1.本发明涉及种植牙手术技术领域，具体地说是一种磁导航口腔种植牙 手术系统及方法。


背景技术：

2.随着人们生活水平的提升，人们对于口腔的健康也愈发重视，对牙齿 的检查和修补成了口腔护理的一个重要环节，特别是对于人们牙齿脱落后， 造成对饮食和美观造成很大的影响，如何修补牙齿成了很多患者关心的话 题，也是很多口腔医生所面对要解决的问题，因此种植牙技术就应运而生 了。
3.现有的种植牙技术基于光学装置引导，可以实时获取并可视化患者与 种植手机之间的相对位置，但这种方式通常都是利用光学原理，容易出现 因遮挡而导致难以获取连续的位置数据的情况，对手术造成困扰，同时患 者口腔内需佩戴提交体积较大的标记物，降低了患者的舒适度，也降低了 种植过程的操作便利性。
4.因此，需要设计一种磁导航口腔种植牙手术系统及方法，利用磁导航 装置，使装置与患者间允许存在遮挡，保证能够获取不间断的位置数据， 且由于种植手机定位传感器和标准件尺寸很小，可与隐形定位器连接后安 装在患者口腔内部的其他牙齿上，提升患者的舒适度并提高手术效率和质 量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种磁导航口腔种植牙 手术系统及方法，利用磁导航装置，使装置与患者间允许存在遮挡，保证 获取始终无障碍不间断的位置数据，且由于种植手机定位传感器和标准件 尺寸很小，可与隐形定位器连接后安装在患者口腔内部的其他牙齿上，提 升患者的舒适度并提高手术效率和质量。
6.为了达到上述目的，本发明提供一种磁导航口腔种植牙手术系统及方 法，包括种植手机装置、磁导航装置、控制装置、支撑装置和显示器，种 植手机装置包括种植手机、种植手机控制箱和转速控制踏板，磁导航装置 包括磁场发射及跟踪中心、种植手机定位传感器、连接器和数据接收器， 磁导航装置与控制装置进行数据连接，控制装置分别与种植手机装置、磁 导航装置和支撑装置控制连接。
7.控制装置包括微处理器、数据分析模块和术前数据获取及规划模块。
8.数据分析模块用于分析种植手机以及患者头部的位姿数据，生成分析数 据并传输至微处理器。
9.术前数据获取及规划模块用于获取患者口腔牙齿表面数据、患者口腔三 维ct影像数据，其中患者口腔牙齿表面数据用于制作配准装置，患者口腔 三维ct影像数据用于术前规划；术前数据获取及规划模块还用于标定种植 手机。
10.支撑装置为牙科治疗椅或牙科治疗床。
11.一种磁导航口腔种植牙手术方法，包括如下步骤：
12.s1：通过术前数据获取及规划模块，获取患者口腔牙齿表面数据，制作 配准装置；
13.s2：患者佩戴配准装置，通过术前数据获取及规划模块，获取患者口腔 三维ct影像数据，进行术前规划，确定种植体的位置、角度、深度信息， 保存术前规划数据；
14.s3：通过术前数据获取及规划模块，对各种植手机进行标定；
15.s4：术中，磁导航装置实时获取患者口腔位姿数据，通过数据分析模块 以及配准装置，与患者口腔三维ct影像数据实时配准；
16.s5：磁导航装置实时获取种植手机位姿数据，并将虚拟种植手机、ct口 腔影像数据、术前规划方案叠加显示在显示器上，引导医生按照术前规划 数据调整种植手机位置及角度，完成种植牙手术。
17.配准装置包括隐形定位器和标准件模组，标准件模组固定安装有配准传 感器和至少3颗钢珠，至少3颗钢珠的体心呈三角或多边形排列，配准传 感器和钢珠相对于配准装置的位置保持不变。磁场发射及跟踪中心固定安 装在患者口腔附近，如牙椅头枕背面，磁导航装置不受其他装置的电磁干 扰。
18.本发明同现有技术相比，通过设置磁导航装置来取代原有的光学装置， 允许磁导航装置与患者之间存在遮挡，始终可以获取不间断的位置数据， 且通过种植手机定位传感器和标准件尺寸很小，可与隐形定位器连接后安 装在患者口腔内部的其他牙齿上，提升患者舒适度，通过微处理器可以将 ct图像重建，种植体识别和逻辑判断在统一调度下进行，节省了数据传输 和运算的时间，共用计算机资源，节省手术空间和成本，通过对各种植手 机的标定，利用种植手机定位传感器获取种植手机末端点的位姿数据，实 现在术中获取种植手机与患者头部实时的位姿数据，通过标准件上的钢珠 设计，使ct成像装置坐标系与磁导航装置坐标系统一，实时获取种植手机 和ct影像数据之间的相对位姿数据，使医生得到数据参考后执行种植手 术。
附图说明
19.图1为本发明的系统示意图
20.图2为本发明的控制装置控制结构示意图
