用于正畸治疗计划的方法和系统与流程

用于正畸治疗计划的方法和系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年3月26日提交的美国专利申请序列号62/824,153的优先权，该美国专利申请据此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本发明整体涉及正畸治疗计划领域。


背景技术：

4.正畸是牙科的一个专业，其旨在诸如出于健康和/或美容原因矫正患者位置不当的牙齿和下巴。通常，正畸治疗利用外力的施加使一颗或多颗牙齿从其原始的不当位置逐渐移动到期望的位置。一种常规的正畸治疗涉及将支架粘结到牙齿表面，并且逐渐调整联接到支架的线材，以便将牙齿推向期望的位置和取向。另一种常规的正畸治疗涉及佩戴具有牙齿接收腔的透明的矫治器托盘，以使牙齿朝向最终位置和取向逐渐移动。
5.计划此类正畸治疗包括：获得患者的齿列的物理模型和/或数字模型，以及使用此类模型为待被移动的每颗牙齿生成提议的治疗路径。例如，可通过模具压印获得患者的齿列的物理模型，同时可通过用扫描装置扫描患者的齿列(和/或患者的齿列的物理模型)来获得数字模型。然而，此类建模方法在可能获得的患者信息量方面有限，从而导致治疗计划不准确并且总治疗时间较长。因此，需要用于正畸治疗计划的改进的方法和系统。


技术实现要素：

6.大体上，一种对患者进行正畸治疗计划的方法包括：接收所述患者的齿列的三维口内表面扫描数据；接收所述齿列的三维体积扫描数据；叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据以生成包括具有纵向轴线的至少一颗牙齿的根部的整合式患者模型；以及为了用于计划正畸治疗，确定所述至少一颗牙齿的旋转中心，其中所述旋转中心被定义为所述整合式患者模型中沿着所述至少一颗牙齿的所述纵向轴线位于从所述根部的基部到所述根部的尖端的预确定距离处的点。例如，所述至少一颗牙齿的所确定的旋转中心可被定义为沿着所述纵向轴线位于所述根部的基部与所述根部的尖端之间的距离的约三分之一至约二分之一(例如，约三分之一)之间处的点。所述根部可以是例如解剖学根部(例如，从牙齿的牙本质釉质界(dej)延伸到牙齿的根尖)或功能性根部(例如，从牙齿的嵴顶骨高度延伸到牙齿的根尖)。在一些变型中，所述口内表面扫描数据可包括光学彩色扫描数据，并且/或者所述体积扫描数据可包括x射线扫描数据，诸如cbct。
7.在一些变型中，叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据包括：将所述口内表面扫描数据与所述体积扫描数据配准。例如，这种配准可对准一个或多个基准(例如，解剖学标志、人工基准，诸如不透射线的标记等)。在一些变型中，所述三维体积扫描数据包括所述患者的所述齿列和所述颅面结构的数据。
8.大体上，一种用于对患者进行正畸治疗计划的系统包括至少一个存储器装置，所
述至少一个存储器装置被配置成接收和存储所述患者的齿列的三维口内表面扫描数据，以及所述齿列的三维体积扫描数据。所述系统还可包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据以生成包括具有纵向轴线的至少一颗牙齿的根部的整合式患者模型。所述系统可包括：一个或多个显示器，所述一个或多个显示器被配置成显示所述整合式患者模型；和/或用户接口，所述用户接口用于导航所述整合式患者模型。所述处理器还可被配置成为了用于计划正畸治疗确定所述至少一颗牙齿的旋转中心，其中所述旋转中心被定义为所述整合式患者模型中沿着所述至少一颗牙齿的所述纵向轴线位于从所述根部的基部到所述根部的尖端的预确定距离处的点。例如，所述至少一颗牙齿的所确定的旋转中心可被定义为沿着所述纵向轴线位于所述根部的基部与所述根部的尖端之间的距离的约三分之一至约二分之一(例如，约三分之一)之间处的点。所述根部可以是例如解剖学根部(例如，从牙齿的牙本质釉质界(dej)延伸到牙齿的根尖)或功能性根部(例如，从牙齿的嵴顶骨高度延伸到牙齿的根尖)。在一些变型中，所述口内表面扫描数据可包括光学彩色扫描数据，并且/或者所述体积扫描数据可包括x射线扫描数据，诸如cbct。
9.在一些变型中，所述处理器可被配置成当叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据时将所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据配准。例如，这种配准可对准一个或多个基准(例如，解剖学标志、人工基准，诸如不透射线的标记等)。在一些变型中，所述三维体积扫描数据包括所述患者的所述齿列和所述颅面结构的数据。
10.大体上，一种对患者进行正畸治疗计划的方法包括：接收所述患者的齿列的三维口内表面扫描数据；接收所述患者的所述齿列和颅面结构的三维体积扫描数据；叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据以生成包括具有纵向轴线的至少一颗牙齿的根部的整合式患者模型；自动地将所述至少一颗牙齿的根部与所述整合式患者模型的包围所述根部的部分分离；以及为了用于计划正畸治疗，确定所述至少一颗牙齿的旋转中心。在一些变型中，所述口内表面扫描数据可包括光学彩色扫描数据，并且/或者所述体积扫描数据可包括x射线扫描数据，诸如cbct。
