TWI396523B - 用以加速牙科診斷及手術規劃之系統及其方法 - Google Patents

Description

用以加速牙科診斷及手術規劃之系統及其方法

本發明係關於一種利用牙模(cast model)來加速牙科診斷及手術規劃之系統，特別是關於一種將立體解剖資訊(three-dimensional anatomical information)以及牙模進行整合之系統。本發明之系統最大的好處在於其有效整合了數位化立體影像的長處以及牙模的優點，使用者可利用本發明之系統所提供的高度整合性環境而讓手術規劃變得更快速且精確。

此外，本發明亦關於一種方法，其可供使用者建立立體解剖資訊以及牙模間的關聯性，並藉此對後續的手術進行規劃與評估。

術前評估在牙科手術中扮演著相當重要的角色，若要在牙科診斷與手術規劃過程中更為了解病患的狀況，醫師常需參考許多不同的資訊。在各種資訊中，牙模與X光放射攝影(X-ray radiograph)是兩種性質不同的重要資訊，其中，牙模主要可提供外部資訊，其包括讓牙醫能了解病患牙齒咬合狀況並提供外觀的資訊；相反地，X光放射攝影則可提供內部的解剖資訊，包括病患牙齒與顎骨的情形，這些資訊對某些牙科手術來說是極度重要的，像是植牙手術、根管治療(root canalling)、阻生齒摘除(impacted tooth extraction)以及顳顎關節評估等等。

如上所述，雖然牙模與X光放射攝影可提供彼此互補的重要資訊供牙醫參考，這兩種資訊在大部分的情形下卻常被分開處理，以致於牙醫在整合這兩種資訊時常常需要耗費腦力與時間才能達成。舉例來說，牙醫常需要根據病患顎骨狀況的X光放射攝影才能判斷植牙的方向。而要把植牙方向的資訊配合牙模一起使用，牙醫之後還得另外使用解剖標誌才能同時在牙模上進行咬合狀況及外觀的術前評估。儘管目前大多數牙醫還是採取上述的步驟，上述步驟卻不是最有效率的作法。

為了解決上述兩種資訊分開使用所帶來的困擾，先前技術提出了幾種解決方案。基本上來說，這些方案大致上可分為兩類，其中一類的作法是將立體數位影像中所攜帶的資訊整合到牙模上，並據此讓使用者得以利用牙模來評估規劃手術。舉例來說，美國專利第US5,133,660號即揭露了一種牙套鑄造物裝置，其可將X光放射攝影之影像傳送到牙模上，讓植牙等各種規劃可以在牙模上進行。此種方法乃是在欲植牙處將該鑄造物橫切，好讓可顯示病患顎骨內部結構的X光影像能藉由埋覆其中的X光不透明參考格點而排列在牙模的切面上。此種方法的缺點在於，由於切面只能被切開一次，使用者並無法在牙模上觀察其他的位置與方向，所以此種方法在使用上並不具彈性。

另一類發明則是將牙模上所攜帶的資訊整合到立體數位模型中。因為所有的資料都被整合到數位模型上，此種 方法所使用的立體數位模型常被稱為電子牙模模型(electronic study model)。其中，美國專利第US5,562,448就提出了類似的方法，於該專利中，牙模上的資料先被轉換成一個立體數位模型中，接著該數位模型再被傳送到一台負載有各種影像資訊的電腦中。此外，美國專利第US7,133,042號則揭露了一種可以整合多種來源之解剖資訊至一數位化環境的系統，舉例來說，該來源可以是牙模及X光放射攝影。然而，由於牙模的資訊均被整合到數位的環境中，牙模本身所能提供的視覺及觸覺效果均不復存在。儘管現在確實有各種技術來解決此種問題，例如可以恢復深度資訊的立體光學技術，或可以增進系統之觸覺效果的施力回饋裝置。然而，這些額外的裝置無疑會產生更多的成本支出，所以對使用者而言又是另一筆負擔。

