CN106264659B - 用于引导对象的3d系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提供第一和第二对象的受引导的相对运动的方法和3D引导系统。方法包括获得第一对象、第二对象和第二对象的3D模型，并从3D模型导出第一和第二对象之间的第一优选相对布置。方法还包括获得预处理计划。接着执行的运动程序包括：使用3D扫描器3D扫描第二对象的至少一个区域并且从3D扫描的结果确定第一和第二对象的当前相对布置；计算用于实时修正相对运动距优选路径的偏离的信息；以及提供朝着第一优选相对布置的第一和第二对象的相对运动，其中计算的信息用于从当前相对布置引导相对运动。相应的3D引导系统包括3D扫描器和非临时计算机可读介质。本发明的优点在于在没有外部定位设备的情况下确定当前相对布置。

Description

用于引导对象的3D系统和方法
本申请是申请号为201280025644.5、申请日为2012年4月4日、发明名称为“用于引导对象的3D系统和方法”的PCT国际发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于提供第一和第二对象的引导相对运动的方法和3D引导系统。更特别地，本发明涉及一种配置成计算用于朝着第一优选相对布置引导第一和第二对象的相对运动的信息的方法和3D引导系统，所述第一优选相对布置可以从第二对象的3D模型确定。通过第二对象的3D扫描跟踪两个对象的当前相对位置。
发明内容
公开一种用于引导第一对象和第二对象的相对运动的3D引导系统，其中所述系统配置成用于相对于所述第一对象布置，并且其中所述3D引导系统包括：
-3D扫描器，其配置成用于执行第二对象的3D扫描；
-非临时计算机可读介质，其配置成用于至少暂时存储：
·所述第二对象的3D模型；
·用于从所述第二对象的3D扫描的结果确定第一和第二对象的当前相对布置的程序代码；以及
·用于计算用于从所述当前相对布置朝着第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的相对运动的信息的程序代码。
公开一种用于提供第一对象和第二对象的受引导的相对运动的方法，所述方法包括：
-获得所述第一对象，3D引导系统附连在所述第一对象上，其中所述3D引导系统包括3D扫描器；
-获得所述第二对象和所述第二对象的3D模型，并且从所述3D模型导出第一和第二对象之间的第一优选相对布置；
-执行运动程序，所述运动程序包括：
a)使用所述3D扫描器3D扫描所述第二对象的至少一个区域并且从所述3D扫描的结果确定所述第一和第二对象的当前相对布置；
b)计算用于从所述当前相对布置朝着所述第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的相对运动的信息；以及
c)提供朝着所述第一优选相对布置的所述第一和第二对象的相对运动，其中计算的信息用于引导所述相对运动。
在一些实施例中，所述非临时计算机可读介质还存储用于从所述3D模型导出所述第一和第二对象之间的第一优选相对布置的程序代码。导出第一优选相对布置可以包括资源需求计算，并且在一些实施例中，可能优选的是在独立系统上导出第一优选相对布置，然后该第一优选相对布置从所述独立系统传送到3D引导系统。
在一些实施例中，所述第二对象是所述系统的一部分。在一些实施例中，所述第二对象和所述第一对象是自主部分。
在一些实施例中，所述系统和/或所述3D引导系统包括配置成提供朝着所述第一优选相对布置的所述第一和第二对象的相对运动的设备，其中计算的信息用于引导所述相对运动。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括配置成通过将引导信号投射到所述第二对象的目标区域上提供所述信息的信号光源。
在一些实施例中，所述系统和/或所述3D引导系统包括具有存储在其上的一个或多个计算机指令的非临时计算机可读介质，其中所述计算机指令包括用于执行根据本发明的方法的指令。
本发明胜过现有技术的优点在于在不使用外部定位设备的情况下确定第一和第二对象的当前相对布置。
在一些实施例中，确定所述第一和第二对象的当前相对布置包括配对获得的所述第二对象的3D模型和所述3D扫描的结果，使得所述3D扫描的结果与获得的3D模型比较并且从所述比较确定所述第一和第二对象的当前相对布置。
比较可以包括获得的3D模型和3D扫描的结果的旋转和平移，使得它们正确地对准，例如，相应的表面重合。基于提供正确对准所需的旋转和平移的程度，可以相对于第一优选相对布置确定当前相对布置。
3D扫描的结果可以用于生成映射被扫描区域中的第二对象的表面和/或内部结构的新3D模型。配对新3D模型和获得的3D模型然后可以用于相对于第一优选相对布置确定第一和第二对象的当前相对取向。
在一些实施例中，所述获得的3D模型涉及所述第二对象的表面，使得所述3D模型包括与所述第二对象的被扫描区域的表面相关的数据。例如，当3D扫描器是光学扫描器并且第二对象的被扫描区域使得光从其表面反射时可能就是这种情况。当3D扫描器基于聚焦扫描(例如在3Shape TRIOS口内扫描器中)并且第二对象的表面至少部分地半透明(对于牙齿可能就是这种情况)时也可能就是这种情况。
第二对象的其他特征可以被加入通过扫描第二对象的表面获得的3D模型。这些特征可以包括第二对象中的内部结构。当第二对象是患者的牙齿部位或身体部分时可能就是这种情况，其中例如通过第二对象的X射线成像获得其他特征。其他特征可以被整合到第二对象的3D模型中。
在一些实施例中，获得所述3D模型包括例如通过所述第二对象的磁共振成像、X射线扫描或CT扫描在表面下扫描所述第二对象的被扫描区域和/或目标区域，使得所述3D模型包括与所述第二对象的内部结构相关的数据。
在一些实施例中，所述引导系统的所述3D扫描器配置成用于表面下扫描。3D扫描器例如可以是CT扫描器，其中第二对象的被扫描区域中的表面对于CT扫描器的X射线信号至少部分地透明。然后可以基于内部结构的知识和由CT扫描器提供的测量引导运动程序。类似地，然后可以从内部结构导出第一优选相对布置和信息，使得例如显示在第二对象的表面上的引导信号从内部结构导出。
在一些实施例中，获得的3D模型包括所述第二对象的表面和内部结构。
在本发明的牙科应用中，获得的3D模型可以包括牙齿组的表面和内部结构。如果从3D扫描的结果生成新3D模型，则新3D模型中的牙齿组可以虚拟地旋转和/或平移以与获得的模型中的牙齿组重合。
在本发明的外科应用中，获得的3D模型可以包括表面(例如皮肤表面)和身体部分的内部结构(例如静脉、动脉和骨)。
在一些实施例中，当导出所述第一和第二对象之间的第一优选相对布置时考虑所述第一对象的形状。
例如当第一对象在与第二对象的接触点处的横截面形状不具有旋转对称或具有有限旋转对称(例如双重对称或三重对称)时可能就是这种情况。
减小的旋转对称可以围绕第一对象的纵轴线。当第一对象包括手术刀时，可以没有旋转对称，原因是手术刀具有相对于表面的优选取向，锋利边缘面对它打算切割的表面。
牙钻也具有形状，所述形状具有相对于将由牙钻从其去除牙齿材料的牙齿或相对于将从其去除骨材料以便为植入物让出空间的下颌/上颌的优选相对布置。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括若干部分。
在一些实施例中，所述3D引导系统可以是所有部分整合在一个相干系统中的整合系统。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括两个或更多个独立部分，所述独立部分分布成在所述部分的至少一些之间有距离。对于包括独立部分的3D引导系统，所有这些独立部分可以附连到第一对象。附连可以是直接的或间接的，例如经由独立部分中的另一个附连。
