一种用于促进牙齿重新定位牙科治疗的方法与流程

本发明总体涉及正畸领域。更具体地说，本发明涉及一种用于促进牙齿重新定位牙科治疗的方法。

背景技术：

医生常规地通过佩戴“正畸托槽”来实现重新定位牙齿。正畸托槽安装到患者的牙齿上是繁琐而且耗时的任务。因此，常规的正畸治疗是很不方便。医生也通过给患者佩戴“矫正器”来实现重新定位牙齿。一组矫正器分阶段地安装在患者的牙齿上，逐渐地将牙齿从初始牙齿排列，经过几个中间牙齿排列重新定位到最终牙齿排列。

矫正器本质上是一系列基于牙冠数据设计并由牙齿位置推断而来的牙套式模型。口腔牙科结构有四个部分：牙冠、牙根、软组织以及下颌和上颌的咬合关系。矫正器仅基于牙冠数据设计，因此不能完全代表患者的解剖结构，常常出现治疗过程中跟实际中间牙齿排列不匹配的情况。因此，矫正器经常需要重新设计和重制以完成重新定位处理。

现在需要一种牙齿重新定位装置的设计方法，其中矫正器的设计是基于牙冠、牙根、软组织以及下颌和上颌的关节，并且此矫正器恰当地代表患者的解剖结构。

技术实现要素：

一种用于促进牙齿重新定位牙科治疗的方法包括：接收患者口腔牙科结构的ct扫描，接收患者口腔牙科结构的光学扫描，配准所述ct扫描和所述光学扫描，基于所述ct扫描和所述光学扫描建立所述患者口腔牙科结构的初始模型，模拟牙齿移动以产生所期望的治疗之后的所述患者口腔牙科结构的最终模型，生成代表从所述初始模型到所述最终模型的连续牙齿移动的所述患者口腔牙科结构的多个中间模型，并且基于所述患者口腔牙科结构的所述多个模型来制备牙科矫正器。

该方法还包括分割所述ct扫描的牙齿数据以获得分割的ct扫描，所述分割的ct扫描包括牙冠数据和牙根数据。

该方法还包括分割所述光学扫描的牙冠数据以获得分割的光学扫描，所述分割的光学扫描包括软组织数据。

在该方法中，所述建立患者口腔牙科结构的初始模型是基于所述分割的ct扫描和所述分割的光学扫描。

在该方法中，患者口腔牙科结构的所述ct扫描是以第一开颌角度对患者口腔牙科结构的ct扫描，患者口腔牙科结构的所述光学扫描是以第二开颌角度对患者口腔牙科结构的光学扫描，并且第一开颌角度和第二开颌角度之间的差为1度或更大。

该方法还包括基于所述ct扫描、所述光学扫描或两者来创建虚拟关节，所述模拟牙齿移动是基于所述虚拟关节和单独的牙齿移动的调整。

该方法还包括从所述ct扫描、所述光学扫描或两者生成患者口腔牙科结构的颞下颌关节的轴线，以及在创建所述虚拟关节时应用所述轴线。

该方法还包括分割所述ct扫描的牙齿数据以获得分割的ct扫描，分割所述光学扫描的牙冠数据以获得分割的光学扫描，以及基于所述分割的ct扫描和所述分割的光学扫描创建虚拟关节；所述分割的ct扫描包括牙冠数据和牙根数据，所述分割的光学扫描包括软组织数据；所述建立患者口腔牙科结构的所述初始模型是基于所述分割的ct扫描、所述分割的光学扫描或两者，所述模拟牙齿移动是基于所述虚拟关节和单独的牙齿移动的调整。

在该方法中，所述ct扫描和所述光学扫描数据均显示在3d图像和2d图像中，所述3d图像和2d图像包括围绕牙齿的颌骨区域数据，并且针对围绕牙齿的颌骨区域数据评估牙齿重新定位牙科治疗。

在该方法中，在所述牙齿重新定位牙科治疗中，可以将多个牙齿作为单个实体移动。

一种用于促进牙齿重新定位牙科治疗的方法包括：接收以第一开颌角度对患者口腔牙科结构的扫描，接收以第二开颌角度对患者口腔牙科结构的扫描，配准所述第一开颌角度的扫描和所述第二开颌角度的扫描，基于所述第一开颌角度的扫描和所述第二开颌角度的扫描建立患者口腔牙科结构的初始模型，模拟牙齿移动以产生所期望的治疗之后的所述患者口腔牙科结构的最终模型，生成代表从所述初始模型到所述最终模型的连续牙齿移动的患者口腔牙科结构的多个中间模型，并且基于所述患者口腔牙科结构的所述多个中间模型制备牙科矫正器，其中所述第一开颌角度和所述第二开颌角度之间的差为1度以上。

