壳状牙科器械及其设计方法和制备方法与流程

本发明属于牙齿矫治技术领域，更确切地说涉及壳状牙科器械制造技术，尤其涉及一种壳状牙科器械及其设计方法和制备方法。

背景技术：

牙颌畸形是口腔三大疾病之一，有很高的患病率，牙颌畸形对口腔局部甚至全身带来极大的危害，例如影响颌面的发育、影响口腔健康、影响口腔功能、影响容貌外观等，目前对牙颌畸形进行矫治的正畸治疗技术包括传统的基于弓丝、托槽的固定矫治技术和近年来发展起来的隐形矫治技术。

正畸治疗中，牙齿移动的类型从力学角度看包括两种基本方式：平移和转动，这两种移动方式取决于阻抗中心和旋转中心的位置关系。其中，阻抗中心是指当力作用于一物体时，该物体周围约束其运动的阻力中心，阻抗中心的位置与牙根长度、形态、牙周组织有关，与施加在牙齿上的矫治力无关；旋转中心是指在外力作用下物体转动所围绕的一个中心，旋转中心随施加在牙齿上的矫治力的大小、作用的方向和作用点的位置的变化而变化。

正畸治疗中，矫治器通过对牙齿施加矫治力来实现牙齿的移动。矫治力的转矩的表达与旋转中心位置有关，牙齿移动过程中，旋转中心控制不当将大大增加牙根突破骨壁的风险。在固定矫治技术中，转矩控制通过不同的弓丝以及托槽来施加转矩力，上述方式的实现是依据临床医生的临床经验决定的，很难精确控制转矩角度以及转矩力，因此很难控制旋转中心的位置，尤其对于前牙区的牙齿的唇侧牙槽骨较薄，在进行旋转时，容易存在牙根突破骨壁的风险。对于无托槽的隐形矫治技术来说，对需要转矩移动的牙齿进行转矩控制同样重要，将牙根控制在牙槽骨内的安全位置将直接影响矫治效果。

因此，研究如何通过旋转中心的设计指导矫治器的设计，以实现牙齿的安全移动具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的是克服现有技术缺陷，提供一种壳状牙科器械及其设计方法和制备方法，解决了在隐形牙齿矫治过程中预先设定牙齿的安全移动路径设计的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种壳状牙科器械的设计方法，包括：

获取数字化牙颌模型：获取一数字化牙颌模型，所述数字化牙颌模型包括数字化牙冠模型及数字化牙根模型；

分割数字化牙颌模型：将数字化牙颌模型分割成包括数字化牙冠模型和数字化牙根模型的单颗数字化牙齿模型；

设计单颗数字化牙齿模型的位姿变化：基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，从而控制数字化牙根模型的位姿变化位置，得到位姿变化后的数字化牙颌模型；

壳状牙科器械的设计：基于所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计具有容纳所述数字化牙冠模型的壳状牙科器械，所述壳状牙科器械施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与所述数字化牙冠模型施加到所述壳状牙科器械产生的平衡力矩的比值控制在预定的数值或范围内，以调整数字化牙齿模型的位姿变化。

优选地，所述单颗数字化牙齿模型的旋转中心设计方法包括：判断所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化的类型，其中，所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型包括平移和旋转；之后基于施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到所述壳状牙科器械上产生的平衡力矩的比值控制设计旋转中心的位置。

优选地，当所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为平移时，所述施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为1。

优选地，所述旋转中心位置设计于无穷远处。

优选地，当所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，所述施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为0，或0到1之间，或大于1。

优选地，当所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，所述施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为0时，所述旋转中心位置设计于与牙齿的阻抗中心重合的位置。

优选地，所述数字化牙根模型的位姿变化为倾斜移动。

优选地，当所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，所述施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为0和1之间时，所述旋转中心位置设计于远离牙齿的阻抗中心的位置且所述旋转中心与所述阻抗中心不重合。

优选地，所述数字化牙根模型的位姿变化为旋转。

优选地，当所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，所述施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为大于1时，所述旋转中心位置设计于所述数字化牙冠模型临近牙尖的位置。

