CN108335733B - 提取ct数据的方法及其在制定种植计划中的应用 - Google Patents

Abstract

一种提取CT影像数据的方法，步骤包括：先获取组织的CT影像，并配置好图像引导系统；然后，使用指示装置指向组织；之后，计算机识别所述的指示装置，获取指示装置的指向，提取指向上各个组织的CT影像数据，通过对所提取的CT影像数据进行分析，确定位于指向上的各个组织的类型及各个组织间的边界信息；接着，沿着指向，在CT影像上至少呈现一个起始点和一个终止点。本发明提供的方法，通过提取指示装置给出的指向上各个组织的CT影像数据，分析并在指向上产生起始点和终止点，使得种植体植入计划的制定效率显著提高。通过移动指示装置，就能在界面上呈现出指向处组织的情况，使得种植体植入计划的制定更直观，便捷性也得到显著提高。

Description

提取CT数据的方法及其在制定种植计划中的应用

技术领域

本发明涉及一种通过CT影像对种植体的位置、深度等进行手术计划的方法，尤其涉及一种自动获取种植体植入方向，并自动计算种植体植入的起点与终点的方法以及实施该方法的装置，以便于在手术前和手术中进行快速的手术计划。

背景技术

骨整合过程涉及口腔颌骨组织与纯钛之间的结合，结合部位为非纤维结缔结构，结合后拥有很高的强度和稳定性，不会脱落。在口腔颌骨上使用钻头钻孔，备孔后，拧入种植体，如：一个由纯钛制成的钉状物。该种植体表面覆有生物相容性涂层，同时能促进种植体与骨组织的结合。待种植体与骨长合后，在种植体上安装义齿，以修复口腔功能。该过程也称为口腔种植修复过程。

随着医疗技术及经济发展，以及口腔种植修复需求的持续增加，数字化口腔种植技术越来越普及，数字化口腔种植技术可以更好的辅助医生在颌骨上钻孔，保证钻孔的位置和方向，达到更好的精度。基于CT影像的数字化口腔种植技术(种植导航技术，种植导向模板技术以及机器人种植技术等)，必须要以种植手术计划为前提。

种植体的植入位置是一个人体的三维空间位置，制作种植手术计划时，需要先在二维影像上确定一个种植体的大致方位，再在人体组织3D渲染图像上进行精细的方位调整，比如：依某一个方向旋转一定角度。制作种植手术计划的常规方法需要借助CT影像和计算机、鼠标及按钮进行交互。计算机二维窗口显示的三维影像上，很难准确的获取操作者理想的旋转轴，譬如若要在3D影像上绕不平行标准X、Y、Z轴的一个任意轴进行旋转，需要医生自行将这个旋转分解成若干个绕标准X、Y、Z轴的旋转，这需要非常专业的技能，因此这种调整方法非常费时。由于此种交互的不直观和不准确，将给术者操作手术计划软件带来很大难度，这也导致使用计算机制定种植手术计划的方法虽然已有20年历史，但一直难以被推广。

常规手术计划方式的另外一个不足是，当需要在手术中临时调整计划时(因患者口腔结构的变化或是之前未考虑到的因素等造成)，这种方法变得非常耗时，延长了手术时间，考验操作者耐心并增加了手术结果的不确定性。

直接在患者口腔内或是患者口腔模型(如：3D打印模型)上进行手术计划，虽然可以避开复杂软件操作，也更直观，操作者也可以迅速找到种植体植入的位置并拟定植入的方向，但这种方式仍存在很大的安全性风险，不能预知植入的位置和方向的隐患，同时也不能数字化保存，用于后续的数字化口腔种植技术。

本发明在图像引导手术系统的基础上，提出了一种方法，可以实现基于患者口腔或是口腔模型，并结合CT影像，自动获取钻孔方向，自动计算钻孔起点与终点的手术计划方式，更直观、快速的获得一份种植手术计划。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种提取CT影像数据的方法，简化操作，使得种植体植入方向更直观地呈现，迅速找到适合的植入方向和位置。

