3d打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置及3d打印方法
阅读说明：本技术 3d打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置及3d打印方法 (3D printing type personalized traction device for upper jaw embedded anterior teeth and 3D printing method ) 是由 苏晓霞 邱韬 廖立 邹静 李小兵 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置及3D打印方法,个性化牵引装置主要包括粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩。3D打印方法主要为通过dcm格式的患者CBCT数据导入Dolphin11.0、Mimics Research19.0及Magics软件,根据临床需求,截取所需设计的牙位,复制唇颊、舌腭侧牙面形态；金属板间隙要求：厚度0.4-0.6mm,复制唇颊、舌腭侧牙面形态；牵引钩设计要求：牵引钩位置及方向根据牵引方向需要进行设计,牵引钩长度0.8-1.5mm,不占据牙面空间；将最终设计保存为stl格式,输入3D打印机进行打印,本发明具有完全复制牙面唇、舌面形态,金属板厚薄均一,表面光滑,一次成型,速度快等特点,避免与牙面不贴合、需要多次拆装及二次开窗等问题。(The invention discloses a3D printing type individualized traction device for upper jaw embedded anterior teeth and a3D printing method. The 3D printing method mainly comprises the steps of importing patient CBCT data in a dcm format into Dolphin11.0, Mimics research19.0 and Magics software, intercepting tooth positions required to be designed according to clinical requirements, and copying tooth surface states of the buccal labial and palatal lingual sides; the requirement of the metal plate clearance: the thickness is 0.4-0.6mm, and the tooth surface morphology of the buccal labial and lingual palatal sides is copied; the design requirement of the towing hook is as follows: the position and the direction of the traction hook are designed according to the requirement of the traction direction, the length of the traction hook is 0.8-1.5mm, and the traction hook does not occupy the space of the tooth surface; the final design is stored in stl format and input into a3D printer for printing, the invention has the characteristics of complete copying of the tooth surface lip and tongue surface shapes, uniform thickness of the metal plate, smooth surface, one-step forming, high speed and the like, and avoids the problems of non-lamination with the tooth surface, need of repeated disassembly and assembly, secondary windowing and the like.)
