基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法及基于該方法的托槽轉(zhuǎn)移裝置設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法及基于該方法的托槽轉(zhuǎn)移裝置設(shè)計(jì)方法，其屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及逆向工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]口腔疾病是一種常見(jiàn)的多發(fā)性疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，錯(cuò)頌畸形已經(jīng)成為三大口腔疾病(齲齒、牙周病和錯(cuò)頌畸形)之一。牙頌畸形對(duì)口腔健康、口腔功能、頌面骨骼的發(fā)育及外貌都有很大的影響。口腔正畸學(xué)已被認(rèn)為是口腔保健治療中的一個(gè)必不可少的重要部分。傳統(tǒng)的正畸治療主要依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)制定矯治方案。在治療方案確定前，手動(dòng)排牙實(shí)驗(yàn)可以幫助正畸醫(yī)生預(yù)計(jì)正畸治療所涉及的治療過(guò)程，并且告知患者可能涉及到的牙齒移動(dòng)和最終治療效果。手動(dòng)排牙過(guò)程的主要缺點(diǎn)在于效率低，并且消耗大量材料。手動(dòng)排牙步驟主要包括:(I)制作牙頌石膏模型；(2)在石膏模型基底上截?cái)嗨婕暗难例X；
[3]重新定位所需移動(dòng)的牙齒；(4)黏蠟固定。
[0003]隨著計(jì)算機(jī)圖像的高速發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括齒科應(yīng)用。越來(lái)越多的齒科技術(shù)人員使用數(shù)字化工具進(jìn)行臨床治療中醫(yī)療設(shè)備和進(jìn)程的設(shè)計(jì)和仿真，而借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行牙齒正畸治療逐漸成了口腔正畸學(xué)界的熱點(diǎn)。牙齒排列在虛擬牙齒矯正系統(tǒng)中占有十分重要的地位。在虛擬牙齒矯正系統(tǒng)中的三維空間環(huán)境下實(shí)現(xiàn)牙齒的排列，是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題?，F(xiàn)有方法存在以下問(wèn)題:(I)在測(cè)量與分析過(guò)程中沒(méi)有考慮牙根，僅適用牙冠的信息，可能導(dǎo)致治療中與治療后牙根移動(dòng)至骨皮質(zhì)外；(2)較為粗略的排牙過(guò)程及較少的約束條件導(dǎo)致較低的排牙精確性和可操作性。
[0004]相對(duì)于手動(dòng)排牙，虛擬排牙無(wú)需對(duì)石膏模型進(jìn)行切分處理，同時(shí)排牙過(guò)程為基于特征約束驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)每顆牙齒進(jìn)行單獨(dú)操作，自動(dòng)化程度高，排牙效率也會(huì)得到提高。將牙根與齒槽骨的位置關(guān)系融入算法的設(shè)計(jì)中，綜合考慮牙冠與牙根信息，不僅能設(shè)計(jì)更加合理準(zhǔn)確的治療方案，制止牙根突出齒槽骨的情況發(fā)生，而且也能預(yù)防這一情況在牙齒生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明提供一種基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法及基于該方法的托槽轉(zhuǎn)移裝置設(shè)計(jì)方法，其針對(duì)傳統(tǒng)排牙中效率低，消耗大量材料，現(xiàn)有虛擬排牙過(guò)程中缺失牙根和頌骨關(guān)系信息的問(wèn)題，提出了基于完整牙齒模型與顱骨信息的虛擬個(gè)性化精確排牙方法。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法，其包括如下方法:
[0007]步驟一:數(shù)據(jù)讀入，導(dǎo)入完整牙齒模型，數(shù)字化正畸排牙設(shè)計(jì)的接受數(shù)據(jù)包括??患者的顱骨STL模型、完整牙齒STL模型；
[0008]步驟二:提取每顆牙特征，包括牙冠及牙根的完整數(shù)據(jù)；
