RO135340A2 - Scanner 3d ultrasonografic, mod de realizare, utili- zare şi metoda de aliniere spaţială a scanărilor 3d din zona capului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un scaner 3D ultrasonografic şi la o metodă de scanare ultrasonografică. Scaner-ul, conform invenţiei, este alcătuit dintr-o unitate de calcul pentru procesarea datelor, un ecograf şi un sistem de citire a poziţiei spaţiale, alcătuit dintr-o maşină de măsură în coordonate (2), a cărei sondă cu funcţie palpatorie opţională este prinsă solidar cu un transductor (5) al ecografului, fiind utilizată în acest mod pentru achiziţia de date, care permite modelarea 3D ultrasonografică a zonei explorate. Fluxurile de date înregistrate sunt sincronizate, prin găsirea unui eveniment unic în timp. Se va utiliza o gutieră construită prin manufacturare computerizată tridimensională, pentru a genera un punct reprezentând originea absolută (O), referinţa spaţială pentru zona capului şi gâtului, obţinută prin fixarea gutierei la nivelul maxilarului examinat. Este descrisă şi o metodă de scanare 3D ultrasonografică şi de aliniere a modelelor 3D obţinute pentru regiunea capului şi gâtului. Calculul unei origini absolute a zonei examinate oferă posibilitatea întreruperii achiziţiei de date pentru a analiza rezultatul obţinut şi a continuării scanării 3D, dacă modelul 3D nu corespunde calitativ sau cantitativ.

Description

SCANNER 3D ULTRASONOGRAFIC

Mod de realizare, utilizare si metoda de aliniere spațială a scanărilor 3D din zona capului

Scanarea 3D ultrasonografică cu înregistrarea poziției spațiale a cadrelor bidimensionale a fost descrisa ca metoda, de către multiplii autori, soluțiile tehnice fiind prezentate sintetic de Pedersen Peder și Szabo T in patentul WO2006/127142A2. Poziția fiecărui cadru bidimensional este determinata de către un dispozitiv de citire a poziției spațiale care este de obicei un aparat de sine stătător separat de aparatul de ultrasonografie. Fiecărui cadru bidimensional ii este atribuita o eticheta cu poziția spațială a acestuia, fapt care generează o reconstrucție 3D ultrasonografică cu acuratețe crescută, corespunzătoare din punct de vedere cantitativ. [1] Pentru metodele de reconstrucție tridimensională ultrasonografică realizate plecând de la cadre bidimensionale la care au fost adăugate informații de poziționare spațială, sincronizate temporal, obținute cu ajutorul unor senzori de calculare a poziției spațiale de tipul accelerometru și giroscop [1 ], dar și pentru celelalte cazuri amintite, premergător scanării ultrasonografice este necesară o etapă de calibrare spațiala recomandând utilizarea unor metode de calibrare spațială ale altor autori [1],

Soluția autorilor mai sus menționați a fost de a aplica transductorului bidimensional senzori de citire a variației poziției spațiale. Citirea și aplicarea etichetelor de poziție pentru fiecare cadru bidimensional ultrasonografie se face relativ la o poziție inițială, achiziționată la un anumit moment de timp dat, aleasa arbitrar. Acest lucru are 2 posibile consecințe care nu sunt rezolvate: acumularea erorilor in timp pe măsura ce se efectuează scanarea tridimensionala și imposibilitatea revenirii asupra scanării având in vedere modul arbitrar imposibil de reprodus in care s-a ales aceasta referința inițială.

Nu sunt detaliate metode de reducere ale artefactelor de mișcare ale subiectului și revenire la obiectul scanat după evaluări calitative și cantitative ale modelului 3D obținut. Metodele actuale de reconstrucție tridimensională ultrasonografică nu rezolva problema completării modelului 3D ultrasonografie după o evaluare realizata de către operator prin revenirea asupra zonei scanate.

Au fost descrise metode precedente care pe baza unor corelații fizice, din lumea reală reușesc sa suprapună in mod automat sau semiautomat modele 3D ale acelorași zone scanate cu ajutorul unor tehnologii complementare.[2] Dezavantaje in acest caz: este obligatorie scanarea pacientului in aceeași ședință atât ultrasonografie cat și cu raze X.

O altă soluție a fost montarea transductorului unui ecograf la nivelul unui braț robotic comandat de către operator cu ajutorul unei unități de calcul. Sistemul astfel conceput se poate utiliza comandat de către unitatea de calcul [4], dar nu se precizează cum pot fi reduse artefactele de mișcare ale pacientului, zonei examinate sau modul in care este aleasa incidența in care se achiziționează datele ultrasonografice. Metodele de reconstrucție 3D ultrasonografice sunt realizate de obicei prin mișcarea transductorului cu ajutorul motoarelor pas cu pas obținând cadre bidimensionale paralele care nu țin cont de forma anatomica a zonelor examinate in luarea deciziei asupra incidenței in care se achiziționează cadrul bidimensional ultrasonografie.

Acuratețea și reproductibilitatea reconstrucțiilor 3D ultrasonografice depinde de o multitudine de factori precum: imobilizarea, fixarea zonei examinate pe parcursul scanării, care include și implementarea unor algoritmi de compensare a mișcării pacientului, reziliența țesuturilor examinate și modul in care pe parcursul scanării acestea se deformează. Alegerea unor țesuturi nedeformabile, cu reziliența scăzută și care pot fi imobilizate sau fixate pe parcursul scanării ar fi de ajutor in dezvoltarea metodelor de scanare 3D ultrasonografică. Țesutul parodontal poate genera un astfel de context sau mediu ușor controlabil.

Țesuturile moi gingivale sunt examinate la ora actuala folosind gold standardul recomandat de Organizația Mondială a Sănătății, sondarea parodontala. Aceasta este o metoda analogica invaziva, operator dependenta, cu acuratețe și reproductibilitate scăzută. Apariția unei metode imagistice care sa evalueze și sa monitorizeze evoluția acestei afecțiuni cu incidența deosebit de ridicata la nivel mondial este necesara pentru aplicarea metodelor de prevenție corespunzătoare.

Legat de examinarea ultrasonografică 3D parodontală, există o soluție prin care este descrisă o utilizare

RO 135340 Α2 , μ

a unui sistem de poziționare spațială pentru a avea posibilitatea reconstrucțiilor tridimensionale ale zonelor parodontale examinate, plecând de la cadrele bidimensionale ultrasonografice achiziționate [4].

Aplicabilitatea practica a ultimelor două metode de ultrasonografie 3D descrise nu este realizată la ora actuală pe scară largă tocmai pentru că nu sunt descrise și metodele eficiente de imobilizare a zonelor examinate, lucru decisiv în ce privește calitatea reconstrucțiilor tridimensionale ultrasonografice obținute. Un alt inconvenient este ca achiziția datelor se realizează prin poziționarea transductorului la nivelul zonei examinate cu ajutorul unor motoare pas cu pas care restricționează alegerea incidenței ultrasonografice in vederea obținerii unor imagini bidimensionale cu calitate ridicata. Mișcările acestor motoare pas cu pas fiind liniare, transductorul nu poate urmări eficient curburile zonelor examinate, imaginile ultrasonografice bidimensionale fiind puternic artefactate.

Metoda lui Salcudean et al, care folosește brațul robotic pentru poziționarea mecanizata a transductorului se concentrează pe examinarea unor zone ale corpului uman greu de imobilizat și ușor deformabile, iar cea de scanare pentru parodonțiu Mukdadi et al, descrie în special examinarea în vitro a unor piese, tocmai pentru a evita problema imobilizării pacientului. Studii prezentate de același autor sunt realizate exclusiv în vitro, prin utilizare de mandibule de porc și nu in vivo prin folosirea de tehnici de imobilizare a pacienților [5]. Nefiind imobilizate zonele de interes in cazul examinărilor in vitro sau a pacienților, prin dezvoltarea unor metode de fixare a zonelor scanate raportat la sistemul de referința al coordonatelor spațiale al scannerului, nu este posibila revenirea și corectarea unor defecte in modelul ultrasonografie tridimensional obținut.

Alte metode de scanare 3D ultrasonografică parodontală propuse anterior [6] au rezolvat problema achiziției in vitro a datelor 2D ultrasonografice și transformarea lor, prin adăugarea informației de poziție sincronizată, in cadre 3D care ulterior compun volumul scanat. Poziționarea transductorului se realizează tot prin utilizarea unor motoare pas cu pas care in zona curburilor maxilarelor au eficienta scăzută. De asemenea imobilizarea se face prin aplicarea unor centuri la nivelul calotei craniului pacientului scanându-se fiecare dinte pe rând, segmentar, ulterior urmând compunerea volumelor achiziționate.

Metoda de scanare și modelare tridimensionala ultrasonografică, propusa in acest material, a unor zone de interes fixate in raport cu sistemul de referința al scanerului ultrasonografie tridimensional înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că oferă o soluție completă de scanare alcătuita din scanner 3D ultrasonografie special conceput in acest sens plecând de la o mașină de măsură in coordonate portabila (Protable Coordinate Measuring Machine CMM) și un ecograf standard. Mașina de măsura in coordonate va deveni sistemul de determinare a poziției spațiale a transductorului ecografului in timpul scanărilor ultrasonografice. Datele de la aceste aparate sunt citite și procesate pentru a realiza o modelare tridimensionala a țesuturilor moi și a suprafețelor osoase dure a unui pacient in zona capului. Reconstrucția 3D ultrasonografică se realizează cu ajutorul unor soluții tehnice pentru realizarea fixării zonelor examinate raportat la sistemul de referința in coordonate al sistemului de determinare a poziției spațiale a transductorului scanerului tridimensional ultrasonografie. Țesuturile din zona capului, in special țesuturile gingivale au reziliența redusa și o grosime redusa putând fi considerate imobile și nedeformabile in timpul scanării. Fixarea lor pe parcursul scanării este necesara pentru a creste acuratețea reconstrucțiilor tridimensionale ultrasonografice ajungând la o acuratețe asemănătoare ca și in cazul scanării unor obiecte nedeformabile și imobile in raport cu sistemul de referința al sistemului de poziționare spațială al scanerului.

Alte metode de scanare ultrasonografică propun corectarea artefactelor de mișcare cu ajutorul unor date estimative și nu folosesc date de volumetric corelate cu cele din lumea reala înregistrate cu ajutorul unor senzori de poziționare spațială. [7]

Scanările 3D, utilizate in evaluarea maxilarelor unui pacient, se realizează la ora actuala folosind raze X, Cone Beam Computed Tomography, artefactele de mișcare fiind atenuate prin diverse metode de compensare pentru mișcările pacientului, precum senzori optici care înregistrează mișcările capului pacientului in timpul scanării cu raze X [8].

Un scanner 3D ultrasonografie aduce in completarea informației generate de cel cu raze X, date despre țesuturile moi și suprafețele țesuturilor dure examinate, care ar putea fi parte componenta a unui model 3D complex și complet al zonei scanate. Acest model va fi realizat prin investigații imagistice cu raze X (Cone Beam Computed Tomography) care reconstruiesc 3D țesuturile dure in

Pagina 2 din 23

6^ special, dar care nu are o rezoluție suficienta nivelul părților moi. Suprafețele exterioare ale obiectului scanat pot fi modelate tridimensional prin metode de scanare optica, in cazul cavității orale pot fi scanate cu ajutorul scannerelor 3D intraorale. CBCT-ul și scanarea optica intraorala se folosește pe scara larga la ora actuala in medicina dentara, dar nu există o metodă sau un produs care să fie utilizabil la ora actuala pentru examinarea 3D imagistica a țesuturilor moi. Straturile reprezentate de țesuturile moi situate intre țesuturile dure și suprafețele exterioare, vor fi reconstruite 3D cu ajutorul ultrasonografiei la o rezoluție ridicata și cu artefacte reduse.

Problema pe care o rezolva invenția:

Asigurarea predictibilității poziției spațiale a rezultatelor explorărilor ultrasonografice din cadrele 2D înregistrate prin fixarea și calcularea poziției zonei examinate fata de sistemul de referința al dispozitivului utilizat pentru determinarea poziției spațiale a sondei 2D a unui scanner 3D ultrasonografic special conceput in acest scop prin aplicarea unei metode de calcul a unui punct care reprezintă originea absoluta a zonei examinate atât in lumea reala cat și in reconstrucția tridimensionala obținută in urma scanării 3D ultrasonografice.

Având aceasta predictibilitate se va putea:

1. Realiza reconstrucția tridimensională ultrasonografică a zonelor scanate cu acuratețe ridicată;

2. Completa un model 3D ultrasonografic obținut prin reluarea scanării in zonele in care rezoluția sau informația achiziționată nu este suficientă;

3. Integra modelul 3D ultrasonografic obținut cu modele 3D realizate pentru aceeași zona examinata prin scanare cu raze X cu tehnologie Cone Beam Computed Tomography, obținute prin scanări optice intraorale sau orice alte reconstrucții 3D obținute folosind tehnologii complementare de imagistica medicala prin aplicarea metodei de calcul a unui punct care reprezintă originea absoluta a zonei examinate.

Mijloace de realizare:

- Scanner 3D ultrasonografic special conceput in acest sens (fig 1 și 2) compus din ecograf standard 3 cu transductor bidimensional 5 și un sistem 2 de determinare a poziției spațiale a transductorului 5 care permite calcularea poziției spațiale a acestuia și angulația pe cele 3 axe de exemplu o mașina de măsura in coordonate, precum un braț articulat sau un sistem optic [10], cu funcție opționala de scanare a unei suprafețe prin palpare; și

- Elemente de imobilizare mecanica sau imobilizare prin calcularea poziției relative in timp real pe parcursul scanării ultrasonografice a zonei examinate raportat la referința, coordonatele sistemului (mașina de măsura in coordonate) 2 de determinare a poziției spațiale a transductorului 5 scannerului 3D ultrasonografic.

Date de intrare pentru reconstrucția 3D ultrasonografică:

- imagini 2D obținute in mod freehand, incidente alese arbitrar de către operator. Cadrele bidimensionale pot fi obținute intr-un mod manual, operator dependente sau semi automat, operatorul uman ghidat prin intermediul unui software de analiza a rezultatului obținut sau complet robotizat, automat, incidentele cadrelor bidimensionale ultrasonografice obținute prin mișcarea robotizata a transductorului asistata de unitatea de calcul 1 prin predicții realizate despre formațiunile anatomice urmărite

- date de poziție spațială pentru fiecare cadru ultrasonografic achiziționat: sistem de determinare a poziției spațiale a transductorului ecografului care permite calcularea in timp real a poziției și angulatiei pe cele 3 axe a sondei ecografului in timpul examinării

Date de ieșire:

Model 3D ultrasonografic care conține modelarea țesuturilor moi scanate și a suprafețelor țesuturilor dure in zona scanată.

Pagina 3 din 23

Metoda de realizare:

Calcularea unei origini absolute a zonei examinate da posibilitatea întreruperii achiziției in vederea analizării rezultatului obținut și continuarea scanării 3D in cazul in care modelul 3D nu corespunde calitativ sau cantitativ, precum și posibilitatea alinierii unor modele 3D ultrasonografice sau obținute prin utilizarea altor tehnologii imagistice alternative, la momente diferite de timp încă din momentul generării lor.

Avantajele metodei propuse:

- Metoda propusă reușește sa suprapună scanările tridimensionale obținute folosind tehnologii imagistice complementare sau aceeași tehnologie printr-o corelare a 2 sau mai multe scanări, prin intermediul calculării unei origini absolute a zonei examinate, fără a fi obligatorie scanarea in aceeași ședința in vederea obținerii modelelor tridimensionale ale zonei examinate. Intervalul de timp dintre 2 scanări nu este semnificativ atât timp cat poziția dinților nu se modifica.

- Fiind o scanare libera in bidimensional se pot achiziționa imagini ultrasonografice de calitate ridicata deoarece incidența planului ultrasonografic poate fi aleasa in funcție de incidența ideala la nivelul suprafeței examinate. Aceasta alegere se poate realiza de către un operator uman fiind dependenta de acesta sau de către un operator uman asistat de unitatea de calcul in cazul unui operator mai puțin experimentat in imagistica medicala sau complet independent prin predicții software și examinare efectuata robotizat.

- Prin calcularea originii absolute a zonei examinate se vor putea integra in mod automatizat scanări obținute prin utilizarea unor tehnologii imagistice complementare. Fiecare voxel din reconstrucția tridimensionala obținută având ca referința originea absoluta calculata.

- Prin reconstrucția 3D ultrasonografică a zonelor examinate va fi posibila interpretarea rezultatelor ulterior efectuării examinării, chiar și la distanta. Lucru care la ora actuală este imposibil in ceea ce privește investigațiile ultrasonografice, metoda ultrasonografică fiind operator dependenta. [10,11]

- Calcularea unei origini absolute a zonei examinate va permite realizarea unor comparații ale evoluției afecțiunii prin monitorizări efectuate cu acuratețe ridicata, operator independente

- Non-invazivitatea tehnicii imagistice va face posibila monitorizarea evoluției afecțiunii urmărite fără restricția unor efecte secundare precum cele generate de radiația ionizanta cumulata ca și in cazul CBCT efectuat cu raze X, metoda imagistica de electie pentru majoritatea afecțiunilor stomatologice, la ora actuala.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură scannerul 3D ultrasonografic (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) prezentat schematic in (Fig 1 și Fig 2)

Fig 1 - Prezentare schematica scanner tridimensional ultrasonografic alcătuit dintr-un sistem de determinare a anulației si poziției spațiale a transductorului pe cele 3 axe, ecograf și unitate de calcul, Fig 2 - Scaner tridimensional ultrasonografic alcătuit dintr-un sistem de determinare a poziției spațiale a transductorului reprezentat de un braț articulat pentru măsură in coordonate, unitate de calcul si ecograf cu transductor

Scanerul tridimensional ultrasonografic este alcătuit dintr-o unitate de calcul 1 care citește date de la un sistem de determinare a poziției spațiale reprezentat de un braț articulat pentru măsură in coordonate 2 la nivelul sondei (palpatorului) căruia este cuplat transductorul 5 cu funcție de explorare ultrasonografică free-hand al unui ecograf 3 generând o multitudine de imagini bidimensionale ale zonei explorate.

Citirea simultană, a poziției spațiale, cu achiziția fiecărui cadru bidimensional este realizată la comanda unității de calcul 1 și este asigurată de sistemul de determinare a poziției spațiale 2. Sincronizarea temporală a cadrelor bidimensionale ultrasonografice cu datele de poziție spațială va fi realizată de către unitatea de calcul 1 prin comandarea la un anumit moment de timp dat a achiziției cadrului bidimensional, căruia ii va fi aplicată o etichetă temporală, de la ecograful 3 prin intermediul

Pagina 4 din 23 transductorului 5 și prin comandarea la același moment de timp dat a achiziției datelor de poziționare spațială, cărora le va fi aplicată o etichetă temporală de către unitatea de calcul 1, de la sistemul de calculare a poziției spațiale 2 prin intermediul sondei de palpare 4. Daca ecograful 3 este un sistem care nu permite comanda pentru achiziția cadrelor bidimensionale la un anumit moment de timp de către unitatea de calcul 1 atunci sincronizarea datelor se va realiza prin procedeul de sincronizare temporală (diagrama 1, sincronizarea temporală a datelor prin intermediul găsirii unui eveniment unic in cele 2 fluxuri de date achiziționate de la ecograf 3 si de la sistemul de calculare a poziției spațiale 2 a transductorului 5).

Sistemul de localizare spațială 2 a transductorului 5 poate avea și funcție palpare, opțională, a unor zone de interes realizata cu ajutorul palpatorului 4 in scopul localizării spațiale a acestora raportat la sistemul de referință in coordonate Χ,Υ,Ζ al palpatorului 4 (fig 2). Sistemul de determinare a poziției spațiale 2 a transductorului 5 poate fi reprezentat de exemplu o mașină de măsură in coordonate, precum un braț articulat 2 sau un sistem optic 14, cu funcție opționala de scanare a unei suprafețe prin palpare. Palpatorul 4 și transductorul 5 se utilizează prinse in unitar generând ansamblul transductor -palpator 6 (fig 1, fig 2). Pentru stabilirea poziției spațiale a cadrelor bidimensionale ultrasonografice sistemul de referință al acestora ΧΙ,ΥΙ,ΖΙ având originea in coltul cadrului bidimensional ultrasonografic achiziționat (XI lățime, ZI înălțime) și direcția de deplasare a transductorului generând axa Y1 (fig 2). Stabilirea acestora fata de sistemul de referința Χ,Υ,Ζ in coordonate al scannerului 3D ultrasonografic care este același cu sistemul de referință al sistemului de determinare a poziției spațiale 2 al transductorului 5 (fig 2) se face prin aplicarea unei matrici de transformare, rezultata in urma unui proces de calibrare spațială [1], premergător scanării 3D ultrasonografice. Algoritmii de calcul vor fi implementați cu ajutorul unității de calcul 1.

Rezultatul explorărilor ultrasonografice utilizând scannerul 3D ultrasonografic va fi modelarea tridimensionala ultrasonografică a unor zone de interes fixate fată de sistemul de referință Χ,Υ,Ζ al scanerului fig 2.

Procedeu de construire a bazei de referință a măsurării ultrasonografice a unui maxilar, prin fixarea zonei examinate raportat la referință sistemului de determinare a poziției spațiale a transductorului:

Pasul 1: Se realizează scanare optica intraorala tridimensională

Pasul 2: Se obține informația digitală pentru descrierea modelului tridimensional optic de referință, al arcadei dentare.

Pasul 3: Se proiectează și construiește gutiera prin manufacturare computerizată tridimensională.

Pasul 4: Se aplică gutiera la nivelul arcadei dentare

Pasul 5: Se fixează maxilarul prin utilizarea gutierei individuale, montată intr-una dintre soluțiile de fixare, alternativa 1, 2 sau 3

Pasul 6: calibrarea și calcularea originii absolute a zonei examinate fixată.

Descrierea gutierei și a modului de utilizare se poate observa în:

Fig. 3 - gutiera A realizată in vederea fixării maxilarului B

Fig. 4 - Gutiera A, element personalizat de fixare a maxilarului B, cu repere plane 10 necesare calculării originii absolute O a zonei examinate B raportat la sistemul de coordonate XI, Yl, ZI al poziției spațiale a sondei 2D ultrasonografice 5 a scanner-ului 3D ultrasonografic

Fig. 5 - Gutiera A cu repere 10 aplicata maxilarului pacientului B, vedere laterală

Fig. 6 - Alternativa 1: imobilizarea mecanică a capului pacientului utilizând ansamblul de imobilizare descris in cererea de brevet depusă la OSIM România cu titlul „Ansamblu și metodă de imobilizare a capului pentru examinări tridimensionale” având numărul de înregistrare a 2019 00641 /10.10.2019

Fig. 7 - Alternativa 2: fixarea zonei examinate B se face pin poziționarea maxilarului la nivelul unei gutiere cu 3 suprafețe plane 10 prinsa la nivelul unui al doilea braț articulat 13

Fig. 8 - Alternativa 3: fixarea zonei examinate realizată prin poziționarea maxilarului B la nivelul unei gutiere A prinsa de un suport care are aplicate ținte 15 pentru a fi detectată poziția ei de către un

Pagina 5 din 23

sistem optic de poziționare spațială 14. Transductorul 5 este prins intr-un suport cu ținte 16 aplicate pentru a fi detectata poziția lui de către un sistem optic de poziționare spațială 14.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a Procedeului de construire a bazei de referință a măsurării ultrasonografice a unui maxilar, prin fixarea zonei examinate raportat la referința sistemului de determinare a poziției spațiale a transductorului:

O gutiera manufacturată prin tehnologie computerizata este folosita in alt context ca și ghid chirurgical pentru aplicarea implantelor dentare. Printr-un orificiu la nivelul ei se introduce o freza cu care se frezează osul in vederea aplicării implantului. Gutiera se proiectează cu ajutorul unui software plecând de la amprenta optica a maxilarului la nivelul căruia se va aplica. Suprapunând amprenta optica peste CBCT (Cone Beam Computed Tomography) se calculează la ce adâncime și sub ce angulație se poate aplica implantul in os.

Pasul 1

Plecând de la tehnologia existenta de scanare optică a unei arcade maxilare se utilizează un scanner intraoral pentru realizarea unei amprente optice a arcadei maxilare care urmează sa fie examinata ultrasonografic. Ca alternativă se poate realiza amprentare clasica a arcadei maxilare după care un laborator de tehnică dentară va digitaliza amprenta respectivă.

Pasul 2

Cu ajutorul unui software se proiectează gutiera A Fig 3 și 4, la nivelul căreia se aplica in faza de design computerizat mânerul 9 cu ajutorul căruia se va conecta sau monta folosind una dintre cele 3 alternative utilizate in fixarea zonei examinate și de asemenea se vor aplica minim 3 repere plane 10 utilizate pentru alinierea ulterioara a modelelor 3D obținute prin metoda calculării originii absolute O.

Pasul 3

Pasul 3 reprezintă manufacturarea computerizata prin frezare sau imprimare 3D a gutierei A.

Gutiera A are o parte concava 7, 8, neregulată care este negativul suprafețelor ocluzale (de mușcătura) ale dinților 7 și laterale ale dinților 8 (in jur de 20-30% din suprafața exterioară, vestibulara și din cea orala). In aceasta zona, a negativului dinților se fixează dinții pacientului. Restul zonelor 11, exterioare, convexe, realizează o rigidizare sau reies din proiect sau tehnica de execuție. Mânerul 9 este parte a zonei de conectare din cadrul pasului 5. La nivelul suprafețelor exterioare ale gutierei exista cel puțin 3 suprafețe plane 10. Aceste suprafețe plane 10 sunt dispuse de așa natura încât prin prelungirea lor virtuala a, b, c se intersectează virtual intr-un punct, generând originea absoluta O. Acest punct O reprezintă in lumea reala referința spațială generata de intersecția celor 3 suprafețe plane de la nivelul reperelor 10 pentru zona maxilara examinata B, iar in lumea virtuală reprezintă referința spațială a reconstrucției tridimensionale ultrasonografice, fiecare voxel raportândse spațial la acest punct O.

Pasul 4

Pasul 4 este reprezentat de aplicarea gutierei la nivelul maxilarului B Fig. 5. Având in vedere impresiunile de la nivelul suprafeței interne a gutierei 7 și 8 reprezentând negativul suprafețelor dentare prin intermediul cărora se va poziționa gutiera A la nivelul maxilarului B, se va considera de acum înainte că gutiera A realizează corp comun cu maxilarul B existând suficientă rigiditate între ele pentru a apare pe parcursul scanării modificări fața de sistemul de referința X, Y, Z.

Pasul 5

Pasul 5 reprezintă fixarea maxilarul B prin utilizarea gutierei individuale A, montată într-una dintre soluțiile de fixare, alternativa 1, 2 sau 3. Prin această fixare a gutierei B se urmărește reducerea artefactelor de mișcare prin imobilizarea mecanică a zonei examinate B, în cazul alternativei 1 sau oferirea posibilității calculării mișcărilor maxilarului B, raportat la sistemul de referința X, Y, Z in cazul

Pagina 6 din 23 alternativelor 2 sau 3. Conectarea gutierei prin alternativa 1, ansamblul de contenție mecanica a zonei examinate Fig 6, ea intra într-o zonă suport a acestuia sau alternativa 2 se conectează cu un al doilea braț articulat utilizat ca sistem de poziționare spațială 13, Fig 6 a gutierei B sau alternativa 3 Fig 7 se conectează cu suportul 15, pentru țintele sistemului optic 14, mașina de măsura in coordonate (Fig 6 alternativa 2, sistem de poziționare spațială asigurat de un al doilea braț articulat sau Fig 7 alternativa 3, ținte sistem optic de poziționare spațială a transductorului). Brațul articulat de măsura in coordonate 2 și brațul articulat de măsura in coordonate 13 sunt imobile unul fata de celălalt. Prin fixarea gutierei prin intermediul alternativei 2, poziția originii absolute și implicit a zonei examinate va putea fi calculată relativ la sistemul de coordonate X, Y, Z, al sistemului de poziționare spațială 2 al transductorului 5. Folosind același principiu se va putea utiliza alternativa 3 in același scop al calculării poziției planului ultrasonografic ΧΙ,ΥΙ,ΖΙ relativ la originea absoluta O a zonei examinate B in timpul scanării 3D ultrasonografice.

Pasul 1-5 se efectuează separat pentru fiecare maxilar in parte (maxilar superior, maxilar inferior = mandibula)

Daca scanarea se dorește sa se realizeze, la nivelul capului, exceptând mandibula, pasul 1 -5 se realizează doar pentru maxilarul superior. Maxilarele sunt fixate individual raportat la sistemul de coordonate X, Y, Z, de referință al scannerului 3D ultrasonografic. Fiecare explorare/ achiziție de date se va efectua separat pentru maxilar superior și separat pentru mandibula. Prin fixarea maxilarului superior prin acest procedeu se creează premisele achiziției de date pentru întregul cap, maxilarul superior fiind parte componenta, imobila, a craniului.

Pasul 6 detaliat cu ajutorul

Fig 9 - Palparea in minim 3 puncte necolineare a unui element plan de la nivelul gutierei in vederea fixării și calculării poziției spațiale a planului respectiv raportat la sistemul de referința al poziției spațiale a sondei 2D a scanner-ului 3D ultrasonografic

Fig 10 - Scanarea ultrasonografică a celor 3 elemente plane de la nivelul gutierei in vederea fixării și calculării poziției spațiale a zonei examinate raportat la sistemul de referință al poziției spațiale a sondei 2D a scanner-ului 3D ultrasonografic in vederea raportării ulterioare a rezultatului scanării la originea absolută calculată

Diagrama 1: Procedeul de fixare și calculare a poziției zonei examinate fată de sistemul de referință al poziției spațiale a sondei 2D a unui scanner 3D ultrasonografic

Palparea celor 3 elemente plane 10 de la nivelul gutierei A in vederea fixării și calculării poziției spațiale a zonei examinate B raportat la sistemul de referință Χ,Υ,Ζ al poziției spațiale a sondei 2D a scanner-ului 3D ultrasonografic in vederea raportării ulterioare a rezultatului scanării la originea absolută O calculată (Fig 9).

Scanarea ultrasonografică in 2 incidente diferite ual si ua2 a unui element a plan dintre cele 3 repere 10 de la nivelul gutierei A in vederea fixării și calculării poziției spațiale a planului respectiv raportat la sistemul de referința al poziției spațiale ΧΙ,ΥΙ,ΖΙ a sondei 2D a scanner-ului 3D ultrasonografic

Fixarea prin acest procedeu se realizează din următoarele motive având următoarele așteptări /obiective (a) Reducerea artefactelor de mișcare prin algoritmi de compensare a erorii (sistemul optic sau al doilea braț articulat mașina de măsura in coordonate in care este prinsa gutiera, sistemul de poziționare spațială a transductorului 5 poate fi înlocuit de senzori electromagnetici sau senzori din gama accelerometru și giroscop sau orice sistem de la care se pot citi cele 3 translații și 3 rotații necesare) sau prin imobilizări mecanice (ansamblul de contenție, alternativa 1) (b) O integrare mai facilă a tehnologiilor complementare de examinare a aceleași zone in vederea obținerii unei reconstrucții complete și complexe a zonei explorate fără a fi necesară in prealabil segmentarea imaginilor 2D sau a obiectelor 3D reconstruite. Suprapunerea va genera informație despre structuri in întregime: țesut dur suprafețe și in profunzime (raze X), țesut moale suprafețe și in profunzime (ultrasonografic), suprafețe țesut dur și moale expus la nivelul

Pagina 7 din 23 cavității orale (amprenta optica/scanare intraorala) (c) Această integrare a tehnologiilor va permite realizarea unor segmentări automatizate prin aplicarea unui procedeu de intersecție de mulțimi de puncte 3D obținute prin tehnologiile complementare amintite mai sus

In urma realizării procedeului de construire a bazei de referință a măsurării unui maxilar, prin realizarea scanării ultrasonografice sau palpare a suprafețelor plane, gutiera dă coordonatele maxilarului, a zonei examinate prin stabilirea originii absolute O a acestuia.

Daca fixarea se face pe maxilar se obține originea absoluta a maxilarului și a capului pacientului.

Daca fixarea se face la nivelul mandibulei, originea absoluta se calculează pentru mandibula.

Ultrasonografia 3D a zonei de interes: achiziția datelor și generarea modelului 3D ultrasonografic (Tomografie Chifor cu Ultrasunete)

Procedeul de scanare a pacientului este prezentat in

Diagrama 2: Metoda de scanare 3D și completare a modelului 3D ultrasonografic obținut prin reluarea scanării

Diagrama 3: Procesul de obținere a matricei de calibrare spațială a planului ultrasonografic cu datele de ieșire ale sistemului de poziționare spațială a transductorului

Fig 11 - Ultrasonografia 3D a unui maxilar superior folosind ca soluție de fixare a zonei examinate Alternativa 1, contenția mecanică a capului

Transductorul 5 este prins in unitar, prin intermediul piesei 6, cu palpatorul 4 al sistemului de determinare a poziției spațiale 2 al transductorului 5. Acestea vor fi folosite doar fixate intr-un ansamblu rigid 6. Rigiditatea ansamblului 6 va determina calitatea rezultatului scanării. Zona maxilarului B care urmează sa fie scanata va fi fixată, in prealabil, prin procedeul de fixare a zonei examinate conform diagramei 1. Procedeul de constituire a bazei de referința a măsurătorii ultrasonografice prin fixarea zonei examinate in raport cu sistemul de referința Χ,Υ,Ζ se va realiza folosind Alternativa 1, in acest exemplu, parcurgând pașii de la 1 la 6. Ulterior mișcările ansamblului 6 se realizează de către operator in scopul poziționării transductorului 5 in incidența potrivită pentru achiziționarea imaginilor cadrelor 2D ultrasonografice. Planul ultrasonografic aU va intersecta maxilarul B in incidența aleasa de operator. Ecograful 3 generează cadrul 2D ultrasonografic, conform diagramei 2 iar sistemul de determinare a poziției spațiale 2 a transductorului 5 generează datele de poziție spațială aducând informație despre translație pe axele X, Y, Z și angulație roii, pitch, și yaw (diagrama 2). Aceste 2 fluxuri de date reprezintă datele de intrare pentru algoritmii de reconstrucție ultrasonografică 3D. Sincronizarea temporală a datelor se va realiza hardware prin comanda generată de către unitatea de calcul 1 sau prin procedeul de sincronizare temporală care presupune identificarea unui moment unic in timp in cele 2 fluxuri de date generat de exemplu de atingerea repetată a unei suprafețe dure, plane și fixe in raport cu sistemul de referința X, Y, Z generând in datele de poziție blocarea repetata a valorilor pe o anumita axa, de exemplu Z. In cadrele ultrasonografice 2D va genera apariția unei schimbări bruște de imagine in exact același moment de timp prin identificarea unei linii pe ecranul ecografului 3 generată de intersecția planului ultrasonografic aU cu planul suprafeței dure cu care intra in contact transductorul 5.

Măsurătorilor in coordonate a mișcărilor de translație și rotație ale ansamblului 6, obținute in sistemul de coordonate Χ,Υ,Ζ al sistemului de determinare a poziției spațiale 2 a transductorului 5 li se va aplica un algoritm de calcul folosind o matrice de rotație generată in urma procedeului de calibrare spațială conform Diagramei 3. Astfel va fi generata translația și rotația planului ultrasonografic aU al transductorului 5 in sistemul de coordonate XI, Yl, ZI. In acest fel in momentul de timp al achiziției unui cadru ultrasonografic 2D se va genera și o poziție spațială corespunzătoare a acestuia in sistemul de coordonate XI, Yl, ZI, conținând informație despre translația și rotația acestui plan obținând un cadrul 3D ultrasonografic conform Diagramei 2.

Gruparea mai multor plane ultrasonografice 3D in sistemul de coordonate XI, Yl, ZI va genera modelul 3D ultrasonografic al zonei examinate. Acesta va avea originea absoluta O calculata in funcție de reperele plane 10 de nivelul gutierei A in sistemul de coordonate X, Y, Z in urma aplicării

Pagina 8 din 23 / procedurii de fixare a zonei examinate prin palparea acestora. Daca fixarea zonei examinate se realizează prin scanarea ultrasonografia a reperelor 10 originea absoluta O se va obține in sistemul de coordonate XI, Yl, ZI. Pentru a trece datele de poziție care sunt formate din translația citita pe cele 3 axe și rotația roii, pitch și yaw din sistemul de coordonate X, Y, Z in sistemul XI, Yl, ZI, se aplica matricea de calibrare rezultată in urma procedurii ce calibrare spațială. Când operatorul consideră că zona de interes a fost acoperită prin scanare ultrasonografică poate sa oprească scanarea și sa evalueze modelul ultrasonografic 3D obținut. Această evaluare se poate face in aceeași ședință sau in alta ședința la un moment diferit de timp. Daca se dorește completarea modelului 3D ultrasonografic pașii precedenți se reiau, începând cu fixarea zonei examinate B fata de sistemul de referința Χ,Υ,Ζ prin palparea reperelor 10 sau fața de sistemul de referință ΧΙ,ΥΙ,ΖΙ, prin scanarea ultrasonografică a reperelor 10. După calcularea O se poate trece la reluarea procedurii de scanare de către operator in zona in care modelul 3D ultrasonografic nu corespunde din punct de vedere calitativ sau cantitativ. Acest procedeu de completare a scanării poate fi reluat ori de cate ori se dorește (Diagrama 2), pana la obținerea unui model 3D ultrasonografic final prin asigurarea unei densități/ rezoluții suficiente.

Procedeul de aliniere a modelelor 3D folosind originea absolută

Acest procedeu necesită utilizarea unor modele tridimensionale ultrasonografice realizate in urma unor examinări efectuate la momente diferite de timp sau obținute prin utilizarea unor tehnologii imagistice complementare fiind detaliat in

Diagrama 4: model 3D complet și complex al zonei examinate obținut prin integrarea tehnologiilor imagistice complementare de scanare a aceleași zone și care conține toate structurile anatomice dure și moi.

In cazul in care se dorește alinierea unor modele 3D ultrasonografice pentru efectuarea unor comparații automatizate sau semi automatizate acest lucru va fi posibil daca scanarea a fost efectuată după calcularea originii O utilizând scannerul 3D (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) prezentat și parcurgând etapele procedeului de construire a bazei de referință a măsurării ultrasonografice a unui maxilar. In cazul in care maxilarul este superior se poate realiza măsurarea și alinierea modelului 3D ultrasonografic pentru întregul cap. Atât timp cat poziția dinților nu se modifica, gutiera A se poate reutiliza potrivindu-se la nivelul arcadei dentare a maxilarului B a aceluiași pacient. Modelele ultrasonografice 3D realizate la momente diferite de timp in urma explorărilor ultrasonografice efectuate ulterior fixării maxilarului B prin utilizarea gutierei A și calculării originii absolute O utilizând reperele 10 de la nivelul ei pot fi aliniate cu efort computațional minim și precizie ridicata fără sa necesite in prealabil post procesarea tuturor imaginilor bidimensionale ultrasonografice achiziționate de la nivelul zonei de interes. Este necesara doar identificarea poziției spațiale a celor 3 plane 10 de la nivelul gutierei A.

Se vor realiza explorări imagistice folosind tehnologii complementare ulterior aplicării gutierei A pacientului. Se vor identifica suprafețele plane ale reperelor 10 in modele 3D obținute ale zonelor examinate.

Ultima etapa este de aliniere a modelelor 3D, obținute folosind tehnologii complementare, prin utilizarea originii absolute calculate O și integrarea lor intr-un model 3D complet și complex (diagrama 4).

Pagina 9 din 23

Claims (13)

1. REVENDICĂRI

   1. Scanner 3D ultrasonografic (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) cu funcție de explorare ultrasonografică free-hand și citire simultană a poziției spațiale a sondei ultrasonografice este caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-o unitate de calcul pentru procesarea datelor, un ecograf și un sistem de citire a poziției spațiale alcătuit dintr-o mașină de măsură in coordonate a cărei sondă, cu funcție palpatorie opțională, este prinsă in unitar transductorul ecografului fiind utilizat in acest mod pentru achiziția de date care permit modelarea 3D ultrasonografică a zonei explorate.
2. 2. Scanner 3D ultrasonografic (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) prezentat in revendicarea 1 este caracterizat prin aceea că sistemul de poziționare spațială a transductorului poate fi înlocuit de senzori electromagnetici sau senzori din gama accelerometru și giroscop sau orice sistem de la care se pot citi cele 3 translații și 3 rotații necesare calculării poziției spațiale a transductorului pe parcursul scanării si implicit a poziției spațiale a planului cadrului ultrasonografic bidimensional achiziționat.
3. 3. Scanner 3D ultrasonografic (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) prezentat in revendicarea 1 si 2 este caracterizat prin aceea că se poate utiliza cu sau fără metoda/procedeul de fixare a zonelor examinate in raport cu sistemul de coordonate al sistemului de poziționare spațială a transductorului pe parcursul scanărilor 3D ultrasonografice, in funcție de acuratețea dorită.
4. 4. Scanner 3D ultrasonografic (Chifor Tomograf cu Ultrasunete) prezentat in revendicarea 1 si 2 este caracterizat prin aceea că fluxurile de date înregistrate pot fi sincronizate prin găsirea unui eveniment unic in timp in fiecare dintre cele 2 fluxuri de date (cadrele ultrasonografice si datele de poziționare spațială a cadrelor ultrasonografice), precum contactul cu o suprafață nedeformabilă si imobilă sau prin sincronizare efectuată cu ajutorul unei unității de calcul care comandă la un anumit moment de timp achiziția datelor de la cele 2 aparate.
5. 5. Gutiera ca element personalizat propriu fiecărui pacient realizată pe baza amprentei optice sau clasice a maxilarului superior sau inferior al pacientului caracterizată prin aceea că prezintă cel puțin 3 suprafețe plane care sunt dispuse de așa natură încât prin prelungirea lor se intersectează virtual intr-un punct, generând originea absolută O, reprezentând un punct de referință spațială pentru zona capului prin fixarea maxilarului sau a mandibulei examinată. In lumea virtuală reprezintă referința spațială a reconstrucției tridimensionale ultrasonografică sau realizata prin alte tehnologii complementare, fiecare voxel raportându-se spațial la acest punct O.
6. 6. Gutiera ca element personalizat propriu fiecărui pacient realizată pe baza amprentei optice sau clasice a maxilarului superior sau inferior al pacientului descrisa in revendicarea 5 este caracterizată prin aceea că prin intermediul mânerului se conectează la elementul care asigură fixarea zonei examinate prin intermediul unui ansamblu de contenție mecanică sau un al doilea braț articulat de măsura in coordonate sau un sistem optic (mașina de măsura in coordonate) sau orice alt sistem care poate calcula si genera modificarea in timp real a poziției spațiale a gutierei pe parcursul scanării 3D ultrasonografice raportat la sistemul de coordonate spațiale al scannerului 3D ultrasonografic.
7. 7. Procedura de constituire a bazei de referință a măsurării ultrasonografice a unui maxilar caracterizată prin aceea că fixează zona examinată raportat la referința in coordonate a sistemului de determinare a poziției spațiale a transductorului ecografului prin utilizarea unei gutiere realizată in urma amprentării zonei examinate, digitalizarea acestei informații, proiectarea unei gutiere personalizate la nivelul căreia se aplica cel puțin 3 elemente plane care prin prelungire virtuală se intersectează intr-un punct. Realizarea acesteia se va face prin manufacturare computerizată tridimensională, ulterior se aplica gutiera la nivelul arcadei dentare care urmează sa fie examinată, se fixează maxilarul prin utilizarea gutierei individuale, montată intr-una dintre soluțiile de fixare prezentate ca alternative la revendicarea 6.
8. 8. Metoda de calculare a unei origini absolute a zonei examinate caracterizată prin aceea că dă

   Pagina 10 din 23 J

   posibilitatea întreruperii achiziției de date in vederea analizării rezultatului obținut și continuarea scanării 3D in cazul in care modelul 3D ultrasonografic al zonei examinate nu corespunde calitativ sau cantitativ, precum și posibilitatea alinierii unor modele 3D ultrasonografice sau a altor modele 3D ale aceleași zone, obținute prin utilizarea altor tehnologii imagistice alternative, complementare, la momente diferite de timp încă din momentul generării lor prin raportarea fiecărui voxel la originea absolută generata prin intersecția a 3 suprafețe plane aplicate la nivelul gutierei cu ajutorul căreia este fixată zona examinată raportat la sistemul de coordonate de referință al scannerului 3D ultrasonografic.
9. 9. Metoda de scanare ultrasonografică 3D (Tomografie Chifor cu Ultrasunete) a zonei de interes caracterizată prin aceea că asigură predictibilitatea poziției spațiale a rezultatelor explorărilor ultrasonografice din cadrele 2D înregistrate prin fixarea și calcularea poziției zonei examinate fata de sistemul de referința al dispozitivului utilizat pentru determinarea poziției spațiale a sondei 2D a unui scanner 3D ultrasonografic prezentat in revendicarea 1 special conceput in acest scop prin aplicarea unei metode de calcul a unui punct care reprezintă originea absoluta O, revendicarea 8 a zonei examinate atât in lumea reala cat și in reconstrucția tridimensionala obținută in urma scanării 3D ultrasonografice.
10. 10. Metoda de scanare ultrasonografică 3D (Tomografie Chifor cu Ultrasunete) caracterizată prin aceea ca fixarea zonei examinate se realizează prin utilizarea unei gutiere individuala revendicarea 5 și 6, montată intr-un ansamblu de imobilizare a capului descris in cererea de brevet cu titlul: „Ansamblu și metodă de imobilizare a capului pentru examinări tridimensionale” având numărul a 2019 00641 / 10.10. 2019, cu rolul de reducere a artefactelor de mișcare prin imobilizarea mecanica a zonei examinate.
11. 11. Metoda de scanare ultrasonografică 3D (Tomografie Chifor cu Ultrasunete) caracterizată prin aceea că fixarea zonei examinate se realizează prin utilizarea unei gutiere individuală revendicarea 5 și 6, montata intr-un al doilea braț articulat de măsură in coordonate utilizat ca sistem de determinare a poziției spațiale a gutierei imobil fața de brațul articulat de măsură in coordonate utilizat pentru determinarea poziției spațiale a transductorului ecografului in timpul efectuării scanărilor ultrasonografice.
12. 12. Metoda de scanare ultrasonografică 3D (Tomografie Chifor cu Ultrasunete) caracterizată prin aceea că fixarea zonei examinate se realizează prin utilizarea unei gutiere individuală revendicarea 5 și 6, la nivelul căreia se montează un suport cu ținte ale sistemului optic de măsură in coordonate utilizat pentru determinarea poziției spațiale a transductorului in timpul scanării 3D ultrasonografice.
13. 13. Procedeul de aliniere a modelelor 3D care au calculată originea absolută O conform revendicării 8 caracterizat prin aceea că raportându-se la aceeași origine absolută a voxelilor din fiecare model 3D se dă posibilitatea alinierii unor modele ultrasonografice realizate in urma unor examinări efectuate la momente diferite de timp și/sau cu modele 3D obținute prin utilizarea unor tehnologii imagistice precum radiografiile 3D cu raze X, rezonantă magnetică nucleară, scanările optice 3D sau orice altă tehnologie complementara imagistică tridimensională aplicată aceleași zone examinată a pacientului având gutiera din Revendicarea 5, aplicată in prealabil.