11.在一些变型中，可基于由所述扫描数据的叠加得到的所述整合式患者模型自动地(例如，由计算装置)确定所述至少一颗牙齿的旋转中心。例如，确定所述旋转中心的过程可涉及至少部分地基于体素密度自动地分离(所述整合式患者模型中)所述至少一颗牙齿的根部、与所述至少一颗牙齿相关联的牙周韧带和/或包围所述至少一颗牙齿的骨骼。例如，在一些变型中，自动地分离所述至少一颗牙齿的根部可包括：确定所述整合式患者模型中所述至少一颗牙齿的体素密度，以及将所确定的体素密度与用于所述至少一颗牙齿的预确定阈值体素密度进行比较。作为另一个实例，自动地分离所述至少一颗牙齿的根部可包括：确定所述整合式患者模型中所述至少一颗牙齿的第一体素密度；确定以下中的至少一者的第二体素密度：与所述整合式患者模型中所述至少一颗牙齿相关联的一个或多个牙周韧带，以及所述整合式患者模型中包围所述至少一颗牙齿的骨骼；以及将所述第一体素密度和所述第二体素密度之间的差与预确定阈值差进行比较。
12.此外，确定所述旋转中心还可包括：确定所述至少一颗牙齿的体积，以及确定所述整合式患者模型中所述至少一颗牙齿的所述纵向轴线。在一些变型中，所述至少一颗牙齿的所确定的旋转中心可被定义为沿着所述纵向轴线位于从所述根部的基部到所述根部的
尖端的距离的约三分之一至约二分之一之间的点。所述旋转中心然后可用于计划正畸治疗，诸如经由具有牙齿接收腔的多个矫治器托盘进行的正畸治疗，其中每个矫治器托盘对应于相应的牙齿排列，使得所述一系列矫治器托盘根据牙齿的进行自然移动的旋转中心在治疗路径中逐渐地移动牙齿。
13.大体上，一种用于对患者进行正畸治疗计划的系统包括至少一个存储器装置，所述至少一个存储器装置被配置成接收和存储所述患者的齿列的三维口内表面扫描数据，以及所述患者的所述齿列和颅面结构的三维体积扫描数据。所述系统还可包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成叠加所述口内表面扫描数据和所述体积扫描数据以生成包括具有纵向轴线的至少一颗牙齿的根部的整合式患者模型。所述系统可包括：一个或多个显示器，所述一个或多个显示器被配置成显示所述整合式患者模型；和/或用户接口，所述用户接口用于导航所述整合式患者模型。所述处理器还可被配置成：自动地将所述至少一颗牙齿的根部与所述整合式患者模型的包围所述根部的部分分离，以及为了用于计划正畸治疗确定所述至少一颗牙齿的旋转中心。在一些变型中，所述口内表面扫描数据可包括光学彩色扫描数据，并且/或者所述体积扫描数据可包括x射线扫描数据，诸如cbct。
14.在一些变型中，可基于由所述扫描数据的叠加得到的所述整合式患者模型自动地(例如，由计算装置)确定所述至少一颗牙齿的旋转中心。例如，所述处理器可被配置成至少部分地通过以下操作来确定所述至少一颗牙齿的旋转中心：至少部分地基于体素密度自动地分离(所述整合式患者模型中)所述至少一颗牙齿的根部、与所述至少一颗牙齿相关联的牙周韧带以及包围所述至少一颗牙齿的骨骼。此外，所述处理器可被配置成：自动地确定所述至少一颗牙齿的体积，以及确定所述整合式患者模型中所述至少一颗牙齿的所述纵向轴线。在一些变型中，所述至少一颗牙齿的所确定的旋转中心可被定义为沿着所述纵向轴线位于从所述根部的基部到所述根部的尖端的距离的约三分之一至约二分之一之间的点。所述旋转中心然后可用于计划正畸治疗，诸如经由具有牙齿接收腔的多个矫治器托盘进行的正畸治疗，其中每个矫治器托盘对应于相应的牙齿排列，使得所述一系列矫治器托盘根据牙齿的进行自然移动的旋转中心在治疗路径中逐渐地移动牙齿。
附图说明
15.图1是描绘用于正畸治疗计划的方法的一个变型的示意图。
16.图2是描绘用于正畸治疗计划的系统的一个变型的示意图。
17.图3是描绘确定整合式患者模型中牙齿的旋转中心的一个变型的示意图。
18.图4描绘了以患者的齿列的口内表面扫描数据为基础的示例性原始表面扫描图像。
19.图5描绘了以图4中描绘的原始表面扫描图像为基础的示例性制备的表面扫描模型。
20.图6描绘了患者的齿列的示例性体积扫描图像。
21.图7描绘了患者的齿列的示例性被分割的口内表面扫描模型。
22.图8描绘了患者的齿列的被分割并被包覆的口内表面扫描模型。
23.图9描绘了并入有患者的齿列的口内表面扫描数据和体积扫描数据的示例性整合式患者模型。
24.图10a是描绘牙齿及其解剖学根部的说明性示意图。图10b是描绘牙齿的基于其解剖学根部确定的阻力中心的示意图。
25.图11a是描绘正常牙齿及其功能性根部的示意图。图11b是描绘牙齿的基于其功能性根部确定的阻力中心的说明性示意图。图11c是牙齿的投影视图，该牙齿在图11b所示的阻力中心附近的移动中因为施加到该牙齿的力而在预测的旋转中倾斜。
26.图12a是描绘异常牙齿及其功能性根部的示意图。图12b是描绘牙齿的基于其功能性速率确定的阻力中心的说明性示意图。图12c是牙齿的投影视图，该牙齿在图12b所示的阻力中心附近的移动中因为施加到该牙齿的力而在预测的旋转中倾斜。
27.图13是描绘用户选择的牙齿阻力中心的说明性示意图。
28.图14描绘了示例性牙齿的基于仅对口内表面扫描数据的分析生成的纵向轴线和计划的旋转。
29.图15描绘了图16中的示例性牙齿的纵向轴线和计划的旋转叠加在体积扫描图像上。
30.图16基于对包括口内表面扫描数据和体积扫描数据的整合式患者模型的分析描绘了示例性牙齿的纵向轴线。
31.图17描绘了如图18所示的示例性牙齿的纵向轴线和计划的旋转。
32.图18a描绘了如图14和图17所示的示例性牙齿的纵向轴线和计划的旋转的叠加。图18b是汇总如图14和图15所示的确定的纵向轴线中的误差的表格。
