CN1578646A - 医疗用模拟装置及在其装置中的三维图像的显示控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够进行使三维图像和实体模型相互关联的模拟的医疗用模拟模拟装置。在下颌齿列模型(62)的移动前后，对该下颌齿列模型(62)的表面上的测量对象标记(MP1、MP2、MP3)，取得在由3个基准标记(MK1、MK2、MK3)决定的坐标系中的坐标。使该取得的坐标，基于基准标记(MK1、MK2、MK3)和基准标记(PK1、PK2、PK3)的关系，在由基准标记(PK1、PK2、PK3)决定的坐标系的坐标中变化。并且，求出下颌齿列模型(62)的移动前后的坐标变化，根据该求出的坐标变化，使在显示器(5)中显示的三维图像中的预先指定的区域进行移动。

Description

医疗用模拟装置及在其装置中的三维图像的显示控制方法
技术领域
本发明涉及一种例如用于对在外科手术中的手术方式确认及手术后预测等进行模拟用的医疗用模拟装置及在这样的医疗用模拟装置中的三维图像的显示控制方法。
背景技术
在医疗中，有进行使用X线照相的跟踪及实体模型(用石膏或树脂等制作的模型)的模拟、基于该模拟结果进行手术方式的确认及术后的预测的技术。如以口腔外科或整形外科为例，如在做上颌骨或下颌骨的前突(所谓、龅牙或“地包天”)及颌变形症治疗的外科矫正手术的时候，进行手术方式的确认及术后的预测用的模拟。
在外科矫正手术中，对于上下的颌骨间的位置的决定，不能忽视上下齿列的咬合。齿(臼齿)的咬合面，由于在山状的牙尖和牙尖间有凹成谷状的沟部，所以在上下的齿的牙尖之间接触的时候和上下一方的齿的牙尖和另一方的齿的沟部接触的时候，在咬合高度(在咬合时的上下的颌骨间的距离)上会出现差异。例如，如图7(a)所示，在左右两侧，在上下一方的齿的牙尖和与其相对的另一方的齿的沟部呈接触的咬合的时候，上颌齿列的正中线CLu和下颌齿列的正中线CLd一致。但是，如图7(b)所示，在右侧上下齿的牙尖之间接触、在左侧呈上下一方的齿的牙尖和与其相对的另一方的齿的沟部接触的咬合的时候，在右侧的咬合高度比在左侧的咬合高度要大，呈下颌齿列的正中线CLd倾斜的状态。这时，在临床上，就产生了应进行改善齿的接触状态用的齿的移动或削合的必要。为了确认在这样的手术后产生的问题及其解决方法，在使颌骨(特别是下颌骨)做移动的外科矫正手术时，从过去就有进行各种模拟的方法。例如，进行使用头部X线标准照片或脸貌照片的模拟(纸上手术)。该纸上手术是关于骨格的平衡的预测诊断用的模拟，能够确认外科矫正手术后的骨格的形态的变化，但由于仅能够得到二维的信息，所以不能够确认齿的接触状态。在这里，同时进行使用齿列模型的模拟(模型手术)，通过该模型手术，进行关于咬合状态的预测诊断。
然而，由于使由纸上手术带来的二维的图像信息和由模型手术带来的三维的图像信息相互反映和关联是困难的，所以在纸上手术和模型手术的组合中，不能够预测到由齿的接触状态带来的脸貌的变化。
在这里，近年，在计算机上立体构筑由CT装置或MRI装置等的断层拍摄装置取得的多断层数据，将该构筑的三维图像(立体图像)显示在显示器上，在显示器上能够进行使用三维图像的模拟的装置，一直在开发进展之中。在现有的装置中，在显示器上截取三维图像的任意部分，可以使其进行三维的移动。但是，由于截取下颌骨的图像、使该截取的图像上下齿列不相互重合、难以进行很好接触的移动，所以在显示器上不能确认齿的接触状态，就不能确认由齿的接触状态而带来的脸貌的变化。
发明内容
本发明是在上述的背景下开发的发明，其目的在于提供一种能够进行使三维图像和实体模型相互关联的模拟的医疗用模拟装置。
另外，本发明的另外的目的，是提供一种在能够进行使三维图像和实体模型相互关联的模拟的医疗用模拟装置中的三维图像的显示控制方法。
