CN101467890B - 加速牙科诊断及手术规划的系统及观察立体影像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加速牙科诊断及手术规划的系统及可让牙医通过将寻址装置指到特定点而实时观察到病患颚骨在该点的立体影像的方法，该系统包括：一部计算机，用以读取立体解剖信息并根据该立体解剖信息呈现一解剖影像，其中该信息包括基准标记信息；一归位标记用的物体，其包括至少一基准标记，且该至少一基准标记的位置与该基准标记信息一致；以及一寻址装置，用以探测该牙模上的一点，并将该点的所对应的空间信息传送至该计算机，进而确立该解剖影像的呈现。该系统有效地整合了数字化立体影像的长处以及牙模的优点，并让使用者得以利用本发明的系统所提供的高度整合性环境，让手术规划变得更快速且精确。

Description

加速牙科诊断及手术规划的系统及观察立体影像的方法

技术领域

本发明涉及一种利用牙模(cast model)来加速牙科诊断及手术规划的系统，特别涉及一种将立体解剖信息(three-dimensional anatomical information)以及牙模进行整合的系统。

背景技术

术前评估在牙科手术中扮演着相当重要的角色，若要在牙科诊断与手术规划过程中更为了解病患的状况，医师常需参考许多不同的信息。在各种信息中，牙模与X光放射摄影(X-ray radiograph)是两种性质不同的重要信息，其中，牙模主要可提供外部信息，其包括让牙医能了解病患牙齿咬合状况并提供外观的信息；相反地，X光放射摄影则可提供内部的解剖信息，包括病患牙齿与颚骨的情形，这些信息对某些牙科手术来说是极度重要的，像是植牙手术、根管治疗(root canalling)、阻生齿摘除(impacted tooth extraction)以及颞颚关节评估等等。

如上所述，虽然牙模与X光放射摄影可提供彼此互补的重要信息供牙医参考，这两种信息在大部分的情形下却常被分开处理，以致于牙医在整合这两种信息时常常需要耗费脑力与时间才能达成。举例来说，牙医常需要根据病患颚骨状况的X光放射摄影才能判断植牙的方向。而要把植牙方向的信息配合牙模一起使用，之后牙医还得另外使用解剖标志才能同时在牙模上进行咬合状况及外观的术前评估。尽管目前大多数牙医还是采取上述的步骤，上述步骤却不是最有效率的作法。

为了解决上述两种信息分开使用所带来的困扰，先前技术提出了几种解决方案。基本上来说，这些方案大致上可分为两类，其中一类的作法是将立体数字影像中所携带的信息整合到牙模上，并据此让使用者得以利用牙模来评估规划手术。举例来说，美国专利第US5,133,660号即揭示了一种牙套铸造物装置，其可将X光放射摄影的影像传送到牙模上，让植牙等各种规划可以在牙模上进行。此种方法乃是在欲植牙处将该铸造物横切，好让可显示病患颚骨内部结构的X光影像能通过埋覆其中的X光不透明参考格点而排列在牙模的切面上。此种方法的缺点在于，由于切面只能被切开一次，使用者并无法在牙模上观察其它的位置与方向，所以此种方法在使用上并不具弹性。

另一类发明则是将牙模上所携带的信息整合到立体数字模型中。因为所有的数据都被整合到数字模型上，此种方法所使用的立体数字模型常被称为电子牙模模型(electronic study model)。其中，美国专利第US5,562,448就提出了类似的方法，于该专利中，牙模上的数据先被转换成一个立体数字模型中，接着该数字模型再被传送到一台负载有各种影像信息的计算机中。此外，美国专利第US7,133,042号则揭示了一种可以整合多种来源的解剖信息至一数字化环境的系统，举例来说，该来源可以是牙模及X光放射摄影。然而，由于牙模的信息均被整合到数字的环境中，牙模本身所能提供的视觉及触觉效果均不复存在。尽管现在确实有各种技术来解决此种问题，例如可以恢复深度信息的立体光学技术，或可以增进系统的触觉效果的施力回馈装置。然而，这些额外的装置无疑会产生更多的成本支出，所以对使用者而言又是另一笔负担。