具体实施方式
33.在本文中描述以及在附图中说明本发明的各个方面和变型的非限制性实例。
34.本文描述了用于提高正畸治疗计划移动牙齿的精度的方法和系统。具体地，本文所述的方法和系统使得能够确定牙齿的根部取向和牙齿的矫正的旋转中心。牙齿的旋转中心然后可在治疗计划中用作沿着自然移动轴线的治疗路径的基础，由此诸如通过减少总治疗时间而获得显著的临床益处。
35.用于正畸治疗计划的方法
36.大体上，如图1中所示，在一些变型中，用于对患者进行正畸治疗计划的方法100包括：接收患者的齿列的三维口内表面扫描数据110，接收患者的齿列的三维体积扫描数据120，叠加口内表面扫描数据和体积扫描数据以生成整合式患者模型130；以及为了用于计划正畸治疗确定至少一颗牙齿的旋转中心140。在一些变型中，整合式患者模型包括具有纵向轴线的至少一颗牙齿的根部，并且旋转中心可被定义为整合式患者模型中沿着至少一颗牙齿的纵向轴线位于从根部的基部到根部的尖端的预确定距离处的点。
37.扫描数据
38.如图2的示意图所示，第一扫描数据集(例如，口内表面扫描数据212)和第二扫描数据集(例如，体积扫描数据222)可由一个或多个扫描装置生成，该一个或多个扫描装置被配置成获得患者的解剖学成像数据。例如，口内扫描装置210可由从业者或其他用户使用以获得表示患者的齿列的外表面(例如，牙冠、牙龈等)的图像数据(例如，光学彩色扫描数据)。口内扫描装置可以是例如手持式扫描仪，当在患者的口腔内操纵该扫描仪时，该扫描仪朝向患者的齿列发射光。发射的光从患者的齿列的表面反射，并且反射的光由口内扫描
仪捕获，并且随后对反射的光进行分析以将反射光数据转换为表面成像数据。适合用于获得三维口内表面扫描数据212的示例性口内扫描仪是可从carestream dental llc(atlanta,georgia,usa)获得的cs 3600口内扫描仪。然而，任何合适的口内扫描仪都可用于获得这种口内表面扫描数据212。
39.大体上，从口内表面扫描获得的患者的齿列的数字化表面可用于创建一个或多个患者定制的正畸器具(例如，使用计算机辅助设计和计算机辅助制造(cad/cam)技术)，其可例如用于向牙齿施加力并诱导受控的正畸牙齿移动(otm)。患者牙齿的准确的表面扫描数据使得此类器具能够具有与牙齿的独特曲率可预测的紧密拟合。此外，精确地操纵准确的口内表面扫描数据允许创建正畸器具以诱导有效的otm。
40.图4示出了基于患者的上部齿列410和下部齿列420的口内表面扫描数据的示例性原始表面扫描图像。如图4所示，虽然口内表面扫描数据可提供关于牙冠和至少一部分牙龈的外部形式的信息，但口内表面扫描数据并不提供关于某些其他牙齿结构的直接信息，诸如潜在的牙根和骨骼的长度和大小。此外，原始表面扫描数据可被操纵形成制备的表面扫描模型，诸如图5所示的模型500。例如，扫描图像可被修整成仅包括相关的扫描数据以及/或者被放置到模板颌部基础模型上等等。
41.体积扫描数据222可由体积扫描仪220获得。在一些变型中，体积扫描仪可提供齿列(例如，冠部、牙龈、根部结构)和颅面特征(例如，骨骼)的三维x射线成像(例如，锥形束计算机断层摄影(cbct))。具体地，体积扫描仪可被配置成提供关于每颗牙齿的根部取向的详细信息。适合用于获得三维体积扫描数据222的示例性cbct x射线扫描仪是可从ray company(ray america,inc.,fort lee,new jersey,usa)获得的rayscanα成像装置。然而，提供齿列和颅面特征的体积信息的任何合适的口外扫描仪都可用于获得体积扫描数据222。
42.大体上，从电离或非电离体积扫描仪获得的体积扫描数据可用于标识患者解剖学特征，诸如骨骼结构、牙冠和牙根和/或颅面区域的病理，以及测量或以其他方式定量其他患者特性，诸如气道体积、面部表型和/或颌部咬合不正。例如，如描绘了示例性体积扫描图像600的图6所示，体积扫描数据可提供牙根的体积、长度和/或形态。如下文进一步描述的，通过例如允许详述每颗牙齿的用于在患者的颌骨内旋转的实际阻力中心和长轴线，与牙根有关的该信息可改进正畸牙齿移动的建模。
43.模型分割
44.在一些变型中，可在模型分割过程中标识与表面扫描数据相对应的模型和/或与体积扫描数据相对应的模型的离散的部分。例如，模型的不同部分(其中不同的部分对应于不同的解剖学特征)可被分割。例如，模型中不同的牙齿可被分割，以便能够独立地选择、观察和/或操纵孤立的每颗牙齿。在一些变型中，可将模型中至少一颗牙齿的至少根部结构与模型的其余部分分离(作为离散的、可标识的体积)。附加地或替代地，模型可被分割以分离其他解剖学特征，诸如每颗牙齿的冠部、牙龈、牙周韧带和骨骼。例如，图7描绘了与口内表面扫描数据相对应的分割的模型700，在该模型中，单独的牙齿(例如，t1和t2)被分割为分离的结构，并且牙齿相对于牙龈(g)被进一步分割。在一些变型中，例如，模型分割还可包括孤立一个或多个解剖学特征，诸如以使得能够单独地选择和显示孤立的特征。例如，图8描绘了口内表面扫描模型的一部分，其包括被分割并用平滑表面“包覆”的牙冠(例如，牙齿t3
被分割并用表面s包覆)。类似地，口内表面扫描模型(牙龈、牙根等)和/或体积扫描模型的其他部分可被分割和包覆以用于显示和/或分析。在一些变型中，对应于表面扫描数据的模型和对应于体积扫描数据的模型可各自单独地且分离地被分割和/或包覆。替代地，在一些变型中，如下所述，可替代地对先前通过叠加表面扫描数据和体积扫描数据而获得的整合式患者模型执行分割和/或包覆。
