CN108201470B - 一种自主式种植牙机器人系统及其设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主式种植牙机器人系统及其设备和方法，该系统包括一部执行种植牙手术的机器人，用于执行种植牙手术；一部电脑控制系统，作为种植牙信息处理，分析和决策中心；一部视觉扫描导航跟踪设备,用以确定口腔基准标识，以及病人口腔种植牙位置与种植牙医疗设备之间的联系。在本系统的工作状态下，所述视觉扫描导航跟踪设备、所述植牙机器人系统、电脑控制系统，以及病人口腔建立联系，从而提供完整的自主式种植牙手术解决方案，保证了种植牙位置的精确性和咬合的准确性，大大地提高种植牙的使用寿命和病人术后的舒适度。

Description

一种自主式种植牙机器人系统及其设备和方法

技术领域

本发明涉及一种牙科手术的机器人系统，更具体的说是一种自主式种植牙机器人系统，及其相关设备。

背景技术

对于缺牙的患者，牙齿缺乏无论是一颗，数颗或者整个牙弓，种植牙都可以作为患者的主要选项。配假牙，牙桥以及其他替代产品的患者也会考虑种植牙。种植牙因其美观，耐用，无副作用，被称为人类的第三幅牙齿。

一般的种植牙手术程序为牙龈的切开手术，以便让医生看到牙槽骨的结构。接着在植牙部位的牙槽骨上钻孔，把种植体植入牙槽骨，再把基台和种植体连接，最后把牙修复体连接到基台上。

上述种植牙手术的成功与否的决定性因素是：种植牙和牙槽骨，种植牙和其他牙齿，以及种植牙之间的准确对位。这直接影响了种植牙的使用年限和患者的舒适度等。如果种植牙手术粗糙或不精准，种植牙手术可能会产生意想不到的失败(至少缩短使用期限)，也可能造成其他牙齿或义齿出现问题，或对附近神经系统或上颌窦造成伤害。另外植牙手术过程复杂，通常需要多次钻孔及测量，医生才能确定植牙位置以及深度，手术时间长造成病人痛苦。

因此，我们需要一种系统和方法来解决现在种植牙过程和种植牙设备中出现的诸多问题，比如有效的术前计划和自主式的手术设备以减少手术过程中人为因素的干扰，帮助医生准确快速地实现手术过程。

发明内容

本发明提供一种自主式种植牙机器人系统，可实现精确控制种植牙和牙槽骨，种植牙和其他牙齿，以及种植牙之间位置，并控制植牙钻孔深度，自主完成手术过程，减少手术过程中痛苦，提高种植牙的使用舒适度和使用年限。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

一种自主式种植牙机器人系统，其特征在于：包括：

一部执行种植牙手术的机器人及末端操作器，用于执行种植牙手术；

一部电脑控制系统，作为种植牙信息处理，显示，分析和决策中心；和

一部视觉扫描导航跟踪设备,用以术前确定口腔基准标识，术中实时跟踪病人口腔移动，确定病人口腔种植牙位置，以及建立与种植牙机器人之间的联系；

所述视觉扫描导航跟踪设备、所述机器人、电脑控制系统和病人口腔建立连接后，该种植牙机器人自主执行种植牙手术。

所述视觉扫描导航跟踪设备与病人口腔建立连接后，即时捕捉牙齿精确的三维空间位置，并将该信息传递至所述电脑控制系统，最终建立种植牙手术的基准标识。

在所述视觉扫描导航跟踪设备与病人口腔建立连接时，需在病人口腔相反方向的上下牙槽骨之间放入分隔物使上下牙槽骨成像分离不受干扰。

所述电脑控制系统接收所述视觉扫描导航跟踪设备的实时图像信息，确定了基准标识并对牙槽骨空间位置进行实时跟踪，根据创立的虚拟种植牙计划，执行种植牙手术。

通过所述视觉扫描设备和电脑控制系统确定的基准标识可以被复核。

所述执行种植牙手术的机器人是一个具有自由度的机械臂。在一些优选的设计中，通常会选择6-7个自由度。

所述机械臂的终端能够精确地控制各项种植牙医疗设备，并通过所述电脑控制系统创立的虚拟种植牙计划进行全过程的自主式种植牙手术。

所述电脑控制系统通过视觉扫描导航跟踪设备对牙修复体进行关联/注册。

一种自主式种植牙机器人系统的设备，包括互相建立通信的执行种植牙手术的机器人，电脑控制系统和视觉扫描导航跟踪设备；所述种植牙手术的机器人是一个具有6-7个自由度的机械臂，其末端具有一个接口可以安装各项种植牙医疗设备。