为达到上述目的的本发明之1的医疗用模拟装置，其特征在于，包括：显示患者的三维图像的图像显示装置5，和使用患者的实体模型(6、8、9、10)上的至少3个基准点(MK1、MK2、MK3)和三维图像上的至少3个基准点(PK1、PK2、PK3)、使实体模型和三维图像相关联，并根据在实体模型中的变化来变化三维图像的显示控制装置。
本发明之2，是在本发明之1的医疗用模拟装置中，其特征在于：上述实体模型中的变化，包括使实体模型的规定部分移动，上述显示控制装置，根据实体模型上的上述基准点和三维图像上的上述基准点的关系，求出与在上述规定部分的移动的前后的该规定部分的至少3个点(MP1、MP2、MP3)相当的三维图像上的各点的坐标变化，并根据该求出的坐标变化，使对应于三维图像中的上述规定部分的区域进行移动。
本发明之3，是在本发明之2的医疗用模拟装置中，其特征在于：上述实体模型是上下颌齿列模型，上述规定部分是上颌齿列模型或下颌齿列模型。
另外，括号内的英文数字，表示在后述的实施例中的对应构成要素等。以下，在该项中相同。
根据本发明，对应于在实体模型中的变化，能够变化在图像显示装置中显示的三维图像。
在本发明之2中，在使实体模型的规定部分进行移动时，根据该移动，对应于在图像显示装置中显示的患者的三维图像中的该规定部分的区域进行移动。如果使用该医疗用模拟装置，例如，制作上颌齿列模型和下颌齿列模型，通过为使上颌齿列和下颌齿列的接触状态良好而使下颌齿列模型相对于上颌齿列模型的移动，能够将上颌齿列和下颌齿列的接触状态的功能的信息反映到患者的三维图像的变化中。由此，牙科医生基于三维图像的变化，为了达到理想的咬合状态和头部整体的形态变化，能够决定将用外科矫正手术进行移动的下颌骨固定在哪个位置、通过手术后的齿列矫正使哪个齿进行怎样的移动为好。这时，实体模型是上下颌齿列模型，实体模型的规定部分相当于下颌齿列模型。
另外，上述实体模型，如本发明之4所述，也可以是使用石膏或树脂材料、基于患者的实体制作的模型，这时，上述规定部分，为在患者的实体中、对应于应该由外科手术进行移动的部位的部分。
本发明之5，是在本发明之1至4中任意一项的医疗用模拟装置中，其特征在于：在上述实体模型中的变化，包括在实体模型上描绘点或线部分，上述显示控制装置，基于实体模型上的上述基准点和三维图像上的上述基准点的关系，求出与在实体模型上描绘的点或线部分上的各点相当的三维图像上的各点的坐标，并基于该求出的各点的坐标，使与在实体模型上描绘的点或线部分相当的图像显示在三维图像中的装置。
根据本发明，能够将在实体模型上描绘的点或线部分忠实地显示在三维图像上。
另外，在实体模型上，如果考虑将附加人造齿根等的其他部件向实体模型的线部分描绘，则能够进行例如人造齿根的植入模拟。
过去，在将人造齿根植入到颌骨上时，对于其植入方向和深度等的探查、通过使用头部X线标准相片或脸貌相片的模拟(纸上手术)和使用齿列模型的模拟(模型手术)来进行。但是，使通过纸上手术的二维的图像信息和通过模型手术的三维的图像信息相互反映并相互关联是困难的。在这里，最近，通过使用基于由CT装置或MRI装置等的断层拍摄装置取得的多断层数据的三维图像的模拟和模型手术，进行做人造齿根的植入方向和深度等的探查的试验。然而，基于在三维图像上探查的人造齿根的植入方向和深度，在齿列模型上即使进行植入人造齿根的模拟，也不能确认该模拟结果是否是与在三维图像上探查的一样。
对此，根据上述的发明，对实体模型插入人造齿根，并通过将对应于该插入的人造齿根的图像显示在三维图像中，牙科医生能够确认人造齿根的植入方向和深度是否合适，能够恰当地决定人造齿根的植入方向和深度。
本发明之6的医疗用模拟装置中的三维图像的显示控制方法，其特征在于：将患者的三维图像显示在图像显示装置5中，使用实体模型上的至少3个基准点(MK1、MK2、MK3)和三维图像上的至少3个基准点(PK1、PK2、PK3)，使实体模型和三维图像相关联，根据在实体模型中的变化，变化在上述图像显示装置中显示的三维图像。
根据该方法，能够达到与本发明之1所阐述的效果同样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的医疗用模拟装置的构成的方块图。
图2是表示于外科矫正手术时在使下颌骨移动时进行的模拟时的处理动作的过程的流程。
图3是用于说明实体模型的处置和患者的三维图像相对应的图。
图4是用于说明本发明的其他实施例的图。
图5是用于说明其他模拟的图。
图6是用于说明另一模拟的图。
图7是用于说明在外科矫正手术时需要模拟的理由的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施例参照附图进行详细说明。
图1是表示本发明的一实施例的医疗用模拟装置的构成的方块图。该医疗用模拟装置，是例如在做口腔外科或成形外科的外科矫正手术时，使用三维图像进行模拟用的装置，其具有内装有微处理器和硬盘的装置主体1。
在对装置主体1上，连接有：输入数据及指令等用的键盘及鼠标等输入设备2、对于DVD(数字视盘)等的可移动磁盘3的数据写入和读出用的可移动磁盘读写器4、显示三维图像用的显示器5、对于实体模型6的表面上的任意的点取得由预先决定的3点确定的坐标系中的坐标用的三维测量仪7。
图2是表示进行模拟时的处理动作的过程的流程。为了在该医疗用模拟装置中进行外科矫正手术的模拟，需要接受该外科矫正手术的患者的头部的多断层图像数据。
多断层图像数据，例如由CT装置或MRI装置等的断层拍摄装置拍摄多张断层照片而取得，通过可移动磁盘3，输入到医疗用模拟装置的装置主体1中。即，由断层拍摄装置取得的多断层图像数据，被写入到可移动磁盘3中。写入了该多断层图像数据的可移动磁盘3，被装入到可移动磁盘读写器4中，在从输入设备2对装置主体1输入数据读入指令时，通过可移动磁盘读写器4从可移动磁盘3读出多断层图像数据，将该读出的多断层图像数据输送到装置主体1中(步骤S1)。这样被读入到装置主体1的多断层图像数据被保存在内装于装置主体1中的硬盘中(步骤S2)。
然后，在从输入设备2对装置主体1给予三维图像显示指令(步骤S3中的“是”)后，对保存在装置主体1内的硬盘中的多断层图像数据进行立体构筑，生成三维图像数据。并且，基于该三维图像数据，将患者的头部的头盖脸面颌骨的三维图像显示在显示器5上(步骤S4)。
另外，为了在该医疗用模拟装置中进行外科矫正手术的模拟，需要接受该外科矫正手术的患者的上颌齿列模型和下颌齿列模型(实体模型)。在这里，在该模拟开始之前，图3(a)所示的上颌齿列模型61和下颌齿列模型62使用石膏或树脂等，根据患者的实体进行制作。在上颌齿列模型61的表面，在使用三维测量仪7取得坐标时作为决定坐标系用的基准点，要制定3个基准标记MK1、MK2、MK3。另外，在下颌齿列模型62的表面，制定3个测量对象标记MP1、MP2、MP3。
牙科医生或操作者，将上颌齿列模型61固定在预先决定的位置上，进而，与患者的现状的咬合相同地将下颌齿列模型62配置成与上颌齿列模型61咬合。其后，操作输入设备2，对装置主体1输入基准点坐标取得指令。另外，牙科医生或操作者，操作输入设备2，在于显示器5显示的三维图像上，于与在上颌齿列模型61上制定的基准标记MK1、MK2、MK3分别对应的位置上描绘出基准标记PK1、PK2、PK3。
当对装置主体1输入基准点坐标取得指令时(步骤S5中的“是”)，通过三维测量仪7，对下颌齿列模型62的表面上的测量对象标记MP1、MP2、MP3，取得在由3个基准标记MK1、MK2、MK3决定的坐标系中的坐标(以下称为「模型坐标」。)(步骤S6)。该取得的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标被输送到装置主体1中，基于基准标记MK1、MK2、MK3和基准标记PK1、PK2、PK3的关系，变换成由基准标记PK1、PK2、PK3决定的坐标系的坐标(以下称为「图像坐标」。)(步骤S7)。于是，如图3(b)所示，由该坐标变换得到的各图像坐标的位置PP1、PP2、PP3，显示在显示器5上的三维图像上(步骤S8)。
接着，如图3(C)所示，牙科医生治疗上颌骨或下颌骨的前突及颌变形症，并且，将下颌齿列模型62移动到上颌齿列和下颌齿列良好地咬合的位置。其后，牙科医生或操作者，操作输入设备2，对装置主体1输入坐标取得指令。另外，操作输入设备2，在于显示器5显示的三维图像的上，指定相当于要通过外科矫正手术来移动的颌骨的区域(制定剖面线的区域)。
在移动下颌齿列模型62后，对装置主体1输入坐标取得指令(步骤S9中的“是”)，这时，通过三维测量仪7取得该移动后的下颌齿列模型62的表面上的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标(步骤S10)。该取得的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标，被输送到装置主体1中，基于基准标记MK1、MK2、MK3和基准标记PK1、PK2、PK3的关系，坐标变换成图像坐标(步骤S11)。
其后，基于下颌齿列模型62的移动前后中的测量对象标记MP1、MP2、MP3的图像坐标的变化，计算出相当于应由三维图像中的外科矫正手术来移动的颌骨的区域(移动对象区域)的移动方向和移动量(步骤S12)。即，对三维图像中的移动对象区域内的所有点，计算出根据测量对象标记MP1、MP2、MP3的图像坐标的变化的移动方向和移动量。并且，基于该计算出的移动方向和移动量，如图3(d)所示，移动三维图像中的移动对象区域(步骤S13)。
在区域移动后，判断是否从输入设备2对装置主体1给出了三维图像显示结束指令(步骤S14)。在没有给出三维图像显示结束指令的时候，返回到步骤S9，判断是否从输入设备2对装置主体1给出了坐标取得指令。是否给出了这些坐标取得指令或三维图像显示结束指令的判断，反复到给出坐标取得指令或三维图像显示结束指令的其中一方为止。并且，在于其间给出了坐标取得指令的时候(步骤S9中的“是”)，进行上述步骤S10～S13的处理。另外，给出三维图像显示结束指令后(步骤S14中的“是”)，结束该医疗用模拟装置中的外科矫正手术的模拟。
如上所述，在该医疗用模拟装置中，在使下颌齿列模型62移动时，根据该移动，在显示器5显示的患者的三维图像中的预先指定的区域(相当于通过外科矫正手术应该移动的颌骨的区域)进行移动。即，在该医疗用模拟装置中，使上颌齿列和下颌齿列的接触状态的功能的信息能够反映到患者的三维图像的变化中。由此，牙科医生基于显示器5的显示，为了达到理想的咬合状态和头部整体的形态变化，能够决定在哪个位置固定由外科矫正手术移动的下颌骨、和通过手术后的齿列矫正使哪个齿怎样移动为好。
另外，在患者的头部的多断层图像数据中，由于也包含皮肤和皮下组织等的软组织的图像数据，所以基于此，如图3(e)所示，能够将包含患者软组织的三维图像显示在显示器5上。并且，根据下颌齿列模型62的移动，通过使相当于应该由三维图像中的外科矫正手术移动的颌骨和使附带于该颌骨上的软组织的区域移动，如图3(f)所示，能够将包含手术后的患者软组织的三维图像显示在显示器5上。由此，能够容易地预测和评价由外科矫正手术带来的患者的脸貌的变化。
图4是说明本发明的其他实施例用的图。在上述的实施例中，在模拟开始前，作为实体模型的上颌齿列模型61和下颌齿列模型62，是基于患者的实体而制作的。对此，在该实施例中，基于立体构筑患者的多断层图像数据生成的三维图像数据，制作患者的脸面头盖颌骨的实体模型8。并且，能够进行与该实体模型8和脸面头盖颌骨的三维图像相关联的模拟。
即，患者的多断层图像数据被读入装置主体1后(参照图1)，在给出三维图像显示指令时，基于该多断层图像数据，生成三维图像数据，如图4(a)所示，患者的头部的头盖脸面颌骨的三维图像被显示在显示器5上。
其后，牙科医生或操作者，例如，在于显示器5中显示的三维图像的上，指定相当于应该由外科矫正手术移动的颌骨的区域(带剖面线的区域)。并且，在该指定的移动对象区域上，输入3个标记PP1、PP2、PP3，另外，在该指定的区域对象区域以外的区域上，输入决定坐标系用的3个基准标记PK1、PK2、PK3。
在标记PP1、PP2、PP3和基准标记PK1、PK2、PK3的输入后，将含有有关这些标记PP1、PP2、PP3和基准标记PK1、PK2、PK3的数据的三维图像数据输送到立体模型生成装置(未图示)中。立体模型生成装置，例如是通过光造型法生成立体模型的装置，在给出这样的三维图像数据后，基于该三维图像数据，生成患者的头部的头盖脸面颌骨的立体模型(实体模型)8。对该生成的实体模型8，如图4(b)所示，在与标记PP1、PP2、PP3和基准标记PK1、PK2、PK3分别对应的位置，制定测量对象标记MP1、MP2、MP3和基准标记MK1、MK2、MK3。
接着，牙科医生或操作者，例如，在预先确定的位置固定实体8的头盖部分，并向装置主体1输入坐标取得指令。向装置主体1输入坐标取得指令后，通过三维测量仪7(参照图1)，取得有关在实体模型8上制定的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标(由3个基准标记MK1、MK2、MK3确定的坐标系中的坐标)。该取得的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标，被送到装置主体1中，并基于基准标记MK1、MK2、MK3和基准标记PK1、PK2、PK3的关系，将坐标转换成图像坐标(由基准标记PK1、PK2、PK3确定的坐标系的坐标)。
然后，牙科医生，如图4(c)所示，治疗上颌骨或下颌骨的前突或颌变形症，并且，将实体模型8的下颌骨部分移动到上颌齿列和下颌齿列良好地咬合的位置。并且，对装置主体1输入坐标取得指令。在向装置主体1输入坐标取得指令后，通过三维测量仪7取得其移动后的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标。该取得的测量对象标记MP1、MP2、MP3的模型坐标，被送到装置主体1中，并基于基准标记MK1、MK2、MK3和基准标记PK1、PK2、PK3的关系，将坐标转换成图像坐标。
于是，基于实体模型8的下颌骨部分的移动前后中的测量对象标记MP1、MP2、MP3的图像坐标的变化，计算在三维图像中的、前面指定的移动对象区域的移动方向和移动量。即，对三维图像中的移动对象区域内的所有的点，计算对应于测量对象标记MP1、MP2、MP3的图像坐标的变化的移动方向和移动量。并且，基于该计算出的移动方向和移动量，如图4(d)所示，移动三维图像中的移动对象区域。
从而，牙科医生，基于在实体模型8的移动前后中的三维图像的变化，为了达到理想的咬合状态和头部整体的形态变化，来决定在哪个位置固定由外科矫正手术能够移动的下颌骨、并通过手术后的齿列矫正能使哪个齿怎样移动为好。另外，与上述实施例的情况相同，基于包含在患者的头部的多断层图像数据中的软组织的图像数据，如图4(e)(f)所示，通过将包含手术前后的患者的软组织的三维图像显示在显示器5中，也能容易地预测和评价外科矫正手术带来的患者的脸貌的变化。
以上，对本发明的两个实施例，以由外科矫正手术移动下颌骨时的模拟为例进行了说明，但也能够进行这以外的模拟。
