专利名称：防止正畸治疗过程中牙根和颌骨应力过度集中的矫治方法
技术领域：
本发明属于牙齿正畸技术领域，特别涉及一种防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法。
背景技术：
牙根吸收是正畸治疗的常见并发症之一，近年来的研究表明正畸治疗后牙根吸收甚至高达41. 6%，很多研究都表明正畸牙根吸收是伴随正畸治疗的常见现象，防止正畸治疗中牙根吸收是迫切需要解决的难题。正畸治疗牙根吸收的根本原因与牙齿移动过程中根尖应力过度集中有关，应力过度集中的原因，是牙根与颂骨在正畸治疗过程的位置关系不良造成的例如前牙内收牙根靠近颂骨骨皮质会引起牙根吸收。但是如何准确判断牙根在颂骨内的安全移动范围，以及如何精确控制牙根在颂骨内的安全移动，这些问题目前文献中尚未见报道。由于正畸牙根吸收是发生在三维方向上，传统的X片不能够准确观察。目前锥形束计算机断层扫描(cone beam computed tomography，CBCT)越来越广泛的应用于牙科，由于CBCT能够生成较高精度，与真实解剖机构1 1的三维图像，且放射剂量小，这对正畸牙根吸收的研究产生了巨大影响。CBCT扫描虽然可以获得详尽的硬组织图像，但是分辨率最高的CBCT图像也只有0. Imm左右的精度，不能精确的显示牙齿的形状或精确的咬合关系， 因此不能用基于CBCT的数字化模型制作临床矫治器(间接粘接托盘，个体化托槽，无托槽隐形矫治器)。它们的制作还必须依赖用激光或机构光扫描石膏模型建立的数字化牙冠模型，其精度可以达到0. 02mm甚至更高。要在虚拟矫治和数字化排牙中应用包括牙根和颂骨的牙颂模型，并输出临床矫治器，就必须将基于CBCT的数字化模型和基于激光或机构光扫描数字化牙冠模型进行整合。三维有限元分析是一种常用的应力分析方法，但是建模需应用放射剂量较大的 CT，在放射剂量较低的CBCT没有广泛应用的情况下，目前尚不能在临床上对患者正畸治疗过程中牙根和颂骨进行动态的应力分析；另外一方面，目前虽然可以将牙根和颂骨纳入虚拟排牙，针对正畸治疗后牙根和颂骨位置关系进行控制，但是正畸牙根吸收是发生在正畸过程中，如何在整个正畸治疗过程中保证牙根和颂骨都没有应力过度集中，以往的技术尚不能完全解决。
发明内容
本发明针对上述问题，公开了一种防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法。该方法具有以下步骤(1)建立自动配准3D整合牙颂模型(1. 1)取硅橡胶印取患者牙齿模型，并用石膏灌制，然后进行激光或结构光扫描， 获得数字化的牙冠；
(1.2)对患者面部拍摄锥束计算机断层扫描图片，用软件重建出颂骨及全牙模型；(1. 3)用逆向工程软件把激光或者结构光扫描成的牙冠与锥束计算机断层扫描重建的颂骨以及全牙模型自动配准后，切除重叠部分的牙冠，获得的3D整合牙颂模型包括激光或者结构光扫描的牙冠和锥束计算机断层扫描重建的牙根与颂骨；( 在3D整合牙颂模型上进行分步虚拟矫治(2. 1)在自动配准的3D整合牙颂模型上通过锥束计算机断层扫描和三维有限元分析确定牙根在颂骨内的安全移动范围，移动标准为牙根的外表面离开皮质骨内表面 0. 5mm以上，其中牙根的根尖离开皮质骨内表面Imm以上；每个牙根的外表面均离开其它牙的牙根外表面0. 5mm以上，每个牙根的根尖均离开其他牙的牙根外表面Imm以上；牙根的外表面离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面0. 5mm以上，牙根的根尖离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面Imm以上；(2. 2)将三维牙颂整合模型上的每颗牙齿均分割成可以在三维方向移动牙齿，针对不同矫治器件分别进行分步虚拟矫治；(3)三维有限元动态应力分析(3. 1)将虚拟矫治过程中每一步整合牙颂模型上的牙根部分应用Mimics和 Geomagic软件建立牙根_牙周膜_牙槽骨模型，并利用三维有限元分析软件Ansys划分网格和加载载荷；(3. 