选地，工具照相机底座104配置为定位照相机105，从而探测没有被工具102进行手术的表面。即工具照相机底座104使照相机远离钻子或操作位置。如图6所示，工具照相机底座104具有轴Α，该轴A与沿工具102的轴X成角度β1<3如以下将要讨论的，这允许安装在工具照相机底座104中的照相机来探测位于口腔另一部分的参考位置。
[0060]工具夹具100可以包括用于相对于工具102定位第二照相机109的第二工具照相机底座108。优选地，该第二工具照相机底座108配置为定位第二照相机109，从而允许观察刀具106和/或被手术的区域。如图6所示，优选地，第二工具照相机底座108处于与第一工具照相机底座104成90度的角度，或与轴X成角度β2。在一个实施例中，取决于照相机的位置和视野，P1优选在大约10度到90度之间，并且更优选地为大约60度。优选地，β 2在大约20度和大约90度之间，并且更优选地为大约60度。
[0061]在绘示的实施例中，工具夹具100通过夹子110附接至工具102，以防止照相机相对于该工具移动。可以设想工具夹具100可以与工具102形成一体。
[0062]现在参考图7和图8，示出的根据一个实施例的参考口腔器械或夹具200用于病人的下排牙齿。图9和图10绘示了用于上排牙齿的参考夹具200的第二实施例。在一个实施例中，参考夹具200包括具有内卷边204和外卷边206的基板202，该内卷边204和外卷边206与基板202形成一体并从基板202向外延伸。至于口腔夹具12，参考夹具200可以包括一个或多个平面不规则处(没有示出)，诸如形成在基板202上的凸起或压痕。优选地，卷边204、206还包括表面不规则处208，诸如所示的压痕。优选地，参考夹具200由与照相机支架14相同或类似的材料制成，这是因为也将其设计为利用可塑材料附接至病人的牙齿。具体地，参考图11，优选地，类似于口腔夹具12中的可塑材料32的可塑材料210放置在边204,206之间的基板202上。形成和设置可塑材料210的应用类似于以上描述的可塑材料32，因此，不需要再进一步讨论。
[0063]参考图案212(图8和10中做了一般描绘)形成在参考夹具(具有可塑材料210的一侧的对面)的外表面上。参考图案212是可选的可视图案，配置其为视频照相机提供视觉参考点以进行探测，用于确定照相机在口腔中的位置。在绘示的实施例中，优选地，参考图案是一系列与外表面间隔开的非重复的快速参考码或快速响应(QR)码。例如，参考图8A、8B和SC，其描绘了可以用于本发明的非重复的参考图案。也可以使用条形码、Aztec码或其它二维(2D)码或图形图像。优选地，该图案利用有鲜明对比的颜色，诸如黑色和白色，以便于系统探测和识别。尤其，图8C描绘了双尺度图案(two scale pattern)。该图案是2D条形码，其由允许在多个尺度上探测的条形码构成，该条形码内还有条形码(barcode-within-a-barcode)。较大的棋盘方格从较大的距离是唯一可识别的，然而较大方格中的每个角落处的四个较小的方格可由更靠近参考夹具放置的照相机探测。这连同较大图案和较小图案的范围重叠的事实，允许照相机在更宽的范围和距离上探测参考夹具。还可以设想，可以使用其它机制提供需要的参考数据，该参考数据包括LEDs、数据矩阵、数据图像或者类似于盲文的高或低的特征。基准可以是具有反射表面的球，该反射表面用于校准照相机或图案相对于基准的位置。可以朝基准发射闪光，并且照相机捕获反射的光用于确定基准的位置。如将变的明显的，参考图案的使用是为了确定照相机的运动和位置。如图11所示，参考图案212可以形成在材料层214上，该材料层214粘附在参考夹具的外表面上。或者，可以将该图案模铸或刻蚀或直接放置在参考夹具200上。
[0064]可以设想，可以配置参考板200以提供背光或其它机制来增加参考图案212的对比度从而便于探测。如果参考版是背光式，那么参考图案212优选地至少部分地由透明或半透明材料制成，从而增加对比度。还可以设想，可以利用荧光材料促进探测。
[0065]以下描述了根据本发明的并且利用了以上所述的口腔夹具12、工具夹具100和参考夹具200的、用于在图像导航的牙科手术期间追踪钻子或其它工具位置的优选系统。
[0066]首先对病人安装口腔夹具12和参考夹具200。医生选择合适尺寸的口腔夹具12，或通过沿支架14的一个减弱线将其折断来调整口腔夹具12的尺寸。将具有非可塑材料32的口腔夹具12放入温水槽中。温水(或其它无毒溶液)会软化或激活可塑材料32，使其更顺从。如上所述的，在一个实施例中，选择可塑材料32从而改变颜色，或当其针对应用足够可塑时以其它方式提供指示。例如，可塑材料处于静态或固态时可以是白色，但是当将其加热到使其足够可塑的温度时变得清澈/半透明。预计将口腔夹具12放入温水或热水(例如130° F以上)中大约1-2分钟后，应该会足够软化优选的材料。
[0067]然后将口腔夹具12应用至病人的牙齿。优选地，将口腔夹具12应用至病人口腔中不进行手术的牙齿。例如，如果要在口腔右侧的白齿上进行手术，那么优选地，将口腔夹具12附接至口腔左侧的牙齿，从而不会干扰手术过程。
[0068]医生或技师向着牙齿对支架12施加压力。医生或技师可以利用他们的手指帮助铸模或使可塑材料21符合牙齿的轮廓。调整材料使其符合牙齿之后，为了维持可塑材料32中的印模，将该材料留在合适的位置以允许充分固化。时间将根据使用的固化材料的类型而变化。然而，对于许多材料，铸模过程将在大约30秒至I分钟内充分完成。这可以通过材料的颜色变回原始颜色(例如从清澈变成白色)而探测到。
[0069]通过抓起支架和/或照相机底座并且将口腔夹具12提离牙齿来将口腔夹具12移除。在这一点上，可塑材料32将具有限定被铸模的牙齿的外轮廓的印模。然后允许将可塑材料32完全固化，诸如通过允许其就位(sit)。为了加快固化过程，可以将夹具放入冷水或冰水中几分钟。
[0070]如果口腔夹具12不包括基准标记34，那么将它们附接至支架，诸如粘在或插入孔36中。然而，优选地，将基准标记34预先附接至口腔夹具12。
[0071]然后，将口腔夹具12放回病人的口腔中被铸模的相同的牙齿上。该牙齿的被铸模的印模将锁定口腔夹具12至该牙齿上。对病人的口腔，或感兴趣的口腔的至少一部分进行CT扫描。由于基准标记34位于口腔夹具12上，因此CT扫描可以捕获它们的位置。然后，将口腔夹具12移除并存储用于外科手术。
[0072]将扫描的数据导入手术计划和追踪程序或被其使用。优选地，该程序配置为(诸如通过它们特定的辐射密度)自动探测基准标记34，并且可以为它们分配特定的颜色或字母数字式标示符。
[0073]为了提供照相机在口腔夹具上的正确位置，本发明利用口腔夹具12上的基准标记34的位置计算照相机的位置。这可以在手术当天或手术之前完成。将照相机30插入照相机底座26中的合适的照相机支架28中。本发明的一个实施例利用Medigus Introspic11103.0mm照相机。将照相机30连接至计算机，并且启动手术计划和追踪软件程序。将口腔夹具12举起至在多个方向的反射表面(诸如镜面)，并且该软件计算出口腔夹具12上的基准标记34相对于照相机30的位置和方向，并存储该信息。
[0074]或者，CT探测到的基准可能与光学探测到的不同，在这种情况下，没有必要将口腔夹具举至镜子。
[0075]代替光学基准，可以设想，可以利用三个分开的(非共线的)枢轴点完成枢轴校准方法。枢轴点可以是球体，其中引伸冲模(cupping tool)以该球体为枢轴旋转，该枢轴点可以是压痕，其中球形工具在该压痕内旋转，或是螺纹孔，其可以将球形-尖头的枢轴构件拧入该螺纹孔。以下将参考图20详细描述该校准方法。
[0076]当到了进行手术过程的时候，将口腔夹具12重新附接至病人的口腔中相同的牙齿，同时照相机30位于适当位置。该照相机连接至计算机系统，其中手术追踪软件程序运行在该计算机系统上。线将视频数据从照相机30传输至计算机系统，以提供照相机30的位置数据，进而提供口腔夹具12的位置数据。
[0077]然后，将参考夹具200安装至病人。医生选择合适尺寸的参考夹具200。具有非可塑材料210的参考夹具200被放入温水(或其它非毒性溶液)槽中。温水软化或激活可塑材料200，使其更顺从。
[0078]然后将参考夹具200应用至病人的对面那排牙齿而不是被进行手术的那排牙齿上。因此，如果在上面的牙齿进行手术，那么将参考夹具应用至下面的牙齿。医生或技师朝向该牙齿对基板202施加压力。再次，医生或技师可以利用他们的手指帮助铸模或使可塑材料210符合牙齿的轮廓。调整材料以使其符合牙齿之后，为了维持可塑材料32中的印模，将该材料留在合适的位置以允许充分固化。时间的长短将再次取决于使用的可固化材料的类型。
[0079]如果参考夹具200不包括参考图案212，优选地，将包括该图案的材料层214附接至病人的牙齿之前，将该材料层214应用至基板202的外表面。参考图案212提供图像参考数据，其由照相机30捕获并被转发给软件，用于确定照相机30的运动，进而确定口腔夹具12的运动。图12描绘了附接至病人的牙齿的口腔夹具12和参考夹具200，其中工具夹具100位于适当位置以进行手术。
[0080]在本发明的一个实施例中，系统允许医生或技师手动关联或配准现有CT扫描图像至口腔的当前位置。这通过将实际基准标记34的位置配准至影像标记来实现。优选地，系统要求医生或技师通过使传感器设备触摸实际的口腔夹具12上的每一个基准标记34来开始配准，传感器设备可以是指示器。传感器设备将每个基准标记34的位置(或者无线地或者通过有线连接)发送至该程序。
[0081]该程序通过指导医生/技师以预定方式接触每个基准标记34来引导他们配准口腔夹具12。例如，在配置中，标记是有颜色的，该程序可以指导医生/技师“触摸绿色的基准标记”。屏幕会将之前扫描的图像数据中的对应基准标记描绘为绿色。当医生/技师触摸口腔夹具12上正确的标记34并且敲击“进入”时，该程序将实际的基准标记34关联到成像数据集中的扫描的基准标记。然后，该程序指导医生/技师触摸下一个标记等等。
[0082]当传感器位于适当位置时，代替要求医生或技师敲击进入键或其它键，可以设想，传感器设备可以包括压力传感器。当医生或技师压下基准标记时，传感器设备自动地发送数据至程序。
[0083]或者，优选地，该系统自动地关联或配准已有的CT扫描图像至当前图像。这通过程序利用工具照相机探测口腔夹具12上的基准标记3