CN111419442B - 一种u型槽牙托槽及其客制化的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种U型槽牙托槽及其客制化的成型方法，结合UG强大的二次开发功能，将牙曲面的提取、牙托槽在牙曲面的定位、牙托槽的参数调整整合在一个交互平台上，解决传统建模过程的平台切换、数据导入等问题，简化了传统的基于三维软件的设计生产方式，利用UG技术给出一种个性化、精密度更高、底板更吻合的牙托槽模板的设计方法，为正畸临床提供更好的技术支持，并提升了牙托槽建模的工作效率，让个性化的牙托槽建模成为可能，对制造业企业提升生产效率、降低人力成本具有重要意义。

Description

一种U型槽牙托槽及其客制化的成型方法

技术领域

本发明涉及一种U型槽牙托槽及其客制化的成型方法。

背景技术

当前通常在UG、Imageware、Geomagic studio和Mimics等三维设计软件中导入单个牙齿数据并结合牙托槽模板进行三维设计及构建。传统的牙托槽设计流程：(1)提取单个牙齿的点云数据并导入到三维建模软件中；(2)生成点云模型的曲面；(3)曲面对牙托槽模板进行修剪生成贴合齿面的牙托槽。该设计过程主要存在几个问题：其一，一般而言一个工程文件一次只能处理单个牙齿；其二，托槽在曲面的位置方位事先已确定，不好调整；其三，托槽的整体尺寸及局部结构调整繁琐。这种设计流程需要在多个平台上进行切换、设计时间长且繁琐。

发明目的

本发明的目的在于提供一种U型槽牙托槽及其客制化的成型方法，简化了传统的基于三维软件的设计生产方式，利用UG技术给出一种个性化、精密度更高、底板更吻合的牙托槽模板的设计方法，为正畸临床提供更好的技术支持，并提升了牙托槽建模的工作效率，让个性化的牙托槽建模成为可能，对制造业企业提升生产效率、降低人力成本具有重要意义。

本发明一种U型槽牙托槽，主要包括一托槽本体，该托槽本体上端表面设有用于弓丝穿过的槽沟，该槽沟呈唇颊向水平开口，便于弓丝顺畅地从唇颊面放入加力；该托槽本体的两侧分别设置用于结扎固定弓丝的托槽翼，该两托槽翼为U型槽，该托槽本体下端为基底，该基底与齿面的接触面与各牙齿的唇颊面形态相适配。

该基底的下表面设有阵列式圆柱体。

分别在两托槽翼位于托槽本体上表面侧设置用于固定住弓丝的侧孔。

该槽沟中部设置约占槽沟1/3长呈下凹状的凹陷位，当弓丝固定时，该凹陷位不与弓丝接触，与弓丝的接触部分仅是槽沟两端。

所述的一种U型槽牙托槽的客制化成形方法，包括如下步骤：

步骤1、采用参数化方式构建整个牙托槽模板：

在块实体上设计牙托槽模板的各种成型特征，然后在块实体上通过键槽、拔模、孔、拉伸的方式构建目标实体；

步骤2、通过UG的prt工程文件表示各种类型的牙托槽模板，并存储在交互平台中；

步骤3、通过交互式方法确定牙托槽位置

从交互平台获取患者牙齿的CT扫描文件并转换为STL文件，通过在三维软件环境打开STL文件所对应的牙齿模型并拾取目标的牙曲面，随后使用鼠标选取牙曲面上的一个点作为缺省的牙托槽模板的原点，并在这个原点上建立牙托槽坐标系，进而将牙曲面的坐标转换到牙托槽坐标系上；

步骤4、牙曲面的坐标转换完成后，提取用户在牙托槽坐标系下的牙曲面点云数据，该点云数据包括了牙曲面的基本几何信息，以及与牙托槽的方位、姿态、位置信息，并根据该点云数据生成修剪面片；

