CN113229964A - 一种牙科用激光自动钻牙装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙科用激光自动钻牙装置，包括：底座以及与底座配合连接的控制臂；控制臂与底座顶部间设置有转动机构，控制臂包括第一机械臂与第二机械臂，第一机械臂与第二机械臂间设置有联动机构，第一机械臂与第二机械臂上设置有不少于一个转动机构，控制臂为多段式联动机构；第二机械臂端部配合连接有激光钻头，激光钻头包括壳体，壳体两端分别设置有折射装置与激光头，折射装置与激光头呈一定角度设置，折射装置与激光头均与壳体活动连接，激光头上设置有监测装置，控制臂上设置有激光发生装置与激光传送通道，激光发生装置与激光传送通道相连接。使用激光钻牙方式，实现无痛、无接触、无噪音钻牙，省去了患者接受麻醉步骤。

Description

一种牙科用激光自动钻牙装置

应用领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是一种牙科用激光自动钻牙装置。

背景技术

激光被称为“最快的刀”、“最准的刀”和“放大受激辐射光”，激光具有定向发光，方向性好，功率密度大，相位高度一致的特点。激光口腔医疗领域经过多年的研究和发展，已经取得了巨大的进步，从照射性治疗到手术性治疗，从软组织切割到硬组织切割，从牙釉质牙本质到牙髓牙根尖，激光治疗技术应用于口腔治疗的各个方面，形成了新的治疗体系。激光钻牙具有相对安全、高效无痛等特点，可以大大降低患者治疗时的心理恐惧感，适当的激光参数不但切割效率高，而且对牙髓组织影响也小。

目前口腔临床上最常用的是传统涡轮手机去腐备洞以及进行根管治疗，但在操作时会产生大量的污染层，所谓污染层指的是备洞或者根管治疗时，细菌、变性胶原、唾液、以及牙碎屑组成的混物，污染层的存在会妨碍填充物与洞壁接触，导致洞壁与填充物出现微渗漏。另外，高速手机因转动时产生刺耳的噪音和钻牙时产生的震动，常使患者产生难以忍受的疼痛感和恐惧感，并且高速手机在钻牙时还会对牙硬组织和牙髓组织有一定的影响。在钻牙过程中，必要时还需要对患者进行麻醉操作，给患者心理带来了较大的影响。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种牙科用激光自动钻牙装置；为达到上述目的本发明采用的技术方案为：一种牙科用激光自动钻牙装置，包括：底座以及与底座配合连接的控制臂；

所述控制臂与底座顶部间设置有转动机构，所述控制臂包括第一机械臂与第二机械臂，所述第一机械臂与所述第二机械臂间设置有联动机构，所述第一机械臂与所述第二机械臂上设置有不少于一个转动机构，所述控制臂为多段式联动机构；

所述第二机械臂端部配合连接有激光钻头，所述激光钻头包括壳体，所述壳体两端分别设置有折射装置与激光头，所述折射装置与所述激光头呈一定角度设置，所述折射装置与所述激光头均与所述壳体活动连接，所述激光头上设置有监测装置，所述监测装置用于采集图像信息；

所述控制臂上设置有激光发生装置与激光传送通道，所述激光发生装置与所述激光传送通道相连接。

本发明一个较佳实施例中，所述底座顶部设置有控制盒，所述控制盒设置有第一控制器与第二控制器，所述第一控制器根据预定轨迹控制第一机械臂与第二机械臂联动工作，所述第二控制器根据用户指令或检测装置反馈信号控制激光输出功率与时间。

本发明一个较佳实施例中，所述激光发生装置活动固定于所述联动机构顶部。

本发明一个较佳实施例中，所述控制臂上设置有检测装置，所述检测装置设置在所述基座、所述控制臂以及所述激光头上，所述检测装置包括角度传感器、位置传感器以及红外线传感器中的一种或多种。