发明内容

为能同时结合牙模与X光放射摄影数据的优点，本发明提供一种可利用牙模来加速牙科诊断及手术规划的系统，该系统可实时将牙模信息与通过影像呈现技术展示的解剖信息进行结合。本发明由于保留了牙模所能提供的立体视觉及触觉效果，该系统可让牙医能以更为直接的方式来进行手术规划，而这正是仅利用数字环境无法达成的效果。另一方面，由于牙医不再需要自行转换来自不同来源的信息，本发明直接在解剖影像信息与牙模上特定点之间建立关联性的作法更可大大增加手术规划评估的效率。

本发明的系统主要包括一部计算机、一归位标记用的物体以及一寻址装置(localization means)。其中该计算机可读取立体解剖信息，并根据该立体解剖信息呈现一解剖影像，而该信息包括基准标记信息；该立体解剖信息可选自根间放射摄影数据、环口放射摄影数据、断层放射摄影数据，以及在优选的情形下，选自计算机断层放射摄影数据。该归位标记用的物体包括至少一基准标记，该基准标记可在不同环境下成像及测量，因此，不但基准标记的位置可以通过特征识别算法(feature identification algorithm)予以确认，基准标记同时也可以在实体空间中被该寻址装置测量。在优选的情形下，该归位标记用的物体包括一主要部分，且该基准标记安置于该主要部分上。该主要部分可以是牙齿负向压模(negative impression)的铸造物，且其利用该牙模制得。于使用时，该归位标记用的物体可以被装设在牙模上以作为参照，并提供进行检测(navigation)时所需要的空间信息。

该寻址装置在本发明中主要是一可用来确认并追踪牙模上任意点坐标的装置，一般来说，寻址装置多具有一可以用来测量空间状态的笔形探针(stylus probe)，而针尖所在的空间信息则可被传回该计算机，以显示该点位置下的组织影像。因此，该寻址装置可以是立体光学传感器、磁场感应器、超音波时间差装置，或在优选的情形下，是一个机械手臂。然而，其并不以上述装置为限。

此外，本发明亦提供一种方法，其可让牙医通过将寻址装置指到特定点而实时观察到病患颚骨在该点的立体影像。该方法主要包括以下步骤：将一归位标记用的物体装设至一固定于一定位置的牙模上，该归位标记用的物体包括至少一基准标记；传送与该基准标记对应的位置信息至一计算机，其中该计算机储存有立体解剖信息，且该立体解剖信息包括基准标记信息；配对该立体解剖信息与该位置信息；以及接收该牙模上一点的空间信息，并显示一对应该空间信息的解剖影像。