步骤5、从交互平台根据所选择的牙托槽模板类型，打开对应的prt文件，提取prt文件中的所有特征，即获得prt文件的参数列表，用户通过交互方式使用属性对话框对牙托槽模板的整体或者局部参数进行调整，在系统判断调整的参数合法的前提下，调用UG生成新的牙托槽模板的prt文件，实现对牙托槽模板的快速修改、快速生成和快速显示；

步骤6、一旦牙曲面点云数据与牙托槽模板类型确定下来后，通过贴合算法，利用牙曲面去修剪牙托槽模板的基底，使得通过修剪流程修剪的牙托槽基底能与牙曲面精准地匹配，最终生成牙托槽；

步骤7、将最终生成牙托槽导出为stl文件，进行后续的模型浏览或者模型打印。

所述的步骤1中采用参数化方式构建整个牙托槽模板，在块实体上设计牙托槽模板的各种成型特征，然后在块实体上通过键槽、拔模、孔、拉伸的方式构建目标实体，具体为：

(1)综合考虑到牙齿的形态及结构的稳定性，设置可在一定约束的范围内进行变化的块的长、宽、高参数；

(2)设置槽沟的深度及宽度参数，可根据水平弓丝的需求进行调整：

(3)设置拔模的角度；

(4)设置用以缠绕及固定水平弓丝的托槽翼U型槽的高度、深度和拐角；

(5)牙托槽基底的高度可以是固定的，为达到足够的贴合强度，要保证足够的贴合面积和基底高度；

(6)对锐利边缘设置边倒圆；

(7)对所有参数进行统一的关联设置，使得牙托槽模板实现整体尺寸控制。

所述的步骤3具体包括如下内容：

(1)通过交互式方法拾取牙齿模型上感兴趣的多个目标牙曲面；

(2)用鼠标选取一个窗口坐标W:(w_x,w_y)，通过光线求交算法与牙托槽模板相交获得的牙托槽模型顶点P:(u_x,u_y,u_z)；

(3)在获取牙托槽模板顶点P之后，采用基于knn的法向量估计算法估计该牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)，作为牙托槽模板坐标系的z轴；

(4)在估计完牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)后，牙托槽模板坐标系的y轴方向向量y_b(y_bx,y_by,y_bz)由世界坐标系的x轴方向向量x(x_x,x_y,x_z)与牙托槽模板坐标系的z轴方向向量n(n_x,n_y,n_z)进行叉积构成:y_b＝x×n；

(5)牙托槽模板坐标系的x轴的方向向量x_b(x_bx,x_by,x_bz)由牙托槽模板坐标系的y轴的方向向量y_b与z轴的方向向量n叉积构成:x_b＝y_b×n，由此构成了一个缺省的牙托槽坐标系；

(6)在建立牙托槽坐标系后，将牙曲面的数据转换到牙托槽坐标系下：

牙托槽坐标系在世界坐标系下的原点是P:(u_x,u_y,u_z)，其x、y、z轴的方向向量分别为x_b、y_b、n，牙齿曲面上的任意一个顶点在世界坐标系下的坐标t，经过变换后，在牙托槽坐标系下的坐标t_b可由下式求解：

本发明是通过交互式方法来实现牙托槽定位，通过三维拾取方法拾取多个牙曲面：先通过三维点拾取方法确定牙托槽在牙曲面上的位置，然后通过曲面法向量估计、PCA主成分分析算法初步确定牙托槽坐标系，再将曲面点云转换到牙托槽坐标系上。

为了简化牙托槽整体尺寸及局部结构的调整，本发明将所有重要的参数提取出来，形成牙托槽的参数化列表，通过交互式软件及属性选项对话框进行调整。

在此基础上并结合UG强大的二次开发功能，一种U型槽牙托槽客制化的成型方法，将牙曲面的提取、牙托槽在牙曲面的定位、牙托槽的参数调整整合在一个交互平台上，解决传统建模过程的平台切换、数据导入等问题，提升了建模的效率。