优选地，所述数字化牙根模型的位姿变化为控根移动，所述数字化牙根模型的移动量大于所述数字化牙冠模型的移动量。

优选地，所述壳状牙科器械为数字化隐形牙齿矫治器。

优选地，所述单颗数字化牙齿模型包括前牙区单颗数字化牙齿模型和后牙区单颗数字化牙齿模型。

优选地，还包括获取数字化牙槽骨模型，所述数字化牙根模型的位姿在对应的所述数字化牙槽骨内部调整以避免所述数字化牙槽骨模型发生骨开窗或骨开裂。

优选地，所述数字化牙槽骨模型的获取方式包括全颌曲面断层片、口腔ct片或口腔锥形束ct片。

优选地，所述壳状牙科器械的设计为数字化壳状牙科器械模型的设计或实体壳状牙科器械的设计。

优选地，所述基于所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计具有容纳所述数字化牙冠模型的壳状牙科器械包括：一个或多个具有使所述单颗数字化牙冠模型由初始位置逐渐重新定位至目标矫治位置的几何形状的壳状牙齿矫治器。

一种数字化排牙的设计方法，包括：

获取数字化牙颌模型：获取一数字化牙颌模型，所述数字化牙颌模型包括数字化牙冠模型及数字化牙根模型；

分割数字化牙颌模型：将数字化牙颌模型分割成包括数字化牙冠模型和数字化牙根模型的单颗数字化牙齿模型；

数字化排牙设计：基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，完成所述单颗数字化牙齿模型的排牙设计，得到排牙后的数字化牙颌模型。

优选地，所述数字化排牙设计还包括：基于所述单颗数字化牙齿模型在整个数字化牙颌模型中的相对位置进行排牙设计。

一种壳状牙科器械，所述壳状牙科器械为按照上述的壳状牙科器械的设计方法设计出来的壳状牙科器械。

优选地，所述壳状牙科器械包括一个或多个具有使所述单颗数字化牙冠模型由初始位置逐渐重新定位至目标矫治位置的几何形状的壳状牙齿矫治器。

一种壳状牙科器械的制备方法，基于上述的壳状牙科器械的设计方法对设计出来的壳状牙科器械进行相应的制备，具体的制备方法包括：基于所述位姿变化后的数字化牙颌模型进行3d打印，制备出实体的牙颌模型，之后在所述实体的牙颌模型上采用热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械，之后在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙科器械。

一种壳状牙科器械的制备方法，基于上述的壳状牙科器械的设计方法对设计出来的壳状牙科器械进行相应的制备，具体的制备方法包括：采用直接3d打印的方法对设计出来的壳状牙科器械进行打印制备。

一种壳状牙科器械的制备方法，基于上述的数字化排牙的设计方法，对设计出来的排牙后的数字化牙颌模型进行相应壳状牙科器械的制备，具体的制备方法包括：基于所述位姿变化后的数字化牙颌模型进行3d打印，制备出实体的牙颌模型，之后在所述实体的牙颌模型上热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械，之后在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙科器械。

通过本发明提供的壳状牙科器械及其设计方法和制备方法，能够带来以下至少一种有益效果：

(1)本发明提供的壳状牙科器械的设计方法中，基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，在单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计时，使单颗数字化牙齿模型在安全位置进行移动，结合单颌牙齿之间、上颌和下颌牙齿之间的相对位置，可进行整颌牙齿的数字化排牙设计，进而设计上颌或下颌的壳状牙科器械，设计出的壳状牙科器械在对患者进行矫治时能够使牙齿产生预期的移动和变化，解决了在矫治过程中无法预期安全移动牙齿的问题。

(2)本发明提供的壳状牙科器械是按照本发明的壳状牙科器械的设计方法设计出来的壳状牙科器械，由于壳状牙科器械的设计方法预先对单颗数字化牙齿模型的位姿变化进行了安全的设计，结合患者口内的实际情况，还可对患者的上颌和下颌牙齿结合布局及矫治目标位置预先设计，因此，壳状牙科器械在对牙齿进行矫治时能安全移动牙齿。