一种自主式种植牙的方法，是通过以下的步骤实现的：

(1)根据视觉扫描导航跟踪设备即时捕捉的病人口腔影像和预先输入进电脑控制系统的各项术前医学影像进行对比，确定基准标示，在术中利用捕捉的即时口腔影像对比来跟踪待种植牙位置的移动；

(2)利用电脑控制系统所接收的病人口腔牙槽骨的影像创立种植牙手术计划，虚拟种植牙手术过程，关联/注册牙修复体，最终确定种植牙手术完全计划；

(3)由电脑控制系统利用已经创立的种植牙手术完全计划精确导向执行种植牙手术的机器人，通过所述机器人终端安装的各项种植牙医疗设备进行自主的种植牙手术。

本发明的有益效果为：本发明是一种自主式种植牙机器人系统，实现手术前种植牙手术虚拟规划，精确执行手术过程，将种植牙和牙槽骨，种植牙和其他牙齿，以及种植牙之间准确对位并控制植牙深度，自主完成手术过程，提高医生手术效果，减少患者手术过程中痛苦，提高种植牙的使用舒适度和使用年限。

附图说明

图1是本发明自主式种植牙机器人系统的概念性示意图

图2a,2b,2c是关于病人口腔进行种植牙手术过程的概念性示意图

图3是机器人末端操作工具与牙修复体的配合概念性示意图

图中的标识为：

种植牙机器人系统：100，种植牙手术设备：150，机器人机械臂：350，视觉扫描导航跟踪设备：200，电脑控制显示系统：450，切削工具：500，牙修复体：600，基台：700，种植体：800。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明做进一步说明。本文所描述的只是根据图示更详尽描述本发明的某些但非全部的应用。实际上，本发明可以有许多不同形式的应用，因此不应局限在本文所描述的应用上。本文所揭示的应用方法仅为了满足法律申请的需要。

如前文所述，在种植牙手术前，医生通常首先通过CT或其他医学影像设备取得患者的牙槽骨结构，诊断和修复缺陷(比如患者需要在植牙部位进行骨移植)。之后切开牙龈，进而开始根据病人牙槽骨影像进行种植牙手术。

如图1，是本发明自主式种植牙机器人系统的概念性示意图，在标准的术前准备后，根据该植牙手术的各项要求，本种植牙机器人系统100启动机器人机械臂350，种植牙手术设备150，视觉扫描导航跟踪设备200，以及电脑控制系统450进入待命状态，视觉扫描导航跟踪设备200和患者口腔的关联状态将通过实时摄影扫描的方式来实现。当手术准备就绪，患者首次张开口腔时，被视觉扫描导航跟踪设备200观察到的某一或一些牙齿(或医生在患者口腔中放入的特殊标识)的形状和空间位置的信息将被视觉扫描导航跟踪设备200即时捕捉，接着这些影像信息被传输到电脑控制系统450，电脑控制系统450将此影像信息和患者之前通过CT或其他医学影像设备取得的影像信息进行比对，从而确定被视觉扫描设备200捕捉到的这些牙齿(或特殊标识)的三维空间位置。因为这些牙齿(或特殊标志)相对患者的牙槽骨和种植牙的位置是固定的，一旦电脑控制系统450确定这些牙齿的三维空间位置，它们即可被种植牙机器人系统100用来作为种植牙手术的基准标识(即作为原点或坐标)。当基准标识确定，种植牙位置也就确定了。视觉扫描导航跟踪设备200所能够捕捉的影像信息可以是患者牙齿或手术前医生在口腔中做的特殊标识，如果遇到患者没有任何牙齿信息可以被捕捉(缺牙)，那么医生可以在患者牙床上临时放置其他例如牙齿环或夹，以便视觉扫描导航跟踪设备200进行辨识和捕捉来作为基准标识。

