CN108742898B - 基于混合现实的口腔种植导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合现实的口腔种植导航系统，其中，该系统包括：图像处理单元(001)，其用于将术前获得的影像进行三维重建；图像采集单元(002)，其用于在术中采集患者术区表面的信息；图像匹配、定位和导航单元(004)，使得图像处理单元(001)处理过的术前影像与图像采集单元(002)采集的术中影像能够实时融合，并将融合后的影像传递至显示单元(005)。本发明提供的系统能够使术者更加清晰直观地了解患者种植部位的解剖结构，能够精准实施手术，缩短了手术时间，提高了手术成功率。

Description

基于混合现实的口腔种植导航系统

技术领域

本发明涉及口腔手术仪器领域，具体涉及一种基于混合现实的口腔种植导航系统。

背景技术

20世纪60年代发现的骨结合理论开启了应用口腔种植技术修复牙列缺损的新纪元。随着半个多世纪的发展，口腔种植技术已成为牙齿修复的常规技术，在临床中得到了普遍的应用。

种植体在牙槽骨内的定位是保证骨结合成功的关键。口腔内的牙槽骨和软组织的解剖形态在人群中具有多样性，种植体的周围应保证足够的骨量，植入的位置和方向要符合生物力学原则和美学原则。因此设计种植体在颌骨内的位置和方向是牙种植手术临床操作中的难点，并直接关系到种植体的长期稳定性。

随着影像技术的进步，对于颌骨的测量从传统的二维平片发展为三维测量技术，特别是近年来锥体束CT(CBCT)的应用，使得口腔颌骨的测量更为精确，为临床诊断和治疗过程提供了重要的支持。在口腔种植手术中，颌面的CBCT影像具有较高的分辨率，且薄层扫描能减少影像的结构重叠，能够全面准确地表现颌骨影像结构，最大限度地获取颌骨影像数据信息，进而通过三维重建技术处理数据可以重建出3D立体图像，使颌骨的情况更为直观的呈现出来。

在进行种植手术前一般通过影像学检查对颌骨情况进行评估，并以此为依据制定种植手术的方案。普遍采取的方案是利用CBCT对颌骨的三维形态、骨量、密度分析和手术设计来指导种植手术实施。但是，在手术实际开展时，术区的实际解剖结构更为复杂，术者很难精确的实施术前的设计方案。尽管目前发展的种植手术导板技术能够将手术设计准确的转化到手术操作中，但是软硬组织的解剖以及固定准确度都会影响导板的准确性，并且操作程序比较复杂。

近年来随着CBCT的普及，种植导航系统能够为种植手术精准实施提供有利的支持，众多厂家推出了适用于种植手术的导航仪和相应的软件，能够满足临床医生的操作，如IGI，VISIT，Robodent，Voxim，Treon等导航系统。此类导航系统的关键技术是患者临床图像三维可视化、配准技术及空间定位技术，但是目前的导航系统仅能够在另一块显示屏中呈现出术区的动态解剖结构，术者的观察目标需要在患者口内和显示屏之间来回切换，分散了术者的注意力，增加了操作的复杂程度。

混合现实(Mix reality，MR)技术是近年发展起来的新研究方向，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动，通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

因此，目前亟需解决的技术问题是提供一种基于混合现实的口腔种植导航系统，使得医生能够在口腔种植手术操作过程中实时获取术区影像，精准导航实施手术，提高手术成功率。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于混合现实的口腔种植导航系统，该系统包括图像处理单元、图像采集单元、种植设计单元、图像匹配、定位和导航单元、显示单元、种植手机路径识别单元与混合现实目镜，其中，通过图像处理单元将术前获得的影像进行三维重建，进而由种植设计单元规划种植位置与路径，在术中通过图像采集单元实时采集术区影像，并通过图像匹配、定位和导航单元将术前影像、规划种植路径及术中影像实时融合，进而在显示单元和混合现实目镜中显示，同时，种植手机路径识别单元通过定位装置，将种植手机在术区的具体信息实时传递至图像匹配、定位和导航单元，使得术者获得现实环境中难以体验到的有效信息，进而实施精准手术，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

