化模型，并與獲取的牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息進行對比驗證，根據(jù)牙齒方向和牙根位置信息，重建完整的分割后的牙齒數(shù)字化模型；

最小包圍盒算法是指尋找可以包圍空間的六面體，通過迭代方法找到體積最小的六面體。

點云數(shù)據(jù)分布是指以六面體某一個頂點為原點，相鄰邊為坐標軸，形成一個坐標系。牙齒方向是指牙根到牙冠的方向，牙齒方向采用坐標系的三個軸向之一，假設將牙齒方向設置為Z軸，另外兩個軸分別為X軸和Y軸。由于3D點云數(shù)據(jù)為面數(shù)據(jù)，牙齒底部缺失。采用牙齒點云數(shù)據(jù)平行于XY平面作出截面，大多可以獲得環(huán)狀點云，而由于牙齒底部缺失，多數(shù)情況下平行于其他平面作截面不能獲得環(huán)狀點云。根據(jù)這個特性，可以從三個坐標軸方向中確定牙齒方向。

采用最小包圍盒算法獲取牙齒的長方體形狀包圍盒，根據(jù)牙齒模型自身的拓撲特性，將最短邊設置為牙根牙冠方向；再根據(jù)門牙附近模型的點云數(shù)據(jù)集中在中間，后磨牙附近模型的點云數(shù)據(jù)集中在兩側，中間為空的特性，判斷牙頜模型從舌側到唇側的方向信息并建立牙頜坐標系，其中三個軸分別是舌側到唇側方向、牙齦到牙冠方向以及與嘴唇平行的方向。

將S1中獲取的單顆牙齒的方向信息匹配到獲取的牙頜坐標系中，從而得到指示牙齒方向的標識。通過標定某一顆或者幾顆牙齒在兩個坐標系的對應關系，然后通過相對位置獲取其他牙齒的方向信息；或者通過ICP算法等成熟圖像或三維圖形匹配算法，先對模型數(shù)據(jù)進行匹配，把模型放進同一個坐標系，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)模型下牙齒的牙冠方向信息和牙根位置信息。

S3.獲取表示牙根方向和位置的調(diào)節(jié)器模塊，通過所述調(diào)節(jié)器模塊帶動牙齒移動進行調(diào)牙；通過可視化設備顯示牙齒、牙齦、牙齒坐標系、牙齒在牙頜中的位置以及牙頜坐標系；通過拖動牙齒方向標識，對牙齒進行移動或者旋轉操作，從而達到調(diào)牙的效果；調(diào)牙過程中，同時顯示相鄰牙齒的位置關系，用于直觀判斷牙齒畸形程度和畸形矯正程度，并對碰撞程度給出提示；調(diào)牙過程中，同時顯示牙齒本次移動的距離和角度，以及牙齒累計移動的距離和角度，并對超出預設距離或角度的操作給出警告。

采用交互方式確認一次調(diào)牙工作結束；調(diào)牙過程中或調(diào)牙結束后可以基于預設閾值對用戶輸入的移動過程進行分解，把一次移動分解為連續(xù)的多次移動，并且保證每次的移動量不超過預設閾值；調(diào)牙過程中，上述分解過程可以是針對單顆或多顆牙齒同時進行操作；調(diào)牙過程中，通過設定閾值防止上述分解過程中因牙齒位置變化而發(fā)生碰撞程度加深的情況，當發(fā)生的碰撞超出閾值時，調(diào)節(jié)器模塊自動嘗試調(diào)整兩側牙齒的移動順序和速率，以避免碰撞；調(diào)牙過程中，自動分解的多個調(diào)牙階段可通過可視化設備演示，并由用戶進一步調(diào)整其中任意一個階段的位置變化，以達到用戶滿意的效果。

通過CT掃描獲取調(diào)牙后重建的三維模型，并與步驟S1中的牙頜三維數(shù)字化模型進行匹配，CT掃描生成的三維模型更加全面，包括了牙齒、牙頜骨、牙槽骨等，可以觀察牙齒移動過程中是否超出了牙槽骨的范圍，避免對牙齒位置的過度調(diào)節(jié)；若牙根移動超出牙槽骨的范圍，則重復使用調(diào)節(jié)器調(diào)牙；若牙根移動沒有超出牙槽骨的范圍，則繼續(xù)步驟S4。

