一种正畸支抗钉标定方法及装置与流程

本发明属于医用辅助器械技术领域，具体涉及一种正畸支抗钉标定装置及方法。

背景技术：

在口腔正畸治疗中，往往需要选择绝对支抗以抵抗由于矫治力而产生的反作用力。传统的加强磨牙支抗的方法有横腭杆、nance弓、固定舌弓、颌间牵引方法等，由于传统手段存在一定程度的不确定性，可能会导致患者磨牙前移的情况，难以满足患者对于治疗的高要求，治疗效果达不到患者的期望，并且佩戴不舒适，而且容易造成各种并发症。

随着医疗技术的发展，微型种植支抗——支抗钉被广泛应用于口腔正畸治疗中，支抗钉植入部位较灵活和去除方法简单、安全，提高了患者的舒适度，且能够承受较大的矫正力，稳定性更强。同时这种方法的操作步骤简单、疗程短，降低了治疗时对患牙的损坏程度，取支抗时也无需进行麻醉，降低了感染的几率，对创口的恢复更加有利。

在支抗钉植入过程中，一方面支抗钉与牙根距离较小，很可能损伤临近牙根，只是轻微的损伤对患者并无影响，中度重度损伤会让患者出现咬合不适，甚至导致牙齿松动，另一方面避免在主要神经和血管聚集的地方进行种植可以有效提高患者的种植成功几率，避免了患者微型种植体的松动折断。因此，在支抗钉植入过程中，使用支抗钉植入工具将支抗钉精准与安全的植入患者牙槽骨内是至关重要的步骤。

现有的方法常依赖医师的临床经验进行支抗钉的植入。一般采用植入工具对支抗钉进行植入，植入工具的手柄和长柄可拆卸连接，长柄的另一端和支抗钉的端部连接；在植入过程中，医师无法直接观察支抗钉尖端的位置，因此，医师需具有较多的临床经验，对于复杂病例操作难度较高且有失败的风险。如果在错误的位置植入支抗钉，医师只能重新选择位置进行植入，这样会对患者产生多次创伤。对于医师没有把握的病例，需要给患者拍摄额外的cbct图像观测当前植入位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种正畸支抗钉标定装置及方法，解决现有技术存在的支抗钉植入过程无法获得尖端位置导致植入位置产生偏差的问题。

为实现上述目的，一种正畸支抗钉标定方法包括对支抗钉尖端的标定以及对支抗钉中心轴轴线方向的标定；

所述对支抗钉尖端的标定包括以下步骤：

步骤一：拆除植入装置的手柄，将植入装置的长柄和两个轴承的内圈固定连接，两个所述轴承的外圈和一个延长杆的一端固定连接，所述延长杆的另一端固定有跟踪刚体；

步骤二：使用光学跟踪设备获取跟踪刚体的空间位置信息，建立跟踪刚体坐标系；

步骤三：将支抗钉装入植入装置的长柄端部；

步骤四：将支抗钉尖端和一个v型凹锥的内锥面的底部接触，转动长柄，使长柄绕支抗钉尖端点旋转，通过光学跟踪设备实时采集跟踪刚体位置信息即跟踪刚体坐标系原点的位置，将采集到的数据每四帧分为一组，最后一组不够四帧的忽略该组数据，对每组数据根据球面方程计算球心cj，j＝1，2，3……m，m≥10，从而得到m个球心，计算这m个球心的质心p；

步骤五：将支抗钉从v型凹锥取下，再重复步骤四k次，k≥3，获得k个质心，计算这k个质心的质心o；

步骤六：将步骤五中获得的质心o从光学跟踪设备坐标系o-xyz转换至跟踪刚体坐标系o-xyz，得到跟踪刚体坐标系下的质心坐标，将跟踪刚体坐标系下的质心坐标作为支抗钉的尖端的位置坐标，完成支抗钉尖端的标定；