一种基于混合现实的口腔种植导航系统，其中，该系统包括：

图像处理单元001，其用于将术前获得的影像进行三维重建；

图像采集单元002，其用于在术中采集患者术区表面的信息和颌面部软硬组织信息，和

图像匹配、定位和导航单元004，使得图像处理单元001处理过的术前影像与图像采集单元002采集的术中影像能够实时融合，并将融合后的影像传递至显示单元005。

其中，该系统还包括种植设计单元003，其在术前三维重建的影像中进行手术路径规划，

优选地，通过种植设计单元003规划的手术路径和种植区位置也与术中影像通过图像匹配、定位和导航单元进行融合。

其中，所述显示单元005将融合后的影像传递至混合现实目镜007，以便于术者在术中同步观察。

其中，所述图像匹配、定位和导航单元004通过定位装置实现影像的融合，并通过混合现实目镜007达到可视化，

所述定位装置具有多个，共同实现定位与导航功能。

其中，所述定位装置分别设置在患者颌面部和种植手机上，通过彼此间信号的传递，实现术区组织术前影像与术中影像的重合，以及引导种植手机精准调整位置、角度和深度。

其中，该系统还包括种植手机路径识别单元006，其通过设置在种植手机上的定位装置，将种植手机在术区的具体信息实时传递至图像匹配、定位和导航单元004。

其中，所述图像匹配、定位和导航单元004在获取种植手机的具体信息后，通过与术前规划设计的种植路径进行实时比对，引导术者调整术中种植手机的位置、角度和深度。

其中，所述混合现实目镜007通过设置在其上的术中图像采集装置，实现对术区组织状况的实时建模。

其中，在所述混合现实目镜007上设置有语音装置，使得术者可以通过语音控制调整术前规划路径与真实手术的重合度。

一种口腔种植方法，优选采用基于混合现实的口腔种植导航系统进行，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，术前获取患者待种植区的影像；

步骤2，设计规划种植位置和路径；

步骤3，术中采集患者待种植区组织表面的影像和颌面部软硬组织影像，并与术前的影像和规划种植路径进行融合；

步骤4，通过混合现实目镜007获取种植位置坐标，并根据规划路径调整种植手机的位置，实现精准手术。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的基于混合现实的口腔种植导航系统，将患者术前的组织影像信息与术中组织表面信息进行融合，并将融合后的影像通过混合现实目镜呈现，使得术者能够具有“透视功能”，更加清晰直观地了解患者种植部位的解剖结构；

(2)本发明提供的基于混合现实的口腔种植导航系统，通过种植手机路径识别系统，将种植手机前端钻入颌骨内的情况实时模拟并融合到解剖结构中，指导术者的种植手术操作，能够精准导航手术，缩短了手术时间，提高了手术成功率；

(3)本发明提供的基于混合现实的口腔种植导航系统，通过语音控制影像模型和真实影像的精准重合，能够实时获取指导信息，解放医生的双手，最大程度地减少医生的注意力损失。

附图说明

图1示出根据本发明所述的基于混合现实的口腔种植导航系统。

附图标号说明：

001-图像处理单元；

002-图像采集单元；

003-种植设计单元；

004-图像匹配、定位和导航单元；

005-显示单元；

006-种植手机路径识别单元；

007-混合现实目镜。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

本发明提供了一种基于混合现实的口腔种植导航系统，如图1所示，该系统包括：图像处理单元001，其用于将术前获得的影像进行三维重建；图像采集单元002，其用于在术中采集患者术区表面的信息和颌面部软硬组织信息；图像匹配、定位和导航单元004，使得图像处理单元001处理过的术前影像与图像采集单元002采集的术中影像能够实时融合，并将融合后的影像传递至显示单元005。

根据本发明一种优选的实施方式，所述图像处理单元001用于将术前获得的影像进行三维重建，以为后续种植修复设计提供软、硬组织图像。

其中，所述术前获得的影像通过临床CBCT扫描系统或其他CT扫描系统(如螺旋CT)获得，优选为DICOM格式数据，所述采集的影像包括患者颌面骨骼、牙齿和软组织等部位。

根据本发明一种优选的实施方式，所述种植设计单元003用于在术前三维重建的影像中进行手术路径规划。

在本发明中，所述种植设计单元003可以识别和选定上颌窦、下颌神经管、血管等重要毗邻解剖结构，还可以测量种植区域骨质宽度、深度，进行选点、划线、长度和角度的测量等。

在本发明中，优选在种植设计单元003中预先录入不同品牌种植体的三维结构，并在种植体设计时根据实际需要进行选择。

在进一步优选的实施方式中，在种植设计单元003中还设置有中心处理模块，其能够在术前植入路径规划并模拟出可视化路径。

其中，所述中心处理模块能够在术前植入路径规划，并通过软件模拟规划出可视化路径，在种植手术实施的过程中将可视化路径重叠在术区，指导术者精准的操作。

根据本发明一种优选的实施方式，所述图像采集单元002用于在术中采集患者术区表面的信息。

其中，术区优选为患者口腔颌面表面。

在进一步优选的实施方式中，所述图像采集单元002包括图像信息获取模块、数据传输模块和数据处理模块。

其中，所述影像信息获取模块为能够获取高清3D影像的设备，优选为3D高分辨率扫描仪。获取得到的3D影像经过数据传输模块和数据处理模块的处理，能够还原术区组织的真实3D影像。

根据本发明一种优选的实施方式，所述图像匹配、定位和导航单元004，使得图像处理单元001处理过的术前影像与图像采集单元002采集的术中影像能够实时融合，并将融合后的影像传递至显示单元005，

其中，将患者术前检查获得的CT数据信息，不同型号、规格的种植体经过扫描的3D影像信息，以及在术前通过种植设计单元设计的植入位置存储在图像匹配、定位和导航单元中，进而在术中将预先设计的种植体位置与重建后的患者术区图像进行重叠。

所述种植设计单元003设计的可视化种植规划路径同时显示在术前影像与术中影像中。

在进一步优选的实施方式中，所述图像匹配、定位和导航单元004通过定位装置实现影像的融合，并通过混合现实目镜007达到可视化，

所述定位装置具有多个，共同实现定位与导航功能。

在更进一步优选的实施方式中，所述定位装置分别设置在颌面部和种植手机上，通过彼此间信号的传递，实现术区组织术前影像与术中影像的重合，并引导种植手机精准调整位置、角度和深度。

其中，通过设置在颌面部的定位装置，实现患者术前影像和术中3D表面影像的精准重叠，以模拟重建口腔软硬组织的真实解剖信息。

其中，颌面部的定位装置为微小定位装置，其按照预定角度固定于口内，对术区无阻挡。

根据本发明一种优选的实施方式，所述种植手机路径识别单元006通过设置在其上的定位装置，将种植手机钻头在术区的具体信息实时传递至图像匹配、定位和导航单元004。

其中，所述种植手机上的定位装置分别设置在手机柄和钻头位置。

在本发明中，图像匹配、定位和导航单元004将种植手机钻头在术区的具体信息传递至显示单元005，进而在混合现实目镜007中呈现模拟立体影像。

在进一步优选的实施方式中，所述种植手机在术区的具体信息传递至图像匹配、定位和导航单元004后，通过与术前规划设计的路径进行实时比对，引导术者调整术中种植手机的位置、角度和深度。

其中，术者通过混合现实目镜007观察到实时对比的影像后，根据影像中的信息调整种植手机的位置。

根据本发明一种优选的实施方式，所述显示单元005用于显示融合后的术前影像和术中影像，并将影像信息传递至混合现实目镜007，以便于术者在术中同步观察。

在进一步优选的实施方式中，所述显示单元005还可以将融合后的实时影像传输至显示器，使得其他非手术操作者能够同步观察。

根据本发明一种优选的实施方式，所述混合现实目镜007通过设置在其上的术中图像采集装置，实现对术区组织状况的实时建模，使得术前设计的种植位置和路径与真实手术中的操作精准配合。

其中，设置在目镜上的术中图像采集装置优选为红外线定位摄像头，通过混合现实目镜007，可以实时观察到术区的骨质状况和钻头钻入的深度和方向，同时能够观察到种植手机钻头钻入情况与解剖的实时模拟，进而指导医生的种植手术操作，实现实时精确导航空腔种植手术。

在进一步优选的实施方式中，在所述混合现实目镜007上设置有语音装置，使得术者可以通过语音控制调整术前规划路径与真实手术的重合度。

其中，所述语音装置包括麦克风和喇叭。

在更进一步优选的实施方式中，所述术者的语音命令通过麦克风将传输至种植设计单元003的中心处理模块进行语音操控，和/或

通过喇叭听到中心处理模块传出的相关信息。

其中，在手术中，通过增强现实目镜上的红外线定位摄像头，对术区软硬组织状况实时建模，使术前规划种植位置和路径与真实手术得到配准，医生使用指定语音识别词，对术前建立的模型进行三维旋转缩放，并实时获取指导信息，从而解放医生的双手，能够最大程度地减少医生的注意力损失，使医生更专注于手术实施。