在一些实施例中，从所述3D扫描的结果确定所述第一和第二对象之间的距离。扫描例如可以包括距离的基于飞行时间的测量和/或将3D模型的比例缩放版拟合到3D扫描的结果。显示不同距离处的3D模型的比例缩放版的尺寸的比例缩放系数可以用于确定距离。
在一些实施例中，所述第一优选相对布置使得所述第一对象以相对于所述第二对象的优选取向邻近所述第二对象。对于本发明的多个应用，例如在牙科治疗中、在外科程序中、在将两个对象粘接在一起时、在相对于另一辆车或障碍物停车时或在将一个对象相对于另一个对接时可能就是这种情况。在本发明的上下文中，短语“邻近”可以表示一种布置，其中一个对象紧挨着、但不必连接另一个对象。对象也可以接触，例如一个对象不穿透到另一个对象中的接触。
在一些实施例中，所述第一优选相对布置使得在具有两个对象的优选相对取向的所述第一对象和所述第二对象之间有明确的和/或预定的距离。例如当本发明应用于焊接程序或停车时可能就是这种情况。
在本发明的上下文中，短语“从Y确定的X”可以表示其中确定X时考虑Y的情况。其它参数仍然可以影响X的值。X例如可以是当前相对布置，而Y可以是3D扫描的结果。
在本发明的上下文中，短语“朝着第一优选相对布置”可以表示使第一和第二对象更靠近第一优选相对布置的相对运动，例如将第一和第二对象带到第一优选相对布置的相对运动。
在第一和第二对象的相对运动期间，第二对象可以相对于参考系静止，而第一对象朝着第二对象移动。方法然后可以用于提供第一对象的引导运动。
当本发明关于患者的牙科或外科程序使用时可能就是这种情况。关于牙科治疗，本发明可以用于引导例如用于钻入患者的牙齿或上颌骨或下颌骨中的牙科钻具。关于外科治疗，本发明可以用于引导例如用于提供患者中的切口的手术刀。
在第一和第二对象的相对运动期间，第一对象可以相对于参考系静止，而第二对象朝着第一对象移动。方法然后可以用于提供第二对象的引导运动。
例如，当第一对象是第一和第二对象中的较重者时可以使用这样的配置。
第一和第二对象的相对运动可以包括第一对象和第二对象两者相对于参考系的运动。例如当第一对象和第二对象可以以受控方式移动时可能就是这种情况。
运动程序可以包括实时执行的一个或多个步骤。可以实时执行a)、b)和c)中的一个或多个。
可以实时执行第二对象的被扫描区域的3D扫描。可以实时执行信息的计算。
在一些实施例中，所述3D引导系统配置成用于3D扫描所述第二对象的被扫描区域和/或用于计算信息和/或用于实时显示所述信息。
当人类操作者和机器人设备或另一机器提供第一和第二对象的相对运动时，可以实时显示信息。
在一些实施例中，所述3D引导系统配置成用于执行用于确定当前相对布置的程序代码和/或配置成用于执行用于实时计算信息的程序代码。
在本发明的上下文中，短语“实时”表示下述情形：实时执行的功能足够快，使得例如足够快地提供引导信号，进而使得操作者可以适时地调节第一和第二对象的相对运动。
对于本发明的牙科和/或外科应用，短语“实时”可以用于下述情形：功能在秒的时帧内发生，使得信息可以被计算并且以提供信息的速率比牙科钻具或手术刀的运动更快的方式提供给牙科医生或医生。
实时可以表示功能在时期内发生，其中所述时期小于大约60秒，例如小于大约30秒，例如小于大约15秒，例如小于大约10秒，例如小于大约5秒，例如小于大约2秒，例如小于大约1秒，例如小于大约0.5秒，例如小于大约0.2秒，例如小于大约0.1秒，例如小于大约0.05秒，例如小于大约0.02秒，例如小于大约0.01秒，例如小于大约0.005秒，例如小于大约0.002秒，例如小于大约0.001秒。
在一些实施例中，所述相对运动由人类操作者控制。第一对象和/或第二对象可以是手持式设备，操作者可以使所述手持式设备相对于另一对象移动。操作者也可以经由配置成用于平移、移动、倾斜或旋转对象的机械设备(例如机械臂、发动机或载物台)控制相对运动。
在一些实施例中，所述相对运动是计算机控制的。例如对于根据本发明的机器人设备可能就是这种情况，其中3D引导系统和/或方法帮助机器人设备进行第一和第二对象的相对运动。
在一些实施例中，所述运动程序包括多次重复a)、b)和c)中的一个或多个，使得所述第一和第二对象可以逐渐接近所述第一优选相对布置。
a)、b)和c)的重复可以使得针对c)的每次重复执行a)和b)。然后确定第一和第二对象的当前相对布置并且然后针对对象的每次相对运动计算用于引导相对运动的信息。
a)、b)和c)的重复可以使得针对c)的一次重复执行a)或b)。当针对对象的每次相对运动确定第一和第二对象的当前相对布置时可能就是这种情况，而当发生相对布置的明显变化时仅仅计算用于引导相对运动的信息的计算。
在一些实施例中，所述第一和第二对象的相对运动是大致连续的并且在所述相对运动期间执行a)和/或b)。对于本发明的若干应用，例如当人类操作者或机器人设备使用用于引导运动的计算的信息使一个对象在平滑运动中朝着另一个移动时，第一和第二对象的相对运动是大致连续的。
可以即时地执行当前相对布置的确定和信息的计算。于是a)和b)两者与运动的速度相比应当优选地足够快，使得对于例如将进行的相对运动的方向的适当变化适时地提供信息。在一些实施例中，只有当a)指示自信息的先前计算以后已发生相对布置的明显变化时才执行b)。
在一些实施例中，所述3D引导系统配置成用于连续地执行用于确定当前相对布置的程序代码和/或配置成用于连续地执行用于计算信息的程序代码和/或配置成用于执行用于导出另外的优选相对布置的程序代码，从而使得可以在所述第一和第二对象的相对运动期间连续地执行这些程序代码。
在一些实施例中，所述方法包括将所述第一和第二对象布置在初始相对布置中并且其中所述信息用于将所述第一和第二对象从所述初始相对布置引导到所述第一优选相对布置。
在一些实施例中，信息的计算也提供或基于计算的计划运动，例如基于第一和第二对象的先前相对布置和第一优选相对布置的计划运动。先前相对布置可以是初始相对布置或在初始和当前相对布置之间发生的相对布置。
不需要实时执行所有步骤。例如信息的计算可以以比例如3D扫描低的重复率发生。当3D扫描显示第一和第二对象的相对运动按计划发生时，在采集每个3D扫描之后不需要将信息提供给操作者。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括适合于执行所述第一对象的运动的运动测量的运动传感器。
当3D引导系统包括运动传感器时，可以从所述运动测量确定第一和第二对象的当前相对布置。可以单独从运动测量或与从第二对象的3D扫描和3D模型导出的信息组合确定当前相对布置。
在一些实施例中，用于确定所述当前相对布置的程序代码考虑运动测量的结果，使得可以从所述运动测量确定第一和第二对象的当前相对布置。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括适合于执行所述第一对象的取向测量的取向传感器。
当3D引导系统包括取向传感器时，从所述取向测量确定第一和第二对象的当前相对布置。可以单独从取向测量或与从第二对象的3D扫描和3D模型导出的信息组合确定当前相对布置。
在一些实施例中，用于确定当前相对布置的程序代码考虑取向测量的结果，使得可以从所述取向测量确定第一和第二对象的当前相对布置。
可以从取向测量和运动测量的组合确定当前相对布置。
从明确的初始相对布置起，运动传感器和/或取向传感器可以用于在到达第一优选相对布置的路途上的各位置上确定当前相对布置。
在一些实施例中，使用所述3D扫描器执行所述3D扫描。
在一些实施例中，当所述第一和第二对象布置在所述第一优选相对布置中时，所述第一对象在所述第二对象的目标区域中接触所述第二对象。目标区域可以包括第一和第二对象之间的接触点并且可选地包括第二对象的直接围绕表面。
在一些实施例中，所述第一对象包括配置成接触所述第二对象的目标区域的远端。所述远端可以包括配置成进入所述第二对象的目标区域的进入部分。当导出第一优选相对布置时，可以考虑所述第一对象的进入部分的形状。
