CN114668534A - 一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***和方法。该***包括：牙槽、探针、连接体、种植体、口腔定位夹具、种植牙导航***、红外双目相机、机械臂。通过在手术中使用探针与种植体接触的交互方式，实时获取当前种植体的三维位置，从而在种植牙手术过程中实时计算种植精度，并通过所述种植牙导航***实时显示，判断种植体是否植入至理想位置，医生可根据种植牙的实时位置及时调植入深度，从而更准确、高效的完成手术。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***和方法。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，手术机器人已成为医疗手术领域重要的研究方向。手术机器人在让手术结果变得更加精准的同时，还可以降低医生的学习成本，让手术的过程标准化和简单化。同时，口腔种植技术在近些年来也得到了快速的发展，种植牙手术已成为牙齿缺失和修复的主流治疗方案，种植牙手术机器人的研究也成为了热门研究趋势。
种植牙手术的精度判断标准是种植手术完成后种植牙的位置与手术规划时预期的种植位置在三维空间的偏差值。目前，传统的人工植牙和手术机器人植牙手术需要进行术后评估来计算种植精度，即将术前的CT影像、术前规划的理论种植位置的种植体和术后植入种植体的CT影像进行图像融合，测量并计算理论和实际种植体的角度和距离误差值，判断手术的精准度。但该方法不够灵活、效率低，且无法在手术过程中实时反馈当前精确的种植精度，医生只能凭借经验和肉眼观察种植是否到位，而医生更需要的是在手术过程中即时获取当前种植牙的位置即种植精度，并根据种植牙的实时位置及时调植入深度。因此亟需一种能够在种植牙手术过程中获取种植精度的检测***和方法。
发明内容:
为了解决上述背景技术中所述的无法在种植牙手术过程获取种植精度的问题，本发明提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***和方法，该方法通过在手术中使用探针与种植体接触的交互方式，获取当前种植体的三维位置来计算种植精准度，判断种植体是否植入至理想位置，帮助医生更准确、高效的进行手术。
第一方面，本发明提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，该***包括：牙槽、探针、连接体、种植体、口腔定位夹具、种植牙导航***、红外双目相机、机械臂。
进一步地，所述探针头部装有反光结构，作为第一视觉标记，可被红外双目相机识别三维位置，所述探针末端呈锥状或者勾状。
进一步地，所述口腔定位夹具的一端装有反光结构，作为第二视觉标记，另一端呈现字母U的形状，与患者口腔的牙槽适配。
进一步地，所述连接体的一端为连接杆，用于与所述机械臂的末端相连接，另一端连接种植体。
进一步地，所述连接杆顶部至所述种植体顶部的距离固定。
进一步地，所述红外双目相机包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
进一步地，所述种植牙导航***可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视化，并实时反馈当前种植牙的精准度。
第二方面，本发明还提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，该方法包括：
设备与***准备：将所述口腔定位夹具佩戴于患者口腔中的规定位置，所述红外双目相机可识别场景中运动的第一和第二视觉标记，启动所述种植牙导航***实时显示种植的精度；
配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配；
进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换；
标定所述探针末端位置，用于实时计算所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标；
计算当前植入的种植体的顶面在理论种植体坐标系下的表示；
计算种植精度，判断当前种植体是否植入到位。
1.进一步地，所述配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配，包括以下步骤：
根据CBCT扫描设备确定CT坐标系RAS；
建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系XYZ以所述红外双目相机的左眼为中心，平行于相机面的水平轴线为x轴，平行于相机面的竖直轴线为z轴；
所述CT坐标系与所述口腔定位夹具上的第二视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机可识别第二视觉标记；
计算所述CT坐标系RAS和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系，满足：
其中T1为所述红外双目相机坐标系至所述口腔定位夹具坐标系的转换关系矩阵，T2为所述口腔定位夹具坐标系至所述CT坐标系的变换矩阵，T为所述红外双目相机坐标系至所述CT坐标系的转换关系矩阵。
进一步地，所述进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换，包括：
对规划的种植体建立坐标系XiYiZi；
计算规划的种植体坐标系与所述CT坐标系的转换关系；
根据上述计算的CT坐标系与红外双目相机坐标系的转换关系，可得出所述规划种植体坐标系和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系矩阵T′，满足：
其中T3为所述CT坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵，T′为所述红外双目相机坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵。
进一步地，所述规划的种植体顶端中心在所述CT坐标系RAS下的坐标为P，在理论种植体坐标系XiYiZi下的坐标是P1(0,0,0)，法线方向为N1。