本发明一个较佳实施例中，所述折射装置为折射镜，所述折射镜通过螺纹连接于所述壳体上，所述折射镜用于改变激光方向，所述折射镜调节角度范围为30度-120度。

本发明一个较佳实施例中，所述激光发生装置设置有谐振腔，所述谐振腔内设置有激励源与工作介质，所述激励源与电源连接，所述激励源与所述工作介质平行设置。

本发明一个较佳实施例中，所述谐振腔一端设置有反射装置，所述谐振腔另一端设置有输出装置，所述输出装置与所述激光传送通道一端连接。

本发明一个较佳实施例中，所述输出装置为具有过滤部分激光作用的输出镜，所述反射装置为具有反射全部激光作用的反射镜。

本发明第二方面提供了一种牙科用激光自动钻牙方法，应用于所述的一种牙科用激光自动钻牙装置中，包括以下步骤：

获取牙体信息；

通过获取的牙体信息建立牙体模型，生成模型信息，得出运行轨迹信息；

通过监测装置对患者牙体进行移动探测，得出匹配信息；

将所述匹配信息与所述模型信息对比，得出配对率；

判断配对率是否大于预设配对率阈值；

若大于，停止探测，生成切割轨迹信息；

将切割轨迹信息传送至控制端。

本发明一个较佳实施例中，所述运行轨迹为控制臂控制激光钻头由外部移动至患者口腔内轨迹，所述切割轨迹为控制臂控制激光钻头切割患者牙体轨迹。

本发明公开的一种牙科用激光自动钻牙装置，通过机械臂控制激光钻头，然后用激光对牙齿硬组织进行自动切割，实现了免接触切割的过程，消除了患者钻牙时的疼痛感与高速手机转动刺耳声，减轻了患者的心理负担，同时还能精准切割牙齿硬组织，使用激光自动钻牙切割的方式，患者在钻牙时疼痛感明显降低，省去了接受局部麻醉的步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为装置整体示意图；

图2为激光钻头整体示意图；

图3为激光钻头剖面图；

图4为激光钻头仰视图；

图5为激光发生装置内部示意图；

附图标记说明如下：1、激光头1；2、壳体；3、折射镜；4、第二机械臂；5、激光发生装置；6、第一机械臂；7、控制盒；8、转动机构；9、底座；10、旋转机构；11、水雾器；12、红外传感器；13、监测装置；14、谐振腔；15、激励源；16、工作介质；17、反射镜；18、输出镜；

具体实施方式：

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

实施例一：

本发明提供的一种牙科用激光自动钻牙装置，如图1所示，包括底座9以及与底座配合连接的控制臂；所述控制臂与底座顶部间设置有转动机构8，所述控制臂包括第一机械臂6与第二机械臂4，所述第一机械臂6与所述第二机械臂4间设置有联动机构，所述第一机械臂与所述第二机械臂上设置有不少于一个转动机构10，所述控制臂为多段式联动机构。底座顶部和第一机械臂上均设置有转动机构8，使得控制臂能够带动激光钻头完成由外部移动到患者口腔内部的过程；第一机械臂6两端均设置有转动机构，第一机械臂6与第二机械臂4间设置有联动机构，使得控制臂能够带动激光钻头完成切割患者牙体的过程。控制臂为多段式联动机构，根据不同位置的钻牙需要，控制臂能够实现多个自由度的转动与多方位移动，以保证可以完成正面、侧面、上方、下方等各方位钻牙需要。

如图2所示，所述第二机械臂端部配合连接有激光钻头，所述激光钻头包括壳体2，所述壳体2两端分别设置有折射装置与激光头1，所述折射装置与所述激光头1呈一定角度设置，所述折射装置与所述激光头1均与所述壳体2活动连接。如图4所示，所述激光头1上设置有监测装置13，所述监测装置13用于采集图像信息。如图1所示，所述控制臂上设置有激光发生装置5与激光传送通道，所述激光发生装置5与所述激光传送通道相连接。

需要说明的是，激光发生装置用于产生所需要的激光，工作介质吸收能量后形成粒子数反转，通过谐振腔14，从而输出激光。激光传送通道，用于把激光传送到所需要的工作目标上，具有耦合激光，折射激光的作用。壳体2下端设置为圆柱状，上端设置为梯形状，壳体2下端连接有激光头1，优选的，壳体2与激光头1连接方式为螺纹连接，以便于拆装直径不一样的激光头1，满足多种情况的钻牙需要。

