專利名稱:基于牙根的牙齒移動定序的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算畸齒矯正術(computational orthodontics)。
背景技術：
在畸齒矯正治療中，使用多種器械中的任意器械將患者的牙齒從初始位置移動到最終位置。根據治療的階段，器械在牙齒上施加適當的力使一顆或多顆牙齒移動或固定在正確位置。

發(fā)明內容此處公開的系統(tǒng)和方法用于通過提供患者的每顆牙齒的數字模型來矯正(reposition)患者的牙齒；根據該數字模型確定一個或多個牙根參數；以及數字地移動一個或多個牙齒模型，并基于一個或多個牙根移動臨床約束來評估治療結果。
本發(fā)明還提供了用來限定在將牙齒從初始牙齒排列矯正到最終牙齒排列的處理的步驟中器械配置的方法和設備。本發(fā)明可以操作為限定如何通過一系列器械或通過對配置為逐步矯正各個牙齒的器械的一系列調整來完成矯正。本發(fā)明可以有利地應用于規(guī)定一系列器械，這些器械形成具有容納牙齒的空腔的聚合物殼體，該聚合物殼體就是上述美國專利No.5,975,893中描述的那種殼體。
通過使用根據本發(fā)明而規(guī)定的器械進行一系列逐步的位置調整，將患者的牙齒從最初的牙齒排列矯正為最終的牙齒排列。在一種實現中，本發(fā)明用來規(guī)定上述聚合物殼體器械的形狀。一系列器械中的第一器械將選取一種能將牙齒從最初的牙齒排列矯正為第一中間排列的幾何結構。當達到或實現第一中間排列時，第一器械就不能再用了，接下來一個或多個另外的(中間)器械會被相繼安放到牙齒上。最后一個器械要選取一種能將牙齒從最后一個中間排列逐漸矯正為期望的最終牙齒排列的幾何結構。
本發(fā)明對器械進行規(guī)定，使得它們施加具有可接受水平的力，造成的不適僅在可接受的范圍內，并且在一段可接受的時間內實現期望的牙齒矯正增量。本發(fā)明可以實現為與計算畸齒矯正系統(tǒng)的其他部分相互作用，特別是與路徑限定模塊相互作用，這種模塊計算牙齒在治療期間矯正的路徑。
該系統(tǒng)的優(yōu)點可以包括下面的一項或多項根據本發(fā)明而規(guī)定的器械施加的力不會超過畸齒矯正所能接受的水平，對患者造成的不適不會超出可接受的量，以及在一段可接受的時間內實現期望的牙齒矯正增量。本發(fā)明通過保證所考慮的器械能夠在用戶可選的有效的畸齒矯正實踐的約束之內實現所提出的路徑，可以用于改進用在畸齒矯正治療中限定牙齒路徑的計算的或手工的處理。使用本發(fā)明進行校準器設計使得設計者(人工或者自動化)可以針對特定約束精準地調節(jié)校準器的性能。同樣，可以實現對校準器效果的更精確的畸齒矯正控制，而且可以比其他情況下更好地預測校準器的行為。另外，用計算方式限定校準器的幾何結構方便了校準器在數字控制下的直接制造。
在下面的附圖和描述中將闡明本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。根據說明書、附圖和權利要求
，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得明顯。
圖1是根據本發(fā)明的規(guī)定治療過程的處理的流程圖，該處理包括用于計算校準器形狀的子處理。
圖2是用于計算校準器形狀的處理的流程圖。
圖3是用于創(chuàng)建有限元模型的子處理的流程圖。
圖4是用于計算校準器改動的子處理的流程圖。
圖5A是用于計算校準器形狀改動的子處理的流程圖。
圖5B是用于計算校準器形狀改動的子處理的流程圖。
圖5C是用于計算校準器形狀改動的子處理的流程圖。
圖5D是說明圖5B中子處理的操作的示意圖。
圖6是用于計算成組的校準器的形狀的處理的流程圖。
圖7是牙根統(tǒng)計模型的示例性示圖。
圖8示出了牙根建模的示例性示圖。
圖9示出了牙齒的CT(計算機斷層攝影)掃描的示例性示圖。
圖10示出了顯示牙齒的示例性用戶界面。
圖11示出了帶有牙根數據的圖10的示例性示圖。
圖12示出了另一組與所計劃的牙齒移動有關的量度。
圖13示出了用于基于牙根數據對牙齒進行治療的示例性處理。
在各附圖中，相似的參考標號和標記表示相似的單元。
具體實施方式在本發(fā)明中，提供了用于限定用來逐步移動牙齒的器械配置或對器械配置的改動的系統(tǒng)和方法。牙齒移動指那些通常與畸齒矯正治療有關聯的移動，包括相對于垂直中心線的全部三個正交方向上的平移，牙齒中心線在兩個畸齒矯正方向(“牙根成角”和“轉矩”)上的轉動，以及圍繞中心線的轉動。
