CN110192924B - 用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及口腔治疗设备技术领域，公开了一种用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法，其中用于口腔种植手术的定位装置包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器；上牙列定位组件包括第一牙模套板和第一视觉标记件，第一牙模套板用于贴合上牙列，第一视觉标记件连接于第一牙模套板，并伸出口腔外；下牙列定位组件包括第二牙模套板和第二视觉标记件，第二牙模套板用于贴合下牙列，第二视觉标记件连接于第二牙模套板，并伸出口腔外；视觉传感器的镜头朝向手术区域。该定位装置采用机器视觉系统实现对咬合状态下的三维模型进行转换，可对患者颌位关系进行术前测量和术中监控，提高了手术安全性。

Description

用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法

技术领域

本发明涉及口腔治疗设备技术领域，尤其涉及一种用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法。

背景技术

口腔种植治疗的主要目的是恢复患者的咀嚼功能，为了保证健康稳定的种植体骨结合及正常持久的咀嚼能力，种植体的植入位置设计和修复体的制作都必须遵循合理的生物力学原则。为了恢复患者咬合力，需要术前确定咬合关系(又称颌关系)，即上、下牙列的相互位置关系。咬合关系不正常会导致咀嚼功能障碍。咬合不正的患者，上、下牙齿的嵌合度差，往往食物磨碎不完全就直接吞下，影响消化吸收。除此之外还可能引起牙周疾病或发音障碍等一系列生理心理的病变。

随着医学影像和快速成型技术的不断发展，基于计算机和牙科CT的数字化种植导航技术日趋成熟并在口腔种植领域中广泛应用。医生可利用患者CT数据对颌骨解剖结构进行计算机三维重建，然后根据上、下牙列咬合模型规划种植体植入位置并依据咬合关系设计牙冠，确保满足生物学、力学及美学原则。

然而医生或使用机器人辅助种进行植牙操作时一般仅考虑患者的闭口咬合关系。如果不在术前分析患者张口时的上下颌关系，那么实际操作时可能发生手术器械按规划路径会与上牙列或下牙列发生碰撞的情况，导致手术失败。临床上医生可简单的使用手指、测量尺或其它口腔专用测量工具测量患者张口度，但是张口度只能粗略反应患者上下颌距离关系，不能用于精准的种植手术规划中。

发明内容

本发明实施例提供一种用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法，用以解决现有的基于咬合模型的种植手术术前规划易发生手术器械与上牙列或者下牙列碰撞的问题，以提高手术安全性。

本发明实施例提供一种用于口腔种植手术的定位装置，包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器；所述上牙列定位组件包括第一牙模套板和第一视觉标记件，所述第一牙模套板用于贴合上牙列，所述第一视觉标记件连接于所述第一牙模套板，并伸出口腔外；所述下牙列定位组件包括第二牙模套板和第二视觉标记件，所述第二牙模套板用于贴合下牙列，所述第二视觉标记件连接于所述第二牙模套板，并伸出所述口腔外；所述视觉传感器的镜头朝向手术区域，以测量所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件的位置和姿态。

本发明实施例还提供一种利用上述用于口腔种植手术的定位装置的手术路径规划方法，包括：

通过视觉传感器获取在患者张口时安装在所述患者的上牙列的第一视觉标记件的位置和姿态以及安装在所述患者的下牙列的第二视觉标记件的位置和姿态；

基于所述第一视觉标记件的位置和姿态以及所述第二视觉标记件的位置和姿态，计算所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系；

基于所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，将咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型转换为张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型；