(3)本发明的壳状牙科器械的制备方法采用上述设计方法设计之后进行相应壳状牙科器械的制备，采用先3d打印，然后热压成型后切割的方法，可以根据患者个性化的矫治需求进行相应牙科器械的制作；或者采用直接3d打印的方法制备壳状牙科器械，对于结构较复杂或成型难度较大的结构可以直接打印成型，制备效率较高，对制备精度能够很好的得到控制。

(4)本发明提供的数字化排牙的设计方法中，基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，使单颗数字化牙齿模型在相对安全位置进行移动，然后完成所述单颗数字化牙齿模型的排牙设计，结合整颌牙齿的相对位置，可进行整颌牙齿的数字化排牙设计，基于得到的排牙后的数字化牙颌模型制备的壳状牙科器械在对患者进行矫治时能够使牙齿产生预期的移动和变化，解决了在矫治过程中无法预期安全移动牙齿的问题。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为包含处于初始位置和实际矫治位置的牙齿的部分头影剖面示意图。

图2为一个实施例的上颌前牙从初始位置向实际矫治位置移动的示意图。

图3为另一实施例的上颌前牙从初始位置向实际矫治位置移动的示意图。

图4为又一实施例的上颌前牙从初始位置向实际矫治位置移动的示意图。

图5为本发明实施例1提供的壳状牙科器械的设计方法的流程图。

图6为采用本发明的设计方法制备得到的多个壳状牙齿矫治器对重度内倾型深覆合患者的不同牙齿进行矫治的不同阶段的牙齿cbct显示图像。

图7a为采用本发明的设计方法制备得到的多个壳状牙齿矫治器对重度内倾型深覆合患者的牙齿进行矫治起始阶段的头颅侧围像。

图7b为采用本发明的设计方法制备得到的多个壳状牙齿矫治器对重度内倾型深覆合患者的牙齿进行矫治一定阶段后的头颅侧围像。

图8为本发明实施例5提供的数字化排牙的设计方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

术语“前牙区”和“后牙区”根据北京大学医学出版社出版的《口腔医学导论》第2版第36-38页中对于牙齿的分类进行定义，前牙区包括切牙、侧切牙和尖牙，以fdi标记法显示为1-3的牙齿，后牙区包括前磨牙以及磨牙，以fdi标记法显示为4-8的牙齿。

参照图1，以对内倾型深覆合的牙齿进行矫治为例，在对上颌前牙区的牙齿10和下颌前牙区的牙齿30进行矫治时，需要将牙齿10从初始位置10a移动至虚线表示的实际矫治位置10b，将牙齿30从初始位置30a移动至虚线表示的实际矫治位置30b，对牙齿10施加矫治力时将旋转中心101设置在不同位置将使牙齿10产生不同的移动路径，也将带来不同的矫治效果，下面以对上颌前牙区的牙齿10的矫治为例对此进行详细描述。

参照图2，牙齿10处于初始位置10a时，牙齿10的牙根位于牙槽骨20的中央的安全位置，将牙齿10的旋转中心101设计在牙齿10的牙尖点处，对牙齿10施加内收的矫治力，牙齿10以旋转中心101为中心旋转至虚线表示的实际矫治位置10b，可以看出，牙齿10位于实际矫治位置10b时，牙齿10已突破牙槽骨20的唇侧骨壁，该矫治方式若直接应用于患者的口腔内部，很可能导致骨开窗或骨开裂的严重后果，造成医疗事故。

参照图3，牙齿10处于初始位置10a时，牙齿10的牙根靠近牙槽骨20的唇侧骨壁，将牙齿10的旋转中心101设计为与牙齿10的阻抗中心102重合，对牙齿10施加向唇侧延展的矫治力，牙齿10围绕旋转中心101从初始位置10a转动至虚线表示的实际矫治位置10b，可以看出，在实际矫治位置10b时，牙齿10的根尖位于牙槽骨20的中央的安全位置，但牙齿10的邻近唇侧颈缘线的部分牙根突破了牙槽骨20的唇侧骨壁，该矫治方式存在一定的矫治风险。