S4.基于步驟S2得到的分割后的牙齒數(shù)字化模型，從每顆牙齒獲取種子點，通過曲線擬合獲取當前牙齒的排列曲線；所述種子點為牙齒基于幾何拓撲結構計算的位置，比如牙齒中心、重心或者手工標定的位置；

S5.對排列曲線進行評估，獲取畸形程度并提供正畸建議；然后獲得矯治器；具體包括：

S501.預測并重建正畸后牙頜形狀；

通常情況下排列曲線在牙頜平面上的投影基于牙齒中線位置對稱排列，從中線位置向兩側同一個方向變化，牙齒間距相等，牙根方向具有一定的規(guī)律性?；诖丝梢杂嬎阊例X不對稱的情況、過于擁擠的情況以及牙齒排列不整齊的情況，根據(jù)這些情況提供正畸建議。此外，還可以考慮牙齒的咬合度。

正畸過程可以分解為多個階段，預測每一個階段的牙頜形狀，并對每個階段的牙頜進行重建和打印。

現(xiàn)有技術中醫(yī)生會對每一個階段進行處理，比如矯正需要兩年，54個階段，則需要對上下頜進行108次處理，工作量大且無法保證精確。

而本發(fā)明采用交互方法，由計算機計算出總的階段數(shù)量以及各個階段的牙齒偏移量，并顯示；然后由醫(yī)生進行評估后微調(diào)。計算機通過線性插值或者基于一定規(guī)則的非線性插值的方法生成各個階段的預期效果，然后由醫(yī)生微調(diào)確認。

S502.生成矯正的三維數(shù)字化牙頜模型或三維數(shù)字化矯治器模型；

所述矯正的三維數(shù)字化牙頜模型可以是實體結構，或者通過對實體模型進行抽殼處理，生成中空結構模型，進行打印，以節(jié)省打印材料。

還可以通過獲取正畸后的牙齦曲面和牙齒曲面圖，生成空腔結構的矯正后的三維數(shù)字化牙頜模型或三維數(shù)字化隱形矯治器模型；在牙頜模型的空腔中直接生成打印模型所必須的支撐結構，以調(diào)牙后的相鄰三顆或四顆牙齒的牙根、牙冠信息為基礎，生成牙齦曲面。

在生成牙齦曲面的過程中，設定閾值，直接生成內(nèi)外兩個曲面，閾值為內(nèi)曲面到外曲面的厚度。可以采用以下兩種方法生成三維數(shù)字化模型：

方法一：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為內(nèi)曲面，然后向外擴展生成外曲面，內(nèi)外曲面組合生成可以直接打印的隱形矯治器模型。

方法二：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為外曲面，然后向內(nèi)擴展生成內(nèi)曲面，內(nèi)外曲面組合生成牙頜的空腔結構，即可打印的牙頜模型。

實施例2

本發(fā)明公開了一種設計正畸矯治方案的方法，包括如下步驟：

S1.通過CT設備對牙齒掃描得到牙齒影像，并通過三維重建獲取牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息；重建之后并不能分割牙冠和牙根信息，但是可以通過交互式方法在軟件中標定牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息；對牙齒印模獲取牙頜的石膏模型，通過專用牙科3D掃描設備掃描牙齒的石膏模型，獲取牙頜的三維數(shù)字化模型。

最小包圍盒算法是指尋找可以包圍空間的六面體，通過迭代方法找到體積最小的六面體。

S5.對排列曲線進行評估，獲取畸形程度并提供正畸建議；然后獲得矯治器；具體包括：

S501.預測并重建正畸后牙頜形狀；

通常情況下排列曲線在牙頜平面上的投影基于牙齒中線位置對稱排列，從中線位置向兩側同一個方向變化，牙齒間距相等，牙根方向具有一定的規(guī)律性。基于此可以計算牙齒不對稱的情況、過于擁擠的情況以及牙齒排列不整齊的情況，根據(jù)這些情況提供正畸建議。此外，還可以考慮牙齒的咬合度。