2)根据步骤(2. 2)的分步虚拟矫治计划设定牙根移动的位置和路线，整个过程中保证牙根应力最大不超过lOMPa，颂骨应力最大不超过2MPa ；虚拟矫治结果以矫治计划和Andrews新六要素标准确定，同时满足无牙根不平行、无牙根外露，即无骨开裂和骨开窗的情况；(4)通过激光快速成形技术制作临床矫治装置。所述步骤(3. 中，牙根应力进一步为最大不超过5MPa，颂骨应力进一步为最大不超过IMPa。所述步骤(2. 2)中，所述矫治器件包括间接粘接托盘、个体化的唇、舌侧托槽、个体化的弓丝和无托槽隐形矫治器。所述使用间接粘接托盘和个体化托槽的虚拟矫治分为以下5步排齐平整初期患者初始治疗时，使用0. 014英寸钛镍弓丝，弓丝未平整；排齐平整后期使用0. 022X0. 016英寸TMA弓丝，弓丝未平整；关闭间隙初期使用0.022X0. 016英寸不锈钢弓丝，弓丝完全平整，但没有移动牙齿关闭间隙；关闭间隙后期使用0.022X0. 016英寸不锈钢弓丝，移动牙齿关闭完成牙弓内所有间隙；治疗完成期。所述使用无托槽隐形矫治器的虚拟矫治分为20-30步，每一步牙齿的移动量在 0. 2mm以内。本发明的有益效果为通过虚拟矫治在治疗前就设定牙根在颂骨中移动的位置和路线，对整个实际正畸治疗过程进行模拟和控制，防止牙根和颂骨在正畸治疗中的应力过度集中，并通过先进技术将虚拟矫治转化为实际矫治，CAD/CAM的矫治装置(间接粘接托盘，个体化托槽，无托槽隐形矫治器)包含防止牙根和颂骨应力过度集中的信息，为防止正畸治疗中由于应力过度集中引起的牙根和牙槽骨吸收提供了解决方法，同时也可以避免正畸治疗后牙根不平行、 牙根外露(骨开裂和骨开窗)等副作用造成的牙周损伤和复发等风险。
图1为本发明的流程图；图2为激光扫描获得的牙冠模型；图3 (a)和图3 (b)分别为CBCT重建获得的牙根和颂骨模型；图4为将激光扫描模型和CBCT模型整合后的3D牙颂模型；图5 (a)和图5 (b)分别为牙根和颂骨动态应力分析图6为牙根在虚拟矫治各阶段应力分析示意图；图7为虚拟矫治最后一步的排牙模型；图7(a)为牙根平行度示意图；图7(b)为牙根与颂骨位置关系示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。本发明所述方法的流程如图1所示(1)制取数字化的牙列模型用硅橡胶取患者印模，然后用高强度的石膏灌制模型，然后把牙合模型进行激光或机构光扫描获得数字化的牙合模型，如图2所示，其精确度较高。(2)重建颂骨以及牙根拍摄患者颂面部CBCT，存为dicom格式文件，用Mimics软件根据牙齿与颂骨的密度不同而设置不同的阈值，选择合适的阈值将牙齿图像和颂骨图像分别分割三维重建，如图3(a)和图3(b)所示。(3)用逆向工程软件把激光或者结构光扫描成的牙冠与CBCT重建的牙冠自动配准后，将CBCT图像的牙冠部分切割掉，保留的CBCT牙根和颂骨的图像与扫描模型的牙冠图像合并，获得的3D整合牙颂模型包括激光或者结构光扫描的牙冠和CBCT重建的牙根与颂骨，如图4所示。(4)在自动配准的3D整合牙颂模型上通过锥束计算机断层扫描和三维有限元分析确定牙根在颂骨内的安全移动范围，移动标准为牙根的外表面离开皮质骨内表面 0. 5mm以上，其中牙根的根尖离开皮质骨内表面Imm以上；每个牙根的外表面均离开其它牙的牙根外表面0. 5mm以上，每个牙根的根尖均离开其他牙的牙根外表面Imm以上；牙根的外表面离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面0. 5mm以上，牙根的根尖离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面Imm以上。