本发明的另一个目的在于提供一种CT影像数据的提取方法，应用于制定种植体种植计划中，实现自动确定种植体植入的起点与终点。

本发明的再一个目的在于提供一种指示装置，实现对CT影像数据的准确获取、分析和提取，利于种植体种植计划的制定和实施。

本发明的又一个目的在于提供一种指示装置，使得提取自CT影像的数据得以固定并保存，利于种植体种植手术的便捷和快速开展。

本发明的又一个目的在于提供一种指示装置应用于提取CT影像数据的方法，使得种植体手术更直观呈现，加快种植手术的进行和自动化水平。

图像引导手术设备已经出现较长时间，在口腔领域，图像引导手术也非常成熟，如：美国Image Navigation公司生产的IGI系统，加拿大Navigate Surgical Technologies公司生产的Inliant系统等等。跟踪技术是图像引导手术设备(也称为：手术导航设备)的关键技术。现有的跟踪仪器主要使用光学、磁或机械式跟踪，如：加拿大NDI公司生产的光学和磁导航跟踪探头被广泛运用到各主要图像引导手术仪器制造商(如：美国Medtronic公司和德国BrainLab公司)的产品中。美国Neocis公司生产的yomi机器人使用了机械式跟踪技术。图像引导手术可以实现模型或患者组织与CT影像之间的关联

本发明提供的一种提取CT影像数据的方法，包括如下步骤：

先获取组织的CT影像，并配置好图像引导系统。

使用指示装置指向组织，

计算机识别指示装置，获取指示装置的指向，提取指向上各个组织的CT影像数据，通过对提取的CT影像数据进行分析，确定位于指向上的各个组织的类型及各个组织间的边界信息

沿着指向，在CT影像上至少呈现一个起始点和一个终止点。

本发明提供的指示装置，包括

本体，其包括指向部和识别安装部；

识别体，其设置于识别安装部；

数据确认机构，其包括触发机构，设置于本体上，触按触发机构，实时对所提取的CT影像数据进行确认并由计算机记录。

本发明提供的指示装置装置，其指向部呈“钩状”。

本发明提供的指示装置装置，其指向部包括指向杆和指向支臂，指向杆与指向支臂之间的夹角呈80°～120°，以利于获取指向。

将本发明提供的指示装置和提取CT影像数据的方法，应用于种植体种植手术计划以及种植手术的实施中，使得医生在CT图像上更直观判断所确定的起始点和终止点是否与种植体相匹配，该处的组织状态是否适合植入种植体，以及在进行种植手术时，还需要对哪些周边组织特别留意等。如果，发现在所确定的起始点和终止点上不能满足植入种植体的要求，则移动指示装置，在指向上重新提取组织的CT影像数据，并确定起始点和终止点，再做出一次判断，直至得到适合的植入位置。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的方法，通过提取指示装置给出的指向上各个组织的CT影像数据，分析并在指向上产生起始点和终止点，使得种植体植入计划的制定效率显著提高。通过移动指示装置，就能在界面上呈现出指向处组织的情况，使得种植体植入计划的制定更直观，便捷性也得到显著提高。

通过提取指向处各个组织的CT影像，就能够分辨出软组织(如：牙龈)和骨组织及其各自的规格，自动化确定组织(如：骨)的边界，标记出起始点和终止点。当该信息与种植体的规格进行比对后，就能判断指向处是否适合植入种植体，进而获得获得一个基于CT影像的种植手术计划。尤其在图像引导手术中，若需要在手术中临时调整种植计划，则仅需要调整指向就能实现。

本发明提供的技术方案，其操作简单，不需要进行大量的软件交互操作。其应用于图像引导手术中时，能大量节省手术计划制定时间。一个手术计划制定后，使用同样的方法，可以非常方便的再次修改手术计划，在手术中需要修改计划的场合显得更为便利。