21.图3为本发明的标准件模组示意图。
22.图4为本发明的隐形定位器示意图。
23.附图标记说明
24.101为种植手机，102为种植手机控制箱，103为转速控制踏板，201 为磁场发射及跟踪中心，202为种植手机定位传感器，203为连接器，204 为数据接收器，300为控制装置，301为微处理器，302为数据分析模块， 303为术前数据获取及规划模块，400为支撑装置，500为显示器。
25.1为标准件模组，2为配准传感器，3为钢珠，4为排线带。
具体实施方式
26.现结合附图对本发明做进一步描述。
27.参见图1-2，本发明提供一种磁导航口腔种植牙手术系统及方法，包括 种植手机装置、磁导航装置、控制装置300、支撑装置400和显示器500， 种植手机装置包括种植手机
101、种植手机控制箱102和转速控制踏板103， 磁导航装置包括磁场发射及跟踪中心201、种植手机定位传感器202、连接 器203和数据接收器204，磁导航装置与控制装置300进行数据连接交互， 控制装置300分别与种植手机装置、磁导航装置和支撑装置400控制连接。
28.种植手机装置用于直接对患者口腔种植位置进行操作，转速控制踏板103和种植手机控制箱102用来控制种植手机装置的启停、速度等，磁场 发射和跟踪中心201用于生成磁场并跟踪其范围内的种植手机定位传感 器，并获取种植手机定位传感器的位姿，种植手机定位传感器202用于接 收磁场发射和跟踪中心201的磁场信号，并输出位姿数据，种植手机定位 传感器202通常被固定在患者口腔内部以及种植手机装置上，从而间接获 取患者和种植手机的位姿，连接器203用于给种植手机定位传感器202供 电以及数据传输，种植手机的传感器位姿数据可以通过有线或无线2种方 式传输给计算机，当使用无线方式传输数据时，需要将数据接收器204插 入计算机。
29.控制装置300包括微处理器301、数据分析模块302和术前数据获取及 规划模块303，微处理器301用于发送成像指令至磁导航装置、种植手机 装置和支撑装置400，还用于接收磁导航装置传输的种植手机定位传感器 位姿数据，并将位姿数据传输至数据分析模块302，依据分析数据，可视 化种植手机与患者口腔种植处之间的相对位姿关系，辅助医生完成口腔种 植牙手术，根据控制面板来控制种植手机装置、磁导航装置和支撑装置 400，微处理器301是各子系统的控制和运算中枢，也是术前规划、术中操 作、术后评估和人机交互的主要部分，每个计算工作站或微处理单元，都 外接显示器，用于显示影像数据和手术方案，且可通过分割、模板匹配等 算法自动识别三维ct图像数据中种植体等并计算出相应的位姿，也可以进 行手动或半自动分割，允许医生手动调整识别和分割结果，通过对比分析 术前和术后影像中的种植体位置、深度数据，评估种植手术质量，微处理 器对ct图像重建、头颅解剖结构识别、种植体识别和逻辑判断在统一调度 下进行，数据传输以内存复制的形式进行，节省了数据传输和运算的时间； 不同模块共用计算资源，也节省了手术室空间和成本。数据分析模块302 用于对传感器位姿数据进行分析并生成传输至微处理器的分析数据。术前 数据获取及规划模块303用于获取患者口腔牙齿表面数据，并依据患者口 腔牙齿表面数据制作配准装置；术前数据获取及规划模块303还用于获取 患者口腔三维ct影像数据，进行术前规划，主要包括确定种植体的位置、 角度、深度信息，并保存术前规划数据；术前数据获取及规划模块303还 用于对各种植手机进行标定等。微处理器301由一个或多个计算工作站组 成，也可以为多个微处理单元。
30.支撑装置400为牙科治疗椅或牙科治疗床，用于支撑患者，使其在手术 过程中保持放松的姿态。
31.一种磁导航口腔种植牙手术方法，包括如下步骤：
32.s1：通过术前数据获取及规划模块303，获取患者口腔牙齿表面数据， 制作配准装置；
33.s2：患者佩戴配准装置，通过术前数据获取及规划模块303，获取患者 口腔三维ct影像数据，进行术前规划，确定种植体的位置、角度、深度信 息，保存术前规划数据；
34.s3：通过术前数据获取及规划模块303，对各种植手机进行标定；
35.s4：术中，磁导航装置200实时获取患者口腔位姿数据，通过数据分析 模块302以及配准装置，与患者口腔三维ct影像数据实时配准；
36.s5：磁导航装置200实时获取种植手机位姿数据，并将虚拟种植手机、 ct口腔影像数据、术前规划方案叠加显示在显示器500上，引导医生按照 术前规划数据调整种植手机位置及角度，完成种植牙手术。
