专利名称：用于优化牙科矫正器几何形状的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于计算机正畸术及牙医术。
背景技术：
在正畸术治疗中，使用各种器具来将患者牙齿自初始位置移动至最终位置。器具 对牙齿施加力，藉此移动一颗或多颗牙齿或将其保持在治疗阶段的适合位置。正畸术移动因牙齿位置与器具之间的一对一关系而造成，其机理是将牙齿「挤」 成新外形并保持就位，由此允许牙齿有足够的时间适应新位置，之后，再次重复此过程，在 治疗计划的不同治疗阶段牙齿会逐渐地移动。在当前治疗状态与后续目标或n+1治疗阶段之间的一对一关系中，牙科器具的适 应可包括塑胶与牙齿几何形状之间的交互作用，该交互作用对于实现n+1牙齿位置并非最 佳且通常不将该交互作用纳入该一对一关系的考量中。对于较大的牙齿移动距离而言，尤 其如此，在较大牙齿移动距离的情形下，器具的变形量可导致器具中的拉伸和应力，因此， 矫正器的一些区域与牙齿的关键区域和/或合意的区域并非密切地接触。因此，无法将牙 齿移动至合意的目标位置。此外，还存在相反的效果，牙齿可能接触对于到达合意或目标位 置产生反作用的区域。另外，牙科附件主要用于改变牙冠的几何形状，以确保更好地固持牙具，如沿合意 移动的方向的矫正器。一般而言，该等附件用以在牙齿的垂直表面上提供「凸起」或「倒 凹」，否则牙具难以固持牙齿。实现牙齿的合意移动的现有方法包括在治疗阶段的当前位置或η位置期间，根 据计划的下一个位置或n+1位置来制造牙具并将其置于牙齿上。通常而言，我们假设，牙具 或其若干部分的变形所产生的力和转矩(其是因用于牙具制作的牙齿位置与牙具所定位 的牙齿的位置之间的差别而造成的)会致使牙齿移动到治疗阶段中的下一个计划位置中。然而，在实践中，无论在治疗中是否使用牙科附件，所产生的力和转矩的取向皆可 能并非沿着既定牙齿移动的方向。此外，可仅针对牙冠而不考量牙根或其他解剖学结构来 程序化或配置当前的牙齿移动。牙根或其他解剖学结构可阻碍牙冠移动，并使得阻力中心 向下处于牙骨槽内。一般而言，因作用于牙冠的力而形成的对阻力中心的非有利转矩可能 无法轻易地平衡。此外，随着治疗过程期间的牙齿移动，牙具的变形逐渐减小，使得所施加 的力亦随的减弱。
发明内容
在一实施例中，所提供的方法和装置包括确立牙齿的初始位置；确定牙齿在治 疗计划中的目标位置；计算与自初始位置至目标位置的牙齿移动相关联的移动向量；确定 对应于移动向量相关联的多个分量；以及确定一个或多个相应附连器件相对于牙齿表平面 的一个或多个对应位置，以使该一个或多个附连器件与牙具相啮合。本文中使用的附件可为可附连至牙齿的任何形式的材料，其或使用模板而预形 成，或以无定形形式而预形成，附连至牙齿的表面。可使用粘结材料将该附件设置于牙齿表 面上，或可将粘结材料自身作为附件设置于牙齿表面上。在参阅本发明实施方式和附图之后，便可理解本发明的此等及其他特征和优势。
图IA显示一例示性牙科数据挖掘系统；图IB显示一个或多个牙具的性能分析；图IC显示一个数据挖掘系统实施例中使用的各种移动型数据；图ID显示一个或多个牙具的性能分析；图1E-1F显示用以产生治疗计划的集群器的各个实施例；图2A是根据本发明的载明治疗过程的流程图，其包括用于计算矫正器形状的子 过程；图2B是用于计算矫正器形状的流程图；图3是用于建立有限元模型的子过程的流程图；图4是用于计算矫正器变化的子过程的流程图；图5A是用于计算矫正器形状变化的子过程的流程图；图5B是用于计算矫正器形状变化的子过程的流程图；图5C是用于计算矫正器形状变化的子过程的流程图；图5D是图解图5B子过程的作业的示意图；图6是计算若干组矫正器的形状的流程的流程图；图7是统计根模型的例示性图表；图8显示根模型建立的例示性图表；图9显示牙齿的CT扫描的例示性图表；图10显示了显示牙齿的例示性使用者介面；图11A-11B分别图解带有定位后的牙具的初始牙齿位置以及所获得的非合意力