在一些实施例中，所述第一对象包括配置成用于由操作者或由机械设备(例如机器人)保持的近端。
在一些实施例中，使用所述3D引导系统的信息显示设备显示信息，其中所述信息显示设备配置成用于向操作者显示信息。
信息显示设备可以是布置在第一对象处的3D引导系统的一体部分。在第一对象是“手持式”设备的情况下，信息显示设备可以是手持的部分。
例如当信息显示设备是经由有线或无线连接连接到手持式第一对象的设备时，信息显示设备原则上也可以布置在离第一对象某个距离处。
在一些实施例中，所述3D引导系统附连到所述第一对象。代替附连到所述第一对象，引导系统可以是它的一体部分。
当第一和第二对象的相对布置由除了例如由人类操作者提供的相对运动以外的其它运动影响时，信息的这种显示对于获得第一和第二对象之间的第一优选相对布置可能是必不可少的。在患者的牙科或外科治疗的情况下，患者可以移动并且可以通过实时确定相对位置和/或信息的实时计算解释该患者运动。
在一些实施例中，所述第二对象包括将被焊接或粘接在一起的一个或多个单元。
在一些实施例中，所述方法包括当所述第二对象例如弯曲时估计所述第二对象的表面变形。在一种情况下，当患者以一个姿势就坐时获得患者的3D模型，而在手术刀朝着患者的身体上的入口点移动期间，患者以不同姿势就坐。该姿势变化可能导致问题。当方法包括姿势的变化期间的患者的身体的变化的估计时，可以避免这样的问题。
在一些实施例中，用于朝着所述第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的信息的计算考虑所述第一对象的进入部分的形状。
在一些实施例中，所述第一对象包括钻具。钻具可以包括配置成用于钻入患者的身体部分、牙齿或下颌骨或上颌骨中的外科或牙科钻具。
在一些实施例中，所述第一对象包括配置成用于钻入患者的牙齿或下颌骨或上颌骨中的牙科钻具。
在一些实施例中，所述方法包括导出所述第一和第二对象之间的另外的优选相对布置。另外的优选相对布置可以包括一个或多个附加优选相对布置。第一优选相对布置和另外的附加优选相对布置可以一起形成第一和第二对象的相对运动的优选路径。方法可以包括根据所述优选路径引导所述相对运动。3D引导系统可以配置成用于根据所述优选路径引导所述相对运动。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括用于导出所述第一和第二对象之间的另外的优选相对布置的程序代码。
另外的优选相对布置的至少一部分可以使得它们限定由初始和第一优选相对布置限定的路径的中间相对布置。
另外的优选相对布置的至少一部分可以使得它们限定由初始和第一优选相对布置限定的路径的延伸，即另外的优选相对布置的至少一部分表示关于从初始到第一优选相对布置的相对运动的第一和第二对象的相对运动的延续。
在一些实施例中，所述另外的优选相对布置中的一个或多个对应于所述第一对象的远端的至少一部分位于所述第二对象的表面之下的布置。在本发明的上下文中，短语“表面之下”可以表示当对象布置在初始相对布置中时关于第二对象的表面与第一对象相对布置的区域。
在一些实施例中，获得所述第二对象的3D模型包括扫描所述第二对象的至少一部分和/或扫描所述第二对象的印模的至少一部分，使得所述3D模型包括与所述第二对象的表面相关的数据。第二对象的或第二对象的印模的被扫描部分可以对应于在运动程序期间使用3D扫描器扫描的第二对象的区域。
在一些实施例中，所述第二对象的3D模型包括与所述第二对象相关的数据和与所述第二对象的计划修改相关的数据。
在一些实施例中，所述第二对象涉及患者的下颌和/或下颌并且所述计划修改对应于牙科植入物或计划限定于下颌或上颌中以便接收所述牙科植入物的孔。在一些实施例中，基于与所述第二对象的内部结构和/或表面相关的信息计划所述修改。
在一些实施例中，当从所述3D模型导出所述第一优选相对布置时考虑所述计划修改。
在一些实施例中，由用于从所述3D模型导出所述第一优选相对布置的程序代码考虑所述计划修改。
在一些实施例中，在所述运动程序之前获得所述第二对象的3D模型。
在一些实施例中，所述第二对象包括患者身体的一部分，例如将在其中执行外科程序的患者身体的区域，例如包括皮肤、肌肉组织、骨结构和/或血管的区域。
在一些实施例中，获得所述3D模型包括从所述第二对象的被扫描区域的表面的扫描获得的数据。
在一些实施例中，扫描所述第二对象的被扫描区域的表面提供所述第二对象的虚拟3D表示，从所述虚拟3D表示可以获得所述3D模型。虚拟3D表示例如可以是点云，通过三角化从所述点云生成3D模型。
在一些实施例中，所述第二对象的被扫描区域的内部结构的表面下扫描提供所述第二对象的内部结构的虚拟3D表示，从所述虚拟3D表示可以获得所述3D模型。在一些实施例中，所述虚拟3D表示至少部分地由所述第二对象的被扫描区域和/或目标区域的表面下扫描(例如由所述第二对象的磁共振成像、X射线扫描或CT扫描)获得。
在一些实施例中，所述第二对象的内部结构包括神经、牙齿的根部分或下颌和/或上颌骨结构。
在一些实施例中，所述第二对象的内部结构包括患者身体的神经、骨结构、动脉和静脉。
在一些实施例中，通过组合扫描第二对象表面获得的数据和扫描其内部结构获得的数据获得所述第二对象的3D模型，使得所述3D模型包括与所述表面相关的数据和与所述第二对象的内部结构相关的数据。
在一些实施例中，所述第二对象的3D模型包括相对于所述第二对象的表面的3D扫描布置的所述第二对象的2D X射线扫描，即，所述第二对象的2D X射线扫描相对于所述3D模型中的所述第二对象的表面布置。
目标区域可以是被扫描区域的一部分，使得在3D扫描期间扫描目标区域。目标区域可以至少部分地从被扫描区域移位，使得3D扫描提供包括位于目标区域的外部的第二对象的一个或多个区域。3D扫描可以包括第二对象的目标外区域的扫描，其中这些目标外区域与目标区域联系，使得确定目标外区域的位置用于确定第一和第二对象的相对布置。在应用本发明之前第二对象的形状是明确的和确定的或者对准标记设在从目标区域移位的第二对象的部分上的应用中可能就是这种情况。然后扫描移位的被扫描区域，同时第一对象的进入部分根据第一优选相对布置相对于第二对象的目标区域布置。
在一些实施例中，使用非接触成像方法(例如基于电磁或声波的方法)提供所述3D模型。
在一些实施例中，所述3D引导系统配置成提供所述第二对象的至少被扫描区域的3D扫描。
在一些实施例中，3D扫描所述第二对象的区域提供被扫描区域中的所述第二对象的表面的映射。
在一些实施例中，3D扫描所述第二对象的区域提供被扫描区域中的所述第二对象的内部结构的映射。
在一些实施例中，一次获得各个图像或子扫描，即，即时采集每个子扫描而不使用例如行扫描技术。在行扫描技术中，横越扫描区域扫描一行光并且当行扫描横越扫描区域时随着时间收集例如反射光。
在一些实施例中，通过将引导信号投射到所述第二对象的区域上显示所述信息。
在一些实施例中，所述3D引导系统的所述信息显示设备包括配置成用于将引导信号投射到所述第二对象的区域上的投射设备，其中所述引导信号基于所述信息。
引导信号可以投射到接触点上，其中当根据第一优选相对布置进行布置时在第一和第二对象之间建立接触。
引导信号可以朝着入口点被引导，其中所述第一对象的进入部分将进入第二对象的目标区域。
引导信号投射在其上的第二对象的区域可以包括目标区域或所述目标区域的至少一部分。
在一些实施例中，所述3D引导系统的信息显示设备包括显示器并且在所述显示器上作为引导信号显示所述信息。
在一些实施例中，所述引导信号包括定位信号。定位信号可以显示所述第二对象上的目标区域的位置，即，定位信号可以显示第一对象的远端将接触第二对象的位置。
定位信号可以提供与第一对象和第二对象的相对位置相关(例如与第一对象相对于优选路径的位置相关)的信息。
