用于对患者的处于矫正颌间关系的下颌弓和上颌弓的模型进行动画处理的方法

技术领域

本发明属于牙科领域。更确切地说，本发明涉及一种用于对患者的处于矫正颌间关系的下颌弓和上颌弓的模型进行动画处理的方法。

背景技术

咬合垂直距离(通常称为VDO)是个体面部的重要尺寸，无论是美学上(比例协调)还是功能上(与颞下颌功能相关联的舒适度)。

咬合垂直距离通常被定义为面部的下部分的高度，或者更简单地说，在咬合阶段期间鼻下点与颌下点之间的距离。传统上，鼻下点被定义为鼻前棘，而颌下点是下巴突起的最倾斜部分的最前点。

在牙科中，有时需要增加患者的咬合垂直距离。这种增加可能是由于患者已经失去了他或她原有的咬合垂直距离，例如由于牙齿的化学或机械侵蚀。咬合垂直距离增加的另一个指示可以是治疗处置的实施，这要求充足空间来放置假体或正畸器具。

增加咬合垂直距离需要改变下颌相对于上颌的位置(也称为颌间关系(IMR))，这在牙弓相遇的区域产生改变。依据增加的程度，下颌可能只在垂直方向上移动，也可能在前后方向上移动。

为了确保这种新的颌间关系对患者来说是舒适和相关的，从业者必须使用机械或虚拟咬合架利用下颌弓和上颌弓的三维物理或数字模型来模拟应用于牙弓的运动。选择新的下颌位置是通过在口腔中记录在蜡片上或通过注射化学凝固材料来进行的。当下颌仅垂直移动时，通过移动切牙杆T可以直接在咬合架上进行改变，使得下颌弓MD的模型与上颌弓MX的模型间隔开一定距离，该距离等于期望的咬合垂直距离的增加(见图1A和1B)。然而，推荐使用面弓，以便相对于下颌的旋转轴线来定位模型，使得牙弓间距尽可能接近现实。

然而，这种咬合架提供了不精确的模拟，因为所应用的运动学是近似的，并且不对应于患者的真实下颌运动学(也称为真实功能)。

发明内容

本发明的一个目的是克服已知技术的缺点，并提供一种用于对患者的处于矫正颌间关系的下颌弓和上颌弓的模型进行动画处理的方法。

为此，本发明提供了一种用于对患者的处于矫正颌间关系的下颌弓和上颌弓的模型进行动画处理的方法，包括：

-提供患者的下颌弓和上颌弓的三维数字模型，

-提供患者的下颌运动学记录，所述记录包含患者的下颌相对于上颌的多个相对位置，

-从所述位置中挑选患者的下颌相对于上颌的参考位置，

-确定下颌相对于上颌的目标位置，所述目标位置定义了患者的矫正颌间关系，

-确定参考位置(X)与目标位置之间的刚性变换，

-将所述刚性变换应用于(i)患者的下颌运动学记录，以用应用所述刚性变换产生的记录对下颌弓和上颌弓的三维数字模型进行动画处理，或者(ii)下颌的三维数字模型，所提供的下颌运动学记录被应用于应用所述刚性变换产生的下颌和上颌的三维数字模型以对所述模型进行动画处理。

由于参考位置存在于下颌运动学记录中，所以下颌运动学数据隶属于该参考位置。本发明允许将所述数据转置到另一个所谓的目标位置。

根据一个实施例，参考位置是在矫正颌间关系之前的患者的参考咬合位置。

根据一个实施例，患者的下颌运动学记录描述了与下颌一体的标记件的轨迹，并且刚性变换是从标记件在参考位置中的位置切换到标记件在目标位置中的位置的变换。

目标位置可以由用户在下颌运动学记录中从下颌相对于上颌的一组相对位置中选择。

替代地，该方法包括自动地预挑选下颌相对于上颌的一组相对位置，所述一组位置选择为使得该组中的每个位置在确定的范围内定义咬合垂直距离。

有利地，所述预挑选可以根据先前提供的临床准则进行。

在其他实施例中，目标位置不是存在于下颌运动学记录中的一组位置的一部分，而是可以被模拟的。为此，该方法有利地包括确定下颌的旋转轴线，以及创建下颌沿着旋转路径朝向增加或减少咬合垂直距离的虚拟位置，目标位置选自所述虚拟位置。

