一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及其定位方法
阅读说明：本技术 一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及其定位方法 (Positioning device and positioning method for natural head position of virtual skull model ) 是由 王琳 吴国民 陈楷 谢昆鹏 胡向锦 庞婉毓 史红丽 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及其定位方法,属于临床医学技术领域,包括弧形面弓、电磁铁自动描记笔及支架；弧形面弓固定在多个支架的顶端,支架的高度可调节,弧形面弓上均匀固定有多个电磁铁自动描记笔。使用前,将电磁铁自动描记笔笔尖涂抹X线显影糊剂,通电后笔芯压缩,使用时,嘱患者调整至自然头位状态,将弧形面弓调整至患者眶下平面高度并使笔尖距离皮肤一厘米；断电,笔芯被弹簧弹出,电磁铁自动描记笔伸长并在患者眶下部描记可在X线下显影的标记点,自然头位记录完成。虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的应用为正颌外科手术术前数字化设计时虚拟头颅模型的自然头位确定提供了更加精准和科学的保障。(The invention discloses a positioning device and a positioning method for a natural head position of a virtual skull model, belonging to the technical field of clinical medicine and comprising an arc-shaped face bow, an electromagnet automatic tracing pen and a bracket; the arc face bow is fixed on the top ends of the plurality of supports, the height of the supports can be adjusted, and a plurality of electromagnet automatic tracing pens are uniformly fixed on the arc face bow. Before use, smearing X-ray developing paste on the pen point of the automatic tracing pen of the electromagnet, compressing the pen core after electrifying, when in use, advising a patient to adjust to a natural head position state, adjusting the arc face bow to the height of the infraorbital plane of the patient and enabling the pen point to be one centimeter away from the skin; when the power is off, the pen core is ejected by the spring, the electromagnet automatically traces the pen to extend and trace the marking point which can be developed under X-ray on the lower part of the orbit of the patient, and the recording of the natural head position is finished. The application of the accurate determination device for the natural head position of the virtual head model provides more accurate and scientific guarantee for the natural head position determination of the virtual head model during the preoperative digital design of orthognathic surgery.)
技术领域
本发明属于临床医学技术领域，具体涉及一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及其定位方法。
背景技术