[0009]步驟三:建立牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫(kù):牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫(kù)包括每顆牙齒的序號(hào)和點(diǎn)云模型中特征點(diǎn)坐標(biāo)及特征點(diǎn)序號(hào)；
[0010]步驟四:下頌數(shù)字化排牙；
[0011]步驟五:上頌數(shù)字化排牙。
[0012]進(jìn)一步地，下頌數(shù)字化排牙過(guò)程分解為⑴交互式定位下頌中切牙；(2)構(gòu)建下頌托槽平面及坐標(biāo)系；(3)生成下頌牙弓曲線(xiàn)；(4)編輯下頌牙弓曲線(xiàn)；(5)利用牙冠信息自動(dòng)排列下頌牙齒，若排牙結(jié)果不符合操作者要求，則返回(4)，否則，繼續(xù)下一步；(6)利用牙根信息構(gòu)建下頌牙根平面；(7)構(gòu)建下頌根面曲線(xiàn)；(8)調(diào)整下頌牙根位置。
[0013]進(jìn)一步地，上頌數(shù)字化排牙過(guò)程分解為(I)根據(jù)覆合覆蓋關(guān)系定位上頌中切牙；
(2)構(gòu)建上頌托槽平面及坐標(biāo)系；(3)利用下頌牙弓曲線(xiàn)生成上頌牙弓曲線(xiàn)；(4)編輯上頌牙弓曲線(xiàn)；(5)利用牙冠信息自動(dòng)排列上頌牙齒，若排牙結(jié)果不符合操作者要求，則返回
(4)，否則，繼續(xù)下一步；(6)利用牙根信息構(gòu)建上頌牙根平面；(7)構(gòu)建上頌根面曲線(xiàn)；(8)調(diào)整上頌牙根位置。
[0014]進(jìn)一步地，根據(jù)牙齒的類(lèi)型，特征點(diǎn)可確定為切牙:近中點(diǎn)、遠(yuǎn)中點(diǎn)、切緣近中點(diǎn)、切緣遠(yuǎn)中點(diǎn)、托槽點(diǎn)、牙窩點(diǎn)，牙根點(diǎn)；尖牙:牙尖點(diǎn)，近中點(diǎn)，遠(yuǎn)中點(diǎn)，托槽點(diǎn)、牙根點(diǎn)；前磨牙:頰側(cè)尖點(diǎn)、舌側(cè)尖點(diǎn)、托槽點(diǎn)、近中點(diǎn)、遠(yuǎn)中點(diǎn)、牙根點(diǎn)；磨牙:近中點(diǎn)、遠(yuǎn)中點(diǎn)、頰側(cè)近中尖點(diǎn)、頰側(cè)遠(yuǎn)中尖點(diǎn)、舌側(cè)尖點(diǎn)、托槽點(diǎn)、牙根點(diǎn)。
[0015]本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種基于數(shù)字化正畸排牙方法的托槽轉(zhuǎn)移裝置設(shè)計(jì)方法，其包括如下步驟:
[0016](I)導(dǎo)入托槽模型；
[0017](2)提取托槽特征，在托槽三維模型表面提取代表模型形狀特征的特征點(diǎn)，并確定托槽中心；
[0018](3)構(gòu)件托槽坐標(biāo)系，利用步驟(2)中的特征點(diǎn)及中心點(diǎn)構(gòu)建托槽自身的相對(duì)坐標(biāo)系；
[0019](4)在全局坐標(biāo)系(全局坐標(biāo)系為模型所處環(huán)境的坐標(biāo)系，相對(duì)坐標(biāo)系為模型自身坐標(biāo)系，調(diào)整相對(duì)坐標(biāo)系相對(duì)于全局坐標(biāo)系的位置關(guān)系，從而變換矩陣反映到模型上，可以實(shí)現(xiàn)模型位姿的調(diào)整)下，調(diào)整托槽及牙齒相對(duì)坐標(biāo)系的位姿，在牙齒表面可定位托槽豐旲型；
[0020](5)設(shè)計(jì)托槽轉(zhuǎn)移裝置，在保證轉(zhuǎn)移裝置與托槽易于脫離的前提下，利用淺包圍的思想，綜合考慮托槽與牙齒的相對(duì)位置，及托槽外形和牙尖部分外形，利用托槽包圍盒及牙尖形態(tài)作為轉(zhuǎn)移裝置內(nèi)表面，再以體的形式構(gòu)建托槽轉(zhuǎn)移裝置。
[0021]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0022](I)本發(fā)明提出新的基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法，并將其應(yīng)用在正畸治療計(jì)劃中，實(shí)現(xiàn)牙冠接觸和牙根姿態(tài)可視化調(diào)整的參數(shù)化綜合排牙，并且在排牙后設(shè)計(jì)出托槽轉(zhuǎn)移裝置，在計(jì)算機(jī)輔助口腔正畸領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值；
[0023](2)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易懂的操作界面，將排牙方法融入到操作界面，使操作者能夠更容易上手，提高工作效率；