本发明还提供了一种利用上述系统进行口腔种植手术的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，术前获取患者待种植区的影像。

其中，将术前获得的患者颌面骨骼、牙齿和软组织区的影像进行三维重建，以为后续种植修复设计提供软、硬组织图像。

步骤2，设计规划种植位置和路径。

在本发明中，根据术前重建的三维模型，通过识别上颌窦、下颌神经管、血管等重要毗邻解剖结构，结合待种植的种植体的三维结构，模拟规划出种植位置和种植路径。

步骤3，术中采集患者待种植区组织表面的影像和颌面部软硬组织影像，并与术前的影像和规划种植路径进行融合。

在进行手术的过程中，实时获取术区表面的高清3D影像，并将术前重建的三维模型和规划出的种植路径融合在真实3D影像中，并呈现在混合现实目镜007中。

在本发明中，优选通过设置在混合现实目镜007上的语音装置调节术前三维模型和术中真实3D影像的精准重合，从而解放医生的双手，使医生更专注于手术实施。

其中，通过设置在颌面部和口腔内的定位装置，实现术前影像和术中3D影像的精准重合。

步骤4，通过混合现实目镜007获取种植位置坐标，并根据规划路径调整种植手机的位置，实现精准手术。

其中，在混合现实目镜中可以观察到口内术区钻头的方向。

在本发明中，术者将混合现实目镜007佩戴在头部，可通过混合现实目镜007获取术前设计的种植位置的坐标，进而使得种植手机根据目镜中显示的路径进行位置的调整。

优选地，所述调整通过分别设置在患者颌面部和种植手机上的定位装置来实现，通过彼此间信号的传递，实现术区组织术前影像与术中影像的重合，并引导种植手机精准调整位置、角度和深度。

其中，患者颌面部的定位装置用于保证术前影像与术中影像的精准重合；种植手机上的定位装置用于将术者操作手机在骨组织内的信息传递至图像匹配、定位和导航单元004，并在混合现实目镜007中实时呈现模拟立体影像，同时与术前规划路径实时比对，引导术者调整术中种植机头及钻头的位置、角度和深度；混合现实目镜007上的红外线定位摄像头用于在手术中对术区软硬组织状况实时建模，使术前规划种植位置、路径与真实手术配准。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于混合现实的口腔种植导航系统，其特征在于，该系统包括：

图像处理单元(001)，其用于将术前获得的影像进行三维重建；

图像采集单元(002)，其用于在术中采集患者术区表面的信息和颌面部软硬组织信息，和

图像匹配、定位和导航单元(004)，使得图像处理单元(001)处理过的术前影像与图像采集单元(002)采集的术中影像能够实时融合，并将融合后的影像传递至显示单元(005)；

该系统还包括种植设计单元(003)，其用于在术前三维重建的影像中进行手术路径规划，

通过种植设计单元(003)规划的手术路径和种植区位置与术中影像通过图像匹配、定位和导航单元(004)进行融合；

所述显示单元(005)将融合后的影像传递至混合现实目镜(007)，以便于术者在术中同步观察；

所述图像匹配、定位和导航单元(004)通过定位装置实现影像的融合，并通过混合现实目镜(007)达到可视化，

所述定位装置具有多个，共同实现定位与导航功能；

在种植设计单元(003)中预先录入不同品牌种植体的三维结构；

所述定位装置分别设置在患者颌面部和种植手机上，通过彼此间信号的传递，实现术区组织术前影像与术中影像的重合，以及引导种植手机精准调整位置、角度和深度；

该系统还包括种植手机路径识别单元(006)，其通过设置在种植手机上的定位装置，将种植手机在术区的具体信息实时传递至图像匹配、定位和导航单元(004)；

所述图像匹配、定位和导航单元(004)在获取种植手机的具体信息后，通过与术前规划设计的种植路径进行实时比对，引导术者调整术中种植手机的位置、角度和深度；

所述混合现实目镜(007)通过设置在其上的术中图像采集装置，实现对术区组织状况的实时建模；

设置在目镜上的术中图像采集装置为红外线定位摄像头；

在所述混合现实目镜(007)上设置有语音装置，使得术者可以通过语音控制调整术前规划路径与真实手术的重合度。

Images