本发明的系统最大的好处在于其有效整合了数字化立体影像的长处以及牙模的优点，使用者可利用本发明的系统所提供的高度整合性环境而让手术规划变得更快速且精确。

此外，本发明也涉及一种方法，其可供使用者建立立体解剖信息以及牙模间的关联性，并由此对后续的手术进行规划与评估。

附图说明

图1为本发明系统的示意图。

图2为本发明方法步骤的流程图。

图3为本发明系统中各单元于进行归位时的状态示意图。

图4为本发明系统中各单元于进行检测时的状态示意图。

其中，附图标记说明如下：

1  系统         10 计算机

11 接收器       20 归位标记用的物体

21 基准标记     23 主要部分

30 寻址装置     31 笔形探针

33 无线模块     35 枢纽

40 牙模         50 平台

51 固定器

具体实施方式

为能更了解本发明的技术内容，特举具体实施例说明如下。

以下请先参考图1关于本发明系统1的示意图。如图1所示，系统1主要包括三部分：计算机10、归位标记用的物体20以及寻址装置30。计算机10在本发明中主要用来呈现解剖影像，其并可读取包括基准标记信息的立体解剖信息，以及根据该立体解剖信息呈现一解剖影像。一般来说，解剖信息乃是病患戴上该归位标记用的物体20进行X光照射后所得到的X光放射摄影数据，特别是来自病患颚骨的X光放射摄影数据。该立体解剖信息可选自根间放射摄影数据(intral-oral radiographic data)、环口放射摄影数据(panoramic radiographic data)以及断层放射摄影数据(tomographic radiographicdata)，特别是选自计算机断层放射摄影数据(computed tomographicradiographic data)。而前述的数据可以来自各种立体影像装置，如计算机断层扫描机、核磁共振造影机或医用超音波装置。计算机10乃储存有病患的立体解剖信息，且在计算机10内的成像软件可根据该立体解剖信息呈现出对应的解剖影像。由于此类成像软件为技术领域中的技术人员所知悉，在此不再赘述。

在解剖影像被呈现后，牙医则可以利用一输入装置来操控调整该解剖影像，而该输入装置可以是键盘、鼠标等。于立体解剖影像中，牙医可以下达一切面指令进而让计算机10呈现对应的切面影像，并由此了解病患颚骨的内部情形。举例来说，当牙医把切面指令定在牙弓时，该系统1将可显示出断层影像(tomographic image)，而此种影像也是大部分牙医最熟悉的一种影像。由此可知，此种利用软件来产生断层影像的方法比利用断层系统硬件更具弹性，这些牙医专业熟知的硬件影像系统包含Denar Quint SectographImage System(Denar Corp，USA)以及Planmeca ProMax(Planmeca Oy，Finland)。

这种软件所提供的弹性对于本发明来说是相当重要的，这部分可由两个面向来说。首先，这让牙医得以在病患不在现场的情形下任意改变切面的位置与方向，并得以检测病患颚部解剖构造的情形。如果使用的是前述的硬件，要想改变切面的位置与方向一定要再进行一次放射摄影。此外，这种作法也让寻址装置30有机会利用电子连结方式将探针针尖的位置传送到计算机10，以呈现病患在该点的内部构造。

归位标记用的物体20包括至少一基准标记21，由于该基准标记21可在不同环境下成像及测量，因此其在影像空间中的位置可利用特征识别算法予以确认，同时该基准标记21也可以被寻址装置30在实体空间中测量。于本实施例中，归位标记用的物体20包括有三个基准标记21。同时，如图1所示，该基准标记21以圆珠的型态存在。应注意的是，基准标记21也可以其它形式存在，举例来说，基准标记21也可为管状、锥状或具有其它几何形状的物体。由于基准标记21的主要功能是在定义平面，因此，管状物体配上一个圆珠，或是锥状物体也都可以达成三个圆珠的功能。

于本发明中，影像数据存在计算机10中的坐标系统乃称为影像空间，而寻址装置30所处的空间则被称为实体空间。当本发明各单元被开启时，计算机10内的影像空间与寻址装置30所在的实体空间并没有任何关联性。为了要建立影像的解剖数据与其位于牙模40上对应点之间的关系，使用者必需先行将影像空间与实体空间进行一对一的对应，而此步骤即称为归位(registration)。于本发明中，此步骤需要有归位标记用的物体20的存在。一般来说，归位标记用的物体20多包含一个主要部分23，且该基准标记21安置于该主要部分23上，且该主要部分23有一面乃制作成病患牙齿的负向压模牙套。由于其利用牙模40制作而得，该归位标记用的物体20可以被紧密的套设在牙模40上。

此外，本发明的基准标记21具有适合一般立体影像装置的拍摄特性，举例来说，若采用计算机断层机来收集病患的解剖数据，则该基准标记21应可在该计算机断层机中成像，且不会产生过于严重的干扰现象。

