一种矫治器正畸力评估展示系统的制作方法

1.本技术涉及口腔正畸技术领域，具体地，提供一种矫治器正畸力评估展示系统。


背景技术：

2.口腔正畸是针对口腔内各种组织结构的畸形情况进行矫正的治疗手段的统称，如针对牙齿排列不齐情况进行的牙列矫正，针对牙列拥挤情况进行的扩弓操作以及针对上下颌咬合关系畸形进行的咬合诱导训练等。口腔正畸治疗除进行施药、手术等操作外，在很多情况下还需要根据正畸目的佩戴相应的矫治器，如用于排齐牙齿的壳状矫治器(又称为隐形矫治器)等。上述用于正畸治疗的矫治器，一般使用数字化方法进行设计及制作，并且在其设计阶段即需要对其正畸效果进行展示与评估，以便于分析矫治器是否能达到预期的正畸目标。如专利201380007617.x通过将牙科器具虚拟地放置到一组虚拟牙齿上以判定施加到牙齿上的一个或多个力，并对上述一个或多个力进行展示及评估。
3.上述现有技术中的系统一般适用于对牙齿受到的壳状矫治器施加的矫治力进行展示与评估，然而上述系统并不适用于对咬合诱导矫治器类的具有联合正畸功能的矫治器所产生的正畸力进行展示与评估，原因主要在于：首先，上述方法一般基于力-力矩理论，通过线性有限元计算方法计算牙齿受到的壳状矫治器(隐形矫治器)的矫治力及引起的位移，然而对上述咬合诱导矫治器等矫治器的矫治效果的仿真，需要将颌骨纳入到生物力学仿真分析中，以更加精确地确定正畸器械与牙齿、牙龈，牙槽骨、上下颌骨等人体组织之间受到的作用力以及对肌肉等软组织的影响，此类生物力学模型具有复杂的非线性相互作用，因此如果只是简单地利用线性有限元方法进行仿真，无法反映正畸过程中复杂的生物力学反应，以及矫治器与人体组织之间的作用关系；其次，对于由软质的硅胶材料制成的咬合诱导矫治器，在将上下颌牙齿咬合进入矫治器的动态佩戴过程中，不同的咬合关系、咬合力等将导致矫治器发生不同的变化，进而导致其对口腔组织产生不同的矫治力分布，因此需要将佩戴矫治器的过程纳入仿真以提高仿真结果的准确性，从而提升矫治效果评估的可信度；最后，需要对模型生成/检索以及动态佩戴过程的仿真等各个流程进行优化，以加快正畸力分布情况的计算速度。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中的问题，本技术的目的在于提供一种能够对牙颌佩戴矫治器后口腔各个部分所受到的正畸力进行综合评估及展示并快速确定适合于口腔正畸的矫治器的系统。
5.本技术的实施例可以通过以下技术方案实现：
6.一种矫治器正畸力评估展示系统，用于对牙颌佩戴矫治器后受到的正畸力进行评估和展示并获取用于正畸的矫治器的数字模型，所述正畸力包括至少一个牙齿受到的矫治力、上颌颌骨和/或下颌颌骨受到的矫治力以及髁突受到的牵引力，所述矫治器正畸力评估展示系统包括：
7.预处理单元，用于对口腔正畸数据进行预处理以生成动态牙颌数字模型，所述动态牙颌数字模型基于上下颌的实际咬合关系生成；
8.检索单元，用于根据所述动态牙颌数字模型及正畸处方从数据库中检索备选矫治器数字模型；
9.仿真单元，使用所述动态牙颌数字模型和所述备选矫治器数字模型对佩戴过程进行仿真，基于所述仿真获取牙颌佩戴矫治器后受到的正畸力的分布情况；
10.评估单元，用于评估所述正畸力的分布情况是否满足所述正畸处方及生物力学限制条件，如评估结果为满足，则将所述备选矫治器数字模型确定为用于正畸的矫治器的数字模型，如果评估结果为不满足，则优化所述备选矫治器数字模型并通过仿真单元重新进行仿真或通过检索单元重新进行检索；
11.展示单元，用于可视化地展示所述动态牙颌数字模型、所述备选矫治器数字模型，所述佩戴过程以及所述正畸力的分布情况。
12.进一步地，所述预处理单元包括：
13.数据调用模块，用于从数据库中调用口腔正畸数据，所述口腔正畸数据包括待矫治牙颌的数字模型、待矫治牙颌的实际咬合关系以及正畸处方；
14.定位绑定模块，对所述待矫治牙颌的数字模型进行定位及绑定实际咬合关系以生成动态牙颌数字模型。
15.优选地，所述实际咬合关系包括：上下颌在非咬合状态下的相对位置关系、上下颌在咬合状态下的相对位置关系、髁突在咬合过程中的运动参数。
16.优选地，所述髁突在咬合过程中的运动参数包括：髁突在咬合过程中的运动轨迹倾斜角度和/或运动轨迹曲线。
17.进一步地，所述动态牙颌数字模型和所述矫治器数字模型为数字有限元模型，所述仿真单元包括：
18.本构参数设置模块，用于设置动态牙颌数字模型和备选矫治器数字模型的有限元本构参数；