在一些实施例中，所述引导信号包括取向信号。取向信号可以提供与第一对象和第二对象的相对取向相关(例如与相比于优选路径的相对取向的第一和第二对象的相对取向相关)的信息。取向信号可以提供与当前相对布置的取向相比于第一优选相对布置的取向的差异相关的信息。
在一些实施例中，所述定位信号包括较亮斑点并且所述取向信号包括较暗斑点，反之亦然。
在一些实施例中，所述定位信号包括较小面积斑点并且所述取向信号包括较大面积斑点，反之亦然。
在一些实施例中，所述定位信号包括定位色码，所述定位色码优选地配置成使得当所述第一和第二对象朝着所述第一优选相对布置彼此接近时位置指示器的颜色变化。
在一些实施例中，所述取向信号包括取向色码，所述取向色码优选地配置成使得当所述第一和第二对象朝着所述第一优选相对布置彼此接近时取向指示器的颜色变化。
在一些实施例中，所述定位信号和/或所述取向信号的横截面几何形状从以下的群组选择：十字、点、圆或多边形，多边形例如三角形、方形、矩形或五边形。
在一些实施例中，所述引导信号包括指示器信号，并且当所述第一和第二对象根据所述第一优选相对布置的取向布置时，所述取向信号与所述指示器信号重合。
在一些实施例中，所述引导信号包括提供与所述第一和第二对象之间的距离相关的信息的距离指示器。
第一对象相对于第二对象的目标区域中的位置的取向可以使用球坐标系表达，其中球坐标系布置成使得它的原点与目标区域中的所述位置重合并且顶点方向与所述位置处的第二对象的表面法线重合。目标区域中的位置可以是入口点，其中第一对象的进入部分将进入第二对象。第一对象相对于第二对象的优选布置然后可以表达为优选方位角和优选倾角。第一和第二对象之间的距离然后可以作为进入部分离位置的径向距离被测量。
在一些实施例中，至少对于所述第一和第二对象的一些布置，所述定位信号和所述取向信号同心地布置。至少当当前相对布置靠近第一优选相对布置或靠近另外的优选相对布置时，取向信号可以配置成围绕定位信号。
在一些实施例中，所述3D引导系统包括用于基于所述3D扫描和所述第一和第二对象的相对布置控制所述引导信号的位置的装置。
在一些实施例中，经由所述引导信号从所述3D引导系统的光源发射的方向确定所述引导信号的位置。用于控制引导信号的位置的装置然后可以包括用于控制引导信号光源相对于3D引导系统的其它部分的布置的束控制光学器件和/或致动器。
在一些实施例中，所述3D引导系统配置成用于获得预处理计划，所述预处理计划描述所述第一和第二对象在其朝着所述第一优选相对布置的相对运动期间的相对布置的优选路径。在一些实施例中，提供预处理计划，所述预处理计划描述第一和第二对象在其相对运动期间的相对布置的优选路径。相对运动可以朝着第一优选相对布置。相对运动可以沿着另外的优选相对布置比第一优选相对布置延伸更远。
当第一和第二对象接近第一优选相对布置时可以大致遵循优选路径。可以通过将相对运动带回到计划优选路径或通过实时调整路径实时修正所述优选路径的偏离。
第二对象的3D扫描可以在其扫描部分中提供第二对象的表面的扫描。技术人员已知的技术可以用于程序的该部分。
本发明的概念是通用的并且可以应用于许多应用中，例如用于牙科治疗、外科治疗、在其中存在电气布线或水/煤气管的结构(例如壁)中钻孔或用于将不同结构焊接或粘接在一起。
本发明也可以应用于较大结构的对准，例如用于停车或用于将一个结构相对于另一个对接。本发明的概念不对对象的尺寸构成限制并且第一对象例如可以是停泊在港口的船只或接泊到空间站的航天飞机。
本发明可以应用于医疗中，例如当执行冠状动脉的球囊血管成形术时例如用于将支架放置在血管中或用于胃内球囊手术。
在一些实施例中，所述3D扫描提供对象的当前相对布置的读数。这可以包括第一和第二对象的相对位置和取向。第一和第二对象之间的距离可以从它们的相对位置和/或通过直接测量确定。
可以通过比较第二对象的3D扫描的结果和3D模型提供这样的读数。在牙科程序的情况下，3D模型可以是牙齿组的3D模型，显示牙齿组的表面和/或内部结构。3D扫描可以提供例如从钻具看到的牙齿组的表面的虚拟3D表示。通过比较3D模型和3D扫描的结果，可以识别当前相对布置。然后可以计算用于朝着它的第一优选相对布置引导钻的信息并且可以向牙科医生显示信息，然后牙科医生可以提供相对运动，其中钻朝着牙齿组的目标区域移动。该运动程序继续，直到钻已到达根据第一优选相对布置的位置和取向。
本发明可以应用于牙科治疗以便当对患者的牙齿部位执行操作时引导牙科医生。可能重要的是避免钻和牙齿中的神经之间的接触，原因是这些神经的损伤可能对患者造成严重影响。
第一对象然后可以是3D引导系统附连在其上的牙科工具，例如牙科钻具。第二对象可以包括患者的牙齿部位的一部分，例如患者的牙齿和/或下颌骨或上颌骨的一部分。通过扫描牙齿部位(例如通过借助于口内扫描器扫描牙齿部位和/或通过扫描牙齿部位的印模)从牙齿部位的虚拟3D表示获得第二对象的3D模型。
第一优选相对布置然后可以表示牙科工具相对于例如患者的牙齿或下颌骨或上颌骨的布置。
可以从牙齿和/或下颌骨或上颌骨的扫描提供患者的牙齿部位的3D模型。可以借助于基于光学的口内扫描器或通过扫描牙齿部位的印模而扫描牙齿的表面。CT扫描可以提供牙齿部位中的神经的位置的信息并且与牙齿组的表面的扫描一起形成用于计算钻和牙齿组的第一优选相对布置的3D模型。实际上，CT扫描也可以提供与第二对象的表面相关的信息。第一优选相对布置可以使得钻接触将暴露于程序的牙齿的表面。优选取向可以使得钻可以沿着它的纵向至少在某个长度上移动而不碰撞神经。当牙科医生朝着牙齿部位移动附连有3D引导系统的牙科钻具时，3D引导系统显示钻和牙齿部位的相对位置。显示可以包括将定位信号投射到目标区域中的牙齿上，其中钻接触牙齿，而取向信号可以包括具有点的环，其指示当前取向的方位角和倾角从第一优选相对布置的取向的方位角和倾角的偏离。当牙科医生改变钻具的取向时，环和点变化，使得朝着钻相对于患者的牙齿部位的优选布置引导牙科医生。
当本发明应用于牙科植入物治疗时，牙科钻具和例如患者的下颌骨或上颌骨的第一优选相对布置使得牙科钻具被对准以钻入下颌骨或上颌骨中。在植入程序开始之前，优选地识别重要结构，例如下牙槽神经或窦。下颌骨或上颌骨的形状和尺寸也可以被映射以使得植入物可以以最有利位置和取向布置。牙齿组的牙齿部位的3D模型可以从例如2D射线照片(例如全景断层片或根尖周片)或从CT扫描获得。计划可以包括3D CAD/CAM软件的使用。
在用于确定第一优选相对布置的一个工作流程中，初始获得患者的牙齿部位的CT扫描。从由CT扫描形成的牙齿部位的3D模型计划植入物的位置和取向。然后从计划的植入物位置和取向计划将接收牙科植入物的下颌或上颌中的孔的位置和取向。从计划的孔/植入物位置和取向生成第二对象的修改的3D模型，其中指示计划的植入物/植入物孔。从修改的3D模型，可以确定第一优选相对布置。
本发明也可以应用于外科程序。在该情况下，第一对象可以包括适合于切开患者的手术刀工具，其中3D引导系统附连到手术刀工具。第二对象可以是患者，从而使得3D模型包括皮肤和优选布置在患者的皮肤之下的身体部分。这可以是血管或骨结构。一旦外科医生遵循引导，第一优选相对布置可以使得外科医生能够在目标区域中切开患者而不造成患者的非必要损伤。可以用定位信号指示目标区域的位置，该定位信号可以包括十字或点。取向信号可以是围绕定位信号的更大环。当切入患者中(即，使手术刀进一步进入患者的身体)时，优选取向可以变化并且可以基于3D模型计算另外的优选布置。当手术刀前进时，取向信号可以相应地变化，引导外科医生执行优选切割使得损伤的程度被减轻。
对身体部分的接近可能在过程之前(例如在涉及获得第二对象的3D模型的方法的部分之前)就已经实现。也可以初始获得3D模型并且然后在应用根据本发明的方法之前执行第一程序以例如打开患者的胸部。
