图像导航系统的制作方法
【专利说明】图像导航系统
[0001]相关申请
[0002]本申请涉及2013年3月14日提交的第61/782，255号美国临时专利申请，并要求其优先权，在此以全文引用的方式将其公开的内容并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及用于便于图像导航手术的系统，更具体地，涉及用于口腔手术的改善的图像导航系统。
【背景技术】
[0004]多年来图像导航手术已经具有广泛的发展，并且目前是手术程序中非常重要的工具。大部分的改进是以体内极少到达的图像位置诸如内脏为中心。
[0005]口腔手术在本申请中限定为任何发生在口腔内的手术，其很难可视化进行。口腔相对较小，并且对病人来说很难长时间维持张口的状态。即使手术位置是可见的，一旦钻子刺入，在任何给定的时间内也很难确定钻子的顶端在哪儿。
[0006]图像导航手术涉及使用计算或计算机化轴向断层扫描，通常称为CT或CAT扫描，来创建手术位置(通常为三维)的数字图像。然后，外科医生利用该图像制定用于手术的计划。手术期间，将之前的CT扫描产生的图像与特定的仪器一起使用，以可视地描述仪器的顶端在病人体内的位置。
[0007]为了这么做，来自扫描的数字图像必须准确地配准到(registered)病人手术位置，使得病人的移动引起对数字图像的调整。必须知道仪器的顶端相对于病人的准确位置。
[0008]对于口腔手术，诸如在种植牙期间，医生必须将钻子钻进自由空间，同时控制钻子随着病人的潜在移动处于六自由度。这会使钻子精确地钻进好的骨，同时避免非常困难地钻进牙根和神经。因此，图像导航手术近年来被用于促进钻孔过程，为了计划手术事件以提供恢复方案，医生利用对病人牙齿的CT扫描精确地判断骨密度、宽度和高度，并且了解其他牙齿的关系以及解剖结构，该恢复方案可能是最成功的并且具有最小的创伤。
[0009]现有的计划软件和构造系统，其利用CT图像帮助将术前计划翻译成被动手术导航(passive surgical guide)，即创建用于手术的虚拟计划，然后在牙科实验室中预构造手术导航以实施该计划。这些被动手术导航帮助医生准确地指向正确的位置、角度和深度。被动图像导航手术具有局限性，他们必须在手术前在牙科实验室中或通过导航制造商预构造。这就需要有医生和病人的更多的时间和花费。如果病人的口腔有变化或者医生想要改变计划，那么该导航就不再有用了。很多情况下，病人不能将他们的嘴巴张开足够大以容纳所需的仪器和导航。
[0010]动态图像导航(active image guided surgery)手术解决了被动导航系统的很多问题，即有限的最大嘴张开、预先构造被动导航的需要以及手术期间不能改变计划，这些问题都可以由动态导航系统克服。为了提供动态图像导航手术，病人的嘴巴的位置，具体的骨头和牙齿，必须被精确地追踪并配准到扫描的图像和手术工具上。为了这么做，大多数传统的系统需要创建配准设备，该设备附接至病人的头部或插入到嘴巴里，该设备包括基准标记(fiducial marker)和传感器。一些配准设备附接至头外部，例如安装在头上的夹具。为了限制对手术区域的干扰并且允许光学传感器追踪夹具和手术工具的运动，其它配准设备涉及附接至额骨的具有传感器的夹具。
[0011]为了创建口腔夹具，在手术前几周制作通常既包括上部牙齿也包括下部牙齿的印模(impress1n)。然后将该印模送到实验室，在该实验室里制作实质上复制了牙齿的铸型(cast)。由该铸型制作口腔夹具，或者将其安放在牙齿上，或者设计将其钻进颚骨里。该夹具包括至少基准标记，并且如果没有装配有传感器，那么就包括光学传感器的安装位置。
[0012]实验室创建夹具之后，将其送到外科医生那里。将戴有该夹具的病人和CT扫描带进实验室。病人又一次被送回家。病人的口腔的数字图像由该扫描创建，并且外科医生制定手术计划。
[0013]然后又将病人带来以进行手术。将夹具附接至病人。将光发射机定位在病人附近，并且其发射由传感器探测到的信号。当病人的嘴巴移动时，传感器发送信号至软件，从而对病人口腔的数字图像做调整。该软件也追踪仪器的位置，并且描绘相对于牙齿的数字图像处于正确位置的仪器的图像。
[0014]除了给病人造成的不方便，现存系统常常很难精确地将病人配准到数字扫描。所有目前的牙科动态图像导航手术系统涉及光学追踪，其需要将夹具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光发射机或接收器探测到。
【发明内容】
[0015]本发明涉及用于在口腔手术期间追踪和描绘手术工具的运动的图像导航系统。该系统包括口腔夹具，该口腔夹具可移除地附接至病人口腔内的至少一颗牙齿上，该口腔夹具包括由刚性材料制成的支架，当经受大约100° F的温度时该刚性材料基本不会变形。该支架包括具有内壁和外壁的基座，该内壁和外壁从该基座以一角度向外延伸。该内壁和外壁被隔开并彼此间隔一定距离，该距离大于想要将该口腔夹具附接至其上的牙齿的宽度。可塑的热塑材料位于该支架的内表面上。在固化时配置该可塑材料以保持病人的部分牙齿的外部轮廓的印模，该部分牙齿被该材料覆盖。底座位于该支架上，该底座用于支撑该图像导航系统中的追踪元件。
[0016]在实施例中，当将该可塑材料放置在处于高于铸模温度的升高的温度的液体槽中时，该口腔夹具的该可塑材料被配置为变得开始可塑。当材料准备好被铸模时，该可塑材料可以提供可视的指示，诸如该可塑材料的至少部分的颜色变化。
[0017]该口腔夹具的支架可包括沿其长度处于不同点的弱化线，该弱化线允许将该支架折断至需要的长度以适应特定病人的口腔大小。
[0018]该底座可以包括至或者是少一个照相机底座，其附接至该支架或与该支架形成一体。该照相机底座可以包括至少一个照相机支架，可以将照相机安装在该照相机支架中，用于从该夹具观察口腔前面或对面的表面。该照相机支架可以是形成在该照相机底座中的通道或孔，该照相机底座的大小被设置为接收小视频照相机。在实施例中，该照相机底座中有两个通道，这两个通道被放置以将两个照相机定位在相对于该支架的两个不同的方向。
[0019]优选地，该口腔夹具包括安装在该支架或该可塑材料中的多个基准标记，该多个基准标记用于确定该口腔夹具相对于病人牙齿的位置。该基准标记可以由与该支架、可塑材料和病人牙齿具有不同辐射密度的材料制成，从而在CT扫描图像中该基准标记可被探测到，例如五金，但不限于诸如铝或不锈钢的五金，以及陶瓷。如可由本领域技术人员理解的也可以使用其他材料。优选地，该口腔夹具上具有彼此相互间隔开的并至少三个基准标记，并且牢固地附接至该支架。
[0020]每个基准标记可以具有的辐射密度、尺寸或形状与其它基准标记的不同，从而可以由追踪软件自动地探测到。在一个实施例中，该基准标记是陶瓷球轴承。
[0021]本申请还公开了用于追踪口腔内手术仪器的图像导航系统。该系统包括配置为位于该口腔内的多个照相机。该多个照相机设计为当启动时提供口腔内光学可视图案的口腔图像。提供处理系统，对其编程以处理该口腔图像和识别图案，从而三角测量每个照相机的位置和方向。优选地，该处理系统利用参考数据集，该参考数据集定义了牢固地与口腔结构的一部分对齐的参考坐标系统。该处理系统基于该参考数据集确定被追踪仪器的位置和方向。
[0022]在实施例中，该光学可视图案是可视高对比度的人造图案(visiblehigh-contrast man-made pattern)，诸如二维条形码，该光学可视图案位于器械(appliance)上，该器械可移除地附接至病人口腔的一颗或多颗牙齿、牙龈或骨头。在实施例中，光学可视图案附接至被追踪的手术仪器。
[0023]优选地，至少一个照相机附接至被追踪的手术仪器，以及至少一个照相机附接至牙科器械，该牙科器械附接至病人的牙龈、牙齿或其中的骨头。
[0024]该参考数据集可以包括口腔夹具相对于所述病人的口腔结构的位置和方向，该参考数据集可以是CT扫描的一部分。
[0025]在实施例中，参考数据集存储在该处理系统中。该牙科器械可移除地附接至病人的解剖结构的第一位置。第二牙科器械位于口腔内的位置，该位置允许该第二牙科器械的部分在被追踪的手术仪器上的照相机或该牙科器械上的照相机是可视的。对该处理系统进行编程，通过将每个照相机和该第二牙科器械之间的相对变换相结合，来确定该被追踪的手术仪器的位置和方向。
[0026]在另一个实施例中，第一牙科器械包括至少一个附接的照相机，并且可移除地将其附接至口腔内的位置。第二牙科器械可移除地附接至病人的解剖结构的利害位置，在该位置该第二牙科器械的部分在该第一牙科器械上的照相机是可视的。该被追踪的牙科仪器包括光学可视图案，该光学可视图案的部分在该第一牙科器械上的照相机是可视的。处理系统利用该参考数据集通过估计和结合相对变换来确定被追踪的仪器的位置和方向，该参考数据集包括该第二牙科器械相对于CT扫描图像的位置和方向，该相对变换为该第二牙科器械和被追踪仪器中的每一个上的图案的一部分与该第一牙科器械上的每个照相机之间的相对变换。
[0027]还公开了用于追踪和描绘口腔手术期间口腔手术工具的运动的方法。该方法包括提供具有塑料支架的口腔夹具和可塑的热塑性材料，该塑料支架具有基座，该可塑的热塑性材料被放置在该支架的内表面上，并且被铸模到病人的某颗牙齿，该牙齿不是在该口腔手术期间被进行手术的牙齿。提供手术追踪程序，其接收病人的口腔的CT扫描图像，其中该口腔夹具附接至该病人的牙齿。在该程序中识别该CT扫描图像中的基准标记，并且存储该扫描图像。提供具有工具夹具的手术工具，该工具夹具安装至该工具或是该工具的一部分。在某位置提供参考夹具(reference fixture)，该位置与该口腔夹具分开。该参考夹具包括参考图案，该参考图案为视频照相机提供用于探测的视觉参考点，以及用于该程序确定该口腔夹具和该手术工具的位置。该程序检索存储的扫描图像，并且将病人口腔中的口腔夹具配准到该CT扫描图像。该程序通过使用一个或多个照相机探测该参考图案的运动来确定该口腔夹具的运动，以及利用该追踪程序计算该口腔夹具的相应运动。该程序通过利用该追踪程序确定该工具夹具的运动来确定该手术工具的运动。该程序在显示器上描绘该存储的扫描图像上的手术工具的运动。
[0028]如附图中绘示的，根据以下对优选实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点将变的更加明显。如可实现的，能够以各种方式修改本发明，该修改都不脱离本发明的范围。因此，应将附图和说明书认为是本质性的绘示而非限制目的。
【附图说明】
[0029]出于绘示本发