19.计算参数设置模块，用于设置有限元计算参数；
20.初始状态设置模块，用于设置佩戴参数的初始值；
21.有限元计算模块，基于所述佩戴参数的初始值和所述计算参数，通过有限元计算方法对佩戴过程进行仿真，确定仿真过程中任意时刻的佩戴参数以及所述正畸力的分布情况。
22.进一步地，所述有限元本构参数包括：材料参数、单元参数和模型类型。
23.进一步地，所述佩戴参数包括：备选矫治器数字模型的形态、动态牙颌数字模型的形态、备选矫治器数字模型与动态牙颌数字模型在佩戴过程中的相对位置关系、髁突在佩戴过程中的运动参数、上下颌在佩戴过程中的咬合力。
24.所述髁突在佩戴过程中的运动参数包括：髁突在佩戴过程中的运动轨迹倾斜角度和/或运动轨迹曲线。
25.优选地，所述有限元计算方法使用非线性计算方法。
26.进一步地，所述计算参数包括：备选矫治器数字模型与动态牙颌数字模型的接触条件和边界条件。
27.优选地，所述边界条件包括加载速度。
28.优选地，所述加载速度为0.001米/秒～3米/秒；所述计算参数还包括阻尼参数。
29.优选地，所述正畸力的分布情况包括：动态牙颌数字模型的至少一个部位所受到的正畸力的大小和方向。
30.优选地，所述优化所述备选矫治器数字模型，具体为调整所述备选矫治器数字模型的形态或调整以下参数中的至少一种：
31.所述有限元本构参数、所述有限元计算参数、所述佩戴参数的初始值。
32.优选地，所述生物力学限制条件包括以下限制条件中的至少一种：
33.各个牙齿所能承受的最大矫治力、上颌和/或下颌所能承受的最大扩弓力、髁突所能承受的最大牵引力以及髁突进行运动的最大空间范围。
34.优选地，所述预处理单元还包括精度调整模块，用于调整所述动态牙颌数字模型的模型精度。
35.优选地，所述展示单元包括以下设备中的一种或多种：台式电脑以及笔记本电脑的屏幕、智能平板、智能手机、ar/vr设备的显示终端。
36.优选地，所述实际咬合关系通过使用颌架对于待矫治牙颌进行测量获取。
37.本技术的实施例提供的一种矫治器正畸力评估展示系统至少具有以下有益效果：
38.(1)本技术提供的矫治器正畸力评估展示系统，通过三维配准及绑定咬合关系，将相互独立的上颌数字模型及下颌数字模型进行绑定，形成动态牙颌数字模型，使得在对矫治器佩戴过程进行仿真时上下颌的相对运动得到真实的复现，从而提高了有限元仿真结果的可信度；
39.(2)本技术提供的矫治器正畸力评估展示系统使用非线性的有限元计算方法计算佩戴过程中任意时刻正畸力的分布情况，通过本方法能够动态地获取备选矫治器在佩戴过程中对牙颌不同部位所施加的正畸力变化情况以及矫治器形态所发生的变化情况，基于上述信息能够对备选矫治器的正畸效果及其与正畸目标的偏差进行更精确地评估和展示；
40.(3)通过对备选矫治器所施加的正畸力是否满足正畸处方以及是否超出生物力学限制进行判断，能够快捷地确定符合正畸需要的矫治器，并有效地避免矫治器可能造成的潜在不适或疼痛。。
附图说明
41.图1为根据本技术实施例提供的矫治器正畸力评估展示系统的架构图；
42.图2a及图2b为根据口腔各部分的测量信息所建立的待矫治牙颌的上颌部分与下颌部分的三维数字模型；
43.图3为使用颌架获取上下颌的实际咬合关系的示意图；
44.图4为上颌、下颌及颞下颌关节的示意图；
45.图5a为下颌相对于上颌的运动类型的示意图；
46.图5b为下颌相对于上颌进行开闭口的示意图；
47.图5c为下颌相对于上颌进行前伸和后缩的示意图；
48.图5d为下颌相对于上颌进行侧方运动的示意图；
49.图6为根据本技术实施例的定位绑定模块生成动态牙颌数字模型的实施流程图；
50.图7a至图7c为根据本技术的一个具体实施例的进行开口过程的动态牙颌数字模型的示意图；
51.图8为根据本技术实施例的检索单元检索备选矫治器数字模型的实施流程图；
52.图9a为根据本技术实施例的一个备选矫治器数字模型的立体图；
53.图9b为根据本技术实施例的一个备选矫治器数字模型的后视图；
54.图9c为根据本技术实施例的一个备选矫治器数字模型的俯视图；
55.图9d、图9e分别为图9c的c-c方向和d-d方向的剖视图；
56.图10a、图10b分别示出了通过有限元仿真得到的对髁突在佩戴过程中的运动参数设置不同的初始值所产生的不同佩戴效果；
57.图11为根据本技术实施例的增加质量阻尼前后矫治器数字模型的结构震荡对比情况；
58.图12a至图12c为在一个具体的佩戴过程的不同阶段牙颌所受到的正畸力的变化情况的有限元仿真结果；