进一步地，所述标定所述探针末端位置，用于实时计算所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标，包括：
将所述探针末端触碰所述红外双目相机标定空间内一个坐标确定的点，该点的坐标即为当前位置下所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4；
三个反光球在所述红外双目相机坐标系下的当前坐标分别为Q1、Q2和Q3；
建立探针坐标系XpYpZp；
在所述探针坐标系下，可确定第一视觉标记和所述探针末端的相对位置关系T1，满足:
随着所述探针移动，第一视觉标定和所述探针末端的位置会发生改变，而但两者的相对位置关系不会发生变化，根据转换关系T1可实时计算出所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4。
进一步地，所述计算当前植入的种植体的顶面在理论种植体坐标系下的表示，包括：
在种植体植入的过程中，使用所述探针末端划过所述连接体的顶部，形成多组所述红外双目相机坐标系下Q1,Q2,Q3的集合；
根据上述计算的转换关系矩阵T1，得出一组位于同一平面上的Q4点的集合；
将所述连接杆顶面的平面定义为M1，将所述种植体的顶面平面定义为M2，M1平面和M2平面平行，即两平面之间的距离是确定的，为所述连接杆的长度L，可根据已知的M1平面计算得到所述红外双目相机坐标系下M2平面的位置；
根据所述红外双目相机坐标系和所述规划种植体坐标系的转换关系矩阵T′，可得M2平面在所述理论种植体坐标系下的表示方式M′2，满足:
根据得到的当前种植体平面在所述理论种植体坐标系下的表示M′2，得到其法线方向N2；
进一步地，所述计算种植精度，判断当前种植体是否植入到位，包括：
计算种植角度的偏差：
α＝arccos(N1,N2)(0≤α≤90)
计算种植的距离偏差D：所述理论种植体的顶部中心位置为P1(0,0,0)，种植的距离偏差D即为P1点到已知平面M′2的距离；
根据所述角度偏差α和所述距离偏差D判断当前种植体是否植入到位。
本发明提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测装置和方法，该方法通过在手术中使用探针与种植体接触的交互方式，实时获取当前种植体的三维位置，从而在种植牙手术过程中实时验证种植精度，判断种植体是否植入至理想位置，医生可根据种植牙的实时位置及时调植入深度，更准确、高效的完成手术。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的口腔内部种植精度检测装置示意图；
图2是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的场景示意图；
图3是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法流程图。
附图标记说明：1.牙槽；2.探针；3.连接体；4.种植体；5.口腔定位夹具；6.种植牙导航***；7.红外双目相机；8.机械臂。
具体实施方式
下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开，而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对本公开更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例的装置和方法进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的口腔内部种植精度检测***的示意图，图2是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的场景示意图，如图1和图2所示，本发明提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，该***包括：牙槽1、探针2、连接体3、种植体4、口腔定位夹具5、种植牙导航***6、红外双目相机7、机械臂8。
作为一种可选地实施方式，所述探针2的头部装有反光球，作为第一视觉标记，可被红外双目相机7识别三维位置，所述探针2的末端呈现锥状。此外所述探针的末端呈现勾状也是一种优选实施方式。
作为一种可选地实施方式，所述探针2的头部也可以使用反光板作为第一视觉标记，所述探针2的末端也可采用其他形状来实现同样的技术效果，例如采用勾状等形状。
作为一种可选地实施方式，所述口腔定位夹具5的一端装有反光球，作为第二视觉标记，另一端呈现字母U的形状，与患者口腔的牙槽1适配。
作为一种可选地实施方式，所述口腔定位夹具5也可以使用反光板作为第二视觉标记。
作为一种可选地实施方式，所述连接体3的一端为连接杆，用于与所述机械臂8的末端相连接，另一端连接种植体4。
作为一种可选地实施方式，所述连接杆顶部至所述种植体4顶部的距离是固定的，且在生产时已知。
作为一种可选地实施方式，所述红外双目相机7包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
作为一种可选地实施方式，所述种植牙导航***6可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视化，并实时反馈当前种植牙的精准度。
图3是本发明实施例提供的用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法流程图。如图3所示，本发明还提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，该方法包括：
S301，设备与***准备；
S302，标定所述探针2末端的位置，用于实时计算所述探针2的末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标；
S303，配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***6显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配；
S304，进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换；
S305，计算当前植入的种植体4的顶面在理论种植体坐标系下的表示；