第一和第二对象的相对布置的精度的要求可以很严格，使得第一优选相对布置是唯一的。精度要求可以不太严格，使得第一优选相对布置可以包括相对布置的区间。例如粘接工具可以具有相对于它将在其上应用粘接剂的对象的不同方位角。当使用包括定位信号和/或取向信号的引导信号时，在第一和第二对象的相对布置足够靠近最佳相对布置以使得其在所需精度内时，指示已到达第一优选相对布置的信号可以发生变化。
3D引导系统的3D扫描器可以包括多个部分，例如一个或多个探测光源以及配置成获得所述第二对象的虚拟3D表示的一个或多个照相机。
3D扫描器可以是以技术人员已知的各种方式进行构造。
3D扫描器的一种实现方式包括照相机，所述照相机包括传感器元件的阵列和配置成用于生成探测光的探测光源。探测光可以朝着第二对象传输，由此至少照明第二对象的被扫描区域，并且从第二对象返回的光可以传输到传感器元件的阵列。3D扫描器还可以包括以照相机上的第一景深成像从第二对象返回到传感器元件的阵列的传输光的至少一部分的第一光学系统和配置成用于改变第二对象上的焦平面的位置的焦平面移位设备。此外，3D扫描器可以配置成从所述传感器元件的阵列获得至少一个图像并且确定焦平面位置的范围的多个传感器元件的每一个或焦平面位置的范围的多个传感器元件组的每一个的(一个或多个)对焦位置。扫描器还可以配置成用于将对焦数据转换成3D坐标。
照相机可以包括透镜和传感器阵列，例如CCD或CMOS芯片。在一些实施例中，滤光器放置在传感器阵列的前面。滤光器的作用可以是：只有波长大致为期望波长的光通过滤光器。这使得能够分离3D扫描器中的不同光源并且去除多数背景光。替代地，照相机可以是感色的。
照相机可以布置成使得它配置成记录图像，从所述图像可以确定第一和第二对象的相对位置和取向。
3D引导系统可以包括一个或多个光源，例如用于3D扫描器的探测光源和用于提供引导信号的信号光源。光源可以是激光器、可变输出功率激光器、发光二极管(LED)、卤素射灯或其它聚光灯。生成的光可以从例如靠近第一对象的远端布置的光源直接供应，或者可以用光波导(例如光纤)供应。在一些应用中，可能适当的是使用单色、相干或偏振光。应当注意，即使激光器提供光时，光可以投射到第二对象的表面上而不损伤表面。探测光源和/或信号光源可以在紫外范围内、在可见范围内和/或在红外范围内发射光。探测光源和/或信号光源可以适合于发射相干光、偏振光、单色光或不同频率的光，例如在两个或更多个频率范围内的光。各种滤光器可以应用于探测光源和/或信号光源。
3D引导系统可以仅仅用一个光源工作，但是为了许多目的，有利的是具有若干个、例如至少两个光源。一个或多个探测光源可以用于3D扫描器中，而一个或多个信号光源可以配置成提供投射到第二对象上的引导信号。
对于一些应用，光源优选地尽可能小以最小化3D引导系统的尺寸。可以预料光源可以具有垂直于发射光的方向的横截面，所述横截面小于5mm2、优选地小于4mm2、例如小于3mm2、例如小于2mm2、例如小于1mm2、例如小于0.5mm2、例如小于0.25mm2。
本发明的手持式实施例可以包括运动传感器，例如加速计和/或陀螺仪。这些微机电系统(MEMS)可以测量三个主要坐标轴的3D中的所有运动(即，平移和旋转)。
本文公开了一种包括程序代码装置的计算机程序产品，当所述程序代码装置在数据处理系统上运行时所述程序代码装置用于使数据处理系统执行根据本发明的方法，以及一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质具有在其上存储的程序代码装置。
在一些实施例中，接触传感器与第一对象的远端结合布置，使得接触传感器适合于记录与第二对象的接触。接触传感器可以包括在远端处的触觉部件。接触传感器可以是电容传感器。
本文还公开了一种在其上存储计算机程序的非临时计算机可读介质，其中所述计算机程序配置成用于导致根据本发明的方法的一个或多个部分的计算机辅助执行。
本文公开了一种用于引导第一对象和第二对象的相对运动的系统，所述系统包括：
-配置成用于附连到所述第一对象上的3D引导系统，其中所述3D引导系统包括3D扫描器；
-非临时计算机可读介质，其配置成用于至少暂时存储：
i.所述第二对象的3D模型；
ii.用于从所述3D模型导出第一和第二对象之间的第一优选相对布置的程序代码；
iii.用于从所述第二对象的3D扫描的结果确定所述第一和第二对象的当前相对布置的程序代码；以及
iv.用于计算用于从所述当前相对布置朝着第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的相对运动的信息的程序代码。
实施例
1.一种用于提供第一对象和第二对象的引导相对运动的方法，所述方法包括：
-获得所述第一对象，3D引导系统附连在所述第一对象上，其中所述3D引导系统包括3D扫描器；
-获得所述第二对象和所述第二对象的3D模型，并且从所述3D模型导出第一和第二对象之间的第一优选相对布置；
-执行运动程序，所述运动程序包括：
a)使用所述3D扫描器3D扫描所述第二对象的至少一个区域并且从所述3D扫描的结果确定所述第一和第二对象的当前相对布置；
b)计算用于从所述当前相对布置朝着所述第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的相对运动的信息；以及
c)提供朝着所述第一优选相对布置的所述第一和第二对象的相对运动，其中计算的信息用于引导所述相对运动。
2.根据实施例1所述的方法，其中实时执行a)、b)和c)中的一个或多个。
3.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述运动程序包括多次重复a)、b)和c)中的一个或多个。
4.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第一和第二对象的相对运动是大致连续的并且在所述相对运动期间执行a)和/或b)。
5.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中使用所述3D引导系统的信息显示设备显示信息。
6.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述方法包括将所述第一和第二对象布置在初始相对布置中并且其中所述信息用于将所述第一和第二对象从所述初始相对布置引导到所述第一优选相对布置。
7.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述3D引导系统包括适合于执行所述第一对象的运动的运动测量的运动传感器，并且其中从所述运动测量确定所述第一和第二对象的当前相对布置。
8.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述3D引导系统包括适合于执行所述第一对象的取向测量的取向传感器，并且其中从所述取向测量确定所述第一和第二对象的当前相对布置。
9.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中实时执行所述3D扫描。
10.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中实时计算所述信息。
11.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中实时显示所述信息。
12.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中当所述第一和第二对象布置在所述第一优选相对布置中时，所述第一对象在所述第二对象的目标区域中接触所述第二对象。
13.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第一对象包括配置成接触所述第二对象的目标区域的远端。