例如，如图5(a)所示，在将头盖脸面上颌骨的三维图像显示在显示器5上后，通过光造型法等，制作如图5(b)所示的三维图像的实体模型9。其后，如在图5(b)由虚线所示，在实体模型9上画入手术时的切断线。并且，由三维测量仪7(参照图1)取得该画入的切断线上的各点的模型坐标，通过将该取得的模型坐标送到装置主体1(参照图1)中，如图5(d)所示，能够将相当于画在实体模型9上的切断线的线显示在三维图像中。由此，比起边看在实体模型9上画切断线、牙科医生或操作者边以手工操作(例如、鼠标操作)在三维图像中描绘切断线的情况，更能够显示出在三维图像中的具有正确位置的切断线。进而，为了显示三维图像而基于被取入到装置主体1中的多断层图像数据，如图5(e)所示，能够将沿在三维图像中显示的切断线的断面图像显示在显示器5上。由此，能够预测切断带来的影响等，能够设定最理想的切断位置。
另外，也能够进行人造齿根的植入的模拟。例如，在于下颌骨植入人造齿根的时候，如图6(a)所示，在将基于多断层图像数据的下颌骨的三维图像显示在显示器5上后，通过光造型法等制作根据该三维图像数据的实体模型10。接着，如图6(b)所示，在实体模型10上植入规定的长度的人造齿根11。然后，由三维测量仪7(参照图1)取得人造齿根11的上端点和插入点(刺入点)的模型坐标，将该取得的模型坐标送到装置主体1(参照图1)中。于是，在装置主体1上进行人造齿根11的上端点和插入点的模型坐标向图像坐标的变换，基于与由该坐标变换得到的人造齿根11的上端点和插入点的图像坐标和预先输入的人造齿根11的长度有关的数据，如图6(c)所示，相当于人造齿根11的图像，与三维图像一起显示。由此，看显示器5能够确认人造齿根11的植入方向及深度是否合适，能够恰当地决定人造齿根11的植入方向和深度。另外，基于为了显示三维图像而被取入到装置主体1中的多断层图像数据，如图6(d)(e)所示，将下颌骨的断面图像显示在显示器5上，也可以确认人造齿根和不能刺伤的组织(血管等)的位置关系。
此外，在本发明中记述的事项的范围内能够实施各种设计变更。

Claims (6)

1.一种医疗用模拟装置，其特征在于，包括：
显示患者的三维图像的图像显示装置，和
显示控制装置，该显示控制装置，使用患者的实体模型上的至少3个基准点和三维图像上的至少3个基准点，使实体模型和三维图像相关联，并根据在实体模型中的变化而变化三维图像。
2.按照权利要求1所述的医疗用模拟装置，其特征在于：在上述实体模型中的变化，包括使实体模型的规定部分进行移动，
上述显示控制装置，根据实体模型上的上述基准点和三维图像上的上述基准点的关系，求出与在上述规定部分的移动前后的该规定部分上的至少3个点相当的三维图像上的各点的坐标变化，并根据该求出的坐标变化，使对应于三维图像中的上述规定部分的区域进行移动。
3.按照权利要求2所述的医疗用模拟装置，其特征在于：上述实体模型是上下颌齿列模型，
上述规定部分，是上颌齿列模型或下颌齿列模型。
4.按照权利要求2或3所述的医疗用模拟装置，其特征在于：上述实体模型是使用石膏或树脂材料、根据患者的实体制作的模型，
上述规定部分，为在患者的实体上、对应于应该由外科手术进行移动的部位的部分。
5.按照权利要求1至4中任意一项所述的医疗用模拟装置，其特征在于：作为在上述实体模型中的变化，包括在实体模型上描绘点或线，
上述显示控制装置，根据实体模型上的上述基准点和三维图像上的上述基准点的关系，求出与在实体模型上描绘的点或线部分上的各点相当的三维图像上的各点的坐标，并基于该求出的各点的坐标，使与在实体模型上描绘的点或线部分相当的图像显示在三维图像中。
6.一种在医疗用模拟装置中的三维图像的显示控制方法，其特征在于：
将患者的三维图像显示在图像显示装置上，
使用实体模型上的至少3个基准点和三维图像上的至少3个基准点，使实体模型和三维图像相关联，
根据在实体模型中的变化，变化在上述图像显示装置上显示的三维图像。
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