自然头位(natural head position，NHP)是区别于颅内参考平面的，位于颅外的水参考平面。在二十世纪五十年代NHP被引入人体颌面部形态学研究领域，是目前公认的最能展示人自然状态下的美学表达的头部位置，是评价面部容貌的最佳参照基准。自然头位的标准定义是：当人物主体直立并处于完全放松状态下，双眼在没有任何外界干扰的情况下，水平注视前方无穷远处或镜面中的眼睛时，该主体头部所处的位置，是一种标准的、稳定的、可重复的生理位置，反映了个体在自然生活状态下的头、颌、面、颈部的真实情况。根据获取方式的不同，NHP包括记录自然头位(registered natural head position，即被测主体在自然放松状态下进行自我调节后的自然、直立、端正头部位置)和评价自然头位(estimated natural head position，即有一定经验并通过训练的医生通过主观认识，调整患者头部使其处于自然、直立、端正的位置)。虽然它们一个是被测主体本身的主观感觉，另一个是评价者对被测主体的主观感觉，但是从本质上来说，二者指的是同一个头部位置。从定义上看，评价自然头位的确定容易受到医生主观因素的影响，相比之下，记录自然头位的获取则更加客观。现如今，在正颌外科、口腔正畸学科、口腔修复学科、口腔颌面外科中，NHP已经作为临床常规检查项目，参与疾病的诊断、治疗计划的制定、治疗过程中的监测和治疗效果的评定。
现如今，正颌外科已全面进入数字化时代。正颌外科手术术前设计摒弃了传统的二维头影分析和模型外科途径，进入三维计算机辅助设计的数字化时代。此时，虚拟头颅模型的定位成为了正颌外科医生进行手术设计前首要解决的问题。目前，头颅信息的获取一般通过锥形束CT或者螺旋CT。在锥形束CT扫描过程中，由于扫描时间相对较长(二十至四十秒)，这就需要固定患者的头部从而避免移动。通常通过下巴托、头带来完成，但这些装置不仅会使面部软组织变形还会影响NHP的记录。而在螺旋CT扫描过程中，患者处于仰卧位置，其头部随机定向在CT坐标系中，因此，在临床实践中，一般的CT图像不能反映患者的NHP。现有的解决办法是在NHP确定后，通过佩戴具有定位功能的传感器(陀螺仪、液位装置、倾角仪或气泡空气装置)进行记录。但是头部配饰不可避免的会给被测者带来不适或者带来头部的额外重量，从而造成NHP记录不准确，进而不同程度地影响术前数字化设计的精确性。
发明内容
本发明的目的是在CT数据获取前准确记录患者的自然头位，提供一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及定位方法，以便在数字化设计前精准地将虚拟头颅模型位置定位到自然头位状态，为之后的数字化设计提供精准和科学的保障。
本发明通过如下技术方案实现：
一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置，包括弧形面弓1、电磁铁自动描记笔2及支架3；所述支架3的底端固定于水平地面上，弧形面弓1固定在多个支架3的顶端，支架3的高度可调节，弧形面弓1上均匀固定有多个电磁铁自动描记笔2，通过电磁铁自动描记笔2实现对人体的自然头位的定位。
进一步地，所述弧形面弓1由半圆弧形滑轨4及基托5组成；基托5位于半圆弧形滑轨4的端部，基托5内放置有万向水平仪7，基托5的边缘设置有螺丝孔6，用于与万向水平仪7螺纹连接。
进一步地，所述半圆弧形滑轨4上表面开有槽口，槽口内设置有弧形滑块8，弧形滑块8可在半圆弧形滑轨4的内凹槽结构内自由滑动，弧形滑块8底部有固定螺丝9，当弧形滑块8滑动到合适位置后，可拧紧固定螺丝9，将弧形滑块8与半圆弧形滑轨4固定。
进一步地，弧形滑块8的顶部滑动连接在空心滑轨10内，空心滑轨10的侧方设置有固定螺丝11，当空心滑轨10滑动到合适位置后，可拧紧固定螺丝11，将弧形滑块8与空心滑轨10固定。
进一步地，空心滑轨10的上表面由固定螺丝12连接有电磁铁自动描记笔2，所述电磁铁自动描记笔2由笔套13、金属笔芯14、橡胶笔头16、弹簧17及电磁铁18组成；笔套13的内部为空腔结构，空腔结构内设置有金属笔芯14，金属笔芯14的前端穿出笔套13，位于空腔结构内的金属笔芯14从后到前依次套装有电磁铁18及弹簧17，位于弹簧17的前端、金属笔芯14上还设置有一圈凸起结构19，所述凸起结构19卡在笔套13的内壁，用以防止金属笔芯14被弹簧17推出笔套13外，金属笔芯14的前端通过旋转钮15连接有橡胶笔尖16。
进一步地，所述支架3是由内杆20及套装在内杆20外侧的外杆22组成的可伸缩结构，内杆20及外杆22通过固定旋钮21连接固定，外杆22的底部连接有底座23；内杆20为弯曲结构，呈L型，内杆20的端部连接有万向关节24，万向关节24通过旋转螺丝25与连接装置26相连接，连接装置26的另一端通过固定螺丝27与弧形面弓1连接。
进一步地，弧形滑块8由为上、下两部分结构组成，上方结构宽度与空心滑轨10的内侧宽度匹配；下方结构为弧形，弧度与半圆弧形滑轨4的弧度相匹配，其宽度与半圆弧形滑轨4的槽口内径相匹配；所述弧形滑块8的上方结构可使得电磁铁自动描记笔2的空心滑轨10在弧形滑块8上自由滑动，下方结构可在半圆弧形滑轨4内自由滑动。
进一步地，支架3的数量为三个，均匀布置在弧形面弓1的下方；所述电磁铁自动描记笔2的数量为五个，均匀的布置在弧形面弓1的内凹槽结构中。
本发明的另一目的在于提供一种虚拟头颅模型自然头位的定位方法，具体包括如下步骤：
步骤一：首先根据患者身高调整支架的高度，然后拧紧固定旋钮从而使位于支架顶端的弧形面弓处于患者眶下位置，保证患者眶下部与电磁铁自动描记笔的笔尖在同一水平；调整位于弧形面弓中的弧形滑块到达合适位置后，利用固定螺丝将弧形滑块固定在半圆弧形滑轨上；根据弧形面弓上万向水平仪的指示，调整支架的高度和万向关节的角度，使整个弧形面弓处于水平位置；
步骤二：接着根据不同患者头颅大小，使笔套在弧形滑块上前后滑动，从而调整橡胶笔尖与患者面部恰好接触，在电磁铁自动描记笔的橡胶笔尖上涂抹X线显影糊剂备用，打开电源让电磁铁通电，金属笔芯受到磁力吸附将弹簧压缩，此时电磁铁自动描记笔处于收缩状态，使橡胶笔尖距离患者面部一厘米；
步骤三：然后让患者调整到自然头位，并使其面部进入弧形面弓内，断开电磁铁电源，弹簧释放，金属笔芯被弹簧同时弹出，电磁铁自动描记笔伸长并在患者眶下部描记可在X线下显影的标记点；由于金属笔芯的突出部分设置，保证了金属笔芯不会过分伸长对患者造成损伤；
步骤四：自此，患者面部描记了多个标记点，自然头位记录完成。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明提供的一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置及其定位方法，解决了将自然头位转移到虚拟模型从而在数字化设计前精准确定虚拟头颅模型自然头位的难题。使用前，预先将电磁铁自动描记笔笔尖涂抹适量X线显影糊剂，并使电磁铁通电，笔芯受到磁力吸附将弹簧压缩，此时电磁铁自动描记笔处于收缩状态。使用时，嘱患者调整至自然头位状态，根据患者身高和头颅大小，将弧形面弓调整至患者眶下平面高度并使五支笔尖同时距离皮肤一厘米。断开电磁铁电源，五支笔芯被弹簧同时弹出，电磁铁自动描记笔同时伸长并在患者眶下部描记五个可在X线下显影的标记点。至此，自然头位记录完成。之后嘱面部描记了标记点的患者拍摄颅颌面螺旋CT，此时CT数据中不仅含有患者颅颌面骨及软组织信息，还携带者患者的自然头位信息。在之后的虚拟头颅模型建立时，可根据标记点精准确定自然头位。虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的应用为正颌外科手术术前数字化设计时虚拟头颅模型的自然头位确定提供了更加精准和科学的保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1：本发明实施例1所述的一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置的立体结构示意图；
图2：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的半圆弧形滑轨的立体结构示意图；
图3：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的万向水平仪的立体结构示意图；
图4：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的电磁铁自动描记笔的立体结构示意图；
图5：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的电磁铁自动描记笔的结构示意侧位图；
图6：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的支架的立体结构示意图；
图7：本发明实施例1虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置的支架与弧形面弓连接部位的立体结构示意图；
图8：本发明实施例1所述的一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置的细节立体结构示意图；
图中各部分的名称为：弧形面弓1、电磁铁自动描记笔2、支架3、半圆弧形滑轨4、基托5、螺丝孔6、万向水平仪7、弧形滑块8、固定螺丝9、空心滑轨10、固定螺丝11、固定螺丝12、笔套13、金属笔芯14、旋转钮15、橡胶笔尖16、弹簧17、电磁铁18、凸起结构19、内杆20、固定旋钮21、外杆22、底座23、万向关节24、旋转螺丝25、连接装置26
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例提供了一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置，包括弧形面弓1、电磁铁自动描记笔2及支架3；所述支架3的底端固定于水平地面上，弧形面弓1固定在多个支架3的顶端，支架3的高度可调节，弧形面弓1上均匀固定有多个电磁铁自动描记笔2，通过电磁铁自动描记笔2实现对人体的自然头位的定位。
如图2及图3所示，所述弧形面弓1由半圆弧形滑轨4及基托5组成；基托5内放置有万向水平仪7，基托5的边缘设置有螺丝孔6，用于与万向水平仪7螺纹连接。