45.在一些变型中，可以用手动输入来执行模型分割。例如，类似于上文所述的那样，可由用户通过用户接口将标记放置在模型上来指定一个或多个解剖学特征以用于定义分割边界，诸如两颗牙齿之间、牙齿与牙龈之间或牙冠与牙根之间的平面或其他表面。替代地，可在下文所述的叠加过程中叠加扫描数据之后将标记放置在整合式患者模型上。标记一经放置则可由用户进行调整。在其他变型中，表示分割边界的标记可由软件算法自动进行建议和放置(并且可基于用户手动输入来确认和/或调整)。例如，可自动地基于表面扫描数据和/或叠加而成的整合式患者模型中的颜色像素数据来定义所提议的分割边界。作为说明性实例，表面扫描数据和/或叠加而成的整合式患者模型中相邻像素之间的阈值颜色通道强度变化可指示浅色牙齿与较深色或粉色牙龈之间的过渡。
46.此外，在一些变型中，可至少部分地基于体积扫描模型(和/或整合式患者模型)中各种体素的体素密度来自动地执行模型分割。由于不同种类的组织具有不同的不透射线性，因此在体积扫描数据中将以不同的体素密度来表示不同种类的患者组织。例如，骨骼具有与牙龈相比相对较高的不透射线性，并且因此将在cbct扫描中以比牙龈更大的体素密度来表示。作为另一个实例，牙釉质和根部牙本质具有与其周围牙槽骨相比更高的不透射线性，并且在体积扫描数据中将以比周围骨骼更大的体素密度来表示。因此，在一些变型中，可通过监测整合式患者模型中相邻体素上的体素密度的阈值变化来自动标识整合式患者模型中的不同区域，从而辅助分割。
47.在一些变型中，可在叠加模型以形成整合式患者模型之前执行表面扫描模型和体积扫描模型两者的部分或完全分割。在一些变型中，可在叠加(至少部分地)未被分割的表面扫描模型和体积扫描模型之后执行整合式患者模型的部分或完全分割。在其他变型中，表面扫描模型或体积扫描模型可在其叠加之后至少部分地基于源自整合式患者模型的对准信息被分割。例如，预分割的口内表面扫描模型可具有关于牙齿与牙齿边界和/或牙齿与牙龈边界的数据，并且可用于“播种”或以其他方式通知牙根与骨骼之间的界面的对准的体积数据的标识和分割。例如，牙齿的牙龈缘可朝向牙齿的根尖外推，因为在口内表面扫描中被标识的牙齿缘周围的体素的密度值可沿着根部与骨骼边界播种该牙齿的关联根部的标识和生长。
48.叠加数据
49.叠加口内表面扫描数据和体积扫描数据130用于生成高精度的整合式患者模型，该模型包括来自表面扫描数据和体积扫描数据的有用信息，诸如根部取向、牙齿体积等。例如，图9描绘了包括对准的表面扫描模型和体积扫描模型的叠加的说明性整合式患者模型。大体上，可将扫描数据导入到计算装置上的软件应用中以在用户接口中显示。存储在机器可读存储介质上的软件指令(如下文进一步详细描述)可使得能够在计算装置上显示和操纵口内表面扫描数据和体积扫描数据。
50.在一些变型中，软件指令可使得口内表面扫描数据能够与体积扫描数据配准，使
得这两个扫描数据集对准。配准的口内表面扫描数据和体积扫描数据可共享公共坐标系，使得可在公共坐标系内操纵所得的整合式患者模型。扫描数据的配准可包括例如一个或多个解剖学标志(例如，可见的冠部特征)和/或基准(例如，患者口腔中和/或患者牙齿特征上的不透射线和光学可见的标记)的对准。大体上，数字化的表面扫描模型和体积扫描模型可通过计算最佳拟合对准算法对准，该算法可例如根据需要提供调整和缩放上的六个自由度。最佳拟合算法可分别针对上齿执行一次和针对下齿执行一次。
51.口内表面扫描数据和体积扫描数据中的一者或两者可以是可重缩放的和/或可旋转的，以更好地促进扫描数据的对准和叠加。例如，软件指令可使得能够显示与扫描数据上的“抓点”相关联的一个或多个手柄图标。可利用诸如鼠标或触摸屏之类的用户输入装置操纵此类手柄图标(例如，利用“点击和拖动”功能)，以便重缩放和/或旋转扫描数据。此外，软件指令可使得能够经由裁剪或其他类似的图像编辑功能来孤立口内表面扫描数据和/或体积扫描数据的所选部分。
52.在一些变型中，可手动执行口内表面扫描数据和体积扫描数据的叠加。例如，用户输入可操纵扫描数据集中的一者或两者，直到适当地缩放和/或对准扫描数据。作为另一实例，用户可选择表面扫描模型和体积扫描模型上的对应位置中每个颌部的最小点数(例如，每个模型每个颌部上三个或更多个)作为关键点，并且将相应的关键点集在模型上对准，以便将它们叠加到整合式患者模型中。在一些变型中，可利用合适的机器视觉技术(例如，边缘检测、拐角发现等)自动地执行口内表面扫描数据和体积扫描数据的叠加。在其他变型中，可利用人工技术和算法技术两者半自动地执行口内表面扫描数据和体积扫描数据的叠加。例如，用户可利用虚拟标记(例如，放置在明显的咬合不正部上，放置在关键点上，诸如沿着邻间缘，沿着各种冠部轮廓或牙龈边界等)手动地在多个扫描数据图像上指示对应的位置，并且可执行软件指令以根据需要自动地缩放图像并且/或者对准对应的虚拟标记以产生叠加的扫描数据集(例如，使用合适的计算最佳拟合算法)。这种自动或半自动操作的结果可利用手动输入被进一步调整并且/或者需要手动输入来指示批准自动或半自动生成的整合式患者模型。
53.在口内表面扫描数据的至少一部分和体积扫描数据的至少一部分叠加以生成整合式患者模型之后，可在计算装置上的用户接口中显示该整合式患者模型，以用于在诊断和/或治疗计划期间进一步使用。例如，整合式患者模型可被旋转用于以不同的视角进行观察，以合适的剖视或横截面视图显示。
