CN105228504A - 图像导航系统 - Google Patents

Abstract

用于追踪口腔内手术仪器的图像导航系统。该图像导航系统包括适于位于口腔内以提供口腔内光学可视图案的多个照相机。处理系统接收并处理口腔图像，以识别该图案并三角测量每个照相机的位置和方向。该处理系统利用参考数据集，该参考数据集基于与口腔结构的对准定义了参考坐标系统。该处理系统基于该参考数据集确定被追踪仪器的位置和方向。在实施例中，该系统包括口腔夹具，该口腔夹具可移除地附接至病人的牙齿，并被配置为固定其中一个照相机。

Description

图像导航系统

相关申请

本申请涉及2013年3月14日提交的第61/782,255号美国临时专利申请，并要求其优先权，在此以全文引用的方式将其公开的内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于便于图像导航手术的系统，更具体地，涉及用于口腔手术的改善的图像导航系统。

背景技术

多年来图像导航手术已经具有广泛的发展，并且目前是手术程序中非常重要的工具。大部分的改进是以体内极少到达的图像位置诸如内脏为中心。

口腔手术在本申请中限定为任何发生在口腔内的手术，其很难可视化进行。口腔相对较小，并且对病人来说很难长时间维持张口的状态。即使手术位置是可见的，一旦钻子刺入，在任何给定的时间内也很难确定钻子的顶端在哪儿。

图像导航手术涉及使用计算或计算机化轴向断层扫描，通常称为CT或CAT扫描，来创建手术位置(通常为三维)的数字图像。然后，外科医生利用该图像制定用于手术的计划。手术期间，将之前的CT扫描产生的图像与特定的仪器一起使用，以可视地描述仪器的顶端在病人体内的位置。

为了这么做，来自扫描的数字图像必须准确地配准到(registered)病人手术位置，使得病人的移动引起对数字图像的调整。必须知道仪器的顶端相对于病人的准确位置。

对于口腔手术，诸如在种植牙期间，医生必须将钻子钻进自由空间，同时控制钻子随着病人的潜在移动处于六自由度。这会使钻子精确地钻进好的骨，同时避免非常困难地钻进牙根和神经。因此，图像导航手术近年来被用于促进钻孔过程，为了计划手术事件以提供恢复方案，医生利用对病人牙齿的CT扫描精确地判断骨密度、宽度和高度，并且了解其他牙齿的关系以及解剖结构，该恢复方案可能是最成功的并且具有最小的创伤。

现有的计划软件和构造系统，其利用CT图像帮助将术前计划翻译成被动手术导航(passivesurgicalguide)，即创建用于手术的虚拟计划，然后在牙科实验室中预构造手术导航以实施该计划。这些被动手术导航帮助医生准确地指向正确的位置、角度和深度。被动图像导航手术具有局限性，他们必须在手术前在牙科实验室中或通过导航制造商预构造。这就需要有医生和病人的更多的时间和花费。如果病人的口腔有变化或者医生想要改变计划，那么该导航就不再有用了。很多情况下，病人不能将他们的嘴巴张开足够大以容纳所需的仪器和导航。

动态图像导航(activeimageguidedsurgery)手术解决了被动导航系统的很多问题，即有限的最大嘴张开、预先构造被动导航的需要以及手术期间不能改变计划，这些问题都可以由动态导航系统克服。为了提供动态图像导航手术，病人的嘴巴的位置，具体的骨头和牙齿，必须被精确地追踪并配准到扫描的图像和手术工具上。为了这么做，大多数传统的系统需要创建配准设备，该设备附接至病人的头部或插入到嘴巴里，该设备包括基准标记(fiducialmarker)和传感器。一些配准设备附接至头外部，例如安装在头上的夹具。为了限制对手术区域的干扰并且允许光学传感器追踪夹具和手术工具的运动，其它配准设备涉及附接至额骨的具有传感器的夹具。

为了创建口腔夹具，在手术前几周制作通常既包括上部牙齿也包括下部牙齿的印模(impression)。然后将该印模送到实验室，在该实验室里制作实质上复制了牙齿的铸型(cast)。由该铸型制作口腔夹具，或者将其安放在牙齿上，或者设计将其钻进颚骨里。该夹具包括至少基准标记，并且如果没有装配有传感器，那么就包括光学传感器的安装位置。

实验室创建夹具之后，将其送到外科医生那里。将戴有该夹具的病人和CT扫描带进实验室。病人又一次被送回家。病人的口腔的数字图像由该扫描创建，并且外科医生制定手术计划。

然后又将病人带来以进行手术。将夹具附接至病人。将光发射机定位在病人附近，并且其发射由传感器探测到的信号。当病人的嘴巴移动时，传感器发送信号至软件，从而对病人口腔的数字图像做调整。该软件也追踪仪器的位置，并且描绘相对于牙齿的数字图像处于正确位置的仪器的图像。

除了给病人造成的不方便，现存系统常常很难精确地将病人配准到数字扫描。所有目前的牙科动态图像导航手术系统涉及光学追踪，其需要将夹具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光发射机或接收器探测到。

发明内容

本发明涉及用于在口腔手术期间追踪和描绘手术工具的运动的图像导航系统。该系统包括口腔夹具，该口腔夹具可移除地附接至病人口腔内的至少一颗牙齿上，该口腔夹具包括由刚性材料制成的支架，当经受大约100°F的温度时该刚性材料基本不会变形。该支架包括具有内壁和外壁的基座，该内壁和外壁从该基座以一角度向外延伸。该内壁和外壁被隔开并彼此间隔一定距离，该距离大于想要将该口腔夹具附接至其上的牙齿的宽度。可塑的热塑材料位于该支架的内表面上。在固化时配置该可塑材料以保持病人的部分牙齿的外部轮廓的印模，该部分牙齿被该材料覆盖。底座位于该支架上，该底座用于支撑该图像导航系统中的追踪元件。

在实施例中，当将该可塑材料放置在处于高于铸模温度的升高的温度的液体槽中时，该口腔夹具的该可塑材料被配置为变得开始可塑。当材料准备好被铸模时，该可塑材料可以提供可视的指示，诸如该可塑材料的至少部分的颜色变化。

该口腔夹具的支架可包括沿其长度处于不同点的弱化线，该弱化线允许将该支架折断至需要的长度以适应特定病人的口腔大小。

该底座可以包括至或者是少一个照相机底座，其附接至该支架或与该支架形成一体。该照相机底座可以包括至少一个照相机支架，可以将照相机安装在该照相机支架中，用于从该夹具观察口腔前面或对面的表面。该照相机支架可以是形成在该照相机底座中的通道或孔，该照相机底座的大小被设置为接收小视频照相机。在实施例中，该照相机底座中有两个通道，这两个通道被放置以将两个照相机定位在相对于该支架的两个不同的方向。

优选地，该口腔夹具包括安装在该支架或该可塑材料中的多个基准标记，该多个基准标记用于确定该口腔夹具相对于病人牙齿的位置。该基准标记可以由与该支架、可塑材料和病人牙齿具有不同辐射密度的材料制成，从而在CT扫描图像中该基准标记可被探测到，例如五金，但不限于诸如铝或不锈钢的五金，以及陶瓷。如可由本领域技术人员理解的也可以使用其他材料。优选地，该口腔夹具上具有彼此相互间隔开的并至少三个基准标记，并且牢固地附接至该支架。

每个基准标记可以具有的辐射密度、尺寸或形状与其它基准标记的不同，从而可以由追踪软件自动地探测到。在一个实施例中，该基准标记是陶瓷球轴承。

本申请还公开了用于追踪口腔内手术仪器的图像导航系统。该系统包括配置为位于该口腔内的多个照相机。该多个照相机设计为当启动时提供口腔内光学可视图案的口腔图像。提供处理系统，对其编程以处理该口腔图像和识别图案，从而三角测量每个照相机的位置和方向。优选地，该处理系统利用参考数据集，该参考数据集定义了牢固地与口腔结构的一部分对齐的参考坐标系统。该处理系统基于该参考数据集确定被追踪仪器的位置和方向。