技术领域
本发明属于医疗设备3D打印制备技术领域，具体涉及3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置及3D打印方法。
背景技术
埋伏牙是口腔常见疾病之一，是指萌出期已过而仍在颌骨组织中未能萌出的牙齿。尤其青少年上颌埋伏前牙关乎患者美观，若不及时治疗将影响毗邻的重要解剖结构或因牙根发育异常而被迫拔除，严重影响患者的发音、颜貌和心理。临床上多采用外科手术及正畸牵引联合治疗的方式进行助萌，其原理是外科去除部分牙槽骨将埋伏牙的牙冠暴露并配合正畸牵引，从而使埋伏牙进入相应牙位。牵引方向需随牙齿位置的变化及时调整到与牙体长轴一致，从而最有利于埋伏牙的牵引萌出。
目前临床上使用的上颌埋伏前牙牵引装置，多为成品带金属链舌侧扣或托槽，其固位力主要来自于粘接固位。外科暴露牙冠时口内操作视野较为受限，需去除大量骨寻找较平坦部位才能粘接，导致有时粘接部位并非最佳牵引方向；因成品底板体积形态限制，但埋伏牙唇、腭侧形态不同，牵引装置与牙面无法贴合造成粘接剂厚度不一、粗糙度及异物感增加；术区唾液和血液较多情况下现场进行手动定位耗时耗力，也增加了粘接失败的风险。上颌前牙倒置阻生情况最为常见，就需要在导萌过程中改变牵引力方向，从而不得不二次手术开窗再粘接新的牵引装置，增加了感染风险、患者创伤和痛苦，可能造成附着龈丧失甚至牵引失败，易引发医患矛盾。因此，临床上急需一种在术前进行个性化设计、术中可快速口内定位且牢固粘接、治疗中可灵活调整牵引方向的新型个性化上颌埋伏前牙牵引装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置及3D打印方法，至少解决上述背景技术中提到的部分技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置，包括与埋伏前牙相适配用于嵌合于埋伏前牙上以对埋伏前牙进行固位的粘接固位金属板，可拆卸连接于粘接固位金属板上的唇侧牵引钩和舌侧牵引钩。
进一步地，粘接固位金属板与埋伏前牙相贴合的粘接固位金属板面经酸蚀粗化后通过粘接剂与埋伏前牙形成强化学粘接，粘接固位金属板上除粘接固位金属板面以外的其他外表面进行高度抛光处理。
进一步地，粘接固位金属板上设有唇侧牵引钩及可调整结扎位点改变牵引力方向的唇侧牵引钩螺纹和舌侧牵引钩及可调整结扎位点改变牵引力方向的唇侧牵引钩螺纹。
进一步地，粘接固位金属板厚度0.4-0.6mm；唇侧牵引钩和舌侧牵引钩长度相同，均为0.8-1.5mm。
3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置的3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1、将患者牙列CBCT数据导入Dolphin11.0软件进行三维重建并正确摆位，将正确摆位后文件导入Mimics Research 17.0软件，截取所需设计处牙位，重建三维数据模型；
步骤2、复制唇侧和舌侧牙面形态以设计形成粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩的设计文件；
步骤3、将所设计形成的粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩设计文件输入3D打印机进行3D打印。
进一步地，在所述步骤1中，首先通过Dolphin11.0软件将患者牙列CBCT数据进行三维重建，其次利用患者正中骨性标志，将患者三维重建模型的方向及原点进行正确摆位设置，最后导出正确摆位设置后的Dicom数据。
进一步地，在所述步骤1中，通过mimics research 17.0软件将患者正确摆位后的牙列CBCT数据进行阈值扩展及三维重建，并导出牙列CBCT重建后的STL数据。
进一步地，在所述步骤1中，通过magics21.0软件或geomagic studio 13.0软件将患者口扫STL数据与牙列CBCT重建后的STL数据进行人工拟合及计算机迭代拟合，得到牙列与牙根模型STL数据。
进一步地，在所述步骤2中，通过交互式CAD/CAM软件完成牙列模型的模拟分割，并以埋伏牙三维模型数据为基础，设计出厚度为0.4-0.6mm、与牙冠唇腭侧外形完全贴合且无倒凹的粘接固位金属板模型，并根据正畸牵引方向将唇侧牵引钩模型和舌侧牵引钩模型分别与粘接固位金属板模型连接，形成上颌埋伏前牙个性化牵引装置的设计文件，并将其保存为STL格式。
