CN110930513B - 牙颌仿真模型生成方法、***、牙齿矫治器 - Google Patents

牙颌仿真模型生成方法、***、牙齿矫治器 Download PDF

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Abstract

一种牙颌仿真模型生成方法,包括：获取牙颌模型，牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；将牙颌模型进行网格化，获取网格模型，所述网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化；对网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值；分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于网格模型的几何形状变化和骨密度变化对牙颌模型重新进行网格化，获得符合要求的网格模型。由于融合了骨密度和几何形状变化，使得牙颌仿真模型能模拟牙齿移动后牙槽骨形态及密度的变化，及根据该牙颌仿真模型设计制作的牙齿矫治器能达到高效的正畸效果。

Description

牙颌仿真模型生成方法、***、牙齿矫治器
技术领域
本发明涉及牙齿正畸技术领域，具体涉及一种用于设计牙齿矫治器的牙颌仿真模型生成方法、***、牙齿矫治器。
背景技术
壳状牙齿矫治器是基于数字化牙列模型，将牙列分割成可移动的单个牙单位，通过逐步移动单个牙单位形成系列数字化模型，然后采用3D打印一系列逐步形变的模型通过热压膜工艺制作成的系列壳状牙齿矫治器。逐步形变的系列壳状牙齿矫治器顺次套于患者牙列上通过牙齿矫治器的回弹力对牙齿进行正畸。
目前使用的设计牙齿矫治器的数字化模型及分割成可移动的牙单位的牙列模型只是反映牙齿位置及形态的几何模型，牙移动设计是数字化牙单位从初始位置移动到矫正的目标位置，而没有反映牙齿移动过程中所受到的牙周膜、牙槽骨、骨密度等因素的影响。因此，由此制成的壳状牙齿矫治器进行牙齿矫正后的牙齿的位置和设计的目标位不一致，需要增加矫治器再次矫正，或临床通过辅助的方法达到目标位。
发明内容
本申请提供一种牙颌仿真模型生成方法、***及牙齿矫治器，融合骨密度仿真，使牙颌仿真模型更接近真实的牙齿及牙周结构，由该牙颌仿真模型制得的牙齿矫治器的矫治效果更接近正畸的目标位，使矫治效果更佳，矫治效率更高。
根据第一方面，提供一种牙颌仿真模型生成方法，包括：
获取牙颌模型，所述牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；
将所述牙颌模型进行网格化，获取网格模型，所述网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化；
对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值；
分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化对所述牙颌模型重新进行网格化，获得符合要求的网格模型。
进一步优选的，所述对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值，具体包括：根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0。
进一步优选的，分析载荷状态下所述网格模型的骨密度变化，具体包括：
计算所述网格模型在载荷状态下所产生的应变
Figure GDA0002375921410000021
计算应变
Figure GDA0002375921410000022
与应变阈值
Figure GDA0002375921410000023
之间的误差e；
根据所述误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000024
根据所述变化率
Figure GDA0002375921410000025
计算所述网格模型的骨密度：
Figure GDA0002375921410000026
其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
进一步优选的，所述根据所述误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000027
具体包括：
根据所述误差e计算骨的沉积率或吸收率
Figure GDA0002375921410000028
根据所述沉积率
Figure GDA00023759214100000215
计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000029
其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度。
进一步优选的，所述分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化，具体包括：
Figure GDA00023759214100000210
其中，r0为几何形状初始位置。
根据第二方面，提供一种牙齿矫治器，所述牙齿矫治器根据牙颌模型3D打印或热压工艺制得，所述牙颌模型为采用上述的牙颌仿真模型生成方法获得。
根据第三方面，提供一种牙颌仿真模型生成***，包括：
获取模块，用于获取牙颌模型，所述牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；
转化模块，用于将所述牙颌模型进行网格化，获取网格模型，所述网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化；
初始化模块，用于对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值；
分析模块，用于分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化对所述牙颌模型重新进行网格化，获取符合要求的网格模型。
进一步优选的，所述初始化模块根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0。
进一步优选的，所述分析模块执行如下步骤分析载荷状态下所述网格模型的骨密度变化：
计算所述网格模型在载荷状态下所产生的应变
Figure GDA00023759214100000211
计算应变
Figure GDA00023759214100000212
与应变阈值
Figure GDA00023759214100000213
之间的误差e；
根据所述误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA00023759214100000214
根据所述变化率
Figure GDA0002375921410000031
计算所述网格模型的骨密度：
Figure GDA0002375921410000032
其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
进一步优选的，所述根据所述误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000033
具体包括：
根据所述误差e计算骨的沉积率或吸收率
Figure GDA0002375921410000034
根据所述沉积率
Figure GDA0002375921410000035
计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000036
