本发明涉及牙齿正畸领域，尤其涉及一种正畸矫治器的设计制作方法。
背景技术：
近年来，口腔正畸隐形矫治技术在我国逐步发展并走向成熟。随着美国、中国等一些国家的正畸医师与计算机软件工程师跨学科协作，采用CAD/CAM技术，运用先进的制作方法，制作一种个性化的高分子塑料矫治器。该矫治器能产生一定大小的矫正力而使牙齿逐步缓慢移动，从而克服了传统正畸方法的缺点。该方法是通过3D打印成型机打印出矫治过程中的牙颌模型，再使用正压压膜机在所述牙颌模型上压制加工出隐形矫治器。
专利CN102512251A公开了一种隐形矫治器的制造方法，在患者牙颌物理模型的制造步骤中，采用石膏在牙齿阴模模型上制得牙齿阳模，对该牙齿阳模进行修整以剪除牙龈部分所对应的石膏部分并将其再次放置于硅橡胶阴模中，然后填充热塑性材料以得到由热塑性材料和石膏共同组成的患者牙颌物理模型。专利CN105748163A公开了一种计算机辅助牙齿无托槽隐形矫治器设计方法，依次进行牙颌三维网格模型获取、牙齿分割和牙齿修复，然后进行虚拟牙龈网格构建和虚拟牙齿咬合构建。专利CN101940503A公开了一种用于获得牙印模精确三维模型的方法，包括如下步骤：1)扫描上颚印模和/或下颚印模的至少一部分，获得印模扫描图；2)评估印模扫描图的品质，以及3)如果品质不能用于精确的三维模型，则用填料填充牙印模的一个或多个腔，以获得所述腔的模型，并且扫描所述模型获得模型扫描图，以及把所述模型扫描图和印模扫描图对齐和组合，由此获得三维模型，和/或再次扫描牙印模的一个或多个相关区域，以及把所述相关区域扫描图和印模扫描图对齐和组合，由此获得三维模型，或者4)如果品质不能用于牙印模的精确三维模型，则使用印模扫描图，以获得三维模型，由此获得牙印模的精确三维模型。
可见，现有技术中需要对三维牙颌数字模型进行切割处理，或者通过多次扫描才能得到精确的牙颌模型，不能一次性得到分割好的牙冠模型与牙龈模型，导致模型的生成方法繁琐，且不能避免切割误差等问题。因此，有必要提供一种更为便捷的正畸矫治器设计与制作方法。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种正畸矫治器的设计制作方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种正畸矫治器的设计制作方法，包括如下步骤：
S1.对牙齿印模获取牙颌的石膏模型，对石膏模型的每颗牙齿进行染色处理；
S2.对染色的石膏模型进行扫描，基于不同颜色获取牙冠的三维数字化模型以及牙龈的三维数字化模型，将牙冠的三维数字化模型与获取的牙齿牙冠方向信息和牙根位置信息进行对比验证，根据牙齿方向和牙根位置信息，重建完整的牙齿的三维数字化模型；
S3.对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作并获取正畸后的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型，之后打印得到牙颌模型或正畸矫治器。
优选地，所述步骤S1中采用不同颜色对石膏模型上的牙齿进行染色，并覆盖整个牙冠部分。
优选地，染色后相邻牙齿颜色不同，且牙龈部分的颜色和牙齿颜色不同。
进一步地，所述步骤S2中通过彩色3D扫描仪对染色的石膏模型进行扫描，并基于不同颜色获取不同牙齿的数字化模型。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S301.通过调牙模块对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作，调整牙齿的相对位置或者绝对位置并排齐牙列，获得达到正畸治疗目的所需要经过的一系列矫正状态；
S302.预测并重建每一个矫正状态的牙颌形状，生成三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型；所述三维数字化牙颌模型为实体结构或中空结构；
S303.将获得的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型导入3D打印设备，打印得到牙颌模型或矫治器；打印得到牙颌模型后，采用压膜的方法制作正畸矫治器。
进一步地，所述步骤S301具体包括：根据牙冠的三维数字化模型和牙龈的三维数字化模型的位置获得垂直方向轴；根据牙齿位置分布获取平面舌侧到唇侧方向轴，以及水平方向轴，建立牙颌坐标系；将牙齿数字化模型放入牙颌坐标系进行位置或角度调节操作。