59.图13为在一个具体的佩戴过程的不同阶段髁突受到的牵引力的变化情况的有限元仿真结果；
60.图14为通过有限元仿真得到的矫治器材料的应力-应变曲线及对应的形变极限；
61.图15为根据本技术实施例的显示于展示单元上的图形用户界面的示意图。
具体实施方式
62.以下，基于优选的实施方式并参照附图对本技术进行进一步说明。
63.此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本技术的保护范围。
64.单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
65.在本技术实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本技术实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本技术的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
66.本说明书中词汇是为了说明本技术的实施例而使用的，但不是试图要限制本技术。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
67.本技术提供一种矫治器正畸力评估展示系统，图1为根据本技术实施例提供的一种矫治器正畸力评估展示系统的架构图，如图1所示，本技术提供的矫治器正畸力评估展示系统包括：
68.预处理单元，用于对口腔正畸数据进行预处理以生成动态牙颌数字模型，所述动
态牙颌数字模型基于上下颌的实际咬合关系生成；
69.检索单元，用于根据所述动态牙颌数字模型及正畸处方从数据库中检索备选矫治器数字模型；
70.仿真单元，使用所述动态牙颌数字模型和所述备选矫治器数字模型对佩戴过程进行仿真，基于所述仿真获取牙颌佩戴矫治器后受到的正畸力的分布情况；
71.评估单元，用于评估所述正畸力的分布情况是否满足所述正畸处方及生物力学限制条件，如评估结果为满足，则将所述备选矫治器数字模型确定为用于正畸的矫治器的数字模型，如果评估结果为不满足，则优化所述备选矫治器数字模型并通过仿真单元重新进行仿真或通过检索单元重新进行检索；
72.展示单元，用于可视化地展示所述动态牙颌数字模型、所述备选矫治器数字模型，所述佩戴过程以及所述正畸力的分布情况。
73.本技术提供的矫治器正畸力评估展示系统可以用于对牙颌佩戴矫治器后受到的正畸力进行评估和展示并获取用于正畸的矫治器的数字模型，其中，所述正畸力包括至少一个牙齿受到的矫治力、上颌颌骨和/或下颌颌骨受到的矫治力以及髁突受到的牵引力。
74.以下结合附图及具体实施例对本技术提供的矫治器正畸力评估展示系统的各个单元进行详细介绍。
75.预处理单元主要用于对进行口腔正畸治疗的患者的口腔正畸数据进行处理，生成能够按照实际咬合关系运动的动态牙颌数字模型，以用于后续的正畸力评估。在本技术的一些优选的实施例中，预处理单元包括数据调用模块和定位绑定模块。
76.数据调用模块用于从数据库中调用口腔正畸数据，所述口腔正畸数据包括待矫治牙颌的数字模型、待矫治牙颌的实际咬合关系以及正畸处方。
77.具体地，对于需要进行口腔正畸治疗的患者，可以通过现有的各种口腔医学检测设备检测其口腔各个部位和组织结构的外观形态、内部结构、相对关系等信息。常见的口腔医学检测设备包括测量口腔各部位外观形态的三维口腔扫描仪等设备，测量口腔各部位的内部结构的x光/超声成像、ct扫描或核磁共振等设备以及测量口腔各部位的相对关系(如上下颌的咬合关系)的颌架等设备。基于上述设备测量获取的数据，能够对口腔各个部位进行数字化建模以及对口腔各部位的测量标志点、线面等进行测量标定，或者获取口腔各部位的相对关系等信息。基于上述信息，主治医生能够诊断其患有的口腔畸形的类型及严重程度，并制定对其进行口腔正畸治疗的方案以及预期实现的正畸目标等，最终形成该患者的正畸处方。上述各信息和正畸处方可以作为口腔正畸数据保存在各种数字化医疗数据库(数据库可以是本地数据库，也可以是远程数据库)中，并通过数据调用模块进行调用。