54.在一些变型中，口内表面扫描数据和体积表面扫描数据可捕获患者的齿列的不同状态。例如，口内表面扫描和体积扫描可能已在不同的时间被执行，并且患者的结构(例如，牙齿、牙龈等)可能已经在自然生理过程中(诸如生长和重塑)以及/或者通过诱导的过程(如正畸治疗)发生移动。在这些变型中，诸如如果一颗或多颗牙齿和/或颌部已发生移动，则可逐颗牙齿地执行表面扫描模型和体积扫描模型的数字对准，以帮助确保模型之间准确的冠部与根部对准。此外，在一些变型中可能有用的是，在叠加之前将两个数据集(表面扫描或体积扫描)中的一个数据集的牙齿进行分割，以便帮助冠部与根部对准。
55.一旦获得表面扫描模型和体积扫描模型的配准或对准，则由任何新的(随后的)表面扫描提供的冠部形态也可用于使用来自先前的整合式患者模型的实际根部形态来推断根部的新的位置。
56.确定旋转中心
57.可对整合式患者模型中的至少一颗牙齿进行分析以确定其旋转中心(例如，质心)，其可用于治疗计划以导出牙齿的自然移动轴线，由此有利地缩短总治疗时间并提高治疗的准确性。大体上，在一些变型中，可以为计划接受治疗的每一颗牙齿确定旋转中心。
58.在一些变型中，整合式患者模型中牙齿的旋转中心可被定义为沿着牙齿的纵向轴线位于预定距离处的点。在这些变型中，确定牙齿的旋转中心可包括确定牙齿的纵向轴线。可基于用户输入来手动地定义牙齿的纵向轴线(例如，通过将一个或多个标记放置在用于该牙齿的整合式患者模型上)。例如，用户可在整合式患者模型的至少一个透视图中在视觉上检查牙齿，并且标记或调整沿着牙齿(包括冠部和根部)轴向延展的中心线。手动标识牙齿的纵向轴线的一种示例性方法包括：标记第一线，该第一线将牙齿大体上分成从第一侧视视角观察时的两个相等体积的纵向半部；以及标记第二线，该第二线将牙齿大体上分成从第二侧视视角观察时的两个相等体积的纵向半部。第一线和第二线可延伸到平面中，并且牙齿的纵向轴线可被定义为两个平面之间的交点线。手动标识牙齿的纵向轴线的另一种示例性方法包括：标记牙齿的从俯视视角观察时的顶部中心点，以及标记牙齿的从仰视视角观察时的底部中心点。在该实例中，牙齿的纵向轴线可被定义为在牙齿的顶部中心点与底部中心点之间延伸的线。
59.在确定牙齿的纵向轴线之后，牙齿的旋转中心可被确定为沿着纵向轴线位于预定距离处的点。在一些变型中，例如，旋转中心可被定义为沿着牙齿的纵向轴线从牙根的基部到牙根的尖端的预确定距离。在示例性变型中，旋转中心可被确定为处于沿着牙齿的纵向轴线从牙根的基部到牙根的尖端所测量的牙齿长度的约三分之一的点处。
60.例如，如图3的示意图所示，牙齿310的纵向轴线l1(如投影到图3的侧视图上)可被确定为大体上在牙齿310的根部的尖端与牙齿310的冠部的上表面之间延伸。牙齿310的旋转中心(由三角形标记表示)可被估计为位于沿着纵向轴线l1在顶端方向上(朝向根部的尖端)测量的牙齿310的根部长度的约三分之一至约二分之一之间或约三分之一处。换句话说，旋转中心大约位于距根部的基部距离x并且距根部的尖端距离2x处。作为另一实例，如图3的示意图所示，牙齿320的纵向轴线l2(如投影到图3的侧视图上)可被确定为大体上在牙齿320的底部中心点与牙齿320的上部中心点之间延伸。大体上，牙齿320的旋转中心(由三角形标记表示)可被估计为位于沿着纵向轴线l2在顶端方向上(朝向根部的尖端)测量的牙齿320的根部长度的约三分之一至约二分之一之间或约三分之一处。换句话说，旋转中心大约位于距根部的基部距离y并且距根部的尖端距离2y处。
61.在一些变型中，可基于对整合式患者模型的软件结构化分析来自动地确定牙齿的旋转中心(质心)。例如，如上所述，可基于体素密度来标识不同的解剖学区域(例如，冠部、根部、牙周韧带、骨骼等)。鉴于对这些区域的这种标识，可在整合式患者模型中自动地确定牙齿(包括冠部和根部)的总体积和总体形状。因此，可通过分析如整合式患者模型中所描绘的牙齿体积来自动地确定旋转中心。
62.大体上，在一些变型中，所确定的旋转中心可以是牙根或其部分的阻力中心。阻力中心可被定义为这样的点，其中单个力(该力的作用线穿过阻力中心)在施加的力的作用线方向上产生牙齿平移。
63.在一个变型中，基于牙齿的解剖学根部的计算的阻力中心来确定牙齿的旋转中
心。如图10a所示，牙齿的解剖学根部(ar)从冠部在牙本质釉质界(dej)处与根部相接处延伸到牙根尖。解剖学根部的体素数据通过患者的体积扫描提供(分离地或在整合式患者模型中)。在这些变型中，牙齿的阻力中心处于沿着解剖学根部的纵向轴线从dej到根尖的距离的约1/3至约1/2之间。这涉及锥体的质心的计算和柱体的质心的计算，因为牙齿的根部形态朝向尖端不均匀地渐缩(有些介于锥体与柱体之间)。图10b示出了基于从dej延伸的解剖学根部沿着纵向轴线(la)的示例性阻力中心(c)的确定。
64.在另一变型中，基于牙齿的功能性根部的计算的阻力中心来确定牙齿的旋转中心。如图11a中描绘的健康(“正常”)牙齿的示意图所示，功能性根部(fr)是牙齿的解剖学根部(图10a中的ar)的较小部分，其从嵴顶骨高度(cbh)延伸到牙根尖，或等效地被骨骼包围的根部的长度(解剖学根部的某些“非功能性”部分可能会延伸到周围骨骼的嵴顶的嵴顶之上)。功能性根部可替代地被定义为具有牙周韧带的与周围骨骼直接接触的接触表面的根部体积。在该变型中，功能性根部的阻力中心处于功能性根部的从功能性根部的基部到根尖的距离的约1/3至约1/2之间。例如，图11b示出了基于功能性根部沿着纵向轴线(la)的示例性阻力中心(c)的确定。具体地，阻力中心(c)位于以虚线示出的嵴顶骨高度(cbh)与根尖之间沿着纵向轴线(la)的距离的约1/3处。因此，在对牙齿进行正畸治疗期间施加力时，预期牙齿围绕阻力中心(c)移动。例如，图11c示出了由于对牙齿施加的力而在预测的围绕阻力中心(c)的旋转中倾斜的牙齿(冠部向前倾斜，根部向后倾斜)的投影视图。