附图说明

图1(a)-图1(h)为基于UG的牙托槽模板建模过程示意图；

图2为本发明中齿面配合的示意图；

图3为本发明中拾取多个牙曲面的示意图；

图4为本发明中调整齿面贴合参数的交互界面示意图；

图5为本发明牙曲面修剪牙托槽模板的流程图；

图6(a)为本发明牙曲面示意图；

图6(b)本发明牙曲面的点云示意图；

图7(a)和(b)为本发明修剪生成的牙托槽示意图；

图8(a)和(b)为本发明使用普通3D打印机打印的牙托槽成品示意图。

具体实施方式

个性化的牙托槽生成主要涉及三个部分：牙托槽模板、牙托槽在牙曲面的位置及方位和牙托槽的参数。

本发明在实施例中给出一种U型槽牙托槽的结构及其参数表示方法，这种表示方法不仅仅是针对U型槽牙托槽，同时也适用于其它类型牙托槽的参数化表达。

如图7(a)7(b)所示，本发明的U型槽牙托槽，主要包括一托槽本体1，该托槽本体1上端表面设有用于弓丝穿过的槽沟2，该槽沟2呈唇颊向水平开口，便于弓丝顺畅地从唇颊面放入加力；该托槽本体1的两侧分别设置用于结扎固定弓丝的托槽翼3，该两托槽翼3为U型槽，分别在两托槽翼3位于托槽本体1上表面侧设置用于固定住弓丝的侧孔4，该托槽本体1下端为基底5，该基底5的下表面设有阵列式圆柱体6，该阵列式圆柱体6与齿面的接触面61与各牙齿的唇颊面形态相适配。

为了减少弓丝和牙托槽间的摩擦，槽沟中部设置约占槽沟1/3长呈下凹状的凹陷位，当弓丝固定时，该凹陷位不与弓丝接触，与弓丝的接触部分仅是槽沟两端。

如图5所示，本发明一种U型槽牙托槽客制化的成型方法，包括如下步骤：

步骤1、采用参数化方式构建整个牙托槽模板：

牙托槽有两种类别：其一是通过滑盖实现对弓丝固定的自锁托槽，其二是通过绕丝实现对弓丝固定的绕丝型托槽，通常包含三个基本组成部分：基底、槽沟、托槽翼。

基底(bracket base)：其形态设计主要为加强与牙面的粘接力，基底与齿面的接触面形状与各牙齿的唇颊面形状相适配，具有金属网格、圆柱阵列或刻蚀的底板，该基底通过粘合剂使牙托槽牢固地粘接于牙面上；

槽沟(bracket slot)：呈唇颊向水平开口，便于弓丝顺畅地从唇颊面放入加力；

托槽翼(bracket wing)：便于结扎固定弓丝，翼上可附拉钩供牵引用，按托槽翼形态可分为单翼、双翼和三翼。

本发明采用参数化方式构建整个牙托槽模板，在块实体上设计牙托槽模板的各种成型特征，如键槽，孔，阵列圆柱等，然后在块实体上通过键槽、拔模、孔、拉伸、阵列等方式构建目标实体：

(1)综合考虑到牙齿的形态及结构的稳定性，设置可在一定约束的范围内进行变化的块的长(base_L)宽(base_W)高(base_H)参数，如图1-a所示；

(2)设置槽沟的深度(rectslot_hrate)及宽度(rectslot_wrate)参数，可根据水平弓丝的需求进行调整：

由于正畸弓丝种类很多，从弓丝横截面形状分：有圆丝(横截面为圆形)、方丝(横截面为长方形或正方形)、麻花丝(由多股弓丝拧在一起合成，像麻花一样)，从弓丝横截面直径分：有0.012，0.014，0.016，0.018，0.020，(以后是方丝)0.016*0.016，0.017*0.022，0.017*0.025，0.018*0.025，0.019*0.025，0.0215*0.028。(单位：英寸)，不同的弓丝对于槽沟的深度及宽度要求是不同的，因而，这部分参数是可调的。

本实施例以方丝弓丝为例设计槽沟，如图1-b；由于槽沟是用来固定弓丝的，宽度可以进行修改(一般要在400μm以上)，为了减少弓丝和托槽间的摩擦，槽沟中部设置约占槽沟长1/3呈下凹状的凹陷位，当弓丝固定时，该凹陷位不与弓丝接触，与弓丝的接触部分仅是槽沟两端；

