CN101720204B - 用于导出形状信息的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于导出人的颅骨和牙列的形状信息的方法，包括步骤：采用人的牙列的印模，采用人的头部的第一扫描，同时人戴着印模，采用印模单独的扫描，将扫描结合，从结合的扫描中导出形状信息。优选的是，方法进一步包括采用人的头部的没有印模的第三扫描。
Description
技术领域
本发明涉及用于评估颅骨和牙列形状的方法，所述方法在正颌外科领域是具有实用性的。
背景技术
在上颌面部外科中，颅骨和牙列是被外科手术改型或修复。这种外科手术学科包含修复的外科手术的介入，尤其，颌骨相对的错位(mis-positioning)的外科手术的介入，被称为正颌外科手术。典型地，正颌外科手术涉及上颌骨和/或下颌骨的截骨术，来相对于剩余的颅骨正确地复位这些骨块，和造成一好的咬合。截骨术是外科手术，借此骨骼被切变短，变长或改变它的排列。“咬合”意味着一种方式，在所述方式中，当嘴闭上时，来自于上和下牙弓的牙齿会合。
如今用于准备正颌外科手术的步骤主要由以下步骤组成：
1.2D头影测量(cephalograms)的获得和在它们上进行的测量(后面的过程被称为“描绘(tracing)2D头影测量(cephalogram)”)，
2.直接地在患者脸上测量临界距离，
3.为了产生牙列的石膏模型，采用上和下齿弓的印模。采用蜡牙合法配准(wax bite registration)，为了联系于上和下牙列的石膏模型，为了了解患者的实际咬合，并为了在咬合架(咬合架)中安装模型。
4.基于步骤1和2的结果，并基于患者的临床评估导出的附加信息，为了优化咬合，将石膏模型复位。在这个步骤中，石膏模型可以被切。
5.在描绘的(traced)2D头影测量(cephalogram)之上，一种新型的侧面神经轮廓是被评估和提取。
6.一中丙烯酸外科夹板被手工地产生，为了在外科手术过程中能够做齿弓的相同的复位。
3D技术的出现，进行测量的方法实际上已经在三维中被建立起来。作为一种数据输入，最早应用的是单或多层CT扫描。用于牙科应用的锥束CT图像(CBCT)的出现，3D扫描数据的获得在领域内变成了常识。
但是，还没有系统是有效的，其使得患者的牙列以详细的方式可视化，所述详细的方式用一协议(protocol)，其是临床可行的不需要扭曲面部神经软组织。这种系统会容许详细的咬合设计，甚至可能包括涉及软组织的预测和提供产生手术期间工具的可能性，来建立设计的解决方案和来术后地维持它。
WO 2006/000063描述了一种进行硬和软组织的3D头部测量法的分析的方法和自动导出复位骨块的相关移动的方法。它也提到了基于装备有至少四个标记(markers)的3D夹板，通过熔化石膏模型的扫描增强可视化的可能性。所述方法的一个重要的缺点是3D夹板总是扭曲面部神经轮廓。
WO 03/028577描述了一种形成外科夹板的方法。在这个方法中关键的部分是一些标记的使用，所述标记涉及患者的牙列，其在数字牙齿计算机模型和计算断层照相法计算机模型两者中是可辨认的，使得在细节上使患者的牙列可视化。配准(registration)的方法是基于点为基础的匹配。但是，这个方法具有作为基本的缺点，在患者扫描过程中标记扭曲自然的面部表情。这种产生牙列的可视化的方法可以被看作在牙移植设计(见例如′Animage-guided planning system for endosseous oral implants′，Verstreken等人.，IEEE Trans Med Imaging 1998，17，pp.842-852)领域内的工作的笔直延伸。
US 6152731描述了一种用于在数字咬合架中使用数字牙科模型的方法。对于带有石膏牙模型的传统咬合架，它是数字模拟的。但是，这种方法具有基本的缺点，因为只有牙齿是可视的，与患者头部的剖析(anatomy)的关系丢失了。