為能同時結合牙模與X光放射攝影資料的優點，本發明係提供一種可利用牙模來加速牙科診斷及手術規劃之系統，該系統可即時將牙模資訊與透過影像呈現技術展示的解剖資訊進行結合。本發明由於保留了牙模所能提供的立體視覺及觸覺效果，該系統可讓牙醫能以更為直接的方式來進行手術規劃，而這正是僅利用數位環境無法達成的效果。另一方面，由於牙醫不再需要自行轉換來自不同來源的資訊，本發明直接在解剖影像資訊與牙模上特定點之間建立關聯性的作法更可大大增加手術規劃評估的效率。

本發明之系統主要包括一部電腦、一歸位標記用之物體以及一定址裝置(localization means)。其中該電腦可讀取立體解剖資訊，並根據該立體解剖資訊呈現一解剖影像，而該資訊係包括基準標記資訊；該立體解剖資訊係可選自根間放射攝影資料、環口放射攝影資料、斷層放射攝影資料，以及在較佳的情形下，選自電腦斷層放射攝影資料。該歸位標記用之物體包括至少一基準標記，該基準標記係可在不同環境下成像及量測，因此，不但基準標記之位置可以透過特徵識別演算法(feature identification algorithm)予以確認，基準標記同時也可以在實體空間中被該定址裝置量測。在較佳的情形下，該歸位標記用之物體包括一主要部份，且該基準標記係安置於該主要部份上。該主要部份可以是牙齒負向壓模(negative impression)之鑄造物，且其係利用該牙模製得。於使用時，該歸位標記用之物體可以被裝設在牙模上以作為參照，並提供進行檢測(navigation)時所需要的空間資訊。

該定址裝置在本發明中主要是一可用來確認並追蹤牙模上任意點座標的裝置，一般來說，定址裝置多具有一可以用來量測空間狀態的筆形探針(stylus probe)，而針尖所在的空間資訊則可被傳回該電腦，以顯示該點位置下的組織影像。因此，該定址裝置可以是立體光學感測器、磁場感應器、超音波時間差裝置，或在較佳的情形下，是一個機械手臂。然而，其並不以上述裝置為限。

此外，本發明亦提供一種方法，其可讓牙醫藉由將定址裝置指到特定點而即時觀察到病患顎骨在該點的立體影 像。該方法主要包括以下步驟：將一歸位標記用之物體裝設至一固定於一定位置之牙模上，該歸位標記用之物體包括至少一基準標記；傳送與該基準標記對應之位置資訊至一電腦，其中該電腦係儲存有立體解剖資訊，且該立體解剖資訊包括基準標記資訊；配對該立體解剖資訊與該位置資訊；以及接收該牙模上一點之空間資訊，並顯示一對應該空間資訊之解剖影像。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉具體實施例說明如下。

以下請先參考圖1關於本發明系統1之示意圖。如圖1所示，系統1主要包括三部份：電腦10、歸位標記用之物體20以及定址裝置30。電腦10在本發明中主要係用來呈現解剖影像，其並可讀取包括有基準標記資訊之立體解剖資訊，以及根據該立體解剖資訊呈現一解剖影像。一般來說，解剖資訊乃是病患戴上該歸位標記用之物體20進行X光照射後所得到的X光放射攝影資料，特別是來自病患顎骨的X光放射攝影資料。該立體解剖資訊可選自根間放射攝影資料(intral-oral radiographic data)、環口放射攝影資料(panoramic radiographic data)以及斷層放射攝影資料(tomographic radiographic data)，特別是選自電腦斷層放射攝影資料(computed tomographic radiographic data)。而前述之資料可以來自各種立體影像裝置，如電腦斷層掃描機、核磁共振造影機或醫用超音波裝置。電腦10乃儲存有病患 的立體解剖資訊，且在電腦10內的成像軟體係可根據該立體解剖資訊呈現出對應的解剖影像。由於此類成像軟體係為技術領域中具有通常知識者所知悉，在此不再贅述。