参照图4，牙齿10处于初始位置10a时，牙齿10的牙根靠近牙槽骨20的唇侧骨壁，与图3中处于初始位置10a的牙齿10的位置大致相同，将牙齿10的旋转中心101设计在牙齿10的唇侧颈缘线处，此时旋转中心101和阻抗中心102不重合，对牙齿10施加向唇侧延展的矫治力，牙齿10围绕旋转中心101从初始位置10a转动至虚线表示的实际矫治位置10b，可以看出，在实际矫治位置10b以及在从初始位置10a到实际矫治位置10b的移动过程中，牙齿10的牙根始终位于牙槽骨20内的安全位置，牙齿10的牙根没有突破牙槽骨20的唇侧骨壁的风险，该矫治方式是一种理想的矫治方式。

从图2至图4可以看出，将旋转中心101设置在合适的位置对于安全移动牙齿具有至关重要的作用，针对在隐形牙齿矫治时如何预期安全移动牙齿的问题，参照图5，本发明实施例1提供一种壳状牙科器械的设计方法，该设计方法包括步骤s11至步骤s14，还可以包括步骤s15。

步骤s11，获取数字化牙颌模型：获取一数字化牙颌模型，所述数字化牙颌模型包括数字化牙冠模型及数字化牙根模型。

数字化牙颌模型可以是上颌或下颌的数字化牙颌模型，数字化牙颌模型可以通过初始牙颌信息获得，也可以通过治疗过程中的中间状态牙颌信息获得。其中，初始牙颌信息或中间状态牙颌信息可以通过口内扫描获得，或者，通过对用户的牙颌模型的扫描获得，初始牙齿状态信息具体可以包括：牙齿形状、牙龈位置等，还可以包括由cbct数据(conebeamct，又称为锥形束ct)获得的牙根信息。牙齿形状中进一步还包括牙齿唇侧面、舌侧面、咬合面等形态，更进一步还可以包括有牙齿牙尖、嵴、窝、沟等。

其中，所述的数字化牙颌模型包括数字化牙冠模型及数字化牙根模型，其中数字化牙冠模型部分及数字化牙根模型部分可以为一体结构进行后续设计，也可以为分别单独的部分进行后续设计。

步骤s12，分割数字化牙颌模型：将数字化牙颌模型分割成包括数字化牙冠模型和数字化牙根模型的单颗数字化牙齿模型。

受牙齿扫描精度或数字化牙齿模型的三维重建精度等因素影响，数字化牙颌模型的扫描结果为一体的数字化牙颌模型，包括数字化牙龈模型、数字化牙冠模型和数字化牙根模型等，并且上颌或下颌的数字化牙冠模型之间均相连在一起，为了实现对单颗牙齿模拟牙齿矫治过程和获取单颗牙齿的数字化牙齿模型的位姿变化，需要将数字化牙颌模型分割成单颗数字化牙齿模型，单颗数字化牙齿模型包括前牙区单颗数字化牙齿模型和后牙区单颗数字化牙齿模型，每个的单颗数字化牙齿模型包括数字化牙冠模型和数字化牙根模型。对数字化牙颌模型进行分割可以采用以下方法中的一种：(1)利用图形图像处理技术提取数字化牙颌模型中牙齿模型间的分割边界并进行分割；(2)在每颗牙齿上进行手动标记，然后基于分水岭算法的分割方法进行交互式分割；(3)基于模型表面平均曲率的单齿分割技术对单颗牙齿进行分割。数字化牙颌模型的分割还可以采用其它的分割形式，现有技术中能够将数字化牙颌模型分割成单颗数字化牙齿模型的方法均可采用。

步骤s13，设计单颗数字化牙齿模型的位姿变化：基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，从而控制数字化牙根模型的位姿变化位置，得到位姿变化后的数字化牙颌模型。