发明目的
本发明目的在于提供一种从加强的颅骨模型导出信息的方法，其提供牙列的详细的可视化，借此，避免了标记的使用。本发明的第二个方面的目的在于提供一种方法，用于导出正颌设计信息。本发明进一步的目的在于提供一种方法，用于产生手术期间和手术后工具，其中应用了用来导出信息的所述方法。
发明内容
本发明涉及一种用于导出人的颅骨和牙列形状信息的方法，包括步骤：
-采用人的牙列的印模，
-采用人的头部的第一扫描，同时人戴着印模，
-采用印模单独的第二扫描，
-将扫描结合，
-从结合的扫描中导出形状信息。
本发明的方法的主要优点是是其在临床实践中简便地可应用的，并提供了软组织在它们自然位置成像的可能性。甚至更重要的，本发明的方法避免了对于任何基准标记的需要(如在WO 03/028577中)，其产出的实质上的优点是在进行方法的同时面部神经软组织没有被扭曲。
较佳地，采用印模的步骤是用预先定义的咬合来进行的。
在一较佳的实施例中，方法进一步包括采用人的头部单独没有印模的第三扫描的步骤。那样的话，所述的采用第一扫面的步骤是用小余45μSv的剂量进行的。第三扫描包括人的复杂颌面部。第三扫描用预先定义的咬合和面部表情来进行。
有利地，第二扫描是用所述印模来进行，所述印模被放置于泡沫状材料之上。采用印模的步骤较佳地用褐藻酸盐或硅树脂作为印模材料来进行。印模可以凭借蜡咬模(wax-bite)来被采用。在一个优选的实施例中，人的牙列的印模是有两面的印模。较佳地，采用印模的步骤是在CT扫描仪中进行的。
在较佳的实施例中，方法进一步包括计算下颌自行旋转的步骤。
在本发明的第二方面中，涉及一种方法，用于导出对于复位的骨块的正颌设计信息，其中人的颅骨和牙列的信息是用如前面所述的方法被导出的。
本发明进一步涉及一种方法，用于设计和制造外科手术期间的夹板，所述外科手术期间的夹板用于将设计的咬合转移到外科领域，其中夹板根据从如上所建立的方法中导出的形状信息而被设计。
本发明也涉及一种用于设计和制造固定结构的方法，所述固定结构用于连接上和下牙列，以至于设计的咬合可以被转移，借此所述的固定结构是根据导出自如所描述的用于导出形状信息的方法来设计的。优选的，固定结构包括一套在上和下牙列上的牙齿支架(dental brackets)，和一种用于将所述支架连接在一起的结构，这样来将设计的咬合转移。
而在本发明的另一个层面，涉及一种用于设计和制造定制化骨接合板的方法，其根据导出自如前面所描述的方法的形状信息来设计的。
本发明进一步提供了一种方法，用于设计和制造用于保护手术而获得的设置的手术后固位工具(retention tool)，借此应用了形状信息，所述形状信息是通过如前面所描述的方法来导出的。
本发明也涉及一种软件程序，其在可编程装置上是可执行的，所述可编程装置含有指令的，当所述指令被执行时，进行任何如所描述的方法。
附图说明
图1显示了双扫描步骤的数据流径。
图2显示了三扫描步骤的数据流径。
图3显示了双面印模的一实施例。
图4显示了采用患者牙列扫描的步骤，同时他戴着印模。
图5显示了用于印模的高分辨率扫描的扫描建立。
图6显示了用于患者复杂颌面部的光学扫描的扫描建立，所述复杂颌面部带有医生想要检查的咬合。
图7显示了蜡咬模(wax-bite)的一实施例。
图8显示了加强的模型的结果。图8a显示了患者扫描的数据。图8b显示了具有牙列的详细表面的患者扫描的数据。图8c显示了具有质地皮肤表面的图8b的模型。
图9显示了通过颌骨的复位来优化咬合的方法。
图10显示了基于在加强的模型上的设计，夹板的数字化设计。中间夹板可以用相似的方法来设计。
图11显示了制造的用于显示在图10设计中的夹板。
图12显示了制造的用于显示在图10设计中的夹板。
具体实施方式
根据设计，为了设计正颌外科手术和来进行正颌外科手术，三个主要的临床需求是明显的：