(5)在3D整合牙颂模型上针对间接粘接托盘、个体化托槽或无托槽隐形矫治器分别进行分步虚拟矫治在三维牙颂整合模型上运用软件，将每颗牙齿分割成可以在三维方向移动牙齿，然后按照治疗计划进行分步虚拟矫治在动态虚拟矫治整个过程中保证牙根最大应力不超过IOMpa (实际应用中最好不超过为5Mpa)；颂骨最大应力不超过2MPa(实际应用中最好不超过IMpa)；对于间接粘接托盘和个体化托槽的虚拟矫治分为以下5步排齐平整初期患者未治疗时，使用0. 014英寸钛镍弓丝，弓丝未平整；排齐平整后期使用0. 022X0. 016英寸TMA弓丝，弓丝未平整；关闭间隙初期使用0.022X0. 016英寸不锈钢弓丝，弓丝完全平整，但没有移动牙齿关闭间隙；关闭间隙后期使用0.022X0. 016英寸不锈钢弓丝，移动牙齿关闭完成牙弓内所有间隙；治疗完成期。对于无托槽隐形矫治器的虚拟矫治分为20-30步，每一步牙齿的移动量在0. 2mm 以内。(6)对牙根和颂骨进行动态应力分析将虚拟矫治每一步整合牙颂模型上的牙根部分应用Mimics和Geomagic软件建立牙根-牙周膜-牙槽骨模型，并保存为三维有限元分析软件Ansys可以识别的格式，然后确定材料参数，划分网格和加载(10N*mm)，如图5所
7J\ ο(7)通过三维有限元分析设定牙根移动的位置和路线应用三维有限元分析确定虚拟矫治整个过程中牙根和颂骨应力分布的动态变化，如果有应力过度集中的情况(牙根最大等效应力大于5Mpa，或者牙槽骨最大等效应力大于IMpa)则重新调整虚拟矫治牙根移动的位置和路线，保证牙根和颂骨应力在虚拟矫治各阶段都在安全范围内，如图6所示。虚拟矫治最后结果根据矫治计划和Andrews新六要素(包括颂骨)标准完成虚拟矫治最后一步排牙模型。同时要求无牙根不平行，如图7(a)，无牙根外露，如图7(b)。关于Andrews新六要素的内容请参见张珂，白丁 =Andrews 口颂面协调六要素在侧貌美学中的应用.国际口腔医学杂志，2010,37 ) :P236-239 ；Andrews LF The six elements of orofacial harmony[J]. Andrews J Orthod Orofac Harmony,2000,1(1) :13_22。(8)通过激光快速成形技术制作临床矫治装置间接粘接托盘的制作在虚拟矫治最后一步的模型上用三维绘图软件绘制全尺寸个体化舌侧或唇侧弓丝，用个体化弓丝定位虚拟舌侧或唇侧托槽，然后把含有定位好的托槽的整合模型的每个牙的坐标回到原来的错合状态，在错合模型上用软件生成虚拟间接粘接托盘，用激光快速成型技术输出实物转移托盘，转移托盘和个体化弓丝包含牙根移动位置和路线的信息。个体化托槽的制作在虚拟矫治最后一步的模型上生成个体化托槽底版和绘制全尺寸个体化舌侧或唇侧弓丝，用个体化弓丝定位绘制好的托槽体，然后用软件将托槽底板与托槽体合并完成个体化托槽计算机辅助设计。用选区激光熔化技术(selective laser metling,SLM)将虚拟的个体化托槽直接输出为实物托槽，个体化托槽和个体化弓丝包含牙根移动位置和路线的信息。个体化弓丝的制作根据CAD模型采用机械手或手工弯制个体化弓丝。无托槽隐形矫治器的制作按照治疗计划将虚拟矫治分为20-30步，进一步可以更细致的分为50步，保证每一步牙根和颂骨应力在安全范围，通过激光快速成形制作每一步的牙列模型(光固化模型)，在光固化模型上真空压膜得到与虚拟矫治步骤相对应的无托槽隐形矫治器。 临床应用效果应用本发明所述方法制成的矫治器完成的临床病例，所有矫治牙齿发生牙根吸收(指治疗后原有牙根形态或者牙根长度改变)的比例在10%以内，所有发生牙根吸收的牙齿其吸收量在2mm以内；治疗后无牙根不平行(相邻牙齿牙根角度在15° 以内)，无牙根外露于颂骨。
权利要求