所述对支抗钉中心轴轴线方向的标定包括以下步骤：

步骤一：拆除植入装置的手柄，将植入装置的长柄和两个轴承的内圈固定连接，两个所述轴承的外圈和一个延长杆的一端固定连接，所述延长杆的另一端固定有跟踪刚体；

步骤二：将植入装置的长柄从装入支抗钉一端到轴承位置分为n份，将分割点记为ni，i＝1，2，3……n，n≥5；

步骤三：将ni分别固定在一个夹持工具上，旋转跟踪刚体，并通过光学跟踪设备实时采集跟踪刚体的位置信息，将每个分割点处采集到的数据每四帧分为一组，最后一组不够四帧的忽略该组数据，对每组数据根据球面方程计算球心cj，j＝1，2，3……m，m≥10，从而得到m个球心，计算每个分割点处m个球心的质心p，作为每个分割点处的跟踪刚体的旋转中心空间坐标，进而获得n个分割点处的空间坐标；

步骤四：将步骤三中获得的n个点通过最小二乘法拟合直线l，计算这n个点到直线l的距离，将距离超过0.5mm的点剔除，再次使用最小二乘法将剩余点拟合直线ln，将ln作为长柄的中心轴在光学跟踪设备坐标系下的空间位置；将长柄的中心轴在光学跟踪设备坐标系下的空间位置转换到跟踪刚体坐标系，从而得到跟踪刚体坐标系下长柄的中心轴的位置，将该中心轴的位置归一化后作为支抗钉中心轴的方向，完成支抗钉中心轴轴线方向的标定。

一种正畸支抗钉标定装置包括：

延长装置，所述延长装置相对支抗钉植入工具的长柄倾斜设置，一端和长柄转动配合；

设置在所述延长装置另一端的跟踪刚体；

标定辅助装置，所述标定辅助装置至少包括一个v型凹锥以及一个夹持工具，支抗钉端部和v型凹锥顶点接触并相对v型凹锥转动或长柄和接触工具同轴固定连接；

以及光学跟踪设备，通过所述光学跟踪设备实时采集跟踪刚体的位置信息。

所述延长装置包括：

同轴设置在长柄上的轴承；

以及延长杆，所述延长杆一端设置有一个圆孔，所述圆孔和所述轴承固定连接，所述延长杆的另一端和所述跟踪刚体固定连接。

所述轴承包括两个，两个所述轴承相邻端面之间的距离至少2mm，所述延长杆的圆孔和两个轴承的外圈固定连接。

所述标定辅助装置还包括工作台，所述v型凹锥和夹持工具均设置在所述工作台上。

所述跟踪刚体为类十字刚体，类十字刚体的四个端部设置光学感应球，光学跟踪设备根据光学感应球采集跟踪刚体的位置信息。

本发明的有益效果为：本发明通过光学跟踪设备以及跟踪刚体辅助完成对支抗钉尖端和轴向的标定，使得医师在支抗钉植入过程中如同有一张牙槽骨内部的实时“地图”，根据导航信息和“地图”能够有助于医师实时的观察支抗钉植入的位置和方向，提高了支抗钉植入的成功率，避免了给患者带来不必要的创伤。

附图说明

图1为本发明的一种正畸支抗钉标定装置整体结构示意图；

图2为本发明的一种正畸支抗钉标定装置在进行尖端标定时结构示意图；

图3为本发明的一种正畸支抗钉标定装置在进行轴向标定时结构示意图；

其中：1、支抗钉，2、植入工具，201、长柄，202、手柄，3、延长装置，301、轴承，302、延长杆，4、标定辅助装置，401、工作台，402、v型凹锥，403、夹持工具，5、光学跟踪设备，6、跟踪刚体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图3，一种正畸支抗钉标定方法包括对支抗钉1尖端的标定以及对支抗钉1中心轴轴线方向的标定；

所述对支抗钉1尖端的标定包括以下步骤：

步骤一：拆除植入装置的手柄202，将植入装置的长柄201和两个轴承301的内圈固定连接，两个所述轴承301的外圈和一个延长杆302的一端固定连接，所述延长杆302的另一端固定有跟踪刚体6；

步骤二：使用光学跟踪设备5获取跟踪刚体6的空间位置信息，建立跟踪刚体6坐标系；

步骤三：将支抗钉1装入植入装置的长柄201端部；

步骤四：将支抗钉1尖端和一个v型凹锥402的内锥面的底部接触，转动长柄201，使长柄201绕支抗钉1尖端点旋转，通过光学跟踪设备5实时采集跟踪刚体6位置信息即跟踪刚体坐标系原点的位置，将采集到的数据每四帧分为一组，最后一组不够四帧的忽略该组数据，对每组数据根据球面方程计算球心cj，j＝1，2，3……m，m≥10，从而得到m个球心，计算这m个球心的质心p；

步骤五：将支抗钉1从v型凹锥402取下，再重复步骤四k次，k≥3，获得k个质心，计算这k个质心的质心o，这里重复步骤三的次数越大越好；

步骤六：将步骤五中获得的质心o从光学跟踪设备5坐标系o-xyz转换至跟踪刚体6坐标系o-xyz，得到跟踪刚体6坐标系下的质心坐标，将跟踪刚体6坐标系下的质心坐标作为支抗钉1的尖端的位置坐标，完成支抗钉1尖端的标定；

所述对支抗钉1中心轴轴线方向的标定包括以下步骤：

步骤一：拆除植入装置的手柄202，将植入装置的长柄201和两个轴承301的内圈固定连接，两个所述轴承301的外圈和一个延长杆302的一端固定连接，所述延长杆302的另一端固定有跟踪刚体6；

步骤二：将植入装置的长柄201从装入支抗钉1一端到轴承301位置分为n份，将分割点记为ni，i＝1，2，3……n，n≥5；

步骤三：将ni分别固定在一个夹持工具403上，旋转跟踪刚体6，并通过光学跟踪设备5实时采集跟踪刚体6的位置信息，将每个分割点处采集到的数据每四帧分为一组，最后一组不够四帧的忽略该组数据，对每组数据根据球面方程计算球心cj，j＝1，2，3……m，m≥10，从而得到m个球心，计算每个分割点处m个球心的质心p，作为每个分割点处的跟踪刚体6的旋转中心空间坐标，进而获得n个分割点处的空间坐标；

步骤四：将步骤三中获得的n个点通过最小二乘法拟合直线l，计算这n个点到直线l的距离，将距离超过0.5mm的点剔除，再次使用最小二乘法将剩余点拟合直线ln，将ln作为长柄201的中心轴在光学跟踪设备5坐标系下的空间位置；将长柄201的中心轴在光学跟踪设备5坐标系下的空间位置转换到跟踪刚体6坐标系，从而得到跟踪刚体6坐标系下长柄201的中心轴的位置，将该中心轴的位置归一化后作为支抗钉1中心轴的方向，完成支抗钉1中心轴轴线方向的标定。

一种正畸支抗钉标定装置包括：

延长装置3，所述延长装置3相对支抗钉1的植入工具2的长柄201倾斜设置，一端和长柄201转动配合；

设置在所述延长装置3另一端的跟踪刚体6；

标定辅助装置4，所述标定辅助装置4至少包括一个v型凹锥402以及一个夹持工具403，支抗钉1端部和v型凹锥402顶点接触并相对v型凹锥402转动或长柄201和接触工具同轴固定连接；

以及光学跟踪设备5，通过所述光学跟踪设备5实时采集跟踪刚体6的位置信息。

所述延长装置3包括：

同轴设置在长柄201上的轴承301；

以及延长杆302，所述延长杆302一端设置有一个圆孔，所述圆孔和所述轴承301固定连接，所述延长杆302的另一端和所述跟踪刚体6固定连接。

所述轴承301包括两个，两个所述轴承301相邻端面之间的距离至少2mm，所述延长杆302的圆孔和两个轴承301的外圈固定连接。

在长柄上设置轴承301原因一是因为受光学跟踪设备可视角度的限制，原因二是不让跟踪刚体6影响医师的正常操作，因此不让跟踪刚体6随长柄201的转动而转动。同时，设置两个轴承301是为了减少单个轴承301引起的晃动误差。

所述标定辅助装置4还包括工作台401，所述v型凹锥402和夹持工具403均设置在所述工作台401上。这里的夹持工具403为市面上常见的夹持器，具有夹持功能的一端用于固定长柄，非夹持的一段固定在工作台上。

所述跟踪刚体6为类十字刚体，类十字刚体的四个端部设置光学感应球，光学跟踪设备5根据光学感应球采集跟踪刚体6的位置信息。类十字刚体为两个交叉设置的杆体。

利用本发明的标定装置获得的位置信息及方向信息实时反应支抗钉在牙槽骨内的位置和姿态信息，提高了支抗钉植入的成功率，避免了给患者带来不必要的创伤。