基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，在对矫治病例进行矫治模拟设计时，以模拟牙齿转动为例，通过设计将目标牙齿的旋转中心调整到最佳位置，以该点做旋转运动，趋向目标矫治位的同时，将数字化牙根模型控制在牙槽骨的安全位置范围内移动，并生成数字化牙齿模型以旋转中心为中心运动的效果，将数字化牙齿模型模拟移动的运动方式表现出来，可以将数字化排牙设计方案给患者以直观的了解矫治过程的变化，并得到位姿变化后的数字化牙齿模型，后续进行壳状牙科器械的设计和制备，避免因采用设计出来的壳状牙科器械容纳位姿不准确的牙齿，使得移动牙齿不当导致骨开窗和骨开裂的严重后果。

以对内倾型深覆合进行矫治为例，基于上颌前牙区的单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，通过设计将旋转中心定位在唇侧釉牙本质界与上牙槽缘点的交点，单颗数字化牙齿模型的位姿变化可设计为先对前牙区牙齿向唇侧延展后再整体向舌侧回收，在位姿变化设计时，针对前牙区的不同单颗数字化牙齿模型的数化牙根模型始终在牙槽骨内的安全位置移动进行设计，基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计出来的壳状牙科器械在对牙齿进行矫治时，有效保证牙齿的牙根在牙槽骨内的安全位置移动，降低风险。

步骤s14，壳状牙科器械的设计：基于所述单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计具有容纳所述数字化牙冠模型的壳状牙科器械，所述壳状牙科器械施加到所述数字化牙冠模型上产生的力矩与所述数字化牙冠模型施加到所述壳状牙科器械产生的平衡力矩的比值控制在预定的数值或范围内，以调整数字化牙齿模型的位姿变化。

壳状牙科器械的设计可以是数字化壳状牙科器械模型的设计或实体壳状牙科器械的设计，数字化壳状牙科器械模型可以利用有限元分析的方法，对虚拟的数字化壳状牙科器械模型进行特殊设计，实体壳状牙科器械可用于当对数字化牙颌模型进行实体热压成型操作后的实体进行设计，即为在实体热压成型的牙科器械上进行特殊的切割设计。壳状牙科器械可以是数字化隐形牙齿矫治器。

由于壳状牙科器械包裹数字化牙冠模型，因此壳状牙科器械对于数字化牙冠模型能够多方位的进行施力，在进行壳状牙科器械设计时还可以针对不同的需要进行施力大小和方向的设计，其中施力的力矩为力与施力点到阻抗中心的距离的乘积。在壳状牙科器械对数字化牙冠模型进行多方位施力的同时，数字化牙冠模型对壳状牙科器械同样产生抵抗壳状牙科器械施力的平衡力，其中，平衡力产生的平衡力矩为平衡力与施力点到阻抗中心的距离的乘积。施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩不同时，将引起单颗数字化牙齿模型的移动，其中单颗数字化牙齿模型的移动方式为平移或旋转。另外，由于施力的作用点到阻抗中心的距离对于不同的患者是不同的，力矩与力的比值必须根据患者的数字化牙根长度、施力点进行调整，因此此种方式对患者而言为针对性的设计，更加贴合患者实际的口内情况进行的壳状牙科器械的设计，使得矫治安全性和针对性更强。

基于施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩的比值变化能够用于调整和设计单颗数字化牙齿模型的旋转中心的位置，从而用于设计数字化牙齿模型的位姿变化。其中，单颗数字化牙齿模型的旋转中心设计方法包括：判断单颗数字化牙齿模型的位姿变化的类型，其中，单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型包括平移和旋转；之后基于施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩的比值控制设计旋转中心的位置。

施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩的比值可以是0，或0到1之间，或1，或大于1，根据单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型，选择不同的比值，能够控制设计单颗数字化牙齿模型的旋转中心的位置，进而调整单颗数字化牙齿模型移动的类型，基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计的壳状牙科器械在由患者佩戴时，壳状牙科器械使目标牙齿具有设计或预期的旋转中心，根据阻抗中心和旋转中心的位置关系，目标牙齿产生预期或期望的移动，且牙根在移动时能够处于预期或期望的安全位置。