1.患者牙列的详细可视化，其与头部的图像数据相结合，并可选地与图像体积之外的分段的表面相结合。这种数据设定被称为加强的模型。
2.简便快捷的用于优化咬合，以及全体的骨骼关系和软组织协调的设计工具。
3.进行如设计的外科手术的有效外科手术期间的支持。
可能地，用来维持手术获得的方案的手术后装置可能是需要的。
为了满足这些临床需求，导出的技术需求是：
1.图像获得协议(协议)容许用于牙列的详细可视化，可选地没有扭曲软组织轮廓。
2.将骨块移动到正确咬合的适当的工具，保护骨骼和软组织协调。
3.对于患者理想的皮肤表面的设计和可视化的工具。这种理想的表面用于模拟的目标皮肤表面。用模拟软组织变形的工具，基于骨块的移动、软组织外科手术、骨块雕刻法(sculpting)和移入等。它被检查理想的皮肤表面可以被近似到什么程度。或，骨块的移动可以被计算来满足理想的皮肤表面。
4.进行如设计的外科手术的手术期间工具的产生，以及任意手术后的工具来维持外科手术的结果。
因此，经济的需求被定义为：
1.来获得加强的模型的患者操作，应该是直接的和快的(这意味着至少与采用的传统印模和石膏模型制造及操作一样快)；
2.外科手术(和手术后的)工具的形成需要(半)自动的且廉价的步骤。
本发明是以所有这些需求为特征的。
被提议的图像获得协议提供了加强的模型形成的可能性，在相当简单和现实的临床设置中，没有软组织变形，不需要位置标记。不再需要患者牙列石膏模型的使用了。
设计的协议延伸到骨块的解剖学上相关的活动，所述骨块基于加强的模型具有咬合设计最佳化。任意地，它包括软组织模拟和理想的3D软组织轮廓的设计。
接下来，凭借计算机形成的外科夹板，或在上和下齿弓上的支架之间的锚定系统，或通过定制化的骨接合板，这些设计结果被转移到操作领域。
可能的手术后的工具被形成来保护外科手术的结果。
患者可以以两种方式来成像：没有保留在自然静止位置的软组织(称为双扫描步骤)(见图1)，或具有保留在自然静止位置的软组织(称为三扫描步骤)(见图2)。
现在描述双扫描步骤。首先，患者牙列的印模被产生(见图1中的(1))。较佳地，这种印模包含一双面印模。它包含上和下齿弓的形状信息。作为印模材料，所有的牙科印模材料(诸如褐藻酸盐，硅树脂...其中之一)更确切地说蜡咬模(wax-bite)(可能地与硫酸钡相混合来增加CT-数(即灰度值))是有实用性的。印模材料可以被应用于双印模托盘(见图3)。蜡咬模(wax-bite)可以在它们自身上被模制(见图7)。理想地，印模材料的灰度值不同于软组织的灰度值，则印模可以区分于软和硬组织。在双面扫描步骤中，有利的是，印模的咬合是很好控制的，且相应于用于正颌外科设计的临床期望的咬合。
接着，患者被扫描，同时戴着印模(见图1中的(2))。患者头部的重要部位被扫描。理想地，采用印模的步骤(在图1中的步骤1)是在CT扫描仪上进行的。在这种情况下，患者不需要在相同印模中疼痛两次(因为，在印模中在完全一样的方式中，再次疼痛将变得困难)。应该仔细检查的是，印模完全地覆盖所有牙齿的犬齿。
进一步，获得印模独自的第二高分辨率扫描(见图1中的步骤(4)和图5中的图解)。由于分割的原因，在CT图像数据上，印模应该理想地显示其本身，犹如其在空中飞。为了完成这个，印模例如可以被放在泡沫状的材料上，诸如纱布(sponge)。
各种各样的扫描接着被结合于以下的方式中(图1中的步骤(6))：
1.对于患者+印模扫描(2)的印模扫描(4)的体素基准(Voxel-based)刚性配准(即位置和方向的调整)。
2.对于复杂颌面部扫描的详细扫描(4)的影像融合，来得到加强的模型。
体素基准(Voxel-based)刚性配准方法优化了功能化的测量对于某些特征的所有成几何级数相应的体素对的相似性。如在文献“Multimodality imageregistration by maximization of mutual information”(Maes等人.，IEEE Trans.Medical Imaging，vol.16，no.2，pp.187-198，1997年4月)中解释的，体素基准(Voxel-based)刚性配准方法可以通过最大化交互信息来进行。
