CN208114666U - 基于增强现实的人机协作机器人种牙*** - Google Patents
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Abstract
一种基于增强现实的人机协作机器人种牙***，包括机械手、AR眼镜、电脑、显示屏、控制***和定位标志器，所述机械手包括六自由度机械臂和用于手术时抓持种植体的种植抓持器，所述电脑通过控制***与六自由度机械臂连接，所述种植抓持器安装在六自由度机械臂的末端；所述定位标志器包括用于固定到患者口腔内的固定部分和用于AR眼镜和机械手定位的标记部分，所述标记部分位于AR眼镜和机器视觉能观察到的区域，所述标记部分上设有多个标志点。本实用新型提出一种能够实现三维种植方案与患者口腔叠加并自动跟踪定位、主要由机器人实现手术操作、医生可适时介入的基于增加现实的人机协作机器人种牙***。
Description
技术领域
本实用新型涉及种植牙技术领域，尤其是一种用于种植牙手术的基于增强现实技术(AR，Augmented Reality)的人机协作机器人种牙***。
背景技术
牙齿缺失后，传统的固定义齿修复是将缺牙处前后两颗健康的牙齿磨削为固定桩，作为修复牙桥的固位支柱，这样使两颗健康邻牙受到损害。而在缺牙太多的情况下，一般需要做活动义齿，它的缺点是需将义齿取出清洗，不太美观，另外活动义齿咬合无力、有异物不适感，而且容易松脱、磨破口腔黏膜等。
现代口腔种植技术是20世纪60年代瑞典Branemark教授提出骨整合(osseointegration)理论以后才逐渐发展起来的一种口腔修复技术。经过40多年世界各国学者大量的基础研究和临床实践，口腔种植学已成为口腔医学领域中的一门成熟的新的临床分支学科。随着计算机辅助技术、生物材料技术等的进步和在牙科中的应用，种植牙修复已经成为了常规的牙缺失修复手段。人工种植牙就是在缺牙区的牙槽骨里植入能与骨头结合良好的钛金属牙根，即种植体，经过3-6个月的逾合期，钛金属牙根和周围的牙槽骨完全结合，成为坚固且能承受巨大咬合力量的人工牙根，并在人工牙根上通过基台联接氧化铝等材料做成的人工牙冠，得到美观、舒适、感受以及承受咬合力方面都很像真牙的牙齿，因此人工种植牙被称为人类的“第三副牙齿”。
要得到较好咬合效果的种植牙，人工牙根植入的角度和深度等参数至关重要，怎样确定这些参数一直以来都是人工种牙中的关键问题。国内目前仍大多采用传统的植牙技术，术前通过X光片大致确定相关参数，手术中主要通过医生的临床经验确定，手术质量难以保证。
近年来计算机辅助设计和制造技术被用于口腔种植领域，出现了导板引导种植术(template guided implant surgery)，即在种植手术前通过病人口腔CT数据，运用专业软件设计种植方案，以确定种植体在病人颌骨中的位置、角度、深度，然后根据种植方案设计出相对应的手术导板，最后运用3D打印等技术制作出个性化的手术导板，临床手术时只需将手术导板戴在病人口腔里，按照导板上设计好的引导孔制备种植窝，这样就能使预先设计的种植方案在病人口腔中实现，得到种植体的最佳位置。
应用导板引导的计算机辅助技术进行牙种植的最大问题是，种植手术仍然需要医生实施，种植精度和质量的人为影响因素较大，同时医生的劳动强度较大，效率较低。另一方面，导板的柔性不够。虽然预先得到了患者的CT数据，并设计了较好的种植方案，但数据精度有限，而且临床手术过程中有时会出现意料不到情况，此时种植方案已经固定在导板而无法调整，医生临床调整手术方案的风险较大。
目前，机器人手术技术已经有临床应用，其中最为出名的是由美国IntuitiveSurgical公司推出的达芬奇外科手术机器人***，可以实现腹腔内众多脏器的微创手术。但目前专门针对口腔的特别是种植牙手术的机器人***还处理初期研发阶段，离临床应用还较远。