进一步地，在所述步骤3中，将设计形成的粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩设计文件通过3D打印数据处理软件进行支架和分层处理，然后将切片数据导入熔融沉积成型3D打印机进行打印制作。
本发明通过医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communications inMedicine，DICOM)格式的患者锥形束计算机X线断层扫描(Cone Beam ComputedTomography，CBCT)数据导入Dolphin11.0软件进行三维重建并正确摆位，将摆位后文件导入Magics21.0软件进行口扫数据重叠及Mimics Research17.0软件进行三维重建，根据临床需求，截取所需设计的牙位，复制唇颊、舌腭侧牙面形态。数据提取及制作：1.通过Dolphin11.0软件将患者CBCT数据进行三维重建，并利用患者上颌腭中缝、梨状孔、下颌正中联合等正中骨性标志，将患者三维重建模型的方向及原点进行重新设置，一般原点选择为该患者的牙冠某一容易确认的点(如上颌中切牙或侧切牙的近或远中切点、上颌尖牙的牙尖点等)并导出重新进行摆位后的Dicom数据。2.通过mimics research 17.0医疗三维软件将患者重新摆位后的牙列CBCT数据进行阈值扩展及三维重建，并导出CBCT重建后的STL数据。3.通过magics21.0软件或geomagic studio 13.0软件将患者口扫STL数据与CBCT数据进行人工拟合及计算机迭代拟合，得到牙列与牙根模型STL数据。
本发明牵引装置与唇腭侧牙面间隙要求：厚度为0.4-0.6mm，复制唇、腭侧牙面形态；牵引钩设计要求：根据牵引位置，设计不同类型及方向的牵引钩。通过交互式CAD/CAM系统(3shape appliance designer)软件完成牙列模型的模拟分割，并以埋伏牙三维模型数据为基础，设计出厚度为0.4-0.6mm，与牙冠唇腭侧外形完全贴合且无倒凹的金属板，并根据正畸牵引方向将不同类型、不同设计的牵引钩与无倒凹光滑金属板连接，形成个性化上颌埋伏前牙牵引装置的设计文件，并保存为STL格式。将终设计保存为光固化立体造型术(stereolithography，STL)格式，输入3D打印机进行打印。通过熔融沉积成型3D打印机完成个性化上颌埋伏前牙牵引的打印。将设计好的牵引装置数据通过3D打印数据处理软件进行支架和分层处理，然后将切片数据导入3D打印机进行打印制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，采用三维打印(3D Printing)个性化上颌埋伏前牙牵引装置，完全复制牙面唇、舌面形态，粘接固位金属板厚薄均一、表面光滑、一次成型、成型速度快，可有效避免传统舌侧扣与牙面不贴合、需要多次拆装及二次开窗等问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2是患者21阻生牙矢状位不同截面CBCT图及其各角度CBCT三维重建图。其中，a为患者21阻生牙矢状位不同截面CBCT图，b为患者各角度CBCT三维重建图。
图3是利用Dolphin11.0软件将CBCT三维重建后重新摆位视图。其中，左上图为患者CBCT三维重建后左侧面视图；右上图为患者CBCT三维重建后右侧面视图；左下图为患者CBCT三维重建后底面视图；右下图为患者CBCT三维重建后正面视图。
图4是患者口内照片及口扫数据重建图。其中，a组为患者口内照片，按顺序依次为上颌、下颌、覆合覆盖、右侧、正面和左侧面视图；b组为患儿口腔扫描咬合重建图。
图5是Mimics Research 19.0软件进行三维重建示意图。其中左上图为患者冠状面CBCT截图；右上图为患者水平面CBCT截图；左下图为患者矢状面CBCT截图；右下图为患者CBCT三维重建视图。
