CN116115371B - 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 - Google Patents
一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116115371B CN116115371B CN202310405177.9A CN202310405177A CN116115371B CN 116115371 B CN116115371 B CN 116115371B CN 202310405177 A CN202310405177 A CN 202310405177A CN 116115371 B CN116115371 B CN 116115371B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- titanium nail
- titanium
- cbct
- oral cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 210000000214 mouth Anatomy 0.000 title claims abstract description 70
- 238000007408 cone-beam computed tomography Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000002513 implantation Methods 0.000 title abstract description 9
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 180
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 180
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 180
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 210000001847 jaw Anatomy 0.000 claims description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 14
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims description 11
- 210000004373 mandible Anatomy 0.000 claims description 9
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 9
- 210000002050 maxilla Anatomy 0.000 claims description 8
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 claims description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 5
- 210000004283 incisor Anatomy 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 208000002679 Alveolar Bone Loss Diseases 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
- A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
- A61C8/0089—Implanting tools or instruments
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
- A61B6/02—Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
- A61B6/03—Computed tomography [CT]
- A61B6/032—Transmission computed tomography [CT]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
- A61B6/50—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications
- A61B6/51—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications for dentistry
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
- A61B2034/2046—Tracking techniques
- A61B2034/2065—Tracking using image or pattern recognition
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Dentistry (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Robotics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Dental Tools And Instruments Or Auxiliary Dental Instruments (AREA)
Abstract
本发明提供了一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，包括以下步骤：读取植入钛钉的口腔CBCT数据；使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割；对阈值分割结果进行连通域分析；使用定向包围盒算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取；使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径；进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系通过在患者口腔中植入三颗钛钉。本发明提供的方法相较于现有临床常用的咬合夹板的配准方法，成本较低，泛用性更强，另外在简化配准操作的同时具有较高的配准精度，从而提高种植牙导航手术的种植精准度。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体为一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法。