进一步地，所述步骤S301中通过可视化设备显示牙齿、牙龈、牙齿坐标系、牙齿在牙颌中的位置以及牙颌坐标系；通过拖动牙齿方向标识，对牙齿进行移动或者旋转操作，从而达到调牙的效果；调牙过程中，同时显示相邻牙齿的位置关系，并对碰撞程度给出提示；调牙过程中，同时显示牙齿本次移动的距离和角度，以及牙齿累计移动的距离和角度，并对超出预设距离或角度的操作给出警告。
进一步地，所述步骤S301的调牙过程中，采用交互方式确认一次调牙工作结束；调牙过程中或调牙结束后可以基于预设阈值对用户输入的移动过程进行分解，把一次移动分解为连续的多次移动，并且保证每次的移动量不超过预设阈值；调牙过程中，上述分解过程可以是针对单颗或多颗牙齿同时进行操作；调牙过程中，通过设定阈值防止上述分解过程中因牙齿位置变化而发生碰撞程度加深的情况，当发生的碰撞超出阈值时，调牙模块自动尝试调整两侧牙齿的移动顺序和速率，以避免碰撞；调牙过程中，自动分解的多个调牙阶段可通过可视化设备演示，并由用户进一步调整其中任意一个阶段的位置变化，以达到用户满意效果。
进一步地，对待矫正牙齿部位进行多次调牙，从而获得整个矫正过程中顺序发生的一系列矫治状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，通过对牙齿的石膏模型染色后进行彩色3D扫描，可以快速获取牙冠和牙龈的三维数字化模型；
(2)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，扫描直接获取牙冠和牙龈的三维数字化模型，之后不需要进行切割处理，简化了模型的生成方法，避免了数字化模型分割过程中可能产生的误差；
(3)本发明通过自动化计算获取三维数字化模型的牙齿方向数据；
(4)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，操作简单、调牙精确，提高了牙齿的正畸效率和效果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明公开了一种正畸矫治器的设计制作方法，包括如下步骤：
S1.对牙齿印模获取牙颌的石膏模型，对石膏模型的每颗牙齿进行染色处理，基于不同颜色获取不同牙齿的三维数字化模型以及牙颌的三维数字化模型；采用不同颜色分别对石膏模型上的每颗牙齿进行染色，每间隔一颗牙齿的颜色不同，并覆盖整个牙冠部分，并且染上的颜色与牙齿和牙龈的本色均不相同，通过不同的颜色将牙齿与牙龈区分开，并将单颗牙齿区分开；
通过图像分析法分析口腔全景片和口腔侧位片，获取牙齿牙冠方向信息和牙根位置信息；
S2.通过彩色3D扫描仪对染色的石膏模型进行扫描，基于不同颜色获取牙冠的三维数字化模型以及牙龈的三维数字化模型，将牙冠的三维数字化模型与获取的牙齿牙冠方向信息和牙根位置信息进行对比验证，根据牙齿方向和牙根位置信息，重建完整的牙齿的三维数字化模型，大大提高了牙齿模型的生成效率，并且后续不需要对模型进行切割处理就可以进行下一步牙齿的正畸操作；
S3.对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作并获取正畸后的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型，之后打印得到牙颌模型或矫治器。具体包括：
S301.通过调牙模块对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作，调整牙齿的相对位置或者绝对位置并排齐牙列，获得达到正畸治疗目的所需要经过的一系列矫正状态；
最小包围盒算法是指寻找可以包围空间的六面体，通过迭代方法找到体积最小的六面体。
点云数据分布是指以六面体某一个顶点为原点，相邻边为坐标轴，形成一个坐标系。牙齿方向是指牙根到牙冠的方向，牙齿方向采用坐标系的三个轴向之一，假设将牙齿方向设置为Z轴，另外两个轴分别为X轴和Y轴。由于3D点云数据为面数据，牙齿底部缺失。采用牙齿点云数据平行于XY平面作出截面，大多可以获得环状点云，而由于牙齿底部缺失，多数情况下平行于其他平面作截面不能获得环状点云。根据这个特性，可以从三个坐标轴方向中确定牙齿方向。
根据牙冠的三维数字化模型和牙龈的三维数字化模型的位置获得垂直方向轴；根据牙齿位置分布获取平面舌侧到唇侧方向轴以及水平方向轴，建立牙颌坐标系；其中三个轴分别是舌侧到唇侧方向、牙龈到牙冠方向以及与嘴唇平行的方向；将牙齿数字化模型放入牙颌坐标系进行位置或角度调节操作。
通过可视化设备显示牙齿、牙龈、牙齿坐标系、牙齿在牙颌中的位置以及牙颌坐标系；通过拖动牙齿方向标识，对牙齿进行移动或者旋转操作，从而达到调牙的效果；调牙过程中，同时显示相邻牙齿的位置关系，并对碰撞程度给出提示；调牙过程中，同时显示牙齿本次移动的距离和角度，以及牙齿累计移动的距离和角度，并对超出预设距离或角度的操作给出警告。
采用交互方式确认一次调牙工作结束；调牙过程中或调牙结束后可以基于预设阈值对用户输入的移动过程进行分解，把一次移动分解为连续的多次移动，并且保证每次的移动量不超过预设阈值；调牙过程中，上述分解过程可以是针对单颗或多颗牙齿同时进行操作；调牙过程中，通过设定阈值防止上述分解过程中因牙齿位置变化而发生碰撞程度加深的情况，当发生的碰撞超出阈值时，调牙模块自动尝试调整两侧牙齿的移动顺序和速率，以避免碰撞；调牙过程中，自动分解的多个调牙阶段可通过可视化设备演示，并由用户进一步调整其中任意一个阶段的位置变化，以达到用户满意的效果。
通过CT扫描获取调牙后重建的三维模型，并与三维数字化牙颌模型进行匹配，CT扫描生成的三维模型更加全面，包括了牙齿、牙颌骨、牙槽骨等，可以观察牙齿移动过程中是否超出了牙槽骨的范围，避免对牙齿位置的过度调节；若牙根移动超出牙槽骨的范围，则重复使用调节器调牙；若牙根移动没有超出牙槽骨的范围，则继续步骤S302。
S302.预测并重建每一个矫正状态的牙颌形状，生成三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型；所述三维数字化牙颌模型为实体结构或中空结构；
还可以获取正畸后的牙龈曲面和牙齿曲面图，生成空腔结构的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型；在牙颌模型的空腔中直接生成打印模型所必须的支撑结构，以调牙后的相邻三颗或四颗牙齿的牙根、牙冠信息为基础，生成牙龈曲面。
在生成牙龈曲面的过程中，设定阈值，直接生成内外两个曲面，阈值为内曲面到外曲面的厚度。可以采用以下两种方法生成三维数字化模型：
方法一：将牙龈曲面和牙齿外表面设置为内曲面，然后向外扩展生成外曲面，内外曲面组合生成可以直接打印的矫治器模型。
方法二：将牙龈曲面和牙齿外表面设置为外曲面，然后向内扩展生成内曲面，内外曲面组合生成牙颌的空腔结构，即可打印的牙颌模型。
S303.将获得的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型导入3D打印设备，打印得到牙颌模型或矫治器；打印得到牙颌模型后，采用压膜的方法制作正畸矫治器。
对待矫正牙齿部位进行多次调牙，从而获得整个矫正过程中顺序发生的一系列矫治状态。
实施例2
本发明公开了一种正畸矫治器的设计制作方法，包括如下步骤：
S1.对牙齿印模获取牙颌的石膏模型，对石膏模型的每颗牙齿进行染色处理，基于不同颜色获取不同牙齿的三维数字化模型以及牙颌的三维数字化模型；采用不同颜色对石膏模型上的牙齿进行染色，并覆盖整个牙冠部分，相邻牙齿染上不同的颜色，并且染上的颜色与牙齿和牙龈的本色均不相同，通过不同的颜色将牙齿与牙龈区分开，并将单颗牙齿区分开；
通过CT设备对牙齿扫描得到牙齿影像，并通过三维重建获取牙齿牙冠方向信息和牙根位置信息；
S2.通过彩色3D扫描仪对染色的石膏模型进行扫描，基于不同颜色获取牙冠的三维数字化模型以及牙龈的三维数字化模型，将牙冠的三维数字化模型与获取的牙齿牙冠方向信息和牙根位置信息进行对比验证，根据牙齿方向和牙根位置信息，重建完整的牙齿的三维数字化模型，大大提高了牙齿模型的生成效率，并且后续不需要对模型进行切割处理就可以进行下一步牙齿的正畸操作；
S3.对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作并获取正畸后的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型，之后打印得到牙颌模型或矫治器。具体包括：
S301.通过调牙模块对牙齿的三维数字化模型进行调牙操作，调整牙齿的相对位置或者绝对位置并排齐牙列，获得达到正畸治疗目的所需要经过的一系列矫正状态；