图6是Mimics21.0软件将口扫数据与CBCT数据进行重建及3shape appliancedesigner软件进行个性化埋伏牙牵引装置设计示意图。其中，图a、b和c分别为行阻生牙CBCT矢状面、冠状面和水平面截图；图d、e和f分别为将患者口扫模型与CBCT三维重建模型重叠时的右侧、正面及左侧重叠视图；图g为患者CBCT三维重建模型视图；图h、i、j和k为患者上颌埋伏前牙个性化牵引装置设计过程(图h、i和j)及上颌埋伏前牙个性化牵引装置图(图k)，并且，图h为上颌埋伏前牙个性化牵引装置的牵引钩可进行缩放(牵引钩两侧箭头及其正上方中间箭头所示)、旋转(牵引钩正上方箭头所示)、以及平移(牵引钩正上方中最外侧箭头所示)等个性化设计视图，图i和j为上颌埋伏前牙个性化牵引装置侧面及腭侧面视图，图k为上颌埋伏前牙个性化牵引装置图。
图7是3D打印过程示意图。其中，第一行图示为3D打印的患者阻生牙模型，并且图a、b、c、d、e和f依次为右侧、右侧45°、正面、左侧45°、左侧及顶面视图；第二行图示为3D打印的患者阻生牙模型及3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置，并且图g、h、i、j、k和l依次为右侧、右侧45°、正面、左侧45°、左侧及顶面视图；第三行图示中，图m和n为模型上局部放大的3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置特写，图o、p和q为3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置的实物图，图r和s为3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置、以及离体上颌切牙粘接后与结扎丝结扎视图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-金属连接主体、2-金属主体粘接固位面、3-舌侧牵引钩螺纹、4-舌侧牵引钩、5-唇侧牵引钩螺纹、6-唇侧牵引钩、7-唇侧牵引丝、8-舌侧牵引丝。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-7所示，本发明提供的3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置，结构简单、设计科学合理，使用方便，采用三维打印(3D Printing)个性化上颌埋伏前牙牵引装置，完全复制牙面唇、舌面形态，粘接固位金属板厚薄均一、表面光滑、一次成型、成型速度快，可有效避免传统舌侧扣与牙面不贴合、需要多次拆装及二次开窗等问题。本发明包括与埋伏前牙相适配用于嵌合于埋伏前牙上以对埋伏前牙进行固位的金属连接主体(1)，连接于金属连接主体(1)上的舌侧牵引钩(4)和唇侧牵引钩(6)。
本发明金属连接主体(1)与埋伏前牙相贴合的金属主体粘接固位面(2)经酸蚀粗化后通过粘接剂与埋伏前牙形成强化学粘接，金属连接主体(1)上除粘接固位面(2)以外的其他外表面进行高度抛光处理。
本发明粘接固位金属板(1)上设有唇侧牵引钩(6)及可调整结扎位点改变牵引力方向的唇侧牵引钩螺纹(5)和舌侧牵引钩(4)及可调整结扎位点改变牵引力方向的舌侧牵引钩螺纹(3)。粘接固位金属板(1)厚度0.4-0.6mm；唇侧牵引钩(6)和舌侧牵引钩(4)长度相同，均为0.8-1.5mm。
本发明粘接固位金属板：将唇、舌侧牵引装置连为一体，表面高度抛光以减少菌斑附着并避免与牙龈组织粘连。
本发明粘接固位金属板面：底面与阻生牙形态吻合，可与阻生牙机械嵌合增加固位；底面经酸蚀粗化后通过粘接剂与阻生牙形成强化学粘接。
本发明唇侧牵引钩螺纹：绑扎唇侧牵引丝(7)或唇侧个性化牵引钩(唇侧牵引钩)，螺纹结构可增强牵引加力装置固位。
本发明唇侧牵引钩：埋伏牙牵引出龈后，可直接利用唇侧牵引钩行进一步弹性牵引。
本发明舌侧牵引钩螺纹：绑扎舌侧牵引丝(8)或舌侧个性化牵引钩(舌侧牵引钩)，螺纹结构可增强牵引加力装置固位。
本发明舌侧牵引钩：可利用舌侧牵引钩直接行弹性牵引或调整牵引力方向引导埋伏牙出龈。
本发明提供的3D打印式上颌埋伏前牙个性化牵引装置的3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1、将患者牙列CBCT数据导入Dolphin11.0软件进行三维重建并正确摆位，将正确摆位后的文件导入Mimics Research 17.0软件，截取所需设计处牙位，重建三维数据模型。首先通过Dolphin11.0软件将患者牙列CBCT数据进行三维重建，其次利用患者正中骨性标志，将患者三维重建模型的方向及原点进行正确摆位设置，最后导出正确摆位和设置后的Dicom数据。通过mimics research 17.0软件将患者正确摆位后的牙列CBCT数据进行阈值扩展及三维重建，并导出牙列CBCT重建后的STL数据。通过magics21.0软件或geomagicstudio13.0软件将患者口扫STL数据与牙列CBCT重建后的STL数据进行人工拟合及计算机迭代拟合，得到牙列与牙根模型STL数据。