用从这些扫描中取出的表面模型，或在图像体积内，或通过两者的结合，可以进行扫描的影像融合。
在一较佳的实施例中，如上所开展的方法，包括一附加步骤，典型地，在图1步骤(2)和(4)之间被执行。步骤(2)因此被些微地调整。接着得到图2的数据流径图式。这被称为三扫描步骤。
目前步骤(1)之间，咬进印模材料的同时咬合不是重要的，且可以随机地选择。技术上来说，单面印模也是可以被应用的。但是，在下一步骤中，这会需要额外的患者扫描，从临床观点出发需要尽可能地避免这样。
步骤2是戴着印模的患者的扫描(见在图2中的(2))。考虑到这种扫描仅产出中间结果，牙列的非常低剂量扫描是足够的(见图4)。这种非常低剂量可以被理解为低于45μSv。理想地，在CT扫描仪中进行采用印模的步骤(在图2中步骤1)。在这种情况下，患者不需要在相同印模中疼痛两次。应该仔细检查的是，印模完全覆盖所有牙齿的犬齿。
在附加步骤中，患者被再一次扫描，但是现在没有印模(见在图2中(3))。扫描头部的重要部位。这是典型复杂颌面部。特别关注于患者的咬合和面部表情。咬合需要咬合到医生所期望检查的那样。这在扫描过程中可以被内科医生直接控制。或着可以通过极小的蜡咬模(wax bite)来控制，将患者导向正确的咬合。面部表情也需要表达到医生所期望分析的那样。典型地，这是中间咬合和中性的，松弛的面部表情。
进一步，用如图1中步骤4相同的方式，获得印模独自的第二高分辨率扫描(见图2中的步骤(4)和图5中的图解)。
这些各种各样的扫描接着被结合于以下的方式中：
1.对于患者+印模扫描(2)的印模扫描的体素基准(Voxel-based)刚性配准；
2.对于在患者扫面(3)中的上颌骨，患者+印模扫描(2)的上颌骨的体素基准(Voxel-based)刚性配准；
3.对于在患者扫描(3)中的下颌骨，患者+印模扫描(2)的下颌骨的体素基准(Voxel-based)刚性配准，
4.详细的印模扫描(4)的影像融合到复杂颌面部扫描内，来得到加强的模型。
体素基准(Voxel-based)刚性配准方法优化了功能化的测量对于某些特征的所有成几何级数相应的体素对的相似性。如已经提到的，体素基准(Voxel-based)刚性配准方法可以通过交互信息的最大化进行。
用从这些扫描中取出的表面模型，或在图像体积内，可以进行扫描的影像融合。也可以设想为两者的结合。
在三扫描步骤中，患者被成像两次(患者扫描和患者+印模扫描)。在那些扫描中，患者的嘴具有不同的张开。从这两种扫描中，旋转轴可以在3D空间内评估，所述旋转轴在初始嘴张开和闭合过程中限定了下颌骨的移动。在例如正颌外科手术步骤的设计过程中，评估的旋转轴可以被使用：在上颌骨嵌塞外科手术之后，下颌骨将根据这个轴自己复位。为了计算这种颌骨的(mandibular)移动，首先基于上颌骨的剖析(anaomy)，扫描的两者都被调整。在第二步中，第二配准(registered)扫描的下颌骨是用第一扫描的下颌骨来调整的。调整可以被用体素基准(Voxel-based)配准，标记基准配准或表面基准配准来计算。得到的变化的变换矩阵(transformation matrix)描述了颌骨的(mandibular)移动。这种变换矩阵之外，在3D空间内计算旋转轴。初始的嘴的张开/闭合是围绕旋转轴旋转。
作为用于正颌外科设计的额外准则，基于患者目前皮肤的表面，可以设计理想皮肤表面。
第一步，设计理想皮肤的表面是基于临床相关参数的，包括功能性的和美学的参数，诸如(上下牙齿的)错位咬合或头部测量法测量的程度，和/或身体性质参数(诸如身体质量指数，年龄，种族性质，性别等等)。
第二步，设计理想皮肤的表面是基于皮肤表面的点的复位。这些点可能是重要的解剖学标志。基于这些点的新位置，计算出新的皮肤表面。