需要说明的是，壳体2上端设置有折射装置，折射装置为圆形盘状，折射装置用于改变激光的传送方向，以精准的把激光传送到需要钻牙的牙体位置上，优选的，折射装置为折射镜3，折射镜与激光传送通道成45°角设置，折射镜3上设置有螺纹结构，以便于拆卸；折射镜3折射耦合后的激光时，折射的能量密度是非常大的，要加以考虑折射镜3的强度极限和使用寿命，本发明采用螺纹连接的方式把折射镜3与壳体2连接在一起，当折射镜达到使用寿命后，只需要使用螺丝刀把折射镜3拆下更换即可，方便灵活。折射镜3设置角度还可以是其他数值，最好少于95°，比如在30°和90°之间。

需要说明的是，激光传送通道一端与激光发生装置5相接，另一端与激光钻头相接，激光传送通道设有光耦合器，当激光从激光发生装置射出后，激光是比较分散的，通过光耦合器把发出的激光耦合成一束较小的激光，使得在钻牙时激光切割强度更大，切割位置更精准。

如图1所示，所述底座顶部设置有控制盒7，所述控制盒7设置有第一控制器与第二控制器，所述第一控制器根据预定轨迹控制第一机械臂6与第二机械臂4联动工作，所述第二控制器根据用户指令或检测装置反馈信号控制激光输出功率与时间。所述检测装置设置在所述基座、所述控制臂以及所述激光头1上，所述检测装置包括角度传感器、位置传感器以及红外线传感器中的一种或多种。

需要说明的一点是，在钻牙时，如果牙体内温度过高会引起患者不舒适，严重的会造成牙髓组织损伤，牙体产生裂纹，因此，需要实时监控牙体温度。本发明把红外线传感器设置在激光头1的圆形凸台上，与圆形凸台通过螺纹连接的方式连接，使得红外线传感器12能够在最佳的位置测量患者牙体实时温度与激光位置，当患者内牙体温度过高或者激光照射到患者牙体以外的区域时，红外线传感器能够把信息反馈给控制器，控制器接收到反馈信息后，能够根据信息控制激光发生装置，使得激光停止照射，同时水雾喷头会加大喷水量使得牙体降温，避免了出现温度过高的意外情况，保证了患者牙体的安全。

激光发生装置能够输出特定波长与功率的激光，优选的，输出激光是Er：YAG激光，波长为2940nm、功率为7.0W。

需要说明的是，本发明通过机械手自动控制激光钻头的移动，激光通过激光钻头照射到牙体上时，牙体中的水分吸收激光的能量，形成微爆炸，完成钻牙切割牙体的过程。采用激光钻牙的方式对牙体硬组织进行切割，实现了无痛、无接触、无噪音的钻牙，减轻了患者的心理负担，同时省去了患者接受局部麻醉的步骤。

需要说明的一点是，Er：YAG激光是一种固体激光，不同的激光射出参数能够分别切割牙体硬组织、龋坏组织和软组织。Er：YAG激光切割效果受两个条件影响：一是牙体组织吸光性要好，二是脉冲方式的激光功率要大。Er：YAG激光的波长为2940nm，水吸收的峰值为3000nm，两者极为接近，所以Er：YAG激光的能量能够被牙体中的水有效的吸收，水吸收能量后，水的压力升高，水滴微爆炸，从而有效的切除牙体硬组织，并且实现了无接触钻牙的过程，利用激光进行钻牙，不仅消除传统高速手机涡轮转动时刺耳的噪音，还能消除涡轮震动时引起牙体震动所给患者带来的疼痛感，省去了局部麻醉的步骤，使得患者在钻牙时更舒适，心理负担更小。

需要说明的是，Er：YAG激光输出功率为7.0W。Er：YAG激光输出功率不一样，钻牙时切割效率也不一样，激光平均功率取决于单脉冲能量和脉冲重复频率，它是两者的乘积。然而，Er：YAG激光在钻牙切割牙体硬组织时，应当选择较高单位脉冲能量和较低脉冲重复频率，因为选择较低脉冲重复频率，可以减轻热积聚作用而损伤牙髓的现象。采用7.0W功率的Er：YAG激光钻牙时，组成牙本质细胞增生不明显，毛细血管轻度扩张，在切割牙体硬组织时对牙髓刺激较小，炎性反应较轻。采用7.5W的Er：YAG激光切割时，切割效果与传统高速手机无明显差异，牙髓均为轻度炎症反应，牙本质细胞增生，毛细血管扩张。采用8.0W的Er：YAG激光切割时，牙本质排列混乱，牙髓深部毛细血管增生伴有不同程度的扩张、充血，对牙髓组织损害较大。因此，在钻牙切割牙体硬组织时，选用7.0W的Er：YAG激光切割功率，不但切割效率高，对还能牙髓组织产生正效应。

激光头1上设置有水雾喷头，控制器能够控制水雾喷头的喷洒量。

需要说明的一点是，Er：YAG激光钻牙切割牙体硬组织时，往牙体上喷洒水雾，激光照射后牙髓温度最高增大量为4℃，而无水喷雾时温度牙髓最高增大量为24.7℃，因此，水被视为在整个激光钻牙时降低温度的显要因素。水喷雾的冷却可以减少激光对牙体组织及牙髓的损伤，因为使用水喷雾激光切割的方式，不会造成牙体硬组织碎片等污染层，即使牙髓暴露，其暴露面也会较为清洁，并且很快就会形成牙本质桥，牙髓不会出现炎症和坏死等现象，需要注意的是，采用Er：YAG激光钻牙时，水喷雾喷洒量要适中，使用较高的喷洒量时，水会在牙体组织形成较厚的水层，这样会消耗激光大量的能量，影响牙体切割效率，应该根据激光能量和脉冲重复频率来调节水雾喷洒量，能量为300-500mJ的Er：YAG激光切割牙釉质时，水喷雾量应该为6.75ml/min，能量为150-250mJ的Er：YAG激光切割时，水喷雾量应该为1-2ml/min。因此，本发明在激光钻牙时，激光头1上设置有水雾喷头11，并且能够根据不同切割要求控制水雾喷头11的喷洒量，以便钻牙效果更好，提高了钻牙时切割效率，缩短了钻牙的时间，消除了因患者牙体温度升高而造成的疼痛感。

如图5所示，激光发生装置设置有谐振腔14，谐振腔14内设置有激励源15与工作介质16，激励源15与电源连接，激励源15与所述工作介质16平行设置。

需要说明的一点是，接通电源后的激励源15能够为工作介质提供能量，工作介质吸收能量后，上下能级间粒子数反转，谐振腔提供光学正反馈维持激光持续震荡以形成受激发射，从而产生激光，谐振腔14还能够对震荡光束的方向和频率进行限制，确保了激光的单色性和定向性。优选的，激励源为灯，工作介质为铒晶体。

谐振腔14一端设置有反射装置，谐振腔另一端设置有输出装置，输出装置与所述激光传送通道一端连接，工作介质受激发射出光子后，光子在反射装置与输出装置间来回反射，于是就不断引起受激辐射，从而产生相当强的激光。

需要说明的一点是，输出装置为具有反射部分光作用的输出镜18，反射装置为具有反射全部光作用的反射镜17，反射镜反射率接近100％，输出镜反射率约为98％，强度足够大的激光便从输出镜射出，传送到激光传送通道。

如图4所示，激光头1设置有监测装置13，监测装置13用于采集图像信息。需要说明的是，监测装置13采集图像信息后，把图像信息上传至云端数据库，得到牙体位置数据，通过云计算建立预设牙体模型及机械臂钻牙运动轨迹。

如图2所示，壳体上设置有激光折射装置。需要说明的是，折射装置为折射镜3，折射镜3通过螺纹连接于壳体2上，折射镜3用于改变激光方向，折射镜调节角度范围为30度-120度，以满足多种钻牙情况需要。

本发明第二方面提供了一种牙科用激光自动钻牙方法，应用于上述任一权利要求所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，

获取牙体信息；

通过获取的牙体信息建立牙体模型，生成模型信息，得出运行轨迹信息；

通过监测装置对患者牙体进行移动探测，得出匹配信息；

将所述匹配信息与所述模型信息对比，得出配对率；

判断配对率是否大于预设配对率阈值；

若大于，停止探测，生成切割轨迹信息；

将切割轨迹信息传送至控制端。

需要说明的是，通过采集图像获取牙体信息，利用云计算建立预设三维模型，以患者下门牙中心顶部为原点坐标a点，以激光钻头非工作状态时原点坐标为b点，利用图像识别系统确认需切割牙体轮廓距离a点最近的坐标为c点，确认c点坐标后，生成控制臂由b点移动到c点的运行轨迹信息，从而实现控制臂移动到患者口腔内过程；实际上需切割牙体轮廓是由无数个坐标点而组成的线性轮廓，利用图像识别系统能够生成需切割牙体的轨迹坐标点，确认坐标点后，便能够确定需切割牙体轮廓，从而得出控制臂钻牙处理方式、切割轨迹训练集，生成钻牙手术数据，完成切割患者牙体过程。

需要说明的是，在钻牙时，位置坐标难免会出现偏差，通过摄像头对患者牙体进行移动探测，生成匹配信息，当摄像模块探测的区域与需切割牙体轮廓匹配率达98％时，控制器便控制机械手停止移动，生成切割信息，完成切割过程，保证了切割的精准度以及安全性。

需要说明的是，运行轨迹为控制臂控制激光钻头由外部移动至患者口腔内轨迹，切割轨迹为控制臂控制激光钻头切割患者牙体轨迹。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种牙科用激光自动钻牙装置，包括：底座以及与底座配合连接的控制臂；其特征在于，

所述控制臂与底座顶部间设置有转动机构，所述控制臂包括第一机械臂与第二机械臂，所述第一机械臂与所述第二机械臂间设置有联动机构，所述第一机械臂与所述第二机械臂上设置有不少于一个转动机构，所述控制臂为多段式联动机构；

所述第二机械臂端部配合连接有激光钻头，所述激光钻头包括壳体，所述壳体两端分别设置有折射装置与激光头，所述折射装置与所述激光头呈一定角度设置，所述折射装置与所述激光头均与所述壳体活动连接，所述激光头上设置有监测装置，所述监测装置用于采集图像信息；

所述控制臂上设置有激光发生装置与激光传送通道，所述激光发生装置与所述激光传送通道相连接。

2.根据权利要求1所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述底座顶部设置有控制盒，所述控制盒设置有第一控制器与第二控制器，所述第一控制器根据预设轨迹控制第一机械臂与第二机械臂联动工作，所述第二控制器根据用户指令或检测装置反馈信号控制激光输出功率与时间。

3.根据权利要求1所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述激光发生装置活动固定于所述联动机构顶部。

4.根据权利要求1所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：还包括检测装置，所述检测装置设置在所述基座、所述控制臂以及所述激光头上，所述检测装置包括角度传感器、位置传感器以及红外线传感器中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述折射装置为折射镜，所述折射镜通过螺纹连接于所述壳体上，所述折射镜用于改变激光方向，所述折射镜调节角度范围为30度-120度。

6.根据权利要求1所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述激光发生装置设置有谐振腔，所述谐振腔内设置有激励源与工作介质，所述激励源与电源连接，所述激励源与所述工作介质平行设置。

7.根据权利要求6所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述谐振腔一端设置有反射装置，所述谐振腔另一端设置有输出装置，所述输出装置与所述激光传送通道一端连接。

8.根据权利要求6所述的一种牙科用激光自动钻牙装置，其特征在于：所述输出装置为具有过滤部分激光作用的输出镜，所述反射装置为具有反射全部激光作用的反射镜。

9.一种牙科用激光自动钻牙方法，应用于权利要求1-8任一所述的一种牙科用激光自动钻牙装置中，其特征在于，包括以下步骤：

获取牙体信息；

通过获取的牙体信息建立牙体模型，生成模型信息，得出运行轨迹信息；

通过监测装置对患者牙体进行移动探测，得出匹配信息；

将所述匹配信息与所述模型信息对比，得出配对率；

判断配对率是否大于预设配对率阈值；

若大于，停止探测，生成切割轨迹信息；

将切割轨迹信息传送至控制端。

10.根据权利要求9所述的一种牙科用激光自动钻牙方法，其特征在于：所述运行轨迹为控制臂控制激光钻头由外部移动至患者口腔内轨迹，所述切割轨迹为控制臂控制激光钻头切割患者牙体轨迹。

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