于本发明中作为追踪器的寻址装置30乃是可提供特定点的空间信息的装置，且该空间信息包括该点的位置以及方向。如图1所示，寻址装置30可以是具有数个枢纽35的机械手臂，且其可以提供多个自由度。机械手臂的一端是笔形探针31，其针尖可用来探测及测量特定点，而该点的空间信息并可进一步通过一无线模块33传送至计算机10，进而指定影像的呈现方式。此外，由无线模块33所传送的信号则可被计算机10上安装的接收器11予以接收。

应注意的是，本发明也可以采用其它可记录任意点空间信息的装置，并不限于机械手臂。举例来说，寻址装置30也可以是立体光学传感器、磁场感应器或超音波时间差装置，此外，寻址装置30也可以是通过有线的方式将信号传送至计算机10。

为能固定寻址装置30与装设在牙模40上的归位标记用的物体20间的相对位置，两者可被固定在具有固定器51的平台50上。由于归位标记用的物体20与牙模40都被固定器51紧紧的锁住，两者在操作过程中都不会随意改变位置。

以下请参考图2的本发明方法步骤的流程图，并一并参考图1。

步骤301：将一归位标记用的物体装设至一固定于一定位置的牙模上，该归位标记用的物体包括至少一基准标记。

为能同时利用牙模40所提供的立体视觉及触觉效果和病患解剖影像的实时呈现效果，使用者必须先取得立体解剖信息及牙模40。其中，立体解剖信息可以来自不同的来源，如计算机断层扫描机、核磁共振造影机或医用超音波装置，其乃由病患戴着归位标记用的物体20进行影像拍摄后所得。之后，该具有至少一基准标记21的归位标记用的物体20乃被装设在牙模40上，且该牙模40以固定器51紧紧的锁住。

步骤302：传送与该基准标记对应的位置信息至一计算机，其中该计算机负载有立体解剖信息，且该立体解剖信息包括基准标记信息。

请参见图3的本发明系统中各单元于进行归位时的状态示意图。欲进行归位步骤，也就是将影像空间中的点与实体空间进行配对，使用者必须将基准标记21的位置信息，也就是实体空间的信息传送到计算机10中，这主要是通过先将笔形探针31的针尖依序指到各基准标记21以取得必要的空间信息，再将这些信息以无线或有线方式传送到计算机10。如前所述，基准标记21的数目并不以三个为限，而是应当视其几何形状来决定。举例来说，若以锥形物体来作为基准标记21，则仅需至少两个基准标记21即可。

而计算机10负载有包括影像空间的基准标记信息的病患立体解剖信息。于图3中，计算机10的屏幕上所显示的乃是病患颚骨解剖构造的轴向切面影像，其利用成像软件将病患立体解剖信息进行转换而得，图中的三个黑点代表的是基准标记21的影像。在完成基准标记21的测量后，使用者接着便可将基准标记21的空间信息传送到计算机10。

步骤303：配对该立体解剖信息与该位置信息。

在基准标记21的位置信息收集完毕后，使用者接着要在计算机10的屏幕上指定相对应的三个点，此步骤可以利用输入装置来达成。应注意的是，各点的指定顺序在本发明中并不会有所影响(换言之，使用者也可以先指定计算机10上的点后再指定实体空间中的基准标记21)。在收集完所有实体空间与影像空间中的信息后，计算机10即可被用来建立实体空间与影像空间之间的转换矩阵，其主要是将立体解剖信息与位置信息进行一配对动作。此归位步骤所衍生的转换矩阵将会存在计算机10之中，且其后续可被用来将笔形探针31的位置与方向转换到影像空间中，进而让计算机10得以显示牙模40上任意点所对应的剖面影像。