在实施例中，该光学可视图案是可视高对比度的人造图案(visiblehigh-contrastman-madepattern)，诸如二维条形码，该光学可视图案位于器械(appliance)上，该器械可移除地附接至病人口腔的一颗或多颗牙齿、牙龈或骨头。在实施例中，光学可视图案附接至被追踪的手术仪器。

优选地，至少一个照相机附接至被追踪的手术仪器，以及至少一个照相机附接至牙科器械，该牙科器械附接至病人的牙龈、牙齿或其中的骨头。

该参考数据集可以包括口腔夹具相对于所述病人的口腔结构的位置和方向，该参考数据集可以是CT扫描的一部分。

在实施例中，参考数据集存储在该处理系统中。该牙科器械可移除地附接至病人的解剖结构的第一位置。第二牙科器械位于口腔内的位置，该位置允许该第二牙科器械的部分在被追踪的手术仪器上的照相机或该牙科器械上的照相机是可视的。对该处理系统进行编程，通过将每个照相机和该第二牙科器械之间的相对变换相结合，来确定该被追踪的手术仪器的位置和方向。

在另一个实施例中，第一牙科器械包括至少一个附接的照相机，并且可移除地将其附接至口腔内的位置。第二牙科器械可移除地附接至病人的解剖结构的利害位置，在该位置该第二牙科器械的部分在该第一牙科器械上的照相机是可视的。该被追踪的牙科仪器包括光学可视图案，该光学可视图案的部分在该第一牙科器械上的照相机是可视的。处理系统利用该参考数据集通过估计和结合相对变换来确定被追踪的仪器的位置和方向，该参考数据集包括该第二牙科器械相对于CT扫描图像的位置和方向，该相对变换为该第二牙科器械和被追踪仪器中的每一个上的图案的一部分与该第一牙科器械上的每个照相机之间的相对变换。

还公开了用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动的方法。该方法包括提供具有塑料支架的口腔夹具和可塑的热塑性材料，该塑料支架具有基座，该可塑的热塑性材料被放置在该支架的内表面上，并且被铸模到病人的某颗牙齿，该牙齿不是在该口腔手术期间被进行手术的牙齿。提供手术追踪程序，其接收病人的口腔的CT扫描图像，其中该口腔夹具附接至该病人的牙齿。在该程序中识别该CT扫描图像中的基准标记，并且存储该扫描图像。提供具有工具夹具的手术工具，该工具夹具安装至该工具或是该工具的一部分。在某位置提供参考夹具(referencefixture)，该位置与该口腔夹具分开。该参考夹具包括参考图案，该参考图案为视频照相机提供用于探测的视觉参考点，以及用于该程序确定该口腔夹具和该手术工具的位置。该程序检索存储的扫描图像，并且将病人口腔中的口腔夹具配准到该CT扫描图像。该程序通过使用一个或多个照相机探测该参考图案的运动来确定该口腔夹具的运动，以及利用该追踪程序计算该口腔夹具的相应运动。该程序通过利用该追踪程序确定该工具夹具的运动来确定该手术工具的运动。该程序在显示器上描绘该存储的扫描图像上的手术工具的运动。

如附图中绘示的，根据以下对优选实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点将变的更加明显。如可实现的，能够以各种方式修改本发明，该修改都不脱离本发明的范围。因此，应将附图和说明书认为是本质性的绘示而非限制目的。

附图说明

出于绘示本发明的目的，在图中展示较佳形式。然而，应当理解，本发明并不限于图中展示的精确配置及工具。

图1是根据本发明的一个实施例的口腔夹具的的透视图。

图2是图1中的口腔夹具的仰视图。

图3是图1中的口腔夹具的俯视图。

图4是沿图3中的线4-4看到的口腔夹具的截面图，绘示了其内形成有印模的可塑材料。

图5是具有根据本发明的实施例的工具夹具的工具的透视图。

图6是图5中的工具和工具夹具的侧视图。

图7是根据本发明的一个实施例的用于上排牙齿的参考夹具的透视图。

图8是图7中参考夹具的仰视图，绘示了参考图案的图形表示。

图8A和图8B是本发明中有用的不同的参考图案的图形绘示。

图9是根据本发明的另一个实施例的用于下排牙齿的参考夹具的透视图。

图10是图9中参考夹具的俯视图，绘示了参考图案的图形表示。

图11是沿图9中的线11-11看到的参考夹具的截面图，其上具有可塑材料。

图12是根据本发明的一个实施例的用于病人口腔中的口腔夹具、参考夹具和工具夹具的表示。

图13-15是利用口腔夹具、参考夹具和具有照相机和参考图案的不同设置的工具的本发明的可选实施例的示意性表示。

图16-18是利用口腔夹具、参考夹具和具有照相机和/或参考图案的不同设置的工具的本发明的可选实施例的示意性表示。

图19是根据本发明的另一个实施例的用于病人口腔中的口腔夹具、参考夹具和工具夹具的表示，其中口腔夹具附接至病人的口腔。

图20绘示了用于配准(registering)工具和刀具的配准设备的实施例。

具体实施方式

通过提供用于口腔手术期间有效地追踪病人的口腔运动的图像导航系统，本发明解决了现有技术的缺陷。在一个实施例中，图像导航系统包括多个照相机，其位于口腔内部以提供光学可视图案的口腔图像，该图像用于追踪口腔内手术仪器或工具的运动。处理系统接收并处理该口腔图像以识别图案，并三角测量每个照相机的位置和方向。该处理系统利用参考数据集，该参考数据集基于与口腔结构的一部分的对准定义了参考坐标系统。该处理系统基于该参考数据集确定被追踪的手术仪器的位置和方向。在实施例中，该系统包括口腔夹具，该口腔夹具可移除地附接至病人的牙齿，并被配置为固定其中一个照相机。

现在参考附图，示出了图像导航系统10的实施例。在一个实施例中，系统10包括口腔器械或夹具12、工具夹具100和参考夹具200(其可以是另一个口腔器械)。这些夹具与追踪软件(或运行该软件的处理系统)一起使用，以提供口腔手术期间改善的图像导航。参考图1-3，示出了新型的口腔夹具12，其可移除地附接至病人的口腔。更具体地，如图中所示，口腔夹具12包括由合适强度的材料制成支架14，优选地为热固塑料材料，其足够坚硬从而当经受以下讨论的高温时不会变形。在一个实施例中，该塑料材料是聚苯砜或共聚甲醛。支架14包括基座16，优选地，该基座16通常是具有内壁18和外壁20的平面。内壁18和外壁20附接至基座16，并且从基座16向外延伸。优选地，壁18和20相对基座16以基本或大致合适的角度从基座16向外延伸。然而，如可以从下述讨论中理解的，这些壁可以相对基座16处于其它需要的角度。优选地，壁和基座形成为整体构件。基座16和/或壁18、20可以包括一个或多个表面不规则处22，诸如凸起或凹陷，其形成于它们的内表面上，并且有助于固定或附接以下将要讨论的覆盖材料。类似地，可以将孔24并入基座16中和/或壁18、20中，以进一步固定覆盖材料。

内壁和外壁18、20的间隔大于想要将口腔夹具12附接至的牙齿的宽度。应当很明显地，设计用于成人和小孩的夹具的壁18、20的间隔可以不同。优选地，壁18、20具有从基座起的高度，安装时该基座从病人牙齿顶部下方延伸。优选地，当将覆盖材料安装在病人牙齿上时，该高度足够从咬合面(occlusalsurface)向下延伸大约10mm至13.5mm。