附图说明

图1为人下颌的示意图；

图2为包含指向L的一个截面图；

图3a为沿指向L建立二维坐标系示意图；

图3b为图3a中的坐标系确定种植体的植入位置示意图；

图4a为本发明的指示装置一实施例的示意图；

图4b为本发明的指示装置另一实施例的示意图；

图4c为本发明的指示装置另一实施例的示意图；

图4d为本发明的指示装置另一实施例的示意图；

图5为本发明指示装置发送植入点确认信号的电路形态一实施例的示意图；

图6为本发明指示装置发送植入点确认信号的电路形态另一实施例的示意图；

图7为本发明指示装置应用于制定种植体种植计划一实施例的示意图；

图8为制定种植体手术计划时，实时显示的种植体周边CT影像截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

先获取拟植入种植体处组织的CT影像，并配置好图像引导系统(若需要在模型上进行手术计划，则打印出组织的三维模型)。

使用本实施例的指示装置，操作者根据自身经验，在患者口腔或3D打印模型上设定指向L，经过判断该指向将作为种植体的拟植入方向(如图1)，沿该指向将穿越一系列组织，提取这些组织CT值进行分析。图2为沿该指向提取的一个任意截面(该截面仅为方便说明选取，它可以包含拟植入方向的任意截面)。如图2所示，该截面的影像包含牙龈100和牙槽骨200，以及指向L(即为拟植入方向)。提取沿L上各点的影像CT值，L上点所处的位置信息作为横轴，相应的影像CT值作为纵轴表示，建立二维坐标系，参见图3a。因骨组织与软组织，软组织与空气具有明显的CT值差异(在影像上的表现为：图像灰度值的突然变化)，在二维坐标系上，则是峰谷和峰顶的起落变化。通过所建立的二维坐标系，可以确定空气与牙龈100的边界点a，牙龈100与牙槽骨200的边界点b和c，选择b点作为种植体210植入的起点，根据事先选定的种植体长度，比如：12mm种植体，沿起点b和L方向移动12mm找到种植体终点，最终生成种植体210放置的位置如图3b所示。

图4a为本发明的指示装置一实施例的示意图。如图4a所示，本实施例的指示装置包括本体300、识别体400和计划确认机构500，本体300其包括指向部310和识别安装部320。识别体400设置于识别安装部320数据确认机构500包括触发机构510，触发机构510设置于本体上，触按触发机构510，实时对所提取的CT影像数据进行确认并由计算机记录。

为了利于获取一个种植体植入的方向，本实施例的手术模拟部310呈“钩状”，包括指向杆311和指向支臂312，指向杆311与指向支臂312之间的夹角呈80°～120°。

本实施例的指示装置，其识别体可以被图像引导系统(手术导航系统)定位跟踪，如配置用于光学跟踪的标识体(参见图4a和图4b)，适用于光学导航。主动发光的标识点配有供电线用于给标识体供电(参见图4b)。采用被动发光的标识体，标识体对外部光源发出的光进行反射(参见图4a)。若使用磁导航，则配有用于电磁跟踪的标识体，一般也配有电源线用于给磁标识体供电。以上这些标志点可以被光学或电磁跟踪装置识别并定位，进而确定指示装置的空间位置。若使用机械式导航，则指示装置与一个机械装置连接，指示装置位置变化，会被转化为该机械装置的若干个运动参数，实现指示装置的参数化监控跟踪(参见图4d)。在光学导航时，标识体的形式也可以是如图4c，用一系列黑白色块进行跟踪和识别。

指示装置都配有相应电路和触发机构510，用于在选定种植入点和植入方向后，发送确认信号，以实时记录手术计划。比如：指示装置以有线的形式与计算机连接，或以无线的形式与计算机连接。当采用无线时，指示装置需要使用电池供电。

图5为本发明指示装置发送植入位置确认信号的电路形态一实施例的示意图。如图5所示，通过有线的方式将指示装置与计算机连接，其电路包括电源连接点(如：VCC电源连接点)、电阻R1、电阻R2和MCU单片机(如：Arduino Nano)，以及触发机构。

当未触按触发机构时，电源无法向电阻R1和电阻R2的回路供电，MCU单片机采集到的电平为低电平信号。当开关按下时，电源和电阻的回路接通，MCU单片机采集到的电平为高电平信号(电源经R1/R2分压后的电平)；MCU单片机根据采集到的电平信号，判断是否为种植方向位置确认信号，并向计算机发送信号。计算机接收到信号后，即确认并记录起始点和终止点所确定的影像数据。

