CN109106457A - 一种基于精准化定制的牙齿活动矫治器用卡环的制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于精准化定制的牙齿活动矫治器用卡环的制造方法。通过采集大量患者牙齿信息数据构建数据库，并结合医生卡环设计经验形成软件。在精准化定制方法中，将患者牙齿信息输入软件自动生成卡环造型信息，并进一步通过软件产生与机械手臂兼容的卡环弯制指令，在专用于生产卡环的机械手臂操作下实现卡环的精准化定制生产。该方法实现了由患者牙齿信息到卡环生产全流程自动化处理，节约了大量的人力和时间成本，无需有经验医生设计卡环造型方案，避免了人工弯折和铸造容易产生的误差，实现了卡环弯制的标准化。

Description

一种基于精准化定制的牙齿活动矫治器用卡环的制造方法

技术领域

本申请涉及口腔正畸领域，具体涉及牙齿活动矫治器的人工智能制造

背景技术

在口腔正畸学中，矫治器进行治疗或保持是最为常见的正畸方案，患者可按照需求选择固定矫治器或活动矫治器。对于儿童的牙列不齐，常常采用活动矫治器进行矫治，其可由患者自行摘戴或医生自由装卸的矫治装置，摘下时完整无损，此矫治器除了附在牙冠上而且还需附在口腔粘膜表面上。医生可在矫治器上随意减增附件，以达到矫正牙颌畸形的目的。它在牙颌畸形的治疗中，尤其是在青少年患者的治疗方案中占有重要的地位。

活动矫治器由固位装置、作用力部分即各种弹簧附件和基托等三部分组成。目前常见的固位方法有卡环法、邻间钩法、基托组织面衬垫法以及直接粘结于牙列上等方法。卡环是最常见的固位装置，位于所有被选作支抗的牙齿上，通过支抗牙承担被矫治牙产生的反作用力，而使被矫治牙移动。

目前，牙科卡环的制作方法主要有铸造和手工弯制两种，手工弯制卡环难度大，技巧性强，不易掌握，另外，在弯制过程中，不锈钢丝经过多次弯折，大大降低了材料的抗疲劳强度，导致卡环的机械强度降低，故卡环折断时有发生，易造成严重后果。此外，手工弯制卡环是按每个具体基牙的实际形状大小，逐个“量体裁衣”式弯制而成，因而手工弯制的卡环，其几何形状和尺寸都是不确定的。机械铸造卡环被广泛应用于各级医院牙科、私人诊所和技工加工中心，然而其也存在一定的局限性，首先需要根据卡环设计的结果构造模具，再采用热挤压或冷冲模的方式成型，而且由于患者牙齿情况完全是个性化的，需每次由医生根据牙模设计卡环，并根据设计结果制造模具，再进行铸造，这样不但生产周期长，成本高，而且会在实际生产中形成误差，后期还需要医生手工调整。

现有技术中关于卡环的发明创造较少，主要涉及卡环弯制工具及造型设计，如CN200520021263发明了一种卡环专用钳，CN201611039206、US4273530、WO2011146062A1均涉及了有关卡环矫治器造型的发明创造，有关卡环自动化制造方法尚属于空白领域。

近几年，口腔信息扫描基础在正畸方案中的应用日趋广泛，CN201310289989发明了一种正畸矫治器的数字化制作方法，将口腔CT数据采集结果用于三维模型重建，计算并获得由施力单元构成的三维模型，通过3D打印的方式实现生产。CN201610393572发明了一种制造定制化隐形矫治器的方法，通过光固化成型的方式实现制造。虽然口腔信息扫描已逐步用于正畸学，但对于数据的处理大多停留在重建三维模型的环节，这些数据仅仅用于指导后期的3D打印或者光固化方案，所制造的矫治器主要是固定化的矫治器，并且主要是针对需要个性化制造的弓丝。尚未有方案直接将患者医学信息用于活动矫治器产品的设计，尤其是用于活动矫治器固定部件-卡环的个性化设计和生产当中。