夹具12还包括至少一个底座26，其附接至支架14或与支架14形成一体。该底座配置为将追踪元件附接至用于图像导航系统的口腔夹具。在一个实施例中，底座配置为接收用于以下讨论的追踪的多个照相机中的一个。也可以设想底座可被用于将参考板附接至支架，以下将会更易懂。在绘示的实施例中，示出的照相机底座26与外壁20形成一体，并且由此向外突出。如将会的更易懂的，照相机底座26还用作把手，以便于从病人的牙齿放置和移除口腔夹具12。照相机底座26包括至少一个照相机支架28，可以将照相机安装在该照相机支架28中。配置该照相机支架28，从而将照相机固定在一个方向，以从口腔夹具12观察口腔前方或口腔对面的表面。在绘示的实施例中，照相机支架28是形成在照相机底座26中的通道或孔，该照相机底座26的大小被设置为接收小视频照相机。如以下将讨论的，该照相机支架28还配置为允许附接至照相机的线延伸出支架并附接至计算机或下文要讨论的其它记录设备。该照相机支架替代地可以是夹子、扣钩或其它适于将照相机固定至支架14的设备。

为了提供通用的口腔夹具12，可以设想该照相机底座26可以包括超过一个照相机支架28。如图1-3和图4A所示的，在绘示的实施例中，在照相机底座26中放置有两个通道28，以将照相机30相对于支架14定位在两个不同的方向。优选地，如图4A所示，该方向与垂直轴(veticalaccess)Z的每一侧成α的角度。优选地，与垂直轴形成的角α在5度和45度之间，并且更优选地，大约为30度。这种配置允许在病人上部牙齿或下部牙齿以及口腔的两侧使用口腔夹具12。如果照相机底座26上只有一个照相机支架28，那么可以将其形成在底座26中，以将照相机定位在与垂直轴Z成0度和大约45度之间的任何角度。

如图4B所示，口腔夹具12还包括位于支架14的内表面上(优选地位于基座16上)可塑的热塑性材料。该可塑材料32设计为形成病人部分牙齿的印模。更具体地，当该可塑材料处于非固化(未凝固)状态时，通过将口腔夹具12(其上具有可塑材料32的支架14)放进一碗温水或热水中将该材料“激活”，水的温度高于该材料开始变的可塑的温度。优选地，所选的材料具有为用户提供可视指示的特征，该指示即为材料已准备好被铸模，诸如改变颜色(例如从白色变为清色或透明)。一旦材料32被激活，将口腔夹具12放置在病人牙齿上，并且施加轻微的向下的压力，该压力使可塑材料32围绕支架的壁18和20之间的牙齿的顶端和至少一些侧面变形。经过规定的时间段之后，大约30秒至1分钟，该可塑材料形成由材料覆盖牙齿的外部形状的印模和轮廓。另外，通过将具有可塑材料的口腔夹具12放进冷水或冰水中，以完成定形过程来进行固化。

选择的材料必须在处于通常人体嘴内的温度(一般大约100°F)时保持固态(固化的)，并且在高于该温度(例如高于130°F)时可塑，至少直到其被初始地定形。该材料在固态时应该足够硬，从而维持印模的形状而不会变形。用于本申请的合适的热塑材料32包括聚苯砜或聚二甲硅氧烷(PVS)。然而，可以定形并且维持印模的任何类型的可塑材料都可以用于本发明。铸模过程中可以将该可塑材料32调味以使病人愉悦。使用的材料数量根据需要被铸模的牙齿数量和大小而变化。

已经确定口腔夹具12和可塑材料32可以足够小以覆盖两颗或三颗牙齿，并仍然提供口腔夹具12至病人牙齿的固定连接。如果正确地塑形，可以使用甚至更小尺寸的夹具，因此最小化病人的不适。口腔夹具12和可塑材料32的尺寸可以设置为适合不同的口腔大小(例如，成人、青少年、小孩)。还可以设想，可以将支架14设计为大尺寸，沿其长度的不同点处具有减弱线，这允许在需要的长度处折断该支架。这样的配置将允许医生更容易地设置口腔夹具12的大小以适应病人的口腔。如将从以下讨论中更明显看出，支架14不是意在将夹具12固定在牙齿上。反之，可塑材料32提供口腔夹具12至牙齿的保持。因此，需要有足够数量的可塑材料32以将口腔夹具12保持在牙齿上。

如上讨论的，优选地，支架14包括形成在基座16和/或壁18、20上的表面不规则处22和/或孔24，其便于可塑材料32至支架14的连接。当形成可塑材料时，该材料流过或流进孔24以及不规则处22周围，从而提供至支架14的更牢固的连接。

口腔夹具12还包括安装在支架14上的多个基准标记34，用于该系统确定口腔夹具12(以及照相机)相对于病人牙齿的位置。标记34位于夹具12上的某个位置，并且是配准系统的一部分，该配准系统用于正确地定位夹具12。如以下将要详细讨论的，在CT扫描病人的口腔期间探测基准标记，并且将它们的位置配准到扫描图像中。优选地，具有至少三个基准标记34，彼此间隔开并且牢固地附接至支架14。三个基准标记的使用允许口腔夹具的位置是三维的。基准标记可以位于基座16上和/或壁18和20上。如图1-3所示，支架14包括标记底座36，其可以是形成在支架14上的孔或压痕，并且被设计为接收基准标记34。

基准标记34可以是球形和/或有颜色的，从而可以很容地被技术人员或医生以及正在使用的软件探测到。更具体地，为了使基准标记34在扫描的图像被探测到，基准标记34必须具有与夹具、可塑材料和牙齿不同的放射密度(即由CT扫描探测到的密度)。在一个实施例中，基准标记34是陶瓷球轴承。然而，也可以使用其它材料、形状和尺寸。优选地，基准标记34每一个具有自己的放射密度或者不同的尺寸或形状，使得可以使用软件程序自动地探测到扫描图像中不同的基准标记34。如下将进一步讨论的，该软件也可以在扫描图像中施加与标记的颜色对应的颜色或形状，以帮助配准口腔夹具12。也可以设想，基准标记可以包括无源光学属性，诸如反射表面或漫反射表面，或有源光学属性，诸如发光材料，用于相对于照相机或其它位置可视地定位该标记。

虽然优选的基准标记通过它们的放射密度与牙齿和口腔夹具12区分开，但是也可以设想，除了密度也可以利用其它显著特征。例如，标记可以是预先固定的发射器或其它位置定位设备。

现在参考图5和图6，示出了根据一个实施例的工具夹具100。工具夹具100安装在牙科手术工具102(诸如钻子)上或者是牙科手术工具102的一部分。优选地，工具夹具100包括用于相对于工具102固定和定位照相机的至少一个工具照相机底座104。优选地，工具照相机底座104配置为定位照相机105，从而探测没有被工具102进行手术的表面。即工具照相机底座104使照相机远离钻子或操作位置。如图6所示，工具照相机底座104具有轴A，该轴A与沿工具102的轴X成角度β₁。如以下将要讨论的，这允许安装在工具照相机底座104中的照相机来探测位于口腔另一部分的参考位置。

工具夹具100可以包括用于相对于工具102定位第二照相机109的第二工具照相机底座108。优选地，该第二工具照相机底座108配置为定位第二照相机109，从而允许观察刀具106和/或被手术的区域。如图6所示，优选地，第二工具照相机底座108处于与第一工具照相机底座104成90度的角度，或与轴X成角度β₂。在一个实施例中，取决于照相机的位置和视野，β₁优选在大约10度到90度之间，并且更优选地为大约60度。优选地，β₂在大约20度和大约90度之间，并且更优选地为大约60度。

在绘示的实施例中，工具夹具100通过夹子110附接至工具102，以防止照相机相对于该工具移动。可以设想工具夹具100可以与工具102形成一体。

现在参考图7和图8，示出的根据一个实施例的参考口腔器械或夹具200用于病人的下排牙齿。图9和图10绘示了用于上排牙齿的参考夹具200的第二实施例。在一个实施例中，参考夹具200包括具有内卷边204和外卷边206的基板202，该内卷边204和外卷边206与基板202形成一体并从基板202向外延伸。至于口腔夹具12，参考夹具200可以包括一个或多个平面不规则处(没有示出)，诸如形成在基板202上的凸起或压痕。优选地，卷边204、206还包括表面不规则处208，诸如所示的压痕。优选地，参考夹具200由与照相机支架14相同或类似的材料制成，这是因为也将其设计为利用可塑材料附接至病人的牙齿。具体地，参考图11，优选地，类似于口腔夹具12中的可塑材料32的可塑材料210放置在边204、206之间的基板202上。形成和设置可塑材料210的应用类似于以上描述的可塑材料32，因此，不需要再进一步讨论。