图6为本发明指示装置发送植入点确认信号的电路形态另一实施例的示意图。如图6所示，通过无线的方式将指示装置与计算机连接，其电路包括电源(V_BAT如电池)、电阻R1、电阻R2、MCU单片机、触发机构、无线发射模块和无线接收模块。当未触按触发机构时，电源无法给电阻R1及电阻R2的回路供电，MCU单片机采集到的电平为低电平信号。当开关按下时，电源和电阻的回路接通，MCU单片机采集到的电平为高电平信号(电源经R1/R2分压后的电平)。MCU单片机将采集到的电平信号，通过总线传输给无线发射模块，无限发射模块通过无线方式将信息发出，由控制器端的无线接收模块接收到信号，并将该信号传输给控制器。控制器根据采集到的电平信号，判断是否为种植方向位置确认信号，并向计算机发送信号。计算机接收到信号后，即确认并记录起始点和终止点所确定的影像数据。

类似的触按方式还可以使用脚踏触发机构向计算机发送确认信号，这种机构目前已成为一种标准产品，可以在市场上购买得到。

图7为本发明指示装置应用于制定种植体种植计划一实施例的示意图。如图7所示，在患者口腔手术部位安装定位参考支架600，并对图像引导系统700进行配置，实现图像引导。在计算机系统中选择要植入的种植体直径和长度，再尝试使用指示装置800在患者口腔内部寻找预期种植体植入方向，将指示装置放置800在患者牙龈上，系统根据当前指示装置800的姿态自动计算出预期钻孔方向(如：依据指向L给出的方向)，然后系统根据该预期钻孔方向，依据本发明提供的方法自动计算钻孔入点及终点，得到预期植入的种植体位置。此过程中，系统在人机界面实时显示沿该种植体210轴线方向的若干个相交面CT图像(如图8)。医生根据这些相交面显示的种植体边界与CT图像，判断该种植体位置是否为合适位置(如根据种植体周边骨量情况，与神经等关键解剖结构的距离)。若合适，则按下触发机构，将种植方向位置确认信号通知计算机，计算机接收到信号后，随即记录种植体位置，获得种植体种植方案。若不合适，则继续尝试寻找其它位置，直至寻找到合适的种植体位置。

在进行种植体手术时，医生调入种植体种植方案，配置好图像引导系统后，即可在人机界面上显示，并依据种植方案着手准确实施种植体植入手术。

Claims (4)

1.一种提取CT影像数据的方法，其特征在于包括如下步骤：

先获取组织的CT影像, 并配置好图像引导系统；

然后，使用指示装置指向组织；

之后，计算机识别所述的指示装置，获取所述指示装置的指向，提取所述的指向上各个组织的CT影像数据，通过对所提取的CT影像数据进行分析，确定位于所述指向上的各个组织的类型及各个组织间的边界信息；

接着，沿着指向，在CT影像上至少呈现一个起始点和一个终止点，即沿着拟植入方向，提取沿拟植入方向上各点的影像CT值，以拟植入方向上点所处的位置信息作为横轴，相应的影像CT值作为纵轴，建立二维坐标系，牙龈与牙槽骨的边界点作为种植体植入的起点，自起点沿拟植入方向移动所选定的种植体相同的长度得到终止点。

2.根据权利要求1所述的提取CT影像数据的方法，其特征在于所述的指示装置包括：

本体，其包括指向部和识别安装部；

识别体，其设置于所述的识别安装部；

数据确认机构，其包括触发机构，设置于所述的本体上，触按所述的触发机构，实时对所提取的CT影像数据进行确认并由计算机记录。

3.根据权利要求2所述的提取CT影像数据的方法，其特征在于所述的指向部呈钩状。

4.根据权利要求2所述的提取CT影像数据的方法，其特征在于所述的指向部包括指向杆和指向支臂，所述的指向杆与所述的指向支臂之间的夹角呈80°~120°。

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