圖1說明了為對患者的畸齒矯正治療限定并生成矯正器械的示例性處理100。如下面所述，處理100包括本發(fā)明的方法，并且適用于本發(fā)明的設備。該處理的計算步驟可以有利地實現為用于在一臺或多臺常規(guī)數字計算機上執(zhí)行的計算機程序模塊。
作為初始步驟，要獲取患者牙齒或口腔組織的模子或掃描(步驟110)。該步驟通常涉及為患者的牙齒和牙齦進行塑模(cast)，并且可能涉及取蠟咬模(wax bite)，直接接觸掃描，X射線成像，斷層攝影，超聲波成像，以及用于獲取關于牙齒、頜、牙齦和其他與畸齒矯正有關的組織的位置和結構的信息的其他方法。根據如此得到的信息就可以得到表示患者牙齒和其他組織的初始(也就是治療前的)排列的數字數據集。
初始數據集可能包括來自掃描操作的原始數據和根據原始數據得來的表示表面模型的數據，初始數據集要經過處理以用分段的方式將組織成分彼此分開(步驟120)。特別地，在本步驟中，產生數字地表示各個齒冠的數據結構。可以有利地生成整個牙齒的數字模型，包括測量或推斷出的隱藏面和牙根結構。
期望的最終牙齒位置，也就是畸齒矯正治療想要達到的期望和預期的最終結果，可以由臨床醫(yī)生以處方的形式給出，可以根據基本畸齒矯正原理計算得出，或者可以用計算方式從臨床處方中推斷出來(步驟130)。有了對期望的牙齒最終位置的規(guī)定和牙齒本身的數字表示，就可以規(guī)定每顆牙齒的最終位置和表面幾何結構(步驟140)，以便形成牙齒的期望治療結果的完整模型。一般而言，在本步驟中，會規(guī)定每顆牙齒的位置。本步驟的結果是一組數字數據結構，其表示相對于假設穩(wěn)定的組織而對所模擬的牙齒進行的在畸齒矯正學上正確的矯正。牙齒和組織都被表示為數字數據。
有了每顆牙齒的開始位置和最終位置，接下來該處理為每顆牙齒的運動限定牙齒路徑。牙齒路徑要以整體進行優(yōu)化，這樣牙齒可以以最快的方式移動，以最少的迂回(round-tripping)量將牙齒從其初始位置移動到其期望的最終位置。(迂回指除了直接朝向期望的最終位置這一方向之外，牙齒在任意方向上的任意移動。迂回有時是必需的，以使得牙齒可以彼此交錯經過。)要對牙齒路徑進行分段。對分段進行計算，以使得分段內的每顆牙齒的運動保持在線性平移和轉動平移的閾限(threshold limit)之內。這樣，每個路徑段的終點可以構成臨床上可行的矯正，并且分段終點的集合構成了臨床上可行的牙齒位置序列，從而序列中一點到下一點的移動不會引起牙齒的碰撞。
在一種實現中，使用基于所用器械的性質得出的默認值來對線性平移和轉動平移的閾限進行初始化。更個性化定制的(tailored)極限值可以使用患者特定(patient-specific)的數據來計算。還可以基于器械計算的結果對極限值進行更新(步驟170，如下文所述)，器械計算可以確定在一條或多條牙齒路徑上的一個或多個點上，器械生成的作用于當時的牙齒和組織的配置的力不會影響由一個或多個路徑段表示的矯正。有了該信息，限定分段路徑的子處理(步驟150)就可以重新計算路徑或受影響的子路徑。
在處理的各階段，特別是在分段路徑已經被限定后，處理可以并且通常會與負責該患者的治療的臨床醫(yī)生交互(步驟160)。與臨床醫(yī)生的交互可以使用客戶端處理來實現，該客戶端處理可以被編程為從實現了處理100中的其他步驟的服務器計算機或處理處接收牙齒位置和模型以及路徑信息?？蛻舳颂幚砜梢杂欣鼐幊虨槭沟门R床醫(yī)生可以顯示位置和路徑的動態(tài)影像，并且使得臨床醫(yī)生可以重新設置一顆或多顆牙齒的最終位置并規(guī)定應用于分段路徑的約束。如果臨床醫(yī)生進行了任意這樣的改動，那么限定分段路徑的子處理(步驟150)就會被再次執(zhí)行。
分段牙齒路徑和有關聯的牙齒位置數據可以用來計算臨床可接受的器械配置(或器械配置的連續(xù)改動)，其將在由路徑段規(guī)定的步驟中使牙齒在限定的治療路徑上移動(步驟170)。每個器械配置代表患者治療路徑上的一個步驟。限定和計算這些步驟，使得每個牙齒位置可以通過從由前一離散步驟達到的牙齒位置進行直線牙齒移動或簡單轉動來到達，并且使得每個步驟中需要的矯正量只會對患者的齒系施加畸齒矯正學上最優(yōu)的力量(amount of force)。如同路徑限定步驟，該器械計算步驟可以包括與臨床醫(yī)生的相互作用，甚至與臨床醫(yī)生的反復的相互作用(步驟160)。下面將更全面地描述實現該步驟的處理200(圖2)的操作。