78.图2a及图2b分别示出了根据口腔各部分的测量信息所建立的待矫治牙颌的上颌部分与下颌部分的三维数字模型，一个典型的上颌或下颌的三维数字模型可以进一步包括上颌或下颌的多个牙齿、牙周组织(如牙龈、牙周膜)以及上颌或下颌颌骨的三维数字模型。上述数字模型的数据格式以及模型精细程度等可以根据具体应用需求进行调整，例如，在一些数字化教学场合，仅需对牙颌的外观形态和结构进行示意性的展示，此时模型可以选用三角或四角面片格式，且可以适当减少面片数量以提高实时渲染速度；当需要对牙颌的结构及存在的口腔问题进行详细研究时，则可能需要提高建模精度，增加面片数量以满足研究的需要；在另外一些应用场合，例如需要对口腔正畸治疗情况进行有限元仿真或进行
虚拟口腔手术导航时，则需要将上述各个部位进行实体化并赋予其不同的参数，以形成牙齿、牙龈、牙周膜、颌骨等部位的可进行各种物理交互操作的模型。在本技术的实施例中，上述待矫治牙颌数字模型作为口腔正畸数据保存在各种数字化医疗数据库中，并通过数据调用模块进行调用。
79.图3示出了一种颌架以及使用颌架获取上下颌的实际咬合关系的示意图。在对一些存在咬合畸形问题的患者进行正畸治疗时，需要特别关注其上下颌之间的咬合关系状态，并通过施加牵引力使其咬合关系逐渐向正确的咬合关系调整。利用图3所示的颌架500，能够测量并记录上下颌在不同咬合关系下的位置、姿态数据以及对应的髁突的运动数据(通过测量点530)，上述体现实际咬合关系的数据也作为口腔正畸数据保存在各种数字化医疗数据库中，并通过数据调用模块进行调用。
80.此外，作为口腔正畸数据还包括医生对矫治牙颌进行诊断后所开具的正畸处方。一个典型的正畸处方一般包括对于待矫治牙颌所存在的各类口腔畸形问题所做出的诊断、对其进行正畸操作所预期实现的目标(如：排齐的牙列的形态或参数、扩弓后的牙弓的预期宽度、调整后的上下颌的咬合关系等)以及为实现上述目标而需要在牙颌的各个部位施加的正畸力的范围、实施正畸操作的周期、在正畸期间每天佩戴矫治器的时长、额外需要进行咬合训练的力度范围等信息。
81.预处理单元还包括定位绑定模块，通过定位绑定模块对上颌和下颌的数字模型进行定位和绑定，能够生成动态牙颌数字模型。
82.现有技术中已经存在同时包含上颌部分和下颌部分的“整合的”牙颌数字模型，然而，上述现有技术中的“整合”的牙颌数字模型，其上颌、下颌之间的位置关系往往为固定不变的，无法精确地复现下颌相对于上颌的各种动态的咬合过程。
83.为此，本技术实施例中通过定位绑定模块，将待矫治牙颌的上颌数字模型和下颌数字模型按照其具有的实际咬合关系进行定位，并绑定其在各种类型的咬合过程中的运动轨迹，从而得到能够精确地复现待矫治牙颌的真实运动状态的动态牙颌数字模型。
84.在本技术的一些优选的实施例中，上下颌的实际咬合关系可以包括以下项：上下颌在非咬合状态下的相对位置关系、上下颌在咬合状态下的相对位置关系、髁突在咬合过程中的运动参数。如前文对颌架所进行的说明，上下颌在咬合状态和非咬合状态下的相对位置关系均可以通过颌架测量得到，同时，髁突在各种咬合过程中的运动参数也可以基于颌架的测量数据计算得到。
85.髁突，又称为髁状突或关节突，是下颌骨的下颌支末端的两个突起，位于颞下颌关节的关节窝内，在下颌相对于上颌进行各种类型的咬合过程中，髁突受到牵引后能够进行大角度、大范围的旋转、平移等运动，对上述运动的运动参数进行记录，就能够精确地获取上下颌实际咬合关系。图4示出了通过颞下颌关节连接起来的上颌、下颌的示意图，图5a至图5d示出了下颌的各种运动形式。如图4及图5a至图5d所示，当下颌320(一般地，下颌320包括下颌颌骨及其上包含的下颌牙列，以及图中未示出的牙龈、牙周膜等软组织)受到咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌等不同肌群的施力时即相对于上颌310(一般地，上颌310包括上颌颌骨及其上包含的上颌牙列，以及图中未示出的牙龈、牙周膜等软组织)进行各类咬合运动时，髁突330也受到牵引进行相应的旋转与平移，从而形成特定的运动轨迹或运动曲线。
86.在本技术的一些具体的实施例中，可以将髁突330的运动简化为沿直线的旋转加
平移运动，即髁突在咬合过程中的运动参数为髁突330在咬合过程中的运动轨迹倾斜角度(上述倾斜角度可以是髁突330的运动轨迹直线相对于水平面或上颌的特定测量标志线之间的夹角)；在本技术的另一些具体的实施例中，髁突330在咬合过程中的运动参数也可以是髁突330在咬合过程中的运动轨迹曲线。
87.图6示出了根据本技术的一个具体实施例的定位绑定模块生成动态牙颌数字模型的实施流程图，如图6所示，定位绑定模块首先在导入的上颌和下颌的数字模型上标定多个定位标志点；然后利用颌架测量得到的上下颌在咬合状态下的相对位置关系，使用三维配准技术实现上下颌的配准；在此基础上，进一步利用颌架测量得到的上下颌在非咬合状态下的相对位置关系及对应的髁突运动参数，确定下颌在各种类型的咬合过程中的运动轨迹；最后将其绑定到下颌数字模型，即得到基于实际咬合关系生成的动态牙颌数字模型。
88.图7a至图7c示出了一个通过动态牙颌数字模型复现实际的开口过程的具体实施例，如图7a至图7c所示，动态牙颌数字模型400包括上颌模型410和下颌模型420；在一些优选的实施例中，可以将上颌模型410和下颌模型420按照不同部位进一步细分为多个上颌牙齿模型411、上颌牙龈模型412、多个下颌牙齿模型421、下颌牙龈模型422以及位于牙龈内未示出的上颌颌骨、下颌颌骨、上颌牙周膜、下颌牙周膜等部分的模型。此外，在一些具体的实施例中，动态牙颌数字模型400还包括适配于工装夹具的上基台模型413以及下基台模型423，以利于后续口腔正畸流程中组装、制造等需求。
89.在一些实施例中，可以分别为上述不同部位的数字模型赋予对应的材质以形成能够用于仿真的有限元模型。显然，在对牙颌受到的正畸力进行有限元仿真时，上述上基台模型与下基台模型无需转化为有限元模型，且无需参与到有限元仿真中。
90.为了更加清晰地对各类咬合过程进行展示，在一些优选的实施例中，上述实际咬合关系可以进行可视化的显示，如图7a至图7c中将髁突430进行可视化地显示(即图中ax所代表的点)。此外，可以进行可视化地显示的还包括髁突430在实际咬合过程中的运动轨迹倾斜角度/或运动轨迹曲线，如图7a至图7c所示，在实际的开口过程中，在下颌模型420与上颌模型410的相对位置关系逐渐从咬合状态变为非咬合状态的过程中，髁突430沿图中虚线(该虚线与水平线op成固定夹角)平动，同时下颌模型420绕髁突430发生转动，从而完成开口过程。。
91.在本技术的一些优选的实施例中，预处理单元还包括精度调整模块，用于调整所述动态牙颌数字模型的模型精度。例如，在本技术的一些具体实施例中，精度调整模块可以通过网格重构对动态牙颌数字模型的网格大小及网格密度进行重新划分，其重新划分的原则为在保证原始模型精度的同时将网格数量降低50％～80％，以提升后续仿真的计算效率及展示的加载速度。在本技术的一些其他实施例中，本领域技术人员也可以使用其他算法进一步优化动态牙颌数字模型的精度。
92.预处理单元对口腔正畸数据进行预处理并生成动态牙颌数字模型后，检索单元基于上述待矫治牙颌的动态牙颌数字模型，结合医生出具的正畸处方，从数据库中检索备选矫治器数字模型。图8示出了根据本技术一个具体实施例的检索单元从数据库中检索备选矫治器数字模型的实施流程图，如图8所示，检索单元从正畸处方中获取正畸操作预期实现的目标(如经过排牙后的牙列的形态或参数、经过扩弓后牙弓的预期形态或宽度、经过调整后上下颌预期的咬合关系)和/或为了实现上述目标，需要在牙颌的各个部位施加的各种类
型的正畸力的范围等信息，然后基于上述信息，并结合动态牙颌数字模型各部分的形态、结构、实际咬合关系等信息，从数据库中保存的多个矫治器数字模型中检索备选矫治器数字模型以用于进一步的仿真和评估。
93.图9a示出了根据本技术的一些优选的实施例的用于评估及展示的备选矫治器数字模型的示意图，该种类型的矫治器也被称为咬合诱导矫治器，图9b和9c分别为其后视图和俯视图，图9d和图9e分别为其c-c方向和d-d方向的剖视图。如图所示，备选矫治器数字模型200包括大致呈u型的外壁210和内壁220以及连接于内壁210与外壁220之间的咬合垫230构成，更进一步地，外壁210可细分为外壁上部211和外壁下部212，内壁220可细分为内壁上部221和内壁下部222，外壁上部211的内表面、内壁上部221的内表面以及颌垫230的上表面形成了容纳上颌牙列的上齿槽240，外壁下部212的内表面、内壁下部222的内表面以及咬合垫230的下表面形成了容纳下颌牙列的下齿槽250。
94.这种具有咬合诱导功能的矫治器的制造材料一般为软质的医用硅胶等材料，其受力后容易变形且回弹力与树脂材料相比较小，对牙齿、颌骨及口腔内不同部位的软组织施加多种类型的正畸力，其中，齿槽的唇、舌侧内表面被设计为与理想排列牙齿的牙冠表面相匹配以对至少一个排列不齐的牙齿施加矫治力；其沿近远中向按照矫治期望达到的牙弓曲线延伸(如图2c中的虚线所示)以对牙弓发育异常的上颌颌骨和/或下颌颌骨施加矫治力；同时通过调整上下齿槽的相对位置以及咬合垫在不同部位的厚度、倾斜角度等参数，从而对髁突施加牵引力以调节上下颌的咬合关系。