关于医学影像的操作程序，本领域技术人员明白通常一次植牙手术只涉及牙槽骨结构一个部分，即患者或在上牙槽骨或在下牙槽骨进行植牙手术。因此得到尽量清晰和详细的牙槽骨的影像显得很重要，而这个影像可能会被相反方向的牙槽骨结构影像干扰。考虑到这个因素，在进行医学影像成像的过程中，在上下牙槽骨间放入明显的分隔物或其他区分物体显得有必要。根据本发明应用的要求，影像程序过程可以进一步包含一个分隔设备(无图)用来插入患者的上下牙槽骨间。例如，这个分隔设备可能是一个块状物，碟状物，或其他合适的放入患者口腔的物体结构。分隔设备还需要是一个在影像中易识别的隔离指示单元(无图)，此单元可以包含不透射线材料(例如，金属材料)，它可以在分隔设备里或者与分隔设备相联系，它用来定义牙槽骨影像结构中的分隔线，分隔平面,或其他合适的界线。分隔设备使得上下牙槽骨成像分离(即，不受干扰)，取得影像后，使用影像处理技术，沿着牙槽骨分隔线，分隔平面或其他分隔指示单元，在影像中划出要接受植牙手术的牙槽骨。专业从业人员了解，因为隔离指示单元外形是已知的，如果影像中的隔离单元外形变形，则说明成像过程中病人出现移动。例如，本应是一条直线的隔离线变成一条曲线，说明病人在成像过程中移动了，那么医生就需要对病人进行再次成像。

如上所述，在本发明中，视觉扫描导航跟踪设备200可以实时捕捉患者口腔中牙齿(或特殊标识)信息，并传递给电脑控制系统450进行分析比对。手术准备就绪后，患者首次口腔张开后的某一或一些牙齿(或特殊标识)形状和空间位置信息，除作为基准标识外，同时可以与后续同一或同一些牙齿(或特殊标识)的形状和位置信息进行比对，从而实现对患者口腔移动的实时跟踪。如果患者口腔出现移动，电脑控制系统450将能够准确掌握种植牙位置的偏移轨迹，同时指导机器人机械臂350/种植牙手术设备150做出相应的调整，确保种植牙手术在角度，深度和位置上的精准性。这个实时跟踪和调整是连续的，并且贯穿整个种植牙手术过程。视觉扫描导航跟踪设备200对信息的捕捉可以有多种方式：比如，可以是机械，电，电子，或是光(可见或不可见)，只要是可以用来捕捉病人口腔信息并以此作为基准标识的。

在本发明中，电脑控制系统450能够接收病人通过CT或其他医学影像设备取得牙槽骨结构的影像，并配置了常规的种植牙手术程序。该程序允许医生基于影像，无论是二维或三维，创立一个虚拟的种植牙计划，并在病人的牙槽骨结构影像上进行“虚拟种植牙手术”模拟，从而推导出基于影像的种植牙计划或虚拟种植位置/角度/深度的执行计划。在实际操作中，因为电脑控制系统450同时接收了来自视觉扫描导航跟踪设备200的实时图像扫描信息，确定了基准标识，同时对患者牙槽骨空间位置进行了实时跟踪，所以电脑控制系统450可以把临床种植牙手术对位置，角度和深度的各项要求和手术前进行的虚拟种植牙计划或虚拟种植位置/角度/深度的执行计划自动协调起来，确保手术的高效和精准。

电脑控制系统450还可包括某些外围设备(比如，3D眼镜以及与之配套的轨迹球或操纵杆等，无图示)支持根据影像实现虚拟种植牙手术的模拟，例如，校准种植牙体和牙槽骨结构的位置关系，校准种植牙体之间的位置关系，校准种植牙体和临近牙齿的位置关系，校准种植牙体和受影响神经间的位置关系。虚拟种植牙手术对影像中种植体方向和位置的各种模拟，和实际操作中医生根据病人牙槽骨结构进行种植的方式是类似的，因此它提供了一个种植牙手术过程规划的直观界面。

我们还可以用其他辅助的方法来复核通过视觉扫描设备200和电脑控制系统450确定的基准标识的精确性。举例来说，在某些情况下，可以使用物体表面对照技术。更具体的说，就是把病人牙槽骨结构医学影像巧妙处理出3D效果图像。一种合适的扫描设备(比如，激光扫描仪可以安装到机械臂350的末端，直接对病人牙槽骨结构进行扫描，并据此对之前取得的影像和处理后的影像进行“表面匹配”。