計算了器械限定之后，處理100可以向前繼續(xù)到制造步驟(步驟180)，其中制造該處理所限定的器械，或者產生電子信息或印刷信息，該信息可以被手工處理或自動化處理用來對器械配置或器械配置的改動進行限定。
圖2說明了實現對上述美國專利No.5,975,893中所描述的那種聚合物殼體校準器的器械計算步驟(圖1，步驟170)的處理200。該處理的輸入包括初始校準器形狀202，各種控制參數204，以及在當前治療路徑段的終點206處的期望結果牙齒配置。其他輸入包括定位在頜中的牙齒的數字模型、頜組織的模型，以及對初始校準器形狀和校準器材料的規(guī)定。在校準器安裝到牙齒上的正確位置(步驟210)的情況下，該處理使用這些輸入數據創(chuàng)建校準器、牙齒和組織的有限元模型。接下來，處理對校準器、牙齒和組織的復合有限元模型進行有限元分析(步驟220)。分析一直運行至到達到退出條件為止，此時該處理評估牙齒是否已經到達當前治療路徑段的期望結果位置，或到達足夠接近期望結果位置的位置(步驟230)。如果牙齒沒有到達可接受的結果位置，則該處理會計算新的候選校準器形狀(步驟240)。如果牙齒達到了可接受的結果位置，則評估通過有限元分析計算出的牙齒運動，以確定這些運動是否是畸齒矯正學上可接受的(步驟232)。如果這些運動不是畸齒矯正學上可接受的，則該處理還要向前繼續(xù)到計算新的候選校準器形狀(步驟240)。如果這些運動是畸齒矯正學上可接受的，并且牙齒已經到達了可接受的位置，則將當前校準器形狀與先前計算出的校準器形狀相比較。如果當前形狀是目前最好的(判斷步驟250)，則它被作為目前最好的候選而保存(步驟260)。如果當前形狀不是目前最好的，則在可選步驟中將它作為可能的中間結果而保存(步驟252)。如果當前校準器形狀是目前最好的，則處理會確定它是否好到足以被接受(判斷步驟270)。如果它好到足以被接受，則處理退出。否則，處理繼續(xù)并計算另一個候選形狀(步驟240)以便進行分析。
有限元模型可以用多個廠商提供的計算機程序應用軟件來創(chuàng)建。對創(chuàng)建立體幾何模型而言，可以使用計算機輔助工程(CAE)或計算機輔助設計(CAD)程序，例如加利福尼州亞圣拉斐爾市(San Rafael)的Autodesk公司提供的AutoCADTM軟件產品。對創(chuàng)建有限元模型并對其進行分析而言，可以使用多個廠商的程序產品，包括愛荷華州(Iowa)科拉維爾市(Coralville)的CADSI公司提供的PolyREM，麻薩諸塞州沃爾瑟姆市(Waltham)的Parametric Technology公司(參數技術公司)提供的Pro/Mechanica仿真軟件，俄亥俄州辛辛那提市的StructuralDynamics Research公司(SDRC，結構動力學研究公司)提供的I-DEAS設計軟件產品，以及加利福尼亞州洛杉磯市的MacNeal-Schwendler公司提供的MSC/NASTRAN產品。
圖3示出了創(chuàng)建可用于執(zhí)行處理200的步驟210(圖2)的有限元模型的處理300。模型創(chuàng)建處理300的輸入包括描述牙齒和組織的輸入數據302和描述校準器的輸入數據304。描述牙齒的輸入數據302包括牙齒的數字模型；剛性組織結構的數字模型，如果可獲得的話；在牙齒嵌入其中并與之相連的基底組織的特定模型不存在時，對模擬該組織的高黏度流體的形狀和黏度的規(guī)定；以及規(guī)定模型單元的不可移動邊界的邊界條件。在一種實現中，模型單元只包括牙齒的模型、高黏度的嵌入基底流體的模型，以及有效限定容納所模擬的流體的剛性容器的邊界條件。
創(chuàng)建牙齒和組織的初始配置的有限元模型(步驟310)，并可選地進行緩存以備處理中后面的迭代使用(步驟320)。如同對牙齒和組織所做的一樣，創(chuàng)建聚合物殼體校準器的有限元模型(步驟330)。該模型的輸入數據包括規(guī)定制造校準器的材料和校準器形狀的數據(數據輸入304)。
接下來以計算方式操縱模型校準器來將它安放到模型頜中的所模擬的牙齒上，以創(chuàng)建已在正確位置上的校準器的復合模型(步驟340)?？蛇x地，對使校準器發(fā)生形變以安裝到牙齒(包括連接到牙齒上的任何硬件)上所需的力進行計算，并將其用作衡量特定校準器配置的可接受性的品質因數。但是，在一種更簡單的替代性方案中，對校準器的形變進行建模的過程為，在其內部施加足夠的力以使其大到足以安裝到牙齒上，在復合模型中將模型校準器安放到模型牙齒上，將模型牙齒和組織條件設定為具有無窮大的剛性，并且使得模型校準器可以松弛地安裝在被固定的牙齒上的位置上。在該階段中校準器的表面和牙齒的表面被建模為無摩擦地相互作用，這樣，在有限元分析開始求復合模型的解并計算牙齒在變形的校準器影響下的移動之前，校準器模型就實現了對模型牙齒的正確的初始配置。
圖4示出了用于計算下一個校準器的形狀的處理400，該下一個校準器形狀可以用到校準器計算，即處理200的步驟240(圖2)中。各種輸入被用于計算下一個候選校準器形狀。這些輸入包括由對復合模型的有限元分析解生成的輸入數據402和由當前牙齒路徑限定的數據404。根據有限元分析導出的數據402包括發(fā)生被仿真的牙齒的矯正實際耗費的時間量，該分析計算出的實際結果牙齒位置，施加到每顆牙齒上的最大線性力和扭轉力，以及每顆牙齒的最大線速度和角速度。根據輸入路徑信息，輸入數據404包括當前路徑段的初始牙齒位置，當前路徑段結束時的期望牙齒位置，每顆牙齒的最大可允許位移速度，以及每顆牙齒的每種最大可允許的力。
如果發(fā)現先前所評估的校準器違背了一條或多條約束，則處理400可以可選地使用附加的輸入數據406。該數據406可以包括識別先前所評估的校準器所違背的約束的信息，以及該校準器的任意已識別的次優(yōu)性能。另外，處理400可以使用與先前的牙齒設備所違背的約束以及該牙齒設備的次優(yōu)性能有關的輸入數據408。
收到初始輸入數據(步驟420)后，該處理就在模型中對可移動牙齒進行迭代。(有些牙齒可以被標識為或約束為不可移動。)如果由先前所選的校準器實現的當前所選牙齒的結果位置和移動的動力特性是可接受的(判斷步驟440的“是”分支)，則該處理繼續(xù)選擇考慮下一顆牙齒(步驟430)，直到所有牙齒都已被考慮過(從步驟430到步驟470的“完成”分支)。否則(步驟440中的“否”分支)，在當前所選牙齒的區(qū)域中計算對校準器的改動(步驟450)。接下來該處理返回以選擇下一個當前牙齒(步驟430)，如前所述。
當所有的牙齒都已考慮過時，針對先前限定的約束對已對校準器進行的整體改動進行評估(步驟470)，此前已經提到過這種評估的例子?？梢詤⒖几鞣N進一步的考慮來限定約束，諸如可制造性。例如，可以將約束限定為設定校準器材料的最大或最小厚度，或者限定為設定校準器對齒冠的最大或最小覆蓋率。如果滿足校準器約束，就應用這些改動以得到新的校準器形狀(步驟490)。否則，就修改對校準器的改動以滿足約束(步驟480)，并應用這些經過修改的改動以限定新的校準器形狀(步驟490)。
圖5A說明了在當前牙齒的區(qū)域中計算校準器改動的步驟(步驟450)的一種實現。該實現中，使用基于規(guī)則的推斷引擎456來處理前述輸入數據(輸入454)和規(guī)則的規(guī)則庫452中的一組規(guī)則452a-452n。推斷引擎456和規(guī)則452限定了產生系統(tǒng)，當應用于實際輸入數據時，該產生系統(tǒng)會產生規(guī)定了在當前牙齒的區(qū)域中要對校準器進行的改動的一組輸出結論(輸出458)。
規(guī)則452a...452n具有常規(guī)的兩部分的形式一個部分限定條件，而另一個部分限定條件滿足時聲明的結論或行為。條件可以是簡單的，或者條件可以是復雜的多個聲明的邏輯與或邏輯或。限定要對校準器進行的改動的一組示例性規(guī)則包括下面幾項如果牙齒的運動速度太快，則與期望運動方向相反地向校準器添加驅動材料；如果牙齒運動速度太慢，則添加驅動材料來使牙齒的位置過矯正；如果牙齒離期望位置太遠，則添加驅動材料來實現過矯正；如果牙齒已經運動得超過期望結果位置太遠，則在牙齒移動到與校準器相接的地方添加用來硬化校準器的材料；如果已經添加了最大量的驅動材料，則添加用來使牙齒矯正變得過矯正的材料，并且不添加驅動材料；如果牙齒的運動方向不是期望的方向，則去除或添加材料以便為牙齒進行重定向。
在替代性實施例中，如圖5B和圖5C所示，計算校準器的絕對配置，而不是增量差值。如圖5B所示，處理460計算在當前牙齒的區(qū)域中校準器的絕對配置。使用上述輸入數據，該處理計算出當前牙齒已實現的結果位置和期望結果位置之間的差值(步驟462)。使用牙齒中心線和牙齦組織平面的交點作為參考點，該處理計算出在運動的所有六個自由度上的差值的補數(complement)(步驟464)，六個自由度即三個平移自由度和三個轉動自由度。接下來，將模型牙齒位移到離其期望結果位置為差值補數的量處(步驟466)，如圖5D所示。