在一些实施例中，目标位置选择为使得咬合垂直距离(VDO)增加的值小于所选择的阈值，从而不会造成下颌髁突的旋转轴线相对于患者的颞窝的移位。

优选地，目标位置选择为使得在切牙冠端处定义的咬合垂直距离相对于由患者的参考咬合位置定义的咬合垂直距离的增加小于20mm。

在其他实施例中，目标位置选择为使得咬合垂直距离(VDO)减少。

在对下颌弓和上颌弓的模型进行动画处理时，处于矫正颌间关系的下颌相对于上颌的参考咬合位置成为目标位置。

附图说明

参考附图，从以下详细描述中，本发明进一步的特征和优点将变得显而易见，其中：

图1A示出了在增加咬合垂直距离之前的生理咬合架；

图1B示出了在增加咬合垂直距离之后图1A的生理咬合架；

图2A示出了在矫正颌间关系之前患者的下颌运动学记录；

图2B示出了定义处于矫正颌间关系的下颌的目标位置的帧的选择；

图2C示出了在矫正颌间关系之后患者的下颌运动学记录的应用；

图3示意性地阐述了根据咬合垂直距离的增加导致的开口的下颌运动；

图4示出了针对功能正常周期和功能障碍周期在切牙冠端处记录的不同咀嚼模式。

具体实施方式

下面描述的方法是计算机实施的。

用于实施该方法的系统包括：

-包含处理器的计算机，用于接收先前获得的数据，尤其是患者的下颌弓和上颌弓的数字模型以及患者的下颌运动学记录，并且用于运行动画和建模算法，以及

-用于显示在该方法期间实施的各个步骤的屏幕，用户界面允许从业者输入处置参数并查看矫正前后的下颌运动学。

在实施该方法之前，以已知的和可再现的啮合关系扫描牙弓。可以用于该目的的工具是口内光学印模相机。使用这种相机来扫描一个牙弓，然后扫描另一个牙弓，以及啮合牙齿的前庭(侧面)印模，以了解一个牙弓相对于另一个牙弓的位置。该操作本身是已知的，并且不是本发明的一部分。

另一种方法可以包括使用桌面扫描仪。这种方法是一个接一个地从物理化学印模扫描石膏模型，然后在啮合位置扫描。

其他方法也是可以考虑的，例如牙弓的石膏模型或硅树脂印模的射线照相锥束扫描。

本发明实际上可以用通过商业上可获得的数字化技术生成的牙弓的任何三维数字模型来实现。这些数字化操作的结果是上颌弓和下颌弓的表面网格。每个网格都在数字化设备的正交参考系中定义。

记录下颌运动学的目的是提供关于下颌在空间中如何运动的信息，并且利用这种运动学对牙弓的三维模型进行动画处理，以便指导假牙或其他矫正装置(正畸器具、夹板，...)的设计。

这种记录以及牙弓模型相对于患者的参考平面或参考轴线的重置的一个实施例，已经在文献WO 2013/030511中描述，并且可以在本发明中实施，然而本发明不限于该文献中描述的技术。

一般来说，记录下颌运动学是通过给患者配备与患者的前额(或者面部上的与上颌一体的任何其他位置)一体的至少一个标记件以及与下颌弓一体的至少一个标记件(通过经由支撑件附接到下颌或者通过直接附接到牙齿)，并且通过在患者的下颌运动期间利用相机定位和记录所述标记件的运动来实现的。