该方法还包括分割所述第一开颌角度扫描的牙齿数据以获得第一开颌角度的分割扫描，以及分割所述第二开颌角度扫描的牙冠数据以获得第二开颌角度的分割扫描。

在该方法中，所述建立患者口腔牙科结构的所述初始模型是基于所述第一开颌角度的分割扫描、所述第二开颌角度的分割扫描或两者。

该方法还包括基于所述第一开颌角度的扫描、所述第二开颌角度的扫描或两者来创建虚拟关节，基于所述虚拟关节和单独的牙齿移动的调整模拟牙齿移动。

所述方法还包括：从所述第一开颌角度的扫描、所述第二开颌角度的扫描或两者生成患者口腔牙科结构的颞下颌关节的轴线，以及在创建所述虚拟关节时应用所述轴线。

该方法还包括分割所述第一开颌角度扫描的牙齿数据以获得第一开颌角度的分割扫描，分割所述第二开颌角度扫描的牙冠数据以获得第二开颌角度的分割扫描，并且基于所述第一开颌角度的分割扫描、所述第二开颌角度的分割扫描或两者来创建虚拟关节。所述建立患者口腔牙科结构的所述初始模型是基于所述第一开颌角度的分割扫描、所述第二开颌角度的分割扫描或两者，所述模拟牙齿的移动是基于所述虚拟关节。

在该方法中，所述患者口腔牙科结构的所述扫描是ct扫描或光学扫描。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以上任一所述方法的步骤。

应当理解，前面的总体描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步说明。

附图说明

被包括以提供对本发明的进一步理解以及被并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1a为示出2d横截面模式中患者的ct扫描；

图1b为示出3d模式中患者的ct扫描；

图2为示出处于开颌角度的患者口腔牙科结构；

图3为示出处于闭合位置的患者口腔牙科结构；

图4为示出患者口腔牙科结构的牙科模型；

图5为示出使用icp配准ct扫描和光学扫描，其中每个图像上的三个点表示用于匹配两个扫描的基准点；

图6为示出用ct扫描配准的光学扫描；

图7为示出基于具有不同开颌角度的ct扫描和光学扫描的由虚拟关节生成的两个不同的开颌角度；

图8为示出患者口腔牙科结构的颞下颌关节的轴线；

图9为示出通过阈值处理的牙齿结构的分割，使得操作人员可以仅选择高密度区域；

图10为示出通过阈值处理的牙齿结构的分割，使得操作人员可以较好地选择牙齿的区域，并用该软件工具进一步选择感兴趣的牙齿；

图11为示出所得到的牙齿模型；

图12为示出对于感兴趣的牙齿限定边界，其中边界在软组织和牙冠之间的接界处；

图13为示出对于感兴趣的牙齿限定边界，其中包括牙冠和周围组织；

图14为示出牙齿已经从模型全部分割；

图15为示出正在移动的牙齿；在左侧，用定位工具移动牙齿，即其牙冠和牙根；在右侧，移动牙冠，组织变形；

图16为示出用于定义组织区域上的点相对于此点和牙齿边界之间的距离的位移的函数；

图17为示出ct断层成像中的牙齿的移动；

图18为示出设计成有助于移动牙齿的附件；

图19a为示出在矫正器下面的壳体模型、矫正器和牙齿；在图19a中，虚线表示壳体模型或矫正器，实线表示矫正器下面的牙齿；表面的偏移会产生如箭头所示的移动牙齿的力；图19b为示出原始牙齿模型、具有局部变形的牙齿模型、将该变形模型制作的矫正器施加到实际的牙齿上，以及产生附加力以移动牙齿的凸起区域；