圖5D示出了示例性模型牙齒62上的示例性模型校準器60的平面視圖。牙齒在其期望結果位置上，而且該校準器形狀是由該結果位置上的牙齒限定的。通過有限元模型計算出的牙齒的實際運動被示出為將牙齒安放到位置64上，而不是期望位置62上。計算出的結果位置的補數被示出為位置66。使用在前述步驟(步驟466)中計算出的發(fā)生位移的模型牙齒的位置，處理460的下一步驟(圖5B)限定了在處理的該迭代中當前牙齒的區(qū)域中的校準器(步驟468)。當前牙齒的區(qū)域中的該計算出的校準器配置在圖5D中示出為形狀68，該形狀由位置66上的經矯正的模型牙齒限定。
圖5C中示出了處理460中的進一步的步驟，該步驟可以實現為規(guī)則452(圖5A)。要在當前牙齒中心軸的方向上移動該牙齒，則在該處理已決定從中移動牙齒的區(qū)域中，使得限定校準器的這個區(qū)域的模型牙齒大小或者校準器內部留給牙齒的空間量變小。
如圖6所示，在治療路徑的某一步驟中計算校準器形狀的處理200(圖2)是計算一系列校準器的形狀的處理600的一個步驟。處理600以初始化步驟602開始，在步驟602中會得到初始的數據、控制和約束值。
當針對治療路徑中每個步驟或分段得到校準器配置(步驟604)時，處理600確定是否所有校準器都是可接受的(步驟606)。如果所有校準器都是可接受的，則處理完成。否則，處理可選地執(zhí)行一組步驟610來嘗試計算出一組可接受的校準器。首先，放松對校準器的一條或多條約束(步驟612)。接下來，對于具有不可接受校準器的每個路徑段，以新的約束執(zhí)行對校準器塑形的處理200(圖2)。如果現在所有的校準器都是可接受的，則處理600退出(步驟616)。
校準器可能會因為各種原因不可接受，其中有些原因是由處理操控的。例如，如果需要某種不可能的移動(判斷步驟620)，也就是說形狀計算處理200(圖2)需要實現沒有任何可用的規(guī)則或調整的運動，則處理600會繼續(xù)前進到執(zhí)行一個模塊，該模塊計算到所處理的牙齒的硬件連接的配置，其中該牙齒可以被施加力以實現所需的運動(步驟640)。因為添加硬件會帶來額外的影響，因此當將硬件添加到模型中時，會再次執(zhí)行處理600的外部循環(huán)(步驟642)。
如果不需要不可能的移動(步驟620中的“否”分支)，則該處理將控制轉移到路徑限定處理(諸如圖1的步驟150)來重新限定具有不可接受校準器的那部分治療路徑(步驟630)。該步驟可以包括改變牙齒在治療路徑上運動的增量，也就是改變分段，可以包括改變一顆或多顆牙齒在治療路徑中所沿循的路徑，或兩者都包括。重新限定治療路徑后，再次執(zhí)行該處理的外部循環(huán)(步驟632)。重新計算被有利地限制為只重新計算已重新限定的那部分治療路徑上的那些校準器。如果現在所有的校準器都是可接受的，則處理退出(步驟634)。如果還有不可接受的校準器，則可以重復該處理直至找到一組可接受的校準器或超出迭代極限(步驟650)。此時，以及在本說明書中所描述的處理中的其他時候，諸如在計算附加硬件(步驟640)時，該處理可以與人類操作者，諸如臨床醫(yī)生或技師交互，來請求協(xié)助(步驟652)。操作者提供的協(xié)助可能包括限定或選取連接到牙齒或骨頭的合適的附加設備，限定添加的彈性單元以便為治療路徑中的一個或多個分段提供所需的力，在牙齒的運動路徑方面或在治療路徑的分段方面對治療路徑提出改動建議，以及認可對操作約束的修改或放寬。
如上所述，通過各項輸入數據來對處理600進行限定和參數化(步驟602)。在一種實現中，該初始化和限定數據包括以下各項處理的外部循環(huán)的迭代極限；對被計算以確定校準器是否足夠優(yōu)良(參見圖2，步驟270)的品質因數的規(guī)定；對校準器材料的規(guī)定；對約束的規(guī)定，校準器的形狀及配置必須滿足這些約束以便可接受；對畸齒矯正學上可接受的力、位置運動和速度的規(guī)定；初始治療路徑，其包括每顆牙齒的移動路徑和將治療路徑分成分段的分段方法，其中每個分段由一個校準器完成；對裝到牙齒上或采取其他方式的任意錨的形狀和位置的規(guī)定；以及對牙齒位于其中或其上的頜骨及其他組織的模型的規(guī)定(在所描述的實現中，該模型包括黏性基底流體的模型，牙齒嵌入其中，并且其中具有基本上限定了用于該流體的容器的邊界條件)。
圖7是統(tǒng)計牙根模型的示例性示圖。如圖中所示，使用上述的掃描處理，可以識別掃描的牙齒的上半部分700。接下來用模擬的3D(三維)牙根來補足經掃描的上半部分，包括齒冠?？梢杂媒y(tǒng)計方法來模擬牙根的3D模型。牙根702的3D模型和上半部分700的3D模型合起來形成了牙齒的完整3D模型。