背景技术
近年来，随着口腔种植技术的迅速发展，无牙颌种植技术已被越来越多的无牙颌患者所接受，成为常规的治疗方案。数字化动态实时导航系统引导下的口腔种植手术是计算机辅助种植外科的一种，通过利用三维医学影像，将患者颌骨位置、牙齿位置和种植位置等进行配准融合，再结合主动式红外光定位技术和机械臂运动控制等技术，可将种植体手术可视化，并具有实时引导、精准种植和提前预判报警等优势。
对于只缺失少量牙齿的患者进行种植牙手术导航时，一般是在患者完整的牙齿上佩戴定位器，通过配准实际手术场景中的定位器与患者佩戴定位器拍摄的CBCT影像，来实现手术导航。而对于无牙颌的患者，患者口腔内牙齿过少导致无法佩戴定位器，如何对这些患者进行口腔配准一直是个难题。
对于无牙颌的手术患者进行口腔配准，目前常用的方法主要是两种，即无标记点配准和有标记点配准两种方式。无标记点配准利用面部融合原理进行轮廓匹配，其优点在于无创，但扫描精度会受术区软组织影响。有研究显示，在上颌骨采用无标记点配准方法进行术区配准，精度较差，成本较高，无法在无牙颌种植中广泛应用。目前临床常采用咬合夹板作为标记点配准，其术前成本较高，且不适用于牙槽骨严重萎缩的无牙颌患者，可能导致无法精准定位空间。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术方案的缺点，提供一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，能够在种植导航手术中实现对无牙颌手术患者的口腔配准。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，包括以下步骤：
S101，在口腔模型中的上颌或下颌的双侧磨牙区和中切牙间植入钛钉，形成三点定位，并读取植入钛钉的口腔CBCT数据；
S102，使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割，并对分割得到的钛钉模型进行分类；
S103，对阈值分割结果进行连通域分析，并对连通域的多边形数据点的数量进行准确分类，根据分类结果筛选出每个钛钉模型；
S104，遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取；
S105，使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径；
S106，进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
进一步地，S101中所述读取植入钛钉的口腔CBCT数据，包括：
读取植入钛钉的口腔CBCT数据的CT值范围，记作[MIN,MAX]。
进一步地，S102中所述使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割，并对分割得到的钛钉模型进行分类，包括：
使用阈值分割算法对所述口腔模型进行阈值分割，阈值范围为[MIN,MAX-600]，此时分割结果为三颗独立且形状完整的钛钉模型以及部分多余的颗粒状体数据；
对三颗钛钉模型进行分类，包括：两侧的钛钉模型，由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成；中间的钛钉模型，前侧有突出结构，后侧由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成。
进一步地，S103中所述对阈值分割结果进行连通域分析，并对连通域的多边形数据点的数量进行准确分类，根据分类结果筛选出每个钛钉模型，包括：
对阈值分割结果进行连通域分析，得到多个连通的多边形数据，包括所有钛钉模型以及多余的小连通区域；
遍历所有连通域，对每个连通区域数据进行分析，并根据连通域的多边形数据点的数量进行分类；
根据分类结果筛选出每个钛钉模型，并识别出所述钛钉模型是两侧的钛钉模型还是中间的钛钉模型。
进一步地，所述根据连通域的多边形数据点的数量进行分类，包括：
根据连通域的多边形数据点的数量可将连通区域数据分为三类：
左右钛钉模型的点数量在6000到10000之间；
中间钛钉模型的点数量大于10000；
其他多余的冗余区域的点的个数远小于6000。
进一步地，S104中所述遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取，包括：
针对两侧的钛钉模型，处理方法如下：
其包围盒长边的四个面正好与钛钉模型中间的圆盘相交，记四个交点坐标分别为P1、P2、P3和P4，根据四个点的坐标可求得圆盘的中心坐标O；
分析所述钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，可知其位于口腔CBCT模型的左侧还是右侧；
根据圆盘上P1、P2、P3和P4四个点，求得圆盘法线的方向，即钛钉模型的轴线方向N，根据钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，方向N为钛钉模型半球心开口的朝向；
针对中间的钛钉模型，处理方法如下：
提取钛钉模型的底部尖点O，O点位于钛钉模型的轴向上，坐标记为(x，y，z)，根据口腔CBCT模型判断是上颌还是下颌，若是上颌，则提取坐标系下Z轴数值最大的点作为底部尖点，若是下颌，则提取坐标系下Z轴数值最小的点作为底部尖点；
以Z轴方向为轴向，在距离钛钉模型合适位置处选取A和B两个点，若为上颌，则A点坐标为(x，y，z-5)，B点坐标为(x，y，z-3)；若为下颌，则A点坐标为(x，y，z+5)，B点坐标为(x，y，z+3)；
分别以A、B两点和Z轴方向作为法向量生成一个平面，与钛钉模型相切得到两个切面，最终得到一个钛钉模型的斜切圆柱，求解所述斜切圆柱的中心O'，O'点也位于钛钉模型的轴向上；
连接点O和点O'，即可得到钛钉模型的轴线N，根据CBCT模型是上颌还是下颌，确定N的朝向，即钛钉模型上面的半球开口方向。
进一步地，S105中所述使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径，包括：
从点O沿着轴线法向出发，两侧钛钉模型的O点在圆盘中心，中间钛钉模型的O点在底部尖点，根据已知的钛钉物理长度，移动至半球体开口内部；