在有些情况下，医生手头可能没有CT等医学影像设备，或希望更仔细设计虚拟植牙手术计划后才进行植牙手术。这两种情况，病人通常会被要求不久后返回医生处。直到植牙手术前一刻，医生会拍摄另一张牙槽骨的影像。(例如：CT扫描，全景X光，或双x光)，电脑控制系统450可以把手术前的牙槽骨影像(医生用以设计虚拟植牙计划)和当天牙槽骨影像进行匹配，复核和确定，以确保虚拟植牙计划的准确性。进行影像扫描的时候，医生可以考虑在口腔中，视觉扫描导航跟踪设备200容易观察到的位置(比如前排任意牙齿上或牙缝中)，放入一个或多个特殊的固定标识，这样标识便记录在术前的扫描图像中。在手术准备就绪后，医生在病人口腔同一部位放入一个或多个该标识，当病人张开口腔，通过视觉扫描导航跟踪设备200捕捉到的影像信息中也将记录这些标识的位置信息。电脑控制系统450通过对这些同区域同位置的一个或多个标识信息的比照，就能实现手术前虚拟的和手术中实际的牙槽骨医学影像的匹配。

种植牙手术设备150装配在机器人机械臂350终端感应器上，或与之关联。机器人机械臂350是一个配置有至少6个(或以上)自由度的机械臂装置，用来控制或限制种植牙手术设备150的运动。机器人机械臂350末端有一个接口装置，种植牙手术设备150则固定在此装置上。当种植牙机器人系统100不在“切－准备－植牙”状态时，种植牙手术设备150处于自由运动模式，可以在医生引导下自由运动。因为种植牙手术设备150是在机器人机械臂350的末端执行器上，种植牙手术设备150接触病人的入切削工具500(手术刀或钻头或其他手术设备等)相对于机器人机械臂350的位置将为种植牙机器人系统100所认知。入侵性部件500是可以通过多种校验办法进行校验。一旦校验完成，切削工具500将可进行部件替代，而且这个替代是可重复的，同时切削工具500的校验参数(例如，最远端和切/钻轴的位置)都能保持在较验状态。

如图3，是机器人终端与牙修复体的配合概念性示意图，一旦机器人终端和病人之间的联系被建立且为种植牙机器人系统100所认知，并且虚拟植牙手术计划通过电脑控制系统450生成，电脑控制系统450即可发出指令向病人口腔导入种植牙手术设备150，准备开始植牙手术程序(切/钻/植入)。在这种情况下，依据电脑控制系统450和预先设计的虚拟植牙计划，切削工具500将被移动到植牙程序合适的起点位置。这个移动将通过电脑控制系统450发出指令，由机器人机械臂350控制着种植牙手术设备150的移动来实现。当切削工具500到达电脑控制系统450所指定的植牙起点位置后，植牙程序中侵入性的部分即可开始。在此过程中，电脑控制系统450还将支配种植牙手术设备150的其他参数，比如切削工具500的移动路径角度和从原点到终点的距离。种植牙机器人系统100的一个特征是，种植牙手术设备150在手术过程中并不是由医生来导向，也不是由牵引设备来引导，而只是电脑控制系统450按照虚拟植牙计划的规划，控制机器人机械臂350/种植牙手术设备150/切削工具500执行植牙手术。

举例来说，一个使用种植牙机器人系统100的手术程序里，首先用CT或者其它合适的医学影像技术对病人的牙骨进行扫描,之后将影像传输到电脑控制系统450。医生在电脑控制系统450中设计出一个针对该病人的植牙计划，即，牙医可以对着病人的影像进行虚拟植牙操作。这样的模拟植牙计划形成以后，病人即可就位准备开始植牙程序：启动系统100，通过200确定病人口腔的基准标识和实时跟踪患者口腔移动路径，电脑控制系统450对机器人机械臂350/种植牙手术设备150/切削工具500进行校准。然后，电脑控制系统450指示机器人机械臂350引导着种植牙手术设备150/切削工具500，开始实际的切割/钻孔，完成预先设计好的模拟植牙计划手术程序。

图2a,2b,和2c是关于病人口腔进行种植牙手术过程的概念性示意图。如本文介绍的其它方面所言，牙修复体600(比如牙套，复制牙等)也可以由种植牙机器人系统100制作或者修改；种植牙机器人系统100制作或者修改出来的修复体和之前植入的种植体的咬合将更准确。换而言之，种植牙机器人系统100能够配置拥有制作牙修复体600的功能，精确调试牙修复体600和植入的种植体之间磨合的准确度；按照预先设计的植牙计划，当牙修复体600被永久固定在种植体上时，正确的咬合得以实现。再举个例子，某些情况，植入种植体高度会超出牙床骨或者牙龈线以提供一个突起使得牙修复体600能够被固定在病人的嘴里。在这种情况下，牙修复体上面的孔如果由种植牙机器人系统100来完成，修复部位和植牙之间的校准和咬合将更顺利。

