圖像導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】圖像導(dǎo)航系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)涉及2013年3月14日提交的第61/782，255號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)，并要求其優(yōu)先權(quán)，在此以全文引用的方式將其公開的內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于便于圖像導(dǎo)航手術(shù)的系統(tǒng)，更具體地，涉及用于口腔手術(shù)的改善的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]多年來圖像導(dǎo)航手術(shù)已經(jīng)具有廣泛的發(fā)展，并且目前是手術(shù)程序中非常重要的工具。大部分的改進(jìn)是以體內(nèi)極少到達(dá)的圖像位置諸如內(nèi)臟為中心。
[0005]口腔手術(shù)在本申請(qǐng)中限定為任何發(fā)生在口腔內(nèi)的手術(shù)，其很難可視化進(jìn)行?？谇幌鄬?duì)較小，并且對(duì)病人來說很難長時(shí)間維持張口的狀態(tài)。即使手術(shù)位置是可見的，一旦鉆子刺入，在任何給定的時(shí)間內(nèi)也很難確定鉆子的頂端在哪兒。
[0006]圖像導(dǎo)航手術(shù)涉及使用計(jì)算或計(jì)算機(jī)化軸向斷層掃描，通常稱為CT或CAT掃描，來創(chuàng)建手術(shù)位置(通常為三維)的數(shù)字圖像。然后，外科醫(yī)生利用該圖像制定用于手術(shù)的計(jì)劃。手術(shù)期間，將之前的CT掃描產(chǎn)生的圖像與特定的儀器一起使用，以可視地描述儀器的頂端在病人體內(nèi)的位置。
[0007]為了這么做，來自掃描的數(shù)字圖像必須準(zhǔn)確地配準(zhǔn)到(registered)病人手術(shù)位置，使得病人的移動(dòng)引起對(duì)數(shù)字圖像的調(diào)整。必須知道儀器的頂端相對(duì)于病人的準(zhǔn)確位置。
[0008]對(duì)于口腔手術(shù)，諸如在種植牙期間，醫(yī)生必須將鉆子鉆進(jìn)自由空間，同時(shí)控制鉆子隨著病人的潛在移動(dòng)處于六自由度。這會(huì)使鉆子精確地鉆進(jìn)好的骨，同時(shí)避免非常困難地鉆進(jìn)牙根和神經(jīng)。因此，圖像導(dǎo)航手術(shù)近年來被用于促進(jìn)鉆孔過程，為了計(jì)劃手術(shù)事件以提供恢復(fù)方案，醫(yī)生利用對(duì)病人牙齒的CT掃描精確地判斷骨密度、寬度和高度，并且了解其他牙齒的關(guān)系以及解剖結(jié)構(gòu)，該恢復(fù)方案可能是最成功的并且具有最小的創(chuàng)傷。
[0009]現(xiàn)有的計(jì)劃軟件和構(gòu)造系統(tǒng)，其利用CT圖像幫助將術(shù)前計(jì)劃翻譯成被動(dòng)手術(shù)導(dǎo)航(passive surgical guide)，即創(chuàng)建用于手術(shù)的虛擬計(jì)劃，然后在牙科實(shí)驗(yàn)室中預(yù)構(gòu)造手術(shù)導(dǎo)航以實(shí)施該計(jì)劃。這些被動(dòng)手術(shù)導(dǎo)航幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地指向正確的位置、角度和深度。被動(dòng)圖像導(dǎo)航手術(shù)具有局限性，他們必須在手術(shù)前在牙科實(shí)驗(yàn)室中或通過導(dǎo)航制造商預(yù)構(gòu)造。這就需要有醫(yī)生和病人的更多的時(shí)間和花費(fèi)。如果病人的口腔有變化或者醫(yī)生想要改變計(jì)劃，那么該導(dǎo)航就不再有用了。很多情況下，病人不能將他們的嘴巴張開足夠大以容納所需的儀器和導(dǎo)航。