参考图案212(图8和10中做了一般描绘)形成在参考夹具(具有可塑材料210的一侧的对面)的外表面上。参考图案212是可选的可视图案，配置其为视频照相机提供视觉参考点以进行探测，用于确定照相机在口腔中的位置。在绘示的实施例中，优选地，参考图案是一系列与外表面间隔开的非重复的快速参考码或快速响应(QR)码。例如，参考图8A、8B和8C，其描绘了可以用于本发明的非重复的参考图案。也可以使用条形码、Aztec码或其它二维(2D)码或图形图像。优选地，该图案利用有鲜明对比的颜色，诸如黑色和白色，以便于系统探测和识别。尤其，图8C描绘了双尺度图案(twoscalepattern)。该图案是2D条形码，其由允许在多个尺度上探测的条形码构成，该条形码内还有条形码(barcode-within-a-barcode)。较大的棋盘方格从较大的距离是唯一可识别的，然而较大方格中的每个角落处的四个较小的方格可由更靠近参考夹具放置的照相机探测。这连同较大图案和较小图案的范围重叠的事实，允许照相机在更宽的范围和距离上探测参考夹具。还可以设想，可以使用其它机制提供需要的参考数据，该参考数据包括LEDs、数据矩阵、数据图像或者类似于盲文的高或低的特征。基准可以是具有反射表面的球，该反射表面用于校准照相机或图案相对于基准的位置。可以朝基准发射闪光，并且照相机捕获反射的光用于确定基准的位置。如将变的明显的，参考图案的使用是为了确定照相机的运动和位置。如图11所示，参考图案212可以形成在材料层214上，该材料层214粘附在参考夹具的外表面上。或者，可以将该图案模铸或刻蚀或直接放置在参考夹具200上。

可以设想，可以配置参考板200以提供背光或其它机制来增加参考图案212的对比度从而便于探测。如果参考版是背光式，那么参考图案212优选地至少部分地由透明或半透明材料制成，从而增加对比度。还可以设想，可以利用荧光材料促进探测。

以下描述了根据本发明的并且利用了以上所述的口腔夹具12、工具夹具100和参考夹具200的、用于在图像导航的牙科手术期间追踪钻子或其它工具位置的优选系统。

首先对病人安装口腔夹具12和参考夹具200。医生选择合适尺寸的口腔夹具12，或通过沿支架14的一个减弱线将其折断来调整口腔夹具12的尺寸。将具有非可塑材料32的口腔夹具12放入温水槽中。温水(或其它无毒溶液)会软化或激活可塑材料32，使其更顺从。如上所述的，在一个实施例中，选择可塑材料32从而改变颜色，或当其针对应用足够可塑时以其它方式提供指示。例如，可塑材料处于静态或固态时可以是白色，但是当将其加热到使其足够可塑的温度时变得清澈/半透明。预计将口腔夹具12放入温水或热水(例如130°F以上)中大约1-2分钟后，应该会足够软化优选的材料。

然后将口腔夹具12应用至病人的牙齿。优选地，将口腔夹具12应用至病人口腔中不进行手术的牙齿。例如，如果要在口腔右侧的臼齿上进行手术，那么优选地，将口腔夹具12附接至口腔左侧的牙齿，从而不会干扰手术过程。

医生或技师向着牙齿对支架12施加压力。医生或技师可以利用他们的手指帮助铸模或使可塑材料21符合牙齿的轮廓。调整材料使其符合牙齿之后，为了维持可塑材料32中的印模，将该材料留在合适的位置以允许充分固化。时间将根据使用的固化材料的类型而变化。然而，对于许多材料，铸模过程将在大约30秒至1分钟内充分完成。这可以通过材料的颜色变回原始颜色(例如从清澈变成白色)而探测到。

通过抓起支架和/或照相机底座并且将口腔夹具12提离牙齿来将口腔夹具12移除。在这一点上，可塑材料32将具有限定被铸模的牙齿的外轮廓的印模。然后允许将可塑材料32完全固化，诸如通过允许其就位(sit)。为了加快固化过程，可以将夹具放入冷水或冰水中几分钟。

如果口腔夹具12不包括基准标记34，那么将它们附接至支架，诸如粘在或插入孔36中。然而，优选地，将基准标记34预先附接至口腔夹具12。

然后，将口腔夹具12放回病人的口腔中被铸模的相同的牙齿上。该牙齿的被铸模的印模将锁定口腔夹具12至该牙齿上。对病人的口腔，或感兴趣的口腔的至少一部分进行CT扫描。由于基准标记34位于口腔夹具12上，因此CT扫描可以捕获它们的位置。然后，将口腔夹具12移除并存储用于外科手术。

将扫描的数据导入手术计划和追踪程序或被其使用。优选地，该程序配置为(诸如通过它们特定的辐射密度)自动探测基准标记34，并且可以为它们分配特定的颜色或字母数字式标示符。

为了提供照相机在口腔夹具上的正确位置，本发明利用口腔夹具12上的基准标记34的位置计算照相机的位置。这可以在手术当天或手术之前完成。将照相机30插入照相机底座26中的合适的照相机支架28中。本发明的一个实施例利用MedigusIntrospicio1103.0mm照相机。将照相机30连接至计算机，并且启动手术计划和追踪软件程序。将口腔夹具12举起至在多个方向的反射表面(诸如镜面)，并且该软件计算出口腔夹具12上的基准标记34相对于照相机30的位置和方向，并存储该信息。

或者，CT探测到的基准可能与光学探测到的不同，在这种情况下，没有必要将口腔夹具举至镜子。

代替光学基准，可以设想，可以利用三个分开的(非共线的)枢轴点完成枢轴校准方法。枢轴点可以是球体，其中引伸冲模(cuppingtool)以该球体为枢轴旋转，该枢轴点可以是压痕，其中球形工具在该压痕内旋转，或是螺纹孔，其可以将球形-尖头的枢轴构件拧入该螺纹孔。以下将参考图20详细描述该校准方法。

当到了进行手术过程的时候，将口腔夹具12重新附接至病人的口腔中相同的牙齿，同时照相机30位于适当位置。该照相机连接至计算机系统，其中手术追踪软件程序运行在该计算机系统上。线将视频数据从照相机30传输至计算机系统，以提供照相机30的位置数据，进而提供口腔夹具12的位置数据。

然后，将参考夹具200安装至病人。医生选择合适尺寸的参考夹具200。具有非可塑材料210的参考夹具200被放入温水(或其它非毒性溶液)槽中。温水软化或激活可塑材料200，使其更顺从。

然后将参考夹具200应用至病人的对面那排牙齿而不是被进行手术的那排牙齿上。因此，如果在上面的牙齿进行手术，那么将参考夹具应用至下面的牙齿。医生或技师朝向该牙齿对基板202施加压力。再次，医生或技师可以利用他们的手指帮助铸模或使可塑材料210符合牙齿的轮廓。调整材料以使其符合牙齿之后，为了维持可塑材料32中的印模，将该材料留在合适的位置以允许充分固化。时间的长短将再次取决于使用的可固化材料的类型。

如果参考夹具200不包括参考图案212，优选地，将包括该图案的材料层214附接至病人的牙齿之前，将该材料层214应用至基板202的外表面。参考图案212提供图像参考数据，其由照相机30捕获并被转发给软件，用于确定照相机30的运动，进而确定口腔夹具12的运动。图12描绘了附接至病人的牙齿的口腔夹具12和参考夹具200，其中工具夹具100位于适当位置以进行手术。

在本发明的一个实施例中，系统允许医生或技师手动关联或配准现有CT扫描图像至口腔的当前位置。这通过将实际基准标记34的位置配准至影像标记来实现。优选地，系统要求医生或技师通过使传感器设备触摸实际的口腔夹具12上的每一个基准标记34来开始配准，传感器设备可以是指示器。传感器设备将每个基准标记34的位置(或者无线地或者通过有线连接)发送至该程序。