为了在牙修复体600上面的正确位置钻孔，医生可在植牙计划里进行牙修复体600的注册。一种做法是，在虚拟植牙计划中就把牙修复体600引入，在种植牙机器人系统100里面完成与其他牙齿位置的虚拟注册。另一种做法是，在对病人牙骨做初次扫描的时候，把牙修复体600摆在病人嘴里，由此与其他牙次位置进行实际注册。在这种情况下，牙修复体600上面可能也需要一个甚至多个基准标识以特定方式固定其上，并且这些基准标识上有特定的坐标或者其它特征，使其在牙槽骨医学影像上易被识别。如上所述，牙修复体600上的基准标识可以由诸如不透辐射的材料组成，因此在扫描影像上很容易识别。通过在牙修复体600上放置基准标识，修复体的外形和排列就能被决定，进而种植牙机器人系统100可以依此设置种植牙手术设备150在牙修复体600的准确位置上钻孔。

有了扫描影像以及/或者虚拟植牙计划后，牙修复体600上面的基准标识可以在影像上被识别，并且和种植牙机器人系统100进行关联/注册，从而在牙修复体600的合适部位钻洞。具体说来，牙修复体600为电脑控制系统450认知后，牙修复体600将被固定在一个静止的位置，入侵性部件500通过种植牙手术设备150/机器人机械臂350，在牙修复体600的指定位置钻孔。总而言之，种植牙机器人系统100制作牙修复体600的能力，使得植牙的时间过程大大减短，植入的种植体和牙修复体600之间的咬合更顺畅。

本领域技术人员在使用系统的过程中会发现，本文所介绍的这项发明的许多其它用处。比如，专业从业人员会意识到，该系统，设备和方法也可以被使用在磨牙或洗牙上等。因此，可以理解，该项发明不仅仅局限于本文介绍的使用范围，其它适用范围也有意包括在附件所申请的专利里。尽管使用了特定的术语，这些术语的使用是通用和描述性质，而非限制用途。

Claims (6)

1.一种自主式种植牙机器人系统，其特征在于：包括：

一部执行种植牙手术的机器人及末端操作器，用于执行种植牙手术；

一部电脑控制系统，作为种植牙信息处理，显示，分析和决策中心；和

一部视觉扫描导航跟踪设备， 用以术前确定口腔基准标识，该口腔基准标识确定的方式包括机械定位、电定位、电子定位或光定位；术中实时跟踪病人口腔移动，确定病人口腔种植牙位置，其方式为：在所述视觉扫描导航跟踪设备与病人口腔建立连接时，在病人口腔相反方向的上下牙槽骨之间放入隔离单元，使上下牙槽骨成像分离不受干扰，所述跟踪病人口腔移动的方式为：以放入病人口腔中的所述隔离单元是否形变的方式进行判断是否移动，并建立与种植牙机器人之间的联系，

所述视觉扫描导航跟踪设备、所述机器人、电脑控制系统和病人口腔建立连接后，该种植牙机器人自主执行种植牙手术；

所述电脑控制系统接收所述视觉扫描导航跟踪设备的实时图像信息，确定了基准标识并对牙槽骨空间位置进行实时跟踪，根据创立的虚拟种植牙计划，执行种植牙手术。

2.如权利要求1所述的自主式种植牙机器人系统，其特征在于：所述视觉扫描导航跟踪设备与病人口腔建立连接后，即时捕捉牙齿精确的三维空间位置，并将该信息传递至所述电脑控制系统，最终建立种植牙手术的基准标识。

3.如权利要求1或2所述的自主式种植牙机器人系统，其特征在于：通过所述视觉扫描导航跟踪 设备和电脑控制系统确定的基准标识可以被复核。

4.如权利要求1所述的自主式种植牙机器人系统，其特征在于：所述执行种植牙手术的机器人是一个具有自由度的机械臂。

5.如权利要求4所述的自主式种植牙机器人系统，其特征在于：所述机械臂的终端能够精确地控制各项种植牙医疗设备，并通过所述电脑控制系统创立的虚拟种植牙计划进行全过程的自主式种植牙手术。

6.如权利要求1所述的自主式种植牙机器人系统，其特征在于：所述电脑控制系统通过视觉扫描导航跟踪设备对牙修复体进行关联/注册。

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