CN118161282A - 用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，包括：口腔模拟板，其上对应牙齿的位置开设有贯穿的测试孔，口腔模拟板上固定安装有第一参考阵列；种植手机，其前端安装有与测试孔相配的测试手指，种植手机的后端安装有第二参考阵列；光学定位相机，用于捕获第一参考阵列和第二参考阵列反射的红外光信号；计算机，用于根据捕获的红外光信号计算测试手指在第一参考阵列坐标系下的位置信息。本发明通过测试手指与口腔模拟板上测试孔的配合，结合CBCT影像空间与现实空间的配准关系以及测试孔的硬件设计参数，可以在术前对口腔种植手术导航系统的精度进行测试，在术前及时发现并消除误差，提高手术导航系统的精度。
Description
技术领域
本申请涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置及方法。
背景技术
种植牙已被口腔医学界公认为缺牙的首选修复方式。当患者出现牙齿缺失时，通过种植牙手术把种植体植入牙颌骨内，再将修复体固定于种植体上，即可获得理想的修复效果。种植牙修复效果的关键之一在于是否能够在牙颌骨上按照种植方案打出种植孔位，与纯手动操作相比，利用口腔种植手术导航系统无疑更能提高种植孔位的精度。
现有技术中的口腔种植手术导航系统包括光学定位相机、口部参考阵列、种植手机(牙机)和设置于种植手机上的牙机参考阵列等几个部分。口部参考阵列固定夹持在患者口部后，口部参考阵列和牙机参考阵列反射的红外光分别被光学定位相机获取，光学定位相机通过标定配准，将口部参考阵列坐标系与牙机参考阵列坐标系统一在患者口腔CT图像中。如此一来，即可在种植的过程中对种植手机进行导航，实现精准种植。
口腔种植手术导航系统的精度在首次使用前和多次使用后会出现一定的偏差，而这个偏差难以在实施种植手术的过程中被感知和纠正，这个偏差会直接影响种植体的种植精度，从而影响种植牙修复效果。因此，如何避免口腔种植手术导航系统偏差对于种植精度的影响是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置及方法，通过测试装置在术前对口腔种植手术导航系统的精度进行测试，及时发现并消除导航系统的精度偏差，从而有效避免导航系统的精度偏差对种植精度的影响。
本申请第一方面提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，包括：
口腔模拟板，所述口腔模拟板上对应牙齿的位置开设有贯穿的测试孔，所述口腔模拟板上固定安装有第一参考阵列；
种植手机，所述种植手机的前端安装有与测试孔相配的测试手指，所述测试手指的外轮廓与真实牙钻的外轮廓相配；所述种植手机的后端安装有第二参考阵列；
光学定位相机，所述光学定位相机用于捕获第一参考阵列和第二参考阵列反射的红外光信号；
计算机，与光学定位相机连接，用于根据捕获的红外光信号计算测试手指在第一参考阵列坐标系下的位置信息。
本申请提供的技术方案中，通过设计口腔模拟板来模拟患者的口腔，利用光学定位相机配合第一参考阵列、第二参考阵列，获取测试手指在第一参考阵列坐标系下的位姿信息，通过测试手指与口腔模拟板上测试孔的配合，结合CBCT影像空间与现实空间的配准关系以及测试孔的硬件设计参数，可以在术前对口腔种植手术导航系统的精度进行测试，在术前及时发现并消除误差，提高手术导航系统的精度；且该精度测试能够在没有机械臂定位的情况下进行，适用于无机械臂的口腔种植手术导航系统的精度测试。
在某些实施方式中，所述测试孔设有多个，多个所述测试孔的深度不同，通过在口腔模拟板上开设多个不同孔径的测试孔，可以进行多次精度测试，取多次测试结果的平均值作为最终的精度测试结果，从而提高导航系统的精度测试的准确性。
在某些实施方式中，所述第一参考阵列和第二参考阵列上均非对称布置有不少于3个反光标记物，保证光学定位相机能够同时捕获到参考阵列上至少3个反光标记物反射的红外光信号。
在某些实施方式中，所述精度测试装置还包括支撑平台，所述支撑平台包括底座和支撑杆，所述支撑杆竖直固定在底座上，所述口腔模拟板的底面开设有固定孔，所述支撑杆的顶端与固定孔连接；通过设置支撑平台，方便对口腔模拟板进行测试，避免测试过程中口腔模拟板的位姿发生变化。
在某些实施方式中，所述口腔模拟板上设有若干牙齿模型，所述第一参考阵列通过支架固定在牙齿模型上；所述支架包括连接杆和牙套，所述牙套套设在牙齿模型上；所述连接杆一端与牙套固定连接，另一端与第一参考阵列固定连接；通过将第一参考阵列与牙齿模型刚性连接，保证了第一参考阵列与口腔模拟板之间的相对位姿不发生改变。
本申请第二方面提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，包括以下步骤：
S1，获取口腔模拟板的CBCT影像，利用光学定位相机配合第一参考阵列、第二参考阵列，将CBCT影像空间与现实空间进行配准；
S2，选择口腔模拟板上某一个测试孔，记录在CBCT影像坐标系下该测试孔上端面中心点A1和下端面中心点A2的坐标；
S3，将测试手指插入所述测试孔内，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指尾端中心点B1和前端中心点B2的坐标；
