(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210640228.1 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 北京大学口腔医学院 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 22号 (72)发明人 毛渤淳　李晶　田雅婧　周彦恒　 (74)专利代理 机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 专利代理师 刘小彬 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) A61C 7/00(2006.01) A61C 7/08(2006.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 无托槽隐形矫治器模型的设计、 验证分析、 优化方法 (57)摘要 本发明公开了无托槽隐形矫治器模型的设 计、 验证分析、 优化方法， 属于口腔正畸技术领 域。 本发明的设计方法采用降温法模拟、 调整局 部矫治器模 型的热膨胀变形， 约束形变方向及大 小， 实现矫治器模型的设计形变。 本发明的分析 验证方法包括基于计算机三维有 限元分析的正 畸矫治力下成骨破骨生物学效应的迭代模拟； 矫 治器的戴入模拟； 读取仿真模拟结果， 分析验证。 本发明的优化方法基于上述仿真结果进行优化 设计。 本发明创造性地采用加载预应力的 “降温 法”， 以实现矫治器的模 型形变模拟， 并能结合实 际临床矫治时间的牙周膜生物学效应有 限元仿 真。 本发明实施现了隐形矫治器模 型分步设计的 分析验证， 并根据分析验证结果进行优化。 权利要求书3页 说明书10页 附图1页 CN 115204001 A 2022.10.18 CN 115204001 A 1.一种无托槽隐形矫治器模型的设计方法， 其特征在于， 无托槽隐形矫治器数字化模 型设计中， 采用降温法以模拟、 调整局部矫治器模型的热膨胀变形， 约束形变方向及大小， 实现矫治器模型的设计形变。 2.根据权利要求1所述的一种无托槽隐形矫治器模型的设计方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 步骤1、 设计矫治器模型： 根据矫治患者临床资料、 矫正目标， 采用计算机设计多个阶段 的矫治器模型； 步骤2、 在设计好的矫治器模型 上确定矫治器形变部位； 步骤3、 基于步骤1矫治器模型设计中每阶段的各牙冠的初始位置和矫治器的膨胀特 性， 控制矫治器形变部位改变的温度， 利用仿真计算手段获得矫治器模型设计中每阶段牙 列中每颗牙冠的位移或/和旋转； 步骤4、 将矫治器模型设计中每个阶段中每颗矫治器牙冠部分与牙冠连接部分相连接 为一整体， 并再次网格化， 输出为 三维模型 数据。 3.根据权利要求2所述的一种无托槽隐形矫治器模型的设计方法， 其特征在于， 所述步 骤2中确定矫治器形变部位的具体操作为： 在步骤1设计好的矫治器模型的合平面视图上， 确定每颗牙牙冠几何形态中点； 将相邻两个牙冠几何形态中点Ci、 Cj相连获得连线Li， Li与 此两颗牙冠边缘相交点Pi、 Pj， 并获得Pi、 Pj中点Pc； 以Pc为中心， Li为方 向， 分别选择前后 一定距离的矫治器进行分割获得两 颗牙冠连接处的矫治器模型。 4.根据权利要求2所述的一种无托槽隐形矫治器模型的设计方法， 其特征在于， 所述步 骤3中所述位移包括： 沿近远中方向移动的位移、 颊舌向移动的位移、 龈 向移动的位移； 所 述旋转包括： 牙齿扭转 运动量、 牙齿转矩运动量、 牙齿倾 斜运动量； 优选地， 通过近远中方向移动的位移控制矫治器形变的计算公式为： Uy1＝k(d1+∑Δ1)t    (1) 其中， Uy1为近远中方向每个阶段初始预制的矫治器变形量； k为矫治器线膨胀系数； Δ1 为近远中方向历史增加宽度； d1为近远中方向形变部位宽度； t为温度变化数值； 根据施加 温度后变形 结果， 在近远中方向构建矫治器模型； 优选地， 获取颊舌向移动的位移 的步骤包括： 将目标牙对应的矫治器部分自动移动至 设计位置， 依据形变部位两端的预置控制点， 即矫治器形变部位与牙齿部分交接处的各网 格节点， 完成形变部位的变形， 达 到形变部位 矫治器厚度不变的效果； 优选地， 获取龈 向移动的位移的步骤包括： 将目标牙对应的矫治器部 分自动移动至 设 计位置， 依据形变部位两端的预置控制点(即矫治器形变部位与牙齿部分交接处的各网格 节点)完成形变部位的变形， 达 到形变部位 矫治器厚度不变的效果； 优选地， 获取牙齿扭转 运动量包括以下步骤： 控制调整区在高度方向上的力矩平衡， 降低牙齿的扭转， 以调整区域下部为支撑点， 增 加或者减少上部区域温度， 并设置竖向的温度梯度， 达到牙齿 无旋转或者少量旋转的移动， 根据调整区上部高度分层设置温度载荷， 下部保持 温度相同； 在XY平面内， 以中心点通过减少和增加楔形尺寸来达到分别收缩和拉伸调整区域的目 的； 在横向方向， 将矫治器划 分为n个区域， 形成n个面积为Aspring的弹簧单元， 每个弹簧单权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115204001 A 2元根据初始缩短量Δ0和楔形载荷系数k确定空泡沿中心线方向切割量， 切割缺牙间隙空 泡， 形成几何层面的断开区域， 并建立从 中心点到边缘作为模 型的弹簧单元， 每个弹簧单元 内缩力根据切割长度采用如下公式计算： Fspring为弹簧单元内缩力， Δ0为初始缩短量， hspring为弹簧单元距离 中心线垂向高度， E 为矫治器弹性模量， Aspring为弹簧单 元横截面积； 根据预设的牙齿扭转 运动量及公式(2)确定矫治器尺寸； 优选地， 所述XY平面是 搭建全牙列的坐标系中X轴和Y轴形成的平面； 优选地， 实现设计的牙齿转矩运动量的矫治器模型设计步骤 包括： 通过预制牙冠侧移距离， 减去调整区域刚度造成的旋转变形， 得到牙冠区域真实旋转 角度； 预制角度公式如下 其中Θy预置为预置旋转角度， Uy为预置牙冠侧移 距离， h为牙齿典型位置高度； Θy＝Θy预置‑Θy变 形    (4) 其中， Θy是真实旋转角度， Θy预置为预置旋转角度， Θy变 形为特征位置变形角度； 根据所述预置旋转角度， 以调整区域近固定端边界开始并设置为0， 以调整区域近移动 端边界为最大旋转角度， 即预置角度， 同时移动端处牙冠也取此最大数值， 建立矫治器几何 网格变形曲线， 利用线性变形曲线在调整区域和移动端矫治器龈 向构建矫治器模型； 优选地， 获取牙齿倾 斜运动量的步骤 包括： 通过增加或者减少Y方向长度调整区长度， 控制预置角度θ； 控制矫治器形变的计算公 式为： Uy2＝k(d2+∑Δ2)t    (5) θ ＝atan(Uy2/h)    (6) 其中， Uy2为Y方向每个阶段初始预制的矫治器变形量； k为矫治器线膨胀系数； Δ2为Y方 向历史增加宽度； d2为Y方向形变部位宽度； t为温度变化数值； θ为预置角度， h为牙齿典型 位置高度； 根据上述预置角度， 以调整区域近固定端边界开始并设置为0， 以调整区域近移动端边 界为最大旋转角度(即预置角度)， 同时移动端处牙冠也取此最大数值， 建立矫治器几何网 格变形曲线， 利用线性变形曲线在调整区域和移动端矫治器龈 向构建矫治器模型。 5.权利要求1 ‑4任意一项所述方法设计的无托槽隐形矫治器模型的分析验证方法， 其 特征在于， 包括以下步骤： S1.基于计算机三维有限元分析的正畸矫治力下成骨破骨生物学效应的迭代模拟； S2.矫治器的戴入 模拟； S3.读取仿真模拟结果， 分析验证矫治分步设计的效率及矫治结果。 6.根据权利要求5所述的分析验证方法， 其特征在于， 所述S1的具体操作包括： 仿真模 拟第i个阶段的矫治器戴入相应i阶段的牙列后， 待计算收敛后， 获得新的牙齿位置， 即ib的 牙列， 依据预 先设计的每副矫治器佩戴时间， 决定计算迭代次数， 再迭代模拟计算。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115204001 A 3