【摘 要】
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口腔种植义齿是缺失牙患者首选的治疗方式,而口腔种植导航技术凭借其手术创伤小、并发症概率低的优势成为口腔种植义齿的较优选择。种植导航系统可以实时显示手术器械相对于缺失牙区域的位置和方向,提升手术精度,实现微创治疗。传统的口腔种植导航仪主要依靠双目立体视觉进行空间的定位,但是双目视觉本身具有一些不足和局限性,例如:抗遮挡能力弱、立体匹配二义性。这些均会增加手术的风险和限制医生操作范围。本研究将近红外三
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口腔种植义齿是缺失牙患者首选的治疗方式,而口腔种植导航技术凭借其手术创伤小、并发症概率低的优势成为口腔种植义齿的较优选择。种植导航系统可以实时显示手术器械相对于缺失牙区域的位置和方向,提升手术精度,实现微创治疗。传统的口腔种植导航仪主要依靠双目立体视觉进行空间的定位,但是双目视觉本身具有一些不足和局限性,例如:抗遮挡能力弱、立体匹配二义性。这些均会增加手术的风险和限制医生操作范围。本研究将近红外三目立体视觉引入口腔种植导航领域,设计了一套抗遮挡能力强、精度高、成本低的口腔种植导航仪。导航仪各组成部分及功能如下:1、T型靶标:定位和追踪种植手机;2、参考靶标:矫正头部运动;3、U型定位管状模板:配准口腔影像数据;4、近红外三目立体视觉:空间定位光学标记;5、导航软件:精确引导口腔种植手术。为了实现上述功能,提升系统的精度和鲁棒性,主要从以下四个方面进行了研究。（1）高精度近红外摄像机标定。本研究发明了 一套可以长时间稳定运行的背照式近红外摄像机标定装置,提出了基于椭圆区域的灰度重心算法。高精度的标定装置和标定点提取算法,共同将近红外摄像机标定精度提升到0.1像素。（2）光学标记的快速提取和抗遮挡性能。为了保证导航系统的实时性,本研究提出了最近邻快速特征点提取算法。三目立体视觉追踪实验结果表明,本算法可实现60 Hz以上的刷新帧率。针对动态追踪中光学标记遮挡问题,在硬件上,设计了一款抗遮挡的主动式圆形光学标记。软件方面,通过自适应抗遮挡算法,保障系统工作的连续性和安全性。（3）多视图标记匹配和重建。基于三目立体视觉的双极线约束特征确保多视图同名点匹配的唯一性。将加权最小二乘法引入多目立体视觉三维重建,并建立权值估算模型。三目立体视觉重建实验结果表明本算法精度优于传统的最小二乘三维重建算法。（4）导航系统注册和配准。在口腔种植手术精确引导的过程中,坐标系主要包括:口腔的影像坐标系、三目立体视觉的世界坐标系、种植手机的器械坐标系、参考靶标的参考坐标系和上位机的屏幕坐标系。为了实现各坐标系的统一,本研究提出种植手机注册和影像配准算法准确建立各坐标系之间的转化关系。在上述研究的基础上,本文搭建了基于近红外三目立体视觉的口腔种植导航试验平台。定位实验结果表明,单点定位精度为0.02mm,靶标端点追踪精度为0.09 mm。根据口腔种植临床要求,利用佩戴颌骨的头模模拟种植手术。种植孔入点、末端和角度的平均偏差分别为0.55mm、0.88mm和2.23°,满足口腔种植临床需要。本文研究为口腔种植导航提供了一种新的技术方案。
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