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)計方法，其屬于計算機輔助設(shè)計領(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的多發(fā)性疾病。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，錯頌畸形已經(jīng)成為三大口腔疾病(齲齒、牙周病和錯頌畸形)之一。牙頌畸形對口腔健康、口腔功能、頌面骨骼的發(fā)育及外貌都有很大的影響?？谇徽麑W(xué)已被認為是口腔保健治療中的一個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)驗制定矯治方案。在治療方案確定前，手動排牙實驗可以幫助正畸醫(yī)生預(yù)計正畸治療所涉及的治療過程，并且告知患者可能涉及到的牙齒移動和最終治療效果。手動排牙過程的主要缺點在于效率低，并且消耗大量材料。手動排牙步驟主要包括:(I)制作牙頌石膏模型；(2)在石膏模型基底上截斷所涉及的牙齒；
[3]重新定位所需移動的牙齒；(4)黏蠟固定。
[0003]隨著計算機圖像的高速發(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。越來越多的齒科技術(shù)人員使用數(shù)字化工具進行臨床治療中醫(yī)療設(shè)備和進程的設(shè)計和仿真，而借助計算機進行牙齒正畸治療逐漸成了口腔正畸學(xué)界的熱點。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)境下實現(xiàn)牙齒的排列，是一個復(fù)雜的問題?，F(xiàn)有方法存在以下問題:(I)在測量與分析過程中沒有考慮牙根，僅適用牙冠的信息，可能導(dǎo)致治療中與治療后牙根移動至骨皮質(zhì)外；(2)較為粗略的排牙過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]相對于手動排牙，虛擬排牙無需對石膏模型進行切分處理，同時排牙過程為基于特征約束驅(qū)動，無需對每顆牙齒進行單獨操作，自動化程度高，排牙效率也會得到提高。將牙根與齒槽骨的位置關(guān)系融入算法的設(shè)計中，綜合考慮牙冠與牙根信息，不僅能設(shè)計更加合理準確的治療方案，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過程中出現(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)計方法，其針對傳統(tǒng)排牙中效率低，消耗大量材料，現(xiàn)有虛擬排牙過程中缺失牙根和頌骨關(guān)系信息的問題，提出了基于完整牙齒模型與顱骨信息的虛擬個性化精確排牙方法。
[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:牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫包括每顆牙齒的序號和點云模型中特征點坐標及特征點序號；
[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]進一步地，下頌數(shù)字化排牙過程分解為⑴交互式定位下頌中切牙；(2)構(gòu)建下頌托槽平面及坐標系；(3)生成下頌牙弓曲線；(4)編輯下頌牙弓曲線；(5)利用牙冠信息自動排列下頌牙齒，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；(8)調(diào)整下頌牙根位置。
[0013]進一步地，上頌數(shù)字化排牙過程分解為(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系；(3)利用下頌牙弓曲線生成上頌牙弓曲線；(4)編輯上頌牙弓曲線；(5)利用牙冠信息自動排列上頌牙齒，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；(8)調(diào)整上頌牙根位置。
[0014]進一步地，根據(jù)牙齒的類型，特征點可確定為切牙:近中點、遠中點、切緣近中點、切緣遠中點、托槽點、牙窩點，牙根點；尖牙:牙尖點，近中點，遠中點，托槽點、牙根點；前磨牙:頰側(cè)尖點、舌側(cè)尖點、托槽點、近中點、遠中點、牙根點；磨牙:近中點、遠中點、頰側(cè)近中尖點、頰側(cè)遠中尖點、舌側(cè)尖點、托槽點、牙根點。
[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，并確定托槽中心；
[0018](3)構(gòu)件托槽坐標系，利用步驟(2)中的特征點及中心點構(gòu)建托槽自身的相對坐標系；
[0019](4)在全局坐標系(全局坐標系為模型所處環(huán)境的坐標系，相對坐標系為模型自身坐標系，調(diào)整相對坐標系相對于全局坐標系的位置關(guān)系，從而變換矩陣反映到模型上，可以實現(xiàn)模型位姿的調(diào)整)下，調(diào)整托槽及牙齒相對坐標系的位姿，在牙齒表面可定位托槽豐旲型；
[0020](5)設(shè)計托槽轉(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)用在正畸治療計劃中，實現(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)計出托槽轉(zhuǎn)移裝置，在計算機輔助口腔正畸領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值；
[0023](2)設(shè)計簡單易懂的操作界面，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)個性化牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫
[0025]每個牙齒的形狀極不規(guī)則，對它進行精確的數(shù)學(xué)描述十分困難，但從解剖學(xué)的觀點看，各牙齒上都有幾個相對確定的特征點，通過交互式拾取牙齒表面的特征點，將特征點存入牙齒特征約束數(shù)據(jù)庫中；
[0026](4)基于特征約束的自動排牙方法
[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，構(gòu)建托槽平面，牙弓曲線等約束特征，在特征約束下，利用牙齒本身特征，將牙齒自動排列至合適位置，該方法自動化程度高，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，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過程中出現(xiàn)。
【附圖說明】
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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為自動排牙示意圖:(Xt，Yt)為遠中點，(Xt !, Yt O為近中點。
[0034]圖5為下頌排牙完成后牙弓曲線與牙齒的關(guān)系。
[0035]圖6為構(gòu)建下頌牙根平面與牙根曲線。
[0036]圖7為上下頌中切牙位置關(guān)系。
[0037]圖8為下頌牙弓曲線與上頌牙弓曲線的關(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；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；9_下頌牙根平面；10_下頌牙根點投影點；11_下頌根面曲線；12_上頌牙弓曲線；13_上頌托槽平面；14_上頌牙根平面；15_上頌牙根曲線；16_上頌牙根點投影點；17-定位特征點；18_上頌中切牙；19_下頌中切牙。
【具體實施方式】
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[0048]請參照圖1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