图20为示出矫正器的几何形状不精确匹配牙齿的组合。

具体实施方式

现在将详细阐述本发明的实施，其示例在附图中示出。

本发明提供了一种用于促进牙齿重新定位牙科治疗的方法。该方法包括：接收患者口腔牙科结构的ct扫描，接收患者口腔牙科结构的光学扫描，配准所述ct扫描和所述光学扫描，基于所述ct扫描和所述光学扫描建立患者口腔牙科结构的初始模型，模拟牙齿移动以在所期望的牙科治疗之后产生患者口腔牙科结构的最终模型，生成代表从所述初始模型到所述最终模型的连续牙齿移动的患者口腔牙科结构的多个中间模型，并且基于患者口腔牙科结构的所述多个中间模型制备牙科矫正器。

ct扫描，也称为x射线计算机断层摄影或计算机化轴向断层摄影扫描，利用从不同角度拍摄的多个x射线图像的计算机处理组合来产生扫描对象的特定区域的横截面(断层摄影)图像(虚拟“断层”)。这里，扫描对象是患者口腔牙科结构。

首先，为患者获得ct扫描。在计算机系统中观察所述ct扫描的数据，并且执行3d重建以在3d空间中显示所述ct断层数据，图1a为患者的2dct扫描，图1b为患者的3dct扫描。

当在一次扫描中获得上颌和下颌两者的所述ct扫描时，患者的双颌可以具有不同的位置：用一些柔软和轻质的材料，例如棉垫，分离上下颌，得到分颌位置，或者颌处于闭合位置。为了描述患者颌位，使用开颌角度一词。所述开颌角度被定义为由代表患者上颌的平面和代表患者下颌的平面所形成的角度。当颌完全闭合时，该角度被认为是0。

图2为示出开颌角度为a的患者口腔牙科结构，开颌角度(a)可以为0-50度。当开颌角度(a)为0度(代表患者上颌的平面与代表患者下颌的平面平行)时，患者口腔牙科结构处于闭合位置。图3为示出处于闭合位置的患者口腔牙科结构。

当患者的颌具有开颌角度(a)时，获得ct扫描。开颌角度(a)可以为0-50度。例如，当患者的颌的所述开颌角度为0度、1度、5度、8度或10度时，获得ct扫描。

接下来，获得患者口腔牙科结构的光学扫描。可以使用口内扫描仪，其通过扫描患者的牙齿和牙龈直接获取数据。还可以制作患者口腔牙科结构的牙科模型，然后使用任何光学扫描仪扫描所述模型，以获得牙齿和牙龈的数字模型。

类似于ct扫描，获得光学扫描。图4为示出患者口腔牙科结构的牙科模型。当患者的颌具有开颌角度(a)时。开颌角度(a)可以为0-50度。例如，当患者的颌的开颌角度为0度、1度、5度、8度或10度时，获得所述光学扫描。

更好的选择是当患者的颌的开颌角度(a)不同于ct扫描的开颌角度时获得光学扫描。具体地说，当患者的颌具有第一开颌角度时获得ct扫描，并且当患者的颌具有第二开颌角度时获得光学扫描。所述第一开颌角度和所述第二开颌角度之间的差为1度以上、5度以上、8度以上或10度以上。例如，第一开颌角度为0度，第二开颌角度为1度、5度、8度或10度。

光学扫描可以是具有两个颌的一个单个数字文件，或每个颌一个数字文件。如果两个颌被放置在单个文件中，则可以使用计算机方法，使得在稍后的阶段它们可以被分成两个单独的部分；在本发明的其余部分中，所述光学扫描将作为两个模型或两个文件，其中一个颌一个文件。但是，这不是实施本发明所必需的。

在下一步骤中，计算机系统将具有模块以加载ct数据和光学扫描数据两者并将它们对准在一起。

计算机系统将采用基于两个颌的点或曲面片匹配的配准方法。以上颌为例，系统将显示ct数据和上颌模型两者。用户可以使用自动方法或手动工具来指定ct数据中的位置(点或区域)，这些位置对应于光学扫描的位置。

可以使用诸如“迭代最近点”(icp)的算法来匹配指定的区域，因此将创建变换以将颌的光学数据移动到ct数据的位置。图6为示出使用icp配准ct扫描和光学扫描。

当患者的颌具有第一开颌角度时获得ct扫描时，当患者的颌具有第二开颌角度时获得光学扫描，并且所述第一开颌角度和所述第二开颌角度之间的差为1度以上、5度以上、8度以上或10度以上，获取两个颌位置的数据组。这创建了两个颌的虚拟关节。可以使用软件工具来内推或外插所述关节的位置，然后可以模拟颌的打开和闭合。图7为示出基于具有不同开颌角度的ct扫描和光学扫描的虚拟关节。