S4，沿测试孔继续插入测试手指，直至测试手指的前端面与测试孔的下端面平齐，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指尾端中心点C1和前端中心点C2的坐标；
S5，根据A1、A2、B1、B2、C1、C2的坐标值计算导航系统的精度偏差；
S6，选择口腔模拟板上其它的测试孔，针对每个测试孔，分别重复执行步骤S2～S5。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-点距离偏差，点-点距离偏差计算公式如下：
其中，(xa2，ya2，za2)为A2的坐标值，(xc2，yc2，zc2)为C2的坐标值，d为点A2与点C2的距离偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-线距离偏差，点-线距离偏差计算公式如下：
其中，L1、L2、L3、L4分别为点B1、B2、C1、C2到直线A1A2的距离偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线距离偏差，线-线距离偏差计算公式如下：
其中，Δl1为直线B1B2与直线A1A2的距离偏差，Δl2为直线C1C2与直线A1A2的距离偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线角度偏差，线-线角度偏差计算公式如下：
其中，θ1为直线B1B2与直线A1A2的角度偏差，θ2为直线C1C2与直线A1A2的角度偏差。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
本申请中附图是用于示出优选实施方式，便于本领域普通技术人员对各种其他的优点和益处清楚明了的认识，并不能认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同或同类型的部件。
图1为本申请一实施例中一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置的结构示意图；
图2为本申请一实施例中第一参考阵列与口腔模拟板的装配示意图；
图3为本申请精度测试过程中精度测试装置的状态示意图；
图标：1、口腔模拟板；2、测试孔；3、第一参考阵列；4、种植手机；5、测试手指；6、第二参考阵列；7、光学定位相机；8、计算机；9、底座；10、支撑杆；11、牙齿模型；12、连接杆；13、牙套。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上(包括两个)，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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申请实施例中的具体含义。
请参阅图1-图2，本申请实施例第一方面提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，包括：
口腔模拟板1，所述口腔模拟板1上对应牙齿的位置开设有贯穿的测试孔2(圆形贯穿孔)，所述口腔模拟板1上固定安装有第一参考阵列3；
种植手机4，所述种植手机4的前端安装有与测试孔2相配的测试手指5，所述测试手指5的外轮廓与真实牙钻的外轮廓相配；所述种植手机4的后端安装有第二参考阵列6；
光学定位相机7，所述光学定位相机7用于捕获第一参考阵列3和第二参考阵列6反射的红外光信号；
计算机8，与光学定位相机7连接，用于根据捕获的红外光信号计算测试手指5在第一参考阵列3坐标系下的位置信息。
本申请提供的技术方案中，通过设计口腔模拟板1来模拟患者的口腔，利用光学定位相机7配合第一参考阵列3、第二参考阵列6，获取测试手指5在第一参考阵列3坐标系下的位姿信息，通过测试手指5与口腔模拟板1上测试孔2的配合，结合CBCT影像空间与现实空间的配准关系以及测试孔2的硬件设计参数，可以在术前对口腔种植手术导航系统的精度进行测试，在术前及时发现并消除误差，提高手术导航系统的精度；且该精度测试能够在没有机械臂定位的情况下进行，适用于无机械臂的口腔种植手术导航系统的精度测试。
请继续参阅图1、图2，在某些实施方式中，所述测试孔2设有4个(具体数量可根据实际情况灵活调整)，4个所述测试孔2的深度不同，通过在口腔模拟板1上开设4个不同孔径的测试孔2，可以进行4次精度测试，取4次测试结果的平均值作为最终的精度测试结果，从而提高导航系统的精度测试的准确性；本实施例中，测试孔2的直径为0.5cm，测试孔2的轴线与口腔模拟板1的顶面、底面垂直，所述测试手指5的直径略小于0.5cm，刚好能够使测试手指5插入测试孔2内；所述测试手指5的尾端设有与种植手机4结合的卡槽，二者的结合方式等同于牙钻与种植手机4结合的方式。
请继续参阅图1、图2，在某些实施方式中，所述第一参考阵列3和第二参考阵列6上均非对称布置有不少于3个反光标记物(本实施例中为4个)，保证光学定位相机7能够同时捕获到参考阵列上至少3个反光标记物反射的红外光信号。
在一具体实施方式中，所述反光标记物可以采用反光球或反光片。