依据相机技术，标记件可以是二极管、黑白或彩色测试图案，或者球体、凸面或其他反射物体。通过相机来跟踪下颌中的标记件相对于前额中的标记件的运动。刚性变换能够推导出下颌弓的模型相对于上颌弓的模型的运动。

通过实施如文献WO 2016/062962中描述的面部识别技术，可以省去正面标记件。该技术实际上允许从立体图像确定患者的参考点和参考平面，相对于这些参考点和参考平面跟踪下颌标记件的运动。

本发明不限于用于获取下颌运动学的任何特定技术。例如，下颌相对于上颌的运动可以通过与下巴一体的加速度计或惯性单元来记录。

下颌运动学的记录包括在患者进行运动(例如咀嚼)期间下颌骨相对于上颌骨的多个连续位置。

记录是数字文件的形式，该数字文件包含多个帧，每个帧对应于下颌骨和上颌骨的相对位置。

特别地，该数字文件包含对应于患者的参考位置(例如，但不限于参考咬合位置)的帧。下颌运动学数据就隶属于该参考位置。

在一些实施例中，该数字文件可以进一步包含对应于目标位置的帧，该目标位置旨在在实施矫正之后成为患者的新参考位置。

在其他实施例中，尤其是如果下颌运动学记录的帧均不对应于适合从业者的目标位置，则从业者可以模拟目标位置。为此，利用下颌运动学记录，一种算法可以确定下颌相对于上颌的关节轴线。该轴线通常穿过髁突。然后，从业者可以模拟下颌弓的数字模型围绕该轴线的旋转，以确定下颌相对于上颌的优选位置。该优选位置被选为目标位置。可以创建一个或多个帧来表示下颌沿着旋转路径朝向开口或减少咬合垂直距离的虚拟位置。在实践中，这些附加的帧是通过将围绕先前确定的髁突的旋转轴线的刚性仅旋转变换应用到所记录的帧的三维模型来创建的。这些附加的帧被添加到实际记录的下颌运动学的帧中。然后，目标位置可以是从业者从附加的帧中选择的第二帧。

图2A至2C分别示出了在矫正颌间关系之前(图2A)和之后(图2C)患者的下颌运动学记录。

用户可以在屏幕上显示该记录，并且根据需要播放多次。为此，他/她具有用户界面，该用户界面设有显示区以查看下颌弓MD和上颌弓MX的运动，并且设有用于从一个帧切换到另一个帧和用于输出特定帧的按钮。

用户挑选对应于患者的参考位置的第一帧X。

根据一个实施例，参考位置通常是下颌运动学记录的第一帧的位置。一般来说，患者应该在咬紧牙齿的情况下开始记录，这对应于牙弓的数字模型的啮合位置，即所谓的参考咬合位置。

根据另一实施例，可能需要从业者在记录下颌运动学时放置咬合间装置(例如夹板)，以引导下颌运动并找到下颌相对于上颌的特定位置，而不是初始啮合位置。

本领域技术人员可能会定义其他准则来定义参考位置。

例如，图2A示出了在所述参考位置的下颌弓MD。下颌运动学以曲线C1表示，该曲线示出了患者在切牙冠端处的咀嚼模式。

用户另外挑选对应于目标位置的第二帧Y，该目标位置旨在成为患者的新参考位置(见图2B)。该目标位置与矫正的颌间关系相关联，例如对应于相对于患者的初始咬合垂直距离增加或减少的咬合垂直距离。

用户可以从构成记录的所有帧中挑选第二帧Y。这利用用户的技术专长来进行以确定适合患者的咬合垂直距离增加或减少的幅度。这种挑选是通过选择可重复运动在开闭路径上进行的。这种运动可以由患者自己产生，或者由操纵患者下颌的从业者引导，以感受终末轴向运动并验证恢复咬合总是发生在相同的牙弓间交汇点处。

替代地，用于处理下颌运动学记录的算法可以预挑选一组帧，以便将用户的选择限制在有限数量的帧，其中每个帧对应于确定范围内的咬合垂直距离。为此可以使用“人工智能”类型的算法。这种预挑选有利地基于先前输入到算法中的临床准则。

例如，可以参考

基于这些规则，当从业者试图确定新的下颌位置时，软件可以提供下颌的情况，使得第一磨牙间隔3mm，这是用于制作抗性假体的最小空间。在旋转路径上，一旦达到该空间，软件就使下颌停止。

替代地，借助某些角度的计算，轮廓射线照片上的头影测量描图可以用于确定下颌在矢状平面中的目标位置。导入软件中的轮廓射线照片叠加在3D模型上。头影测量分析的结果表明下颌在预先记录的运动路径中的位置。

根据另一实施例，在某些临床情况下，吞咽运动允许选择咬合垂直距离，尤其是对于无牙患者。事实上，下颌停留在最高的位置，这是软件可以向从业者建议的位置。

如上所示，目标位置可以不被选择为下颌运动学记录的帧，但是可以被模拟。

一般来说，最好将咬合垂直距离的增加限制在某个阈值以下。事实上，下颌运动由患者的牙齿、颞下颌关节和神经肌肉活动引导。如图3所示，只要咬合垂直距离的增加小于所述阈值(从I到II的开口)，髁突的旋转轴线就保持在颞窝中，并且关节的肌肉保持在其弹性范围内；在这种情况下，只有齿列的改变可能会改变下颌运动。另一方面，如果咬合垂直距离的增加大于阈值(II至III的开口)，下颌在水平平面中的平移、牙齿引导的抑制和肌肉活动的修改也会发生；在这种情况下，下颌运动的包络被修改，这是期望避免的。

在实践中，优选地选择目标位置，使得定义在切牙冠端处的咬合垂直距离相对于由患者的初始参考咬合位置定义的咬合垂直距离的增加小于20mm，从而不移动髁突的旋转轴线。

在某些情况下，从业者可能相反地面临需要减少患者的咬合垂直距离。例如，当矫正过早时，也就是说，由于病理原因在下颌旋转期间过早地发生接触，就是这种情况。例如，过早可能是由牙齿相对于其所属的牙弓过于突出造成的。然而，下颌运动学可能是正确的。目标位置可以通过模拟突出牙齿的磨损和模拟产生的下巴闭合来确定。

另一个示例涉及这样的情况，其中患者配备有夹板，作为神经肌肉修复治疗的一部分，该夹板防止或至少减少下颌的不规则运动；这种夹板在其覆盖的牙弓中产生额外的厚度，并且相对于患者没有佩戴夹板的治疗后情况，可能增加了咬合垂直距离。在这种情况下，佩戴夹板产生的下颌运动学是从业者感兴趣的。

在使用夹板的情况下，有不同的处理方法。

根据一个实施例，在夹板在下颌或上颌上就位并且处于夹板上的咬合位置的情况下，扫描牙弓。参考位置(由第一帧X标记)对应于这种情况。目标位置可以存在于下颌运动学记录中或者可以被模拟。如果下颌运动学记录从夹板就位开始，然后从业者在记录时从患者的口中取出夹板，则目标位置可以存在，并且患者移动到或被引导到目标位置(如第二帧Y所示)。通过在下颌围绕其轴线旋转期间沿着下颌的模拟路径选择目标位置，可以模拟目标位置。

根据另一实施例，在没有夹板并且处于牙齿啮合位置的情况下扫描牙弓。在开始下颌运动学记录时，第一帧是所扫描的牙弓的咬合位置，然后，在同一记录期间，夹板被放置在两个牙弓中的一个上，并且进行下颌运动练习。参考位置对应于夹板就位时的帧(待转置的运动学是患者与夹板接触时的运动学)。从业者通过计算验证这一点，并且还挑选下颌运动学的隶属于他/她将转置到目标位置的该新参考位置的一部分。在屏幕上，可以看到两个牙弓模型在移动，他们之间有一空间。然后从记录或模拟中选择目标位置作为一帧。如果选择了目标位置，它可以是记录的第一帧，或者是对应于记录的夹板未就位时的部分的另一帧的另一位置。上面已经描述了目标位置的模拟。

一旦选择了帧X和帧Y，算法就计算从帧X到帧Y的刚性变换。

可以使用不同的方法来计算这种刚性变换。根据一优选实施例，这种计算基于在记录下颌运动学时与下颌和上颌一体的标记件的轨迹。刚性变换是从标记件在帧X中的位置切换到所述标记件在帧Y中的位置的变换。例如，如果MD相对于MX在帧X(对应的帧Y)中的位置由矩阵Tx(对应的Ty)表示，则MD从帧X到帧Y的刚性变换由矩阵(Ty)

当然，本领域技术人员可以依据可用的记录使用其他方法来计算刚性变换。

参考图2C，一算法将先前计算的刚性变换(曲线C2)应用于所记录的下颌运动学。然后，用运动学C2对下颌弓和上颌弓的模型进行动画。

替代地，一算法将刚性变换应用于下颌弓模型，并且用最初记录的患者的下颌运动学对已经经历所述刚性变换的牙弓模型进行动画处理。

本领域技术人员可以根据实施该方法所面临的可能的计算和数学约束来选择这些动画方法中的任一种。

有利地，从业者在实施该方法的其余部分之前，尤其是在将这种运动学转置到矫正的颌间关系之前，检查患者的下颌运动学是功能正常的还是功能障碍的。为此，他/她可以追踪咀嚼模式，并将这种模式与被识别为功能正常或功能障碍的模式类型进行比较。图4在左手侧示出了针对功能正常周期(顶部的三个周期)和功能障碍周期(底部的四个周期)在切牙冠端处的理论咀嚼模式。图4的右手侧示出了被认为是功能正常的临床模式。当然，本领域技术人员可以追踪在切牙冠端之外的点(例如髁突)处记录的咀嚼模式。上述方法仅在患者的下颌运动学为功能正常时实施。在患者的下颌运动学为功能障碍的情况下，从业者会转向其他工具，例如咬合架。

刚刚描述的方法可以在正畸、假牙放置或颌面手术中找到应用。

例如，在有些情况下，患者的牙齿可能会因机械应力(磨牙症)或因食用酸性食物或饮料而受到化学侵蚀而磨损。牙齿可以是天然的，也可以是假牙。这种牙齿的破坏发生得很慢，并且咀嚼功能有时间通过将必要的导向器保持在咬合台上来塑造牙齿，尽管它们会破坏和失去垂直距离。为了治疗这样的患者，在实施本发明之前，建立对训练设备(肌肉和关节)健康的补充检查。如果结果是肯定的，从业者将愿意保留下颌运动的方式，但不得不恢复咬合垂直距离。在设计本发明之前，唯一的解决方案是在不保留患者的真实运动的咬合架上进行工作。在这种临床情况下，本发明的目的是将相同的下颌运动学转置到下颌弓的新位置，这对于患者来说是舒适的。创建的新空间将被新的假体装置填充，假体装置的形状和位置不会干扰下颌运动。

在考虑正畸治疗的情况下，临床方法与上述基本相同。牙齿将被移动并且进入啮合，而不是用假体填充空间。在这种情况下，还将根据患者的真实运动进行咬合。

此外，在正畸中，在矫正阻碍闭合路径的早产后的闭合咬合垂直距离之后，将可能输出所隶属的运动学的位置。这种矫正的颌间关系和相关联的运动将有助于计划正畸治疗和准备设计，以更可预测的方式进行治疗。

参考文献

WO 2013/030511

WO 2016/062962

[1]