[发明专利]一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法

说明书

一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法，包括以下步骤：(1)数字化种植牙方案的规划；(2)设计定位标志器的个性化固定结构；(3)设计定位标志器的标准定位支架；(4)定位标志器生成；(5)三维种植方案中的种植体位置坐标获取；(6)口腔碰撞模型的构建；(7)实际场景坐标系构建及校正；(8)机器人运动路径规划及离线编程；(9)机器人种植手术操作。本发明在术前实现三维种植方案中全局坐标系下机器人末端执行器目标位置坐标精确计算、利用机器人接触式位置反馈校正光学定位与导航系统的精度、种植操作的末端执行器碰撞模型构建以及机器人运动动态规划。

技术领域

本发明涉及口腔种植机器人技术领域，尤其是在部分牙缺失特别是后牙区缺失区域机器人在进行种植操作时的精确定位以及导航方法。

背景技术

口腔种植是指在缺牙部位的颌骨中通过手术植入人工种植体，并在其上连接基台和牙冠，以恢复患者咀嚼、容貌等功能。种植牙作为首选的缺牙修复方式，被称为是继乳牙、恒牙后的人类“第三幅牙齿”。口腔种植中过程，最核心的手术操作是在颌骨中进行种植窝洞制备和种植体的植入，目前主要通过自由手、静态导板引导、动态视频导航、以及口腔种植机器人等形式完成相关手术操作。

自由手操作是指医生手持种植手术工具(种植手机)，凭自己的经验和手感，在患者口腔中进行手术操作。自由手操作由于缺乏精确引导，容易造成种植体实际植入位置与术前规划方案偏差过大，无法恢复患者理想咬合关系。而不正确的咬合关系容易造成种植体受力不佳，再结合骨-种植体界面所固有应力不匹配，进而导致严重骨吸收、种植体脱落、因应力集中而导致的种植体机械断裂等一系列并发症。自由手操作在窝洞制备过程中还存在更大的风险，比如因手势偏差，极易对患者颌骨造成侧壁穿孔、损伤邻牙牙根或对下颌神经管造成不可逆的伤害，甚至导致病人死亡。随着CT扫描、计算机辅助口腔三维模型重建、口腔扫描等技术的发展和应用，术前设计三维种植方案，术中利用静态导板引导或视频动态引导的导航种植手术得到了广泛应用。但导板引导的种植手术存在散热困难、导板挤占高度方向操作空间进而影响备孔操作、术中灵活性不足等缺点；动态导航中牙医需要看着屏幕进行操作，直观性不够。同时，以上三种种植修复方式都需要医生手持工具进行操作，而手容易存在不自主的抖动、颌骨钻孔存在振动、在狭小的口腔内操作要保持不舒适的姿势容易导致疲劳且视野不佳，这些因素都容易导致使口腔种植手术缺乏必要的稳定性。

近年来，机器人技术的快速发展，特别是机器人操作所具有的精准性、可重复性、稳定性和安全性等特点，为医疗手术带来了新的思路。而机器人在口腔种植领域的应用也得到了深入研究，并已经应用于临床。比如美国的YOMI辅助式种植机器人系统2017年获得FDA的批准，并得到了广泛应用；而我国空军军医大学赵铱民团队开发的完全自主式机器人也于2017年实现了初步的前牙区的临床应用。随着智能化技术的不断提升，具有部分自主式操作能力的机器人正在成为口腔种植机器人主要的发展方向。但由于机器人应用于口腔领域时间不久，很多问题仍亟待解决。

目前种植机器人所采用的光学定位系统进行机器人的定位和导航，但光学系统的标志器图像识别技术本身在精度方面存在不足；同时目前光学系统所采用的患者术前在牙上佩戴标志器的固定牙套(如U形管)拍摄CT，术中通过佩戴同一固定牙套连接标志器进行定位，但这样的固定牙套都是标准件，与患者的牙齿形状并不匹配，必须在里面填充牙胶等充填物，这些软质充填物本身存在变形，进一步导致所连接标志器位置不精确，而引起光学定位和导航系统的误差。机器人定位与导航系统存在的误差极易导致机器人因目标位置的坐标不准确而造成末端执行器(牙钻)定位不精准，从而增加种植手术风险，因此目前种植机器人临床手术的精度还有提高的空间。另一方面，由于口腔组织在闭口-张口后形状存在不确定性，因此机器人种植手术过程中，患者必须长时间保持张口状态，以使机器人按术前规划路径运动时不与口腔内表面发生碰撞，这极易导致其颞下颌关节疲劳甚至脱位。

发明内容