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摘要

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基于生物力学的口腔正畸数字孪生可视化研究

牙齿错颌畸形在我国儿童以及青少年间的发病率高达67.82%，牙齿的畸形

不单单影响面部情绪的表达，更在一定程度上阻碍口腔功能的正常使用，包括

咀嚼、吞咽、发音等功能。随着生活水平的提高以及保健意识的不断增强，越

来越多人通过牙齿正畸来获得正常牙齿功能、提高美观度。传统的牙齿正畸治

疗周期较长，患者需要多次往返医院对矫治器调整以适应自身口腔结构，而且

并不能预见治疗结果，这个过程需要患者具有良好的耐心且高度配合。现如今，

数字孪生技术已经得到工业界、学术界和政府部门的广泛认可，在医疗健康领

域，学者同样使用数字孪生技术构建虚拟人体、器官等检测、改善人类健康。

依托于数字孪生技术的口腔正畸可以将物理世界患者的口腔模型映射到数字世

界，在数字世界可视化口腔正畸结果，为治疗医师个性化的治疗方案提供参考，

提高患者主动进行口腔正畸治疗的积极性，进一步推动口腔正畸的智能化、数

字化发展。

本文构建基于生物力学的口腔正畸数字孪生可视化过程，在有限元分析的

基础之上，添加了固定边界以及最小势能原理边界条件，从位移和应力的角度

可视化口腔正畸的结果，对口腔正畸过程中的生物力学的运用进行生动的展现，

形成物理世界与数字世界虚实交互、相互影响的闭环回路。

口腔正畸数字孪生可视化过程从物理世界出发，将患者真实的头部中下段

CBCT切片数据作为起点。提取牙齿以及上下颌骨作为本文使用的口腔模型，在

整个过程中口腔模型的主体结构和位置信息始终保持不变。将口腔模型映射到

数字世界，完成从物理世界到数字世界的转换。在数字世界，根据牙齿正畸过

程中上下牙颌骨边界固定、牙根部位不与上下牙颌骨发生相对滑动的真实医学

情况，增加固定边界、最小势能原理边界条件，并为口腔模型添加模拟的方丝

弓矫治器，使用B样条对采样点拟合，模拟弓丝连接的曲线。最后，使用有限

元进行口腔正畸过程中牙齿位移的计算和模拟。在实验部分，通过定量分组实

验平衡矫治力大小、网格精度以及计算时间，最佳的结果被认为是口腔正畸的

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结果并输出，从数字世界返回物理世界对治疗方案进行指导，此时完成一次闭

合回路。同时，以数字孪生技术为基础，可以通过重新摆放方丝弓矫治器的位

置，重复进行实验以达到符合预期的正畸效果。

以本文的口腔模型为患者预正畸的真实数据，实验结果表明，数字世界中

网格划分的密度会对结果的精度产生影响，矫治力的作用方式会直接影响正畸

的效果。同时，在矫治力的作用下，牙齿的形态会发生变化，正畸后的口腔系

统更加美观、稳定、平衡，真实物理世界中矫治器的制作与治疗方案选择可以

依此为基础进行。

关键词：

数字孪生，有限元分析、口腔正畸、生物力学、方丝弓矫治技术

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Biomechanics-basedvisualizationofDigitalTwininorthodontics

Nowadays,theincidenceofmalocclusionamongchildrenandadolescentsinChina

hasreached67.82%.Deformedteethsignificant