14.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述远端包括配置成进入所述第二对象的目标区域的进入部分。
15.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中导出所述第一优选相对布置考虑所述第一对象的进入部分的形状。
16.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中用于朝着所述第一优选相对布置引导所述第一和第二对象的信息的计算考虑所述第一对象的形状。
17.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第一对象包括配置成用于钻入患者的牙齿、下颌骨或上颌骨中的牙科钻具。
18.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第一对象包括手术刀。
19.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述方法包括导出所述第一和第二对象之间的另外的优选相对布置。
20.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第一优选相对布置和另外的附加优选相对布置一起形成所述第一和第二对象的相对运动的优选路径，并且所述方法包括根据所述优选路径引导所述相对运动。
21.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中另外的优选相对布置中的一个或多个对应于所述第一对象的远端的至少一部分位于所述第二对象的表面之下的布置。
22.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中获得所述第二对象的3D模型包括扫描所述第二对象的至少一部分和/或扫描所述第二对象的印模的至少一部分。
23.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象的3D模型包括与所述第二对象相关的数据和与所述第二对象的计划修改相关的数据。
24.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象涉及患者的下颌和/或下颌，并且所述计划修改对应于牙科植入物或计划限定于下颌或上颌中以便接收所述牙科植入物的孔。
25.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中基于与所述第二对象的内部结构和/或表面相关的信息计划所述修改。
26.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中当从所述3D模型导出所述第一优选相对布置时考虑所述计划修改。
27.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中在所述运动程序之前获得所述第二对象的3D模型。
28.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象包括患者身体的一部分，例如将在其中执行外科程序的患者身体的区域，例如包括皮肤、肌肉组织、骨结构和/或血管的区域。
29.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象是患者的牙齿部位，例如包括患者的牙齿、牙齿的一部分和/或下颌骨或上颌骨的至少一部分的牙齿部位，并且其中通过扫描所述牙齿部位，例如通过借助于口内扫描器扫描所述牙齿部位或扫描所述牙齿部位的印模获得所述第二对象的3D模型。
30.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中获得所述3D模型包括扫描所述第二对象的被扫描区域的表面。
31.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中获得所述3D模型包括例如通过所述第二对象的磁共振成像、X射线扫描或CT扫描表面下扫描所述第二对象的被扫描区域和/或目标区域，从而使得所述3D模型包括所述第二对象的内部结构。
32.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述3D模型包括相对于所述第二对象的表面的3D扫描布置的所述第二对象的2D X射线扫描。
33.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象的内部结构包括神经、牙齿的根部分或下颌和/或上颌骨结构。
34.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述第二对象的内部结构包括患者的身体的神经、骨结构、动脉和静脉。
35.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中通过组合通过扫描第二对象的表面获得的数据和通过扫描其内部结构获得的数据获得所述第二对象的3D模型，使得所述3D模型包括与所述表面相关的数据和与所述第二对象的内部结构相关的数据。
36.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中3D扫描所述第二对象的区域提供被扫描区域中的所述第二对象的表面的映射。
37.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中3D扫描所述第二对象的区域提供被扫描区域中的所述第二对象的内部结构的映射。
38.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中通过将引导信号投射到所述第二对象的区域上显示所述信息。
39.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中引导信号投射在其上的所述第二对象的区域包括目标区域或所述目标区域的至少一部分。
40.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述3D引导系统的信息显示设备包括显示器并且在所述显示器上作为引导信号显示所述信息。
41.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述引导信号包括定位信号。
42.根据实施例41所述的方法，其中所述定位信号显示所述第二对象上的目标区域的位置。
43.根据实施例41或42所述的方法，其中所述定位信号提供与所述第一对象和所述第二对象的相对位置相关的信息。
44.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述引导信号包括取向信号。
45.根据实施例44所述的方法，其中所述取向信号提供与所述第一对象和所述第二对象的相对取向相关的信息。
46.根据实施例44或45所述的方法，其中所述取向信号提供与当前相对布置的取向相比于第一优选相对布置的取向的差异相关的信息。
47.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述定位信号包括较亮斑点并且所述取向信号包括较暗斑点。
48.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述定位信号包括较小面积斑点并且所述取向信号包括较大面积斑点。
49.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述定位信号包括定位色码，所述定位色码配置成使得当所述第一和第二对象接近所述第一优选相对布置时位置指示器的颜色变化。