其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度。
进一步优选的所述分析模块分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化，具体包括：
Figure GDA0002375921410000037
其中，r0为几何形状初始位置。
依据上述实施例的牙颌仿真模型生成方法，由于融合了骨密度和几何形状变化，使得牙颌仿真模型能真实地模拟牙齿，及根据该牙颌仿真模型制得的牙齿矫治器能达到高效的正畸效果。
附图说明
图1为牙颌仿真模型生成方法流程图；
图2为牙颌模型网格化后的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种用于牙齿矫治器设计的牙颌仿真模型生成方法，与现在的牙齿矫治器设计模型不同的是，本发明的牙颌仿真模型融合了牙周膜及牙槽骨，而非是一个孤立的牙齿，且仿真过程中还引入了骨密度，因此，本发明的牙颌仿真模型生成方法更能真实地模拟牙齿。
如图1所示，本发明提供的用于牙齿矫治器设计的牙颌仿真模型生成方法，其具体包括以下步骤。
S100：获取牙颌模型。
在本步骤中，可以采用CT扫描的方式获取牙颌模型，该牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨。
S200：将牙颌模型进行网格化，获取网格模型。
网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化，如图2所示。
S300：对网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值。
在本步骤中，具体是根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0。
具体的，ρ0＝a·x+b其中，a和b是可调节的系数，x是CBCT图像的灰度值。
S400：分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于网格模型的几何形状变化和骨密度变化对牙颌模型重新进行网格化，获得符合要求的网格模型。
其中，分析载荷状态下网格模型的骨密度变化，具体包括：
计算网格模型在载荷状态下所产生的应变
Figure GDA0002375921410000041
Figure GDA0002375921410000042
其中，ni表示载荷类型i的每日循环数，σbl表示骨组织水平有效应力，m表示应力大小和载荷周期相对重要性的加权因子；
计算应变
Figure GDA0002375921410000043
与应变阈值
Figure GDA0002375921410000044
之间的误差e；
Figure GDA0002375921410000045
根据误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000046
具体的，先根据误差e计算骨的沉积率或吸收率
Figure GDA0002375921410000047
Figure GDA0002375921410000048
其中，c和w是常数；
再根据沉积率
Figure GDA0002375921410000049
计算骨密度的变化率
Figure GDA00023759214100000410
其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度；
根据所述变化率
Figure GDA00023759214100000411
计算所述网格模型的骨密度：
Figure GDA00023759214100000412
其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
分析载荷状态下网格模型的几何形状变化，具体包括：
Figure GDA00023759214100000413
其中，r0为几何形状初始位置。
当载荷施加于通过上述方法获得的网格模型时，能直观地获得牙齿的骨密度及牙齿的几何形状，为后续的牙齿正畸提供了有力的参数。
基于上述牙颌仿真模型生成方法，本发明还提供一种牙齿矫治器，该牙齿矫治器根据牙颌模型3D打印或热压工艺制得，其中，该牙颌模型为采用本发明的牙颌仿真模型生成方法获得的牙颌模型，因此，本发明制得的牙齿矫治器正畸牙齿的过程中，能较佳地结合牙周膜的牙周组织和牙槽骨的骨密度，达到快速、高效地正畸的目的。
基于上述牙颌仿真模型生成方法，本发明还提供一种用于牙齿矫治器设计的牙颌仿真模型生成***，包括：
获取模块，用于获取牙颌模型，牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；其中，获取模块可以采用CT扫描的方式获取牙颌模型，该牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨。
转化模块，用于将牙颌模型进行网格化，获取网格模型，网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化。
初始化模块，用于对网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值。
其中，初始化模块具体是根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0：ρ0＝a·x+b其中，a和b是可调节的系数，x是CBCT图像的灰度值。
分析模块，用于分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于网格模型的几何形状变化和骨密度变化对牙颌模型重新进行网格化，获取符合要求的网格模型。
其中，分析模块分析载荷状态下网格模型的骨密度变化，具体包括：
计算网格模型在载荷状态下所产生的应变
Figure GDA0002375921410000051
Figure GDA0002375921410000052
其中，ni表示载荷类型i的每日循环数，σbl表示骨组织水平有效应力，m表示应力大小和载荷周期相对重要性的加权因子；
计算应变
Figure GDA0002375921410000053
与应变阈值
Figure GDA0002375921410000054
之间的误差e；
Figure GDA0002375921410000055
根据误差e计算骨密度的变化率
Figure GDA0002375921410000056
具体的，先根据误差e计算骨的沉积率
Figure GDA0002375921410000057
Figure GDA0002375921410000058
其中，c和w是常数；
再根据沉积率或吸收率
Figure GDA0002375921410000059
计算骨密度的变化率
Figure GDA00023759214100000510
其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度；
根据变化率
Figure GDA00023759214100000511
计算网格模型的骨密度：
Figure GDA00023759214100000512
其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
分析模块分析载荷状态下网格模型的几何形状变化，具体包括：
Figure GDA00023759214100000513
其中，r0为几何形状初始位置。
当载荷施加于通过上述***获得的网格模型时，能直观地获得牙齿的骨密度及牙齿的几何形状，为后续的牙齿正畸提供了有力的参数。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (11)