该程序通过指导医生/技师以预定方式接触每个基准标记34来引导他们配准口腔夹具12。例如，在配置中，标记是有颜色的，该程序可以指导医生/技师“触摸绿色的基准标记”。屏幕会将之前扫描的图像数据中的对应基准标记描绘为绿色。当医生/技师触摸口腔夹具12上正确的标记34并且敲击“进入”时，该程序将实际的基准标记34关联到成像数据集中的扫描的基准标记。然后，该程序指导医生/技师触摸下一个标记等等。

当传感器位于适当位置时，代替要求医生或技师敲击进入键或其它键，可以设想，传感器设备可以包括压力传感器。当医生或技师压下基准标记时，传感器设备自动地发送数据至程序。

或者，优选地，该系统自动地关联或配准已有的CT扫描图像至当前图像。这通过程序利用工具照相机探测口腔夹具12上的基准标记34的位置来实现。该程序定位CT扫描图像中的基准标记34，以和照相机探测到的标记34对齐。因此，软件处理CT扫描图像的自动定位，以和从照相机获取的实际视频数据相关联。

一旦将CT扫描图像定位至实际视频数据，如由照相机图像数据确定的对口腔夹具12的实际运动的追踪，并由此对病人口腔(在三个维度上)运动的追踪可被关联至并且描绘在之前扫描的CT图像上，使得病人口腔的实际运动将在计算机屏幕上产生病人口腔的扫描的图像的对应运动。口腔夹具12的实际运动由传输参考图案212的图像的口腔夹具12上的照相机30确定。利用参考图案212的图像和存储的口腔夹具12上的实际基准标记34相对于照相机30的位置数据，该程序可以计算口腔夹具12的实际运动。这样的计算和程序是众所周知的，因此，不需要进一步的信息。

该程序还配置为接收正被使用的手术工具的位置数据。具体地，如上讨论的，工具夹具100附接至工具102或与其形成一体。照相机105附接至工具夹具100上的照相机底座104。当工具102位于底座内时，照相机105附接至工具夹具100上的照相机底座104。当工具102放置在照相机105放置的底座内时，会使其朝向参考夹具上的参考图案212。至于口腔夹具，工具夹具100上的照相机105将参考图案212的图像转发至软件程序。利用参考图案212的图像和存储的工具102上的照相机105的位置数据，该程序可以计算工具102的实际运动。

然而以上讨论涉及视频追踪系统的使用，该系统包括安装在口腔夹具和工具夹具上的照相机以及参考板，也可以预计其它设置。例如，在图13所示的一个替代实施例中，口腔夹具12不包括照相机和照相机底座，但是被构造成类似于之前的实施例，并且正如以上所述的被安装在病人的牙齿或固定到骨上。口腔夹具12包括夹具参考图案302，与参考图案212类似，其被应用至或形成在口腔夹具212的表面。同样，在该实施例中，工具102不包括工具夹具100，但是却包括工具参考图案304，其同样类似于参考图案212。参考板200上安装有两个照相机306，一个被定位从而可视地探测夹具参考图案302的位置，并且另一个被定位为可视地探测工具参考图案304。系统根据这两个图案的视频数据能够将CT扫描图像关联至底座的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。或者，没有两个照相机，参考板可以具有一个照相机，其具有足够广的视野以可视地探测工具夹具和口腔夹具上的每个参考图案。

参考图14，示出了本发明的另一个实施例310。在该实施例中，口腔夹具12包括如上讨论的夹具参考图案302。工具102包括工具夹具100，其类似于以上描述的工具夹具，但是只有一个照相机312朝向参考板200上的参考图案212。参考板200还包括照相机306，其被安装以探测口腔夹具12上的夹具参考图案302。系统根据来自两个照相机的视频数据和对两个图案的探测，能够将CT扫描图像关联至口腔的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。

参考图15，示出了本发明的另一个实施例320。在该实施例中，口腔夹具12类似于根据图1描述的口腔夹具，并且包括照相机底座26和照相机30。在该实施例中，工具102不需要工具夹具100，但是却包括如关于图13讨论的参考图案304。参考板200还包括照相机306，其被安装以探测工具102上的工具参考图案304。将口腔夹具12上的照相机定向以探测参考板200上的参考图案212。系统利用来自两个照相机的视频数据和对两个图案的探测，能够将CT扫描图像关联至口腔的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。

参考图16，出了本发明的另一个变化的实施例330。在该实施例中，没有使用参考图案200。相反，口腔夹具12包括如上讨论的夹具参考图案302。工具102包括工具夹具，其类似于以上描述的工具夹具，但是只有一个照相机312朝向口腔夹具12上的参考图案302。系统根据来自工具102上照相机的视频数据和口腔夹具上的图案，能够将CT扫描图像关联至口腔的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。

参考图17，示出了本发明的又一个实施例340。在该实施例中，同样没有使用参考板200。相反，口腔夹具12包括照相机底座，其类似于朝向根据102的与照相机30一起使用的底座。工具102包括工具参考图案304，其类似于参考图13描述的工具参考图案。系统根据来自口腔夹具12上照相机的视频数据和工具102上的图案，能够将CT扫描图像关联至口腔的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。

参考图18，示出了本发明的另一个实施例350。在该实施例中，同样没有使用参考板200。相反，口腔夹具12包括照相机底座，其类似于图17的实施例中朝向工具102的底座。工具102包括类似于图16中的照相机。该工具和夹具都包括参考图案。系统利用来自照相机的视频数据将CT扫描图像关联至口腔的实际方向，并且描绘扫描图像上工具的位置。

在本发明的另一个变化的实施例中，可以设想，外科医生可以利用照相机(诸如安装至工具夹具100的照相机)在手术日映射(map)病人的口腔。在该实施例中，在手术日将口腔夹具12和参考板200形成并附接至病人。然后，外科医生利用该工具照相机可以创建病人口腔的3D光学图像。然后，利用来自该3D模型和之前的CT扫描图像的数据，系统会同时参考这两种数据。在该实施例中，不需要提前制作口腔夹具12。

前述实施例是基于这样的假设，即病人有足够的牙齿来安装口腔夹具12和参考板200。然而，如果病人的口腔情况不允许同时连接口腔夹具12和参考板200或其中之一，那么本发明想到可以将任意一个元件直接安装到病人的颌骨。图19对此有描绘，口腔夹具400固定地附接至病人的上颌骨。如上所讨论的，口腔夹具包括照相机402，对其定位以探测参考板200上的图案212。

同样，可以设想，可以从本发明中去掉口腔夹具12上的基准标记34。反之，可以利用对病人的扫描图像探测牙齿，将其作为基准标记，并且照相机相对于牙齿的位置可以由系统确定。

也可以设想，可以不使用任何基准(无基准)来执行本发明。例如，将包含照相机但不包含基准的夹具在手术时附接至病人，并且具有朝上的照相机和朝下的照相机越过牙齿。当移动工具时，朝上的照相机与口腔夹具的照相机一样相对于参考板参考自身。这确定了口腔夹具被附接至的牙齿与移动的工具之间的相对位置，允许对工具的运动的精确估计。反过来，这已知的运动允许朝下的照相机同时创建3D模型来估计牙齿和牙床的结构和外形。在该实施例中，只使用3D结构来将光学获得的表面配准至之前产生的(例如通过步进立方体)CT图像获得的表面，从而提供口腔夹具的照相机和CT坐标系统之间的联结。

本发明的一个益处为消除制作铸造模型的需要。因此，以上公开的系统和夹具加快了整个手术过程并且减少了病人的不舒适。

除了病人的运动，程序还配置为接收用于确定正在被使用的手术工具的相对位置的光学数据，。具体地，如上讨论的，优选地，工具夹具包括第二照相机109，其提供手术中正被使用的刀具106的图像。该系统设计为确定刀具106的三维位置，并且调整仿真的手术工具的位置，该仿真的手术工具被描绘在图像数据的显示器上。因此，实际工具的运动由显示器上的仿真工具模拟。

为了这么做，在手术开始，医生或技师必须通过将特定仪器输入软件系统来配准手术仪器，这时系统检索仪器的细节，包括其尖端，并且可以检索其它特征，诸如长度、形状等等。或者，并且更优选地，参考图20，医生或技师利用配准设备500提供光学数据，可以利用该光学数据确定刀具106相对于照相机105、109的位置，以及刀具的长度和直径。优选地，配准设备500包括安装在基座504上的球形触摸板502。配准图案506形成在配准设备500的限定位置。在绘示的实施例中，图案506位于基板504上，并且508从基板504向上延伸。优选地，该图案506类似于以上涉及的非重复图案212。

使用中，医生或技师插入或触摸在触摸板502上的刀具106的尖端。启动系统中的配准程序，致使照相机105、109接收视频(光学)数据。放置配准图案506使得两个照相机105、109或其中之一可以探测该图案。一旦照相机接收数据，医生或技师相对于该工具的尖端移动(旋转或回转)该工具，使得照相机可以捕获配准图案506中的变化。系统根据接收的数据可以确定刀具106的尖端相对于照相机105、109的位置。利用具有不同长度的两个刀具106重复该过程，允许系统确定刀具106相对于每个照相机的轴。

如上提到的，手术过程中可能发生的问题之一是外科医生可以改变手术仪器或仪器的尖端，因此，除非配准新的尖端或新的手术工具，否则会潜在地干扰手术工具的成像描绘的精确性。有时，手术过程的复杂度会使对工具配准困难，或导致外科医生无意地忘记对工具配准。本发明通过设置手术区域或边界解决了该问题，该手术区域或边界是基于对参考图案212的连续探测。更具体地，一旦手术过程已经开始，系统会探测参考板200(或夹具图案302)上的参考图案212，将工具102认为是口腔的边界容积。

由于程序可以通过监控参考图案212(或接近图案302)来追踪工具102，因此，可将其用于确定是否医生可能已经对手术仪器做了改变。例如，程序会探测，初始配置工具之后，工具102上的照相机什么时候第一次看到参考图案(或夹具图案)。然后其会在配置之后继续监控工具102。如果照相机继续探测参考图案(或夹具图案)，那么程序会推定没有对工具102做改变。然而，如果在预定的时间段内工具102上的照相机没有探测到参考图案(或夹具图案)，那么程序会确定工具102可能已经离开了空腔，并且需要医生在继续手术之前采取额外的步骤。在一个实施例中，程序发送弹出消息至显示器通知医生它们已经被移出口腔，并且要求其确认没有对手术工具102做改变将新工具配准至配准设备500。一旦医生做了响应，弹出显示会消失，并且医生可以继续看到整个屏幕。

因此，本发明提供用于追踪图像导航的手术过程中被使用的手术工具的新型方法，以及通知医生确认是否对工具做了改变的方法。

然而以上描述涉及手术工具或手术仪器，其包括钻子，术语“手术仪器”或“手术工具”意在覆盖口腔内手术使用的其它工具，诸如用于切除组织的工具，该组织包括小孩的第三臼齿。

可以在任何形式的计算机上实施本文中描述的系统，并且可以将元件实施为专属应用或在客户-服务器结构中实施该元件，该结构包括基于网络的结构，并且可以包括函数程序、代码和代码片段。本发明中的系统可以包括存储在计算机上和/或存储设备(录入媒介)中的软件程序，和/或可以通过网络执行。可以通过存储在存储媒介上的程序代码或程序模块实施本方法。

出于促进理解本发明的原理的目的，对附图中绘示的优选实施例做了标记，并且采用特定语言描述这些实施例。然而，这些特定语言并不与用于限定本发明的范围，并且应当将本发明理解为包含本领域技术人员可能正常想到的实施例。

可以不同的处理步骤的方式描述本文中的实施例。可以通过任何数量的硬件和/或执行该特定功能的软件元件实现这样的处理步骤。例如，描述的实施例可以采用不同的集成电路元件，例如存储元件、处理元件、逻辑元件、查找表等等，其在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下可以执行各种功能。类似地，凡可以利用软件程序或软件元素实施所描述的实施例的元件的，也可以利用任何程序或脚本语言诸如C、C++、Java、汇编等实施本发明，这些程序会脚本语言具有利用数据结构、对象、进程、例程或其它编程元素的任意组合实施的各种算法。功能方面可以在算法中实施，该算法可以在一个或多个处理器中运行。并且，本发明的实施例可以采用任何数量的传统技术用于电子构型、信号处理和/或控制、数据处理等。词“机械”和“元件”被广泛应用但不限于机械或物理载体，还可以包括与处理器相关联的软件例程。

本文中示出和描述的特定实施例是本发明的说明性示例，然而并不能用于限制本发明的范围。为了简洁的目的，可以不详细描述传统电子设备、控制系统、软件发展和系统的其他功能方面(以及系统的单个操作元件的组成)。

最后，可以以不同于本文中指明的或与本文中明显相反的任何合适的顺序执行本文描述的所有方法的步骤。除非另作说明，本文中使用的任何和所有例子或示例性语言(例如“诸如”)仅仅用于更好地说明本发明，并不是对本发明的范围做限定。在不背离本发明的精神和范围的情况下，各种修改和改变对本领域技术人员来说是很明显的。

Claims (55)

1.用于图像导航系统的口腔夹具，该图像导航系统用于口腔手术期间追踪和描绘手术工具的运动，该口腔夹具可移除地附接至病人口腔的至少一颗牙齿，该口腔夹具包括：

塑料支架，由刚性材料制成，当经受大约100°F的温度时该刚性材料基本不会变形，该支架包括具有内壁和外壁的基座，该内部和外壁从该基座以一角度向外延伸，该内壁和外壁彼此间隔一定距离，该距离大于想要将该口腔夹具附接至的牙齿的宽度；

可塑的热塑材料，位于该支架的内表面上，该热塑材料配置为在一旦固化时保持由该材料覆盖的病人的部分牙齿的外部轮廓的印模；以及

底座，位于该支架上，用于支撑该图像导航系统中的追踪元件。

2.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该基座、该口腔夹具的内壁和外壁中的至少一个在其内表面上包括表面不规则处，该表面不规则处帮助固定或附接该可塑材料。

3.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的该可塑材料配置为当将其放置在处于高于铸模温度的升高的温度的液体槽中时，其变得初始地可塑。

4.根据权利要求3所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的该可塑材料配置为当材料准备好被塑模时提供可视指示。

5.根据权利要求4所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该可视指示是该可塑材料的至少部分的颜色变化。

6.根据权利要求3所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中优选地，该口腔夹具的该可塑材料是聚己内酯材料或聚乙烯硅氧烷(PVS)材料。

7.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的支架和该可塑材料的尺寸设定为覆盖病人的至少两颗相邻的牙齿。

8.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的该支架包括沿其长度处于不同点的弱化线，该弱化线允许将该支架折断至需要的长度以适应特定病人的口腔大小。

9.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该底座包括至少一个照相机底座，其附接至该支架或与该支架形成一体，该照相机底座包括至少一个照相机支架，可以将照相机安装在该照相机支架中，用于从该夹具观察口腔前面或对面的表面。

10.根据权利要求9所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的该照相机支架是形成在该照相机底座中的通道或孔，该照相机底座的大小被设置为接收小视频照相机。

11.根据权利要求10所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具的该照相机底座中有两个通道，放置这两个通道以将两个照相机定位在相对于该支架的两个不同的方向，每个通道在垂直轴的每一侧被定位在大约5度和大约45度之间的角度。

12.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该追踪元件是光学图案，并且其中，该底座将该光学图案附接至该支架。

13.根据权利要求1所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具包括安装在该支架或该可塑材料中的多个基准标记，该多个基准标记用于确定该口腔夹具相对于病人牙齿的位置，该基准标记由与该支架具有不同辐射密度的材料制成，从而在CT扫描图像中该基准标记是可探测的。

14.根据权利要求13所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该口腔夹具上具有彼此相互间隔开的至少三个基准标记，并且牢固地附接至该支架。

15.根据权利要求13所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中每个基准标记具有的辐射密度、尺寸或形状与其它基准标记的不同，从而可以由追踪软件自动地探测到。

16.根据权利要求13所述的用于图像导航系统的口腔夹具，其中该基准标记是陶瓷球轴承。

17.用于追踪口腔内手术仪器的图像导航系统，该图像导航系统包括：

多个照相机，配置为位于该口腔内，当启动该多个照相机时对其配置以提供口腔内光学可视图案的口腔图像；以及

处理系统，处理该口腔图像，并且配置为识别图案和三角测量每个照相机的位置和方向，该处理系统编程为接收参考数据集，该参考数据集定义了牢固地与口腔结构的一部分对齐的参考坐标系统，该处理系统基于该参考数据集确定被追踪仪器的位置和方向。

18.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该光学可视图案是可视的高对比度的人造图案。

19.根据权利要求18所述的图像导航系统，其中该光学可视图案位于器械上，该器械配置为可移除地附接至病人口腔的一颗或多颗牙齿、牙龈或骨头。

20.根据权利要求18所述的图像导航系统，其中该光学可视图案是二维条形码。

21.根据权利要求18所述的图像导航系统，其中该光学可视图案附接至被追踪的手术仪器。

22.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该光学可视图案配置为可移除地直接附接至病人的牙齿和牙龈。

23.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该光学可视图案是病人的牙齿和牙龈的自然生成的纹理。

24.根据权利要求17所述的图像导航系统，还包括被追踪的手术仪器，并且其中该多个照相机包括附接至该被追踪的手术仪器的至少一个照相机，以及附接至牙科器械的至少一个照相机，该牙科器械附接至病人的牙龈、牙齿或其中的骨头。

25.根据权利要求17所述的图像导航系统，还包括参考数据集，该参考数据集包括口腔夹具相对于所述病人的口腔结构的位置和方向，该口腔夹具牢固地附接至病人的口腔结构。

26.根据权利要求17所述的图像导航系统，还包括参考数据集，该参考数据包括CT扫描图像。

27.根据权利要求26所述的图像导航系统，其中该参考数据包括从该CT扫描图像中提取的三维表面几何图形。

28.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该参考数据集包括光学地获取的三维表面几何图形，以及关于病人的解剖结构的纹理信息。

29.根据权利要求24所述的图像导航系统，还包括存储在该处理系统中的参考数据集，其中该牙科器械在第一位置可移除地附接至病人的解剖结构，第二牙科器械位于口腔内的一个位置，该位置允许该第二牙科器械的部分从被追踪的手术仪器上的至少一个照相机或从该牙科器械上的至少一个照相机是可视的，并且其中该参考数据集包括该第一牙科器械相对于CT扫描图像的位置和方向，并且其中该处理系统通过将每个照相机和该第二牙科器械之间的相对变换相结合，确定该被追踪的手术仪器的位置和方向。

30.根据权利要求17所述的图像导航系统，还包括第一牙科器械，该第一牙科器械包括至少一个附接的照相机，该牙科器械匹配为可移除地附接至口腔内的位置，第二牙科器械配置为可移除地附接至感兴趣的病人的解剖结构的位置，在该位置该第二牙科器械的部分从该第一牙科器械上的至少一个照相机是可视的，其中该被追踪的牙科仪器包括光学可视图案，该光学可视图案的部分从该第一牙科器械上的照相机是可视的，还包括参考数据集，该参考数据集包括该第二牙科器械相对于CT扫描图像的位置和方向，并且其中，该处理系统编程为通过估计和结合相对变换来确定被追踪的仪器的位置和方向，该相对变换为该第二牙科器械和被追踪仪器中的每一个上的图案的一部分与该第一牙科器械上的每个照相机之间的相对变换。

31.根据权利要求21所述的图像导航系统，还包括参考数据集，该参考数据集包括三维表面几何结构以及通过术前光学扫描获取的相对反照率信息；其中至少一个照相机位于被追踪的手术仪器上，并且病人牙齿和牙龈上的自然发生的纹理是可视的，并且其中该处理系统将从照相机获取的口腔图像匹配至来自参考数据集的图像，以确定被追踪的手术仪器相对于病人的解剖结构的位置和方向。

32.根据权利要求29所述的图像导航系统，其中该牙科器械是口腔夹具，该口腔夹具包括安装在支架上的多个基准标记，该多个基准标记用于确定该口腔夹具相对于病人牙齿的位置，该基准标记由与该支架和病人牙齿的放射密度不同的材料制成，从而在CT扫描图像中是可探测的。

33.根据权利要求29所述的图像导航系统，其中该牙科器械是口腔夹具，该口腔夹具包括支架，该支架由不足够密致以阻挡x射线的传输从而重建辐射不透萌的材料制成，并且可塑的热塑材料位于该支架的内表面上，该可塑的热塑材料配置为在一旦固化时保持由该材料覆盖的病人的部分牙齿的外部轮廓的印模。

34.根据权利要求33所述的图像导航系统，其中该口腔夹具的该可塑材料配置为当将其放入处于高于铸模温度的升高的温度的液体槽中时变得初始地可塑，并且其中配置该可塑材料以当材料准备好被铸模时提供可视指示。

35.根据权利要求34所述的图像导航系统，其中该可视指示是该可塑材料的至少部分的颜色变化。

36.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该光学可视图案是放置在参考夹具的至少部分的外表面上的多个QR码。

37.根据权利要求17所述的图像导航系统，其中该光学可视图案包括其内具有较小图案的较大图案，并且该较小图案限定该较大图案式的至少部分，该较大图案和较小图案限定可由照相机捕获的边缘，并且该边缘可被处理系统追踪。

38.图像导航系统，用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动，该系统包括：

根据权利要求1所述的口腔夹具；

工具夹具，安装至牙科手术工具或是其一部分；

参考夹具，可安装至病人的牙齿，与该口腔夹具分开，该参考夹具包括该参考夹具表面上的参考图案，该参考图案配置为为视频照相机进行探测提供参考点，用于确定该口腔夹具的位置；以及

追踪软件，配置为追踪该工具夹具相对于该口腔夹具的运动，并且描绘存储的病人的口腔图像上的相对运动。

39.用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动的方法，该方法包括步骤：

提供口腔夹具，该口腔夹具具有支架，该支架具有基座、内壁和外壁，该内壁和外壁从该基座以一角度向外延伸，该内壁和外壁相互间隔一定距离，该距离大于想要将该口腔夹具附接至病人的牙齿的宽度，可塑的热塑性材料放置在该支架的内表面上，并且被铸模到病人的某颗牙齿，该牙齿不是该口腔手术期间被进行手术的牙齿；以及该口腔夹具上的多个基准标记，该基准标记具有不同于该口腔夹具和病人的牙齿的放射密度；

提供手术追踪程序；

在该追踪程序中接收病人口腔的CT扫描图像，其中该口腔夹具附接至该病人的牙齿；

识别该CT扫描图像中的基准标记；

存储该扫描图像；

在手术过程期间，提供具有工具夹具的手术工具，该工具夹具安装至该工具或是其一部分；

提供参考夹具，该参考夹具位于与该口腔夹具分开的位置；

提供参考图案，该参考模式包括视觉参考点，该视觉参考点用于视频照相机进行探测，以及用于该程序确定该口腔夹具和该手术工具的位置；

检索存储的扫描图像；

将该口腔夹具上的每个基准标记配准到该存储的扫描图像中描绘的基准标记；

通过使用照相机探测该参考图案的运动来确定该口腔夹具的运动，以及利用该追踪程序计算该口腔夹具的相应运动，以及利用该追踪程序通过确定该工具夹具的运动来确定该手术工具的运动；以及