本申请旨在解决现有技术中存在的问题，节省医师诊疗并手工设计卡环的环节，避免手工弯制或铸造过程中产生的误差，方便后期调整。因此，本申请提供了一种基于患者个性化牙齿信息产生活动矫治器固定方案并自动化生产卡环的方法。

发明简述

本发明的第一方面涉及一种活动矫治器用卡环的制造方法。该方法包括如下步骤：

(1)扫描患者牙齿信息，形成数据集合1

(2)将数据集合1的信息输入信息检索模块，与牙齿信息数据库中的信息进行匹配，根据匹配信息自动生成卡环造型方案，即数据集合2

(3)将数据集合2输入信息转换模块，自动生成卡环弯制指令信息，即数据集合3

(4)将数据集合3的信息输入卡环制作设备，自动控制完成卡环制造。

在一个具体的实施方案中，患者牙齿信息通过与传统口腔信息获取设备不同的特殊口腔扫描仪获取。

将数据集合1的信息输入预制的软件中进行信息检索，并自动匹配卡环造型基本方案。同时，软件内部会根据基本方案结合患者口腔信息形成定制化造型方案-数据集合2。

数据集合2继续通过软件运算形成弯制指令信息-数据集合3。由数据集合1到数据集合3的处理过程可集成在一个软件当中，也可以分别由不同的运算软件实现。

利用集合3的指令信息指挥卡环制造设备完成制造工序。在一个具体方案中，制造设备为机械手臂。

本申请的一个方面涉及一种定制卡环集成生产设备，该设备包括了按上述信息流处理信息的软件以及获取信息的设备和利用信息控制自动化制造的设备。

本申请的另一个面涉及通过本发明方法制备获得的卡环，所述卡环包括但不限于：箭头卡环，辅助箭头卡环，切牙卡环，球形末端卡环，Duyzings卡环，半卡环。

本申请的又一个方面涉及由本发明卡环作为配件制备的活动矫治器，活动矫治器的种类包括但不限于：早期治疗矫治器、辅助治疗矫治器、不良习惯矫治器、间隙保持器、功能性矫治器、保持器等。。

本申请的再一个方面涉及利用本发明的活动矫治器进行口腔正畸的方法，该方法可用于正处于牙齿发育阶段的青少年，同样也适用于需要经常摘下矫正器的人群。

本申请相对于现有技术的创新之处在于：(1)通过大数据方式建立了口腔信息数据处理模型，将医师卡环设计经验通过软件处理的方式实现，大大缩短了卡环设计周期，节省有限的口腔医师资源，传统的手工弯制卡环从患者信息获取到产生成品需要至少1周的时间，而通过本申请自动采集、处理信息并自动化生产卡环的方式使上述时间缩短为1天，仅在卡环弯制这一个步骤中，生产时间就可以从2小时缩短为半小时；(2)直接将卡环造型信息参数转化为机器人自动控制参数，实现了个性化卡环生产的自动实现，节约了制造周期，提高了制造精度，避免医师手工弯制卡环或铸造制造卡环的不确定性和高成本。(3)本申请的另一重要贡献在于将卡环形状数据换为具体参数，并由此确定前期数据采集中需要的参数以及后期制造指令参数，在不同的工艺环节中实现参数的转化，从而实现由数据采集到产品制造的数据流动，实现人工智能分析与自动化制造的结合。(4)本申请的卡环造型设计是新颖的，综合考虑了牙齿正畸需求以及美学需求，通过采集牙齿信息在卡环位置及造型设计过程中可以实现功能性和美学性双重效果，更适合青少年和爱美人群的使用。