在半球体开口内部的轴线上均匀取点，相邻两点的间隔为口腔CBCT数据的切片间隔，记点数为n；
将得到的n个点沿着轴线垂直的平面方向均匀发射射线，计算每条射线与钛钉模型相交的坐标；
根据上述得到的球表面点，使用球心拟合算法，即可得到钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径。
进一步地，S106中所述进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系，包括：
在种植牙导航手术过程中，使用定制且已经完成末端标定的球探针与现实场景口腔中的钛钉进行交互，所述完成标定的球探针末端为球体，该球体半径与钛钉半球体开口契合；
所述球探针上的定位器可被红外相机识别，从而计算所述球探针末端球体在现实手术场景中的坐标，即钛钉半球体开口的球心坐标；
对所有钛钉交互后，可得到钛钉球心点集，记作M1；
根据钛钉模型球心自动计算算法，可求得所有钛钉在CBCT坐标系下的球心集合，记作N1；
使用点配准算法，计算两个点集M1和N1的转换关系矩阵，记作T，如下式所示：
矩阵T即为手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
本发明提供了一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，通过在患者口腔中植入三颗钛钉，在种植导航手术中使用定制球探针获取钛钉球心开口位置，通过软硬件结合的方式实现对无牙颌患者的口腔配准。本发明提供的方法相较于现有临床常用的咬合夹板的配准方法，成本较低，泛用性更强，另外在简化配准操作的同时具有较高的配准精度，从而提高种植牙导航手术的种植精准度。
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无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的口腔钛钉模型的CBCT图；
图3是本发明实施例提供的阈值分割后的结果示意图；
图4是本发明实施例提供的钛钉模型示意图；
图5是本发明实施例提供的求解钛钉模型包围盒的示意图；
图6是本发明实施例提供的两侧钛钉模型进行轴向提取的示意图；
图7是本发明实施例提供的中间钛钉模型进行轴向提取的示意图；
图8是本发明实施例提供的钛钉模型半球体内部均匀取点的示意图；
图9是本发明实施例提供的射线与钛钉模型相交的示意图；
图10是本发明实施例提供的使用球心拟合算法计算钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径的示意图；
图11是本发明实施例提供的牙颌配准示意图。
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。
在本文中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法的流程示意图。
如图1所示，本发明提供一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，包括以下步骤：
S101，在口腔模型中的上颌或下颌的双侧磨牙区和中切牙间植入钛钉，形成三点定位，并读取植入钛钉的口腔CBCT数据；
S102，使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割，并对分割得到的钛钉模型进行分类；
S103，对阈值分割结果进行连通域分析，并对连通域的多边形数据点的数量进行准确分类，根据分类结果筛选出每个钛钉模型；
S104，遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取；
S105，使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径；
S106，进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
作为一种可选的实施方式，S101中所述读取植入钛钉的口腔CBCT数据，包括：
如图2所示，读取植入钛钉的口腔CBCT数据的CT值范围，记作[MIN,MAX]。
作为一种可选的实施方式，S102中所述使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割，并对分割得到的钛钉模型进行分类，包括：
使用阈值分割算法对所述口腔模型进行阈值分割，阈值范围为[MIN,MAX-600]，如图3所示，此时分割结果为三颗独立且形状完整的钛钉模型以及部分多余的颗粒状体数据；
对三颗钛钉模型进行分类，包括：两侧的钛钉模型，如图4中的a所示，由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成；中间的钛钉模型，由图4中的b所示，前侧有突出结构，后侧由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成。
作为一种可选的实施方式，S103中所述对阈值分割结果进行连通域分析，并对连通域的多边形数据点的数量进行准确分类，根据分类结果筛选出每个钛钉模型，包括：
对阈值分割结果进行连通域分析，得到多个连通的多边形数据，包括所有钛钉模型以及多余的小连通区域；
遍历所有连通域，对每个连通区域数据进行分析，并根据连通域的多边形数据点的数量进行分类；
根据分类结果筛选出每个钛钉模型，并识别出所述钛钉模型是两侧的钛钉模型还是中间的钛钉模型。
作为一种可选的实施方式，所述根据连通域的多边形数据点的数量进行分类，包括：
根据连通域的多边形数据点的数量可将连通区域数据分为三类：
左右钛钉模型的点数量在6000到10000之间；
中间钛钉模型的点数量大于10000；
其他多余的冗余区域的点的个数远小于6000。
根据口腔CBCT模型的精度不同，上述筛选数值可能会产生改变，通过改变数值进行适配，仍可以对连通区域进行准确分类。
作为一种可选的实施方式，S104中所述遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取，包括：
如图5、图6所示，针对两侧的钛钉模型，处理方法如下：
其包围盒长边的四个面正好与钛钉模型中间的圆盘相交，记四个交点坐标分别为P1、P2、P3和P4，根据四个点的坐标可求得圆盘的中心坐标O；
分析所述钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，可知其位于口腔CBCT模型的左侧还是右侧；