(3)设置拔模的角度draft_angle：

拔模的主要目的是形成一个上下缓变的受力，通常而言，拔模的角度在3°～8°之间，如图1-c所示；

(4)设置用以缠绕及固定水平弓丝的托槽翼U型槽的高度(uslot_drate)，深度(uslot_wrate)，拐角(uslot_rrate)，如图1-d所示；

(5)设置用于更好地固定住弓丝的托槽翼的两侧孔的直径(simhole_rrate)及深度(simhole_drate)，如图1-e所示；

(6)牙托槽基底面设有阵列式圆柱体，设置基底的深度(chassis_depth)，壁宽(chassis_limit)，圆柱体的高度(cylinder_h)，圆柱体的直径(cylinder_radius)，使得该阵列式圆柱体与齿面的接触面与各牙齿的唇颊面形态相适配，如图1-f所示；

牙托槽基底的高度可以是固定的，但可能考虑齿面的不平整性和斜度问题，为了达到足够的贴合强度，要保证足够的贴合面积和基底高度。该基底面的形状一般为矩形，亦可预设如椭圆等形状，可以针对不同的齿面需要修改矩形的长和宽。

(7)设置边倒圆，对锐利边缘进行边倒角以提升其柔和度，如图1-g，1-h所示；

(8)牙托槽模板整体尺寸控制：

对所有参数进行统一的关联设置，使得牙托槽模板实现整体尺寸控制，例如，托槽体上半部分高度调整时，同时槽沟深度也会随机发生改变；

步骤2、通过UG的prt工程文件表示各种类型的牙托槽模板，并存储在交互平台中；

步骤3、通过交互式方法确定牙托槽位置

齿面配合是本发明的重要组成部分，关系着牙托槽在齿面上的定位精准度及结构生成。牙托槽在牙面上能够进行倾斜、旋转，同时可以调整其高度位置，如图2所示。

从交互平台获取患者牙齿的CT扫描文件并转换为STL文件，通过在三维软件环境打开STL文件所对应的牙齿模型并拾取目标的牙曲面，随后使用鼠标选取牙曲面上的一个点作为缺省的牙托槽模板的原点，并在这个原点上建立牙托槽坐标系，进而将牙曲面的坐标转换到牙托槽坐标系上，具体包括如下步骤：

(1)通过交互式方法拾取牙齿模型上感兴趣的多个目标牙曲面，如图3所示；

(2)在二维屏幕上用鼠标选取一个窗口坐标W:(w_x,w_y)，通过光线求交算法与牙托槽模板相交获得的牙托槽模型顶点P:(u_x,u_y,u_z)；

(3)在获取牙托槽模板顶点P之后，采用基于knn的法向量估计算法估计该牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)，作为牙托槽模板坐标系的z轴：

首先选取牙托槽模板顶点P，基于欧式距离的k(k>＝3)个顶点Q₁,Q₂…Q_k,其坐标分别为(v_x1,v_y1,v_z1),(v_x2,v_y2,v_z2)…(v_xk,v_yk,v_zk)，法向量n与

的点积平方和应该最小，即

使用least square算法直接求取；

(4)在估计完牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)后，牙托槽模板坐标系的y轴方向向量y_b(y_bx,y_by,y_bz)由世界坐标系的x轴方向向量x(x_x,x_y,x_z)与牙托槽模板坐标系的z轴方向向量n(n_x,n_y,n_z)进行叉积构成:y_b＝x×n；

(5)牙托槽模板坐标系的x轴的方向向量x_b(x_bx,x_by,x_bz)由牙托槽模板坐标系的y轴的方向向量y_b与z轴的方向向量n叉积构成:x_b＝y_b×n，由此构成了一个缺省的牙托槽坐标系；

(6)在建立牙托槽坐标系后，将牙曲面的数据转换到牙托槽坐标系下：

牙托槽坐标系在世界坐标系下的原点是P:(u_x,u_y,u_z)，其x、y、z轴的方向向量分别为x_b、y_b、n，牙齿曲面上的任意一个顶点在世界坐标系下的坐标t，经过变换后，在牙托槽坐标系下的坐标t_b可由下式求解：

假如要对牙托槽坐标系与牙曲面的各项参数进行调整，可以使用交互球及方位控件进行调整，如图4所示。

步骤4、牙曲面的坐标转换完成后，提取用户在牙托槽坐标系下的牙曲面点云数据，该点云数据包括了牙曲面的基本几何信息，以及与牙托槽的方位、姿态、位置信息，并根据该点云数据生成修剪面片，如图6所示；

步骤5、从交互平台根据所选择的牙托槽模板类型，打开对应的prt文件，提取prt文件中的所有特征，即获得prt文件的参数列表，用户通过交互方式使用属性对话框对牙托槽模板的整体或者局部参数进行调整，如图4所示，在系统判断调整的参数合法的前提下，调用UG生成新的牙托槽模板的prt文件，实现对牙托槽模板的快速修改、快速生成和快速显示；

步骤6、一旦牙曲面点云数据与牙托槽模板类型确定下来后，通过贴合算法，利用牙曲面去修剪牙托槽模板的基底，使得通过修剪流程修剪的牙托槽基底能与牙曲面精准地匹配，最终生成牙托槽，如图7所示；

该贴合算法的基本流程：

1)将牙曲面点云数据转换为片体，生成修剪面片；

2)生成牙托槽模板基底阵列圆柱体；

3)通过模型布尔运算实现修剪。

步骤7、将最终生成牙托槽导出为stl文件，进行后续的模型浏览或者模型打印，如图8所示，为通过普通3D打印机打印出的真实模型。

上述prt文件中的参数设定及提取是一个重点。对于每一个参数，用“tag:标识,Name:名称,Equation:表达式,Val:值,units:单位,type:类别,Desc:描述,lhs:表达式左式,rhs表达式右式”对其进行描述及区分，从而可通过更改其中的若干个参数值进而改变整个托槽模板的生成。

传统托槽生成需要预先确定牙托槽在牙齿曲面的位置，一旦确定很难调整。此外，托牙槽整体尺寸及局部结构需要通过软件内置的表达式模块进行调整，参数多且分散，查找不方便，过程繁琐。

本发明是通过交互式方法来实现牙托槽定位，通过三维拾取方法拾取多个牙曲面：先通过三维点拾取方法确定托槽在牙曲面上的位置，然后通过曲面法向量估计、PCA主成分分析算法初步确定牙托槽坐标系，再将曲面点云转换到牙托槽坐标系上。

为了简化牙托槽整体尺寸及局部结构的调整，本发明将所有重要的参数提取出来，形成牙托槽的参数化列表，通过交互式控件及属性选项对话框进行调整。

在此基础上并结合UG强大的二次开发功能，本发明将牙曲面的提取、牙托槽在牙曲面的定位、牙托槽的参数调整整合在一个交互平台上，解决传统建模过程的平台切换、数据导入等问题，提升了建模的效率。

以上所述，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种U型槽牙托槽的客制化成形方法，其特征在于：U型槽牙托槽，主要包括一托槽本体，该托槽本体上端表面设有用于弓丝穿过的槽沟，该槽沟呈唇颊向水平开口，便于弓丝顺畅地从唇颊面放入加力；该托槽本体的两侧分别设置用于结扎固定弓丝的托槽翼，该两托槽翼为U型槽，该托槽本体下端为基底，该基底与齿面的接触面与各牙齿的唇颊面形态相适配；其客制化成形方法包括如下步骤：

