[发明专利]三维物体的三维成像的配准

说明书

技术领域

本发明涉及在多个扫描图像中确定物体和特征相对位置的方法和系统，具体而言涉及医疗和牙科应用，包括要求将外科和修复装置设计和制造到能够适应单个患者解剖构造所确定的解剖构造精确维数的那些应用场合。更具体地说，它旨在尽可能精确地配准患者下颌和上颌的数字化三维扫描，或等同地它们的铸型或印模的问题。

许多外科程序涉及将以极高的精度和精确度将适合患者解剖构造所需的修复装置和其它人工装置暂时或永久性地插入患者软组织或骨组织。一个此类应用涉及口腔种植学，在植入程序中一个或多个(通常是金属的)植入体锚定物通过外科手术放置在患者颌骨内，以容纳和支撑设计用来模拟和替换患者失去的一颗或多颗天然牙齿的假体组件。众所周知，要想完全成功，植入程序必须符合现有骨结构和齿系所确定的非常严格的定位、定向和尺寸大小要求，由此要装配到外科式定位的植入体锚定物上的假体组件必须得到完美设计、定形和确定尺寸大小，以符合患者精确的构造几何形状，包括相邻牙齿的位置、形状和大小，并且必须以高精确度移到支撑植入体锚定物的主轴的精确定向。

另外，正畸和修复牙科学领域提供的许多产品和服务的发展趋势是寻求对计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的利用。例如，在牙科学中，由患者嘴部印模形成的石质或塑料铸型(stone east)通常用于提供所需的产品或服务，并且不管是患者齿系或表示患者齿系的铸型的三维(3-D)扫描都能用于为牙科CAD系统提供表示相关几何形状的数据。然而，对于此类应用，牙齿CAD建模需要上颌(或上部铸型复制品)和下颌(或下部铸型复制品)图像非常准确的对准。

满足这些苛刻要求的常规方法用于形成患者颌部和齿系的模型，所述模型的制作包括将延展性物质放置在包括整个牙弓(dental arch)的患者嘴内的牙齿上和及其周围，以产生患者齿系的所谓“印模”。在植入体和修复组件的放置是一个因素时，此印模一般在植入体锚定物外科插入后而取得。一般情况下，称为印模应对(impression coping)的参考组件附接到已插入的植入体锚定物的外端，并用于参照锚定物的位置和角向。随后，从基于所述印模的铸模形成的模型将结合所谓的“模拟”锚定物以便为患者颌部中的锚定建模，并且所述锚定物的修复装置将基于如所述形成的模型几何形状而设计和制造。

在实际应用中，上述常规程序有许多困难和缺点。牙科医师无法制作在空间和位置方面持续无误差的牙印模和模型，这已得到证实；由于此类应用中对几何形状的要求如此苛刻，因此，即使亚毫米的尺寸标注误差或1或2度的定向误差就会导致置换位置产生不可接受的应力和条件。

近年来，人们一直在尝试采用基于图像的建模技术以解决常规植入体牙科手术中的这些熟知问题。在这些尝试中，通过使用所谓三维图像处理技术和软件，能够得到患者嘴部的图像，并且重建相关区域的三维模型。根源可追溯到自十九世纪三十年代摄影术发明后的十年的照相测量法的领域是“通过记录、测量和解释摄影图像和电磁辐射能量模式和其它现象而获得有关物理物体和环境的可靠信息的艺术、科学和技术”。(美国摄影测量工程与遥感协会，1980年摄影测量手册第4版。)特别是随着具有快速处理速度和大容量内存的计算机的出现及低成本数码相机及其它图像捕获装置的出现，适用于多种虚拟建模应用的现成三维图像处理软件可轻松得到。使用此类软件后，可通过使用可用的商用产品而重构已成像主体区域(subject field)相当准确的三维模型。然而，对高精确度的特殊要求和对身体成像的物理约束使得迄今在牙科领域中一直缺少可接受的三维成像技术。一个特定问题是必需以虚拟模型形式准确重构成像场景。一般情况下，从不止一个位置对物体进行成像，因此可提供更完整的三维模型。

1998年12月22日发布，授予Carlsson等人的美国专利5,851,115描述了一种用于对嘴部进行成像以便创建患者嘴部的虚拟模型，由此可设计和制作牙体部分的摄影测量方法和系统。在根据Carlsson等人的系统中，采用了一种专用相机，包括一组反射镜以允许包含两个不同角度的立体照相图像的单次曝光。Carlsson提出的系统还要求精确知道反射镜系统创建的虚拟“透镜”的相对几何形状。为帮助软件为成像特征定位和定向，Carlsson教导了使用诸如圆圈等应用到成像区域内平面的参考标记。