圖8示出了的牙根建模的示例性示圖，其中使用附加的牙齒信息對其進行了增強。在圖8中，附加的牙齒信息指X射線信息。掃描牙齒的X射線圖像710來提供整個牙齒形狀的2D(二維)視圖。目標牙齒的輪廓用X射線圖像來識別。根據附加信息對圖7中開發(fā)出的模型712進行修改。在一個實施例中，將圖7中的牙齒模型進行變體來形成與X射線數據一致的新模型714。
圖9示出了牙齒的CT掃描的示例性示圖。在該實施例中，根據對患者的高分辨率CBCT(錐束計算機斷層攝影)掃描直接得到牙根。掃描得到的牙根接下來可以應用于印模(impression)得來的齒冠，或結合根據錐束計算機斷層攝影(CBCT)數據提取而來的現有齒冠而使用。CBCT掃描可以獨自給出3D數據和多種形式的X射線類數據。這樣PVS(聚乙烯硅氧烷)印模就不需要了。
在一個實施例中，用錐束X射線源和2D面積探測器掃描患者的牙齒的解剖學構造，優(yōu)選地在360度角范圍內并且沿著牙齒的整個長度進行，使用各種方法中的任意一種方法來進行掃描，在該方法中，面積探測器相對于源固定，并且源和目標之間的相對轉動和平移會形成掃描(放射能量對目標的輻射)。錐束源沿掃描路徑相對于多個源位置(即視圖)的相對移動的結果就是，探測器獲得了相應的順序的多組錐束投影數據(這里也稱為錐束數據或投影數據)，每組數據表示目標在各個源位置上引起的X射線衰減。
圖10示出了顯示突出來的牙齒的示例性用戶界面圖，而圖11示出了圖10牙齒連同牙根信息的示例性示圖。可以使用合適的手柄來單獨調整每顆牙齒。在圖10和圖11的實施例中，允許操作者使用手柄使牙齒在具有六個自由度的三個維度上進行移動。
牙齒的移動部分地使用基于牙根的定序系統(tǒng)來引導。在一個實施例中，移動受到表面積約束的限制。另一個實施例中，移動受到體積約束的限制。
在一個實施例中，系統(tǒng)確定每個牙齒模型的表面積。接下來系統(tǒng)把所有要移動的牙齒模型的所有表面積都加起來。接下來，系統(tǒng)把牙弓上所有牙齒模型的所有表面積加起來。在牙齒移動的每個階段中，在牙齒模型移動的同時，系統(tǒng)都會檢查是否滿足預先確定的面積比率或約束。在一個實施例中，該約束可能是保證正在移動的牙齒的表面積小于支撐正在移動的牙齒的牙弓上所有牙齒的總表面積。如果該比率大于特定數值，諸如50％，則系統(tǒng)會向操作者發(fā)出報錯信號以表明牙齒應該以更緩慢的方式移動。
在另一個實施例中，系統(tǒng)確定每個牙齒模型的體積。接下來系統(tǒng)把所有正在移動的牙齒模型的體積加起來。接下來，系統(tǒng)確定牙弓上所有牙齒模型的總體積。對于牙齒移動的每個階段，在牙齒模型移動的同時，系統(tǒng)都會檢查是否滿足預先確定的體積比率或約束。在一個實施例中，該約束可能是保證正在移動的牙齒的體積小于支撐正在移動的牙齒的牙弓上所有牙齒的總體積。如果該比率大于特定數值，諸如50％，則系統(tǒng)會向操作者發(fā)出報錯信號以表明牙齒應該以更緩慢的方式移動。
可選地，可以在牙齒模型數據集里添加其他特性，從而在校準器中產生期望的特性。例如，可能期望添加數字蠟補片(patch)來限定保持校準器和牙齒或頜特定區(qū)域之間的間隔的空腔或凹陷。還可能期望添加蠟補片來限定波紋或其他結構形式，以創(chuàng)建具有特定硬度或其他結構性質的區(qū)域。在通過生成正模型來產生矯正器械的制造過程中，為數字模型添加蠟補片可以生成具有相同的蠟補片幾何結構的正塑模(mold)。這可以在限定校準器的基準形狀時整體進行，或者可以在計算特定校準器形狀時進行。一個可以添加的特征是圍繞牙齦線的鑲邊，它可以通過在數字模型牙齒的牙齦線上添加數字模型線來產生，校準器就是根據數字模型牙齒制造的。當通過將聚合物材料壓配在數字牙齒的正物理模型上來制造校準器時，沿牙齦線的那條線使得校準器有一條鑲邊，該鑲邊圍繞該校準器，沿著牙齦線提供額外的硬度。
在另一種可選的制造技術中，兩片材料被壓配到正牙齒模型上，其中一片沿著校準器的頂部弓形切割，并且另一片覆蓋在頂部。這樣可以沿著牙齒的豎壁提供兩倍厚度的校準器材料。
可以對校準器設計進行的改動受到將用于生產該校準器的制造技術的約束。例如，如果要通過在正模型上壓配聚合物片來制造校準器，則校準器的厚度就取決于片的厚度。因而，系統(tǒng)一般會通過改變模型牙齒的朝向、模型牙齒的各部分的大小、附加設備的位置和選取及材料的添加和去除(例如添加線或創(chuàng)建凹進(dimple))來改變校準器的結構，從而調節(jié)校準器的性能。系統(tǒng)可以可選地通過規(guī)定校準器中的一個或多個校準器由非標準厚度的片制造來調節(jié)校準器，以向牙齒提供更大和更小的力。另一方面，如果校準器通過立體造型處理制造，則校準器的厚度就可以局部地改變，并且不用修改牙齒的數字模型就可以添加諸如鑲邊、凹進和波紋等結構特征。