65.在一些情况下，功能性根部在长度上可以与解剖学根部显著不同，诸如对于不健康或异常的牙齿来说。因此，在一些变型中，使用功能性根部而不是解剖学根部来确定阻力中心(作为旋转中心)可能更准确。例如，图12a是被具有降低的高度的嵴顶骨包围的牙齿的示意图。由于嵴顶骨高度(cbh)降低和牙龈退缩，存在很大一部分暴露的解剖学根部(在功能性冠部(fc)与牙龈之间)。因为功能性根部与根部的被嵴顶骨约束的实际部分相关联，所以与使用解剖学根部的旋转中心进行确定相比，使用功能性根部确定旋转中心更有可能表示牙齿的物理移动。例如，图12b示出了基于功能性根部沿着纵向轴线(la)的示例性阻力中心(c)的确定。具体地，阻力中心(c)位于以虚线示出的降低的嵴顶骨高度(cbh)与根部的尖端之间沿着纵向轴线(la)的距离的约1/3处。因此，在对牙齿进行正畸治疗期间施加力时，预期牙齿围绕阻力中心(c)移动。例如，图12c示出了由于对牙齿施加的力而在预测的围绕阻力中心(c)的旋转中倾斜的牙齿(冠部向前倾斜，根部向后倾斜)的投影视图。这种基于使用功能性根部进行确定的预测的移动更可能比基于使用解剖学根部进行确定的类似的预测的移动更准确。
66.在其他变型中，用户可手动选择(例如，放置标记或以其他方式指示)旋转中心(例如，基于视觉检查)。例如，如图13所示，用户可手动选择牙齿的旋转中心作为用户选择的位置，其可沿着牙齿的纵向轴线位于距根尖的某一优选的距离处(或与根尖一致)。
67.包围牙齿的骨骼的体积数据的体素密度可以较大或较小，因为患者的骨骼的反射或多或少地密集。因此，周围骨骼的体素数据的密度可影响移动牙齿所需的力的量值和/或方向，并且/或者可影响患者的颌骨的牙槽骨或皮质骨内牙齿移动的极限。因此，牙齿的旋转中心可至少部分地基于与包围牙齿的骨骼相对应的体素密度。
68.确定牙齿的旋转中心的上述变型中的任一个变型可被自动地执行或呈现给用户(例如，在软件应用内)作为供选择的选项。此外，在一些变型中，可执行确定牙齿的旋转中
心的上述变型中的两个或更多个变型，并且可对其结果求平均以生成牙齿的平均旋转中心。附加地或替代地，可执行确定牙齿的旋转中心的上述变型中的任何一个或多个变型，并且如果期望的话，可由用户手动地调整所得位置(例如，沿着牙齿的纵向轴线向上或向下)。
69.患者面部表型分析
70.往往会影响正畸治疗的复杂性的一个变量是患者的面部表型。有两种极端表型以相反的方式与正常表型相异：短头型和长头型。这两种表型可通过头骨(即头骨的脏颅)发育的程度和方向来标识。这些质量可被直接计算出来以及/或者从患者的体积扫描数据内的形态特征推断出来。这些表型会影响在正畸治疗期间为了牙齿移动而对牙齿施加的力的量值和方向以及正畸装置的设计。例如，面部表型数据可影响牙齿必须如何移动以便矫正或掩蔽与正常的牙齿关系的差异。换句话说，如果患者是短头型而不是长头型，则相同的牙齿关系可能需要不同的治疗，反之亦然。
71.短头型个体的头骨的特征在于面部较短且较宽。另外的特征通常包括：颌部肌肉组织较强壮，颌骨较致密，咬力增加以及特征性的咬合关系，诸如深覆牙合。这些个体往往具有与正常个体相比相对于头骨成不同角度的低度发散的下颌骨。这种面型对牙齿造成的后果包括：正畸治疗的复杂性增加，治疗的难度更大，以及上门牙与下门牙之间磨损的风险增加。因此，在一些变型中，诸如本文所述的那些正畸治疗计划方法和系统可用于为短头型个体提供更准确和更高效的正畸治疗。
72.长头型个体的头骨的特征在于面部较长、较窄。另外的特征包括：颌部肌肉组织较瘦弱，骨骼较不密集，咬力减小以及特征性的咬合关系，诸如开牙合。这些个体往往具有与正常个体相比相对于头骨成不同角度的高度发散的下颌骨。这种面型可与面部发育期间的鼻气道阻塞相关联。这种面型对牙齿造成的后果包括：正畸治疗的复杂性增加，治疗的难度更大，以及上后牙与下后牙之间磨损的风险增加。因此，在一些变型中，诸如本文所述的那些正畸治疗计划方法和系统可用于为长头型个体提供更准确和更高效的正畸治疗。
73.治疗计划
74.如本文所述，利用整合式患者模型(作为口内表面扫描数据和体积扫描数据的组合)使得能够更准确地标识患者牙齿真实的旋转中心，从而与仅使用例如口内表面扫描数据的常规治疗计划方法相比，提高正畸治疗计划的准确性并减少整体正畸治疗时间。例如，可仅基于口内表面扫描数据来确定牙齿的纵向轴线(例如，标识在至少两个平面中将牙齿的表面外观大致分成两半的纵向轴线)，并且可标识沿着纵向轴线的旋转中心以用于治疗计划目的。然而，口内表面扫描数据无法捕获牙齿的冠部和根部形态的变化。因此，用于牙齿的这种纵向轴线(以及基于纵向轴线确定的旋转中心)往往会是不准确的，从而导致治疗不太有效。相比之下，如本文所述，可基于并入有口内表面扫描数据和体积扫描数据两者的整合式患者模型来确定牙齿的纵向轴线。用于牙齿的这种纵向轴线(以及基于纵向轴线确定的旋转中心)往往会更准确，从而引致治疗更有效和更高效。因此，在一些变型中，本文所述的方法可包括至少部分地基于一颗或多颗牙齿的确定的旋转中心生成合适的治疗计划。
75.在一些变型中，治疗计划可包括生成一系列具有牙齿接收腔的一个或多个矫治器托盘，每个矫治器托盘对应于相应的牙齿排列，使得以特定顺序(例如，每一周、每两周、每三周或其他合适的时间段一个托盘)佩戴该一系列矫治器托盘的患者经历其齿列从原始牙齿排列到期望的或作为目标的牙齿排列的逐渐转变。矫治器托盘的形式可对应于围绕如上