向量；图11C-11D分别图解给牙具添加离隙以对牙齿周围的非合意力向量形成反作用、 以及所获得的牙具对牙齿施加的合意预定力；图12图解修改后的牙具几何形状，其中包括附加的形状修改以去除牙具与牙齿 之间之间隙；图13图解基于牙齿治疗计划的扫描几何形状来构造牙具的几何外形；图14A-14B图解用于使牙齿转动的牙科附件定位；图15图解用于使牙齿倾斜的牙科附件定位；
图16图解用于使牙齿形成角度的牙科附件定位；图17A-17B分别图解用于颊面平移和舌面平移的牙科附件定位；图18A-18B分别图解用于近中平移和远中平移的牙科附件定位；图19A-19B分别图解用于突出和下压的牙科附件定位；图20图解牙具及附件的互补啮合；图21是图解优化牙具几何外形的流程图；图22是图解牙科附件定位的流程图；图23是图解基于对有效牙齿表面进行计算而使牙齿沿预定方向移动预定距离的 方法的流程图；图24是图解确定是否需要附件由此获得牙齿充足有效表面积的方法的流程图；图25是计算牙具形状的过程的流程图；图26显示牙冠点自第一阶段至第二阶段的轨迹；图27显示牙齿的有效表面和阻力表面；图28演示藉由添加附件使得牙齿的有效面积增大；且图29显示带有附件及矫正器(其带有匹配于附件的脊状部分)的牙齿的剖面。
具体实施例方式现在，三维正畸治疗计划工具(除其他以外，如AlignTechnology，Inc.的软件或 可自eModels和OrthoCAD处购得的其他软件)使得数位治疗计划成为可能。此等技术允 许临床医师使用实际的患者齿系作为自订治疗计划的起始点。相比于2003年8月21日 提出的美国专利申请案序号10/640，439及2002年8月22日提出的美国专利申请案序号 10/225，889中所论述的原始数位治疗计划，自Align Technology公司购得的软件技术是 使用针对患者的数位模型来制定治疗计划，然后扫描所实现的治疗结果或实际的治疗结果来 评估结果的「治疗成功程度」。数位治疗计划和结果评估所存在的问题是数据冗余，并且缺乏以 个体患者水平评估治疗成功度的标准和有效的方法。使用牙科数据挖掘系统来分析信息。图IA显示一个例示性牙科数据挖掘系统。在该系统中，牙科治疗数据集及结果数 据集1存储在数据库或信息库2中。数据挖掘软件3提取数据，由此产生结果4。数据挖掘 软件可询问在数据库2中捕获和/或更新的信息，并且可产生与患者牙病以及牙具解决方 案相关的输出数据流。请注意，最为有利地是，可将数据挖掘软件的输出作为后续输入以自 反射方式馈送至至少数据库及数据挖掘相关性算法。图IA的数据挖掘系统的结果是用于定义器具构形或定义器具构形的改变，以逐 步地移动牙齿。牙齿移动通常是与正畸治疗相关联的移动，包括全部三个正交方向的平移、 牙齿中心线沿两个正交方向的转动(其中转动轴垂直于垂直中心线)(「根成角」和「转 矩」)、以及牙齿中心线沿正畸方向的转动(其中轴线平行于垂直中心线)(「纯转动」)。在一个实施例中，数据挖掘系统捕获3-D治疗计划的移动、起始位置及最终实现 的牙位置。该系统将结果与计划相比较，且可使用任何治疗方法来实现该结果，该等治疗方 法包括可移除式器具及固定式器具(如正畸托架和钢丝)、或甚至其他牙科治疗(如将实 现结果与计划相比较以便进行正畸手术、牙周病治疗及恢复性治疗)。在一实施例中，牙齿重迭工具是用以匹配每一牙齿牙弓扫描的治疗档案。精化扫描(后续进展)重叠在初始扫描上，以基于牙齿解剖结构和齿座标系统达成匹配。在两个 牙弓中的牙齿匹配之后，重叠工具需要参照以便将上牙弓与下牙弓联系起来。当选择选项 「统计过滤」时，重迭工具藉由如下方式量测每一牙齿的移动量先作为参照去掉移动量大 于标准偏差而高于或低于全部牙齿移动平均量的牙齿移动(由当前阶段与前一阶段之间 的位置差确定)。然后，选择其余牙齿作为参照而量测每一牙齿的移动。