[发明专利]无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法

权利要求书

1.无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据拔牙矫治患者临床资料采用计算机设计矫治器模型；

步骤2、根据步骤1所设计的矫治器模型，预设优化条件；

步骤3、对矫治器模型进行三维有限元仿真及拓扑优化以获取矫治器模型的三维模型数据；

步骤4、根据三维模型数据对矫治器模型进行再设计以获得再设计矫治器模型，根据拓扑优化计算得到的矫治器结果，输出外形数据，结合加工工艺要求利用设计软件完成外形修正，建立矫治器网格模型并替换原始矫治器模型；

步骤5、对再设计矫治器模型进行三维有限元仿真及拓扑优化以获取再设计矫治器模型的三维模型数据：

步骤6、若再设计矫治器模型的三维模型数据不满足设计要求，则返回步骤3，若再设计矫治器模型的三维模型数据满足设计要求，则将再设计矫治器模型的三维模型数据输出为优化后矫治器三维模型；

步骤7、对优化后矫治器三维模型进行修改，若修改后仍不满足使用要求，则返回步骤3；若修改后满足使用要求，即可根据修改后的矫治器三维模型进行矫治器加工制作。

2.根据权利要求1所述的无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法，其特征在于，在所述步骤2中，预设优化条件时，在牙冠和牙根典型位置，牙冠和牙根典型位置为牙冠牙尖与单根牙的根尖或多跟牙的根分叉处，预制监控点，以牙冠和牙根典型位置位移差为控制指标，设置控制参数，则：

{Δ}＝{U_topi-U_boti} (1)

其中，Δ为牙齿牙冠和牙根典型位置差值，U_topi为牙冠特征位置在i方向的位移，U_boti为牙根特征位置在i方向的位移；i为三维不同方向：x向、y向和z向，即沿牙弓弧线的近远中向、垂直于牙弓弧线的颊舌向和垂直向，依据每颗牙的位置分别建立相应坐标系。

3.根据权利要求2所述的无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法，其特征在于，在所述步骤3中，对矫治器模型进行三维有限元仿真及拓扑优化以获取矫治器模型的三维模型数据时，依据患牙处CT影像数据、材料参数、载荷约束条件、以及相互作用条件，建立包括牙齿、牙周膜、附件和矫治器整体计算模型；根据拓扑优化的方法，设定优化区域为空泡区域的整体结构，以优化区域的体积为变化量，设置步骤2中的位移差为优化目标，进而利用拓扑优化算法完成初步计算；

根据上述条件，建立拓扑优化数学方程：

其中，Φ为刚度，V为拓扑优化后剩余体积，V_set为设置的体积保留值，Δ为牙齿牙冠和牙根典型位置差值，Δ_set为设置的误差允许值；其中，误差的判定可以选取单一方向对比或多方向复合值对比；

通过上述数学方程，在达到残余体积和位移误差前，一直迭代求解。

4.根据权利要求3所述的无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法，其特征在于，在所述步骤5中，对再设计矫治器模型进行三维有限元仿真时，替换原模型中的矫治器，建立三维仿真计算模型，利用位移控制参数，评价再设计模型计算结果；并且增加拓扑优化迭代结果与重新设计结果的变化幅度要求ε；

其中，Δ_redesign为重新设计后的仿真模型位移差值，Δ为原拓扑优化迭代模型位移差值。

5.根据权利要求1所述的无托槽隐形矫治器缺牙间隙空泡形态实时拓扑优化方法，其特征在于，在所述步骤3中，采用计算机将矫治器模型进行网格化，过程中纳入预设的材料学参数和三维有限元工况相关参数，从而获得矫治器模型的三维模型数据；

材料学参数包括牙、牙周膜、颌骨、以及矫治器的泊松比与弹性模量，三维有限元工况相关参数包括牙齿与矫治器的摩擦力、以及模型间接触条件参数。