技术领域
[0001] 本发明涉及优化设计方法，特别涉及一种基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法。
相关背景技术
[0002] 近年来隐形正畸技术快速发展，隐形正畸技术是患者通过佩戴不同形状的隐形矫治器，隐形矫治器依靠发生轻微的弹性变形力逐步使患者的牙齿按照技师矫正方案移动，从而最终实现患者牙齿的正畸治疗。
[0003] 隐形正畸矫治器是通过牙科膜片在压膜机上热压成型而成，牙科膜片分为单层牙科膜片和多层牙科膜片，隐形正畸矫治器也相应分为单层隐形正畸矫治器和多层隐形正畸矫治器，其中多层牙科膜片和多层隐形矫治器的应力松弛率低于单层牙科膜片和单层隐形矫治器的应力松弛率，在隐形矫正行业属于高端医疗耗材。多层牙科膜片一般通过多层共挤设备制备而成，也就是先挤出单层牙科膜片，然后在共挤设备中共挤得到一体的多层牙科膜片，然而这种多层共挤设备制作费用昂贵，对于一般的隐形正畸厂家来说成本过高。
[0004] 为降低成本，如申请号为CN202310979472.5(申请公开号为CN116849845A)的中国发明专利公开了一种低成本多层牙科膜片和矫治器及其制造方法，虽然该专利通过叠合2张或2张以上的单层牙科膜片在现有压膜机上直接制作，免去了昂贵的多层共挤设备制作和加工费用，成本低；然而这种假性复合多层矫治器在复杂的一些矫治方案中会存在层间相互滑动移位的情况，从而影响矫治效果，因此亟需对假性复合多层矫治器进行结构优化设计；但是由于多层矫治器结构具有复杂非线性特点，导致结构优化设计方面缺乏理论设计方法，因此现有技术往往采用经验和试错方法，成本高、周期长。为此需要对现有技术作进一步的改进。
具体实施方式
[0016] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0017] 如图1所示，本实施例中基于有限元分析的假性复合多层矫治器结构优化设计方法包括依次相连接的有限元几何建模模块、有限元物理建模模块、有限元计算模块和结果分析评判模块。其中有限元几何建模模块用于对多个不同结构的假性复合多层矫治器进行几何建模，构建多个假性复合多层矫治器的有限元几何模型；有限元物理建模模块用于设置每个假性复合多层矫治器的层间界面摩擦系数；有限元计算模块用于计算每个不同结构的假性复合多层矫治器不同层材料的应力和位移；结果分析评判模块用于对每个假性复合多层矫治器不同层材料的应力和位移进行分析和评判，获取优化设计后的假性复合多层矫治器结构。本实施例中的有限元计算模块采用静力通用程序。
[0018] 如图4所示，本实施例中每个假性复合多层矫治器的矫治器均为3层，图4中的左图为右图中假性复合多层矫治器的局部放大图；有限元几何建模模块的几何建模过程为：获取患者牙齿和整体颌骨的原始DICOM数据，并对原始DICOM数据进行处理获得牙齿和整体颌骨的STL数据；
对牙齿和整体颌骨的STL数据进行处理，获得牙周膜STL数据；
对整体颌骨与牙齿进行布尔相减运算，得到牙窝结构颌骨；并对牙窝结构颌骨与牙周膜进行布尔相减运算得到牙槽骨STL数据；
绘制一定形状的固位结构并存储为STL数据，在特定软件中选择一个合适大小的牙齿作为牙龈，利用复制和移动功能对牙列间隙进行填充，同时导入一定形状的固位结构在特定的牙齿位置，根据模拟的矫治方案移动相应的牙齿，然后对所有牙齿、牙龈和固位结构进行布尔运算形成一个整体，采用绘制曲线功能在整体上绘制一个矫治器形状曲线；
将矫治器形状曲线转化为界线后，选择矫治器形状曲线包围的曲面S，对选择好的曲面S进行抽壳N1 mm，获得M1矫治器的STL数据；对选择好的曲面S进行抽壳N2 mm，获得M2矫治器的STL数据；对选择好的曲面S进行抽壳N3 mm，获得M3矫治器的STL数据，其中N1、N2和N3均为常数，且N1>N2>N3；
将M1矫治器的STL数据和M2矫治器的STL数据进行布尔相减运算并进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的外层矫治器STL数据；
将M2矫治器的STL数据和M3矫治器的STL数据进行布尔相减运算并进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的中层矫治器STL数据；
对M3矫治器的STL数据进行网格优化去噪，获得假性复合多层矫治器的内层矫治器STL数据；
将假性复合多层矫治器的外层矫治器STL数据、假性复合多层矫治器的中层矫治器STL数据和假性复合多层矫治器的内层矫治器STL数据分别转化为SAT格式数据，即得到假性复合多层矫治器的外层矫治器的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的中层矫治器的有限元几何模型和假性复合多层矫治器的内层矫治器的有限元几何模型。