图IB显示一个或多个牙具的性能分析。在散布图中，相对于「目标」移动绘制出 所「实现」的移动，并产生趋势线。图中显示「散布」图以演示「散布」数据点的位置，并产 生趋势线以显示牙具的性能。在一实施例中，趋势线选择为线性趋势线(其可为曲线)；如 此，趋势线是所有「散布」数据的最佳拟合直线。矫正器的性能表示为趋势线的斜率。Y轴 截距是模拟当佩戴矫正器时所发生的偶然移动。可预测性是由R2进行量测，R2是由「实 现」数据和「目标」数据的回归计算而获得。图IC显示一个数据挖掘系统实施例中使用的各种移动型数据。例示性数据集覆 盖扩张/收缩(+/-X平移)、近中/远中(+/-Y平移)、下压(-Z平移)、突出(+Z平移)、 倾倒/成角(X转动)、转矩/倾斜(Y转动)及纯转动(Z转动)。图ID显示一个或多个牙具的性能分析。对于图ID中所示的运动类型，所实现的 运动是该特定数据集的目标运动的约85%。如图ID中显著的显示，在诸多阶段处，实际的牙齿移动一般都会滞后于目标牙齿 移动。在藉由串接的聚合物器具进行治疗的情形下，该种滞后在治疗设计中起到重要作用， 此乃因牙齿移动及负面结果(患者的不适)两者肯定会随差异程度的不同而不同。在一实施例中，藉由考量目标牙齿位置与实际牙齿位置的统计偏差，如步骤 170(图2A)和步骤232(图2B)中的临床参数便更加准确。例如，由于当前的目标移动未充 分实现的计算概率很大，因此可减少后续的移动目标，因而导致后续移动阶段需完成为先 前阶段既定的工作量。类似地，目标移动可能尤其在先前阶段中超越合意位置，使得预期的 实际移动得到更佳的控制。该实施例牺牲最小化来回移动时间的目标，以换取实现目标末 尾阶段结果的较高概率。该方法是针对若干类似患者案例的群组在治疗计划内达成。表1显示一实施例中的牙齿分组。表2中指示牙齿移动的符号约定。表3中演示 所选60个牙弓的不同牙齿移动，其中性能以降序分类。器具性能可分为4个单独的组高 (79-85% )、平均(60-68% )、低于平均(52-55% )以及不足(24-47% )。表4显示移动可 预测性的排名。可预测性分为3组高预测性(0. 76-0. 82)、可预测性(0. 43-0. 63)及不可 预测性(0. 10-0. 30)。对于特定的数据集，例如，研究结果如下门牙下压和前牙下压性能为高性能。门牙下压的范围约为1. 7mm，且前牙下压的范 围约1. 7mm。这些移动可预测性高。犬牙下压、门牙转矩、门牙转动及前牙转矩性能为平均性能。犬牙下压的范围约为 1. 3mm,门牙转矩的范围约为34度，门牙转动的范围约为69度，且前牙转矩的范围约为34 度。该等移动或为可预测，或为高预测性。双尖牙倾倒、双尖牙近中、白齿转动及后牙扩张性能低于平均。双尖牙近中的范围 约为1毫米，双尖牙倾倒的范围约为19度，臼齿转动的范围约为27度，且后牙扩张的范围 约为2. 8毫米。双尖牙倾倒和双尖牙近中为不可预测移动，而其余为可预测移动。前牙和门牙突出、圆齿和双尖牙转动、犬牙倾倒、白齿远中以及后牙转矩性能为不足性能。前牙突出的范围约为1.7毫米，门牙突出的范围约为1.5mm，圆齿转动的范围约为 67度，双尖牙转动的范围约为63度，犬牙倾倒的范围约为26度，臼齿远中的范围约为2毫 米，且后牙转矩的范围约为43度。除双尖牙转动为可预测移动(但其产生的性能较低)的 外，所有该等移动皆为不可预测移动。表 1
所研究的牙齿会I
π _Lt 才凶门牙#7,8，9, 10，23’24，25，26犬牙#6,11，22’ 27双尖牙#4,5’12，13，20, 21,28，29臼齿#2,3’14, 15, 18, 19,30，31前牙#6,7，8，9，10’11，22’ 23，24’25’26’27后牙#2，3，4, 5，12,13，14，15， 18，19’20,21’圆齿#4,5，6’ 11’ 12’13’20, 21, 22’27,28’29
表2
9牙齿移动的符号约定 移动的类型
X平移 (扩张/收缩)
(-)舌面平移
(+)颊面平移
X转动(倾倒) 右上象限及右下象限 左上象限及左下象限
(-)远中转动 (-)近中转动
(+)近中转动 (+)远中转动
Y平移(近中/远中) 左上象限及右下象限 右上象限及左下象限
(-)远中平移 (-)近中平移
(+)近中平移 (+)远中平移
旋转 (扭动) Z平移 (下压/突出) Z转动 (纯转动)
表3
(_)舌冠转动
(-)下压平移
(_)顺时针转动
(+)颊冠转动 (+)突出平移 (+)逆时针转动移动性能指数的排名 模型 性能指数副作用
可预测性
权利要求
一种使牙齿自一初始位置移动至一目标位置的方法，其包括确立该牙齿的初始位置；确定该牙齿在一治疗计划中的目标位置；确定该初始位置与该目标位置之间的一扫描几何路径以及用于使该牙齿自该初始位置移动至该目标位置的一相关移动向量；以及基于该确定的扫描几何路径修改用于该牙齿的牙具的腔室几何形状。
2.如权利要求1的方法，其中修改该腔室几何形状包括在该牙具的一内表面上定义一 个或多个接触该牙齿的一个或多个对应的预定表面的接触点。
3.如权利要求1的方法，其中修改该腔室几何形状包括在该牙具的一内表面上定义一 个或多个特征，其中该一个或多个特征与该移动向量相关联。
4.如权利要求1的方法，其中该一个或多个特征包括陷窝。
5.如权利要求1的方法，其中修改该腔室几何形状以最小化该牙具的一内表面与该牙 齿之间的摩擦。
6.如权利要求1的方法，其中该扫描几何路径是该初始位置与该目标位置之间的一联 合几何形状，其中该联合几何形状包括该治疗计划中的一位置至下一位置的多个增量。
7.如权利要求1的方法，其中确定该扫描几何路径包括确定去除该初始位置与该目标 位置之间干扰的路径。
8.如权利要求1的方法，其中该移动向量配置为确立由该牙具施加于该牙齿的一力 系，以使该牙齿自该初始位置移动至该目标位置。
9.如权利要求8的方法，其中该力系包括如下至少一个力、力矩及力偶矩。
10.如权利要求1的方法，其进一步包括确定对应于该移动向量的多个分量。
11.如权利要求10的方法，其中该牙具的一内表面构造为施加对应于该多个分量中的 其中一个相应分量的一个或多个相应的力。
12.如权利要求10的方法，其中该多个分量可提供如下的一个或多个该牙齿的一转 动移位、该牙齿的一角移位、该牙齿的线性移位或其一个或多个组合。
13.如权利要求1的方法，其进一步包括确定一个或多个附连器件相对于该牙齿的一 表平面的对应位置，以使该一个或多个附连器件构造为在一接触点处与该牙具啮合，以产 生对应于该移动向量的该等分量中的至少一个。
14.如权利要求1的方法，其进一步包括确定大致垂直于与自该初始位置至该目标位 置的牙齿移动相关联的移动向量方向的一表面积。
15.如权利要求1的方法，其进一步包括使用快速成型来制作该牙具。
16.如权利要求1的方法，其中该牙具包括一聚合物壳体。
17.一种使用牙具移动牙齿的方法，该牙具具有一具体的腔室几何形状，该方法包括确立该牙齿的一初始位置；确定该牙齿在一治疗计划中的一目标位置；计算与该牙齿自该初始位置至该目标位置的移动相关联的一第一移动向量；确定对应于该第一移动向量的一分量；以及确定一个或多个附连器件相对于该牙齿的一表平面的一对应位置，以使该一个或多个 附连器件构造为在一接触点处与该牙具啮合，以产生对应于该第一移动向量的分量。
18.如权利要求17的方法，其进一步包括产生多个牙具，该牙具具有经选择使该牙齿 逐渐复位的几何形状，其中该等牙具包括具有腔室的聚合物壳体，且其中该等接连壳体的 腔室具有不同的几何形状，该等不同的几何形状经成形以接纳幷使牙齿自一个布置复位至一接连布置。
19.如权利要求17的方法，其中该多个分量包括如下至少一个力的量值及力的方向。
20.如权利要求17的方法，其中该附连器件构造为大致在该牙齿的表平面处对该牙具 施加一预定的力。