步骤304：接收该牙模上一点的空间信息，并显示一对应该空间信息的解剖影像。

最后，请参见图4的本发明系统中各单元于进行检测时的状态示意图。在完成归位步骤后，使用者便可通过将笔形探针31指到任意点而开始进行牙模40的检测。如图4所示，使用者将笔形探针31指到牙模40上感兴趣的位置，而笔形探针31针尖所指处的立体空间信息会被传送到计算机10，并形成穿越笔形探针31及其针尖的一个切面。此切面会被计算机10用来切割所储存的影像数据，并呈现出颚骨的内部结构，此结果正可供牙医同时观察牙模40上欲诊断的位置与其对应的解剖影像信息。于本实施例中，病患颚骨解剖影像(即图中计算机10屏幕上显示的黑色区域)的成像信息可以被实时呈现在计算机10的屏幕上。因此，使用者便可根据计算机10所显示的解剖影像以及牙模40所提供的咬合及外观信息同时进行手术规划。

综上所陈，本发明无论就目的、手段及功效，均显示其不同于公知技术的特征，惟应注意的是，上述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求书为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (20)

1.一种利用牙模来加速牙科诊断及手术规划的系统，包括：

一部计算机，用以读取立体解剖信息并根据该立体解剖信息呈现一解剖影像，其中该信息包括基准标记信息；

一归位标记用的物体，其包括至少一基准标记，且该至少一基准标记的位置与该基准标记信息一致；该归位标记用的物体还包括一主要部分，该主要部分为牙齿的负向压模的铸造物，且其利用该牙模制得；以及

一寻址装置，用以探测该牙模上的一点，并将该点的所对应的空间信息传送至该计算机，进而确立该解剖影像的呈现。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是该立体解剖信息为X光放射摄影数据。

3.如权利要求2所述的系统，其特征是该立体解剖信息选自于由根间放射摄影数据、环口放射摄影数据以及断层放射摄影数据所组成的群组中的至少一种数据。

4.如权利要求3所述的系统，其特征是该断层放射摄影数据为计算机断层放射摄影数据。

5.如权利要求3所述的系统，其特征是该立体解剖信息为计算机断层放射摄影数据。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是该解剖影像为一断层影像。

7.如权利要求1所述的系统，其特征是该基准标记安置于该主要部分上。

8.如权利要求1所述的系统，其特征是该归位标记用的物体包括三个基准标记。

9.如权利要求1所述的系统，其特征是该寻址装置为一机械手臂。

10.如权利要求1所述的系统，其特征是该空间信息以无线方式传送。

11.如权利要求1所述的系统，其特征是该空间信息包含该牙模上一点的位置与方向。

12.一种可让牙医通过将寻址装置指到特定点而实时观察到病患颚骨在该点的立体影像的方法，包括：

将一归位标记用的物体装设至一固定于一定位置的牙模上，该归位标记用的物体包括至少一基准标记；该归位标记用的物体还包括一主要部分，该主要部分为牙齿的负向压模的铸造物，且其利用该牙模制得；

传送与该基准标记对应的位置信息至一计算机，其中该计算机负载有立体解剖信息，且该立体解剖信息包括基准标记信息；

配对该立体解剖信息与该位置信息；以及

接收该牙模上一点的空间信息，并显示一对应该空间信息的解剖影像。

13.如权利要求12所述的方法，其特征是该基准标记安置于该主要部分上。

14.如权利要求12所述的方法，其特征是该归位标记用的物体包括三个基准标记。

15.如权利要求12所述的方法，其特征是该立体解剖信息为X光放射摄影数据。

16.如权利要求12所述的方法，其特征是该立体解剖信息选自于由根间放射摄影数据、环口放射摄影数据以及断层放射摄影数据所组成的群组中的至少一种数据。

17.如权利要求16所述的方法，其特征是该断层放射摄影数据为计算机断层放射摄影数据。

18.如权利要求16所述的方法，其特征是该立体解剖信息为计算机断层放射摄影数据。

19.如权利要求12所述的方法，其特征是该空间信息包含该牙模上一点的位置与方向。

20.如权利要求12所述的方法，其特征是该解剖影像为一断层影像。

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