作为用于这些方法的计算策略，已建成了基于一大群人的皮肤表面延伸的数据库的统计学模型。这些皮肤表面可以通过3D摄影术来获得，或取自CT或MR造影。后者也容许包括体数据到统计模型内。在这种情况下，对于骨结构的关系，也可以包括在模型内。对于第一步，根据所述的参数，参数化模型。根据参数值的变化，改变初始的皮肤表面。对于第二步，统计相关的皮肤表面被导出自初始的皮肤表面，所述初始的皮肤表面被适合于根据复位的点。
两个步骤的结合也是可能的。
理想的皮肤表面可以被设置为用于外科手术设计的目标。为了评估外科手术设计有多满足于理想皮肤的表面，两种皮肤之间的差别需要被可视化。这可以通过计算两种表面之间的距离图来进行。理想地，这种距离图是基于在解剖学相关点之间的距离。当在理想皮肤表面和期望的皮肤表面两者之间的差别为最小时，就得到了令人期望的外科手术设计。
正颌外科手术设计
在虚拟截骨术后，骨块需要被移动到正确的位置。骨块被关于其他骨骼的特征来移动，来匹配期望的咬合和来获得可接受的面部神经皮肤表面。
典型地，用解剖学相关的方向，基准面和解剖学标志将骨块(例如，上颌骨)或一组骨块移动到恰当的位置。接着，骨块被移动来优化牙科的咬合。在根据本发明的途径中，骨块通过弹力被移动到一起，采用到判断(account)碰撞。这种技术被称为固体模拟。最后，可以进行骨块或其中的组的位置的进一步调节。
当进行这些的时，用理想的皮肤表面，可以模拟和比较软组织的变形。
外科手术期间的工具
可能通过许多途径将虚拟设计转移到外科手术领域。用外科手术期间的工具，设计的咬合可以被转移到患者。也可能是关于颅骨基的骨块(如上颌骨)的正确位置和关于TMJ窝(TMJ指颞下颌的关节)的下颌骨的上升支可以被转移。
用于转移虚拟设计的第一步是基于数字设计数据来制造外科夹板。从设计的数据中，设计夹板，并通过快速成型技术或铣削工艺(milling techniques)来产生(见图10，11和12)。这种步骤转移正确的咬合。
第二步是来制造固定结构，所述固定结构连接上和下支架或弓形杆(archbars)，所述弓形杆连接到牙齿，为了造成设计的咬合。这种步骤转移正确的咬合。
第三步来产生个性化的骨接合板。当骨接合板是在正确的位置并且骨块相对于这些板被固定时，在外科手术中获得设计的骨块位置。基于解剖学的特征或基于骨锚，板进入正确的位置，所述骨锚在患者扫描之前被放置并从图象数据中被分割，所述图象数据从在双扫描方法中患者+印模扫描中获得，或从在三扫描步骤中患者扫描中获得。
手术后的工具
为了稳定和保护外科手术的结果，可能需要手术后的夹板。这种人性化的部分也可以从设计软件的结果中产生。
被提议的途径的优点可以被总结如下。因为应用了不同的配准概念，不再需要石膏模型，也不需要用带有标记的3D夹板。这实质上增加了临床的实用性。而且，本发明容许具有结合于自然软组织轮廓的牙齿的准确可视化，其是用来改正软组织变形预测的先决条件。
同样在设计方法的领域，这种改善的牙齿的可视化使得准确的咬合设计和产生手术中及手术后的工具是可行的。
虽然本发明已经通过提及的特定实施例来解释了，对于本领域普通技术人员来说显然的是，本发明不限于前述解释的具体实施例的细节，且本发明在不离开其中的精神和范围下，可以用不同变化和改变来具体实施例化。因此认为本实施例在所有方面作为解释的并且是非限制的，本发明的范围由附属的权利要求来制定，而不是通过前述的描述，且在权利要求的相等的含义和范围内所有的变化，是其中有意被包括在其中的。换句话说，预期是覆盖任何和所有的改变，变更或相等物，所述改变，变更或相等物落入基本潜在的原则的精神和范围内，和落入那些实质上的在这个专利申请中被权利要求的特征内。进一步被通过这个专利申请的读者来理解的是，词“包括(comprising)”或“包括(comprise)”不排除其它组成部分或步骤，词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个，和单个组成部分，诸如一计算机系统，一处理器，或可以达到在权利要求中提到的多个装置的功能的其它集成的单元。在权利要求书中的任何附图标记不能解释为限制相关权利要求。术语“第一”，“第二”，“第三”，“a”，“b”，“c”等等，当用于说明书或权利要求书中，被引入在相似组成部分或步骤之间进行区分时，且不是必须描述有顺序或时间顺序。相似的，术语“顶部”，“底部”，“上”，“下”，等等被引入用来解释目的，且不需要来表示相关位置。被认为是，根据本发明在其它顺序中，或不同从在上述描述或解释的方向中，在适当和本发明的实施例是可以操作的的情况下，所用的术语是可互换的。
Claims (17)
1.一种用于导出人的颅骨和牙列形状信息的方法，包含步骤：
-采用所述人的牙列的印模，
-采用人的头部的第一扫描，其中，人是戴着所述印模的，
其中，所述方法进一步包括以下步骤：
-采用所述人的头部单独的没有所述印模的第三扫描的步骤，
-采用所述印模单独的第二扫描，
-将所述这些扫描结合，
-从所述结合的扫描中导出所述形状信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述采用所述人的牙列的印模的步骤是用预先定义的咬合进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中采用所述第一扫描的所述步骤是用小于45μSv剂量进行的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三扫描包括所述人的复杂颌面部。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三扫描用预先定义的咬合和面部表情进行。
6.根据权利要求1～5中任一项权利要求所述的方法，所述第二扫描是用被放置于泡沫状材料之上的所述印模进行的。
7.根据权利要求1～5中任一项权利要求所述的方法，其中所述采用所述人的牙列的印模的步骤是用褐藻酸盐或硅树脂作为印模材料来进行的。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其中所述采用所述人的牙列的印模的步骤是凭借蜡咬模（wax-bite）来进行的。
9.根据权利要求1～5中任一项权利要求所述的方法，其中所述人的牙列的所述印模是双面印模。
10.根据权利要求1～5中任一项权利要求所述的方法，其中所述采用所述人的牙列的印模的步骤是在CT扫描仪中进行的。
11.根据权利要求1～5中任一项权利要求所述的方法，进一步包括计算下颌自行旋转的步骤。
12.一种用于导出正颌设计信息的方法，该正颌设计信息被用来复位骨块，其中人的颅骨和牙列的信息是根据权利要求1～11中任一项所述的方法被导出。
13.一种用于设计和制造外科手术期间的夹板的方法，所述夹板被用来将设计的咬合转移到患者，其中，根据权利要求1～11中任一项所述的方法中所导出的形状信息设计所述夹板。
14.一种用于设计和制造固定结构的方法，所述固定结构用于连接上和下牙列，以至于设计的咬合可以被转移到患者，其中，根据权利要求1～11中任一项所述的方法中所导出的形状信息设计所述固定结构。
15.如权利要求14所述的用于设计和制造固定结构的方法，其中所述固定结构包括一套在下和上牙列上的牙齿的支架，和用于将所述支架连接到一起的结构。
16.用于设计和制造定制化骨接合板的方法，根据从权利要求1～11中任一项所述的方法导出的形状信息来设计所述定制化骨接合板。
17.一种用于设计和制造手术后固位工具的方法，所述手术后固位工具用于保护手术获得的设置，其中，应用根据权利要求1～11中任一项所述的方法导出的形状信息。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |