CN111407443A - 一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法 - Google Patents

一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法
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
为了克服已有技术的不足，为了进一步解决机器人种植手术过程中，末端执行器(种植手机和牙钻)在机器人系统全局坐标系下三维种植方案中的目标位置坐标精确获取、光学定位与导航系统精度不足、机器人与患者口腔碰撞安全性以及手术过程中开口时间过长等一系列问题，本发明提出了一种能够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的智能导航方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
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
针对待种植的上颌或者下颌为部分牙缺失的患者，获取患者口腔的CBCT影像以及口内石膏取模或口内扫描数据，进行口腔三维模型的重建。根据模型数据，利用数字化种植软件(如六维种植软件)完成种植体在颌骨模型中的摆放，确定种植体数目、位置、角度、深度等参数，获得三维种植方案；
(2)设计定位标志器的个性化固定结构
根据步骤(1)的三维种植方案，利用数字化种植软件(如六维种植设计软件)中的导板生成功能，在余留牙上生成无倒凹的牙套结构，作为用于定位标志器与患者口腔固定的个性化固定结构；
(3)设计定位标志器的标准定位支架
利用三维建模软件(如solidworks)设计口外定位支架，支架上带有一组定位孔，用于协作型机器人以拖动方式接触定位，并计算出患者口腔部位的实时位置坐标，用于对光学定位系统的修正；同时，定位孔也可以用于安装视觉识别的定位标志点。定位支架设计成标准结构，提供不同尺寸大小的几组供选用，以STL文件保存。同时构建一个二维棋盘格图像三维模型；
(4)定位标志器生成
在种植方案设计软件中，根据患者数据三维重建模型的相关尺寸大小调用(STL文件导入)预先设计好的标准定位支架和二维棋盘格图像三维模型，调整它们到适合机器人定位和手术操作的位置，并将标准定位支架与定位标志器的个性化固定结构相连接，与插在标准定位支架的定位孔中的二维棋盘格一起形成完整的定位标志器支架三维结构，导出模型数据，最后进一步利用SLA打印出实物，并将二维棋盘格图像的实物板插入标志器支架孔中，检查相互位置的准确性；
(5)三维种植方案中的种植体位置坐标获取
在种植方案设计软件中，基于定位标志器构建口腔局部坐标系，并获取三维种植方案中的种植体根部末端位置坐标和顶部植入位置坐标，计算出种植体的植入角度，从而获得完整的窝洞制备位姿坐标，进一步以齐次矩阵形式记录，并作为目标点，编写在运动路径中；
(6)口腔碰撞模型的构建
将包括种植方案和定位标志器的口腔三维模型、种植机器人、末端执行器(手术工具)等导入到机器人仿真系统(如ROS)中建立机器人种植牙手术仿真场景，将口腔三维模型、种植机器人等障碍物设定为碰撞模型，避免机器人实施种植牙过程损伤口腔组织；
(7)实际场景坐标系构建及校正
进一步在实际场景中，将定位标志器通过个性化固定结构安装在患者的牙齿上并固定，并保证二维棋盘格插入标准定位支架的定位孔中时具有与三维模型中一样的位置，采用双目视觉光学测量仪测量二维棋盘格上的标志点，根据标志点位置计算出定位支架在机器人全局坐标系下的光学测量坐标；拖动机器人使其末端与定位支架上的定位孔接触，获得定位支架的接触测量坐标；将定位支架的光学测量坐标与接触测量坐标进行比较，以接触测量坐标为标准值，获得光学定位系统校正的补偿矩阵，对光学定位系统进行校正；
(8)机器人运动路径规划及离线编程
通过获取到的实际场景坐标系及窝洞制备位姿坐标，计算机器人末端执行器在全局坐标下的最终目标位姿。设定机器人运动路点，进一步利用运动规划算法库(如OMPL运动规划库)中的运动规划算法，规划出合理的手术路径完成机器人运动路径规划及离线编程；
(9)机器人种植手术操作
机器人根据离线编程的路径规划，在光学定位导航系统的引导下，完成手术操作。术中，患者如果需要闭口休息时，则可以中断手术操作，继续操作时，通过光学定位系统，获取患者口腔张口情况和口腔位置，在已规划路径基础上进行路径的动态修改，引导机器人末端执行器安全运动，从而完成种植手术。
进一步，所述方法还包括以下步骤：
(10)术中种植方案调整
如果术中遇到意外情况，需要临时调整手术方案时，则由医生拖动机器人确定新的种植位置和末端执行器位姿，并重新拖动机器人设定经过的路点，并利用运动规划算法库(如OMPL运动规划库)中的路径规划算法，获得机器人新的运动路径，进而引导机器人完成新的手术操作。
本发明的有益效果主要表现在：1)本方案提高了口腔种植机器人种植牙的定位导航精度，通过协作型机器人拖动位置反馈的接触式测量修正光学定位导航系统的精度；2)利用个性化牙上固定结构与标准定位支架以及二维棋盘格相结合的定位方案，进一步提高了机器人系统的定位精度；3)通过在机器人仿真系统中建立口腔碰撞模型进行路径规划，提高了机器人种植牙安全性，同时大大简化了机器人术前的准备工作；4)术中种植方案临床调整时，通过协作机器人拖动位置反馈定位，快速规划新的机器人运动路径，提高了机器人系统实施手术操作的灵活性；5)机器人手术过程中，患者闭口休息时暂停手术操作，继续操作时，光学系统获取患者口腔位置和张口情况，对手术路径进行动态调整，有效解决了患者颞下颌关节疲劳问题，并对减少医生的劳动强度具有积极作用。
附图说明
图1是本发明的协作机器人接触式位置反馈与光学跟踪联合定位的口腔种植机器人精确定位及导航示意图。
图2是缺牙的重建颌骨模型及种植方案侧视示意图。
图3是缺牙的重建颌骨模型及种植方案正视示意图。
图4是定位标志器的个性化固定结构示意图。
图5是含有个性化固定结构的定位标志器完整示意图。
图6是佩戴定位标志器后的缺牙颌骨示意图。
图7是机器人定位及种植牙过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一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
针对待种植的上颌或者下颌为部分牙缺失的患者，获取患者口腔的CBCT影像以及口内石膏取模或口内扫描数据，进行口腔三维模型的重建。根据模型数据，利用数字化种植软件(如六维种植软件)完成种植体在颌骨模型中的摆放，确定种植体数目、位置、角度、深度等参数，获得三维种植方案；
(2)设计定位标志器的个性化固定结构
根据步骤(1)的三维种植方案，利用数字化种植软件(如六维种植设计软件)中的导板生成功能，在余留牙上生成无倒凹的牙套结构，作为用于定位标志器与患者口腔固定的个性化固定结构；
(3)设计定位标志器的标准定位支架
利用三维建模软件(如solidworks)设计口外定位支架，支架上带有一组定位孔，用于协作型机器人以拖动方式接触定位，并计算出患者口腔部位的实时位置坐标，用于对光学定位系统的修正；同时，定位孔也可以用于安装视觉识别的定位标志点。定位支架设计成标准结构，提供不同尺寸大小的几组供选用，以STL文件保存。同时构建一个二维棋盘格图像三维模型；
(4)定位标志器生成
在种植方案设计软件中，根据患者数据三维重建模型的相关尺寸大小调用(STL文件导入)预先设计好的标准定位支架和二维棋盘格图像三维模型，调整它们到适合机器人定位和手术操作的位置，并将标准定位支架与定位标志器的个性化固定结构相连接，与插在标准定位支架的定位孔中的二维棋盘格一起形成完整的定位标志器支架三维结构，导出模型数据，最后进一步利用SLA打印出实物，并将二维棋盘格图像的实物板插入标志器支架孔中，检查相互位置的准确性；
(5)三维种植方案中的种植体位置坐标获取
在种植方案设计软件中，基于定位标志器构建口腔局部坐标系，并获取三维种植方案中的种植体根部末端位置坐标和顶部植入位置坐标，计算出种植体的植入角度，从而获得完整的窝洞制备位姿坐标，进一步以齐次矩阵形式记录，并作为目标点，编写在运动路径中；
(6)口腔碰撞模型的构建
将包括种植方案和定位标志器的口腔三维模型、种植机器人、末端执行器(手术工具)等导入到机器人仿真系统(如ROS)中建立机器人种植牙手术仿真场景，将口腔三维模型、种植机器人等障碍物设定为碰撞模型，避免机器人实施种植牙过程损伤口腔组织；
(7)实际场景坐标系构建及校正
进一步在实际场景中，将定位标志器通过个性化固定结构安装在患者的牙齿上并固定，并保证二维棋盘格插入标准定位支架的定位孔中时具有与三维模型中一样的位置，采用双目视觉光学测量仪测量二维棋盘格上的标志点，根据标志点位置计算出定位支架在机器人全局坐标系下的光学测量坐标；拖动机器人使其末端与定位支架上的定位孔接触，获得定位支架的接触测量坐标；将定位支架的光学测量坐标与接触测量坐标进行比较，以接触测量坐标为标准值，获得光学定位系统校正的补偿矩阵，对光学定位系统进行校正；
(8)机器人运动路径规划及离线编程
通过获取到的实际场景坐标系及窝洞制备位姿坐标，计算机器人末端执行器在全局坐标下的最终目标位姿。设定机器人运动路点，进一步利用运动规划算法库(如OMPL运动规划库)中的运动规划算法，规划出合理的手术路径完成机器人运动路径规划及离线编程；
(9)机器人种植手术操作
机器人根据离线编程的路径规划，在光学定位导航系统的引导下，完成手术操作。术中，患者如果需要闭口休息时，则可以中断手术操作，继续操作时，通过光学定位系统，获取患者口腔张口情况和口腔位置，在已规划路径基础上进行路径的动态修改，引导机器人末端执行器安全运动，从而完成种植手术。
