TW202036471A - 影像掃描與坐標系統對位方法及相關方法及系統 - Google Patents

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Abstract

一種將目標與坐標系統相關聯的方法，目標由支撐元件支撐，且目標以及支撐元件被容納在外罩內，此方法包括將對位元件與目標或支撐元件接合、使用光學掃描器進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像，三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統，對位元件與坐標系統相關聯，以及在三維表面影像中將目標與對位元件相關聯，以利用坐標系統來對位目標。也提供了相關的方法以及系統。

Description

影像掃描與坐標系統對位方法及相關方法及系統
本揭露內容與造影程序有關，且更特別地，與用於以坐標系統對位(register)影像掃描的方法以及系統有關，以允許在例如手術機器人之類的機器人的引導中實施的影像掃描。
外科手術前的造影（特別在手術空間中，且更特別在牙科手術空間中），可牽涉數個不同的過程。例如，一個外科手術前的造影過程牽涉了事前的計劃，但也需要病人經歷兩次CT影像掃描。第一次CT影像掃描通常在排定的手術前幾週進行，且所產生的病人影像用於程序的計劃（即，與第一次CT影像掃描有關並使用第一次CT影像掃描的手術程序的計劃）。第二次CT的影像掃描則是在手術程序當天以第二次CT影像掃描期間在病人身上放置的基準標記（或陣列或基準珠）進行。然後例如，基於來自兩個影像掃描的影像之間的造影的特徵（例如，解剖結構特徵）的比對，將來自第二次CT影像掃描的影像（包括影像中的基準標記/陣列）與來自第一次CT影像掃描的影像匹配/對位。然後將與來自第一次CT影像掃描的影像有關的手術程序的事先計劃匯入以與來自第二次CT影像掃描的影像相關聯。來自第二次CT影像掃描的影像也包括其中的基準標記（或陣列）。由此，一旦在兩個影像之間理論上對準了造影的特徵（例如，解剖結構特徵），使得兩個CT影像掃描對位，對病人的手術程序的事先計劃及/或病人的造影的特徵（例如，解剖結構特徵）的位置也將與附接至病人的基準標記（或陣列）對位，且將因此被轉譯成病人坐標空間。
然而，這樣的程序可能容易不準確。例如，如果病人的解剖結構在第一次以及第二次CT影像掃描之間改變或位移，可能難以對準兩個影像之間的造影特徵及/或基準標記，可能最後在相對於實際病人坐標空間中的解剖結構的近似處進行對位。因此，存有簡化程序的需要，以用於為手術程序產生用於最小化所需CT掃描次數的基於影像的計劃。此外，存有最小化在計劃階段以及手術程序階段之間改變病人解剖結構的風險的這種程序的需要。此外，存有在實際病人坐標空間中可靠且一致地對位病人解剖結構（造影的特徵）的影像以及基準標記的這種程序的需要，使得可以更高的精密度執行手術計劃。
藉由本揭露內容的多方面來達成上述以及其他需要，在一方面中，本揭露內容提供將目標與坐標系統相關聯的方法，目標由支撐元件支撐，且目標以及支撐元件被容納在外罩內。這樣的方法包括將對位元件與目標或支撐元件接合；使用光學掃描器進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像，三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統，對位元件與坐標系統相關聯；以及使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，而以坐標系統對位目標。
另一方面提供了一種與在坐標系統中的目標有關的控制機器人的方法，目標由支撐元件支撐，且目標以及支撐元件被容納在外罩內。這樣的方法包括將對位元件與目標或支撐元件接合；使用光學掃描器進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像，三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統，對位元件與坐標系統相關聯；計劃在目標上的程序；使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，而以坐標系統對位目標；以及引導機器人以關於以坐標系統進行的目標的對位在目標上執行程序計劃。
在一些方面中，在接合對位元件與目標或支撐元件之前，進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描，以形成放射線攝影影像。然後影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以關於對位元件形成目標的關聯影像。然後將目標與對位元件在關聯影像中相關聯，而以坐標系統對位目標。
另一方面提供了一種使目標與坐標系統相關聯的系統，目標由支撐元件支撐，且目標以及支撐元件被容納在外罩內。這樣的系統包括適於與目標或支撐元件接合的對位元件；被配置用以進行目標以及對位元件的光學表面掃描並用以形成目標的三維表面影像的光學掃描器，其中對位元件與坐標系統相關聯，且三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統；以及具有處理器並與光學掃描器通訊的控制器，其中控制器被配置以使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
更另一方面提供了一種用於關於在坐標系統中的目標引導機器人的系統，目標由支撐元件支撐，且目標以及支撐元件被容納在外罩內。這樣的系統包括適於與目標或支撐元件接合的對位元件；被配置用以進行目標以及對位元件的光學表面掃描並用以形成目標的三維表面影像的光學掃描器，其中對位元件與坐標系統相關聯，且三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統；以及具有處理器並與光學掃描器通訊的控制器，其中控制器被配置用以允許形成在目標上的程序計劃，以使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位，並關於以坐標系統進行的目標的對位來引導機器人，以在目標上執行程序計劃。
在一些方面中，電腦斷層掃瞄裝置被配置以進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描，以在對位元件與目標或支撐元件接合之前形成放射線攝影影像，其中控制器被配置以與電腦斷層掃瞄裝置通訊，以影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以關於對位元件形成目標的關聯影像，以及以使目標與對位元件在關聯影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。 本揭露內容因此包括下述實施方式而無限制：
範例實施方式 1 ： 一種使目標與坐標系統相關的方法，目標由支撐元件支撐，目標以及支撐元件被容納在外罩內，此方法包括將對位元件與目標或支撐元件接合；使用光學掃描器進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像，三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統，對位元件與坐標系統相關聯；以及使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 2 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，包括進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描，以在接合對位元件與目標或支撐元件之前形成放射線攝影影像；影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以關於對位元件形成目標的關聯影像；以及使目標與對位元件在關聯影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 3 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中影像匹配放射線攝影影像與三維表面影像包括影像匹配由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像。
範例實施方式 4 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中對位元件並非不透射線的。
範例實施方式 5 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中光學掃描器可操作地與以坐標系統對位的機器人追蹤臂的遠端接合。
範例實施方式 6 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中對位元件被配置為與坐標系統有一已知關係。
範例實施方式 7 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中接合對位元件與目標或支撐元件包括接合對位元件與參考框架；以及接合參考框架與目標或支撐元件。
範例實施方式 8 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，包括在使目標與對位元件在目標的三維表面影像中相關聯之前，關於目標的三維表面影像計劃在目標上的程序。
範例實施方式 9 ： 一種關於在坐標系統中的目標來控制機器人的方法，目標由支撐元件支撐，目標以及支撐元件被容納在外罩內，此方法包括接合對位元件與目標或支撐元件；使用光學掃描器進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像，三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統，對位元件與坐標系統相關聯；計劃在目標上的程序；在三維表面影像中使目標與對位元件相關聯，以使目標以坐標系統對位；以及關於以坐標系統進行的目標地對位引導機器人在目標上執行程序的計劃。
範例實施方式 10 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，包括在接合對位元件與目標或支撐元件之前，進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描，以形成放射線攝影影像；影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以形成關於對位元件的目標的關聯影像；以及使目標與對位元件在關聯影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 11 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中影像匹配放射線攝影影像與三維表面影像包括影像匹配由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像。
範例實施方式 12 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中計劃在目標上的程序包括關於目標的三維表面影像、目標的放射線攝影影像或包括三維表面影像以及放射線攝影影像的目標的關聯影像計劃在目標上的程序。
範例實施方式 13 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中對位元件並非不透射線的。
範例實施方式 14 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中光學掃描器可操作地與以坐標系統對位的機器人追蹤臂的遠端接合並被配置以與機器人通訊。
範例實施方式 15 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中對位元件被配置以與坐標系統有一已知關係。
範例實施方式 16 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中接合對位元件與目標或支撐元件包括接合對位元件與參考框架；以及接合參考框架與目標或支撐元件。
範例實施方式 17 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的方法，其中計劃在目標上的程序包括在使目標與對位元件在其關聯影像中相關聯之前計劃在目標上的程序。
範例實施方式 18 ： 一種用於使目標與坐標系統相關聯的系統，目標由支撐元件支撐，目標以及支撐元件被容納在外罩內，此系統包括適於與目標或支撐元件接合的對位元件；被配置用以進行目標以及對位元件的光學表面掃描並用以形成目標的三維表面影像的光學掃描器，對位元件與坐標系統相關聯，且三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統；以及具有處理器並與光學掃描器通訊的控制器，控制器被配置以在三維表面影像中將目標與對位元件相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 19 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，包括在對位元件與目標或支撐元件接合之前，被配置用以進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描以形成放射線攝影影像的電腦斷層掃瞄裝置，其中控制器被配置以與電腦斷層掃瞄裝置通訊，以影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以關於對位元件形成目標的關聯影像，以及以使目標與對位元件在關聯影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 20 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以影像匹配由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像。
範例實施方式 21 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中對位元件並非不透射線的。
範例實施方式 22 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中光學掃描器可操作地與以坐標系統對位的機器人追蹤臂的遠端接合並被配置以與控制器通訊。
範例實施方式 23 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中對位元件被配置為與坐標系統有一已知關係。
範例實施方式 24 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，包括參考框架，該參考框架具有與參考框架接合的對位元件，參考框架與目標或支撐元件接合。
範例實施方式 25 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以在目標與對位元件在目標的三維表面影像中相關聯之前，允許關於目標的三維表面影像在目標上程序計劃的形成。
範例實施方式 26 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以關於坐標系統來追蹤機器人追蹤臂以及可操作地與機器人追蹤臂的遠端接合的光學掃描器的位置。
範例實施方式 27 ： 一種用於關於目標來引導機器人的系統，目標由支撐元件支撐，目標以及支撐元件被容納在外罩內，此方法包括適於與目標或支撐元件接合的對位元件；配置用以進行目標以及對位元件的光學表面掃描並用以形成目標的三維表面影像的光學掃描器，對位元件與坐標系統相關聯，且三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統；以及具有處理器並與光學掃描器通訊的控制器，控制器被配置以允許在目標上程序計劃的形成，以使目標與對位元件在三維表面影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位，並引導機器人關於以坐標系統進行的目標的對位而在目標上執行程序的計劃。
範例實施方式 28 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，包括被配置以進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描的電腦斷層掃瞄裝置，以在對位元件與目標或支撐元件接合之前形成放射線攝影影像，其中控制器被配置以與電腦斷層掃瞄裝置通訊，以影像匹配目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像，以關於對位元件形成目標的關聯影像，以及以使目標與對位元件在關聯影像中相關聯，以使目標以坐標系統對位。
範例實施方式 29 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以影像匹配由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像。
範例實施方式 30 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以允許關於目標的三維表面影像、目標的放射線攝影影像或包括三維表面影像以及放射線攝影影像的目標的關聯影像的目標上程序計劃的形成。
範例實施方式 31 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中對位元件並非不透射線的。
範例實施方式 32 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中光學掃描器可操作地與以坐標系統對位的機器人追蹤臂的遠端接合，並被配置以與控制器以及機器人通訊。
範例實施方式 33 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中對位元件被配置為與坐標系統有一已知關係。
範例實施方式 34 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，包括具有對位元件的參考框架，對位元件與該參考框架接合，參考框架與目標或支撐元件接合。
範例實施方式 35 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以允許在目標與對位元件在目標的關聯影像中相關聯之前關於目標的三維表面影像形成在目標上的程序計劃。
範例實施方式 36 ： 任何前述實施方式、或前述實施方式的任何組合的系統，其中控制器被配置以關於坐標系統來追蹤機器人追蹤臂以及可操作地與機器人追蹤臂的遠端接合的光學掃描器的位置。
從閱讀下述詳細的描述以及附圖，本揭露內容的這些以及其他的範例實施方式、特徵、方面以及優勢將顯而易見，其簡述如下。本揭露內容包括此揭露內容中所提或在任一或更多的請求項中所列舉的二個、三個、四個、或更多特徵或元件的任何組合，無論這樣的特徵或元件是否在本文中的特定實施方式描述或申請專利範圍中被明確地組合或以其他方式列舉。此揭露內容旨在整體地理解，以至於本揭露內容在其任何方面以及實施方式中的任何分開的特徵或元件應被視為意欲為可組合的，除非本揭露內容的上下文清楚地另外指出。
因此，根據本揭露內容多方面的方法提供了如本文中進一步描述的這些以及其他的優勢。在口腔內掃描中，在掃描中成像的基準標記陣列用於將光學三維表面掃描與患者和/或特徵（例如，解剖特徵）的位置配準。重要的是，這些優勢包括降低或消除第二次放射線攝影掃描作為機器人手術程序的術前過程的一部分的需要。也就是，藉由取得關注特徵的光學三維表面掃描（例如，口腔內掃描）以及在口腔內掃描中包括基準標記陣列（例如，裝設在夾板上，夾板與病人接合），在掃描中的被造影基準標記陣列被用於將光學三維表面掃描與病人及/或特徵（例如，解剖結構特徵）的位置對位。一旦光學三維表面掃描被以坐標系統(坐標系統與和病人接合的基準標記陣列相關聯)對位，來自口腔內掃描的影像特徵（例如，解剖結構的三維表面影像）可與來自原本/第一次CT掃描的影像特徵（例如，解剖結構的放射線攝影影像）對位。可參照病人及/或病人解剖結構特徵的位置（例如，在與基準標記陣列有關的坐標系統內）應用發展自原本/第一次CT掃描的程序計劃以及與其相關的其他資訊。
在進一步的方面中，光學三維表面掃描（例如，口腔內掃描）可排除兩次第一次以及第二次的CT掃描的需要。例如，在一些情況中，外科醫師可能不需要CT（例如，解剖結構特徵的放射線攝影造影）以完成意欲的程序。這可應用至例如牙科植體之外的機器人程序，以及延伸至例如牙齒準備程序，牙齒準備程序牽涉鑽孔或研磨牙齒表面（例如，以去除牙齒的蛀蝕區域）以及準備用於於其上接受牙冠（例如，假牙）的牙齒剩餘部分。在這樣的例子中，單獨的口腔內掃描對於計劃程序的目的是足夠的，且包括在口腔內掃描中的基準標記陣列可用以對位口腔內掃描與病人及/或病人特徵的位置（例如，在與基準標記陣列相關聯的坐標系統內），並用以實施機器人引導。
現在將在下文參照本揭露內容的示範性實施方式更完整地描述本揭露內容。描述了這些示範性實施方式以至於此揭露內容將為詳盡且完整的，並將本揭露內容的範圍完全地傳達至本領域的技術人員。確實，本揭露內容是以許多不同的形式來體現，且不應被解讀為限於本文中所提出的實施方式；相反地，提供了這些實施方式以至於此揭露內容將滿足適用的法律要求。在本文中更詳細地描述了前述本揭露內容的各方面以及本揭露內容的許多其他方面。
本揭露內容的多方面，如所示，例如，在圖1至圖4中，牽涉了用於將目標200與坐標系統300相關聯以及在坐標系統300中關於目標200而控制機器人800的系統100，其中目標200是由支撐元件220支撐，且其中目標200以及支撐元件220被容納在外罩240內。在一個範例中，目標200可包括牙齒，支撐元件220可包括相對應的顎及/或牙齦，以及外罩240可包括病人的嘴巴或顎面結構。在一個特定方面中，這樣的系統100包括適於與目標200或支撐元件220接合的對位元件170（見，例如，圖2）。光學掃描器400被配置用以進行目標200（見，例如，圖3以及圖4）以及對位元件170的光學表面掃描，並用以形成目標200的三維表面影像（見，例如，圖6，右側影像）。光學掃描器400被配置為手持且由操作者手動操控（見，例如，圖1），或可另外可操作地與機器人追蹤臂500的遠端520接合（見，例如，圖1A）。三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統300，且對位元件170與坐標系統300相關聯。適於與目標200或支撐元件220接合的對位元件170（見，例如，圖2）可包括例如被配置用以定義或已知地與坐標系統300相關的一或更多個基準標記175。更特別地，在一些例子中，一或更多個基準標記175可被配置為使得至少一或更多個基準標記175的位置以及方位是已知的、或可關於坐標系統300立即決定、或以坐標系統300對位。控制器190具有處理器，且被配置用以與光學掃描器400通訊，且在一些例子中與機器人追蹤臂500通訊。控制器190進一步被配置用以在三維表面影像中將目標200與對位元件170相關聯，以將目標200以坐標系統300對位。也就是，由於對位元件170具有一或更多個它們本身在坐標系統300中定義了已知位置/方位或參考或對位的基準標記175，包括對位元件170的目標200/支撐元件220的光學表面掃描允許目標200基於三維表面影像在空間上與對位元件170相關聯。當目標200關於對位元件170以及關於坐標系統300的空間關聯為已知時，目標200因此關於對位元件170變成在坐標空間300被對位。
在一些例子中，系統100可進一步包括電腦斷層掃瞄裝置700（見，例如，圖5），電腦斷層掃瞄裝置700被配置用以在對位元件170與目標200或支撐元件220接合之前進行外罩240以及容納於該外罩中的目標200以及支撐元件220的放射線攝影掃描，以形成其放射線攝影影像（見，例如，圖6，左側影像）。在這樣的例子中，控制器190被配置用以與電腦斷層掃瞄裝置700通訊，以接收影像資料，從其表現出放射線攝影掃描/放射線攝影影像。在接收影像資料之後，控制器190進一步被配置用以影像匹配目標200的放射線攝影影像與目標200的三維表面影像（見，例如，圖6），以形成目標200關於對位元件170的關聯影像。一旦將放射線攝影影像以及三維表面影像相關聯，控制器190被配置用以在關聯影像中將目標200與對位元件170相關聯，以將目標200以坐標系統300對位。
控制器190被配置用以在將目標200在其三維表面影像中與對位元件170相關聯之前允許在目標200上關於其三維表面影像而形成程序計劃。如果光學掃描器400與機器人追蹤臂500接合，控制器190可進一步被配置用以關於坐標系統300來追蹤機器人追蹤臂500以及可操作地與其遠端520接合的光學掃描器400的位置。在任一例子中，如在來自光學表面掃描的三維表面影像中關於與對位元件170相關聯的坐標系統300所決定，一旦將目標200與對位元件170相關聯，可之後使用關於三維表面掃描所決定以及發展出的程序計劃，以引導例如手術機器人之類的機器人800（機器人800具有與其接合（且可操作地與和附接至病人的對位元件170通訊的機器人追蹤臂500接合）的手術器械820），以關於以坐標系統300進行的目標200的對位在目標200上由手術器械820執行程序的計劃。
在本揭露內容的一方面中，將目標200與坐標系統300相關聯的方法牽涉了其中目標200由支撐元件220支撐、且其中目標200以及支撐元件220被容納在外罩240內的配置。在一個範例中，這樣配置可包括牙齒作為目標，相對應的顎及/或牙齦作為支撐元件，以及嘴巴或顎面結構作為外罩。此方法可因此包括將對位元件170與目標或支撐元件（圖7，區塊900）接合。在一些例子中，如本文中所揭露，對位元件170被設置在坐標系統300中或關於坐標系統300以其他的方式另外存在。在外罩內，然後使用光學掃描器400（在一些例子中，光學掃描器400可為手持且為手動操控，或光學掃描器400可為可操作地與機器人追蹤臂500的遠端520接合）進行目標以及對位元件的光學表面掃描，以形成目標的三維表面影像關於對位元件170（圖7，區塊920）。由光學掃描器400進行的光學表面掃描將目標以及對位元件170的影像以三維表面影像的形式數位化，然後將目標的三維表面影像與對位元件相關聯，然後將目標以坐標系統對位（例如，將來自影像坐標空間（影像內部的坐標空間）的影像轉譯成病人坐標空間（關於病人或對位元件170的坐標空間））（圖7，區塊940）。
本揭露內容的另一方面針對在坐標系統300中關於目標200控制機器人800的方法，其中這樣的方法牽涉了具有由支撐元件220支撐的目標200以及目標200以及支撐元件220兩者被容納在外罩240內的配置。在一個範例中，這樣的配置可包括牙齒作為目標，相對應的顎及/或牙齦作為支撐元件，以及嘴巴或顎面結構作為外罩。此方法可因此包括將對位元件170接合目標200或支撐元件220（圖8，區塊1000）接合，然後使用光學掃描器400進行目標以及對位元件的光學表面掃描（在一些例子中，光學掃描器400可為手持且手動操控，或光學掃描器400可為可操作地與機器人追蹤臂500的遠端520接合），以形成目標的三維表面影像，其中三維表面影像具有與其相關聯的坐標系統300，以及其中對位元件170與坐標系統300相關聯（圖8，區塊1020）。在三維表面影像中使目標與對位元件相關聯之前，例如，從三維表面影像形成在目標上的程序計劃（圖8，區塊1040），以將目標以坐標系統對位（例如，將來自影像坐標空間的影像（影像內的坐標空間）轉譯成病人坐標空間（關於病人或對位元件170的坐標空間））（圖8，區塊1060）。然後可引導具有與其接合的手術器械820的機器人800以關於以坐標系統300對位的目標200的對於，在目標200上在由手術器械820執行程序的計劃（圖8，區塊1080）。
在一些方面中，特別地關於上述本文中所揭露的兩個方法方面，在對位元件與目標或支撐元件接合之前，可進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描，以形成外罩、目標以及支撐元件的放射線攝影影像，（圖7，區塊960，圖8，區塊1100）。然後將目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像影像匹配，以形成關於對位元件的目標關聯影像（圖7，區塊970，圖8，區塊1120）。然後在關聯影像中將目標與對位元件相關聯，以將目標以坐標系統對位（例如，將來自影像坐標空間的關聯影像（關聯影像內部的坐標空間）轉譯成病人坐標空間（關於病人或對位元件170的坐標空間））（圖7，區塊980，圖8，區塊1140）。
在一些方面中，影像匹配放射線攝影影像與三維表面影像可牽涉了影像匹配由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像。以此方式，然後可基於並考慮光學表面掃描的三維表面影像（例如，示出例如，與牙齒有關的牙齦以及軟組織的口腔內掃描）以及放射線攝影掃描的三維結構圖中所見之所關注的特徵解剖結構（例如，示出例如，神經、牙根、下顎骨及/或相關結構的電腦斷層掃瞄（CT）掃描）中所見的兩個審美方面的程序來形成用於程序的計劃。
在一些例子中，由於對位元件與光學表面掃描相關聯，對位元件不需要為不透射線的，但如果需要或想要的話可為不透射線的。在其他的例子中，在參考框架與目標或支撐元件接合之前，對位元件170可包括，例如，與參考框架（例如，夾板）接合的一或更多個基準標記，基準珠，等等。例如，可藉由設置在其之間的適合黏著劑（例如，環氧化物）來完成目標（例如，牙齒）或支撐元件（例如，牙齦或顎）與參考框架（例如，夾板）的接合。在其他的例子中，例如，在無齒的病人中，可將植體錨植入在下顎骨中，且可藉由可移除的固定器將參考框架（例如，夾板）牢固地附接於此。
仍在其他的例子中，可已知地關於坐標系統來配置/設置對位元件。例如，可將光學表面掃描裝置（例如，口腔內掃描裝置、口腔內掃描器、或任何其他適合的光或光學基礎三維表面掃描器/數化器）可操作地與機器人追蹤臂的遠端接合。接著，可由與機器人追蹤臂通訊的控制器來追蹤機器人追蹤臂，且機器人追蹤臂的已知或追蹤位置可包括其遠端。由於在這樣的例子中，口腔內掃描器與機器人追蹤臂的遠端接合，口腔內掃描器的造影部分的位置也可被控制器得知。機器人追蹤臂以及與機器人追蹤臂的遠端接合的口腔內掃描器的已知位置允許控制器將坐標系統與機器人追蹤臂以及口腔內掃描器的位置相關聯。此外，口腔內掃描器可被設置並被配置，以至於對位元件（及/或例如，與其接合的一或更多個基準標記）的數位化影像包括或指出口腔內掃描器以及被造影目標之間的範圍關係（例如，口腔內掃描器的成像器以及被造影表面上的一點之間的距離）。有了這樣的範圍關係，在由與機器人追蹤臂的遠端接合的口腔內掃描器造影之後，對位元件與坐標系統的關係對於控制器為已知的。
在其他的例子中，除了口腔內掃描器以及對位元件之間的關係之外，或代替口腔內掃描器以及對位元件之間的關係，對位元件與坐標系統的關係可為已知或可以不同的方式決定。例如，可在對位元件以及口腔內掃描器及/或機器人追蹤臂之間的通訊之間提供傳輸器-偵測器配置。在其他的例子中，如適當的，可實施收發器-收發器配置、收發器-反射器配置、收發器-接收器配置、或感測器配置，以至於對位元件與口腔內掃描器/機器人追蹤臂通訊並關於口腔內掃描器/機器人追蹤臂在已知位置，且因此以關於坐標系統的已知關係來配置。
一旦完成光學表面掃描，在目標的三維表面影像中將目標與對位元件相關聯之前或之後，可關於目標的三維表面影像來計劃在目標上的程序。在一些特定方面中，在目標的三維表面影像中將目標與對位元件相關聯之前，關於目標的三維表面影像來計劃目標上的程序，以使目標以及所計劃的程序以坐標系統對位。在計劃機器人手術程序的例子中，可藉由控制器來引導機器人（或用於執行手術程序的機器人手臂支撐手術工具），以關於以坐標系統進行的目標的對位使用手術工具來執行在目標上的程序計劃。例如，在其中所計劃的程序是在目標本身上（例如，牙齒）或另外牽涉了與目標有關或相關聯的表面特徵的例子中，基於光學表面掃描的這樣的程序計劃以及機器人引導可為有利的。在一個例子中，這樣的程序可牽涉了為了接受牙冠而準備來研磨目標（牙齒）。
在其中在光學表面掃描之前也進行放射線攝影掃描（例如，電腦斷層掃瞄（CT）掃描）的例子中，例如，使用藉由接收放射線攝影掃描以及光學表面掃描兩者的資料的控制器或其他適合電腦裝置來實施影像匹配程序，可將放射線攝影影像與三維表面影像相關聯。也就是，在一些方面中，由放射線攝影掃描提供的目標以及支撐元件的三維結構圖可與由光學表面掃描提供的目標、支撐元件以及對位元件的三維表面影像進行影像匹配（例如，基於兩個影像共同的解剖結構特徵）以形成關聯影像。一旦形成關聯影像，可在關聯影像中將目標與對位元件相關聯，以使目標以坐標系統對位。取決於程序的本質（例如，程序是否執行在表面下的解剖結構特徵/結構上、在表面特徵上、或兩者）、可關於來自光學表面掃描的其三維表面影像、來自放射線攝影掃描的其放射線攝影影像、或來自包括三維表面影像以及放射線攝影影像的其關聯影像來計劃在目標上的程序。以此方式，也可在其關聯影像中將目標與對位元件相關聯之前來計劃在目標上的程序。
所揭露的方法以及系統因此降低或消除了第二次放射線攝影掃描（例如，CT掃描）作為部分機器人手術程序的術前過程的需要，且藉由移除此第二次放射線攝影掃描來降低病人的X光曝露可為有利的。藉由取得關注特徵的光學三維表面掃描（例如，口腔內掃描）以及包括口腔內掃描中的基準標記陣列（例如，裝設在夾板上，夾板與病人接合），掃描中的被造影基準標記陣列用以對位光學三維表面掃描與病人及/或特徵（例如，解剖結構特徵）的位置。一旦光學三維表面掃描被以坐標系統(坐標系統與和病人接合之基準標記陣列相關聯)對位，來自口腔內掃描的影像特徵（例如，解剖結構的三維表面影像）可與來自原本/第一次CT掃描的影像特徵（例如，解剖結構的放射線攝影影像）對位。基於由口腔內掃描提供的坐標系統的關係，可參照病人及/或病人解剖結構特徵的位置（例如，在與基準標記陣列相關聯的坐標系統內）來應用發展自原本/第一次CT掃描的程序計劃以及其他與其相關聯的資訊。
在進一步的方面中，光學三維表面掃描（例如，口腔內掃描）可排除第一次以及第二次的CT掃描兩者的需要。例如，在一些例子中，外科醫師可能不需要CT掃描（例如，解剖結構特徵的放射線攝影造影）以完成意欲的程序。這可應用於例如牙科植體之外的機器人程序，以及延伸至例如牙齒準備程序，牙齒準備程序牽涉鑽孔或研磨牙齒表面（例如，以去除牙齒的蛀蝕區域）以及準備用於於其上接收牙冠（例如，假牙）的牙齒剩餘部分。在這樣的例子中，單獨的口腔內掃描對於計劃程序的目的是足夠的，且包括在口腔內掃描中的基準標記陣列可用以將口腔內掃描與病人及/或病人特徵的位置（例如，在與基準標記陣列相關聯的坐標系統內）對位。
使用例如，口腔內掃描器的光學表面掃描的實施允許了嘴巴（或其中的牙齒）以及基準標記在手術時病人失去意識的期間被掃描以及造影，而在基準標記就緒的CT掃描期間，病人常常必須是清醒且有意識的。可藉由匹配影像之間的解剖幾何學或特徵，可將來自口腔內掃描的影像（具有就緒的基準標記）與來自之前CT掃描的影像（不具有就緒的基準標記）相關聯。由於由口腔內掃描器擷取的影像已與基準標記相關，並因此經由與基準標記、包括目標以及基準標記的口腔內掃描/影像（以及如果實施的CT掃描/影像）的交互作用而整合至病人坐標空間並以病人坐標空間對位，因此可立即地與以病人坐標空間參考進行對位的機械追蹤（機器人）手臂相關，並因此可立即地整合至機器人系統整體，以在程序中引導機器人。
此揭露內容所屬領域的技術人員將想到本文中提及之揭露內容的許多修飾以及其他方面具有前述描述以及相關圖式中所呈現之教導的益處。因此，要了解的是，本揭露內容不限於所揭露的特定方面與那些修飾以及意欲被包括在所附申請專利範圍內的其他方面。雖然在本文中使用了特定的用語，它們僅是以統稱以及描述的概念來使用，且非為了限制的目的。
應了解的是，雖然用語「第一」、「第二」等等可在本文中用以描述各種步驟或盤算，這些步驟或盤算不應受這些用語的限制。這些用語僅用以將一個操作或盤算與另一個操作或盤算區別。例如，可將第一盤算稱為第二盤算，且類似地，可將第二步驟稱為第一步驟，而不悖離此揭露內容的範圍。如本文中所使用的，用語「及/或」以及「/」符號包括一或更多個相關所列用語的任何以及所有組合。
如本文中所使用的，除非上下文另外清楚地指出，單數形式「一（a）」、「一（an）」以及「該」也意欲包括複數形式。將進一步了解的是，當在本文中使用時，用語「包括（comprises）」、「包括（comprising）」、「包括（includes）」、及/或「包括（including）」具體指出了所稱特徵、整數、步驟、操作、元件及/或部件的存在，但不排除一或更多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件及/或其群組的存在或添加。因此，本文中使用的術語是僅為了描述特定實施方式的目的，且不意欲為限制性。
100:系統 170:對位元件 175:基準標記 190:控制器 200:目標 220:支撐元件 240:外罩 300:坐標系統 400:光學掃描器 500:機器人追蹤臂 520:遠端 700:電腦斷層掃瞄裝置 800:機器人 820:手術器械 900、920、940、960、970、1000、1020、1040、1060、1080、1100、1120、1140:區塊
在因此概述的該揭露內容之下，現在將參照不一定按比例繪示的附圖，且其中： 根據本揭露內容的一方面，圖 1 示意性地示例了配置用以進行目標的光學表面掃描的光學掃描器，其中在用於使目標與坐標系統相關以及用於關於在坐標系統中的目標而控制機器人的系統中，目標可被容納在包括病人嘴巴或顎面結構的外罩內； 根據本揭露內容的一方面，圖 1A 示意性地示例了配置用以進行目標的光學表面掃描的光學掃描器，其中在用於使目標與坐標系統相關以及用於關於在坐標系統中的目標而控制機器人的系統中，目標可被容納在包括病人嘴巴或顎面結構的外罩內；根據本揭露內容的一方面，圖 2 示意性地示例了由支撐元件支撐的目標，其中目標包括牙齒，且支撐元件包括相對應的顎及/或牙齦，且其中對位元件適於與目標或支撐元件接合； 根據本揭露內容的一方面，圖 3 以及圖 4 示意性地示例了配置用以進行目標的光學表面掃描的光學掃描器，其中目標可被容納在包括病人嘴巴或顎面結構的外罩內； 根據本揭露內容的一方面，圖 5 示意性地示例了配置用以進行外罩以及容納於該外罩中的目標與支撐元件的放射線攝影掃描以形成其放射線攝影影像的電腦斷層掃瞄裝置； 根據本揭露內容的一方面，圖 6 示意性地示例了將目標的放射線攝影影像與目標的三維表面影像影像匹配； 根據本揭露內容的一方面，圖 7 示意性地示例了將目標與坐標系統相關聯的方法；以及 根據本揭露內容的一方面，圖 8 示意性地示例了關於在坐標系統中的目標而控制機器人的方法。
900、920、940、960、970:區塊

Claims (36)

  1. 一種使一目標與一坐標系統相關的方法，該目標由一支撐元件支撐，該目標以及該支撐元件被容納在一外罩內，該方法包括： 接合一對位元件與該目標或該支撐元件； 使用一光學掃描器，進行該目標以及該對位元件的一光學表面掃描，以形成該目標的一三維表面影像，該三維表面影像具有與其相關聯的該坐標系統，該對位元件與該坐標系統相關聯；以及 在該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  2. 如請求項1所述之方法，包括： 在接合該對位元件與該目標或該支撐元件之前，進行該外罩以及容納於該外罩中的該目標與該支撐元件的一放射線攝影掃描，以形成一放射線攝影影像； 影像匹配該目標的該放射線攝影影像與該目標的該三維表面影像，以關於該對位元件形成該目標的一關聯影像；以及 在該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  3. 如請求項2所述之方法，其中影像匹配該放射線攝影影像與該三維表面影像包括影像匹配由該放射線攝影掃描提供的該目標以及該支撐元件的一三維結構圖與由該光學表面掃描提供的該目標、該支撐元件以及該對位元件的該三維表面影像。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該對位元件並非不透射線的。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該光學掃描器可操作地與以該坐標系統對位的一機器人追蹤臂的一遠端接合。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該對位元件被配置為與該坐標系統有一已知關係。
  7. 如請求項1所述之方法，其中接合該對位元件與該目標或該支撐元件包括： 接合該對位元件與一參考框架；以及 接合該參考框架與該目標或該支撐元件。
  8. 如請求項1所述之方法，包括在該目標的該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯之前關於該目標的該三維表面影像計劃該目標上的一程序。
  9. 一種關於在一坐標系統中的一目標而控制一機器人的方法，該目標由一支撐元件支撐，該目標以及該支撐元件被容納在一外罩內，該方法包括： 接合一對位元件與該目標或該支撐元件； 使用一光學掃描器，進行該目標以及該對位元件的一光學表面掃描，以形成該目標的一三維表面影像，該三維表面影像具有與其相關聯的該坐標系統，該對位元件與該坐標系統相關聯； 計劃該目標上的一程序； 在該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位；以及 引導一機器人以關於該目標以該坐標系統進行的該對位在該目標上執行該程序的該計劃。
  10. 如請求項9所述之方法，包括： 在接合該對位元件與該目標或該支撐元件之前，進行該外罩以及容納於該外罩中的該目標與該支撐元件的一放射線攝影掃描，以形成一放射線攝影影像； 影像匹配該目標的該放射線攝影影像與該目標的該三維表面影像，以關於該對位元件形成該目標的一關聯影像；以及 在該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  11. 如請求項10所述之方法，其中影像匹配該放射線攝影影像與該三維表面影像包括影像匹配由該放射線攝影掃描提供的該目標以及該支撐元件的一三維結構圖與由該光學表面掃描提供的該目標、該支撐元件以及該對位元件的該三維表面影像。
  12. 如請求項10所述之方法，其中計劃該目標上的該程序包括關於該目標的該三維表面影像、該目標的該放射線攝影影像、或包括該三維表面影像以及該放射線攝影影像的該目標的該關聯影像計劃該目標上的該程序。
  13. 如請求項9所述之方法，其中該對位元件並非不透射線的。
  14. 如請求項9所述之方法，其中該光學掃描器可操作地與以該坐標系統對位的一機器人追蹤臂的一遠端接合，並被配置以與該機器人通訊。
  15. 如請求項9所述之方法，其中該對位元件被配置為與該坐標系統有一已知關係。
  16. 如請求項9所述之方法，其中接合該對位元件與該目標或該支撐元件包括： 接合該對位元件與一參考框架；以及 接合該參考框架與該目標或該支撐元件。
  17. 如請求項10所述之方法，其中計劃該目標上的一程序包括在該目標的該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯之前計劃該目標上的一程序。
  18. 一種用於使一目標與一坐標系統相關聯的系統，該目標由一支撐元件支撐，該目標以及該支撐元件被容納在一外罩內，該系統包括： 一對位元件，適於與該目標或該支撐元件接合； 一光學掃描器，被配置用以進行該目標以及該對位元件的一光學表面掃描並用以形成該目標的一三維表面影像，該對位元件與該坐標系統相關聯，且該三維表面影像具有與其相關聯的該坐標系統；以及 一控制器，該控制器具有一處理器並與該光學掃描器通訊，該控制器被配置以在該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  19. 如請求項18所述之系統，包括一電腦斷層掃瞄裝置，該電腦斷層掃瞄裝置被配置以在將該對位元件與該目標或該支撐元件接合之前，進行該外罩以及容納於該外罩中的該目標與該支撐元件的一放射線攝影掃描，以形成一放射線攝影影像，其中該控制器被配置以與該電腦斷層掃瞄裝置通訊，以影像匹配該目標的該放射線攝影影像與該目標的該三維表面影像，以關於該對位元件形成該目標的一關聯影像，以及以在該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  20. 如請求項19所述之系統，其中該控制器被配置以影像匹配由該放射線攝影掃描提供的該目標以及該支撐元件的一三維結構圖與由該光學表面掃描提供的該目標、該支撐元件以及該對位元件的該三維表面影像。
  21. 如請求項18所述之系統，其中該對位元件並非不透射線的。
  22. 如請求項18所述之系統，其中該光學掃描器可操作地與以該坐標系統對位的一機器人追蹤臂的一遠端接合，且被配置以與該控制器通訊。
  23. 如請求項18所述之系統，其中該對位元件被配置為與該坐標系統有一已知關係。
  24. 如請求項18所述之系統，包括一參考框架，該參考框架具有與該參考框架接合的該對位元件，該參考框架與該目標或該支撐元件接合。
  25. 如請求項18所述之系統，其中該控制器被配置以允許在該目標的該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯之前關於該目標的該三維表面影像形成在該目標上的一程序的一計劃。
  26. 如請求項22所述之系統，其中該控制器被配置以關於該坐標系統來追蹤該機器人追蹤臂以及可操作地與該機器人追蹤臂的該遠端接合的該光學掃描器的一位置。
  27. 一種用於關於一目標引導一機器人的系統，該目標由一支撐元件支撐，該目標以及該支撐元件被容納在一外罩內，該系統包括： 一對位元件，適於與該目標或該支撐元件接合； 一光學掃描器，被配置用以進行該目標以及該對位元件的一光學表面掃描，並用以形成該目標的一三維表面影像，該對位元件與該坐標系統相關聯，且該三維表面影像具有與其相關聯的該坐標系統；以及 一控制器，具有一處理器並與該光學掃描器通訊，該控制器被配置以允許在形成該目標上的一程序的一計劃，以在該三維表面影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位，並引導一機器人以關於以該坐標系統進行的該目標之該對位在該目標上執行該程序的該計劃。
  28. 如請求項27所述之系統，包括一電腦斷層掃瞄裝置，被配置以在該對位元件與該目標或該支撐元件接合之前，進行該外罩以及容納於該外罩中的該目標與該支撐元件的一放射線攝影掃描，以形成一放射線攝影影像，其中該控制器被配置以與該電腦斷層掃瞄裝置通訊，以影像匹配該目標的該放射線攝影影像與該目標的該三維表面影像，以關於該對位元件形成該目標的一關聯影像，並在該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯，以使該目標以該坐標系統對位。
  29. 如請求項28所述之系統，其中該控制器被配置以影像匹配由該放射線攝影掃描提供的該目標以及該支撐元件的一三維結構圖與由該光學表面掃描提供的該目標、該支撐元件以及該對位元件的該三維表面影像。
  30. 如請求項28所述之系統，其中該控制器被配置以允許關於該目標的該三維表面影像、該目標的該放射線攝影影像、或包括該三維表面影像以及該放射線攝影影像的該目標的該關聯影像形成在該目標上的該程序的該計劃。
  31. 如請求項27所述之系統，其中該對位元件並非不透射線的。
  32. 如請求項27所述之系統，其中該光學掃描器可操作地與以該坐標系統對位的一機器人追蹤臂的一遠端接合，並被配置以與該控制器以及該機器人通訊。
  33. 如請求項27所述之系統，其中該對位元件被配置為與該坐標系統有一已知關係。
  34. 如請求項27所述之系統，包括一參考框架，該參考框架具有與該參考框架接合的該對位元件，該參考框架與該目標或該支撐元件接合。
  35. 如請求項28所述之系統，其中該控制器被配置以在該目標的該關聯影像中使該目標與該對位元件相關聯之前允許關於該目標的該三維表面影像形成在該目標上的一程序的一計劃。
  36. 如請求項27所述之系統，其中該控制器被配置以關於該坐標系統來追蹤該機器人追蹤臂以及可操作地與該機器人追蹤臂的該遠端接合的該光學掃描器的一位置。
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