圖12示出了另一組與所計劃的牙齒移動有關的量度。在該實施例中，要移動的牙齒800的體積是確定的。經過一次移動后，系統(tǒng)確定在牙齒模型(牙根)的一部分移動時正在發(fā)生位移的體積802。系統(tǒng)確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的位移體積的第一總和，確定牙弓上所有牙齒模型的牙根體積的第二總和，并保證在移動牙齒模型的同時滿足預定的體積約束。
用于確定位移體積的示例性偽代碼如下計算位移體積的程序(牙齒位置1，牙齒位置2)把空間分為體積元素(體元)限定牙齒模型中受關注的區(qū)域(諸如只有牙根)將牙齒移動到位置1元素集1＝限定受關注區(qū)域內的體積元素集體積＝元素集1中的元素的數目將牙齒移動到位置2元素集2＝限定受關注區(qū)域內的體積元素集體積＝體積+元素集2中元素的數目元素集3＝限定元素集1和元素集2之間公共的體積元素集共享＝元素集3中元素的數目體積＝體積-共享圖13示出根據牙根數據治療牙齒的示例性處理。該處理首先計算關于所有牙齒模型的一個或多個基于牙根的量度(步驟850)。接下來該處理確定哪些牙齒正在移動(步驟852)。接下來，該處理確定關于移動牙齒的量度(步驟854)。該處理針對臨床約束來評估一個或多個量度(步驟856)。接下來該處理檢查是否已經違背了一條或多條約束(步驟858)。如果沒有違背約束，則處理結束。作為替代，從步驟858開始，該處理調整移動牙齒的移動(步驟860)，并針對是否違背了約束而進行重復檢查。
該系統(tǒng)還可以用于對諸如固定器和矯正器之類的更傳統(tǒng)的器械的效果進行建模，從而為特定患者生成最優(yōu)的設計和治療程序。
本發(fā)明的數據處理方面可以用數字電路實現，或者用計算機硬件、固件、軟件或它們的組合實現。本發(fā)明的數據處理設備可以用計算機程序產品來實現，該計算機程序產品實際體現在用于由可編程的處理器來執(zhí)行的機器可讀的存儲設備中；并且本發(fā)明的數據處理方法步驟可以由可編程處理器來執(zhí)行，該可編程處理器用于執(zhí)行用以通過操作輸入數據并生成輸出來執(zhí)行本發(fā)明的功能的指令程序。本發(fā)明的數據處理方面可以有利地在可在可編程系統(tǒng)上執(zhí)行的一個或多個計算機程序中實現，該可編程系統(tǒng)包括耦合為從數據存儲系統(tǒng)接收數據和指令并向數據存儲系統(tǒng)發(fā)送數據和指令的至少一個可編程處理器；至少一個輸入設備；以及至少一個輸出設備。每個計算機程序可以用高級程序或面向對象編程語言來實現，或者在期望的時候用匯編語言或機器語言實現；并且無論在何種情況下，該語言都既可以是編譯型語言也可以是解釋性語言。合適的處理器包括例如通用微處理器和專用微處理器。一般而言，處理器要從只讀存儲器和/或隨機存取存儲器中接收指令和數據。適合于實際體現計算機程序指令和數據的存儲設備包括各種形式的非易失性存儲器，包括例如半導體存儲設備，諸如EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)，EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)，以及閃存設備；磁盤，諸如內置硬盤和可移動盤；磁-光盤；以及CD-ROM光盤。所有上述設備都可以用ASIC(專用集成電路)來作為補充或包含在ASIC中。
為了提供與用戶的交互，可以使用計算機系統(tǒng)來實現本發(fā)明，該計算機系統(tǒng)具有用于向用戶顯示信息的顯示設備，諸如顯示器或LCD(液晶顯示器)，以及用戶可以用來向計算機系統(tǒng)提供輸入的輸入設備，諸如鍵盤，鼠標或軌跡球等二維指示設備，或者數據手套或回轉鼠標等三維指示設備?？梢詫⒂嬎銠C系統(tǒng)編程為提供圖形用戶界面，計算機程序通過該圖形用戶界面與用戶交互?？梢詫⒂嬎銠C系統(tǒng)編程為提供虛擬現實的三維顯示界面。
已經針對特定的實施例對本發(fā)明進行了描述。其他實施例在所附權利要求
的范圍內。例如，可以按照不同的順序執(zhí)行本發(fā)明的步驟，并且仍然實現期望的結果。
權利要求
1.一種計算機實現的矯正患者牙齒的方法，包括為患者的每顆牙齒提供數字模型；根據所述數字模型確定一個或多個牙根參數；以及數字地移動一個或多個牙齒模型，并基于一個或多個牙根移動的臨床約束來評估一個或多個治療量度。
2.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括生成多個具有選定幾何結構以逐步矯正牙齒的器械，其中所述器械包括具有空腔的聚合物殼體，并且其中連續(xù)殼體的空腔具有不同的幾何結構，將所述幾何結構的形狀調整為容納牙齒和彈性地將牙齒從一個排列矯正為后續(xù)排列。
3.根據權利要求
1所述的方法，其中所述臨床約束包括牙根移動臨床約束。
4.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定每個牙齒模型的表面積。
5.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的表面積的第一總和；確定所述牙弓上所有牙齒模型的表面積的第二總和；在移動所述牙齒模型的同時滿足預定的面積約束。
6.根據權利要求
5所述的方法，進一步包括將所述第一總和限制為小于所述第二總和的一半。
7.根據權利要求
1所述的方法，確定每個牙齒模型的體積。
8.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的體積的第一總和；確定所述牙弓上所有牙齒模型的體積的第二總和；在移動所述牙齒模型的同時滿足預定的體積約束。
9.根據權利要求
8所述的方法，進一步包括將所述第一總和限制為小于所述第二總和的一半。
10.根據權利要求
2所述的方法，其中器械的序列包括矯正器配置的序列，所述矯正器包括支架和牙弓線。
11.根據權利要求
2所述的方法，其中器械的序列包括聚合物殼體的序列，所述聚合物殼體通過將聚合物片配合到與患者牙齒對應的正模型上來制造。
12.根據權利要求
1所述的方法，其中器械的序列包括聚合物殼體的序列，所述聚合物殼體根據數字模型進行立體造型來制造。
13.根據權利要求
1所述的方法，其中所述臨床約束包括牙齒的最大位移速率，牙齒上的最大的力，以及牙齒的期望結果位置。
14.根據權利要求
13所述的方法，其中所述最大的力是線性力或扭轉力。
15.根據權利要求
13所述的方法，其中所述最大位移速率是線性位移速率或角位移速率。
16.根據權利要求
1所述的方法，其中所述臨床約束包括牙齒的最大位移速率。
17.根據權利要求
1所述的方法，其中所述臨床約束包括牙齒的最大線性位移速率。
18.根據權利要求
1所述的方法，其中所述臨床約束包括牙齒的最大轉動位移速率。
19.根據權利要求
1所述的方法，其中器械序列的最后一個器械是結束并維持牙齒位置的定位器。
20.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定所述牙齒模型的一部分的表面積。
21.根據權利要求
1所述的方法，確定所述牙齒模型的一部分的體積。
22.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的牙根表面積的第一總和；確定所述牙弓上所有牙齒模型的牙根表面積的第二總和；在移動所述牙齒模型的同時滿足預定的面積約束。
23.根據權利要求
22所述的方法，進一步包括將所述第一總和限制為小于所述第二總和的一半。
24.根據權利要求
1所述的方法，確定每個牙齒模型的牙根體積。
25.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的牙根體積的第一總和；確定所述牙弓上所有牙齒模型的牙根體積的第二總和；在移動所述牙齒模型的同時滿足預定的體積約束。
26.根據權利要求
1所述的方法，確定所述牙齒模型的一部分所位移的體積。
27.根據權利要求
1所述的方法，進一步包括確定牙弓上所有要移動的牙齒模型的位移體積的第一總和；確定所述牙弓上所有牙齒模型的牙根體積的第二總和；在移動所述牙齒模型的同時滿足預定的體積約束。
專利摘要
在此公開一種系統(tǒng)和方法用于通過提供患者每顆牙齒的數字模型來矯正患者的牙齒；根據該數字模型確定一個或多個牙根參數；以及數字地移動一個或多個牙齒模型，并基于一個或多個牙根移動的臨床約束來評估治療結果。
文檔編號A61C5/00GK1997324SQ20058001383
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月8日
發(fā)明者阿米爾·阿博爾法西, 安德魯·C·比爾斯 申請人:矯正技術公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan