专利名称：用来驱动用于正颌手术的治疗计划的方法及其器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来估计脑壳和软组织的形状和用来确定用于上颌面手术，并且更具体地说用于正颌手术，的治疗计划的方法、和在这样的手术中或在其准备中使用的器械。
背景技术：
在上颌面手术中，脑壳和牙列用手术重新塑造或复原。这种手术科目包括特别是相对于彼此误定位的颌骨的修复的外科手术，叫做正颌手术。典型地，正颌手术涉及上颌骨和/或下颌骨的切骨术，以相对于脑壳的其余部分正确地重新定位这些骨片并且创建良好的咬合。切骨术是外科手术，借此骨被切开以缩短、加长或改变其对准。‘咬合’是指当闭嘴时来自上部和下部弓的牙齿来到一起的方式。
这样一种外科手术的准备要求实施正牙和放射摄影技术。
正牙技术制成病人的下颌骨和上颌骨的铸模。一般由石膏制成的这些铸模然后安装在代表颚下颌关节和颌骨体的咬合架中。铸模用来模拟为创建良好咬合必须施加到颌骨上的相对位移。为了使外科医师能够考虑模拟的相对位置，制成夹板，即在其表面的每一个上包括两个铸模的牙印的板。夹板用来把铸模或颌骨保持在其中牙齿处于咬合中的相对位置中。
由于外科手术一般包括两个颌骨的切骨术，所以除在手术之前链接两个颌骨在它们的咬合位置中的所谓初始平板之外，两个夹板一般由牙铸模制成。
当下颌骨处于其原始(手术前)位置中时，所谓的中间夹板确定上颌骨相对于下颌骨的可预见位置。这个夹板使外科医师能够在对于下颌骨进行手术之前把脑壳上的上颌骨后部放置在希望的最后位置中。所谓的最后夹板确定手术实现的咬合目标，并因而通过相对于以前替换的上颌骨设置下颌骨的位置而把下颌骨正确地定位在脑壳上。
放射摄影技术外科手术的准备也使用病人的X射线摄影。典型地进行侧向放射摄影(测颅X线照片)。有时进行具有不同视图的前部X射线摄影和其它放射摄影。这些放射摄影特别是能够进行手术动作的适当模拟。
由放置在放射摄影上的示踪纸人工地进行模拟。例如，指示界标，并且画出下颌骨的轮廓。示踪纸然后运动以在其上近似地复制希望的手术后咬合，此后画出上颌骨轮廓。画在示踪纸上的上颌骨-下颌骨组件然后在一个块中运动，同时考虑测颅标准、唇比率、以及对于这种类型的手术已知的其它标准。颌骨位移的方向和幅度因而用放射摄影和近似地定义。这种模拟的结果与借助于夹板展望的下颌骨的和上颌骨的相对运动相比较，并且根据该相对运动被调节。
正颌外科手术的实际模拟因而基本上人工地进行。而且，这种模拟仅基于脑壳的平面外形视图以两维进行。
当今产生的CT-描述器提供病人解剖学的详细3D信息。基于这种数据，骨和皮肤表面的3D表面重建是可能的。骨片可隔离，并且彼此相对地运动。这可提供用于计算机辅助正颌手术计划系统的适当基础。然而，当前适用的3D表面表示算法没有提供包括解剖相关基准的适当框架，该相关基准允许临床医师容易和可靠地在虚拟3D环境中重新定位骨片。第二个问题与从带有汞合金牙填充物的病人的CT扫描导出的3D表面表示的使用有关。牙汞合金填充物创建在CT图像上显得像条纹的人工产物。使用像这样的这些CT图像，不可能在三维视图上画出得到咬合的牙齿的准确位置。
专利文件WO03/028577-A2公开了用来构造正颌手术夹板的设备和方法。它也涉及一种用来创建适用于诊断和治疗计划的计算合成脑壳模型的方法。在所述方法中，产生病人的骨结构的3D CT模型和病人牙列的数字牙齿计算机模型，两者都包括同组基准标记。
发明内容
本发明的目标在于，提供一种用来进行测颅和/或测体分析的方法。在第二目的中，它的目标在于提供一种用来导出用于正颌手术的治疗计划的方法，该方法包括所述分析方法。在另外目的中，它的目标在于提供适合于该方法的器械。
本发明涉及一种用来进行测颅和/或测体分析的方法，该方法包括步骤-使用3D医学图像形态获得人的头部的3D扫描，-使用来自该3D扫描的数据产生3D表面模型，-由3D扫描产生几何链接到3D表面模型上的至少一个2D测颅X线照片，-在至少一个2D测颅X线照片上和/或在3D表面模型上指示解剖部位划分线，-使用解剖部位划分线进行测颅和/或测体分析。
优选地医学图像形态是磁谐振成像或计算机层析X射线摄影法。3D表面模型便利地代表骨结构表面和/或软组织膜。
在优选实施例中，方法还包括在虚拟场景中与3D表面模型一起显像所述产生的至少一个2D测颅X线照片的步骤。
便利地方法还包括由在人的头部上的解剖基准点确定基准框架。
优选地在另外步骤中，产生测颅分析的报告。
在另一个实施例中，方法包括提供2D或3D照片的另外步骤，由这些照片导出织构3D皮肤表面。
分析典型地包括在两个界标之间的直线距离、界标到基准平面的距离、在投影在平面上的界标之间的距离、在界标或平面之间的角度、在这些测量之间计算的比例或沿表面并且与平面平行的两个点之间的距离的确定。
在又一个实施例中，方法包括在人戴着3D夹板的同时获得人的头部的3D扫描的步骤。然后也优选地获得所述人的上部和下部颌骨的铸模的3D扫描。其次基于3D夹板的特征，熔合在戴着3D夹板的同时所述人的头部的3D扫描、和上部和下部颌骨的铸模的3D扫描。便利地来自戴着所述3D夹板的人的3D扫描的数据以后用来产生3D表面模型。
在第二目的中，本发明涉及一种用来导出用来重新定位骨片的计划信息的方法，该方法包括步骤-如以前描述的那样，进行测颅和/或测体分析，-定义待重新定位的骨片的一组虚拟位置，所述位置基于解剖部位划分线而被限定，-对于虚拟位置的每一个，与在3D表面模型中和在2D测颅X线照片上的界标一起显像重新定位骨片的结果，-基于测颅分析和基于显像对于骨片的手术内重新定位做出决定。
在便利实施例中，虚拟位置生成于骨片的平移和/或转动。
在另一个目的中，本发明涉及一种用于测颅和/或测体分析的器械，该器械包括-计算单元，布置成用来由3D扫描数据产生3D表面模型和几何链接到3D表面模型上的2D测颅X线照片，-显像装置，用来表示2D测颅X线照片和/或3D表面模型，及-计算装置，用来基于在至少一个2D测颅X线照片上和/或在3D表面模型上提供的解剖部位划分线进行分析。
3D描述数据优选地是CT或MRI数据。
在进一步的目的中，本发明涉及一种用在以上描述的方法中的3D夹板。3D夹板包括布置成用来配合上部和下部牙弓的U形部分，并且在U形部分上设有口腔外或口腔内延伸部。
在最后目的中，本发明涉及一种在包含指令的可编程设备上可执行的程序，该程序在运行时完成以上描述的方法。
图1表示虚拟(侧向)测颅X线照片的产生。
图2表示解剖相关基准框架的定义。
图3A和3B表示解剖部位划分线的定义。侧向测颅X线照片和3D骨表面模型都用来准确地定义诸点。
图4表示3D测颅示踪的结果。
图5表示在正颌手术的建立期间指示的运动骨片。
图6表示正颌手术的虚拟结果。
图7表示用来运动骨片的控制窗口。
图8表示在虚拟测颅X线照片(图8A)上和在骨表面表示(图8B)上的界标的运动的跟踪。
图9表示单独的并且处于在牙列的石膏铸模之间的位置中的3D夹板。这个3D夹板展望借助于延伸部的特征的熔合。
图10表示单独的并且处于在牙列的石膏铸模之间的位置中的3D夹板。这个3D夹板展望借助于树胶标记的熔合。
图11至14表示根据本发明的方法的各种实施例的流程图。
图15代表在图11-14中表示的流程图的全部概括。
具体实施例方式
为了进行骨组织和/或软组织的适当3D测颅分析，仅指示在3D结构上的相关点的能力是不够的。在3D结构上没有良好定义的对于适当3D测颅示踪所要求的点在2D表示上是可得到的，并且反之亦然。本发明描述解决这个问题的计算机化系统。
本发明提供一种把3D表面表示的框架重新定义成解剖相关框架的方法。解剖相关框架允许临床医师以直观方式进行精确的测颅和/或测体分析。况且，包括解剖相关框架的3D表面表示具有允许骨片相对于解剖相关界标虚拟重新定位的优点，使得它特别适于外科手术的计划。在图11中表示的流程图概括根据本发明的方法的主要步骤。
在医学成像中，形态是用来获得身体的图像的各种类型的设备或探头的任一种。放射摄影、计算机体层摄影、超声波检查及磁共振成像是在本上下文中用于形态的例子。
公开了一种进行3D测颅和/或测体分析的方法和器械，允许病人解剖的术前估计。器械包括计算机化系统、显像图像容量(volume)(例如，CT图像容量)及从它抽取的表面模型、以及2D投影灰度值图像，即与CT图像几何链接并且由它计算的虚拟X射线图像。组合信息提供用来有效和精确地估计病人脑壳和软组织表面的3D解剖的手段。该技术把传统2D测颅示踪与3D骨表面显像相熔合。表面模型可使用CT数据产生，如在W.E.Lorensen，H.E.Cline的论文‘Marching Cubesa High Resolution 3D Surface ConstructionAlgorithm’(ACM Computer Graphics(ACM SIGGRAPH′87Proceedings)，vol.21，no.4，pp.163-169，1987年7月)中描述的那样。可得到虚拟X-射线图像(测颅X线照片)，如在Levoy M.的‘Display ofsurfaces from volume data’，IEEE Comput.Graph.Appl.8，3(1988年5月)，pp.29-37中描述的那样。
病人的3D扫描是到系统的输入。图像容量包括所谓的‘体素’，即每个保持一个值(例如，灰度值)的容量元素。箱形体素当布置在三维阵列中时包括完整的图像容量。基于这种图像容量，建造骨结构和/或软组织膜的3D表面。如果要求，有可能通过添加脸部的颜色信息，把脸部的自然面容(自然色调和皮肤的织构)添加到由CT数据产生的皮肤表面上。为了实现这个，例如由3D照片或激光扫描获得的织构3D皮肤表面可添加和寄存到CT数据上(见图12中的流程图)。作为选择例，获得一系列2D图片，并且通过把来自CT的皮肤表面模型对准2D图片的视图，转换织构。
在初始步骤中，临床医师定义或选择分析的类型。测颅分析进行在病人的脑壳的水平下的测量。测体分析进行在病人皮肤处的测量。本发明允许定义各种测颅和测体分析或甚至两者的组合。分析的类型确定应该由临床医师指示的解剖部位划分线(anatomical landmark)、和计算的测量。
在指示这些界标(landmark)之前，临床医师虚拟地定位病人以创建侧向测颅X线照片(见图1)，并且优选地建立解剖基准框架(图2)，代替CT数据的坐标系。也选择性地产生前部测颅X线照片。
解剖基准框架是附加到解剖基准点上的坐标系。这个基准框架包括水平、中间及竖直平面(图2)。借助于这个基准框架，方向上/下和左/右与病人的解剖相链接。因此这样的解剖基准框架的建立允许在虚拟图像内的容易导航。
在具体实施例中，在临床医师已经指示如下解剖部位划分线时，系统建造这样的解剖相关基准框架1.两个左/右对称界标例如左和右颧额缝。
2.Nasion(鼻根)3.Sella(鞍)水平平面由在1中定义的方向、以及方向Nasion-Sella定义。中间平面在水平平面上垂直，包含左/右方向并且通过Sella。竖直平面在中间平面和水平平面上垂直，并且通过Sella。
另一个基准框架可单独基于皮肤表面定义1.两个左/右对称界标例如瞳孔，2.对于头部的侧向视图，瞳孔的方向与耳的上限相切，3.在脸部中线上的软组织点，例如在软组织Nasion点(Nasion-s)上。
水平平面由在1和2中定义的方向定义，并且通过Nasion-s。中间平面在水平平面上垂直，并且包含由2定义的方向，及通过Nasion-s。竖直平面在水平和中间平面上垂直，并且通过Nasion-s。
在下个步骤中，指示分析的解剖部位划分线。界标是在硬组织或软组织上的特性解剖点。界标可在表面模型上或在2D测颅X线照片上指示(见图3)。选择的解剖点可确定解剖平面，该解剖平面应该当作解剖部位划分线之一。
最后，计算分析的测量(距离或角度)，并且优选地产生报告。界标的位置可被调节。可能的测量包括
-在平面之间的角度(例如，Frankfurter平面对于基准框架的水平平面的倾角)，-在投影点之间的角度，-在两个界标之间的直线距离。这能是点之间的实际距离或在基准平面上投影的点的距离在两个点之间的高度、宽度及深度距离，-界标到基准平面的距离，-计算在两次测量之间的比例的比较测量。
图4表示分析结果的例子。
可定义几种类型的测颅分析。在一种特定类型的测颅分析的建立中，优选地定义如下元素-是否使用基准框架，并且如果使用，则使用那些，-定义在解剖部位划分线或解剖平面之间的多次测量。如果用于测量的界标还没有在系统中定义，则必须定义新界标。
也可产生自由定向的额外竖直X射线图像。
为了高效地准备骨片的重新定位，对于正颌手术计划系统应该实现如下要求-计划系统应该允许相对于解剖定义基准框架和相对于解剖定义转动/平移基准重新定位骨片，和-应该显像任何重新定位的结果。优选地，在骨骼水平下以及在软组织水平上显像任何重新定位的效果。
在现有技术方案中，大多数临床医师使用2D测颅X线照片与牙铸模组合地进行计划。然而，当2D测颅X线照片是投影图像时，丢失3D信息，而牙铸模仅给出关于头部的非常有限区域的3D信息，并且不提供关于软组织的信息。
当准备骨片重新定位时，使用上述3D测颅分析可得到有用的另外信息(图5)。使用来自测颅分析的信息，用户(典型地外科医师)能以虚拟方式重新定位骨片。作为例子，图6表示虚拟上颌骨重新定位的结果。借助于计算机化计划系统可模拟相对于界标的不同类型的平移和转动。例如，绕轴线的转动或沿一个方向的平移可定义为在两个平面之间的交叉或定义为垂直于平面，或者它可由两个界标定义。
为了创建容易方式的工作，用户可在计算机化正颌手术计划系统中预定义各种类型的手术，如上颌骨前移、下颌骨前移、下颌骨加宽、等等。当他挑选手术的类型时，弹出请求进行几项任务的用户界面。在结束处，外科医师可输入特定外科参数，并且相应地移动骨片(图7)。图7表示用于上颌骨相对于解剖定义基准框架的移动的参数。界标被相应地更新，并且描绘界标相对于它们的原始位置的移动(图8)。为了增加在计划系统中骨重新定位工具的灵活性，用户可定义他的骨移动基准的设置，遵守他的工作和进行手术的方式。
汞合金牙填充物可使在牙齿水平处的CT图像污浊。这使得咬合的准确显像非常困难。况且，为了清楚地检查咬合，牙齿的细节非常重要。为了成像牙齿的细节，要求非常高分辨率的CT扫描，并且结果是病人的高度X射线暴露。可是，应该避免病人对于高X射线剂量的暴露。
为了增加在牙冠水平处的详细程度，而不增加CT辐射剂量，使用3D夹板(图9)，该3D夹板具有平面U形形状，并且同时配合在实际上部和下部牙弓上。附加到这部分上，夹板具有至少一个延伸部。这个延伸部能是口腔外或口腔内的。夹板用几乎是射线可透过的无毒材料生产。
在戴着这个夹板的同时，病人被CT扫描。然后，CT扫描有夹板在之间的病人的上部和下部颌骨的石膏铸模(见图9)。另外的步骤也指示在图14的流程图中。使用图像分析技术，从病人CT扫描和铸模扫描抽取所述延伸部的特征。基于这些特征，熔合两个数据组，并且与病人CT扫描共同显像石膏铸模。这样一种特征能是所述延伸部的表面的部分。这允许在牙冠水平处的精确软件计划。代之以采用延伸部的特征，人们也可展望树胶标记的使用(见图10)。夹板然后包含具有约1mm直径的至少4个球形树胶标记。至少一个标记应该定位在延伸部上，并且不在与U形部分相同的平面中。
在使用具有牙齿的增强成像的3D测颅基准框架完成虚拟计划之后，把石膏铸模安装在咬合架中。计划系统输出对于咬合架的虚拟计划结果，以便以与虚拟计划相同的方式移动铸模(见在图13中的流程图)。依据咬合架的类型，这可按照计划输出通过修改多个特征参数而进行，或者在例如机动咬合架的情况下，驱动该咬合架。在模型必须分裂成几个组分的情况下，对于所有组分重复同一过程。基于石膏铸模在咬合架中的新位置，生产实际手术夹板。
可选择地，可数字地设计手术夹板。箱形或U形物体引入在软件中，并且计算与石膏铸模模型的相交容量，此后除去插入物体。这个物体然后生产。可应用几种适用的生产方法例如，轧制、3D印刷、立体石版印刷、烧结、...。使用这些生产方法，直接生产夹板，或者否则生产模型，由该模型通过例行使用技术可人工导出夹板。
而且，上颌面手术计划的计划结果可输出到手术导航系统，如在图13的流程图中指示的那样。
选择性地，外科医师也能以其它方式工作。外科医师对于石膏铸模进行(可能部分的)模型手术。为了借助于脑壳的剩余部分检查这个模型手术，CT扫描模型的新位置。这种扫描借助于对准(registration)输入在计划系统中。基于当前石膏铸模和原始石膏铸模的一个或多个未改变部分，通过表面匹配对准模型，并且用于骨表面的变换矩阵是已知的。
权利要求
1.用来进行测颅和/或测体分析的方法，包括步骤-使用3D医学图像形态获得人的头部的3D扫描，-使用来自所述3D扫描的数据产生3D表面模型，-由所述3D扫描产生几何链接到3D表面模型上的至少一个2D测颅X线照片，-在所述至少一个2D测颅X线照片上和/或在所述3D表面模型上指示解剖部位划分线，-使用所述解剖部位划分线进行所述测颅和/或测体分析。
2.根据权利要求1所述的用来进行测颅和/或测体分析的方法，其中，所述医学图像形态是磁谐振成像或计算机层析X射线摄影法。
3.根据权利要求1或2所述的用来进行分析的方法，其中，所述3D表面模型代表骨结构表面和/或软组织膜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用来进行分析的方法，还包括在虚拟场景中与3D表面模型一起显像所述产生的至少一个2D测颅X线照片的步骤。
5.根据权利要求1至4任一项所述的用来进行分析的方法，还包括由在所述人的头部上的解剖基准点确定基准框架的步骤。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用来进行分析的方法，还包括产生所述测颅分析的报告的步骤。
7.根据权利要求1至6任一项所述的用来进行分析的方法，还包括提供2D或3D照片的步骤，由这些照片导出织构3D皮肤表面。
8.根据权利要求1至7任一项所述的用来进行分析的方法，其中，所述分析包括在两个界标之间的直线距离或界标到基准平面的距离的确定。
9.根据权利要求1至8任一项所述的用来进行分析的方法，还包括获得所述人的头部的3D扫描-所述人戴着根据权利要求15所述的3D夹板，和所述人的上部和下部颌骨的铸模的3D扫描的步骤，并且还包括基于所述3D夹板的特征熔合所述人的头部的所述3D扫描-所述人戴着所述3D夹板，和所述人的上部和下部颌骨的铸模的所述3D扫描的步骤。
10.根据权利要求1至9任一项所述的用来进行分析的方法，借此，来自戴着所述3D夹板的所述人的所述3D扫描的数据用来产生所述3D表面模型。
11.用来导出用来重新定位骨片的计划信息的方法，包括步骤-进行根据以前权利要求任一项所述的测颅和/或测体分析，-定义待重新定位的所述骨片的一组虚拟位置，所述位置基于所述解剖部位划分线而被限定，-对于所述虚拟位置的每一个，显像结果，-基于所述测颅分析和基于所述显像对于所述骨片的手术内重新定位做出决定。
12.根据权利要求11所述的用来导出计划信息的方法，其中，所述虚拟位置生成于所述骨片的平移和/或转动。
13.一种用于测颅和/或测体分析的器械，包括-计算单元，布置成用来由3D扫描数据产生3D表面模型和几何链接到所述3D表面模型上的2D测颅X线照片，-显像装置，用来表示所述2D测颅X线照片和/或所述3D表面模型，及-计算装置，用来基于在所述至少一个2D测颅X线照片上和/或在所述3D表面模型上提供的解剖部位划分线进行所述分析。
14.一种用于测颅和/或测体分析的器械，其中，所述3D描述数据是CT或MRI数据。
15.一种用在根据权利要求9所述的方法中的3D夹板，包括布置成用来配合上部和下部牙弓的U形部分，并且在所述U形部分上设有延伸部。
16.一种在包含指令的可编程设备上的可执行的程序，该程序在运行时执行根据权利要求1至12任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用来进行测颅或测体分析的方法，该方法包括步骤使用3D医学图像形态获得人的头部的3D扫描，使用来自3D扫描的数据产生3D表面模型，由3D扫描产生几何链接到3D表面模型上的至少一个2D测颅X线照片，在至少一个2D测颅X线照片上和/或在3D表面模型上指示解剖部位划分线，使用解剖部位划分线进行分析。
文档编号G06T17/40GK1998022SQ200580021075
公开日2007年7月11日 申请日期2005年6月27日 优先权日2004年6月25日
发明者菲利普·舒蒂瑟 申请人:麦迪西姆有限公司