所确定的相应旋转中心逐渐移动一颗或多颗牙齿中的每颗牙齿的不同阶段。例如，每个矫治器托盘可对应于相应的牙齿排列，使得该一系列矫治器托盘根据牙齿的旋转中心在治疗路径中逐渐移动牙齿以进行自然移动。矫治器托盘可例如由刚性或半刚性聚合物形成(例如，通过真空成型、注塑成型、3d打印等)。可将矫治器托盘单独地(例如，根据预确定的间隔一次一个地装运)或以一个或多个组的形式提供给患者。
76.图14描绘了与患者齿列的口内表面扫描数据相对应的示例性模型。分析表面扫描信息以确定穿过门牙(t)的纵向轴线(la1)。如图14所示，用于患者的治疗计划涉及门牙(t)围绕纵向轴线(la1)进行50度旋转。然而，如描绘患者齿列的体积扫描图像的图15所示，纵向轴线(la1)基本上成角度地偏离门牙(t)的根部(r)的大体轴线，表明所确定的纵向轴线(la1)对于门牙(t)来说是不准确或不正确的。
77.相比之下，图16描绘了叠加患者的齿列的口内表面扫描图像和体积扫描图像的示例性部分整合式患者模型。具体地，图16描绘了包括门牙(t)的表面扫描图像和描绘门牙(t)的根部(r)的体积扫描图像的一部分的部分整合式患者模型。分析整合式患者模型以确定穿过门牙(t)并沿着根部(r)的纵向轴线(la2)。在沿着纵向轴线(la2)从降低的嵴顶高度到根部的尖端的1/3距离处选择旋转中心(阻力中心(c))(类似于上文参照图12a至图12c所描述的)。图17描绘了患者的治疗阶段，其涉及门牙(t)围绕纵向轴线(la2)进行50度旋转。
78.因为用于门牙(t)的纵向轴线(和旋转中心)在与图14(仅口内表面扫描)和图16(并入有口内表面扫描和体积扫描两者的整合式患者模型)相关联的治疗计划方法中是不同的，所以门牙(t)围绕这些不同的轴线和旋转中心的旋转路径也是不同的。图18a描绘了图14和图17中描绘的门牙(t)的旋转的叠加，并且示出了与纵向轴线(la2)相比纵向轴线(la1)的相对不准确性。另外，图18b汇总了仅基于口内表面扫描数据的纵向轴线(la1)中的显著误差(其与确定的旋转中心中的误差相关联)。如图18b的表格所示，仅使用口内表面扫描引致确定具有大约12.42度的唇舌向倾斜误差、大约11.56度的近中远侧测角误差和大约47.29度的旋转误差的纵向轴线(la1)。此外，仅使用口内表面扫描引致确定具有从la2中的旋转中心作为起点测量的平移误差、包括大约2.95mm的左/右误差、大约3.17mm的向前/向后误差和大约0.64mm的伸长/压低误差的纵向轴线(la1)。
79.用于正畸治疗计划的系统
80.图2示出了用于正畸治疗计划的示例性系统的各种部件。具体地，示例性系统可包括一般计算装置230，该一般计算装置包括一个或多个处理器240、一个或多个存储装置250、一个或多个网络通信装置260、一个或多个输出装置270和/或一个或多个用户接口280。示例性一般计算装置包括台式计算机、膝上型计算机和移动计算装置(例如，平板电脑、手机)。
81.处理器240可以是被配置成运行和/或执行指令集或代码的任何合适的处理装置，并且可包括一个或多个数据处理器、图像处理器、图形处理单元、物理处理单元、数字信号处理器和/或中央处理单元。处理器可以是例如通用处理器、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)等。处理器可被配置成运行和/或执行与系统和/或关联于系统的网络相关联的应用进程和/或其他模块、进程和/或功能。下面的装置技术可以各种部件类型(例如，mosfet技术，如互补金属氧化物半导体(cmos)；双极技术，如射极耦合逻辑(ecl)；聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)；混合的模拟和数字等)来提供。
82.在一些变型中，存储器250可包括数据库并且可以是例如随机存取存储器(ram)、存储器缓冲器、硬盘驱动器、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除只读存储器(eeprom)、只读存储器(rom)、闪存等。存储器可存储指令以使处理器执行模块、进程和/或功能，诸如扫描数据处理和对准。在一些变型中，存储器250可完全地接收口内表面扫描数据212和/或体积扫描数据222(例如，由扫描仪特定软件生成的dicom文件)。附加地或替代地，存储器250可部分地接收口内表面扫描数据212和/或体积扫描数据222，诸如直接从口内扫描仪210和/或体积扫描仪220实时地或近实时地馈送数据。
83.本文所述的一些变型涉及具有非暂时性计算机可读介质(也可称为非暂时性处理器可读介质)的计算机存储产品，其具有用于在其上执行各种计算机实现的操作的指令或计算机代码。计算机可读介质(或处理器可读介质)从其不包括暂时性传播信号本身(例如，在诸如空间或线缆的传输介质上传送信息的传播电磁波)的意义上说是非暂时性的。介质和计算机代码(也可称为代码或算法)可以是为特定目的设计和构造的那些。
84.非暂时性计算机可读介质的实例包括但不限于：磁存储介质，诸如硬盘、软盘和磁带；光存储介质，诸如光盘/数字视频光盘(cd/dvd)；光盘只读存储器(cdrom)和全息装置；磁光存储介质，诸如光盘；固态存储装置，诸如固态驱动器(ssd)和固态混合驱动器(sshd)；载波信号处理模块；以及硬件装置，其被专门配置成存储和执行程序代码，诸如专用集成电路(asic)、可编程逻辑装置(pld)、只读存储器(rom)和随机存取存储器(ram)装置。本文所述的其他变型涉及计算机程序产品，其可包括例如本文公开的指令和/或计算机代码。