1.一种牙颌仿真模型生成方法，其特征在于，包括：
获取牙颌模型，所述牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；
将所述牙颌模型进行网格化，获取网格模型，所述网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化；
对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值；
分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化对所述牙颌模型重新进行网格化，获得符合要求的网格模型。
2.如权利要求1所述的牙颌仿真模型生成方法，其特征在于，所述对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值，具体包括：根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0。
3.如权利要求2所述的牙颌仿真模型生成方法，其特征在于，分析载荷状态下所述网格模型的骨密度变化，具体包括：
计算所述网格模型在载荷状态下所产生的应变
计算应变与应变阈值之间的误差e；
根据所述误差e计算骨密度的变化率
根据所述变化率计算所述网格模型的骨密度：其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
4.如权利要求3所述的牙颌仿真模型生成方法，其特征在于，所述根据所述误差e计算骨密度的变化率具体包括：
根据所述误差e计算骨的沉积率或吸收率
根据所述沉积率计算骨密度的变化率 其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度。
5.如权利要求4所述的牙颌仿真模型生成方法，其特征在于，所述分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化，具体包括：其中，r0为几何形状初始位置。
6.一种牙齿矫治器，其特征在于，所述牙齿矫治器根据牙颌模型3D打印或热压工艺制得，所述牙颌模型为采用权利要求1-5任一项所述的牙颌仿真模型生成方法获得。
7.一种牙颌仿真模型生成***，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取牙颌模型，所述牙颌模型至少包括牙齿本体、牙周膜及牙槽骨；
转化模块，用于将所述牙颌模型进行网格化，获取网格模型，所述网格模型中各顶点的位置变化反映了牙颌模型的几何形状的变化；
初始化模块，用于对所述网格模型中的各个网格单元赋予相应的初始骨密度值；
分析模块，用于分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化，并基于所述网格模型的几何形状变化和骨密度变化对所述牙颌模型重新进行网格化，获取符合要求的网格模型。
8.如权利要求7所述的牙颌仿真模型生成***，其特征在于，所述初始化模块根据图像的灰度值对各个网格单元赋予相应的初始骨密度值ρ0。
9.如权利要求8所述的牙颌仿真模型生成***，其特征在于，所述分析模块执行如下步骤分析载荷状态下所述网格模型的骨密度变化：
计算所述网格模型在载荷状态下所产生的应变
计算应变与应变阈值之间的误差e；
根据所述误差e计算骨密度的变化率
根据所述变化率计算所述网格模型的骨密度：其中，ρ为载荷状态下网格模型的骨密度，Δt为载荷作用时长。
10.如权利要求9所述的牙颌仿真模型生成***，其特征在于，所述根据所述误差e计算骨密度的变化率具体包括：
根据所述误差e计算骨的沉积率或吸收率
根据所述沉积率计算骨密度的变化率 其中，Sv为骨表面积密度，ρt为骨组织的真实密度。
11.如权利要求10所述的牙颌仿真模型生成***，其特征在于，所述分析模块分析载荷状态下所述网格模型的几何形状变化，具体包括：其中，r0为几何形状初始位置。
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魏毅 ; 朱登明 ; .一种参数化的牙颌有限元自动建模方法.***仿真学报.2017,(第12期),全文. *

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CN110930513A (zh) 2020-03-27

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