95.除了图9a至图9e所示出的矫治器外，还有其他形式的矫治器也能够同时实现对牙颌的各部位施加多种类型的正畸力。如一种由佩戴到上颌、下颌的两个壳状矫治器和在壳状矫治器的腭侧设置的拱状加强结构以及在两个壳状矫治器的咬合面或唇颊侧或舌侧设置的成对附件所组合构成的矫治系统，该矫治器系统也能够对口腔内不同部位和组织施加不同类型的正畸力，包括其壳状腔体对牙齿施加的矫治力、其拱状加强结构对颌骨施加的扩弓力以及对上下颌进行牵引的成对附件对髁突施加的牵引力。本领域技术人员应该知晓，本技术实施例所提供的矫治期正畸力评估展示系统同样可以对该种矫治系统进行仿真及评估。
96.在生成动态牙颌数字模型及检索得到备选矫治器数字模型后，仿真单元利用上述动态牙颌数字模型和检索得到的备选矫治器数字模型，对佩戴过程进行仿真以获取牙颌在佩戴矫治器后受到的正畸力的分布情况。
97.如前文所分析的那样，本技术实施例中的矫治器需要同时容纳上颌与下颌以达到调节咬合关系的目的，因此，只有对佩戴/装配过程中由于佩戴角度、速度、施加的咬合力等不同造成的不同的佩戴结果进行仿真，才能最大程度地获取矫治器对牙颌各个部位所施加的正畸力的分布情况，否则将大大增加对佩戴完成后的正畸效果的进行分析评估的误差。
98.在本技术的一些优选的实施例中，上述动态牙颌数字模型和矫治器数字模型为数字有限元模型，仿真单元包括本构参数设置模块、计算参数设置模块、初始状态设置模块和有限元计算模块。仿真单元通过上述各模块分别进行有限元本构参数、有限元计算参数、佩戴参数的初始值的设置(或赋值)，并通过有限元计算方法对矫治器的佩戴过程进行仿真，以获取仿真过程中任意时刻的佩戴参数以及正畸力的分布情况。
99.在本技术的一些实施例中，有限元本构参数包括动态牙颌数字模型和备选矫治器
数字模型的材料参数、单元参数以及模型类型等。进一步地，在一些优选的实施例中，动态牙颌数字模型所包含的上颌模型和下颌模型可以进一步细分为多个牙齿的模型、牙龈与牙周膜等软组织的模型以及颌骨的模型，并分别为其设置有限元本构参数，例如，可以将牙齿的模型类型设置为刚体，将其材料参数的取值范围设置为弹性模量10-30gpa，泊松比0.29-0.35，并将模型的单元参数设置为多网格实体单元；又如，矫治器所采用的硅胶类材质的模型类型可以设置为一种可变形体，并设置符合其性质的本构参数。上述根据不同材料的性质设置有限元本构参数的方法及不同材料所对应的有限元本构参数的取值范围已为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。
100.在本技术的一些实施例中，有限元计算参数包括动态牙颌数字模型与备选矫治器数字模型的接触条件和边界条件。
101.在本技术的一些具体的实施例中，可以根据不同部位的有限元模型类型设置接触条件，例如可以将牙齿与矫治器的接触条件设置为刚体与可变形体的面面、线线接触；又如可以将牙龈与矫治器的接触条件设置为可变形体与可变形体的面面、线线接触。本领域技术人员可以根据牙颌模型与矫治器模型的本构参数情况灵活地设置接触条件。
102.在本技术的一些具体的实施例中，可以根据佩戴矫治器的实际情况设置加载、约束等边界条件，例如，可以设置备选矫治器数字模型固定，固定动态牙颌数字模型的上颌模型的五个平动/转动自由度而只释放其沿z轴(垂直方向)的平动自由度；固定动态牙颌数字模型的下颌模型的四个平动/转动自由度而释放其沿z轴(垂直方向)的平动自由度和沿x轴(水平方向)的平动自由度。在该边界条件下，动态牙颌数字模型的上颌模型将垂直向下地进入备选矫治器数字模型，而下颌模型将在xz平面内平动而无转动地进入备选矫治器数字模型。又如，可以在其他部分自由度不变的情况下，进一步释放下颌模型以髁突为中心绕y轴转动的自由度，上述设置能够使动态牙颌数字模型在有限元仿真过程中更加精确地复现开闭口及下颌前伸、后缩等不同的咬合过程。再如，还可以更进一步释放下颌部分的自由度，如增加下颌模型沿y轴平动的自由度，上述设置能够使动态牙颌数字模型在有限元仿真过程中更加精确地复现侧方位咬合的过程。
103.需要特别指出的是，释放上述多个自由度并不代表上颌部分和下颌部分可以不受约束地相对运动以至于超过颞下颌关节活动的限制范围或口腔各部分所受到的生物力学限制条件。为避免上述问题的发生，在本技术的实施例中，可以通过初始状态设置模块设置佩戴参数的初始值以对上颌模型、下颌模型与备选矫治器数字模型的相对运动进行进一步的约束。