50.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述取向信号包括取向色码，所述取向色码配置成使得当所述第一和第二对象接近所述第一优选相对布置时取向指示器的颜色变化。
51.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述定位信号和/或所述取向信号的横截面几何形状从以下的群组选择：十字、点、圆或多边形，多边形例如三角形、方形、矩形或五边形。
52.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述引导信号包括指示器信号，并且当所述第一和第二对象根据所述第一优选相对布置的取向布置时，所述取向信号与所述指示器信号重合。
53.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述引导信号包括提供与所述第一和第二对象之间的距离相关的信息的距离指示器。
54.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中至少对于所述第一和第二对象的一些布置，所述定位信号和所述取向信号同心地布置。
55.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中提供预处理计划，所述预处理计划描述所述第一和第二对象在其朝着所述第一优选相对布置的相对运动期间的相对布置的优选路径。
56.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中当所述第一和第二对象接近所述第一优选相对布置时，大致遵循优选路径。
57.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中通过将相对运动带回到计划优选路径或通过实时调整路径实时修正所述优选路径的偏离。
附图说明
参考附图，通过本发明的实施例的以下示例性和非限定性详细描述将进一步阐释本发明的以上和/或附加目的、特征和优点，其中：
图1显示第一对象和第二对象的示意性表示，其中3D引导系统附连到第一对象。
图2a和2b显示本发明的牙科应用的示意性表示。
图3a、3b和3c示出根据本发明的引导信号和在第一和第二对象的相对运动期间引导信号的变化。
图4a和4b示出根据本发明的引导信号和在第一和第二对象的相对运动期间引导信号的变化。
图5显示根据本发明的方法的示意图。
图6显示具有根据本发明的3D引导系统的第一对象的示意图。
图7和8显示3D引导系统的实施例如何朝着第一优选相对布置引导第一对象的示意图。
在以下描述中，参考附图，附图通过示例的方式显示如何实施本发明。
具体实施方式
图1显示第一对象和第二对象的示意性表示，其中3D引导系统附连到第一对象。
第一对象11在其远端具有结构13，所述结构配置成与第二对象12的目标区域处的凹陷14配合。在该例子中，第一优选相对布置使得结构13与凹陷14配合。3D引导系统15附连到第一对象11，使得当第一和第二对象接近第一优选相对布置时可以提供第二对象的表面的3D扫描。
第一对象11和第二对象12的相对运动可以由操作者或由例如未在图中示出的机器人设备提供。在相对运动期间，引导系统15提供第二对象的实时3D扫描并且3D扫描的结果用于计算以投射到第二对象上的引导信号的形式实时提供给例如操作者的信息。
在该例子中，凹陷可见，使得第一优选相对布置可以容易地由操作者识别。在许多应用中，第一优选相对布置不可通过视觉达成，而是取决于第二对象的内部结构。例如，在牙科程序中就是这种情况，其中患者的牙齿的根部影响第一优选相对布置，或者在外科程序中，其中在患者的皮肤之下的骨结构和动脉的位置会是重要的。
图2a和2b显示本发明的牙科应用的示意性表示。
在图2a中，第一对象是牙科钻具21，而第二对象是患者的牙齿部位的一部分。在该例子中，关于用于预备患者的下颌骨或上颌骨以便接收牙科植入物的程序描述了方法和3D引导系统，但是本发明是通用的并且不限于该牙科应用。钻孔程序用于在下颌骨或上颌骨中提供孔使得植入物可以作为根状骨内植入物被布置。
通过组合来自表面扫描的表面数据和与通过显示牙齿组的至少一部分和下颌骨或上颌骨的内部结构的基于X射线的扫描获得的内部结构相关的数据形成3D模型。优选地，显示内部结构的扫描提供与牙齿组中的神经(例如下牙槽神经和/或颏神经)的位置相关的信息，使得引导系统可以以一种防止钻入这些神经中的方式引导钻具的运动。确定牙齿的内部结构的表面下扫描可以包括牙齿部位的CT扫描。初始位于植入物将布置的部位的牙齿可能在钻孔之前已被去除。第一优选相对布置因此可以使得当开始钻孔时钻具将提供用于植入物的孔而不碰撞神经。
3D引导系统25附连到牙科钻具21。3D引导系统的3D扫描器可以配置成用于牙齿的口内扫描以提供牙齿组的虚拟3D表示，从所述虚拟3D表示可以飞速地确定牙齿部位的新3D模型。从新3D模型和获得的3D模型的比较可以确定当前相对布置。
引导信号26由3D引导系统投射到牙齿24的目标区域上。由于牙齿的形状，这里示出的引导信号是稍微变形的圆形结构。引导信号26包括在这里分别示出为中心的点和外部的环的定位信号和取向信号。两个环的内环是指示器信号环，显示第一优选相对布置的倾角。3D引导系统25配置成用于将引导信号引导到目标区域上，牙科钻具21必须在所述目标区域处钻入牙齿中。举例来说，引导信号26可以使用镜或光波导、例如光波导进行引导。
引导信号也可以由信息显示设备可视化，在所述信息显示设备上例如使用屏幕可视化信息。屏幕可以是3D引导系统的一体部分。
图2b显示图2a的牙齿24和引导信号的近视图，其中引导信号由定位信号37、指示器信号环40以及具有取向信号环38和取向信号点39的取向信号组成。取向信号点39和指示器信号环40分别显示第一优选相对布置的方位角和倾角。
图3a、3b和3c示出根据本发明的引导信号和在第一和第二对象的相对运动期间引导信号的变化。
第一对象31例如可以是配置成用于切入第二对象中(即切入患者中)的手术刀。图3a-3c示出了引导信号36随着手术刀接近患者的皮肤到达第一优选相对布置的变化，在该第一优选相对布置中，手术刀的远端与患者皮肤的目标区域接触。
在图3a中手术刀不与患者皮肤接触。3D引导系统3D扫描患者的表面，计算信息并且将引导信号36投射到患者皮肤上，由此将外科医生引导到皮肤的目标区域。引导信号36包括定位信号37和取向信号38、39。在这里取向信号包括取向信号环38(实线圆)和取向信号点39。取向信号环38提供当前相对布置中的手术刀的倾角的量度。指示器信号的指示器信号环40(虚线圆)显示第一优选相对布置的倾角。取向信号点39显示第一优选相对布置的方位角。
在图3b中手术刀已放置成使得它的远端在目标区域处接触患者皮肤并且使得当前相对布置的方位角匹配第一优选相对布置的方位角。与图3a的当前相对布置相比，由取向信号环38的半径朝着指示器信号环40的减小可以看到倾角也更靠近第一优选相对布置。
在图3c中手术刀的倾角被优化使得取向信号环(实线)与指示器信号环(虚线)重合。手术刀现在根据第一优选相对布置进行布置并且外科医生准备好执行患者的皮肤的切割。
图4a和4b示出根据本发明的引导信号和在第一和第二对象的相对运动期间引导信号的变化。
在图4a中，随着外科医生切入患者中，手术刀和患者皮肤/身体的优选相对布置发生变化，并且在图4b中示出另外的优选相对布置。在这里另外的优选相对布置的方位角不同于第一优选相对布置的方位角，如取向信号点39的运动所示，并且外科医生需要调节手术刀相对于身体的方位角。在现实生活中，优选相对布置之间的变化可能常常是平滑的和逐渐的。
图3a、3b和3c以及图4a和4b中所示的步骤对于本发明是通用的并且对于牙科治疗或焊接两个金属板可以看到类似相对运动。