当以相同的开颌角度获得ct和光学扫描两者时，该虚拟关节不能被建立。在这种情况下，颞下颌关节用于限定颌的关节。可以通过查看ct扫描并识别关节来指定虚拟轴线。

下颌的移动非常复杂，但可以简化为围绕颞下颌关节的旋转。通过ct扫描和/或光学扫描，可以建立患者口腔牙科结构的颞下颌关节的轴线。然后可以将所述轴线应用于创建虚拟关节。图8为示出患者口腔牙科结构的颞下颌关节的轴线。

在下一步骤中，处理ct扫描以分离牙根。图像处理过程用于将3d模型和2d断层的成像相关联。分割工具用于从ct数据集创建单独的牙根模型，在ct数据集上创建对应于感兴趣的牙齿的区域。并且工具用于将单独的牙齿、至少部分牙冠与ct数据分离。

在计算机系统中显示两个图像窗口。该系统配有阈值工具，可以更改2d视图的阈值并相应更新3d成像。对于单独的牙齿，用户可以调整阈值，使得牙根数据被适当地过滤。使用分割或切割工具从ct数据中抓取一个牙齿或齿组的像素。用于牙齿数据的3d像素被转换成由诸如面和点的几何数据代表的3d表面模型。

图9为示出通过阈值处理的牙齿结构的分割，使得仅选择高密度区域。

图10为示出通过阈值处理的牙齿结构的分割，使得选择牙齿的良好区域，工具用于进一步选择感兴趣的牙齿。

图11为示出所得到的牙齿模型。

根据目前的牙齿排列或正畸治疗需求，使用者可以在一个操作中为单独的牙根或多个牙根创建模型。执行多个操作以获得患者的整个牙齿结构。可能需要对相同ct数据集或不同数据集的患者的上颌和下颌施加相同的操作。

接下来，将处理颌的光学数据，使得可以获得牙冠和软组织模型。类似于ct数据分割的方法，牙冠可以单独地分离，也可以分离成组。例如，用户将仅指定围绕两个牙冠边界的点，并且系统将连接点作为环，并且将环内的区域选择为下齿/多个下齿的牙冠模型。

不需要将牙冠与牙冠和软组织之间的边界全部分离。牙冠从光学数据的分离可以包括仅分割牙冠区域或分割牙冠区域和一些周围的软组织。这样做有两个原因：1)模型或光学扫描可能不会产生牙冠的清晰边界；2)用户确定将一些周围组织与牙冠一起移动是有帮助的。这也将在组织变形步骤中得到解决。

图12为示出对于感兴趣的牙齿限定边界，其中边界在软组织和牙冠之间的接界处。

图13为示出对于感兴趣的牙齿限定边界，其中包括牙冠和周围组织。

在分割光学扫描的所有牙冠模型之后，数字模型上的剩余区域被认为是软组织。

在这一时间点上，已经建立了具有牙根、颌骨、牙冠、软组织和关节的口腔牙科结构的完整模型。该方法的第二阶段是模拟牙齿移动。用户将通过各种标准确定牙齿的移动量和方式，诸如牙齿排列的美学、颌的咬合、周围的骨骼结构和骨密度，以及关节都是可用的依据。

颌的关节位置可用于使颌整个移动，以便确定整个颌的最佳目标位置。用户可以调节关节角度。然后重新定位单独的牙齿或齿组，以模拟治疗结果。将向用户提供可视化工具，以了解牙齿如何移动。

可以将牙齿或齿组中的每一个显示为牙根和牙冠的组合，或ct数据和光学数据的组合。因此，当牙齿移动时，系统将显示牙根如何相应地移动。移动可以在ct断层和3d空间中显示。在ct断层中，用户可以评估牙齿周围区域的骨密度，并确定移动是容易或困难的。在3d空间中，可以看到牙冠和牙根的任何可能的碰撞。反馈工具用于警告用户移动是否会引起碰撞。

图14为示出牙齿已经从模型分割并以不同的颜色示出。

当模拟牙齿移动时，改变具有相应齿数的组织模型的点/曲面片。当牙齿移动时，周围组织区域会变形以跟随移动。与牙齿边界相近的点将与边界一起移动，距离边界更远的区域将移动较小的距离。该方法将确保软组织的变形通常顺应牙齿移动。

软组织变形是自动过程。对于牙齿边界上的每个点，将存在相邻区域或网格的顶点。这用于代表表面模型。这些点一起组成变形的候选组。当牙齿被移动时，所有这些点将相对于牙齿被重新分类为“待移动”和“非待移动”。此外，点和牙齿边界之间的距离将用于计算点将如何移动。例如，高斯分布模型用于确保“待移动”点的位移将在0和牙齿边界上最接近的点之间，“非待移动”点将有0位移。