最小包围盒算法是指寻找可以包围空间的六面体，通过迭代方法找到体积最小的六面体。
点云数据分布是指以六面体某一个顶点为原点，相邻边为坐标轴，形成一个坐标系。牙齿方向是指牙根到牙冠的方向，牙齿方向采用坐标系的三个轴向之一，假设将牙齿方向设置为Z轴，另外两个轴分别为X轴和Y轴。由于3D点云数据为面数据，牙齿底部缺失。采用牙齿点云数据平行于XY平面作出截面，大多可以获得环状点云，而由于牙齿底部缺失，多数情况下平行于其他平面作截面不能获得环状点云。根据这个特性，可以从三个坐标轴方向中确定牙齿方向。
根据牙冠的三维数字化模型和牙龈的三维数字化模型的位置获得垂直方向轴；根据牙齿位置分布获取平面舌侧到唇侧方向轴，以及水平方向轴，建立牙颌坐标系，其中三个轴分别是舌侧到唇侧方向、牙龈到牙冠方向以及与嘴唇平行的方向；将牙齿数字化模型放入牙颌坐标系进行位置或角度调节操作。
通过可视化设备显示牙齿、牙龈、牙齿坐标系、牙齿在牙颌中的位置以及牙颌坐标系；通过拖动牙齿方向标识，对牙齿进行移动或者旋转操作，从而达到调牙的效果；调牙过程中，同时显示相邻牙齿的位置关系，并对碰撞程度给出提示；调牙过程中，同时显示牙齿本次移动的距离和角度，以及牙齿累计移动的距离和角度，并对超出预设距离或角度的操作给出警告。
采用交互方式确认一次调牙工作结束；调牙过程中或调牙结束后可以基于预设阈值对用户输入的移动过程进行分解，把一次移动分解为连续的多次移动，并且保证每次的移动量不超过预设阈值；调牙过程中，上述分解过程可以是针对单颗或多颗牙齿同时进行操作；调牙过程中，通过设定阈值防止上述分解过程中因牙齿位置变化而发生碰撞程度加深的情况，当发生的碰撞超出阈值时，调牙模块自动尝试调整两侧牙齿的移动顺序和速率，以避免碰撞；调牙过程中，自动分解的多个调牙阶段可通过可视化设备演示，并由用户进一步调整其中任意一个阶段的位置变化，以达到用户满意的效果。
通过CT扫描获取调牙后重建的三维模型，并与三维数字化牙颌模型进行匹配，CT扫描生成的三维模型更加全面，包括了牙齿、牙颌骨、牙槽骨等，可以观察牙齿移动过程中是否超出了牙槽骨的范围，避免对牙齿位置的过度调节；若牙根移动超出牙槽骨的范围，则重复使用调节器调牙；若牙根移动没有超出牙槽骨的范围，则继续步骤S302。
S302.预测并重建每一个矫正状态的牙颌形状，生成三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型；所述三维数字化牙颌模型为实体结构或中空结构；
还可以获取正畸后的牙龈曲面和牙齿曲面图，生成空腔结构的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型；在牙颌模型的空腔中直接生成打印模型所必须的支撑结构，以调牙后的相邻三颗或四颗牙齿的牙根、牙冠信息为基础，生成牙龈曲面。
在生成牙龈曲面的过程中，设定阈值，直接生成内外两个曲面，阈值为内曲面到外曲面的厚度。可以采用以下两种方法生成三维数字化模型：
方法一：将牙龈曲面和牙齿外表面设置为内曲面，然后向外扩展生成外曲面，内外曲面组合生成可以直接打印的矫治器模型。
方法二：将牙龈曲面和牙齿外表面设置为外曲面，然后向内扩展生成内曲面，内外曲面组合生成牙颌的空腔结构，即可打印的牙颌模型。
S303.将获得的三维数字化牙颌模型或三维数字化矫治器模型导入3D打印设备，打印得到牙颌模型或矫治器；打印得到牙颌模型后，采用压膜的方法制作正畸矫治器。
对待矫正牙齿部位进行多次调牙，从而获得整个矫正过程中顺序发生的一系列矫治状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，通过对牙齿的石膏模型染色后进行彩色3D扫描，可以快速获取牙冠和牙龈的三维数字化模型；
(2)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，扫描直接获取牙冠和牙龈的三维数字化模型，之后不需要进行切割处理，简化了模型的生成方法，避免了数字化模型分割过程中可能产生的误差；
(3)本发明通过自动化计算获取三维数字化模型的牙齿方向数据；
(4)本发明的一种正畸矫治器的设计制作方法，操作简单、调牙精确，提高了牙齿的正畸效率和效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。