正畸過程可以分解為多個階段，預測每一個階段的牙頜形狀，并對每個階段的牙頜進行重建和打印。

采用交互方法，由計算機計算出總的階段數(shù)量以及各個階段的牙齒偏移量，并顯示；然后由醫(yī)生進行評估后微調(diào)。計算機通過線性插值或者基于一定規(guī)則的非線性插值的方法生成各個階段的預期效果，然后由醫(yī)生微調(diào)確認。

S502.生成矯正的三維數(shù)字化牙頜模型或三維數(shù)字化矯治器模型；

所述矯正的三維數(shù)字化牙頜模型可以是實體結構，或者通過對實體模型進行抽殼處理，生成中空結構模型，進行打印，以節(jié)省打印材料。

在生成牙齦曲面的過程中，設定閾值，直接生成內(nèi)外兩個曲面，閾值為內(nèi)曲面到外曲面的厚度?？梢圆捎靡韵聝煞N方法生成三維數(shù)字化模型：

方法一：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為內(nèi)曲面，然后向外擴展生成外曲面，內(nèi)外曲面組合生成可以直接打印的隱形矯治器模型。

方法二：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為外曲面，然后向內(nèi)擴展生成內(nèi)曲面，內(nèi)外曲面組合生成牙頜的空腔結構，即可打印的牙頜模型。

實施例3

本發(fā)明公開了一種設計正畸矯治方案的方法，包括如下步驟：

S1.通過CBCT設備對牙齒掃描得到牙齒影像，并通過三維重建獲取牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息；重建之后并不能分割牙冠和牙根信息，但是可以通過交互式方法在軟件中標定牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息；對牙齒印模獲取牙頜的石膏模型，然后對石膏模型的每顆牙齒進行染色處理，將每顆牙齒染上不同的顏色，并且染上的顏色與牙齒和牙齦的本色均不相同，通過不同的顏色將牙齒與牙齦區(qū)分開，并將單顆牙齒區(qū)分開；一次性獲取牙冠的三維數(shù)字化模型以及牙頜整體的三維數(shù)字化模型；

S2.通過最小包圍盒算法和點云數(shù)據(jù)分布獲取牙頜三維數(shù)字化模型的坐標系，將牙冠的三維數(shù)字化模型與獲取的牙齒牙冠方向信息和牙根位置信息進行對比驗證，根據(jù)牙齒方向和牙根位置信息，重建完整的分割后的牙齒數(shù)字化模型；

最小包圍盒算法是指尋找可以包圍空間的六面體，通過迭代方法找到體積最小的六面體。

S5.對排列曲線進行評估，獲取畸形程度并提供正畸建議；然后獲得矯治器；具體包括：

S501.預測并重建正畸后牙頜形狀；

正畸過程可以分解為多個階段，預測每一個階段的牙頜形狀，并對每個階段的牙頜進行重建和打印。

S502.生成矯正的三維數(shù)字化牙頜模型或三維數(shù)字化矯治器模型；

所述矯正的三維數(shù)字化牙頜模型可以是實體結構，或者通過對實體模型進行抽殼處理，生成中空結構模型，進行打印，以節(jié)省打印材料。

方法一：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為內(nèi)曲面，然后向外擴展生成外曲面，內(nèi)外曲面組合生成可以直接打印的隱形矯治器模型。

方法二：將牙齦曲面和牙齒外表面設置為外曲面，然后向內(nèi)擴展生成內(nèi)曲面，內(nèi)外曲面組合生成牙頜的空腔結構，即可打印的牙頜模型。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的設計正畸矯治方案的方法，通過自動化計算獲取牙齒數(shù)字化模型；

(2)本發(fā)明的設計正畸矯治方案的方法，通過查看牙根移動是否超出牙槽骨的限制，從而避免對牙齒位置的過度調(diào)節(jié)；