结果，获得模型的变形，而不在模型上创建新的拓扑元素。

图15为示出正在移动的牙齿。在左侧，用定位工具移动牙齿，即其牙冠和牙根。在右侧，移动牙冠，组织变形。

随着计划的所有牙齿移动，该方法现在具有牙冠和牙根两者的最终牙齿位置，软组织的最终变形。因此，对于牙齿或齿组中的每一个，移动可以被量化为三个部分：平移、围绕牙长轴或中心线的旋转，以及在颊侧方向或从内侧到外侧方向上的倾斜。

现在为所有牙齿或齿组创建移动计划。所有牙齿移动的总步数由牙齿的最大平移和旋转以及在一个步骤中经验允许的移动确定，通常为0.2mm。这也可由使用者根据骨密度和患者年龄进行调整。然后系统将线性或非线性地内推每个牙齿的移动。

可以有各种策略来计划牙齿的移动。作为一般规则，在移动计划之前、期间或之后，将做几件事情：

1.该方法将使用最终牙齿位置来确定是否需要执行邻面去釉或称片切(ipr)，其是减少牙齿宽度以产生移动牙齿的一些空间的技术。基本上两个相邻牙齿的最终位置之间的碰撞量被看为是ipr值。2.需要检查牙冠和牙根之间是否有碰撞。碰撞值如果大于计划的ipr将被视为无效。该计划将需要修改。3.重新评估每一步的组织变形。

图16为示出用于定义组织区域上的点相对于此点和牙齿边界之间的距离的位移的函数。

图17为示出ct断层成像中的牙齿的移动。

在已计划所有牙齿移动之后，该方法将生成系列模型以代表牙齿移动的每个步骤。每个步骤的模型将是牙冠和变形的软组织的移动的组合。如果需要，用户可以在模型上创建一些额外的几何特征，通常称为附件，并可以帮助牙齿的移动。图18为示出设计成有助于移动牙齿的附件。

有两种方法来制作最终矫正器。

第一种方法是创建一系列基座模型并使用热成形技术来创建矫正器，该矫正器是可以与模型相匹配的壳体。该系列模型将作为数字文件格式输出，然后可以发送给3d打印机、快速成形机、cnc或可以从数字文件制作物理模型的任何其他设备。

每一个基座模型可以放置在热成形机上，热成形机会将塑料薄膜加热并吸入模型，从而产生壳体模型。该壳体模型的内表面不仅代表相应步骤的牙齿表面的目标位置，而且可以代表可能的组织变形。可以将模型修剪到牙齿边界或包括一些组织区域。结果得到一个处理步骤的矫正器。

当将步骤n+1的壳体模型应用到步骤n的基座模型上时，壳体的内表面和基座的外表面之间的形状差异将在模型上产生力，因此将能够在该步移动实际的牙齿。

由于壳体模型和基座模型之间的形状差异产生移动牙齿的力，基座模型的任何进一步的变形可导致壳体模型上的其他形状差异，并且因此在处理中产生额外的力。

因此，该方法的实施例是提供软件工具，以在使用热成形制作矫正器之前修改基座模型。例如，可以在模型上产生小凹痕的局部变形操作将导致矫正器模型上的向内凸起，这可能导致额外的力沿着凸起的方向推动牙齿。

在图19a中，虚线表示壳体模型或矫正器，实线表示矫正器下面的牙齿。表面的偏移会产生如箭头所示的移动牙齿的力量。图19b为示出原始牙齿模型、具有局部变形的牙齿模型、将该变形模型制作的矫正器施加到实际的牙齿上，以及因此凸起区域产生附加力以移动牙齿。

第二种方法是直接设计用于基座模型的每个步骤的壳体模型。该系统提供了供用户指定区域的工具，其中壳体模型将覆盖，或简单地使用牙冠表面的集合。该区域被提取和加厚以制作矫正器。最终壳体模型将匹配牙齿表面和附件的大部分轮廓，但可能不会反映所有的几何细节，这样做也没有必要。

图20为示出矫正器的几何形状不是牙齿的组合的精确匹配。

与第一种方法相同，提供给用户软件工具，以在壳体生成之前使基座模型变形或者在其创建之后使壳体模型变形。壳体模型进一步发送到制造设备以制作最终矫正器。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变型。因此，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明旨在覆盖本发明的修改和变型。