基于所述张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型，规划手术路径。

本发明实施例提供的用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法，其中定位装置包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器，利用闭口时咬合状态下的口腔扫描数据建模，制作上牙列定位组件和下牙列定位组件，使用时将第一牙模套板固定在患者的上牙列，将第二牙模套板固定在患者的下牙列，让患者进行张口运动，通过视觉传感器捕捉第一视觉标记件和第二视觉标记件的位置和姿态，然后计算出张口时下牙列与下牙列之间的位置和姿态关系，最终将这一转换关系应用到咬合状态下的口腔三维模型上进行术前手术路径规划。该定位装置采用机器视觉系统实现对患者在张口状态下的上牙列和下牙列的准确位置和姿态，对咬合状态下的三维模型进行转换，操作快速便捷，避免了人工量取的费时费力，同时改进了现有的手术规划方法，可在保证咬合关系准确的情况下避免手术器械与上牙列或下牙列相撞，可对患者颌位关系进行术前测量和术中监控，提高手术安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种用于口腔种植手术的定位装置的使用示意图；

图2是图1中的下牙列定位组件的放大示意图；

图3是本发明实施例中的一种手术路径规划方法的路径示意图；

图4是本发明实施例中的一种手术路径规划方法的流程示意图；

附图标记说明：

1：上牙列定位组件； 11：第一牙模套板； 12：第一连接体；

13：第一视觉标记件； 2：下牙列定位组件； 21：第二牙模套板；

22：第二连接体； 23：第二视觉标记件； 3：视觉传感器；

4：上牙列； 4-1：咬合状态下的上牙列；

4-2：张口状态下的上牙列； 5：下牙列；

6：种植手机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

图1是本发明实施例中的一种用于口腔种植手术的定位装置的使用示意图，图2是图1中的下牙列定位组件的放大示意图，如图1-2所示，本发明实施例提供的一种用于口腔种植手术的定位装置，包括上牙列定位组件1、下牙列定位组件2和视觉传感器3。上牙列定位组件1包括第一牙模套板11以及第一视觉标记件13，第一牙模套板11用于贴合上牙列4，第一视觉标记件13连接于第一牙模套板11远离口腔的一侧，即第一牙模套板11的右侧，并伸出口腔外。下牙列定位组件2包括第二牙模套板21和第二视觉标记件23，第二牙模套板21用于贴合下牙列5，第二视觉标记件23连接于第二牙模套板21远离口腔的一侧，即第二牙模套板21的右侧，并伸出口腔外。

具体地，第一牙模套板11和第二牙模套板21均可根据患者上牙列4和下牙列5的扫描数据，在计算机辅助设计软件中生成三维模型，然后在模型表面设计出来，再利用3D打印的方式制作。

视觉传感器3的镜头朝向手术区域，以测量第一视觉标记件13和第二视觉标记件23的位置和姿态。具体地，视觉传感器3固定在手术操作的区域的范围内，包括激光器、扫描电动机及扫描机构、角度传感器、线性CCD敏感器及其驱动板和各种光学组件。视觉传感器3将被摄取目标转换成图像信号，再根据像素分布和亮度、颜色等信息，将这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如目标的位置和姿态。

本实施例提供的一种用于口腔种植手术的定位装置，包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器，利用闭口时咬合状态下的口腔扫描数据建模，制作上牙列定位组件和下牙列定位组件，使用时将第一牙模套板固定在患者的上牙列，将第二牙模套板固定在患者的下牙列，让患者进行张口运动，通过视觉传感器捕捉第一视觉标记件和第二视觉标记件的位置和姿态，然后计算出张口时下牙列与下牙列之间的位置和姿态关系，最终将这一转换关系应用到咬合状态下的口腔三维模型上进行术前手术路径规划。该定位装置采用机器视觉系统实现对患者在张口状态下的上牙列和下牙列的准确位置和姿态，对咬合状态下的三维模型进行转换，操作快速便捷，避免了人工量取的费时费力，同时改进了现有的手术规划方法，可在保证咬合关系准确的情况下避免手术器械与上牙列或下牙列相撞，可对患者颌位关系进行术前测量和术中监控，提高手术安全性。

