本文是一篇工程硕士论文，本研究首先从隐形矫治器制作工艺的误差分析开始，对隐形矫治器精度进行测量与工艺优化；其次，采用实测法和有限元理论分析法共同对隐形矫治器作用下上颌双侧中切牙舌向整体平移 0.35 mm 的矫治力大小进行研究。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
早期，口腔医生通过 CT（计算机断层扫描）、MRI（磁共振成像）等扫描技术获得患者的口腔三维虚拟医学影像进行辅助诊断。尽管这些工具非常有帮助，但在研究口腔解剖结构的完整性上，它们无法提供 3D 实体模型可以提供的优势。而 3D 打印技术能够快速制作精微的患者解剖结构的物理副本，是扫描技术的天然补充，改变了口腔临床治疗的思路和方式，因此其在口腔医疗领域的推广与应用非常迅速。
无托槽隐形矫治器正是基于光固化 3D 打印这一技术制作的新型正畸矫治器具，与传统的固定式托槽矫治器相比，其制作流程简单高效，使用起来美观方便、安全舒适等优点而被临床医生和错颌畸形患者所喜爱[1-2]。无托槽隐形矫治作为当下最为热门的正畸矫治技术之一，其发展历史较为久远。早在1945 年，Kesling[3]提出用弹性覆盖式活动矫治器，对患者口腔牙齿的咬合平衡关系或者间隙进行微细调整；Ponitz[4]在 1971 年，结合真空负压压膜设备成功地制作了保持器，随后Rinchuse[5]、McNamara[6]、Sheridan[7]和 Lindauer[8]等人开始将石膏模型作为母模压膜得到矫治器，但是其制作过程比较复杂且牙齿只能小幅度的移动而未被推广应用。直到 1997 年，美国 Align 公司配合先进的光学扫描技术首次完成了隐形矫治器的研制，开发出了Invisalign®隐形正畸矫治系统，并于 1998 年实现其商业化应用[9]。国产隐形正畸矫治系统起步较晚，2004 年研发成功并逐步投入正畸临床应用[10-12]。
传统口腔诊断中，齿科医生主要以石膏模型作为交流和辅助治疗方案设计的工具，首先需要临床医生制取患者牙颌印模，再交由技师灌注石膏冷却成型[13]，石膏模型较为笨重且不方便医生与患者交流。随着光固化 3D 打印技术和数字化测量技术的进步以及各种扫描仪设备的出现，牙颌数字化模型、口腔医学模型、隐形矫治器等应用逐渐成熟[14]。
1.2 光固化 3D 打印技术研究现状
经过 30 多年的发展，光固化成型技术由最初的激光点-线-面扫描成型的 SLA(stereolithograph)立体光刻工艺，发展到 DLP(digital light processing)数字光处理投影、双紫外臭氧动态掩模固化技术等面曝光成型工艺。有学者将现有的光固化技术按照打印成型速度分为光固化打印和超高速光固化打印技术，并对各种技术的优缺点及应用展开了详细综述 [16]。
第 2 章 隐形矫治器制作误差分析及其精度控制
2.1 隐形矫治器制作误差分析
2.1.1 口腔印模和石膏模型制取误差
现阶段来说，制取口腔印模依然是整个隐形正畸矫治过程中最重要的一个临床步骤。好的印模能够确保临床医生对牙齿解剖形态有清晰直观的认识，同时也可以保证矫治器的原型精度。此道工序的整体误差与印模材料的性能和牙医的取印膜手法、熟练度有关。
印模是用来准确记录口腔组织的大小以及空间关系的临床医疗模型[38]。表 2-1为常见印模材料的主要性能参数。
为确保口腔印模精密高，医生通常采用二次或多次取印模法制取印模。对制取好的印模进行检查，判断印模材料与托盘有无分离，是否存在分层现象；牙冠有效区域是否光滑，表面有无印模材料粘附以及有无气泡和撕裂等情况。检查无误后消毒备用，图 2-1 为制取好的印模。
石膏模型一般由专业技工制作完成，石膏模型的精度由印模精度和石膏模型的固化工艺决定，在保证印模精度的前提下，石膏模型的固化是控制石膏模型精度的关键点。本实验制作的石膏模型材料是半水硫酸钙，应注意石膏粉和水的比例粘稠适中，待搅拌均匀后，对印模进行浇注，患者牙冠部分的细节应当清晰，图 2-2 为制作好的石膏模型。
2.2 树脂牙模精度测量实验
由以上分析可知，在隐形矫治器的制作过程中，口腔牙颌三维数据采集的误差主要来源于印模或者石膏模型的质量以及扫描设备的精度，目前来说采取高精度的扫描设备可以有效提高数据的准确性。而 3D 打印树脂牙颌母模以及压膜工艺是直接参与矫治器实物成型制作的，它们的综合误差直接决定了隐形矫治器最终的制造精度。