[0010]動(dòng)態(tài)圖像導(dǎo)航(active image guided surgery)手術(shù)解決了被動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的很多問題，即有限的最大嘴張開、預(yù)先構(gòu)造被動(dòng)導(dǎo)航的需要以及手術(shù)期間不能改變計(jì)劃，這些問題都可以由動(dòng)態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)克服。為了提供動(dòng)態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)，病人的嘴巴的位置，具體的骨頭和牙齒，必須被精確地追蹤并配準(zhǔn)到掃描的圖像和手術(shù)工具上。為了這么做，大多數(shù)傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建配準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備附接至病人的頭部或插入到嘴巴里，該設(shè)備包括基準(zhǔn)標(biāo)記(fiducial marker)和傳感器。一些配準(zhǔn)設(shè)備附接至頭外部，例如安裝在頭上的夾具。為了限制對(duì)手術(shù)區(qū)域的干擾并且允許光學(xué)傳感器追蹤夾具和手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)，其它配準(zhǔn)設(shè)備涉及附接至額骨的具有傳感器的夾具。
[0011]為了創(chuàng)建口腔夾具，在手術(shù)前幾周制作通常既包括上部牙齒也包括下部牙齒的印模(impress1n)。然后將該印模送到實(shí)驗(yàn)室，在該實(shí)驗(yàn)室里制作實(shí)質(zhì)上復(fù)制了牙齒的鑄型(cast)。由該鑄型制作口腔夾具，或者將其安放在牙齒上，或者設(shè)計(jì)將其鉆進(jìn)顎骨里。該夾具包括至少基準(zhǔn)標(biāo)記，并且如果沒有裝配有傳感器，那么就包括光學(xué)傳感器的安裝位置。
[0012]實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建夾具之后，將其送到外科醫(yī)生那里。將戴有該夾具的病人和CT掃描帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。病人又一次被送回家。病人的口腔的數(shù)字圖像由該掃描創(chuàng)建，并且外科醫(yī)生制定手術(shù)計(jì)劃。
[0013]然后又將病人帶來以進(jìn)行手術(shù)。將夾具附接至病人。將光發(fā)射機(jī)定位在病人附近，并且其發(fā)射由傳感器探測(cè)到的信號(hào)。當(dāng)病人的嘴巴移動(dòng)時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)至軟件，從而對(duì)病人口腔的數(shù)字圖像做調(diào)整。該軟件也追蹤儀器的位置，并且描繪相對(duì)于牙齒的數(shù)字圖像處于正確位置的儀器的圖像。
[0014]除了給病人造成的不方便，現(xiàn)存系統(tǒng)常常很難精確地將病人配準(zhǔn)到數(shù)字掃描。所有目前的牙科動(dòng)態(tài)圖像導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)涉及光學(xué)追蹤，其需要將夾具放置在病人的嘴里，并且延伸到最外面以被光發(fā)射機(jī)或接收器探測(cè)到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明涉及用于在口腔手術(shù)期間追蹤和描繪手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括口腔夾具，該口腔夾具可移除地附接至病人口腔內(nèi)的至少一顆牙齒上，該口腔夾具包括由剛性材料制成的支架，當(dāng)經(jīng)受大約100° F的溫度時(shí)該剛性材料基本不會(huì)變形。該支架包括具有內(nèi)壁和外壁的基座，該內(nèi)壁和外壁從該基座以一角度向外延伸。該內(nèi)壁和外壁被隔開并彼此間隔一定距離，該距離大于想要將該口腔夾具附接至其上的牙齒的寬度。可塑的熱塑材料位于該支架的內(nèi)表面上。在固化時(shí)配置該可塑材料以保持病人的部分牙齒的外部輪廓的印模，該部分牙齒被該材料覆蓋。底座位于該支架上，該底座用于支撐該圖像導(dǎo)航系統(tǒng)中的追蹤元件。
[0016]在實(shí)施例中，當(dāng)將該可塑材料放置在處于高于鑄模溫度的升高的溫度的液體槽中時(shí)，該口腔夾具的該可塑材料被配置為變得開始可塑。當(dāng)材料準(zhǔn)備好被鑄模時(shí)，該可塑材料可以提供可視的指示，諸如該可塑材料的至少部分的顏色變化。
[0017]該口腔夾具的支架可包括沿其長度處于不同點(diǎn)的弱化線，該弱化線允許將該支架折斷至需要的長度以適應(yīng)特定病人的口腔大小。
[0018]該底座可以包括至或者是少一個(gè)照相機(jī)底座，其附接至該支架或與該支架形成一體。該照相機(jī)底座可以包括至少一個(gè)照相機(jī)支架，可以將照相機(jī)安裝在該照相機(jī)支架中，用于從該夾具觀察口腔前面或?qū)γ娴谋砻?。該照相機(jī)支架可以是形成在該照相機(jī)底座中的通道或孔，該照相機(jī)底座的大小被設(shè)置為接收小視頻照相機(jī)。在實(shí)施例中，該照相機(jī)底座中有兩個(gè)通道，這兩個(gè)通道被放置以將兩個(gè)照相機(jī)定位在相對(duì)于該支架的兩個(gè)不同的方向。
[0019]優(yōu)選地，該口腔夾具包括安裝在該支架或該可塑材料中的多個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記，該多個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記用于確定該口腔夾具相對(duì)于病人牙齒的位置。該基準(zhǔn)標(biāo)記可以由與該支架、可塑材料和病人牙齒具有不同輻射密度的材料制成，從而在CT掃描圖像中該基準(zhǔn)標(biāo)記可被探測(cè)到，例如五金，但不限于諸如鋁或不銹鋼的五金，以及陶瓷。如可由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的也可以使用其他材料。優(yōu)選地，該口腔夾具上具有彼此相互間隔開的并至少三個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記，并且牢固地附接至該支架。
[0020]每個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記可以具有的輻射密度、尺寸或形狀與其它基準(zhǔn)標(biāo)記的不同，從而可以由追蹤軟件自動(dòng)地探測(cè)到。在一個(gè)實(shí)施例中，該基準(zhǔn)標(biāo)記是陶瓷球軸承。
[0021]本申請(qǐng)還公開了用于追蹤口腔內(nèi)手術(shù)儀器的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括配置為位于該口腔內(nèi)的多個(gè)照相機(jī)。該多個(gè)照相機(jī)設(shè)計(jì)為當(dāng)啟動(dòng)時(shí)提供口腔內(nèi)光學(xué)可視圖案的口腔圖像。提供處理系統(tǒng)，對(duì)其編程以處理該口腔圖像和識(shí)別圖案，從而三角測(cè)量每個(gè)照相機(jī)的位置和方向。優(yōu)選地，該處理系統(tǒng)利用參考數(shù)據(jù)集，該參考數(shù)據(jù)集定義了牢固地與口腔結(jié)構(gòu)的一部分對(duì)齊的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。該處理系統(tǒng)基于該參考數(shù)據(jù)集確定被追蹤儀器的位置和方向。
[0022]在實(shí)施例中，該光學(xué)可視圖案是可視高對(duì)比度的人造圖案(visiblehigh-contrast man-made pattern)，諸如二維條形碼，該光學(xué)可視圖案位于器械(appliance)上，該器械可移除地附接至病人口腔的一顆或多顆牙齒、牙齦或骨頭。在實(shí)施例中，光學(xué)可視圖案附接至被追蹤的手術(shù)儀器。
[0023]優(yōu)選地，至少一個(gè)照相機(jī)附接至被追蹤的手術(shù)儀器，以及至少一個(gè)照相機(jī)附接至牙科器械，該牙科器械附接至病人的牙齦、牙齒或其中的骨頭。
[0024]該參考數(shù)據(jù)集可以包括口腔夾具相對(duì)于所述病人的口腔結(jié)構(gòu)的位置和方向，該參考數(shù)據(jù)集可以是CT掃描的一部分。
[0025]在實(shí)施例中，參考數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)在該處理系統(tǒng)中。該牙科器械可移除地附接至病人的解剖結(jié)構(gòu)的第一位置。第二牙科器械位于口腔內(nèi)的位置，該位置允許該第二牙科器械的部分在被追蹤的手術(shù)儀器上的照相機(jī)或該牙科器械上的照相機(jī)是可視的。對(duì)該處理系統(tǒng)進(jìn)行編程，通過將每個(gè)照相機(jī)和該第二牙科器械之間的相對(duì)變換相結(jié)合，來確定該被追蹤的手術(shù)儀器的位置和方向。
[0026]在另一個(gè)實(shí)施例中，第一牙科器械包括至少一個(gè)附接的照相機(jī)，并且可移除地將其附接至口腔內(nèi)的位置。第二牙科器械可移除地附接至病人的解剖結(jié)構(gòu)的利害位置，在該位置該第二牙科器械的部分在該第一牙科器械上的照相機(jī)是可視的。該被追蹤的牙科儀器包括光學(xué)可視圖案，該光學(xué)可視圖案的部分在該第一牙科器械上的照相機(jī)是可視的。處理系統(tǒng)利用該參考數(shù)據(jù)集通過估計(jì)和結(jié)合相對(duì)變換來確定被追蹤的儀器的位置和方向，該參考數(shù)據(jù)集包括該第二牙科器械相對(duì)于CT掃描圖像的位置和方向，該相對(duì)變換為該第二牙科器械和被追蹤儀器中的每一個(gè)上的圖案的一部分與該第一牙科器械上的每個(gè)照相機(jī)之間的相對(duì)變換。
[0027]還公開了用于追蹤和描繪口腔手術(shù)期間口腔手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)的方法。該方法包括提供具有塑料支架的口腔夾具和可塑的熱塑性材料，該塑料支架具有基座，該可塑的熱塑性材料被放置在該支架的內(nèi)表面上，并且被鑄模到病人的某顆牙齒，該牙齒不是在該口腔手術(shù)期間被進(jìn)行手術(shù)的牙齒。提供手術(shù)追蹤程序，其接收病人的口腔的CT掃描圖像，其中該口腔夾具附接至該病人的牙齒。在該程序中識(shí)別該CT掃描圖像中的基準(zhǔn)標(biāo)記，并且存儲(chǔ)該掃描圖像。提供具有工具夾具的手術(shù)工具，該工具夾具安裝至該工具或是該工具的一部分。在某位置提供參考夾具(reference fixture)，該位置與該口腔夾具分開。該參考夾具包括參考圖案，該參考圖案為視頻照相機(jī)提供用于探測(cè)的視覺參考點(diǎn)，以及用于該程序確定該口腔夾具和該手術(shù)工具的位置。該程序檢索存儲(chǔ)的掃描圖像，并且將病人口腔中的口腔夾具配準(zhǔn)到該CT掃描圖像。該程序通過使用一個(gè)或多個(gè)照相機(jī)探測(cè)該參考圖案的運(yùn)動(dòng)來確定該口腔夾具的運(yùn)動(dòng)，以及利用該追蹤程序計(jì)算該口腔夾具的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。該程序通過利用該追蹤程序確定該工具夾具的運(yùn)動(dòng)來確定該手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。該程序在顯示器上描繪該存儲(chǔ)的掃描圖像上的手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)。
[0028]如附圖中繪示的，根據(jù)以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將變的更加明顯。如可實(shí)現(xiàn)的，能夠以各種方式修改本發(fā)明，該修改都不脫離本發(fā)明的范圍。因此，應(yīng)將附圖和說明書認(rèn)為是本質(zhì)性的繪示而非限制目的。
【附圖說明】
[0029]出于繪示本發(fā)