进一步地，如图1和图2所示，第一视觉标记件13包括至少三个第一视觉标记点，且该至少三个第一视觉标记点不共线。同样地，第二视觉标记件23包括至少三个第二视觉标记点，且该至少三个第二视觉标记点不共线。通过设置至少三个不共线的第一视觉标记点，可以利用视觉传感器采集的图像信号进行第一视觉标记坐标系的建立，同理也可以建立第二视觉标记坐标系。

进一步地，如图2所示，第一视觉标记点和第二视觉标记点包括反光球和/或反光片。通过反光设置可以提高视觉传感器的检测准确度。

进一步地，如图1-2所示，上牙列定位组件1还包括第一连接体12，下牙列定位组件2还包括第二连接体22。第一连接体12的左端固接于第一牙模套板11，第一连接体12的右端沿远离口腔的方向延伸，即向右延伸，第一视觉标记件13固接于第一连接体12伸出口腔的部分。第二连接体22的左端固接于第二牙模套板21，第二连接体的右端沿远离口腔的方向延伸，即向右延伸，第二视觉标记件23固接于第二连接体22伸出口腔的部分。

具体地，第一连接体11和第二连接体22可以为棒状，也可以为板状或者其他形状，只要保证伸出口腔即可。

如图3和图4所示，本发明实施例还提供一种利用上述用于口腔种植手术的定位装置的手术路径规划方法，包括：

步骤S200：通过视觉传感器3获取在患者张口时安装在患者上牙列4的第一视觉标记件13的位置和姿态以及安装在患者下牙列5的第二视觉标记件23的位置和姿态。

步骤S300：基于第一视觉标记件13的位置和姿态以及第二视觉标记件23的位置和姿态，计算上牙列4与下牙列5在张口时的相对位置和姿态关系。

具体地，由于第一牙模套板11和第一视觉标记件13的相对位置固定，第二牙模套板21和第二视觉标记件23的相对位置也固定，因此可以预先测量获取。待上牙列定位组件1和下牙列定位组件2制作完毕后，通过游标卡尺或者其他视觉标定方法，可以测量得出它们之间的相对位置关系。

因而根据第一视觉标记件13的位置和姿态可以获取第一牙模套板11的位置和姿态，根据第二视觉标记件23的位置和姿态可以获取第二牙模套板21的位置和姿态。再通过第一牙模套板11可以间接的反映上牙列4的位置和姿态信息，通过第二牙模套板21可以间接的反映下牙列5的位置和姿态信息。

步骤S400：基于上牙列4与下牙列5在张口时的相对位置和姿态关系，将咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型转换为张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型。

步骤S500：基于张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型，规划手术路径。

具体地，种植手机6可以在规划手术路径时及时避开上牙列4或下牙列5，保证手术的安全性。

进一步地，步骤S400进一步包括：

步骤S410：如图3所示，当种植位置在患者的下牙列5时，基于上牙列4与下牙列5在张口时的相对位置和姿态关系，对咬合状态下的上牙列4-1进行位置和姿态变换，使其变换为张口状态下的上牙列4-2，进而得到张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型；或者

步骤S420：当种植位置在患者的上牙列时，基于上牙列4与下牙列5在张口时的相对位置和姿态关系，对咬合状态下的下牙列5进行位置和姿态变换，得到患者张口时的颌骨和牙齿的三维模型。

具体地，当对患者的下牙列5进行植牙手术时，需要固定患者的下牙列5，以保证手术的顺利进行；同样地，当对患者的上牙列4进行植牙手术时，也需要固定患者的上牙列4。

进一步地，在步骤S200之前，还包括：

步骤S100：基于患者闭口时的口腔的扫描数据，生成咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型。

步骤S110：基于咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型，制作上牙列定位组件1和下牙列定位组件2。

更进一步地，步骤S110进一步包括：

步骤S111：分别以上牙列4和下牙列5的外轮廓曲面作为基准面，将上牙列4的外轮廓曲面向外膨胀第一预设厚度，得到第一牙模套板11的三维模型，将下牙列5的外轮廓曲面向外膨胀第二预设厚度，得到第二牙模套板21的三维模型。其中，第一预设厚度和第二预设厚度可以相等，具体数值根据实际情况来确定。