请继续参阅图1，在某些实施方式中，所述精度测试装置还包括支撑平台，所述支撑平台包括底座9和支撑杆10，所述支撑杆10竖直固定在底座9上，所述口腔模拟板1的底面开设有固定孔，所述支撑杆10的顶端与固定孔连接；通过设置支撑平台，方便对口腔模拟板1进行测试，避免测试过程中口腔模拟板1的位姿发生变化。
请继续参阅图2，在某些实施方式中，所述口腔模拟板1上设有若干牙齿模型11，所述第一参考阵列3通过支架固定在牙齿模型11上；所述支架包括连接杆12和牙套13，所述牙套13套设在牙齿模型11上；所述连接杆12一端与牙套13固定连接，另一端与第一参考阵列3固定连接；通过将第一参考阵列3与牙齿模型11刚性连接，保证了第一参考阵列3与口腔模拟板1之间的相对位姿不发生改变。
请参阅图3，本申请实施例第二方面提供了一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，包括以下步骤：
S1，获取口腔模拟板的CBCT影像，将CBCT影像导入手术导航设备软件，利用光学定位相机配合第一参考阵列、第二参考阵列，将CBCT影像空间与现实空间进行配准(按照设备使用说明书的要求进行影像配准与器械标定，配准的具体方法可参考现有专利文献：CN117314978A-一种颌部CBCT影像的配准方法，本实施例中不再赘述)；
S2，选择口腔模拟板上某一个测试孔，记录在CBCT影像坐标系下该测试孔上端面中心点A1(xa1，ya1，za1)和下端面中心点A2(xa2，ya2，za2)的坐标，请参阅图3中(a)图和(b)图；
S3，将测试手指插入所述测试孔内，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指尾端中心点B1(xb1，yb1，zb1)和前端中心点B2(xb2，yb2，zb2)的坐标，请参阅图3中(c)图，图中未标示点B1和点B2的位置；
S4，沿测试孔继续插入测试手指，直至测试手指的前端面与测试孔的下端面平齐，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指尾端中心点C1(xc1，yc1，zc1)和前端中心点C2(xc2，yc2，zc2)的坐标，请参阅图3中(d)图，点C2和点A2理论上是重合的；
S5，根据A1、A2、B1、B2、C1、C2的坐标值计算导航系统的精度偏差；
S6，选择口腔模拟板上其它的测试孔，针对每个测试孔，分别重复执行步骤S2～S5，取多个测试孔测得的精度偏差的平均值作为最终的精度偏差值。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-点距离偏差，点-点距离偏差计算公式如下：
其中，d为点A2与点C2的距离偏差，点A2的坐标是由口腔模拟板上测试孔的硬件设计参数决定的，而点C2的坐标是由光学定位相机配合第一参考阵列、第二参考阵列及CBCT影像空间与现实空间的配准关系计算得到的，即点C2的坐标是通过导航系统计算出来的，理论上点A2与点C2应该是重合的，通过计算点A2与点C2之间的距离，可以得到导航系统的点-点精度偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-线距离偏差，点-线距离偏差计算公式如下：
其中，L1、L2、L3、L4分别为点B1、B2、C1、C2到直线A1A2的距离偏差，理论上，点B1、B2、C1、C2应该都处于直线A1A2上，即L1、L2、L3、L4的值均为0，通过计算由导航系统确定的点B1、B2、C1、C2到直线A1A2的距离，可以得到导航系统的点-线距离偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线距离偏差，线-线距离偏差计算公式如下：
其中，Δl1为直线B1B2与直线A1A2的距离偏差，Δl2为直线C1C2与直线A1A2的距离偏差，理论上，直线B1B2、直线C1C2应该与直线A1A2重合，即Δl1、Δl2的值均为0，通过计算由导航系统确定的直线B1B2、直线C1C2到直线A1A2的距离，可以得到导航系统的线-线距离偏差。
具体地，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线角度偏差，线-线角度偏差计算公式如下：
其中，θ1为直线B1B2与直线A1A2的角度偏差，θ2为直线C1C2与直线A1A2的角度偏差，理论上，直线B1B2、直线C1C2应该与直线A1A2重合，即θ1、θ2的值均为0，通过计算由导航系统确定的直线B1B2、直线C1C2与直线A1A2的夹角，可以得到导航系统的线-线角度偏差。
本实施例通过设计全新的测试工装(口腔模拟板)，是的口腔种植手术导航系统的精度测试能够在没有机械臂定位的情况下进行，适用范围更广，且该测试工装采用牙模状构型，更贴近临床应用场景；本实施的精度测试方法改进了传统精度测试所需数据的获取方式与计算逻辑，所有数据都能从导航设备软件获取，无需借助额外三维测量仪(如三坐标仪、激光追踪仪等)进行数据捕获，操作相对简便；在保留行标要求计算“线-线角度误差”、“点-线距离误差”、“点-点距离误差”的基础上，增加了“线-线距离误差”的计算，使得系统精度测试所包含的条目更为完善。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在矛盾冲突，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。本申请并不局限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 (10)
1.一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，其特征在于，包括：
口腔模拟板(1)，所述口腔模拟板(1)上对应牙齿的位置开设有贯穿的测试孔(2)，所述口腔模拟板(1)上固定安装有第一参考阵列(3)；
种植手机(4)，所述种植手机(4)的前端安装有与测试孔(2)相配的测试手指(5)，所述测试手指(5)的外轮廓与真实牙钻的外轮廓相配；所述种植手机(4)的后端安装有第二参考阵列(6)；
光学定位相机(7)，所述光学定位相机(7)用于捕获第一参考阵列(3)和第二参考阵列(6)反射的红外光信号；
计算机(8)，与光学定位相机(7)连接，用于根据捕获的红外光信号计算测试手指(5)在第一参考阵列(3)坐标系下的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，其特征在于，所述测试孔(2)设有多个，多个所述测试孔(2)的深度不同。
3.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，其特征在于，所述第一参考阵列(3)和第二参考阵列(6)上均非对称布置有不少于3个反光标记物。
4.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，其特征在于，所述精度测试装置还包括支撑平台，所述支撑平台包括底座(9)和支撑杆(10)，所述支撑杆(10)竖直固定在底座(9)上，所述口腔模拟板(1)的底面开设有固定孔，所述支撑杆(10)的顶端与固定孔连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试装置，其特征在于，所述口腔模拟板(1)上设有若干牙齿模型(11)，所述第一参考阵列(3)通过支架固定在牙齿模型(11)上；所述支架包括连接杆(12)和牙套(13)，所述牙套(13)套设在牙齿模型(11)上；所述连接杆(12)一端与牙套(13)固定连接，另一端与第一参考阵列(3)固定连接。
6.一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，基于权利要求1至5任一项所述的精度测试装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取口腔模拟板(1)的CBCT影像，利用光学定位相机(7)配合第一参考阵列(3)、第二参考阵列(6)，将CBCT影像空间与现实空间进行配准；
S2，选择口腔模拟板(1)上某一个测试孔(2)，记录在CBCT影像坐标系下该测试孔(2)上端面中心点A1和下端面中心点A2的坐标；
S3，将测试手指(5)插入所述测试孔(2)内，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指(5)尾端中心点B1和前端中心点B2的坐标；
S4，沿测试孔(2)继续插入测试手指(5)，直至测试手指(5)的前端面与测试孔的下端面平齐，记录此时CBCT影像坐标系下测试手指(5)尾端中心点C1和前端中心点C2的坐标；
S5，根据A1、A2、B1、B2、C1、C2的坐标值计算导航系统的精度偏差；
S6，选择口腔模拟板(1)上其它的测试孔(2)，针对每个测试孔(2)，分别重复执行步骤S2～S5。
7.根据权利要求6所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-点距离偏差，点-点距离偏差计算公式如下：
其中，(xa2，ya2，za2)为A2的坐标值，(xc2，yc2，zc2)为C2的坐标值，d为点A2与点C2的距离偏差。
8.根据权利要求6所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括点-线距离偏差，点-线距离偏差计算公式如下：
其中，L1、L2、L3、L4分别为点B1、B2、C1、C2到直线A1A2的距离偏差。
9.根据权利要求6所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线距离偏差，线-线距离偏差计算公式如下：
其中，Δl1为直线B1B2与直线A1A2的距离偏差，Δl2为直线C1C2与直线A1A2的距离偏差。
10.根据权利要求6所述的一种用于口腔种植手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，步骤S5中，计算导航系统的精度偏差包括线-线角度偏差，线-线角度偏差计算公式如下：
其中，θ1为直线B1B2与直线A1A2的角度偏差，θ2为直线C1C2与直线A1A2的角度偏差。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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