根据圆盘上P1、P2、P3和P4四个点，求得圆盘法线的方向，即钛钉模型的轴线方向N，根据钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，方向N为钛钉模型半球心开口的朝向；
针对中间的钛钉模型，处理方法如下：
如图7所示，提取钛钉模型的底部尖点O，O点位于钛钉模型的轴向上，坐标记为(x，y，z)，根据口腔CBCT模型判断是下颌，则提取坐标系下Z轴数值最小的点作为底部尖点；
以Z轴方向为轴向，在距离钛钉模型合适位置处选取A和B两个点，A点坐标为(x，y，z+5)，B点坐标为(x，y，z+3)；
分别以A、B两点和Z轴方向作为法向量生成一个平面，与钛钉模型相切得到两个切面，最终得到一个钛钉模型的斜切圆柱CDEF，求解所述斜切圆柱CDEF的中心O'，O'点也位于钛钉模型的轴向上；
连接点O和点O'，即可得到钛钉模型的轴线N，根据CBCT模型是下颌，确定N的朝向，即钛钉模型上面的半球开口方向。
作为一种可选的实施方式，S105中所述使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径，包括：
如图8所示，从点沿着轴线法向出发，两侧钛钉模型的点在圆盘中心，中间钛钉模型的点在底部尖点，根据已知的钛钉物理长度，移动至半球体开口内部；
在半球体开口内部的轴线上均匀取点，相邻两点的间隔为口腔CBCT数据的切片间隔，记点数为n。
将得到的n个点沿着轴线垂直的平面方向均匀发射射线，计算每条射线与钛钉模型相交的坐标，如图9所示，本实施例每10度发射一条射线，因此一共发射36条射线，计算每条射线与钛钉模型相交的坐标，一共得到36*n个点的坐标。
如图10所示，根据上述得到的球表面点，使用球心拟合算法，即可得到钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径。
作为一种可选的实施方式，S106中所述进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系，包括：
如图11所示，在种植牙导航手术过程中，使用定制且已经完成末端标定的球探针与现实场景口腔中的钛钉进行交互，所述完成标定的球探针末端为球体，该球体半径与钛钉半球体开口契合；
所述球探针上的定位器可被红外相机识别，从而计算所述球探针末端球体在现实手术场景中的坐标，即钛钉半球体开口的球心坐标；
对所有钛钉交互后，可得到钛钉球心点集，记作M1；
根据钛钉模型球心自动计算算法，可求得所有钛钉在CBCT坐标系下的球心集合，记作N1；
使用点配准算法，计算两个点集M1和N1的转换关系矩阵，记作T，如下式所示：
矩阵T即为手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
本发明提供了一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，通过在患者口腔中植入三颗钛钉，在种植导航手术中使用定制球探针获取钛钉球心开口位置，通过软硬件结合的方式实现对无牙颌患者的口腔配准。本发明提供的方法相较于现有临床常用的咬合夹板的配准方法，成本较低，泛用性更强，另外在简化配准操作的同时具有较高的配准精度，从而提高种植牙导航手术的种植精准度。
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)
1.一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，在口腔模型中的上颌或下颌的双侧磨牙区和中切牙间植入钛钉，形成三点定位，并读取植入钛钉的口腔CBCT数据；
S102，使用阈值分割算法对口腔模型进行阈值分割，并对分割得到的钛钉模型进行分类；
其中，使用阈值分割算法对所述口腔模型进行阈值分割，阈值范围为[MIN,MAX-600]，此时分割结果为三颗独立且形状完整的钛钉模型以及部分多余的颗粒状体数据；
对三颗钛钉模型进行分类，包括：两侧的钛钉模型，由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成；中间的钛钉模型，前侧有突出结构，后侧由上侧的半球开口、中间的圆盘以及下侧的钉子部分组成；
S103，对阈值分割结果进行连通域分析，并对连通域的多边形数据点的数量进行准确分类，根据分类结果筛选出每个钛钉模型；
其中，对阈值分割结果进行连通域分析，得到多个连通的多边形数据，包括所有钛钉模型以及多余的小连通区域；
遍历所有连通域，对每个连通区域数据进行分析，并根据连通域的多边形数据点的数量进行分类；
根据分类结果筛选出每个钛钉模型，并识别出所述钛钉模型是两侧的钛钉模型还是中间的钛钉模型；
S104，遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取；
S105，使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径；
S106，进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
2.根据权利要求1所述的一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，S101中所述读取植入钛钉的口腔CBCT数据，包括：
读取植入钛钉的口腔CBCT数据的CT值范围，记作[MIN,MAX]。
3.根据权利要求1所述的一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，所述根据连通域的多边形数据点的数量进行分类，包括：
根据连通域的多边形数据点的数量可将连通区域数据分为三类：
左右钛钉模型的点数量在6000到10000之间；
中间钛钉模型的点数量大于10000；
其他多余的冗余区域的点的个数远小于6000。
4.根据权利要求1所述的一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，S104中所述遍历步骤S103中得到的所有钛钉模型，使用定向包围盒(OBB)算法求解每个钛钉模型的包围盒，并进行钛钉模型的轴向提取，包括：
针对两侧的钛钉模型，处理方法如下：
其包围盒长边的四个面正好与钛钉模型中间的圆盘相交，记四个交点坐标分别为P1、P2、P3和P4，根据四个点的坐标可求得圆盘的中心坐标O；
分析所述钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，可知其位于口腔CBCT模型的左侧还是右侧；
根据圆盘上P1、P2、P3、P4四个点，求得圆盘法线的方向，即钛钉模型的轴线方向N，根据钛钉模型相对于口腔CBCT模型的位置，方向N为钛钉模型半球心开口的朝向；
针对中间的钛钉模型，处理方法如下：