在显示器上描绘该存储的扫描图像上的手术工具的运动。

40.根据权利要求39所述的追踪和描绘的方法，其中在提供具有可塑的热塑材料的口腔夹具的步骤之前，该方法包括步骤：

将包括可塑材料的口腔夹具加热至使该可塑材料变得可塑的温度；

将该口腔夹具放置在病人的一颗或多颗牙齿上，从而使该可塑材料符合这些牙齿的轮廓；以及

允许该可塑材料固化。

41.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中该参考夹具将具有基座，可塑的热塑材料放置在该基座的第一表面，并且其中该参考图案位于该基座上与该第一表面相对的第二表面，并且其中将该参考夹具附接至病人的牙齿的步骤包括步骤：

将该参考夹具加热至使该参考夹具上的该可塑材料变得可塑的温度；

将该参考夹具放置在病人的一颗或多颗牙齿上，从而使该参考夹具上的该可塑材料符合这些牙齿的轮廓；以及

允许该可塑材料固化。

42.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中配准每个基准标记的步骤包括：一旦传感器触摸该口腔夹具上的某个基准标记，则从传感器接收信号，该某个基准标记对应于扫描的图像中有颜色的基准标记。

43.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中配准每个基准标记的步骤包括：该程序基于每个基准标记的形状或在该口腔夹具上的位置探测该口腔夹具上的每个基准标记，以及基于来自扫描的图像的信息确定在该扫描的图像中的对应的基准标记。

44.根据权利要求43所述的追踪和描绘方法，其中该手术工具包括照相机，并且其中利用该照相机确定该口腔夹具上该基准标记的位置。

45.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中用于探测该参考图案的运动的该照相机安装在该口腔夹具上，并且其中第二照相机安装在该手术工具上；其中该参考图案位于参考板上；并且其中定位这些照相机以捕获与该参考图案相关的图像数据；将来自这两个照相机的图像数据传送至该程序；并且其中该程序利用该图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的相应运动。

46.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中该参考图案位于该口腔夹具的表面，其中该工具夹具包括工具参考图案；其中用于探测该参考图案的运动的照相机位于参考板上，并且朝向该口腔夹具以用于捕获该口腔夹具上的参考图案的图像数据；并且其中第二照相机安装在参考板上，并且被定位以用于捕获该工具夹具上的该工具参考图案的图像数据；将来自这两个照相机的图像数据传送至该程序；并且其中该程序利用该图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的对应运动。

47.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中该参考图案位于该口腔夹具上，其中参考板包括参考图案和照相机，该照相机朝向该口腔夹具，用于捕获该夹具参考图案式的图像数据；其中该工具夹具包括第二照相机，该照相机朝向该参考板，用于捕获该参考板上的该参考图案的图像数据；将来自这两个照相机的图像数据传送至该程序；并且其中该程序包括利用该图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的对应运动。

48.根据权利要求39所述的追踪和描绘方法，其中该参考图案位于工具上，其中该参考板包括第二参考图案和照相机，该照相机朝向该工具，用于捕获该工具参考图案的图像数据；其中该口腔夹具包括第二照相机，该照相机朝向该参考板，用于捕获该参考板上的该参考图案的图像数据；将来自这两个照相机的图像数据传送至该程序；并且其中该程序包括利用该图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的对应运动。

49.用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动的方法，该方法包括步骤：

提供口腔夹具，该口腔夹具具有支架，该支架具有基座、内壁和外壁，该内壁和外壁从该基座以一角度向外延伸，该内壁和外壁相互间隔一定距离，该距离大于想要将该口腔夹具附接至病人的牙齿的宽度，可塑的热塑性材料放置在该支架的内表面上，并且被铸模到病人的某颗牙齿，该牙齿不是该口腔手术期间被进行手术的牙齿；以及该口腔夹具上的多个基准标记，该基准标记具有不同于该口腔夹具和病人的牙齿的放射密度；

提供手术追踪程序；

在该追踪程序中接收病人口腔的CT扫描图像，其中该口腔夹具附接至病人的牙齿；

识别该CT扫描图像中的基准标记；

存储该扫描图像；

在手术过程期间，提供具有工具夹具的手术工具，该工具夹具安装至该工具或是其一部分；

提供参考图案，该参考图案包括视觉参考点，该视觉参考点用于视频照相机进行探测，以及用于该程序确定该口腔夹具和该手术工具的位置；

检索存储的扫描图像；

将该口腔夹具上的每个基准标记配准到该存储的扫描图像中描绘的基准标记；

通过使用照相机探测该参考图案的运动来确定该口腔夹具的运动，以及利用该追踪程序计算该口腔夹具的相应运动，以及利用该追踪程序通过确定该工具夹具的运动来确定该手术工具的运动；以及

在显示器上描绘该存储的扫描图像上的手术工具的运动。

50.根据权利要求49所述的用于追踪和描绘的方法，其中该参考图案位于该工具上或者该口腔夹具上，并且该照相机位于该工具或该口腔夹具中的另一个上，该照相机朝向该参考图案，用于捕获该参考图案的图像数据；将来自该照相机的图像数据传送至该程序；并且其中，该程序利用该图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的对应运动。

51.根据权利要求49所述的装置和描绘方法，其中有两个参考图案，位于该工具和该口腔夹具中的每一个，并且其中有两个照相机，位于该工具和该口腔夹具中的每一个，该工具上的照相机朝向该口腔夹具上的参考图案，用于捕获与该参考图案相关的图像数据，该口腔夹具上的照相机朝向该工具上的参考图案，用于捕获与该参考图案相关的图像数据；将来自这两个照相机的图像数据传送至该程序；并且其中该程序利用这些图像数据计算该口腔夹具和该手术工具的相应运动。

52.用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动的方法，该方法包括步骤：

提供根据权利要求1的所述口腔夹具；

提供手术追踪程序；

将照相机附接至该口腔夹具上的底座；

将病人口腔的之前的CT扫描图像检索入该追踪程序；

提供具有工具夹具的手术工具，该工具夹具安装至该工具或是其一部分，该工具夹具包括两个视频照相机，安装并且定位该照相机，从而捕获图像，这些图像的中心相互分开大约180度，每个照相机具有视场；

提供该工具夹具上照相机和该口腔夹具上照相机中的一个的视场，该参考图案提供视觉参考点，用于照相机进行捕获，以及用于程序确定该手术工具和该口腔夹具的位置；

当围绕病人口腔移动该工具时，将来自照相机的图像数据传送至该程序；

根据该图像数据创建病人口腔的部分的三维模型，并且将该模型配准至该之前的CT扫描图像，用于确定该工具相对于之前的CT扫描图像的运动；以及

在显示器上描绘之前的CT扫描图像上的手术工具的运动。

53.追踪手术仪器的方法，该方法包括步骤：

提供手术仪器，该手术仪器具有刀具和该仪器上的至少一个照相机，该照相机具有用于检索图像数据的视场；

提供用于追踪手术仪器的运动的程序；

提供配准设备，用于确定该刀具相对于该照相机的位置，该配准设备包括基座上的触摸板，以及位于该配准设备上的预定位置的配准图案，该预定位置在该照相机的视场之内；

将该刀具的尖端放置在该触摸板上；

启动该照相机以接收图像数据；

旋转并且以尖端为轴转动该工具；

将该图像数据传送至该程序；

确定该刀具的该尖端相对于该照相机的位置；

在程序中存储该尖端相对于该照相机的位置，用于追踪该刀具；

在手术过程期间，将来自该工具的该照相机的图像数据传送至该程序；

基于存储的刀具数据和手术期间传送的该图像数据，计算该刀具尖端的位置；以及

描绘该刀具的尖端在病人的之前存储的扫描图像中的位置。

54.根据权利要求53所述的追踪手术仪器的方法，还包括步骤:

在手术区域提供参考图案；

监控手术过程期间从该照相机传送的图像数据，以确定是参考图案被该照相机否该连续地探测；以及

一旦在预定时间段内确定手术过程期间传送的该图像数据不包括该参考图案的图像，那么该程序提供视觉或音频指示，指示手术工具需要被配准。

55.根据权利要求54所述的追踪手术仪器的方法，其中该视觉或音频指示是显示器上的弹出消息，需要用户采取进一步动作；并且其中当用户采取进一步动作后，该程序将该弹出消息从显示器删除。