[0024](3)個(gè)性化牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫(kù)
[0025]每個(gè)牙齒的形狀極不規(guī)則，對(duì)它進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述十分困難，但從解剖學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，各牙齒上都有幾個(gè)相對(duì)確定的特征點(diǎn)，通過(guò)交互式拾取牙齒表面的特征點(diǎn)，將特征點(diǎn)存入牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫(kù)中；
[0026](4)基于特征約束的自動(dòng)排牙方法
[0027]根據(jù)齒列形態(tài)匹配數(shù)學(xué)模型和剛體的空間位姿變換原理，利用牙齒特征數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建托槽平面，牙弓曲線(xiàn)等約束特征，在特征約束下，利用牙齒本身特征，將牙齒自動(dòng)排列至合適位置，該方法自動(dòng)化程度高，排牙效率也得到提高；
[0028](5)基于特征的牙根姿態(tài)調(diào)整方法
[0029]利用牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合帶牙根的完整牙齒模型及頭骨模型，調(diào)整牙根相對(duì)于頭骨模型的姿態(tài)，該方法不僅制止排牙后牙根突出齒槽骨的情況發(fā)生，而且也能預(yù)防這一情況在牙齒生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
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[0030]圖1為本發(fā)明基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法的流程圖。
[0031]圖2為牙列初始狀態(tài)。
[0032]圖3為構(gòu)建下頌托槽平面。
[0033]圖4為自動(dòng)排牙示意圖:(Xt，Yt)為遠(yuǎn)中點(diǎn)，(Xt !, Yt O為近中點(diǎn)。
[0034]圖5為下頌排牙完成后牙弓曲線(xiàn)與牙齒的關(guān)系。
[0035]圖6為構(gòu)建下頌牙根平面與牙根曲線(xiàn)。
[0036]圖7為上下頌中切牙位置關(guān)系。
[0037]圖8為下頌牙弓曲線(xiàn)與上頌牙弓曲線(xiàn)的關(guān)系。
[0038]圖9為排牙約束特征。
[0039]圖10為完成后排牙右側(cè)牙列。
[0040]圖11為完成后排牙左側(cè)牙列。
[0041]圖12為牙齒與托槽的結(jié)構(gòu)圖。
[0042]圖13為定位后的托槽結(jié)構(gòu)圖。
[0043]圖14為托槽及托槽轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0044]圖15為托槽轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0045]圖16為上頌牙列、托槽及托槽轉(zhuǎn)移裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0046]其中:
[0047]1-托槽點(diǎn)；2_下頌托槽平面；3-中切牙；4_側(cè)切牙；5_尖牙；6_前磨牙；7_磨牙；8-下頌牙弓曲線(xiàn)；9_下頌牙根平面；10_下頌牙根點(diǎn)投影點(diǎn)；11_下頌根面曲線(xiàn)；12_上頌牙弓曲線(xiàn)；13_上頌托槽平面；14_上頌牙根平面；15_上頌牙根曲線(xiàn)；16_上頌牙根點(diǎn)投影點(diǎn)；17-定位特征點(diǎn)；18_上頌中切牙；19_下頌中切牙。
【具體實(shí)施方式】
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[0048]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明基于牙根信息的數(shù)字化正畸排牙方法，包括如下步驟:
[0049]步驟一:數(shù)據(jù)讀入，導(dǎo)入完整牙齒模型:數(shù)字化正畸排牙設(shè)計(jì)的接受數(shù)據(jù)包括:患者的顱骨STL模型、完整牙齒STL模型。顱骨STL模型為利用頭部CT掃描數(shù)據(jù)重建，完整牙齒STL模型同樣為利用頭部CT掃描數(shù)據(jù)重建。
[0050]步驟二:提取每顆牙特征，包括牙冠及牙根的完整數(shù)據(jù)。
[0051]步驟三:建