基于3D打印的牙支持式颌面部增强现实定位追踪装置的制作方法

本发明涉及口腔颌面外科医疗器械以及增强现实技术相关领域，尤其涉及一种基于3d打印的牙支持式颌面部增强现实定位追踪装置。

背景技术：

传统颌面部手术完全凭借手术医生的经验判断来确定，因此手术的成败很大程度上依赖于主刀医生对局部解剖结构的掌握程度，若是年轻医生或者是局部结构变异较大的病例而言则手术难度大大增加，严重影响手术的效果，甚至延长手术的时间。

随着口腔颌面外科的数字化技术飞速发展，对于术中解剖结构的定位追踪，涌现了比如数字化导板、手术导航等手段，但存在相关技术专业性强，费用高，注册技术繁杂等技术问题。近年来一种新的数字化技术-增强现实/混合现实技术辅助颌面部手术逐渐受到重视，该技术在术中定位（术前的虚拟手术规划和真实患者的匹配）以及实时跟踪（手术当中随着患者的体位变化和主刀医生的视角变化实时动态的保证虚拟手术计划与真实患者颌面部解剖结构一致）是它重要组成部份。

因颌面部呈非线性结构，解剖结构复杂且变异大，常规定位跟踪技术需要在颅部有创伤的植入固位钉，然后利用相关技术进行定位跟踪，增加了手术创伤、手术时间。另外基于手工制作的牙支持的定位追踪无法满足对参数的一致性、三维坐标稳定性的把握，增大了视觉定位追踪的误差，若误差较大，甚至会对手术起到反作用。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于3d打印的牙支持式颌面部增强现实定位追踪装置，其结构简单、操作方便、成本低，便捷、高效、精确定位和动态可视化等，利于辅助颌面部手术，达到好的效果。

解决以上技术问题的本发明中的一种基于3d打印的牙支持式颌面部增强现实定位追踪装置，其特征在于：包括设有咬合导板和视觉捕捉标志模块，所述视觉捕捉标志模块设有固位体、连接体和可替换视觉捕捉标志，所述咬合导板与固位体连接，固位体和可替换视觉捕捉标志通过连接体连接形成一体。

所述固位体为中空，与连接体采用半固定方式连接。

优化方案中所述固位体一端内设有卡槽，连接体一端设有卡块，使用时卡块插入卡槽中使固位体和边接体形成一体。

进一步优化方案中所述固位体的卡槽内壁上设有抽屉固位体，同时连接体相应位置处设有凹槽，凹槽容纳抽屉固位体，抽屉固位体和凹槽位置和结构完全契合。抽屉固位体可设在卡槽两侧的内壁上。

所述抽屉固位体为一对，抽屉固位体具有容纳固定连接体的作用，起到对连接体以及视觉捕捉标志的三维空间位置的固定。

本发明中所述固位体与咬合板连接的前端部设有咬合前界标志线，起到在虚拟融合的时候对咬合板前界的界定的作用。

所述连接体与视觉捕捉标志采取交叉固定连接，优化中所述交叉固定连接采取2*5*3mm的交叉固定连接。

视觉捕捉标志模块和连接体的连接角度因不同的部位进行相应的设计，同一病例也可设计不同的角度，在术中根据具体情况予以更换。

所述可替换视觉捕捉标志设有第一标志区域、第二标志区域和中间标志方块，第二标志区域设于第一标志区域中心位置，中间标志方块设于第二标志中心位置。

所述第一标志区域尺寸为40*40mm、厚度为3mm，第二标志区域厚度为3.1mm，中间标志方块尺寸为10*10mm；优化中所述第二标志区域为l形，由三个10*10mm小方块组成，小方块尺寸为10*10mm。

所述固位体的外壳和连接体为长方体或正方体。

所述咬合板呈蹄形，设有咬合板上表面、咬合板下表面和咬合板颊舌侧，咬合上表面和咬合下有面分别设有牙槽，牙槽形态与相应的牙齿冠形态贴合；近咬合体端的第一个牙槽为双侧第一磨牙的位置，其形态与相应左右侧第一大牙牙冠形态贴合。