当单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为平移时，且施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为1。此时，旋转中心位置优选设计于无穷远处。单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为平移时，数字化牙冠模型和数字化牙根模型沿相同方向同时移动，例如，数字化牙冠模型和数字化牙根模型同时向唇侧或舌侧、近中或远中方向，以咬合平面为基准的等距离水平移动至新的位置。基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为平移设计的壳状牙科器械在由患者佩戴时，壳状牙科器械对目标牙齿的施力使目标牙齿的旋转中心位于无穷远处，目标牙齿产生预期或期望的平移。

当单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，且施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为0时，旋转中心位置设计于与牙齿的阻抗中心重合的位置，单颗数字化牙齿模型绕着旋转中心进行转动或大致绕着旋转中心进行三维转动。此时，数字化牙根模型的位姿变化优选为倾斜移动，即以旋转中心为中心，数字化牙根模型和数字化牙冠模型朝相反方向移动。基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转设计的壳状牙科器械在由患者佩戴时，壳状牙科器械对目标牙齿的施力使目标牙齿的旋转中心与阻抗中心重合，施加到壳状牙科器械产生的平衡力矩使目标牙齿产生预期或期望的旋转，尤其是在目标牙齿绕旋转中心旋转时，牙根和牙冠朝相反方向移动。

当单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，且施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为0和1之间时，旋转中心位置设计于远离牙齿的阻抗中心的位置且旋转中心与阻抗中心不重合，单颗数字化牙齿模型绕着旋转中心进行转动或大致绕着旋转中心进行三维转动。此时，数字化牙根模型的位姿变化优选为旋转，具体的为牙齿倾斜度的改变，数字化牙冠模型和数字化牙根模型向相同的方向移动。基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转设计的壳状牙科器械在由患者佩戴时，壳状牙科器械对目标牙齿的施力使目标牙齿的旋转中心远离目标牙齿的阻抗中心且不重合，施加到目标牙齿上产生的力矩与施加到壳状牙科器械产生的平衡力矩的比值使目标牙齿产生预期或期望的旋转。

当单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转时，且施加到数字化牙冠模型上产生的力矩与施加到壳状牙科器械上产生的平衡力矩比值为大于1时，旋转中心位置设计于数字化牙冠模型的临近牙尖的位置，单颗数字化牙齿模型可绕着旋转中心进行转动或大致绕着旋转中心进行三维转动。此时，数字化牙根模型的位姿变化优选为控根移动，即数字化牙根模型的移动量大于数字化牙冠模型的移动量。基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化类型为旋转设计的壳状牙科器械在由患者佩戴时，壳状牙科器械对目标牙齿的施力使目标牙齿的旋转中心临近牙尖的位置，施加到目标牙齿上产生的力矩与施加到壳状牙科器械产生的平衡力矩的比值使目标牙齿产生预期或期望的旋转，尤其是在目标牙齿绕旋转中心旋转时，牙根的移动量大于牙冠的移动量，或保持牙齿的牙冠基本不动，使其牙根在牙槽骨内进行移动。

本发明一些实施例中，步骤s14中，基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计具有容纳数字化牙冠模型的壳状牙科器械可以包括：一个或多个具有使单颗数字化牙冠模型由初始位置逐渐重新定位至目标矫治位置的几何形状的壳状牙齿矫治器，壳状牙齿矫治器可设置有若干容纳牙齿的腔体。初始位置为患者进行就医时采集的数字化模型相对位置，目标矫治位置为经过医生及医学设计人员根据患者诉求及口内情况进行最终矫治效果的位置体现，由于个体差异，不同患者的口内情况均不相同，需要逐渐将牙齿从初始位置移动至目标位置，在此过程中需要一系列不同的多组壳状牙齿矫治器对牙齿进行佩戴矫治。

对于需要对内倾型深覆合进行矫治的患者，在进行壳状牙齿矫治器的佩戴时，壳状牙齿矫治器先对上前牙进行转矩控制，一个或多个壳状牙齿矫治器的佩戴使上前牙的牙根由靠近唇侧骨壁逐渐移动到牙槽骨中央，然后再佩戴一个或多个壳状牙齿矫治器逐渐完成前牙内收，最终完成内倾型深覆合的矫治，基于单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计的壳状牙科器械能够使整个矫治过程中，上前牙的牙根始终位于对应的牙槽骨内的安全位置。