步骤S112：通过快速成型技术将第一牙模套板11的三维模型和第二牙模套板21的三维模型一体化成型为实体的第一牙模套板11和第二牙模套板21。

步骤S113：将第一连接体12固接于第一牙模套板11的外侧，将第一视觉标记件13固接于第一连接体12伸出口腔的部分，将第二连接体22固接于第二牙模套板21的外侧，将第二视觉标记件23固接于第二连接体伸出口腔的部分。

具体地，固接方式包括粘接、螺纹连接或者一体化连接。

进一步地，步骤S300进一步包括：

步骤S310：基于第一视觉标记件13的位置和姿态建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件23的位置和姿态建立第二视觉标记坐标系，计算第一视觉标记坐标系与第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵。

其中，第二视觉标记件相对于第一视觉标记件的转换矩阵为：

或者

第一视觉标记件相对于第二视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，M₁表示第一视觉标记坐标系，M₂表示第二视觉标记坐标系，

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置和姿态，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置和姿态。

均为齐次矩阵。

具体地，第一视觉标记件13和第二视觉标记件23的位置和姿态均可采用齐次矩阵表示。基于第一视觉标记件13的位置和姿态可以建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件23的位置和姿态可以建立第二视觉标记坐标系。利用该转换矩阵，可以将第一视觉标记坐标系下的坐标转换为第二视觉标记坐标系下的坐标，反之亦然。

进一步地，步骤S200进一步包括：

步骤S210：选取患者在张口过程中，第一视觉标记件13和第二视觉标记件23的距离最大的时刻为张口最大时刻，以张口最大时刻下测量的第一视觉标记件13的位置和姿态为最终的第一视觉标记件的计算位置和姿态

以张口最大时刻下测量的第二视觉标记件23的位置和姿态为最终的第二视觉标记件的计算位置和姿态

另外，步骤S200还可以包括：

步骤S220：基于预设时间段内的第一视觉标记件13和第二视觉标记件23的位置和姿态，获取患者的下颌运动轨迹。

具体地，预设时间段可以根据实际使用需要进行确定。通过第一视觉标记件13与第二视觉标记件23之间的相对位置和姿态，间接反映下牙列5与上牙列4之间的相对位置和姿态关系，进而可以获取下颌骨相对于上颌骨的运动轨迹，获得相关的测试指标。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的用于口腔种植手术的定位装置及手术路径规划方法，其中定位装置包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器，利用闭口时咬合状态下的口腔扫描数据建模，制作上牙列定位组件和下牙列定位组件，使用时将第一牙模套板固定在患者的上牙列，将第二牙模套板固定在患者的下牙列，让患者进行张口运动，通过视觉传感器捕捉第一视觉标记件和第二视觉标记件的位置和姿态，然后计算出张口时下牙列与下牙列之间的位置和姿态关系，最终将这一转换关系应用到咬合状态下的口腔三维模型上进行术前手术路径规划。该定位装置采用机器视觉系统实现对患者在张口状态下的上牙列和下牙列的准确位置和姿态，对咬合状态下的三维模型进行转换，操作快速便捷，避免了人工量取的费时费力，同时改进了现有的手术规划方法，可在保证咬合关系准确的情况下避免手术器械与上牙列或下牙列相撞，可对患者颌位关系进行术前测量和术中监控，提高手术安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于口腔种植手术的手术路径规划方法，其特征在于，所述手术路径规划方法利用了定位装置，所述定位装置包括上牙列定位组件、下牙列定位组件和视觉传感器；所述上牙列定位组件包括第一牙模套板、第一连接体和第一视觉标记件，所述第一牙模套板用于贴合上牙列，所述第一连接体的一端固接于所述第一牙模套板，所述第一连接体的另一端沿远离口腔的方向延伸，所述第一视觉标记件固接于所述第一连接体伸出所述口腔的部分；

