[发明专利]基于颌表面的配准

说明书

提供了一种用于将人类颌与定位在图像参考坐标系中并且存储在计算机可读存储器中的该颌的体积计算机断层摄影图像配准的计算机实施的方法和系统。所述方法涉及：将颌标记附接到所述颌，以建立姿势可追踪的颌参考坐标系；使表面采样工具在所述颌的表面的至少一部分之上移动，同时操作姿势追踪系统和计算机处理器以记录所述颌参考坐标系中指示在所述颌的表面的所述至少一部分内的位置的样本；操作计算机处理器以确定近似初始配准映射；然后从所述近似初始配准映射开始，递增地调整所述配准映射。递增地调整所述配准映射涉及计算通过所述配准映射映射到所述图像的每个样本位置处的边缘接近度值。

优先权

本申请要求享有2017年7月18日提交的第62/533,905号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

所描述的实施方案涉及医学领域，具体涉及牙科导航系统领域。

背景技术

牙科导航系统越来越普遍，并且在商业上可用。许多现有的牙科导航系统(诸如美国专利号9,125,624和美国专利号9,402,691中所描述的牙科导航系统)涉及在对象颌(换言之，患者的正被光学追踪的颌)中的位置和该对象颌的预先获取的体积计算机断层摄影(CT)图像中的同源(homologous)位置之间的三维(3D)坐标映射。

该3D坐标映射的参数通常呈矩阵的形式，表示与该对象颌相关联的参考坐标空间和与CT图像相关联的参考坐标空间之间的刚性3D坐标变换(“配准映射”)。可以使用被称为配准的算法过程来计算该矩阵。

现有的用于配准刚性物体(诸如人类颌)的方法通常基于点-点、点-表面和表面-表面对准的某个组合。使用基准(即，具有可以在图像中被可靠地检测的边界的已知几何形状的人造物体)能够实现高程度的配准可靠性和准确性，但是带来不期望的时间和成本开销。

一些现有技术公开物描述了颌与其图像的无基准配准。例如，美国专利公开号2017/0290554公开了如下一种系统，该系统首先将地标追踪点(landmark trace point)与牙齿的表面对准，并且然后使用迭代最近点(iterative closest point，ICP)算法来改善追踪点与牙齿的表面之间的对准。使用等值面跟随算法(即，“移动立方体(marchingcubes)”)从CT图像提取表面几何形状，并且使用具有球形末端的位置追踪校准探针来收集点。在探针末端校准和可追踪的热塑性固定装置附接到牙齿作为参考之后，使用点对点配准来提供颌与CT图像的初始近似对准。在随后的改善步骤中，操作人员在牙齿的表面之上执行长时间追踪，并且计算机迭代地调整配准映射以减小追踪与先前提取的等值面之间的平均距离。

上文所提到的现有的牙科导航系统和方法在模型上相当好地起作用，但是当应用于患者颌时却经常失败，因为通过等值面分割或应用于通常使用的锥形束CT(CBCT)图像的其他自动化分割算法获得的表面几何形状可能由于各种原因而高度不可靠并且失真。首先，强度的非均匀性可能存在于整个成像场上。其次，条纹伪影常常存在于CT图像的高密度区域附近。同样地，由于变化的牙齿密度或由于先前的牙科治疗引入到嘴的人造材料所引起的非均匀性也可以导致失真。此外，由于从CT扫描到外科手术之间的时间延迟可能是几个月，因此在此时间内可能发生牙齿移动，以致使CT图像的某些部分在外科手术期间不可靠地描绘颌表面。最后，在扫描期间患者的颌的移动也可能导致CT图像中的几何失真。

现有的牙科导航系统和方法的另一个主要挑战是基准到颌的附接，这通常覆盖三个或更多个牙齿。对三个或更多个牙齿的覆盖大幅减少了可用于颌与CT图像的对准的配准的暴露的牙齿表面。

发明内容

本文所描述的各实施方案一般涉及用于将人类颌与定位在图像参考坐标系中并且存储在计算机可读存储器中的该颌的体积计算机断层摄影图像配准的方法(以及被配置为实施所述方法的相关联的系统)。