37.参见图3-4，配准装置包括隐形定位器和标准件模组1，隐形定位器与 患者口腔牙齿相配合，标准件模组1包含配准传感器2、钢珠3和排线带4， 排线带4并联配准传感器2并与电源连接，隐形定位器与标准件模组1通 过粘接材料或机械结构刚性连接。钢珠3的数量至少为3个且钢珠体心呈 三角或多边形排列。钢珠3的尺寸相同时，三角排列不能是等边或等腰三 角形；钢珠3的尺寸不同时，各钢珠3间的尺寸差大于成像精度值。钢珠 3与配准传感器2在标准件模组1上的相对位置固定。
38.s4的具体步骤如下：
39.s10：在配准装置上建立局部坐标系，各钢珠在该局部坐标系下的位置 也已知，记为：n为钢珠的数量；
40.s20：患者佩戴制作好的隐形定位器及标准件，扫描获取患者口腔ct影 像数据，分割出各钢珠在ct图像中的位置，记为：
41.s30：由于各钢珠固定安装于标准件内，各钢珠间的相对位置关系始终 保持不变，那么，钢珠在不同时空下的位置符合刚体变换，因此，可建立 如下等式：
[0042]42.和分别表示 配准装置局部坐标系相对于ct成像装置坐标系的旋转矩阵和平移向量，对 上式进行svd分解，可求解出和
[0043]
s40：以种植手机定位传感器为目标对象，可以得到和和分别表示标准件局部坐标系相对于磁导航装置坐标系的旋转矩阵和平移向 量；
[0044]
s50：对于磁导航装置坐标系相对于ct成像装置坐标系的旋转矩阵和 平移向量可直接通过下式求解：
[0045][0046]
步骤s40中，配准传感器可以是多个低自由度或多个高自由度的配准传 感器。
[0047]
步骤s40中，对于多个低自由度的磁场传感器，例如只能获取位置数据， 可同理按照上述步骤s10-s30的方法，获取标准件局部坐标系相对于磁导 航装置坐标系的旋转矩阵和平移向量
[0048]
步骤s40也可以直接采用单个高自由度磁场传感器来实现，对于高自由 度的磁场传感器，可以同时获得其在磁导航装置坐标系中的三维空间坐标 和三维空间方向
隐形定位器、标准件与牙齿不能产生相对运动，获取三维口腔ct影像数据 并保存，术前数据获取及规划模块303将三维口腔ct影像数据导入术前规 划系统，进行术前规划，主要是确定种植体的位置、角度、深度信息，并 保存术前规划数据，为了获取种植手机101上安装的种植手机定位传感器 202与种植手机101末端点之间的相对位姿关系，可以在术中间接实时获 取种植手机101末端点在磁导航装置200中的位姿数据，从而对各种植手 机101进行标定，种植手术过程中，利用隐形定位器上的钢珠在ct口腔影 像中的位姿数据，以及种植手机定位传感器202在磁导航装置中的位姿数 据，对ct成像装置及磁导航装置实时配准，将ct成像装置坐标系与磁导 航装置200坐标系进行统一坐标系，目的是为了最终能够实时获取种植手 机101与三维口腔ct影像数据之间的相对位姿数据，医生以该数据为参考， 执行种植牙手术；磁场发射及跟踪中心201实时检测种植手机101及患者 口腔的位姿，并将虚拟种植手机、ct口腔影像数据、术前规划方案叠加显 示，给医生参考，引导医生按照术前规划的方案调整种植手机101位置及 角度。
[0059]
本发明从整体上解决了传统种植牙技术中利用光学原理所产生因遮挡 而导致难以获取连续的位置数据，对手术造成困扰，同时患者口腔内需佩 戴提交较大的标记物，使手术操作不便，效率低下的问题，通过磁导航装 置的跟踪、探测传感以及位姿数据实时传输进计算机，再通过控制装置对 数据进行处理，将位姿数据和ct数据做结合，对医生术前规划、术中操作 和术后评估调整起到了高效高质量的辅助作用，实现了即便装置与患者间 有遮挡也可获取实时连续位置数据的效果，对手术过程无影响，且装置本 身小巧，患者舒适度得到明显改善，整体系统和方法人性化程度高，科学 有效，提高了手术效率，具备良好的应用前景。
[0060]
以上仅是本发明的优选实施方式，只是用于帮助理解本技术的方法及 其核心思想，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明 思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这 些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。