85.本文所述的系统、装置和/或方法可由软件(在硬件上被执行)、硬件或它们的组合执行。硬件模块可包括例如通用处理器(或微处理器或微控制器)、现场可编程门阵列(fpga)和/或专用集成电路(asic)。软件模块(在硬件上被执行)可用多种软件语言(例如，计算机代码)来表达，包括c、c 、python、ruby、visual和/或其他面向对象的程序性语言或其他编程语言和发展工具。计算机代码的实例包括但不限于微代码或微指令、机器指令(诸如由编译器产生)、用于产生网络服务的代码以及含有由计算机使用解释器执行的高级指令的文件。计算机代码的其他实例包括但不限于控制信号、加密代码和压缩代码。
86.此外，一个或多个网络通信装置260可被配置成通过有线或无线连接将一般计算装置连接到另一个系统(例如，口内扫描仪210、体积扫描仪220、互联网、远程服务器、数据库等)。在一些变型中，一般计算装置可经由一个或多个有线或无线网络与一个或多个其他一般计算装置通信。在一些变型中，通信装置可包括射频接收器、发射器和/或光学(例如，红外)接收器和发射器，其被配置成与一个或多个装置和/或网络通信。在示例性变型中，网络通信装置260可包括蜂窝调制解调器(例如，3g/4g蜂窝调制解调器)，使得其有利地不依赖于互联网无线保真(wifi)访问来进行连接。
87.替代地，无线通信可使用多种通信标准、协议和技术中的任一种，包括但不限于：全球移动通信系统(gsm)、增强型数据gsm环境(edge)、高速下行链路分组接入(hsdpa)、高速上行链路分组接入(hsupa)、evolution、data-only(ev-do)、hspa、hspa 、dual-cell hspa(dc-hspda)、长期演进(lte)、近场通信(nfc)、宽带码分多址(w-cdma)、码分多址(cdma)、时分多址(tdma)、蓝牙、wifi、互联网协议语音(voip)或任何其他合适的通信协议。在一些变型中，本文的装置可直接彼此通信，而不通过网络(例如，通过nfc、蓝牙、wifi、
rfid等)传输数据。例如，装置(例如，一个或多个计算装置、口内扫描仪210和/或体积扫描仪220等)可在成对连接(1:1的关系)中或在星型连接或广播连接(“一对多”或1:m的关系)中彼此直接通信。作为另一实例，装置(例如，一个或多个计算装置和/或口内扫描仪210和/或体积扫描仪220等)可通过网状联网连接(例如，“多对多”或m:m的关系)(诸如通过蓝牙网状联网)彼此通信。
88.如上所述，系统中的计算装置可包括一个或多个输出装置270，诸如用于与用户对接的显示器和/或音频装置。例如，输出装置可包括显示器，其容许用户查看整合式患者模型、治疗计划步骤和/或与用于正畸治疗的诊断和/或治疗计划有关的其他合适的信息。在一些变型中，输出装置可包括显示装置，该显示装置包括以下中的至少一者：发光二极管(led)、液晶显示器(lcd)、电致发光显示器(eld)、等离子体显示板(pdp)、薄膜晶体管(tft)、有机发光二极管(oled)、电子纸张/电子墨水显示器、激光显示器和/或全息显示器。在一些变型中，音频装置可包括以下中的至少一者：扬声器、压电音频装置、磁致伸缩扬声器和/或数字扬声器。
89.计算装置还可包括一个或多个用户接口280。在一些变型中，用户接口可包括输入装置(例如，触摸屏)和输出装置(例如，显示装置)，并且被配置成接收输入数据。输入数据可包括例如图像扫描数据的选择(例如，用于旋转、横截面观察、分割和/或其他合适的操纵)、标记的选择或放置(例如，以如上所述促进表面扫描数据和体积扫描数据的配准和/或促进模型分割)和/或与用户接口的其他交互。例如，输入装置(例如，键盘、按钮、触摸屏)的用户控制可由用户接口接收，并且然后可由处理器和存储器处理。输入装置的一些变型可包括被配置成生成控制信号的至少一个开关。例如，输入装置可包括触摸表面，以供用户提供对应于控制信号的输入(例如，手指接触触摸表面)。包括触摸表面的输入装置可被配置成使用多种触敏技术中的任一种来检测触摸表面上的接触和移动，该多种触敏技术包括电容技术、电阻技术、红外技术、光学成像技术、分散信号技术、声脉冲识别技术和表面声波技术。在包括至少一个开关的输入装置的变型中，开关可包括例如以下中的至少一者：按钮(例如，硬键、软键)、触摸表面、键盘、模拟棒(例如，操纵杆)、定向垫、鼠标、追踪球、转点通、步进开关、摇杆开关、指针装置(例如，触笔)、运动传感器、图像传感器和传声器。运动传感器可从光学传感器接收用户移动数据，并将用户手势归类为控制信号。传声器可接收音频数据并将用户语音识别为控制信号。
90.出于解释的目的，前文描述使用特定的命名法来帮助透彻理解本发明。然而，对于本领域技术人员而言将明显的是，实践本发明不需要具体细节。因此，出于说明和描述的目的而呈现本发明的具体实施方案的前述描述。这些具体实施方案并非旨在详尽无遗或将本发明限于所公开的精确形式；显然，鉴于上述教导，许多修改和变型是可能的。选择和描述实施方案是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够利用本发明和具有适合于设想的特定用途的各种修改的各种实施方案。以下权利要求及其等同物旨在定义本发明的范围。