[0019] 本实施例中采用口扫设备获取患者牙齿和整体颌骨的原始DICOM数据，并且将患者牙齿和整体颌骨的原始DICOM数据导入Mimics软件进行图像切割、调整阈值上下限处理获得牙齿和整体颌骨的STL数据；上述的Mimics软件为现有技术中的医学影像处理软件。
[0020] 本实施例中通过将牙齿和整体颌骨的STL数据导入Geomagic Studio逆向工程软件，对牙齿进行抽壳并与整体颌骨进行布尔相交运算获得牙周膜STL数据。上述的Geomagic Studio逆向工程软件是现有软件，可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。
[0021] 本实施例中在Creo软件绘制一定形状的固位结构，该Creo软件为现有技术中的三维软件，特定软件为Geomagic Studio软件；如图2所示，固位结构为圆柱形；如图3所示，固位结构为方柱形； 如图2和图3所示，牙槽骨标号为1，圆柱形固位结构标号为2，牙龈的标号为3，牙齿的标号为4，方柱形固位结构的标号为5。
[0022] 本实施例中可以将假性复合多层矫治器的外层矫治器STL数据、假性复合多层矫治器的中层矫治器STL数据和假性复合多层矫治器的内层矫治器STL数据分别导入Rhinoceros软件，并分别通过Rhinoceros软件转化为SAT格式数据。该Rhinoceros软件是现有技术中以NURBS*为理论基础的 3D 造模软件，可以建立、编辑、分析及转译 NURBS，以直线、圆弧、圆圈、正方型等基本数学 2D 图形来做仿真。
[0023] 当然，该有限元几何建模模块还包括分别对牙列、牙周膜和牙槽骨进行几何建模；有限元几何建模模块还包括牙列、牙周膜和牙槽骨的几何建模过程，具体为：获取牙齿的STL数据、牙周膜的STL数据和牙槽骨的STL数据，并将牙齿的STL数据、牙周膜的STL数据和牙槽骨的STL数据分别转化为SAT格式数据，即得到牙齿的有限元几何模型、牙周膜的有限元几何模型和牙槽骨的有限元几何模型。本实施例中也采用Rhinoceros软件将STL数据转换成SAT格式数据。
[0024] 有限元物理建模模块的具体建模过程为：将牙齿的有限元几何模型、牙周膜的有限元几何模型、牙槽骨的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的外层矫治器的有限元几何模型、假性复合多层矫治器的中层矫治器的有限元几何模型和假性复合多层矫治器的内层矫治器的有限元几何模型均导入到有限元软件中；
在有限元软件中分别对牙齿、牙周膜和牙槽骨、假性复合多层矫治器的外层矫治器、假性复合多层矫治器的中层矫治器和假性复合多层矫治器的内层矫治器的材料本构参数进行赋值；本实施例中牙齿、牙周膜和牙槽骨的材料本构参数为现有技术，在此不再展开赘述；而假性复合多层矫治器的外层矫治器、假性复合多层矫治器的中层矫治器和假性复合多层矫治器的内层矫治器的材料本构参数是根据设计的弹性模量和泊松比进行赋值，本发明中材料本构选用线弹性本构方程；
并将牙齿、牙周膜内侧、牙周膜外侧和牙槽骨设置为绑定约束；将牙齿和假性复合多层矫治器的内层矫治器、假性复合多层矫治器的内层矫治器和假性复合多层矫治器的中层矫治器、假性复合多层矫治器的中层矫治器和假性复合多层矫治器的外层矫治器均设置为接触，并以罚函数模拟接触摩擦系数，假性复合多层矫治器的不同层间摩擦系数对应不同层间的粗糙度结构设计；对牙槽骨进行完全固定约束，其余为自由约束；网格采用四面体网格划分。
[0025] 结果分析评判模块的具体评判过程为：如果假性复合多层矫治器不同层材料的最大应力大于第一预定阈值，或者假性复合多层矫治器不同相邻层相互错位移动的位移大于第二预定阈值，则说明该假性复合多层矫治器结构在模拟的矫治方案中不合适，需调整固位结构位置、固位结构形状和假性复合多层矫治器层间摩擦系数，直至假性复合多层矫治器不同层材料的最大应力小于第一预定阈值且假性复合多层矫治器不同相邻层相互错位移动的位移数据小于第二预定阈值，则获得优化设计后的假性复合多层矫治器结构。本实施例中第一预定阈值的取值范围为200‑400MPa，第二预定阈值的取值范围为0.1‑0.5mm；根据不同矫治情形，该第一预定阈值和第二预定阈值可作改变。本实施例中可在有限元分析前通过实验测量不同层间粗糙度结构的摩擦系数，以便在有限元分析中得到合适的摩擦系数后可知对应的层间的粗糙度结构。
[0026] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