进一步，所述方法还包括以下步骤：
(10)术中种植方案调整
如果术中遇到意外情况，需要临时调整手术方案时，则由医生拖动机器人确定新的种植位置和末端执行器位姿，并重新拖动机器人设定经过的路点，并利用运动规划算法库(如OMPL运动规划库)中的路径规划算法，获得机器人新的运动路径，进而引导机器人完成新的手术操作。
参照图1，一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航设备，包括机械手控制系统2、定位标志器3、光学定位系统5、电脑和显示器7，所示机械手包括六自由度协作机械臂1及种植手机8，所述电脑通过控制系统2与六自由度协作机械臂1连接，种植手机8通过夹持器安装在六自由度协作机械臂末端，定位标志器3由口内的个性化固定结构与口外定位结构组成，定位结构具有多个标志点，同时可安装光学追踪标志器。

Claims (2)

1.一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)数字化种植牙方案的规划
针对待种植的上颌或者下颌为部分牙缺失的患者，获取患者口腔的CBCT影像以及口内石膏取模或口内扫描数据，进行口腔三维模型的重建，根据模型数据，利用数字化种植软件完成种植体在颌骨模型中的摆放，确定种植体数目、位置、角度、深度等参数，获得三维种植方案；
(2)设计定位标志器的个性化固定结构
根据步骤(1)的三维种植方案，利用数字化种植软件(中的导板生成功能，在余留牙上生成无倒凹的牙套结构，作为用于定位标志器与患者口腔固定的个性化固定结构；
(3)设计定位标志器的标准定位支架
利用三维建模软件设计口外定位支架，支架上带有一组定位孔，用于协作型机器人以拖动方式接触定位，并计算出患者口腔部位的实时位置坐标，用于对光学定位系统的修正；同时，定位孔也可以用于安装视觉识别的定位标志点，定位支架设计成标准结构，提供不同尺寸大小的几组供选用，以STL文件保存，同时构建一个二维棋盘格图像三维模型；
(4)定位标志器生成
在种植方案设计软件中，根据患者数据三维重建模型的相关尺寸大小调用预先设计好的标准定位支架和二维棋盘格图像三维模型，调整它们到适合机器人定位和手术操作的位置，并将标准定位支架与定位标志器的个性化固定结构相连接，与插在标准定位支架的定位孔中的二维棋盘格一起形成完整的定位标志器支架三维结构，导出模型数据，最后进一步利用SLA打印出实物，并将二维棋盘格图像的实物板插入标志器支架孔中，检查相互位置的准确性；
(5)三维种植方案中的种植体位置坐标获取
在种植方案设计软件中，基于定位标志器构建口腔局部坐标系，并获取三维种植方案中的种植体根部末端位置坐标和顶部植入位置坐标，计算出种植体的植入角度，从而获得完整的窝洞制备位姿坐标，进一步以齐次矩阵形式记录，并作为目标点，编写在运动路径中；
(6)口腔碰撞模型的构建
将包括种植方案和定位标志器的口腔三维模型、种植机器人、末端执行器导入到机器人仿真系统中建立机器人种植牙手术仿真场景，将口腔三维模型、种植机器人等障碍物设定为碰撞模型，避免机器人实施种植牙过程损伤口腔组织；
(7)实际场景坐标系构建及校正
进一步在实际场景中，将定位标志器通过个性化固定结构安装在患者的牙齿上并固定，并保证二维棋盘格插入标准定位支架的定位孔中时具有与三维模型中一样的位置，采用双目视觉光学测量仪测量二维棋盘格上的标志点，根据标志点位置计算出定位支架在机器人全局坐标系下的光学测量坐标；拖动机器人使其末端与定位支架上的定位孔接触，获得定位支架的接触测量坐标；将定位支架的光学测量坐标与接触测量坐标进行比较，以接触测量坐标为标准值，获得光学定位系统校正的补偿矩阵，对光学定位系统进行校正；
(8)机器人运动路径规划及离线编程
通过获取到的实际场景坐标系及窝洞制备位姿坐标，计算机器人末端执行器在全局坐标下的最终目标位姿，设定机器人运动路点，进一步利用运动规划算法库中的运动规划算法，规划出合理的手术路径完成机器人运动路径规划及离线编程；
(9)机器人种植手术操作
机器人根据离线编程的路径规划，在光学定位导航系统的引导下，完成手术操作，术中，患者如果需要闭口休息时，则可以中断手术操作，继续操作时，通过光学定位系统，获取患者口腔张口情况和口腔位置，在已规划路径基础上进行路径的动态修改，引导机器人末端执行器安全运动，从而完成种植手术。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
(9)术中种植方案调整
如果术中遇到意外情况，需要临时调整手术方案时，则由医生拖动机器人确定新的种植位置和末端执行器位姿，并重新拖动机器人设定经过的路点，并利用运动规划算法库中的路径规划算法，获得机器人新的运动路径，进而引导机器人完成新的手术操作。
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