1.防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法，其特征在于，具有以下步骤(1)建立自动配准3D整合牙颂模型(1. 1)取硅橡胶印取患者牙齿模型，并用石膏灌制，然后进行激光或结构光扫描，获得数字化的牙冠；(1.2)对患者面部拍摄锥束计算机断层扫描图片，用软件重建出颂骨及全牙列模型；(1. 3)用逆向工程软件把激光或者结构光扫描成的牙冠与锥束计算机断层扫描重建的颂骨以及全牙列模型自动配准后，切除重叠部分的牙冠，获得的3D整合牙颂模型包括激光或者结构光扫描的牙冠和锥束计算机断层扫描重建的牙根与颂骨；(2)在3D整合牙颂模型上进行分步虚拟矫治(2. 1)在自动配准的3D整合牙颂模型上通过锥束计算机断层扫描和三维有限元分析确定牙根在颂骨内的安全移动范围，移动标准为牙根的外表面离开皮质骨内表面0. 5mm 以上，其中牙根的根尖离开皮质骨内表面Imm以上；每个牙根的外表面均离开其它牙的牙根外表面0. 5mm以上，每个牙根的根尖均离开其他牙的牙根外表面Imm以上；牙根的外表面离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面0. 5mm以上，牙根的根尖离开弹性模量大于1 X IO4MPa的高密度结构表面Imm以上；(2. 2)将三维牙颂整合模型上的每颗牙齿均分割成可以在三维方向移动牙齿，针对不同矫治器分别进行分步虚拟矫治；(3)三维有限元动态应力分析(3. 1)将虚拟矫治过程中每一步整合牙颂模型上的牙根部分应用Mimics和Geomagic 软件建立牙根-牙周膜-牙槽骨模型，并利用三维有限元分析软件Ansys划分网格和加载载荷；(3.2)根据步骤(2. 的分步虚拟矫治计划设定牙根移动的位置和路线，整个过程中保证牙根应力最大不超过lOMPa，颂骨应力最大不超过2MPa ；虚拟矫治结果以矫治计划和 Andrews新六要素标准确定，同时满足无牙根不平行、无牙根外露；(4)通过激光快速成形技术制作临床矫治装置。
2.根据权利要求1所述的防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法， 其特征在于，所述步骤(3. 中，牙根应力进一步为最大不超过5MPa，颂骨应力进一步为最大不超过IMPa。
3.根据权利要求1所述的防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法， 其特征在于，所述步骤(2. 中，所述矫治器包括间接粘接托盘、个体化托槽和无托槽隐形矫治器。
4.根据权利要求3所述的防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法， 其特征在于，所述使用间接粘接托盘和个体化托槽的虚拟矫治分为以下5步排齐平整初期患者初始治疗时，使用0. 014英寸钛镍弓丝，弓丝未平整；排齐平整后期使用0. 022X0. 016英寸TMA弓丝，弓丝未平整；关闭间隙初期使用0. 022X0. 016英寸不锈钢弓丝，弓丝完全平整，但没有移动牙齿关闭间隙；关闭间隙后期使用0. 022X0. 016英寸不锈钢弓丝，移动牙齿关闭完成牙弓内所有间隙；治疗完成期。
5.根据权利要求3所述的防止正畸治疗过程中牙根和颂骨应力过度集中的矫治方法， 其特征在于，所述使用无托槽隐形矫治器的虚拟矫治分为20-30步，每一步牙齿的移动量在0. 2mm以内。
全文摘要
一种防止正畸治疗过程中牙根和颌骨应力过度集中的矫治方法属于牙齿正畸技术领域。包括以下步骤建立自动配准3D整合牙颌模型；在3D整合牙颌模型上进行分步虚拟矫治；应用三维有限元分析确定虚拟矫治整个过程中牙根和颌骨应力分布的动态变化，保证矫治中牙根和颌骨应力在安全范围内；通过激光快速成型技术制作临床矫治装置。通过计算机辅助设计与制作的个体化的矫治装置能够控制牙根移动的位置和路线，通过虚拟矫治的表达验证，能够在实际治疗中复制虚拟矫治的情况，实现了矫治过程中牙根与牙齿及颌骨间的良好位置关系，有利于减少和消除正畸治疗过程中由于应力过度集中引起的牙根和牙槽骨吸收，且有利于减少和避免矫治后的复发。
文档编号A61C7/00GK102415916SQ20111021700
公开日2012年4月18日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者厉松, 曾晓雁, 王振林, 田杰, 白玉兴, 郭宏铭 申请人:首都医科大学附属北京口腔医院