在解剖影像被呈現後，牙醫則可以利用一輸入裝置來操控調整該解剖影像，而該輸入裝置可以是鍵盤、滑鼠等。於立體解剖影像中，牙醫可以下達一切面指令進而讓電腦10呈現對應的切面影像，並藉此了解病患顎骨的內部情形。舉例來說，當牙醫把切面指令定在牙弓時，該系統1將可顯示出斷層影像(tomographic image)，而此種影像也是大部分牙醫最熟悉的一種影像。由此可知，此種利用軟體來產生斷層影像的方法比利用斷層系統硬體更具彈性，這些牙醫專業熟知的硬體影像系統包含Denar Quint Sectograph Image System(Denar Corp,USA)以及Planmeca ProMax(Planmeca Oy,Finland)。

這種軟體所提供的彈性對於本發明來說是相當重要的，這部份可由兩個面向來說。首先，這讓牙醫得以在病患不在現場的情形下任意改變切面的位置與方向，並得以檢測病患顎部解剖構造的情形。如果使用的是前述的硬體，要想改變切面的位置與方向一定要再進行一次放射攝影。此外，這種作法也讓定址裝置30有機會利用電子連結方式將探針針尖的位置傳送到電腦10，以呈現病患在該點的內部構造。

歸位標記用之物體20包括至少一基準標記21，由於該基準標記21係可在不同環境下成像及量測，因此其在影像空間中的位置可利用特徵識別演算法予以確認，同時該基 準標記21也可以被定址裝置30在實體空間中量測。於本實施例中，歸位標記用之物體20包括有三個基準標記21。同時，如圖1所示，該基準標記21係以圓珠的型態存在。應注意的是，基準標記21也可以其他形式存在，舉例來說，基準標記21也可為管狀、錐狀或具有其他幾何形狀的物體。由於基準標記21的主要功能是在定義平面，因此，管狀物體配上一個圓珠，或是錐狀物體也都可以達成三個圓珠的功能。

於本發明中，影像資料存在電腦10中之座標系統乃稱為影像空間，而定址裝置30所處的空間則被稱為實體空間。當本發明各單元被開啟時，電腦10內的影像空間與定址裝置30所在的實體空間並沒有任何關聯性。為了要建立影像的解剖資料與其位於牙模40上對應點之間的關係，使用者必需先行將影像空間與實體空間進行一對一的對應，而此步驟即稱為歸位(registration)。於本發明中，此步驟需要有歸位標記用之物體20的存在。一般來說，歸位標記用之物體20多包含一個主要部份23，且該基準標記21係安置於該主要部份23上，且該主要部份23有一面乃係製作成病患牙齒之負向壓模牙套。由於其係利用牙模40製作而得，該歸位標記用之物體20可以被緊密的套設在牙模40上。

此外，本發明之基準標記21具有適合一般立體影像裝置之拍攝特性，舉例來說，若採用電腦斷層機來收集病患的解剖資料，則該基準標記21應可在該電腦斷層機中成像，且不會產生過於嚴重的干擾現象。

於本發明中作為追蹤器的定址裝置30乃是可提供特定點之空間資訊的裝置，且該空間資訊包括該點之位置以及方向。如圖1所示，定址裝置30可以是具有數個樞紐35的機械手臂，且其可以提供複數個自由度。機械手臂的一端是筆形探針31，其針尖可用來探測及量測特定點，而該點的空間資訊並可進一步透過一無線模組33傳送至電腦10，進而指定影像的呈現方式。此外，由無線模組33所傳送的信號則可被電腦10上安裝的接收器11予以接收。

應注意的是，本發明也可以採用其他可記錄任意點空間資訊的裝置，並不限於機械手臂。舉例來說，定址裝置30也可以是立體光學感測器、磁場感應器或超音波時間差裝置，此外，定址裝置30也可以是透過有線的方式將訊號傳送至電腦10。