S306，计算种植精度，判断当前种植体4是否植入到位。
作为一种可选地实施方式，S301中所述设备与***准备包括：
将所述口腔定位夹具5佩戴于患者口腔中的规定位置，所述红外双目相机7可识别场景中运动的第一和第二视觉标记，启动所述种植牙导航***6实时显示种植的精度。
作为一种可选地实施方式，S302中所述标定所述探针2末端位置，用于实时计算所述探针2末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标，包括：
将所述探针2的末端触碰所述红外双目相机7标定空间内一个坐标确定的点，该点的坐标即为当前位置下所述探针2的末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4；
三个反光球在所述红外双目相机坐标系下的当前坐标分别为Q1、Q2和Q3；
建立探针坐标系XpYpZp；
在所述探针坐标系下，可确定第一视觉标记和所述探针末端的相对位置关系T1，满足:
随着所述探针2移动，第一视觉标定和所述探针2的末端位置会发生改变，而但两者的相对位置关系不会发生变化，根据转换关系T1可实时计算出所述探针2的末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4。
作为一种可选地实施方式，S303中所述配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***6显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配，包括：
根据CBCT扫描设备确定CT坐标系RAS；
建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系XYZ以所述红外双目相机7的左眼为中心，平行于相机面的水平轴线为x轴，平行于相机面的竖直轴线为z轴；
所述CT坐标系与所述口腔定位夹具5上的第二视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机7可识别第二视觉标记；
计算所述CT坐标系RAS和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系，满足：
其中T1为所述红外双目相机坐标系至所述口腔定位夹具坐标系的转换关系矩阵，T2为所述口腔定位夹具坐标系至所述CT坐标系的变换矩阵，T为所述红外双目相机坐标系至所述CT坐标系的转换关系矩阵。
作为一种可选地实施方式，S304中所述进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换，包括：
对规划的种植体建立坐标系XiYiZi；
计算规划的种植体坐标系与所述CT坐标系的转换关系；
根据上述计算的CT坐标系与红外双目相机坐标系的转换关系，可得出所述规划种植体坐标系和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系矩阵T′，满足：
其中T3为所述CT坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵，T′为所述红外双目相机坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵。
作为一种可选地实施方式，所述规划的种植体顶端中心在所述CT坐标系RAS下的坐标为P，在理论种植体坐标系XiYiZi下的坐标是P1(0,0,0)，法线方向为N1。
作为一种可选地实施方式，S305中所述计算当前植入的种植体4的顶面在理论种植体坐标系下的表示，包括：
在种植体4植入的过程中，使用所述探针2的末端划过所述连接体3的顶部，形成多组所述红外双目相机坐标系下Q1,Q2,Q3的集合；
根据上述计算的转换关系矩阵T1，得出一组位于同一平面上的Q4点的集合；
将所述连接杆顶面所在平面定义为M1，将所述种植体4的顶面平面定义为M2，M1平面和M2平面平行，即两平面之间的距离是确定的，为所述连接杆的长度L，可根据已知的M1平面计算得到所述红外双目相机坐标系下M2平面的位置；
根据所述红外双目相机坐标系和所述规划种植体坐标系的转换关系矩阵T′，可得M2平面在所述理论种植体坐标系下的表示方式M′2，满足:
根据得到的当前种植体4平面在所述理论种植体坐标系下的表示M′2，得到其法线方向N2；
作为一种可选地实施方式，S306中所述计算种植精度，判断当前种植体4是否植入到位，包括：
计算种植角度的偏差：
α＝arccos(N1,N2)(0≤α≤90)
计算种植的距离偏差D：所述理论种植体的顶部中心位置为P1(0,0,0)，种植的距离偏差D即为P1点到已知平面M′2的距离；
根据所述角度偏差α和所述距离偏差D判断当前种植体4是否植入到位。
本发明提供了一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测装置和方法，该方法通过在手术中使用探针与种植体接触的交互方式，实时获取当前种植体的三维位置，从而在种植牙手术过程中实时验证种植精度，判断种植体是否植入至理想位置，医生可根据种植牙的实时位置及时调植入深度，更准确、高效的完成手术。
上面参考根据本公开的实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的***、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，包括：牙槽、探针、连接体、种植体、口腔定位夹具、种植牙导航***、红外双目相机、机械臂。
2.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述探针头部装有反光结构，作为第一视觉标记，可被红外双目相机识别三维位置，所述探针末端呈锥状或者勾状。
3.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述口腔定位夹具的一端装有反光结构，作为第二视觉标记，另一端呈现字母U的形状，与患者口腔的牙槽适配。
4.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述连接体的一端为连接杆，用于与所述机械臂的末端相连接，另一端连接种植体。