附图说明

图1为本申请制造工艺流程图。

发明详述

以下对本申请具体实施过程中涉及的方案以及原理进行扩展式的说明。

数据集合1

本发明制备方法中涉及的第一组数据集合是患者口腔信息。在本发明以前，通常使用的口腔三维信息获取方法包括口腔部位的牙齿印模、X射线图像或者CBCT图像及其对应的设备。其存在的问题是需要将上述三维信息重新用于口腔模型的重建，例如构建三维数字的或实体的牙齿模型。而本发明则独特的使用了特别设计的口腔扫描仪，用扫描仪的扫描头端光学组件，可以获得用于数据库检索的数据集合1，其中重要的是牙齿、牙列以及牙槽骨等信息。利用本发明特别设备获得的口腔三维信息，下列参数是尤为重要的，其也是参与运算生成卡环造型信息的关键参数其中涉及的参数：牙轴倾度、牙倾斜度、凸度、牙槽骨的长宽高等，以上参数是处于治疗性考虑的参数(称为治疗性参数)；此外还包括基牙颊轴嵴远中倒凹区、邻面倒凹区、舌侧倒凹区的信息，这些参数属于美观固定位区参数(称为美观区域参数)，倾向于将卡环设计在这些区域。

数据集合2

数据集合1需要输入软件1中，并在软件内部存储的数据库信息中检索，匹配患者信息并自动生成卡环弯制方案。

所述数据库是通过数以万计的患者口腔扫描获取的临床扫描信息合并而成。这些信息同时已通过数学建模的方式参与卡环造型方案的计算生成。所述计算方法通过由医师参与的软件设计而固化到一个数据处理模块中。所述数据处理模块的算法是根据医师弯制卡环的经验与算法设计人员合作完成的，里面包含的患者牙齿信息与卡环弯制信息具有对应关系。

软件1可以整合在口腔扫描仪的软件系统当中，也可以独立的计算设备为载体。

经过数据库检索后的数据集合1可以获得与之匹配的数据集合2，即卡环弯制信息。该集合可以是整体的卡环弯制信息，也可以是由多个功能性卡环弯制信息组成的组。该数据可以是最终的卡环弯制信息，在某些情况下也可以是初步的卡环设计信息。

因此，在优选的实施方式中，卡环造型信息经过医师的再次确认，获得经过修正或审核通过后的数据集合2.

在数据集合2中，卡环的造型信息取决于支抗牙的种类、卡环的部位和数目，卡环的类型等因素，实践中需要从牙冠高度，牙齿移动方向，需要施加的力，咬合面的作用力，扭转单个牙等矫治器的功能需求出发，结合所使用的作用力部件确定上述因素，从而确定卡环造型，这些均通过医师的经验转化为算法固定于数据库中。即，将上述因素与卡环三维造型数据之间建立数学联系，从而通过软件实现造型数据的输出。即，将数据集合1的信息输入软件，将自动匹配并计算生成卡环造型方案。如前所述，卡环造型的方案并不完全是预先设定于软件当中，会经过医师的修正，经修正后的治疗方案以及对应的患者信息被再次追加到数据库中，以供后续检索和匹配使用。

卡环的类型也是根据上述牙齿信息而对应生成的，其包括了箭头卡环，辅助箭头卡环，切牙卡环，球形末端卡环，Duyzings卡环等。出于美学考虑，可将卡环造型设计成颊侧短固位臂卡环、舌侧固位颊臂卡环、舌侧固位L型卡环、舌侧固位J型卡环等。

卡环造型信息包括形成各种弯曲的信息，例如垂直曲、欧米伽曲、匣形曲、垂直关闭曲、T形曲等，这些弯曲数字化后，形成由无数三维空间上的点构成的曲线信息，每一个点都对应着三维坐标XYZ，这些信息共同决定了卡环的种类，对应牙齿类型，长度等信息。此外，卡环钢丝的直径也是参数之一。