為能固定定址裝置30與裝設在牙模40上的歸位標記用之物體20間的相對位置，兩者可被固定在具有固定器51的平台50上。由於歸位標記用之物體20與牙模40都被固定器51緊緊的鎖住，兩者在操作過程中都不會隨意改變位置。

以下請參考圖2係本發明方法步驟之流程圖，並一併參考圖1。

步驟301：將一歸位標記用之物體裝設至一固定於一定位置之牙模上，該歸位標記用之物體包括至少一基準標記。

為能同時利用牙模40所提供的立體視覺及觸覺效果和病患解剖影像的即時呈現效果，使用者必須先取得立體解剖資訊及牙模40。其中，立體解剖資訊可以來自不同的來 源，如電腦斷層掃描機、核磁共振造影機或醫用超音波裝置，其乃係由病患戴著歸位標記用之物體20進行影像拍攝後所得。之後，該具有至少一基準標記21之歸位標記用之物體20乃被裝設在牙模40上，且該牙模40係以固定器51緊緊的鎖住。

步驟302：傳送與該基準標記對應之位置資訊至一電腦，其中該電腦係負載有立體解剖資訊，且該立體解剖資訊包括基準標記資訊。

請參見圖3係本發明系統中各單元於進行歸位時之狀態示意圖。欲進行歸位步驟，也就是將影像空間中的點與實體空間進行配對，使用者必須將基準標記21的位置資訊，也就是實體空間的資訊傳送到電腦10中，這主要是透過先將筆形探針31的針尖依序指到各基準標記21以取得必要的空間資訊，再將這些資訊以無線或有線方式傳送到電腦10。如前所述，基準標記21的數目並不以三個為限，而是端視其幾何形狀來決定。舉例來說，若以錐形物體來作為基準標記21，則僅需至少二個基準標記21即可。

而電腦10係負載有包括影像空間之基準標記資訊的病患立體解剖資訊。於圖3中，電腦10的螢幕上所顯示的乃是病患顎骨解剖構造之軸向切面影像，其係利用成像軟體將病患立體解剖資訊進行轉換而得，圖中的三個黑點代表的是基準標記21的影像。在完成基準標記21的量測後，使用者接著便可將基準標記21的空間資訊傳送到電腦10。

步驟303：配對該立體解剖資訊與該位置資訊。

在基準標記21的位置資訊收集完畢後，使用者接著要在電腦10的螢幕上指定相對應的三個點，此步驟可以利用輸入裝置來達成。應注意的是，各點的指定順序在本發明中並不會有所影響(換言之，使用者也可以先指定電腦10上的點後再指定實體空間中的基準標記21)。在收集完所有實體空間與影像空間中的資訊後，電腦10即可被用來建立實體空間與影像空間之間的轉換矩陣，其主要係將立體解剖資訊與位置資訊進行一配對動作。此歸位步驟所衍生的轉換矩陣將會存在電腦10之中，且其後續可被用來將筆形探針31的位置與方向轉換到影像空間中，進而讓電腦10得以顯示牙模40上任意點所對應的剖面影像。

步驟304：接收該牙模上一點之空間資訊，並顯示一對應該空間資訊之解剖影像。

最後，請參見圖4係本發明系統中各單元於進行檢測時之狀態示意圖。在完成歸位步驟後，使用者便可透過將筆形探針31指到任意點而開始進行牙模40的檢測。如圖4所示，使用者係將筆形探針31指到牙模40上感興趣的位置，而筆形探針31針尖所指處的立體空間資訊會被傳送到電腦10，並形成穿越筆形探針31及其針尖的一個切面。此切面會被電腦10用來切割所儲存的影像資料，並呈現出顎骨的內部結構，此結果正可供牙醫同時觀察牙模40上欲診斷的位置與其對應的解剖影像資訊。於本實施例中，病患顎骨解剖影像(即圖中電腦10螢幕上顯示的黑色區域)的 成像資訊可以被即時呈現在電腦10的螢幕上。因此，使用者便可根據電腦10所顯示的解剖影像以及牙模40所提供的咬合及外觀資訊同時進行手術規劃。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請 貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧系統