如图4及图5所示，所述半圆弧形滑轨4上表面开有槽口，槽口内设置有弧形滑块8，弧形滑块8可在半圆弧形滑轨4的内凹槽结构内自由滑动，弧形滑块8底部有固定螺丝9，当弧形滑块8滑动到合适位置后，可拧紧固定螺丝9，将弧形滑块8与半圆弧形滑轨4固定；弧形面弓1的上表面通过弧形滑块8与电磁铁自动描记笔2连接；弧形滑块8的顶部滑动连接在空心滑轨10内，空心滑轨10的侧方设置有固定螺丝11，当空心滑轨10滑动到合适位置后，可拧紧固定螺丝11，将弧形滑块8与空心滑轨10固定；
弧形滑块8由为上、下两部分结构组成，上方结构宽度与空心滑轨10的内侧宽度匹配；下方结构为弧形，弧度与半圆弧形滑轨4的弧度相匹配，其宽度与半圆弧形滑轨4的槽口内径相匹配；所述弧形滑块8的上方结构可使得电磁铁自动描记笔2的空心滑轨10在弧形滑块8上自由滑动，下方结构可在半圆弧形滑轨4内自由滑动。
空心滑轨10的上表面由固定螺丝12连接有电磁铁自动描记笔2，所述电磁铁自动描记笔2由笔套13、金属笔芯14、橡胶笔头16、弹簧17及电磁铁18组成；笔套13的内部为空腔结构，空腔结构内设置有金属笔芯14，金属笔芯14的前端穿出笔套13，位于空腔结构内的金属笔芯14从后到前依次套装有电磁铁18及弹簧17，位于弹簧17的前端、金属笔芯14上还设置有一圈凸起结构19，所述凸起结构19卡在笔套13的内壁，用以防止金属笔芯14被弹簧17推出笔套13外，金属笔芯14的前端通过旋转钮15连接有橡胶笔尖16。
如图6及图7所示，所述支架3是由内杆20及套装在内杆20外侧的外杆22组成的可伸缩结构，内杆20及外杆22通过固定旋钮21连接固定，外杆22的底部连接有底座23；内杆20为弯曲结构，呈L型，内杆20的顶端连接有万向关节24，万向关节24通过旋转螺丝25与连接装置26相连接，连接装置26的另一端通过固定螺丝27与弧形面弓1连接。
使用时，首先根据患者身高调整支架3的高度，然后拧紧固定旋钮21从而使位于支架顶端的弧形面弓1处于患者眶下位置，保证患者眶下部与电磁铁自动描记笔2的橡胶笔尖16在同一水平；调整位于弧形面弓中的弧形滑块8到达合适位置后，利用固定螺丝9将弧形滑块8固定在半圆弧形滑轨4上；根据弧形面弓1上万向水平仪7的指示，调整支架3的高度和万向关节24的角度，使整个弧形面弓1处于水平位置；接着根据不同患者头颅大小，使笔套13在弧形滑块8上前后滑动，从而调整橡胶笔尖16与患者面部恰好接触，在电磁铁自动描记笔2的橡胶笔尖16上涂抹X线显影糊剂备用，打开电源让电磁铁18通电，金属笔芯14受到磁力吸附将弹簧17压缩，此时电磁铁自动描记笔2处于收缩状态，使橡胶笔尖16距离患者面部一厘米。然后让患者调整到自然头位，并使其面部进入弧形面弓1内，断开电磁铁18电源，弹簧17释放，金属笔芯14被弹簧同时弹出，电磁铁自动描记笔2伸长并在患者眶下部描记可在X线下显影的标记点；由于金属笔芯14的凸起结构19设置，保证了金属笔芯14不会过分伸长对患者造成损伤；至此，患者面部描记了多个标记点，自然头位记录完成。
虚拟头颅模型自然头位的精准确定装置主体结构由医用不锈钢制成，强度高，不易变形。在万向水平仪7的指示下可保证弧形面弓1整体结构与地面平行，为自然头位的记录提供了保障。电磁铁自动描记笔2的橡胶笔尖16每次使用都提前涂抹X线显影糊剂，使用后经清洗、消毒后可反复使用。
实施例2
本发明的一种虚拟头颅模型自然头位的定位装置的尺寸参数如下：
半圆弧形滑轨4内径120mm，外径160mm，高度10mm，中间轨道宽度为10mm；基托5宽度和长度分别为20mm和30mm,高度为10mm；万向水平仪7直径15mm，厚度5mm；弧形滑块8对应角度为15°，长度约31mm。
电磁铁自动描记笔2的笔套13为长方体结构，长度为55mm，宽度为20mm，高度为25mm；金属笔芯14为圆柱体结构，总长度为65mm，直径为8mm。笔套13下方的空心滑轨11高度为10mm，长度为60mm。
支架3的主体结构中内杆20高度为1000mm，直径为20mm和外杆22高度为1000mm，直径为25mm；支架3的底部为直径100mm，高度10mm的圆盘形底座23。
实施例3
一种虚拟头颅模型自然头位的定位方法，具体包括如下步骤：
步骤一、首先根据患者身高调整支架的高度，然后拧紧固定旋钮从而使位于支架顶端的弧形面弓处于患者眶下位置，保证患者眶下部与电磁铁自动描记笔的笔尖在同一水平；调整位于弧形面弓中的弧形滑块到达合适位置后，利用固定螺丝将弧形滑块固定在半圆弧形滑轨上；根据弧形面弓上万向水平仪的指示，调整支架的高度和万向关节的角度，使整个弧形面弓处于水平位置；
步骤二、接着根据不同患者头颅大小，使笔套在弧形滑块上前后滑动，从而调整橡胶笔尖与患者面部恰好接触，在电磁铁自动描记笔的橡胶笔尖上涂抹X线显影糊剂备用，打开电源让电磁铁通电，金属笔芯受到磁力吸附将弹簧压缩，此时电磁铁自动描记笔处于收缩状态，使橡胶笔尖距离患者面部一厘米；
步骤三、然后让患者调整到自然头位，并使其面部进入弧形面弓内，断开电磁铁电源，弹簧释放，金属笔芯被弹簧同时弹出，电磁铁自动描记笔伸长并在患者眶下部描记可在X线下显影的标记点；由于金属笔芯的突出部分设置，保证了金属笔芯不会过分伸长对患者造成损伤；
步骤四、自此，患者面部描记了多个标记点，自然头位记录完成。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
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