104.具体地，佩戴参数用于表征整个佩戴过程的仿真中动态牙颌数字模型和备选矫治器数字模型动态地变化着的各种状态。在本技术的一些优选的实施例中，佩戴参数包括备选矫治器数字模型的形态、动态牙颌数字模型的形态、备选矫治器数字模型与动态牙颌数字模型在佩戴过程中的相对位置关系、髁突在佩戴过程中的运动参数、上下颌在佩戴过程中的咬合力。上述各个佩戴参数在整个佩戴过程从其初始值不断地发生变化，并通过其变化对正畸力的分布情况产生复杂的影响。
105.其中，髁突在佩戴过程中的运动参数包括髁突在佩戴过程中的运动轨迹倾斜角度和/或运动轨迹曲线。显然，在上下颌还未接触到备选矫治器数字模型时，髁突的运动参数与髁突在未佩戴任何矫治器的咬合过程中的运动参数相同，即：可以将髁突在佩戴过程中
的运动参数的初始值设置为与髁突在咬合过程中的运动参数相同，使得髁突在上下颌还未接触到备选矫治器数字模型时沿着与未佩戴矫治器的咬合过程相同的角度或路径运动，然后在上下颌开始接触备选矫治器数字模型后发生运动角度和路径的变化。
106.图10a、图10b分别示出了对髁突在佩戴过程中的运动参数设置不同的初始值所产生的不同佩戴效果。从图中可以看出，对于同一个动态牙颌数字模型与同一个备选矫治器数字模型600，当设置不同的运动参数的初始值时，上颌模型410所包含的上颌牙列与下颌模型420所包含的下颌牙列进入矫治器数字模型600的上齿槽640与下齿槽650的位置具有显著的差异，并进一步使得上颌模型410与下颌模型420的受力情况具有明显不同。
107.此外，上下颌在佩戴矫治器的过程中使用不同力度进行咬合，矫治器最终的佩戴位置也会不同。具体地，可以根据医生所出具的正畸处方为咬合力设置合理的范围，例如：对于一种主要用于日间肌肉训练的咬合诱导矫治器，可以将佩戴过程中的咬合力设定在肌肉训练咬合力范围；而对于需要夜间睡眠时也佩戴的矫治器，由于在睡眠期间可能发生多次无意识的咬合佩戴过程，因此将咬合力设定在夜磨牙咬合力范围也是可以接受的。
108.在本技术的一些优选的实施例中，上下颌在佩戴过程中的咬合力可以通过设置在动态牙颌数字模型上的传感器获取。上述传感器是一种能够模拟真实的受力传感器的虚拟传感器，一般置于牙齿的牙合面上或者发生咬合的接触面上，当对动态牙颌数字模型的上颌模型和下颌模型施加强制力使其进入备选矫治器数字模型时，上述传感器通即可得到咬合力信息，并进一步根据其是否处于可接受的范围而相应地调整所施加的强制力。
109.有限元计算模块用于在确定上述各种参数后，通过有限元计算方法对备选矫治器的佩戴过程进行仿真，以确定佩戴过程中任意时刻的佩戴参数以及所述正畸力的分布情况。其中，正畸力的分布情况具体包括动态牙颌数字模型的至少一个部位所受到的正畸力的大小和方向。
110.此外，在本技术的一些实施例中，通过有限元仿真除了可以获取动态牙颌数字模型不同部位所受到的正畸力的大小及方向，还可以进一步获取矫治器对牙齿、颌骨等部位施加的力矩情况，例如，根据一个牙齿模型所受到的矫治力，并结合通过测量或理论计算得到的阻抗中心位置，就可以方便地确定施加于该牙齿模型上的力矩。
111.现有的多种对口腔正畸器械的矫治效果进行有限元仿真的方法，绝大多数仅对于牙齿与正畸器械之间的相互作用进行静态分析，所使用的有限元计算方法为线性计算方法。在本技术的实施例中，所述有限元计算方法使用非线性计算方法，以用于对矫治器佩戴到牙颌的过程进行动态分析。
112.在本技术的一些优选的实施例中，有限元计算参数的边界条件还包括加载条件，具体地，加载条件可以是加载速度，例如可以设置加载速度为0.001米/秒～3米/秒。通过设置上述加载速度条件，能够对以不同速度的咬合进行矫治器佩戴的过程进行模拟，同时适当加快加载速度，能够提升对矫治器佩戴过程进行仿真的计算效率。
113.上述加载速度还可以替换为能够实现同等效果的其他加载条件，例如，在本技术的一些实施例中，加载条件可以是加载位移、加载转动，加载力，肌肉力，以及可以等效为加载速度0.001米/秒～3米/秒的其他加载条件。
114.需要注意的是，设置加载速度等加载条件有可能引起矫治器数字模型的结构震荡，导致矫治器形态变化的结果不合理，为此，在本技术的一些优选的实施例中，步骤s32中
设置的有限元计算参数还包括阻尼参数，具体地，阻尼参数可以是质量阻尼或其他等效的参数，阻尼参数的作用时间范围在有限元模型时间步长1-1000倍之间。图11示出了一个具体的实施例中增加质量阻尼前后矫治器数字模型的结构震荡对比情况，从图11中可以看出，增加质量阻尼能够显著地降低由于结构震荡造成的计算结果的误差。
115.图12a至图12c示出了在一个具体的佩戴过程的不同阶段动态牙颌数字模型的上颌模型410的各个部分所受到的正畸力的分布情况的仿真结果，其中多个长短不同的黑色箭头显示了不同部位受到的正畸力的大小及方向；类似地，通过有限元仿真还可以获得下颌部分所受到的正畸力的分布情况。图13示出了在一个具体的佩戴过程的不同阶段髁突所受到的牵引力的变化情况。
116.在本技术的实施例中，可以通过设置多种判断条件以结束对佩戴过程的仿真，例如，可以设置当上下颌在佩戴过程中的咬合力大于人类清醒状态时的最大咬合力极限的平均值时，结束所述仿真；也可以在咬合力大于人类咀嚼时的最大咬合力(或无意识状态时的最大咬合力)时结束所述仿真。此外，还可以将佩戴过程中佩戴参数的变化情况是否超过人体生物力学限制条件或矫治器的材料限制条件纳入考虑范围。例如，在一些优选的实施例中，如果髁突在佩戴过程中的运动轨迹超出了颞下颌关节所能允许的活动范围，或其受到的牵引力超出其能够承受的极限值，则应结束有限元计算；又如，当至少一个牙齿在佩戴过程中的受力、转矩或移动等超过其能够承受的极限值时，则应结束有限元计算，又如，图14示出了不同的矫治器材料的受力-形变曲线及对应的形变极限，如果佩戴过程中矫治器形态变化超出所使用的材料的形变极限，将发生矫治器的破裂等现象，此时也应停止有限元计算。
117.评估单元用于评估仿真得到的佩戴过程中及佩戴完成后牙颌各部分所受到正畸力的分布情况，判断其是否满足正畸处方及生物力学限制条件。在本技术的的一种优选的实施例中，生物力学限制条件包括各个牙齿所能承受的最大矫治力、上颌和/或下颌所能承受的最大扩弓力、髁突所能承受的最大牵引力以及髁突进行运动的最大空间范围。
118.具体地，在一些实施例中，评估单元可以对仿真得到的正畸力分布情况与正畸处方中所记载的为实现正畸目的需要对牙颌各部位施加的正畸力进行比较，以判断佩戴备选矫治器后能否达到正畸处方的要求，同时，评估单元还对整个佩戴过程中施加到牙颌各部分的正畸力是否超出上述生物力学限制进行判断，以避免佩戴备选矫治器可能造成的潜在不适或疼痛。
119.对仿真结果的评估可以通过多种手段进行展示，例如，可以将仿真结果得到的正畸力分布情况与正畸处方记载的目标正畸力同时进行展示以示出其中的差别；又如，也可以建立相应的评分表格，通过对多种正畸力偏差进行累加从而得到备选矫治器的评分；本领域的技术人员还可以采用其他方法对上述仿真结果进行评估。
120.如果经过评估后判断仿真结果满足正畸处方及生物力学限制条件，则该备选矫治器数字模型即可以确定为用于正畸的矫治器的数字模型，后续可以利用此数字模型进行矫治器实体的制造。如果评估结果为不满足，则可以对该备选矫治器数字模型进行优化，并通过仿真单元对优化后的备选矫治器数字模型重新进行仿真，此外，如果仿真结果与正畸处方偏差过大，也可以通过检索单元重新进行检索。
121.展示单元用于可视化地展示上述动态牙颌数字模型、备选矫治器数字模型、佩戴
过程以及正畸力的分布情况。有多种显示终端可以作为展示单元，例如在本技术的一些实施例中，展示单元可以包括台式电脑以及笔记本电脑的屏幕、智能平板、智能手机、ar/vr设备的显示终端等，并在上述显示终端上以图形用户界面的形式可视化地进行展示。在本技术的一些实施例中，还可以通过操作鼠标、键盘或通过触摸、手势、语音等方式交互式控制所上述展示的内容。此外，在本技术的一些优选的实施例中，展示单元也可以将正畸处方或病历等信息同步地在显示设备上进行展示。
122.图15示出了一个具体的实施例中显示于展示单元上的图形用户界面700的示意图。如图15所示，该图形用户界面700包含有多个可以进行切换显示的标签页701，以用于显示不同的内容。本实施例的标签页701中显示了一个具体的动态牙颌数字模型400，通过左侧的窗口702，可以提供其对应的患者身份信息、正畸处方及病例等内容；此外，通过下方的操作控件703，也可以交互地控制动态牙颌数字模型400的下颌模型420相对于上颌模型410进行各种咬合运动，或播放下颌模型420相对于上颌模型410进行各种咬合运动的视频。
123.以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本技术权利要求的保护范围。