CN114617636A - 确定口腔u型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，该方法包括：设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1；将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别图像中显影珠的位置集合Q2；将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系。本发明提供的方法可以实现半自动辅助设计U型槽显影珠分布、自动识别医学影像的显影珠集合、自动求U型槽和医学影像坐标系空间转换关系，从而实现辅助种植牙口腔机器人进行医学影像和真实环境坐标系的配准，提高种植牙手术的精确度。

Description

确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法
技术领域
本发明涉及种植牙手术领域，尤其涉及一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法。
背景技术
随着社会老龄化的加剧，人口的增多，针对牙齿的治疗越来越多，且种植牙机器人导航系统已经在口腔种植领域有了越来越广泛的应用。在种植牙机器人导航系统中，病人佩戴口腔U型槽夹具去做医学影像，而后导航系统会利用医学影像、U型槽、机器人辅助医生进行种植牙手术。其中最为关键的步骤就是要确定真实环境中口腔U型槽夹具所在坐标系和医学影像坐标系之间的空间转换关系。
现有技术确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的转换关系目前还没有自动的方法，且设计U型槽显影珠的方法需要投入大量的时间和精力，才能使得设计出的U型槽上的显影珠集合的位置关系满足一定的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中描述的现有技术的缺点，提供一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，尽可能实现自动化，从而更好的为医生服务。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，该方法包括：
设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1；
将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别图像中显影珠的位置集合Q2；
将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系。
进一步地，所述设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1，包括：
输入U型槽模型数据；
手动标识点集，设计显影珠分布在U型槽外表面；
遍历手动标识点集，检查点集中每组点之间的位置关系是否唯一；如果不唯一，则自动输出具有重复位置关系的点，进行修正；
输出带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，生成显影珠的位置集合Q1。
进一步地，所述将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别图像中显影珠的位置集合Q2，包括：
将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中；
输入阈值x0，确定感兴趣区域ROI的范围；
通过感兴趣区域ROI裁切输入的医学影像，缩小计算范围；
输入阈值x1，计算三维连通区域；
通过预设筛选条件识别显影珠中心，得到中心点集，即显影珠的位置集合Q2。
进一步地，所述预设筛选条件包括：显影珠、U型槽材质和牙齿在医学影像中的不同表现和显影珠的位置关系和体积。
进一步地，所述将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系，包括：
在种植牙导航系统中输入U型槽显影珠点集Q1、医学影像识别到的显影珠点集Q2；
遍历Q2，通过不同的排列组合，每次取n个点作为基准点组，剩下的点作为校准点组；
遍历Q1，取n个点作为浮动基准点组，剩下的点作为浮动校准点组；
利用显影珠集合的刚性变换，使用两个基准点组中的点求空间转换关系；
利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差；
计算最小的转换误差，找到其对应的转换矩阵，使得Q2的一组基准点和Q1的基准点相互匹配；
求每组基准点的最小转换误差中最小的值，可以得到对应的转换关系为U型槽和医学影像两个坐标系的转换关系。
进一步地，所述利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差，包括：
集合Q2中的校准点通过转换关系求一个理想点，即转换后的校准点，计算每个理想点和Q1中最近点的距离，去除干扰项之后求平均距离。
与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明提供了一种确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系转换关系的方法，该方法能够实现半自动化辅助设计U型槽显影珠位置，自动化判断当前显影珠集合的位置关系是否满足要求，使得显影珠设计的每组点之间的位置差异最小化，不同组之间的位置关系差异最大化；自动化识别三维医学影像中显影珠的方法：自动缩小计算区域，通过阈值方法得到的标识位，结合预设筛选规则识别显影珠中心；自动化求解U型槽和医学影像坐标系的空间转换关系，最小化干扰点的影响，求出误差最小的转换关系。此外，真实环境中口腔U型槽夹具上的显影珠可能会出现遗漏或者是黏贴稍微错位的情况，本发明通过校准点的设计，可以有效的兼容这些情况带来的误差。本发明可以辅助种植牙口腔机器人进行医学影像和真实环境坐标系的配准，提高种植牙手术的精确度。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例提供的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的流程示意图；
图2是本发明实施例带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具示意图；
图3是本发明实施例识别医学影像显影珠点集的示意图；
图4是本发明实施例进行U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2配准的示意图；
图5是本发明实施例另一进行U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2配准的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包 含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素 的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的 其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在 没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所 述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例提供的方法进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的流程示意图。
如图1所示，本发明提供一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，该方法包括：
S101，设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1；
S102，将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别图像中显影珠的位置集合Q2；
S103，将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系。
图2是本发明实施例带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具示意图。因为口腔U型槽夹具外表面设计的显影珠数目是一定的，呈三维分布在U型槽的三个面。在求坐标系配准的过程中，本发明将每个显影珠集合拆成两部分，一部分是基准点，剩下的一部分是校准点。两个不同集合中的基准点用于两个坐标系的空间转换关系的求解，集合中校准点用于配准误差计算。因为显影珠的数目是一定的，找到配准误差最小的情况，就可以求出两个坐标系的空间转换关系。
所述S101中设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1，包括：
输入U型槽模型数据；
手动标识点集，设计显影珠分布在U型槽外表面；
遍历手动标识点集，检查点集中每组点之间的位置关系是否唯一；如果不唯一，则自动输出具有重复位置关系的点，进行修正；
输出带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，生成显影珠的位置集合Q1。
图3是本发明实施例识别医学影像显影珠点集的示意图。
如图3所示，S102中所述将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别图像中显影珠的位置集合Q2，包括：
将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中；
输入阈值x0，确定感兴趣区域ROI的范围；
通过感兴趣区域ROI裁切输入的医学影像，缩小计算范围；
输入阈值x1，计算三维连通区域；
通过预设筛选条件识别显影珠中心，得到中心点集，即显影珠的位置集合Q2。
进一步地，所述预设筛选条件包括：显影珠、U型槽材质和牙齿在医学影像中的不同表现和显影珠的位置关系和体积。
进一步地，S103中所述将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系，包括：
在种植牙导航系统中输入U型槽显影珠点集Q1、医学影像识别到的显影珠点集Q2；
遍历Q2，通过不同的排列组合，每次取n个点作为基准点组，剩下的点作为校准点组；
遍历Q1，取n个点作为浮动基准点组，剩下的点作为浮动校准点组；
利用显影珠集合的刚性变换，使用两个基准点组中的点求空间转换关系；
利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差；
计算最小的转换误差，找到其对应的转换矩阵，使得Q2的一组基准点和Q1的基准点相互匹配；
求每组基准点的最小转换误差中最小的值，可以得到对应的转换关系为U型槽和医学影像两个坐标系的转换关系。
进一步地，所述利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差，包括：
集合Q2中的校准点通过转换关系求一个理想点，即转换后的校准点，计算每个理想点和Q1中最近点的距离，去除干扰项之后求平均距离。
实施例1：
图4是本发明实施例进行U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2配准的示意图；图5是本发明实施例另一进行U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2配准的示意图。
如图4所示，假设设计的U型槽上标志点一共有12个点，选择3个点作为基准点，剩余的9个点作为校准点。右侧为点集Q1，左侧为点集Q2。首先选择Q2中[0，1，2]这三个点作为基准点在Q1中遍历寻找任意的三个点求转换关系，Q2中每个校准点通过转换关系求一个理想点，即转换后的校准点，计算每个理想点和Q1中最近点的距离，去除干扰项之后求平均距离dmean。最小平均距离对应的转换关系T就是对于当前在Q2中选中的三个点最优的转换关系。如图5所示，点集Q2中每三个点找到一个最优转换关系和对应的最小平均距离dmin，通过查找最小的最小平均距离就可以找到两个点集的最优转换关系。
本发明提供了一种确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系转换关系的方法，该方法能够实现半自动化辅助设计U型槽显影珠位置，自动化判断当前显影珠集合的位置关系是否满足要求，使得显影珠设计的每组点之间的位置差异最小化，不同组之间的位置关系差异最大化；自动化识别三维医学影像中显影珠的方法：自动缩小计算区域，通过阈值方法得到的标识位，结合预设筛选规则识别显影珠中心；自动化求解U型槽和医学影像坐标系的空间转换关系，最小化干扰点的影响，求出误差最小的转换关系。本发明可以辅助种植牙口腔机器人进行医学影像和真实环境坐标系的配准，提高种植牙手术的精确度。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，包括：
设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1；
将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别三维医学影像中显影珠的位置集合Q2；
将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系。
2.根据权利要求1所述的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，所述设计带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，半自动生成显影珠的位置集合Q1，包括：
输入U型槽模型数据；
手动标识点集，设计显影珠分布在U型槽外表面；
遍历手动标识点集，检查点集中每组点之间的位置关系是否唯一；如果不唯一，则自动输出具有重复位置关系的点，进行修正；
输出带有一定数目显影珠的口腔U型槽夹具，生成显影珠的位置集合Q1。
3.根据权利要求1所述的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，所述将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中，识别三维医学影像中显影珠的位置集合Q2，包括：
将病人佩戴所述口腔U型槽夹具的三维医学影像输入到种植牙导航系统中；
输入阈值x0，确定感兴趣区域ROI的范围；
通过感兴趣区域ROI裁切输入的医学影像，缩小计算范围；
输入阈值x1，计算三维连通区域；
通过预设筛选条件识别显影珠中心，得到中心点集，即显影珠的位置集合Q2。
4.根据权利要求3所述的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，所述预设筛选条件包括：显影珠、U型槽材质和牙齿在医学影像中的不同表现和显影珠的位置关系和体积。
5.根据权利要求1所述的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，所述将U型槽显影珠点集Q1和医学影像显影珠点集Q2做配准，确定口腔U型槽夹具坐标系和医学影像坐标系的对应关系，包括：
在种植牙导航系统中输入U型槽显影珠点集Q1、医学影像识别到的显影珠点集Q2；
遍历Q2，通过不同的排列组合，每次取n个点作为基准点组，剩下的点作为校准点组；
遍历Q1，取n个点作为浮动基准点组，剩下的点作为浮动校准点组；
利用显影珠集合的刚性变换，使用两个基准点组中的点求空间转换关系；
利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差；
计算最小的转换误差，找到其对应的转换矩阵，使得Q2的一组基准点和Q1的基准点相互匹配；
求每组基准点的最小转换误差中最小的值，可以得到对应的转换关系为U型槽和医学影像两个坐标系的转换关系。
6.根据权利要求5所述的确定口腔U型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法，其特征在于，所述利用空间转换关系，求两组校准点组之间的转换误差，包括：
集合Q2中的校准点通过转换关系求一个理想点，即转换后的校准点，计算每个理想点和Q1中最近点的距离，去除干扰项之后求平均距离。
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