参照图6、图7a和图7b，其中图6为患者cbct侧位图像由锥形束计算机重组断层成像技术获得，图7a和图7b为患者不同矫治阶段的头颅侧位片获得；图6显示了对四颗牙齿的矫治过程，其中，从左至右的每一列显示了一颗牙齿的矫治过程，数字12、11、21、22是采用fdi标记法对对应列牙齿进行的标记，表示的牙齿分别为上颌右侧侧切牙、上颌右侧中切牙、上颌左侧中切牙、上颌左侧侧切牙。从上至下的第一行图像表示矫治的第0步的牙齿cbct显示图像，即牙齿矫治的起始阶段的图像，该阶段的头颅侧围像如图7a所示；第二行图像表示矫治的第7步的牙齿cbct显示图像，即牙齿矫治进行一定的矫治阶段后的图像；第三行图像表示矫治的第28步的牙齿cbct显示图像，即牙齿矫治继续进行一定的矫治阶段后的图像，该阶段的头颅侧围像如图7b所示。从图6、图7a和图7b可以看出，采用本发明的设计方法制备得到的多个壳状牙齿矫治器对重度内倾型深覆合患者的多个牙齿进行矫治时，上前牙的牙根始终位于对应的牙槽骨内的安全位置，没有突破对应牙槽骨的唇侧骨壁的风险，因此，本发明的壳状牙科器械的设计方法能够解决在矫治过程中无法预期安全移动牙齿的问题。

本发明一些实施例中，壳状牙科器械的设计方法还包括步骤s15，获取数字化牙槽骨模型，所述数字化牙根模型的位姿在对应的所述数字化牙槽骨内部调整以避免所述数字化牙槽骨模型发生骨开窗或骨开裂。获取数字化牙槽骨模型可以在步骤s13之前进行。所述数字化牙槽骨模型的获取方式可以包括全颌曲面断层片、口腔ct片或口腔锥形束ct片(即为cbct片)。基于数字化牙槽骨模型在进行数字化牙齿模型位姿变化调整时，能够同时模拟数字化牙根模型在移动的过程中是否移出数字化牙槽骨模型的边缘，更贴合患者实际的口内情况。通过上述设计方法制备的实体壳状牙科器械在对患者进行矫治时，目标牙齿的牙根能够预期地在目标牙齿对应的牙槽骨内部调整，避免牙槽骨发生骨开窗或骨开裂，降低矫治的风险。

单颗数字化牙齿模型包括前牙区单颗数字化牙齿模型和后牙区单颗数字化牙齿模型，由于人体口内的实际情况，前牙区数字化牙齿模型对应的唇侧数字化牙槽骨模型相对于后牙区数字化牙齿模型对应的唇侧数字化牙槽骨模型更薄，因此在对前牙区数字化牙齿模型进行设计时，旋转中心的位置选取更为重要，选取的位置设置不当，更容易引发骨开窗或骨开裂的现象。结合患者真实的数字化牙槽骨模型更加直观的对设计结果进行评估和调整。

本发明实施例2提供一种壳状牙科器械，该壳状牙科器械为按照本发明实施例1的壳状牙科器械的设计方法设计出来的壳状牙科器械。壳状牙科器械优选包括一个或多个具有使单颗数字化牙冠模型由初始位置逐渐重新定位至目标矫治位置的几何形状的壳状牙齿矫治器。壳状牙齿矫治器能够包裹患者的牙齿，对牙齿施加多方位的矫治力，从而对牙齿进行重新排布。

本发明实施例3还提供一种壳状牙科器械的制备方法，基于本发明实施例1的壳状牙科器械的设计方法对设计出来的壳状牙科器械进行相应的制备，具体的制备方法包括：基于一系列设计后位姿变化后的数字化牙颌模型进行3d打印，制备出实体的牙颌模型，之后在所述实体的牙颌模型上采用热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械，之后在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙科器械，再对壳状牙科器械进行清洗、消毒、包装等制备模块进行制备，使患者能够直接佩戴使用，在经过一系列的壳状牙科器械佩戴后，达到牙齿矫治的目的。