步骤1、采用参数化方式构建整个牙托槽模板：

在块实体上设计牙托槽模板的各种成型特征，然后在块实体上通过键槽、拔模、孔、拉伸的方式构建目标实体；

步骤2、通过UG的prt工程文件表示各种类型的牙托槽模板，并存储在交互平台中；

步骤3、通过交互式方法确定牙托槽位置

从交互平台获取患者牙齿的CT扫描文件并转换为STL文件，通过在三维软件环境打开STL文件所对应的牙齿模型并拾取目标的牙曲面，随后使用鼠标选取牙曲面上的一个点作为缺省的牙托槽模板的原点，并在这个原点上建立牙托槽坐标系，进而将牙曲面的坐标转换到牙托槽坐标系上；

步骤4、牙曲面的坐标转换完成后，提取用户在牙托槽坐标系下的牙曲面点云数据，该点云数据包括了牙曲面的基本几何信息，以及与牙托槽的方位、姿态、位置信息，并根据该点云数据生成修剪面片；

步骤5、从交互平台根据所选择的牙托槽模板类型，打开对应的prt文件，提取prt文件中的所有特征，即获得prt文件的参数列表，用户通过交互方式使用属性对话框对牙托槽模板的整体或者局部参数进行调整，在系统判断调整的参数合法的前提下，调用UG生成新的牙托槽模板的prt文件，实现对牙托槽模板的快速修改、快速生成和快速显示；

步骤6、一旦牙曲面点云数据与牙托槽模板类型确定下来后，通过贴合算法，利用牙曲面去修剪牙托槽模板的基底，使得通过修剪流程修剪的牙托槽基底能与牙曲面精准地匹配，最终生成牙托槽；

步骤7、将最终生成牙托槽导出为stl文件，进行后续的模型浏览或者模型打印。

2.根据权利要求1所述的一种U型槽牙托槽的客制化成形方法，其特征在于，所述的步骤1中采用参数化方式构建整个牙托槽模板，在块实体上设计牙托槽模板的各种成型特征，然后在块实体上通过键槽、拔模、孔、拉伸的方式构建目标实体，具体为：

(1)综合考虑到牙齿的形态及结构的稳定性，设置可在一定约束的范围内进行变化的块的长、宽、高参数；

(2)设置槽沟的深度及宽度参数，可根据水平弓丝的需求进行调整：

(3)设置拔模的角度；

(4)设置用以缠绕及固定水平弓丝的托槽翼U型槽的高度、深度和拐角；

(5)牙托槽基底的高度可以是固定的，为达到足够的贴合强度，要保证足够的贴合面积和基底高度；

(6)对锐利边缘设置边倒圆；

(7)对所有参数进行统一的关联设置，使得牙托槽模板实现整体尺寸控制。

3.根据权利要求1所述的一种U型槽牙托槽的客制化成形方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括如下内容：

(1)通过交互式方法拾取牙齿模型上感兴趣的多个目标牙曲面；

(2)用鼠标选取一个窗口坐标W:(w_x,w_y)，通过光线求交算法与牙托槽模板相交获得的牙托槽模型顶点P:(u_x,u_y,u_z)；

(3)在获取牙托槽模板顶点P之后，采用基于knn的法向量估计算法估计该牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)，作为牙托槽模板坐标系的z轴；

(4)在估计完牙托槽模板顶点的法向量n(n_x,n_y,n_z)后，牙托槽模板坐标系的y轴方向向量y_b(y_bx,y_by,y_bz)由世界坐标系的x轴方向向量x(x_x,x_y,x_z)与牙托槽模板坐标系的z轴方向向量n(n_x,n_y,n_z)进行叉积构成:y_b＝x×n；

(5)牙托槽模板坐标系的x轴的方向向量x_b(x_bx,x_by,x_bz)由牙托槽模板坐标系的y轴的方向向量y_b与z轴的方向向量n叉积构成:x_b＝y_b×n，由此构成了一个缺省的牙托槽坐标系；

(6)在建立牙托槽坐标系后，将牙曲面的数据转换到牙托槽坐标系下：

牙托槽坐标系在世界坐标系下的原点是P:(u_x,u_y,u_z)，其x、y、z轴的方向向量分别为x_b、y_b、n，牙齿曲面上的任意一个顶点在世界坐标系下的坐标t，经过变换后，在牙托槽坐标系下的坐标t_b可由下式求解：

Images