10‧‧‧電腦

11‧‧‧接收器

20‧‧‧歸位標記用之物體

21‧‧‧基準標記

23‧‧‧主要部份

30‧‧‧定址裝置

31‧‧‧筆形探針

33‧‧‧無線模組

35‧‧‧樞紐

40‧‧‧牙模

50‧‧‧平台

51‧‧‧固定器

圖1係本發明系統之示意圖。

圖2係本發明方法步驟之流程圖。

圖3係本發明系統中各單元於進行歸位時之狀態示意圖。

圖4係本發明系統中各單元於進行檢測時之狀態示意圖。

1‧‧‧系統

10‧‧‧電腦

11‧‧‧接收器

20‧‧‧歸位標記用之物體

21‧‧‧基準標記

23‧‧‧主要部份

30‧‧‧定址裝置

31‧‧‧筆形探針

33‧‧‧無線模組

35‧‧‧樞紐

40‧‧‧牙模

50‧‧‧平台

51‧‧‧固定器

Claims (20)

1. 一種利用牙模來加速牙科診斷及手術規劃之系統，包括：一部電腦，係用以讀取立體解剖資訊並根據該立體解剖資訊呈現一切面解剖影像，其中該立體解剖資訊係包括基準標記資訊；一歸位標記用之物體，其包括至少一基準標記，該歸位標記用之物體可供放置於該牙模上，以獲得對應該至少一基準標記之一位置資訊，且該至少一基準標記之位置係對應該基準標記資訊之位置，供該電腦配對該位置資訊及該立體解剖資訊，以建立該牙模上之實體空間與該立體解剖資訊所構成之影像空間之連結；以及一定址裝置，係用以探測該牙模上之一點，並將該點之所對應之空間資訊傳送至該電腦，進而即時呈現對應該空間資訊之該切面解剖影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該立體解剖資訊係為X光放射攝影資料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該立體解剖資訊係選自於由根間放射攝影資料、環口放射攝影資料、斷層放射攝影資料以及電腦斷層放射攝影資料所組成之群組中的至少一種資料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該立體解剖資訊為電腦斷層放射攝影資料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該切面解剖影像為一斷層影像。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該歸位標記用之物體更包括一主要部份，且該至少一基準標記係安置於該主要部份上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該主要部份係為牙齒之負向壓模之鑄造物，且其係利用該牙模製得。
8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該歸位標記用之物體包括三個基準標記。
9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該定址裝置為一機械手臂。
10. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該空間資訊係以無線方式傳送。
11. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該空間資訊包含該牙模上一點之位置與方向。
12. 一種進行牙科診斷及手術規劃之方法，包括：將一歸位標記用之物體裝設至一固定於一定位置之牙模上，該歸位標記用之物體包括至少一基準標記；傳送與該基準標記對應之位置資訊至一電腦，其中該電腦係負載有立體解剖資訊，且該立體解剖資訊包括基準標記資訊；藉由該電腦配對該立體解剖資訊與該位置資訊，以建立該牙模上之實體空間與該立體解剖資訊所構成之影像空間之連結；以及 接收該牙模上一點之空間資訊，並即時顯示一對應該空間資訊之切面解剖影像。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該歸位標記用之物體更包括一主要部份，且該至少一基準標記係安置於該主要部份上。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該主要部份係為牙齒之負向壓模之鑄造物，且其係利用該牙模製得。
15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該歸位標記用之物體包括三個基準標記。
16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該立體解剖資訊係為X光放射攝影資料。
17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該立體解剖資訊係選自於由根間放射攝影資料、環口放射攝影資料、斷層放射攝影資料以及電腦斷層放射攝影資料所組成之群組中的至少一種資料。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該立體解剖資訊為電腦斷層放射攝影資料。
19. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該空間資訊包含該牙模上一點之位置與方向。
20. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該切面解剖影像為一斷層影像。