数据集合2的信息可以转化为通用的STL文件格式，以方便后续的自动化生产。

数据集合3

数据集合3涉及自动控制机器手臂完成卡环弯制动作，由数据集合2通过软件2计算实现。软件2可以整合在机械手臂的软件系统当中，也可以独立的计算设备为载体。

应当指出的是，控制手臂的指令需要根据手臂的具体结构和自动控制方式予以编写。因此，本发明的又一贡献在于将卡环造型信息转换为三维的机械手臂运动指令。

手臂运动指令中，最重要的参数是运动夹持结构的移动参数，包括沿X轴移动、沿Y轴移动，沿Z轴移动、绕Y轴旋转、绕X轴旋转、绕Z轴旋转，共有6各自由度。

机械手臂

本申请的卡环制造设备或机器可以采取安装到基座或工作台支撑表面的机械手臂或机器人的形式。在一个优选的实施方式中，机械手臂具有第一个夹持工具。该工具可以相对于底座固定或者可以结合到可移动臂中。第一夹持工具具有用于保持钢丝或其他材料的第一夹持结构。该设备还包括可移动臂，该可移动臂具有安装到基部并远离第一夹持工具一段距离的近端部分和自由远端部分。可移动臂的自由远端部分能够沿着至少一个平移轴线和至少一个旋转轴线相对于第一夹持工具独立运动。在具体的实施方案中，可移动臂具有一组关节，其允许臂的远端以6个自由度移动3个正交平移轴线和3个正交旋转轴线。然而，取决于医疗装置的性质和在装置中形成所需的弯曲，也可以具有较少的自由度，从而降低设备的成本和复杂性。第二夹持工具安装到可动臂的远侧部分。第二夹持工具具有用于夹紧钢丝等原料的第二夹持结构。因此，钢丝由第一和第二夹持工具夹紧，其中第二可移动夹持工具能够沿着至少一个平移轴线和至少一个旋转轴线相对于第一夹持工具运动。

机械手臂两个夹持工具的动作由机械手臂控制中心提供指令。控制中心接收来自方案生成模块的弯制指令信息文件，并且相应地操作可移动臂和第一、第二夹持工具以形成一系列弯曲和/或扭曲。

此外，机械手臂还可以包括加热元件，以在弯折过程中增强材料的柔性，减小所需施加的外力。

卡环制造系统

本发明的一方面涉及一种综合性定制卡环集成生产设备，该设备包括前述患者信息采集设备、信息检索模块、信息转换模块以及卡环弯制设备。

卡环产品

依照本申请方法制造的卡环可作为矫治器的功能部件，也可以作为单独的卡环产品或半成品使用。例如在可以用于批量生产针对特定牙齿的初步制造卡环，并应用于医师后续的手工调整和正畸方案当中。

活动矫治器

本申请的卡环制备方法特别的适用于各种活动矫治器，包括：

早期治疗矫治器——牙合垫矫治器(用于反牙合即地包天、偏颌)；

辅助治疗矫治器——上颌开展矫治器(用于扩大牙弓)、斜面导板矫治器(用于引导下颌向前)、平面导板矫治器(用于打开咬牙合、压低下前牙)；

不良习惯矫治器——唇挡(用于限制上前牙前突)，舌刺(用于限制吐舌习惯)；

间隙保持器用于乳牙早脱的间隙保持；

功能性矫治器用于促进或限制颌骨的生长发育及肌功能矫正；

Hawley保持器用于固定正畸术后保持。

在不同类型的活动矫治器中，卡环的设计必然有所不同。技术人员将根据卡环所连接的具体作用力部件调整卡环的设计方案，这种调整同样将作为卡环设计的参数输入计算机，并后续转化成钢丝弯制指令。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

实施例1

本发明的活动矫治器用卡环的制造方法的步骤如下：

(1)通过带有光学组件的口腔扫描仪获得牙齿的三维影像信息，例如牙齿、牙列、牙槽骨的信息：获得软件1可读格式的扫描信息文件，命名为XXX1.sof，该文件中特别的包含了如下参数，牙轴倾度A、牙倾斜度B、凸度C、牙槽骨的长宽高D，基牙颊轴嵴远中倒凹区位置E、邻面倒凹区位置F、舌侧倒凹区位置G。

(2)将sof格式的文件输入软件1，该软件为信息检索模块，通过运算直接输出软件2可读格式的信息文件，命名为XXX2.STL。该文件包含了卡环造型信息，参数包括卡环位置信息H，卡环类型信息I，卡环局部造型信息J。

(3)将步骤(2)产生的STL文件输入本发明特制的机械手臂，通过机械手臂自带软件，将该STL文件先转换为卡环弯制指令文件XXX3.bat，提供预设的尺寸的钢丝，运行机械手臂的执行程序，弯制获得需要的卡环。