所述颊舌侧宽度为2-7mm，比不同牙位牙冠最大直径大2mm，厚度为1.5-3mm,所有固位形位置在各牙位牙冠外形高点至颌平面的空间之间。本发明中颊舌侧宽度指牙齿口腔到唇的前后宽度，牙齿是上下（牙冠到牙根的方向）形态呈中间粗，两端细的状态，粗的地方为外形高点，牙槽深度和大小为外形高点到颌平面的空间。

本发明中咬合导板为基于患者影像数据而获得个性化咬合导板，视觉捕捉标志模块为经统一三维建模设计制作、3d打印和校准完成。咬合导板提供整个装置稳定精确可重复无创伤地在上下牙上固定，保证虚拟设计模型和真实患者颌面部组织的三维坐标的可重复性以及视觉坐标与之的统一性，并且不影响手术操作。可替换视觉捕捉标志提供给增强现实系统识别。

本发明中连接体一端与固位体连接，另外一端与视觉捕捉标志在三维建模期间进行stl模型融合，起到连接的作用，利于将视觉标志降低于手术操作范围之外，同时利于计算机的视觉捕捉、术前的数据获取。

本发明中通过咬合板实现牙列的刚性支持固定，使得可替换视觉捕捉标志放置在计划的三维空间位置，更好的进行增强现实系统的应用，提高手术中对解剖结构的三维动态可视化，减少手术时间约1小时以上，减少手术并发症。在临床应用中，能够在颌骨囊性病变，颌面部骨折等手术中指导手术的定位和骨折复位的三维空间位置等等，均获得满意效果。

本发明中装置制作，其软硬件要求不高，消费级的三维建模软件及3d打印设备即可独立完成。

本发明装置适用于颌骨囊性病变、颌面部骨折等手术中指导手术的定位和骨折复位等。适用于辅助咬合相对稳定，单侧颌面部骨组织病变（比如颌面部骨折、颌面部骨性畸形的整复、颌骨囊性病变、牙种植术等）的患者的手术治疗、术前医患交流、相应疾病的会诊等。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明做更进一步详细说明：

图1本发明中装置结构示意图

图2为本发明中固位体与连接体结合示意图

图3为本发明中上色后的视觉捕捉标志结构示意图

图4为本发明中装置与颌面部的结合图

图5为本发明中牙位牙冠结构示意图

其中标识具体为：

1.咬合板，2.视觉捕捉标志模块，3.固位体，4.连接体，5.可替换视觉捕捉标志，6.咬合前界标志线，7.抽屉固位体，8.凹槽，9.外壳，10.卡块，11.卡槽，12.颌面部，13.第一标志区域，14.第二标志区域，15.中间标志方块，16.右侧第一大牙，17.外形高点，18.颌平面，19.外形高点至颌平面的空间，20.咬合板上表面，21.咬合板下表面，22.牙槽，23.双侧第一磨牙，24.咬合板颊舌侧

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明：

实施例1

基于3d打印的可替换式的牙支持式个性化颌面部增强现实定位追踪装置，包括设有咬合导板和视觉捕捉标志模块，所述视觉捕捉标志模块设有固位体、连接体和可替换视觉捕捉标志，所述咬合导板与固位体连接，固位体和可替换视觉捕捉标志通过连接体连接形成一体。固位体为中空，与连接体采用半固定方式连接。

视觉捕捉标志模块和连接体的连接角度因不同的部位进行相应的设计，同一病例也可设计不同的角度，在术中根据具体情况予以更换。连接体起到连接的作用，利于将视觉标志降低于手术操作范围之外，同时利于计算机的视觉捕捉、术前的数据获取。一端以抽屉固位通过中空壳体内的抽屉固位体以及壳体的箱状固位形行半固定连接。另外一端与视觉捕捉标志在三维建模期间进行stl模型融合，后期利用3d打印制作。

可替换视觉捕捉标志设有第一标志区域、第二标志区域和中间标志方块，第二标志区域设于第一标志区域中心位置，中间标志方块设于第二标志中心位置。

固位体的外壳和连接体为长方体。

咬合板体呈蹄形，设有咬合板上表面、咬合板下表面和咬合板颊舌侧，咬合板上表面和咬合板下有面分别设有牙槽，牙槽形态与相应的牙齿冠形态贴合；近咬合体端的第一个牙槽为双侧第一磨牙的位置，其形态与相应左右侧第一大牙牙冠形态贴合。

咬合板颊舌侧宽度为2-7mm，比不同牙位牙冠最大直径大2mm，厚度为1.5-3mm,所有固位形位置在各牙位牙冠外形高点至颌平面的空间之间。咬合板颊舌侧宽度指牙齿口腔到唇的前后宽度，牙齿是上下（牙冠到牙根的方向）形态呈中间粗，两端细的状态，粗的地方为外形高点，牙槽深度和大小为外形高点到颌平面的空间。

咬合导板提供整个装置稳定精确可重复无创伤地在上下牙上固定，保证虚拟设计模型和真实患者颌面部组织的三维坐标的可重复性以及视觉坐标与之的统一性，并且不影响手术操作。可替换视觉捕捉标志提供给增强现实系统识别。

固位体、连接体和可替换视觉捕捉标志均根据增强现实系统的要求统一设计尺寸、形态，保证模块设计的一致性。

实施例2

基于3d打印的可替换式的牙支持式个性化颌面部增强现实定位追踪装置，包括设有咬合导板和视觉捕捉标志模块，所述视觉捕捉标志模块设有固位体、连接体和可替换视觉捕捉标志，所述咬合导板与固位体连接，固位体和可替换视觉捕捉标志通过连接体连接形成一体。固位体为中空，与连接体采用半固定方式连接。

固位体一端内设有卡槽，连接体一端设有卡块，使用时卡块插入卡槽中使固位体和边接体形成一体。卡槽内壁上设有抽屉固位体，同时连接体相应位置处设有凹槽，凹槽容纳抽屉固位体，抽屉固位体和凹槽位置和结构完全契合。抽屉固位体可设在卡槽两侧的内壁上。抽屉固位体为一对，抽屉固位体具有容纳固定连接体的作用，起到对连接体以及视觉捕捉标志的三维空间位置的固定。

固位体与咬合板连接的前端部设有咬合前界标志线，起到在虚拟融合的时候对咬合板前界的界定的作用。

中空的固位体呈箱状，外体尺寸为10*6*4mm。内空尺寸为7*4*3mm,与连接体的嵌入连接端相匹配。内部箱内两个抽屉固位体6.9*1*1mm，与连接体的凹槽相匹配。连接体总体长度30mm，与中空固位体连接部分的尺寸为6.9*3.8*2.8mm，凹槽尺寸为6.9*1.2*1.2mm,连接体剩余部分截面尺寸为6*4mm。

连接体与视觉捕捉标志采取2*5*3mm的交叉固定连接，根据不同部位设计不同的连接角度，具体对应关系如下：

若涉及多部位病变，可选择设计不同角度（满足视觉标志平面和手术部位切面30-180度间），术中根据不阻挡手术操作的要求与固定在咬合板上的中空固位体进行拆卸更换。

可替换视觉捕捉标志设有第一标志区域、第二标志区域和中间标志方块，第二标志区域设于第一标志区域中心位置，中间标志方块设于第二标志中心位置。

第一标志区域尺寸为40*40mm、厚度为3mm，第二标志区域厚度为3.1mm，中间标志方块尺寸为10*10mm；优化中所述第二标志区域为l形，由三个10*10mm小方块组成，小方块尺寸为10*10mm。第一标志区域和中间标志方块可设为黑色，第二标志区域可设为白色，以便识别，获取增强现实系统视觉标志（黑白格布局）。

尺寸过大会延长制作时间、增大了物件的占用空间，影响术中的手术操作。尺寸的不规则会影响缩放比例产生约数，对精确性产生影响。

固位体的外壳和连接体为正方体。

咬合板体呈蹄形，设有咬合板上表面、咬合板下表面和咬合板颊舌侧，咬合板上表面和咬合板下有面分别设有牙槽，牙槽形态与相应的牙齿冠形态贴合；近咬合体端的第一个牙槽为双侧第一磨牙的位置，其形态与相应左右侧第一大牙牙冠形态贴合。

咬合板颊舌侧宽度为2-7mm，比不同牙位牙冠最大直径大2mm，厚度为1.5-3mm,所有固位形位置在各牙位牙冠外形高点至颌平面的空间之间。

咬合导板提供整个装置稳定精确可重复无创伤地在上下牙上固定，保证虚拟设计模型和真实患者颌面部组织的三维坐标的可重复性以及视觉坐标与之的统一性，并且不影响手术操作。可替换视觉捕捉标志提供给增强现实系统识别。

本发明中制作方法的具体操作步骤如下：

（1）患者咬蜡块打开咬合并且固定在开合的状态下进行常规螺旋ct扫面，获取dicom数据；

（2）常规进行虚拟手术计划的制作后，在虚拟手术软件上分割上下颌骨，将上下颌调整至双侧关节位于最后位、上下牙位于牙尖交错位，利用不规则弧形板（后及双侧第一磨牙远中邻面、颊舌侧宽度大于牙体直径1mm,厚度大于上下颌牙外形高点间的距离1/2,并且被颌平面平分）减去咬合的牙体模型，获取咬合板；在保持空间位置不变的情况下导出虚拟手术设计模型以及咬合板模型stl文件；

（3）在三维建模软件内，根据相应尺寸设计中空固位体、连接体和视觉标志模型，导出相应的stl模型，并在保持咬合板空间位置衡定的情况下，利用波尔运算将中空固位体与之相加，叠加前后位置在咬合板前界标志线后缘，平面同颌平面一致；

可替换视觉捕捉标志采取图形边缘提取技术识别其实体所在的三维空间位置，制作过程中，摈弃传统纸质打印的手段，采取三维建模的方法，将不同灰度部位设计不同的厚度外形（差值为0.1mm）,并对各个部位边缘进行锐化，然后采用3d技术打印，以获得比传统纸质打印更好的识别精度和更好可重复性。

具体为在三维建模软件里，以5*5*0.3cm的立方体为原模型，按照提取的边缘框架与立方体模型进行原点配准，将视觉标志的白色部分厚度增加为0.4cm,进行边缘锐化。并且对双面进行镜像设计，打印之后，将0.3cm厚度区域进行黑色化。

（4）将以上合成咬合板和中空固位体的stl模型（以下简称合成模型）、连接体和视觉标志模型利用3d打印制作备用；

（5）保持合成模型以及虚拟计划三维空间位置衡定，将视觉捕捉标志模块，在虚拟空间内利用抽屉固位形进行三维匹配，并将整个包含手术虚拟计划的模型导出为一个stl文件（以下简称增强现实模型）；

（6）在三维建模软件内将增强现实模型以视觉捕捉标志的重心为中心与世界坐标系的原点相匹配，并以0.025的缩放比例对整体进行缩小；

（7）术中将咬合板稳定固定在患者相应的牙齿上，在增强现实视觉捕捉系统的识别下在现实中呈现出与患者真实解剖结构形态、大小、空间位置一致的虚拟手术计划，辅助术者的操作。

本发明中通过咬合板实现牙列的刚性支持固定，使得视觉捕捉标志放置在计划的三维空间位置，更好的进行增强现实系统的应用，提高手术中对解剖结构的三维动态可视化，减少手术时间，增加手术的精确性。在临床应用中，能够在颌骨囊性病变，颌面部骨折等手术中指导手术的定位和骨折复位的三维空间位置等等，均获得满意效果。

个性化咬合导板利用刚性卡抱原理固定在上下颌牙齿间而成。

试验例一

患者，男性，30岁，因左侧上颌骨、颧骨骨折需要在全麻下进行“左侧上颌骨、颧骨骨折切开复位内固定术”，患者咬蜡块打开咬合后行螺旋ct扫描，获取数据后予以分割，咬合板的虚拟设计，以及虚拟手术计划的设计，保证虚拟手术计划模型同咬合板相对的三维关系固定不变，将中空固位体stl模型与咬合板融合后，对整体模型进行三维坐标的原点匹配，取融合后的咬合板以及中空固位体导出stl模型，利用sla3d打印技术打印，改变坐标的模型导入增强现实系统存储，将已预先制作好的的视觉捕捉模块同中空固位体利用抽屉固位形卡抱连接。术中全麻后，将咬合板一侧戴在患者牙列上固定，利用头戴式增强现实设备捕捉定位追踪器上的标志，以在显示屏上将虚拟手术计划同真实患者融为一体，三维实时动态辅助骨折线的寻找和骨折复位形态、方向的把握。手术以相对传统手术早1小时的情况下完成。术后摄ct完成与术前计划的分析，对患者面型、张口度、舒适度等进行评价，收到满意效果。

试验例二

患者，女性，45岁，因右侧上颌骨、颧骨颧弓陈旧性骨折需要在全麻下进行“右侧上颌骨、颧骨颧弓陈旧性骨折切开复位内固定术”，患者咬蜡块打开咬合后行螺旋ct扫描，获取数据后予以图像分割，咬合板、虚拟手术计划的虚拟设计，保证虚拟手术计划模型同咬合板相对的三维关系固定不变，将中空固位体stl模型与咬合板融合后，对整体模型进行三维坐标的原点匹配，取融合后的咬合板以及中空固位体导出stl模型，利用sla3d打印技术打印，改变坐标的模型导入增强现实系统存储，将已预先制作好的的视觉捕捉模块同中空固位体利用抽屉固位形卡抱连接，分别选择90度和180度的两个连接体连接。术中全麻后，将咬合板一侧戴在患者牙列上固定，利用头戴式增强现实设备捕捉定位追踪器上的标志，以在显示屏上将虚拟手术计划同真实患者融为一体，三维实时动态辅助骨折线的寻找和骨折复位形态、方向的把握。手术进行顺利，手术时间短，以相对传统手术早约1小时的情况下完成。术后摄ct完成与术前计划的分析，对患者面型、张口度、舒适度等进行评价，收到满意效果。

试验例三

患者，男性，47岁，因左下颌颌骨囊性病变需要全麻下进行“左下颌颌骨囊性病变刮治活检术”，患者咬蜡块打开咬合后行螺旋ct扫描，获取数据后予以图像分割，咬合板、虚拟手术计划的虚拟设计，保证虚拟手术计划模型同咬合板相对的三维关系固定不变，将中空固位体stl模型与咬合板融合后，对整体模型进行三维坐标的原点匹配，取融合后的咬合板以及中空固位体导出stl模型，利用sla3d打印技术打印，改变坐标的模型导入增强现实系统存储，将已预先制作好的的视觉捕捉模块同中空固位体利用抽屉固位形卡抱连接，分别选择90度和150度的两个连接体连接。术中全麻后，将咬合板一侧戴在患者牙列上固定，利用头戴式增强现实设备捕捉定位追踪器上的标志，以在显示屏上将虚拟手术计划同真实患者融为一体，三维实时动态展示下牙槽神经管和病变的关系、囊性病变的范围，以及周围骨阻力的情况，指导去骨的方向和面积，在取出全部病变组织的情况下保护神经、周围组织。手术进行顺利。术后摄ct完成与术前计划的分析，对患者面型、张口度、舒适度等进行评价，患者无麻木不适，局部未见明显塌陷，收到满意效果。