5.根据权利要求4所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述连接杆顶部至所述种植体顶部的距离固定。
6.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述红外双目相机包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
7.根据权利要求1所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测***，其特征在于，所述种植牙导航***可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视化，并实时反馈当前种植牙的精准度。
8.一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，包括：
设备与***准备：将所述口腔定位夹具佩戴于患者口腔中的规定位置，所述红外双目相机可识别场景中运动的第一和第二视觉标记，启动所述种植牙导航***实时显示种植的精度；
标定所述探针末端位置，用于实时计算所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标；
配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配；
进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换；
计算当前植入的种植体的顶面在理论种植体坐标系下的表示；
计算种植精度，判断当前种植体是否植入到位。
9.根据权利要求8所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，所述配准CT坐标系与红外双目相机坐标系，将所述种植牙导航***显示的虚拟场景与种植牙手术中面对的现实手术场景相匹配，包括以下步骤：
根据CBCT扫描设备确定CT坐标系RAS；
建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系XYZ以所述红外双目相机的左眼为中心，平行于相机面的水平轴线为x轴，平行于相机面的竖直轴线为z轴；
所述CT坐标系与所述口腔定位夹具上的第二视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机可识别第二视觉标记；
计算所述CT坐标系RAS和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系，满足：
其中T1为所述红外双目相机坐标系至所述口腔定位夹具坐标系的转换关系矩阵，T2为所述口腔定位夹具坐标系至所述CT坐标系的变换矩阵，T为所述红外双目相机坐标系至所述CT坐标系的转换关系矩阵。
10.根据权利要求8所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，所述进行种植体坐标系与所述红外双目相机坐标系的转换，包括：
对规划的种植体建立坐标系XiYiZi；
根据CT坐标系RAS和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系计算规划的种植体坐标系与所述CT坐标系的转换关系，即所述规划种植体坐标系和所述红外双目相机坐标系XYZ的转换关系矩阵T′，满足：
其中T3为所述CT坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵，T′为所述红外双目相机坐标系至所述规划的种植体坐标系的转换关系矩阵；规划的种植体顶端中心在所述CT坐标系RAS下的坐标为P，在理论种植体坐标系XiYiZi下的坐标是P1(0,0,0)，法线方向为N1。
11.根据权利要求8所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，所述标定所述探针末端位置，用于实时计算所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标，包括：
将所述探针末端触碰所述红外双目相机标定空间内一个坐标确定的点，该点的坐标即为当前位置下所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4；
三个反光球在所述红外双目相机坐标系下的当前坐标分别为Q1、Q2和Q3；
建立探针坐标系XpYpZp；
在所述探针坐标系下，可确定第一视觉标记和所述探针末端的相对位置关系T1，满足:
随着所述探针移动，第一视觉标定和所述探针末端的位置会发生改变，而但两者的相对位置关系不会发生变化，根据转换关系T1可实时计算出所述探针末端在所述红外双目相机坐标系下的坐标Q4。
12.根据权利要求8所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，所述计算当前植入的种植体的顶面在理论种植体坐标系下的表示，包括：
在种植体植入的过程中，使用所述探针末端划过所述连接体的顶部，形成多组所述红外双目相机坐标系下Q1,Q2,Q3的集合；
根据权利要求14中的转换关系矩阵T1，得出一组位于同一平面上的Q4点的集合；
将所述连接杆顶面的平面定义为M1，将所述种植体的顶面平面定义为M2，M1平面和M2平面平行，即两平面之间的距离是确定的，为所述连接杆的长度L，可根据已知的M1平面计算得到所述红外双目相机坐标系下M2平面的位置；
根据所述红外双目相机坐标系和所述规划种植体坐标系的转换关系矩阵T′，可得M2平面在所述理论种植体坐标系下的表示方式M′2，满足:
根据得到的当前种植体平面在所述理论种植体坐标系下的表示M′2，得到其法线方向N2。
13.根据权利要求8所述的一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测方法，其特征在于，所述计算种植精度，判断当前种植体是否植入到位，包括：
计算种植角度的偏差：
α＝arccos(N1,N2)(0≤α≤90)
计算种植的距离偏差D：所述理论种植体的顶部中心位置为P1(0,0,0)，种植的距离偏差D即为P1点到已知平面M′2的距离；
根据所述角度偏差α和所述距离偏差D判断当前种植体是否植入到位。
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