所述下牙列定位组件包括第二牙模套板、第二连接体和第二视觉标记件，所述第二牙模套板用于贴合下牙列，所述第二连接体的一端固接于所述第二牙模套板，所述第二连接体的另一端沿远离所述口腔的方向延伸，所述第二视觉标记件固接于所述第二连接体伸出所述口腔的部分；

所述视觉传感器的镜头朝向手术区域，以测量所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件的位置和姿态；

所述手术路径规划方法包括：

基于患者闭口时的口腔的扫描数据，生成咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型；

基于所述咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型，制作上牙列定位组件和下牙列定位组件；

通过视觉传感器获取在患者张口时安装在所述患者的上牙列的第一视觉标记件和安装在所述患者的下牙列的第二视觉标记件的位置和姿态；基于所述第一视觉标记件的位置和姿态以及所述第二视觉标记件的位置和姿态，计算所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系；

基于所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，将咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型转换为张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型；

基于所述张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型，规划手术路径；

其中，所述通过视觉传感器获取在所述患者张口时安装在患者的上牙列的第一视觉标记件和安装在所述患者的下牙列的第二视觉标记件的位置和姿态，进一步还包括：

选取所述患者在张口过程中，所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件的距离最大的时刻为张口最大时刻，以所述张口最大时刻下测量的所述第一视觉标记件的位置和姿态为最终的所述第一视觉标记件的计算位置和姿态，以所述张口最大时刻下测量的所述第二视觉标记件的位置和姿态为最终的所述第二视觉标记件的计算位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件包括反光球和/或反光片。

3.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述基于所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，将咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型转换为张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型，进一步包括：

当种植位置在所述患者的下牙列时，基于所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，对咬合状态下的所述上牙列进行位置和姿态变换，得到张口状态下的颌骨和牙齿的三维模型；或者当种植位置在所述患者的上牙列时，基于所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，对咬合状态下的所述下牙列进行位置和姿态变换，得到患者张口时的颌骨和牙齿的三维模型。

4.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述基于所述咬合状态下的颌骨和牙齿的三维模型，制作上牙列定位组件和下牙列定位组件，进一步地包括：

分别以所述上牙列和所述下牙列的外轮廓曲面作为基准面，将所述上牙列的外轮廓曲面向外膨胀第一预设厚度，得到第一牙模套板的三维模型，将所述下牙列的外轮廓曲面向外膨胀第二预设厚度，得到第二牙模套板的三维模型；

通过快速成型技术将所述第一牙模套板的三维模型和所述第二牙模套板的三维模型一体化成型为实体的第一牙模套板和第二牙模套板；

将第一连接体固接于所述第一牙模套板的外侧，将第一视觉标记件固接于所述第一连接体伸出口腔的部分，将第二连接体固接于所述第二牙模套板的外侧，将第二视觉标记件固接于所述第二连接体伸出所述口腔的部分。

5.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述基于所述第一视觉标记件的位置和姿态以及所述第二视觉标记件的位置和姿态，计算所述上牙列与所述下牙列在张口时的相对位置和姿态关系，进一步包括：

基于所述第一视觉标记件的位置和姿态以及所述第二视觉标记件的位置和姿态，建立第一视觉标记坐标系和第二视觉标记坐标系，计算所述第一视觉标记坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；

所述第二视觉标记件相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

或者

所述第一视觉标记件相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，M₁表示第一视觉标记坐标系，M₂表示第二视觉标记坐标系，

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置和姿态，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置和姿态。

6.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述通过视觉传感器获取在患者张口时安装在所述患者的上牙列的第一视觉标记件和安装在所述患者的下牙列的第二视觉标记件的位置和姿态，进一步包括：

基于预设时间段内的所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件的位置和姿态，获取所述患者的下颌运动轨迹。

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