另一方面，随着虚拟现实技术的发展，目前手术虚拟现实***已经在医学教育方面得到了应用，如微软公司推出的HoloLens医学虚拟现实***，但虚拟现实技术只能在屏幕或在眼镜上显示。近年来发展起来的增强现实技术可以实现虚拟模型与实际模型的叠加，目前已经广泛应用于游戏领域，但在医学手术领域还没有应用。而视频导航技术目前已经在种植牙手术中得到了临床应用，如美国Image Navigation公司推出的IGI视频导航种植***，但视频导航种植手术需要医生看着屏幕上的实时图像进行操作，而不是看着病人口腔操作，手术过程的直观性较差，影响其推广和使用。
发明内容
为了解决现有种植牙手术对医生经验的依赖、医生劳动强度较大、手术效率不高，以及基于导板的种牙手术灵活性不足、基于图像的导航种植时不直观等问题，本实用新型提出一种能够实现三维种植方案与患者口腔叠加并自动跟踪定位、主要由机器人实现手术操作、医生可适时介入的基于增加现实的人机协作机器人种牙***。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于增强现实的人机协作机器人种牙***，包括机械手、AR眼镜、电脑、显示屏、控制***和定位标志器，所述机械手包括六自由度机械臂和用于手术时抓持种植体的种植抓持器，所述电脑通过控制***与六自由度机械臂连接，所述种植抓持器安装在六自由度机械臂的末端；所述定位标志器包括用于固定到患者口腔内的固定部分和用于AR眼镜和机械手定位的标记部分，所述标记部分位于AR眼镜和机器视觉能观察到的区域，所述标记部分上设有多个标志点；
所述六自由度机械臂的末端上还设有用于识别定位标志器上标志点的传感器模块，所述传感器模块、显示屏均与电脑连接，所述控制***还与AR眼镜连接；
所述传感器模块包括位移传感器、视觉传感器和力学传感器。
本实用新型中的功能模块、控制***，均由硬件电路实现。
本实用新型的有益效果主要表现在：1、增强实现的人机协同机器人种牙手术***大大的减少了现有种植牙手术对医生经验的依赖，进一步提高了种牙的普遍性；2、机器人种植牙很大程度上减轻了临床医生的劳动强度，有效的提高了手术效率；3增强现实技术与机器人的协调手术，解决了现在基于导板的种牙手术灵活性不足、基于图像的导航种植时不直观等问题，对种植牙质量有了很大提高，更加能够满足人们美好的生活；4医生可适时介入的基于增加现实的人机协作种植牙手术技术极大的提高了手术的安全性，符合科学技术的发展大潮流，有利于该项技术的推广。
附图说明
图1是本实用新型的种牙手术过程示意图。
图2是部分缺牙的重建颌骨模型及种植方案示意图。
图3基于牙齿的定位标志器示意图。
图4是佩戴基于牙齿的定位标志器的颌骨，环切去除少量牙龈示意图。
图5是无牙颌骨模型及种植方案示意图。
图6是基于无牙的定位标志器示意图。
图7是佩戴基于无牙定位标志器的颌骨示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1～图7，一种基于增强现实技术的人机协作机器人种牙***包括机械手、AR眼镜3、电脑、显示屏5、控制***2和定位标志器4，所述机械手包括六自由度机械臂1和用于手术时抓持种植体的种植抓持器，所述电脑通过控制***2与六自由度机械臂1连接，所述种植抓持器安装在六自由度机械臂1的末端；所述定位标志器4包括用于固定到患者口腔内的固定部分和用于AR眼镜3和机械手定位的标记部分，所述标记部分上设有多个标志点；所述六自由度机械臂1的末端上还设有用于识别定位标志器上标志点的传感器模块，所述传感器模块、显示屏均与电脑连接，所述控制***2还与AR眼镜3连接；所述传感器模块包括位移传感器、视觉传感器和力学传感器。
种植抓持器6，用于抓持种植体，进行种植窝洞的备孔操作；定位标志器4稳定佩戴在患者口腔中，上面的标志点用于AR眼镜3和机械手定位。
本实用新型中的功能模块、控制***，均由硬件电路实现。
如图3、图6所示，定位标志器4的佩戴采用两种方式，一是针对有牙齿的患者，设计基于牙面定位的定位标志器；二是针对无牙患者，生成基于牙龈面定位标志器，用钛钉9固定在患者口腔中；
定位标志器4上有固定部分和标记部分，标记部分必须位于AR眼镜3和机器视觉能观察到的区域；
如图4和图7所示，考虑六自由度机械臂1末端安装的是位移传感器、视觉传感器、力学传感器，只能识别相应的定位标志器，所以需要给患者佩戴机械手能识别的定位标志器；根据设定好的种植方案，定位好种植区的种植位置，并在该位置上佩戴定位标志器，机械手通过识别、校准，便于机械手在手术中能精确种植，完成种植手术；
针对有牙的患者，将定位标志器4佩戴在其口腔牙齿上并固定；由于无牙颌患者口腔内无固定物，则需要采用钛钉9将定位标志器固定；
由于是机械手精确手术，因此手术实施采用微创种植手术，即无需翻瓣，而对种植位置进行环切去除少量牙龈后施行种植手术。
本实用新型的工作过程为：首先在患者口腔内佩戴上定位标志器4以及机械手位置的校准，然后控制***根据种植方案对机械手进行控制，机械手便进行手术操作，并根据实时的患者的微动的位置进行调整；
由于在手术需要一段时间，实际上患者8头部或者身体会有偶尔的微动，机械手应迅速接受到患者佩戴标志器位置和坐标改变信号，快速做出相应的位置调整，寻找原设定的种植位置，并完精确成接下来的手术过程；
医生7从佩戴的AR眼镜3中观察显示屏上三维种植方案与患者8口腔中的实际位置的对应情况，并人机融合技术介入调整。
如果临床发现需要调整手术方案，则介入操作，完成手术。在一般情况下，机械手是独立完成整个种植手术过程。医生7佩戴AR眼镜3，防止临床时，发现突发情况，需要调整手术方案，紧急停止六自由度机械臂1的工作，并根据具体情况介入操作，完成整个种植手术过程。
本实用新型是将增强现实技术与人机协作机器人技术结合起来，由机器人将预先设计好的三维种植方案在患者口腔中实现，并利用增强现实技术让医生可以看到三维种植方案与患者口腔叠加的场景，实时监控手术进行的情况，同时通过人机协作机器人，适时介入所需的手术操作，将可以确保机器人种牙手术的安全并增加手术操作的灵活性，同时将提高种植牙手术的效率、精度以及自动化水平，减轻医生临床操作的劳动强度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于该实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.一种基于增强现实的人机协作机器人种牙***，其特征在于：包括机械手、AR眼镜、电脑、显示屏、控制***和定位标志器，所述机械手包括六自由度机械臂和用于手术时抓持种植体的种植抓持器，所述电脑通过控制***与六自由度机械臂连接，所述种植抓持器安装在六自由度机械臂的末端；所述定位标志器包括用于固定到患者口腔内的固定部分和用于AR眼镜和机械手定位的标记部分，所述标记部分位于AR眼镜和机器视觉能观察到的区域，所述标记部分上设有多个标志点；
所述六自由度机械臂的末端上还设有用于识别定位标志器上标志点的传感器模块，所述传感器模块、显示屏均与电脑连接，所述控制***还与AR眼镜连接；
所述传感器模块包括位移传感器、视觉传感器和力学传感器。
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