步骤2、复制唇侧和舌侧牙面形态以设计形成粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩的设计文件。通过交互式CAD/CAM软件完成牙列模型的模拟分割，并以埋伏牙三维模型数据为基础，设计出厚度为0.4-0.6mm、与牙冠唇腭侧外形完全贴合且无倒凹的粘接固位金属板模型，并根据正畸牵引方向将唇侧牵引钩模型和舌侧牵引钩模型分别与粘接固位金属板模型连接，形成上颌埋伏前牙个性化牵引装置的设计文件，并将其保存为STL格式。
步骤3、将所设计形成的粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩设计文件输入3D打印机进行3D打印。将设计形成的粘接固位金属板、唇侧牵引钩和舌侧牵引钩设计文件通过3D打印数据处理软件进行支架和分层处理，然后将切片数据导入熔融沉积成型3D打印机进行打印制作。
本发明为在术前进行个性化设计、术中可快速口内定位且牢固粘接、治疗中可灵活调整牵引方向的新型个性化上颌埋伏前牙牵引装置。其根据具体阻生牙位置、形态和牵引路径，个性化设计牵引装置的大小、形态、粘接部位和牵引钩的形态与位置，与阻生牙面贴合、加力方向更为合理可控。一体式装置厚薄均一、表面光滑且更牢固不易断裂，真正实现“闭合式牵引”，避免牙周组织炎症、牙龈退缩、上皮迁移和牙槽骨丧失，提高牵引成功率。
本发明通过dcm格式的患者CBCT数据导入Dolphin11.0软件，根据骨性标志进行摆位，并将摆位后文件输入Mimics Research 17.0软件进行阈值扩展及三维重建，根据临床需求，截取所需设计的牙位，重建三维数据模型。数据提取及制作：通过Dolphin11.0软件、mimics research 17.0医疗三维软件及Magics21.0等软件将患者CBCT数据转化为三维模型数据，然后利用Magics21.0软件提取上颌骨及阻生牙相关数据并进行数据修复。利用3shape appliance designer软件将埋伏牙的舌侧面和唇侧面数据向外偏移0.4-0.6mm，并进行样条切削，再利用Locater牵引钩插件根据临床所需牵引方向及角度、大小、数量等进行个性化设计，确保牵引钩插件大小在0.8-1.5mm之间，方向符合临床所需牵引方向。
本发明个性化埋伏牙牵引装置金属板厚度范围为0.4-0.6mm，复制唇颊、舌腭侧牙面形态；牵引钩设计要求：牵引钩位置及方向根据牵引方向需要进行设计，牵引钩长度0.8-1.5mm，不占据牙面空间。通过三维设计软件完成个性化上颌埋伏前牙牵引装置的设计，以牙列CBCT三维模型数据为基础，利用DLP/SLA等3D打印机进行树脂3D打印，并完成埋伏牙牙列CBCT模型。
本发明将最终设计保存为stl格式，输入3D打印机进行打印。通过DLP/SLA3D打印机完成CBCT阻生牙模型的打印，将设计好的个性化埋伏牙牵引装置数据通过3D打印数据处理软件进行支架和分层处理，然后将切片数据导入FDM3D打印机进行打印制作。
本发明适用患者标准：全口牙龈无炎症，无牙槽骨吸收，无龋坏患牙或龋坏已充填，经全景片及CBCT确诊上颌前牙区确有埋伏阻生。收集患者资料内容：收集患者的口内像、X线全景片、口扫或硅橡胶取模、大视野CBCT或包涵阻生牙区域的小视野CBCT等。
本发明软件设计：Dolphin11.0软件对患者初始CBCT进行重建及摆位；MimicsResearch 17.0软件重建患者摆位后CBCT数据；Mimics Research 17.0及MaterialiseMagics21.0软件提取患者阻生牙信息及重叠患者CBCT和口扫模型；3shape appliancedesigner软件设计个性化上颌埋伏前牙牵引装置。
本发明牵引装置金属板要求：厚度0.4-0.6mm，唇面及腭面与牙面完全贴合；
本发明牵引钩设计要求：牵引钩位置及方向根据牵引方向需要进行设计，牵引钩长度0.8-1.5mm，不占据牙面空间；
本发明3D打印：使用光敏树脂打印重叠后患者CBCT及口扫模型，使用FDM金属打印机打印设计的个性化上颌埋伏前牙牵引装置。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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