图5显示根据本发明的方法的示意图。
初始在步骤101中获得第一对象。3D引导系统附连在第一对象上，其中所述3D引导系统包括3D扫描器。
在步骤102中获得第二对象和第二对象的3D模型。第二对象及其3D模型可以具有内部结构，在第二对象的修改期间将避开所述内部结构。
在步骤103中，从所述3D模型导出第一和第二对象之间的第一优选相对布置。第一优选相对布置可以使得在由第一对象修改第二对象期间第一对象避开内部结构。
运动程序包括步骤104-106：
在步骤104中执行使用所述3D扫描器3D扫描所述第二对象的至少一个区域并且从3D扫描的结果确定第一和第二对象的当前相对布置。
在步骤105中计算用于从所述当前相对布置朝着所述第一优选相对布置引导第一和第二对象的相对运动的信息。
在步骤106中提供朝着第一优选相对布置的所述第一和第二对象的相对运动，其中计算的信息用于引导相对运动。
图6显示具有根据本发明的3D引导系统的第一对象的示意图。
3D引导系统附连到具有远端211的牙科钻具21。3D引导系统包括3D扫描器251，该3D扫描器配置成当第二对象布置在3D扫描器251的视野内时执行第二对象的3D扫描。3D引导系统还包括非临时计算机可读介质252。该介质存储第二对象的3D模型和各种程序代码，所述程序代码用于例如从第二对象的3D扫描的结果确定第一和第二对象的当前相对布置并且用于计算用于从所述当前相对布置朝着第一优选相对布置引导第一和第二对象的相对运动。基于计算的信息，信息显示设备253(在这里是配置成提供引导信号的激光系统)将引导信号投射到第二对象(在这里是牙齿部位)的目标区域上。牙齿部位可以是打算钻除牙齿材料的牙齿或打算钻孔以形成用于植入物的孔的上颌骨或下颌骨。
图7和8显示3D引导系统的实施例如何朝着第一优选相对布置引导第一对象的示意图。
3D引导系统附连到第一对象21(在这里示出为牙科钻具)上并且包括配置成执行第二对象12的区域的3D扫描的3D扫描器251。3D引导系统还包括非临时计算机可读介质252和信息显示设备253，所述信息显示设备在这里是配置成将引导信号26投射到第二对象12的目标区域121上的激光系统。存储在非临时计算机可读介质252上的程序代码计算与引导信号26将投射在第二对象12上的位置相关的信息，并且基于该信息控制信息显示设备253中的致动器和/或光学部件，使得引导信号投射到第二对象的正确部分上。当第一和第二对象的相对位置变化时，调节引导信号的形状和它发射的方向。图8示出一种情形，其中第一对象比图7中更靠近第二对象，并且其中第一对象沿着第二对象的表面稍微移动。相应地调节引导信号的方向使得引导信号仍然投射到目标区域上。此外，如果相对取向变化，则调节形状。
尽管已详细地描述并且显示了一些实施例，但是本发明不限于它们，而是在以下权利要求中限定的主题的范围内也可以以其它方式体现。特别地，应当理解可以利用其它实施例并且可以进行结构和功能修改而不脱离本发明的范围。
在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一个硬件物品体现。在相互不同的从属权利要求中叙述或在不同实施例中描述某些措施的单纯事实不指示这些措施的组合不是有利的。
权利要求可以引用在先权利要求中的任一项，并且“任一项”被理解为表示在先权利要求中的“任何一项或多项”。
应当强调的是当在该说明书中使用时术语“包括/包含”用于指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，而不是排除一个或多个特征、整数、步骤、部件或它们的群组的存在或添加。
在上面和在下文中描述的方法的特征可以在软件中实现并且在数据处理系统或由计算机可执行指令的执行导致的其它处理装置上执行。指令可以是从存储介质或经由计算机网络从另一个计算机装载到存储器(例如RAM)中的程序代码装置。替代地，所述特征可以由硬线电路而不是软件实现或与软件组合实现。

Claims (19)

1.一种用于提供第一对象和第二对象的受引导的相对运动的方法，所述方法包括：
-获得所述第一对象，其中，3D引导系统的3D扫描器附连到所述第一对象；
-获得第二对象以及第二对象的3D模型，并且从所述3D模型导出第一对象和第二对象之间的第一优选相对布置；
-获得预处理计划，该预处理计划描述第一对象和第二对象朝着所述第一优选相对布置的相对运动的优选路径；
-执行运动程序，所述运动程序包括：
a)使用所述3D扫描器3D扫描所述第二对象的至少一个区域并且从所述3D扫描的结果确定第一对象和第二对象的当前相对布置；
b)计算用于实时修正相对运动距优选路径的偏离的信息；以及
c)提供所述第一对象和第二对象朝着所述第一优选相对布置的相对运动，其中计算的信息用于从当前相对布置引导所述相对运动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，从第一优选相对布置和多个导出的另外的优选相对布置形成所述优选路径。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第一对象和第二对象的相对运动是计算机控制的。
4.如权利要求3所述的方法，其中，相对运动至少部分由机器人设备提供。
5.如权利要求1所述的方法，其中，第一对象或第二对象是手持式设备，并且相对运动由人类操作者控制。
6.如权利要求1所述的方法，其中，修正所述偏离包括将相对运动带回至优选路径。
7.如权利要求1所述的方法，其中，修正所述偏离包括调整优选路径。
8.如权利要求1所述的方法，其中，当从所述3D模型导出第一优选相对布置时，考虑计划修改。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二对象涉及患者的牙齿或下颌骨或上颌骨。
10.如权利要求1所述的方法，其中，第二对象包括将在其中执行外科程序的患者的一部分。
11.如权利要求1所述的方法，其中，3D扫描的结果用于生成被扫描区域中的第二对象的新3D模型，并且其中，确定第一对象和第二对象的当前相对布置包括比较新3D模型和获得的3D模型。
12.如权利要求11所述的方法，其中，比较新3D模型和获得的3D模型包括：旋转和平移获得的3D模型和/或新3D模型以使得它们正确对准，以及基于提供正确对准所需的旋转和平移的程度来确定当前相对布置。
13.如权利要求1所述的方法，该方法还包括：基于计算的信息确定引导信号，并且利用所述3D引导系统的信息显示设备显示引导信号。
14.如权利要求13所述的方法，其中，信息显示设备将引导信号投射到第二对象上。
15.如权利要求13所述的方法，其中，信息显示设备包括显示器，并且引导信号在所述显示器中被可视化。
16.如权利要求1所述的方法，其中，获得的3D模型包括表达第二对象的内部结构的数据，并且其中，当导出第一优选相对布置和/或优选路径时，考虑该内部结构。
17.如权利要求10所述的方法，其中，获得的3D模型包括身体部分的表面和内部结构。
18.如权利要求2所述的方法，其中，所述另外的优选相对布置中的一个或多个对应于所述第一对象的远端的至少一部分位于所述第二对象的表面之下的布置。
19.一种用于引导第一对象和第二对象的相对运动的3D引导系统，其中，所述3D引导系统被配置为相对于所述第一对象布置，并且其中，所述3D引导系统包括：
-配置用于执行第二对象的3D扫描的3D扫描器；
-非临时计算机可读介质，其配置成用于至少暂时存储：
所述第二对象的3D模型；
第一对象和第二对象朝着第一优选相对布置的相对运动的优选路径；和
用于从第二对象的3D扫描的结果确定第一对象和第二对象的当前相对布置的程序代码；和
用于计算用于实时修正相对运动距优选路径的偏离的信息的程序代码。
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