21.如权利要求17的方法，其中该多个分量配置为提供如下一个或多个该牙齿的一 转动移位、该牙齿的一角移位、该牙齿的一线性移位或其一个或多个组合。
22.如权利要求17的方法，其中该一个或多个附连器件包括提供于该牙齿上、相对于 彼此处于毗连位置的多个牙科附连器件。
23.如权利要求22的方法，其中该牙具构造为依序地并单独地物理接触该多个毗连牙 科附连器件中的每一个达某一预定的时期。
24.如权利要求17的方法，其进一步包括将该一个或多个附连器件附连在该牙齿的该 表平面上。
25.如权利要求17的方法，其进一步包括在确定该一个或多个附连器件的对应位置之后，确定与使该牙齿至一后续目标位置的 移动相关联的一第二移动向量。
26.如权利要求25的方法，其进一步包括修改该牙具的一形状，以使该牙具构造为产 生对应于该第二移动向量的一个或多个分量。
27.如权利要求17的方法，其中该牙具包括一聚合物壳体。
28.如权利要求17的方法，其进一步包括使用快速成型来制作该牙具。
29.一种装置，其用于为一牙具建模以及用于使一牙齿移动的附连器件定位，其包括一数据存储单元；一处理单元，其联接至该数据存储单元，其中该处理单元配置为确定一牙齿的一第一 位置；确定该牙齿在一治疗计划中的一第二位置；计算与一扫描几何路径相关联的一移动 向量，以使该牙齿自该第一位置移动至该第二位置。
30.如权利要求29的装置，其中该数据存储单元包括一数据库，该数据库包括至少一 个患者治疗历史；正畸术疗法、正畸术信息以及诊断。
31.如权利要求29的装置，其进一步包括确定对应于该移动向量的一分量；以及确定一个或多个附连器件相对于该牙齿的一表平面的位置，以使该一个或多个附连器 件在一接触点处与该牙具啮合，以产生对应于该移动向量的分量。
32.如权利要求31的装置，其中该一个或多个附连器件构造为大致在该牙齿的表平面 处对该牙具施加一预定的力。
33.如权利要求31的装置，其中该一个或多个附连器件可包括提供于该牙齿上、相对 于彼此处于毗连位置的多个牙科附连器件，其中该牙具可构造为依序地并单独地物理接触 该多个毗连牙科附连器件中的每一个达某一预定的时期。
34.如权利要求31的装置，其中该多个分量可提供如下一个或多个该牙齿的一转动移位、该牙齿的一角移位、该牙齿的一线性移位或其一个或多个组合。
35.如权利要求29的装置，其中该处理单元进一步经配置以基于该第一位置与该第二 位置之间的扫描几何路径来修改该牙具的一腔室几何形状。
36.如权利要求29的装置，其中该处理单元进一步经配置以在该牙具的一内表面上定 义接触该牙齿的一对应预定表面的一接触点。
37.如权利要求29的装置，其中该处理单元进一步经配置以定义该牙具的一内表面上 的一特征，其中该特征与该移动向量相关联。
38.如权利要求29的装置，其中该扫描几何路径是该第一位置与该第二位置之间的 一联合几何形状，其中该联合几何形状包括该治疗计划中的一位置至一后续位置的多个增 量。
39.如权利要求29的装置，其中该移动向量配置为确立由该牙具施加于该牙齿的一力 系，以使该牙齿自该第一位置移动至该第二位置。
40.如权利要求39的装置，其中该力系包括如下至少一个力、力矩及力偶矩。
全文摘要
本发明提供一种方法和系统，其用于确立牙齿的初始位置；确定牙齿在治疗计划中的目标位置；计算与自初始位置至目标位置的牙齿移动相关联的移动向量；确定对应于移动向量相关联的多个分量；以及确定一个或多个相应附连器件相对于牙齿表平面的一个或多个对应位置，以使该一个或多个附连器件与牙具相啮合。
文档编号A61C7/00GK101977564SQ200980109983
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者H·曹, 埃里克·库, 瓦迪姆·马涛, 约翰·Y·莫顿 申请人:矫正技术公司