提取钛钉模型的底部尖点O，O点位于钛钉模型的轴向上，坐标记为(x,y,z)，根据口腔CBCT模型判断是上颌还是下颌，若是上颌，则提取坐标系下Z轴数值最大的点作为底部尖点，若是下颌，则提取坐标系下Z轴数值最小的点作为底部尖点；
以Z轴方向为轴向，在距离钛钉模型合适位置处选取A和B两个点，若为上颌，则A点坐标为(x，y，z-5)，B点坐标为(x，y，z-3)；若为下颌，则A点坐标为(x，y，z+5)，B点坐标为(x，y，z+3)；
分别以A、B两点和Z轴方向作为法向量生成一个平面，与钛钉模型相切得到两个切面，最终得到一个钛钉模型的斜切圆柱，求解所述斜切圆柱的中心O'，O'点也位于钛钉模型的轴向上；
连接点O和点O'，即可得到钛钉模型的轴线N，根据CBCT模型是上颌还是下颌，确定N的朝向，即钛钉模型上面的半球开口方向。
5.根据权利要求1所述的一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，S105中所述使用球心拟合算法，得到每个钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径，包括：
从点O沿着轴线法向出发，两侧钛钉模型的O点在圆盘中心，中间钛钉模型的O点在底部尖点，根据已知的钛钉物理长度，移动至半球体开口内部；
在半球体开口内部的轴线上均匀取点，相邻两点的间隔为口腔CBCT数据的切片间隔，记点数为n；
将得到的n个点沿着轴线垂直的平面方向均匀发射射线，计算每条射线与钛钉模型相交的坐标；
根据上述得到的球表面点，使用球心拟合算法，即可得到钛钉模型半球心开口的球心坐标和半径。
6.根据权利要求1所述的一种无牙颌种植导航手术中的口腔CBCT配准方法，其特征在于，S106中所述进行牙颌配准，得到手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系，包括：
在种植牙导航手术过程中，使用定制且已经完成末端标定的球探针与现实场景口腔中的钛钉进行交互，所述完成标定的球探针末端为球体，该球体半径与钛钉半球体开口契合；
所述球探针上的定位器可被红外相机识别，从而计算所述球探针末端球体在现实手术场景中的坐标，即钛钉半球体开口的球心坐标；
对所有钛钉交互后，可得到钛钉球心点集，记作P1；
根据钛钉模型球心自动计算算法，可求得所有钛钉在CBCT坐标系下的球心集合，记作P2；
使用点配准算法，计算两个点集P1和P2的转换关系矩阵，记作T，如下式所示：
矩阵T即为手术场景中的口腔和CBCT坐标系下的口腔模型转换关系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310405177.9A CN116115371B (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310405177.9A CN116115371B (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116115371A CN116115371A (zh) | 2023-05-16 |
| CN116115371B true CN116115371B (zh) | 2023-07-07 |
Family
ID=86295957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310405177.9A Active CN116115371B (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116115371B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733687C1 (ru) * | 2020-04-09 | 2020-10-06 | Дмитрий Николаевич Дедиков | Способ замещения дефектов нижней челюсти и фреза для его осуществления |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6402707B1 (en) * | 2000-06-28 | 2002-06-11 | Denupp Corporation Bvi | Method and system for real time intra-orally acquiring and registering three-dimensional measurements and images of intra-oral objects and features |
| DE102012105339B4 (de) * | 2012-06-20 | 2015-11-19 | Roland Althoff | Verfahren zum Einpassen eines Zahnersatzes in eine Reparaturstelle |
| US9730777B2 (en) * | 2013-03-08 | 2017-08-15 | James R. Glidewell Dental Ceramics, Inc. | Simplified protocol for fixed implant restorations using intra-oral scanning and dental CAD/CAM |
| US10991070B2 (en) * | 2015-12-18 | 2021-04-27 | OrthoGrid Systems, Inc | Method of providing surgical guidance |
| WO2018234249A1 (fr) * | 2017-06-20 | 2018-12-27 | Euroteknika | Elément de cicatrisation dentaire |
| WO2019043633A1 (en) * | 2017-08-30 | 2019-03-07 | Zst Holdings, Inc. | APPARATUS AND METHOD FOR RECORDING A DIGITAL DENTAL BITE |
| JP7230032B2 (ja) * | 2017-12-28 | 2023-02-28 | エシコン エルエルシー | 手術室内の外科用ハブの空間認識 |
| CN109199604B (zh) * | 2018-08-31 | 2020-12-01 | 浙江大学宁波理工学院 | 一种基于多特征的椎弓根螺钉最佳入点定位方法 |