隐形矫治器原材料的牙胶片只有 0.5~1 mm 的厚度，在进行压膜成型时，由于牙颌模型牙冠与基托底部存在的高度差，成型的矫治器会比牙胶片更薄，贴合程度比较高。因此本研究扫描压膜分离后的树脂牙模表面轮廓数据与原始牙颌模型数据在逆向工程软件中进行三维偏差分析，根据检测结果从而间接判断隐形矫治器的制作精度。
2.2.1 实验方法与步骤
实验仪器与设备以及实验材料如 2.3 章节统一所述，具体实验步骤如下：同一个牙颌模型整网版打印 80 个树脂牙模，随机挑选 6 个作为测试对象。其中三个喷涂显影剂后，直接进行光栅扫描，扫描数据为实验组 B 组；剩下三个压膜分离后，喷涂显影剂再进行光栅扫描，扫描数据为实验组 C 组。
将扫描仪获取的实验组数据，以原始数据 a0 为对照组依次在逆向工程软件Geomagic control x 中配准对齐后进行 3D 偏差检测分析。统计两者在 0.1 mm 公差范围内的重合百分占比率，对应的由 1 减去重合百分占比率即为牙模变形比率。
第 3 章 隐形矫治器三维数字化建模.............................22
3.1 上颌牙齿-牙槽骨逆向重建.................................... 22
3.2 牙冠拟合............................... 23
第 4 章 隐形矫治力三维有限元分析...............................28
4.1 材料和方法............................... 28
4.1.1 赋予材料属性.......................................28
4.1.2 划分网格.......................28
第 5 章 隐形矫治力实验研究.....................................39
5.1 材料和方法................................... 39
5.2 实验内容和步骤......................................... 40
5.3 实验结果及数据处理................................... 42
第 5 章 隐形矫治力实验研究
5.1 材料和方法
本实验研究对象与上章节有限元分析对象为同一个志愿者，在专业排牙软件中以 CBCT 为参照将他的口腔模型上颌中切牙舌向整体平移 0.35mm，按照第 2 章的操作所述，光固化打印树脂牙颌模型并通过压膜制取隐形矫治器实体，矫治器的材料性能指标如表 5-1 所示：
结语
隐形矫治器的数字化制作和批量化生产，是光固化 3D 打印技术在口腔医疗领域中应用最为成熟的代表。本研究首先从隐形矫治器制作工艺的误差分析开始，对隐形矫治器精度进行测量与工艺优化；其次，采用实测法和有限元理论分析法共同对隐形矫治器作用下上颌双侧中切牙舌向整体平移 0.35 mm 的矫治力大小进行研究，取得的结论如下：
1.基于 SLA 光固化 3D 打印的隐形矫治器，在制作过程中的精度主要由树脂牙模的成型精度以及力学性能决定，经 400 W 微波热处理后的树脂牙模力学性能显著提高，在压膜后树脂牙模变形量相比降低了 5%。
2.CBCT 逆向重建的牙颌模型与光栅扫描获得的高精度牙冠通过点、局部配准的 RMS 小于 CT 图像体素 0.25 mm，通过覆形法获得隐形矫治器的几何模型，并建立高仿真度的口腔牙颌三维有限分析模型。
3.状态非线性算法求解隐形矫治器作用下上颌中切牙舌向平移 0.35 mm 工况下时，隐形矫治器前牙部分唇侧有较大变形，后牙区的变形量较少；上颌中切牙的等效应力最大，其次为尖牙；中切牙的牙周膜压应力集中分布在舌侧颈部及唇侧根部 1/3 区域，张应力集中分布在舌侧根部 1/3 以及唇侧颈部区域；上颌中切牙有舌向倾斜移动的趋势，旋转中心位于牙根底部 1/3 处。
4.电阻应变片法测得树脂牙模戴上中切牙相同位移预设量隐形矫治器，其上颌中切牙牙冠不同区域的应变大小并不相同，牙冠唇侧应变明显要大于舌侧；随着膜片厚度的增加，牙冠的应变量也随之增加，0.75 mm 的膜片应变量适中。
参考文献（略）