更具体的，制备方法中的制作模块也可以是3d打印设备、压膜设备、切割设备、抛光设备、及清洗消毒设备，具体制备过程是首先通过3d打印技术将符合要求的数字化牙颌模型有限元数字模型直接打印出来，其次在打印好的3d牙颌模型上进行压膜操作，最后再对压好膜的壳状牙科器械进行切割、抛光清洗、消毒等步骤，最终制得壳状牙科器械。

本发明实施例4还提供另一种壳状牙科器械的制备方法，基于本发明实施例1的壳状牙科器械的设计方法对设计出来的壳状牙科器械进行相应的制备，具体的制备方法包括：采用直接3d打印的方法对设计出来的壳状牙科器械进行打印制备，该制备方法基于数字化的壳状牙科器械模型进行制备，直接3d打印后的壳状牙科器械还可经过抛光、清洗、消毒、包装等过程，使患者能够直接佩戴使用，在经过一系列的壳状牙科器械佩戴后，达到牙齿矫治的目的。

在一种实施方式中，制备方法中的制作模块可以是增材制造机，采用增材制造技术进行壳状牙科器械的制备，即采用3d打印技术将获得的符合要求的壳状牙科器械有限元数字模型后直接打印成壳状牙科器械，3d打印技术可以是sla(立体光固化成型)或dlp(数字光投影)。

针对在矫治时如何安全移动牙齿的问题，参照图8，本发明实施例5提供一种数字化排牙的设计方法，该设计方法包括步骤s21至步骤s23。

步骤s21，获取数字化牙颌模型：获取一数字化牙颌模型，所述数字化牙颌模型包括数字化牙冠模型及数字化牙根模型。步骤s21的获取数字化牙颌模型的方法可以与本发明实施例1中步骤s11的获取数字化牙颌模型的方法相同，在此不予赘述。

步骤s22，分割数字化牙颌模型：将数字化牙颌模型分割成包括数字化牙冠模型和数字化牙根模型的单颗数字化牙齿模型。步骤s22的分割数字化牙颌模型的方法可以与本发明实施例1中步骤s12的分割数字化牙颌模型的方法相同，在此不予赘述。

步骤s23，数字化排牙设计：基于单颗数字化牙齿模型的初始位置和目标矫治位置，结合单颗数字化牙齿模型的旋转中心进行单颗数字化牙齿模型的位姿变化设计，完成所述单颗数字化牙齿模型的排牙设计，得到排牙后的数字化牙颌模型。

基于本发明实施例1公开的内容，通过对单颗数字化牙齿模型的位姿变化进行设计，完成单颗数字化牙齿模型的排牙设计，使得单颗数字化牙齿模型在从初始位置移动到目标矫治位置过程中，能够将单颗数字化牙齿模型的牙根始终控制在牙槽骨的安全位置范围内移动，基于排牙后的数字化牙颌模型制备的壳状牙科器械在对患者牙齿进行矫治时，能够避免牙槽骨发生骨开窗或骨开裂，降低矫治的风险。

本发明一些实施例中，本发明的数字化排牙设计还包括：基于所述单颗数字化牙齿模型在整个数字化牙颌模型中的相对位置进行排牙设计。

本发明实施例6还提供一种壳状牙科器械的制备方法，基于本发明实施例5的数字化排牙的设计方法，对设计出来的壳状牙科器械进行相应的制备，具体的制备方法包括：基于一系列位姿变化后的数字化牙颌模型进行3d打印，制备出实体的牙颌模型，之后在所述实体的牙颌模型上采用热压成型的方式得到包含牙齿形状的壳状牙科器械，之后在所述包含牙齿形状的壳状牙科器械上沿牙龈线或邻近牙龈线处切割得到能够容纳牙齿的壳状牙科器械，再对壳状牙科器械进行清洗、消毒、包装等过程，使患者能够直接佩戴使用，在经过一系列的壳状牙科器械佩戴后，达到牙齿矫治的目的。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。