卡环的弯制是通过连接到电脑上的弯制手臂完成的，机器人包括一只主动臂和一只从动臂，从动臂握持并定位弓丝，主动臂根据XXX3.bat中有关弓丝转折点的信息进行逐一弯制，完成个体化卡环的制作；也可以通过手工弯制的方法对机器弯制的产品进行调整，根据个体化卡环设计的弯制点及弯制角度和方向，使用手工器械对卡环进行弯制成型。

(4)对定制化卡环进行适当的抛光处理，获得卡环成品。

实施例2

基本步骤与实施例1相同，仅在第(2)步生成了STL文件后，由医师通过观察卡环三维结构判断造型方案是否合理，如果不合理，直接通过软件2调整卡环造型方案，生成新的STL文件，随后输入机器手臂的软件系统。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (19)

1.一种生产牙齿活动矫治器卡环的方法，具有如下步骤：

(1)通过口腔扫描仪获取患者口腔信息数据集合1；

(2)将数据集合1直接输入信息检索模块并获得匹配的卡环造型信息数据集合2；

(3)将数据集合2输入信息转换模块并获得卡环弯制指令数据集合3；

(4)将数据集合3输入卡环弯制设备生产定制化卡环；

所述信息检索模块包含数据库，该数据库由患者口腔信息和与之对应的卡环造型信息组成。

2.如权利要求1所述方法，其中数据集合1同时包含治疗性参数和美观区域参数。

3.如权利要求2所述方法，其中治疗性参数包含：牙轴倾度、牙倾斜度、凸度、牙槽骨尺寸。

4.如权利要求2或3所述方法，其中美观区域参数包含：基牙颊轴嵴远中倒凹区、邻面倒凹区、舌侧倒凹区的位置信息。

5.如权利要求1-4任一项所述方法，其中数据集合2同时包含卡环位置参数和弯曲参数。

6.如权利要求5所述方法，弯曲参数包括：垂直曲、欧米伽曲、匣形曲、垂直关闭曲、T形曲。

7.如权利要求1-6任一项所述方法，其中所述卡环弯制设备为软件控制的六轴机械手臂。

8.如权利要求书1-7任一项所述方法，其中由信息检索模块获得的匹配结果经审核和修正后形成数据集合2。

9.由权利要求1-8任一项的方法生产的活动矫治器卡环。

10.如权利要求9所述的活动矫治器卡环，其包括：箭头卡环，辅助箭头卡环，切牙卡环，球形末端卡环，Duyzings卡环，半卡环。

11.包含权利要求9或10所述卡环的活动矫治器。

12.如权利要求11所述的活动矫治器，包括：牙合垫矫治器、上颌开展矫治器、斜面导板矫治器、平面导板矫治器、唇挡、舌刺、间隙保持器、功能性矫治器、Hawley保持器。

13.一种生产牙齿定制化活动矫治器卡环的集成设备，包括口腔扫描仪，信息检索模块，信息转换模块以及卡环弯制设备，其中，信息检索模块包含数据库，该数据库由患者口腔信息和与之对应的卡环设计信息组成，信息检索模块实现患者口腔信息数据集合1向卡环造型信息数据集合2的转化，信息转换模块实现数据集合2向卡环弯制指令数据集合3的转化。

14.如权利要求13所述设备，其中数据集合1同时包含治疗性参数和美观区域参数。

15.如权利要求14所述设备，其中治疗性参数包含：牙轴倾度、牙倾斜度、凸度、牙槽骨尺寸。

16.如权利要求14或15所述设备，其中美观区域参数包含：基牙颊轴嵴远中倒凹区、邻面倒凹区、舌侧倒凹区的位置信息。

17.如权利要求13-16任一项所述设备，其中数据集合2同时包含卡环位置参数和弯曲参数。

18.如权利要求17所述设备，弯曲参数包括：垂直曲、欧米伽曲、匣形曲、垂直关闭曲、T形曲。

19.如权利要求13-18任一项所述设备，其中所述卡环弯制设备为软件控制的六轴机械手臂。