| US11589928B2 (en) * | 2018-09-12 | 2023-02-28 | Orthogrid Systems Holdings, Llc | Artificial intelligence intra-operative surgical guidance system and method of use |
| CN112641512B (zh) * | 2020-12-08 | 2023-11-10 | 北京信息科技大学 | 一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法 |
| CN115399874A (zh) * | 2022-08-08 | 2022-11-29 | 中欧智薇(上海)机器人有限公司 | 椎弓根螺钉的最优植入路径规划方法、装置及电子设备 |
| CN115908436A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-04-04 | 上海由格医疗技术有限公司 | 人机交互的术前断骨分割、拼接与术中显示方法及系统 |
| CN115690173A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-02-03 | 杭州柳叶刀机器人有限公司 | 一种种植体自动配准方法、装置及电子设备 |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310405177.9A patent/CN116115371B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2733687C1 (ru) * | 2020-04-09 | 2020-10-06 | Дмитрий Николаевич Дедиков | Способ замещения дефектов нижней челюсти и фреза для его осуществления |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116115371A (zh) | 2023-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20210137653A1 (en) | Digital 3d models of dental arches with accurate arch width | |
| US7362890B2 (en) | Registration of 3-D imaging of 3-D objects | |
| US8348669B1 (en) | Surgical template and method for positioning dental casts and dental implants | |
| US7813591B2 (en) | Visual feedback of 3D scan parameters | |
| Fortin et al. | Computer-assisted dental implant surgery using computed tomography | |
| US8043091B2 (en) | Computer machined dental tooth system and method | |
| JP4446094B2 (ja) | 人体情報抽出装置 | |
| US8366442B2 (en) | Dental apparatus for radiographic and non-radiographic imaging | |
| EP1486900A1 (en) | Method and system for manufacturing a surgical guide | |
| EP2958514B1 (en) | Precalibrated dental implant aid | |
| ES2536523T3 (es) | Procedimiento para digitalizar objetos dento-maxilofaciales | |
| KR102215068B1 (ko) | 임플란트 진단용 영상 정합을 위한 장치 및 방법 | |
| TWI397402B (zh) | 植牙植體方位規劃暨植牙鑽孔導引板設計之整合方法 | |
| KR101227645B1 (ko) | 영상처리 참조형상을 지닌 치아형 보철물 및 이를 이용한 영상정합방법 | |
| CN116115371B (zh) | 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法 | |
| CN113362955B (zh) | 一种牙颌运动轨迹的建模及评价方法 | |
| CN115886863A (zh) | 全颅底为基准平面的牙齿与面骨三维重叠测量方法及设备 | |
| KR102302249B1 (ko) | 영상처리와 ｃｎｎ을 이용한 자동 3차원 세팔로메트리 장치 및 방법 | |
| Ural et al. | Direct digitalization devices in today’s dental practice: Intra oral scanners | |
| CN112545650A (zh) | 一种用于牙科的导航定位方法及系统 | |
| KR20120134414A (ko) | 영상정보 정합을 위한 골 고정형 표지물 | |
| US20160228211A1 (en) | Crown assistance device | |
| Yee | Evaluation of Accuracy of Teeth Surface Registration of Navident, a Dynamic Computer-Guided Navigation System for Placing Dental Implants | |
| WO2024097419A1 (en) | Protocol for preparing and fitting prosthetics using pre-surgical fiducial markers and registration images formed thereby | |
| CN114549748A (zh) | 一种三维人脸标志点自动确定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |