CN113440281A - 手术路径规划方法、装置及自动植牙系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术路径规划方法、装置及自动植牙系统，所述方法包括：获取在移动终端沿预设路径运动时安装在所述移动终端上的第一视觉标记件的位置与安装在患者颌骨上的第二视觉标记件的位置；基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置；基于所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，获取手术路径。本发明实施例提供的手术路径规划方法、装置及自动植牙系统，通过记录视觉标记件之间相对位置的变化，获取手术路径，获取方法简单易操作，同时实现了对手术路径的精准规划。

Description

手术路径规划方法、装置及自动植牙系统

技术领域

本发明涉及口腔治疗设备技术领域，尤其涉及一种手术路径规划方法、装置及自动植牙系统。

背景技术

口腔种牙手术是在狭小空间内的精密操作，由于口腔的非直视环境以及医生缺乏经验等因素，造成手术的失败率较高。因此国内外相继开展了口腔种植机器人的相关研究，利用手术机器人精准、灵活、微创等特点，提高种植精度与效果。

在使用机器人进行种牙操作的过程中一个关键的步骤是要控制机械臂从合适的初始位置开始运动到患者口内种植初始位置，即控制合理的手术路径，这一过程要避免机器人与外界环境(患者)发生碰撞，且机器人进出口的过程会在手术中进行多次。

然而，在利用机器人进行实际的植牙操作过程中，通常依赖于使用机器人的医生的个人经验，机器人本身对于手术路径并不能做出良好的规划，从而造成机器人使用门槛高以及手术效率低下的问题。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种手术路径规划方法、装置及自动植牙系统。

本发明提供一种手术路径规划方法，包括：获取在移动终端沿预设路径运动时安装在所述移动终端上的第一视觉标记件的位置与安装在患者颌骨上的第二视觉标记件的位置；基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置；基于所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，获取手术路径。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，所述预设路径的起始点为植牙点，终止点为口腔外，所述移动终端从所述起始点到所述终止点沿所述预设路径运动。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，所述基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，具体包括：基于所述第一视觉标记件的位置建立第一视觉标记坐标系，基于所述第二视觉标记件的位置建立第二视觉标记坐标系，计算所述第一视觉标记坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；所述第一视觉标记件相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

所述第二视觉标记件相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系,

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，所述方法还包括：基于钻尖的位置和所述第一视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第一相对位置；基于所述钻尖的第一相对位置与所述第二视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第二相对位置；基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，所述基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径，具体包括：基于所述钻尖的位置与所述第一视觉标记件的位置，建立钻尖坐标系和第一视觉标记坐标系，计算所述钻尖坐标系与所述第一视觉标记坐标系之间的转换矩阵，以及，计算所述钻尖坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；所述钻头相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

所述钻尖相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系，

表示钻尖坐标系，

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

本发明还提供一种手术路径规划装置，包括：视觉标记件、视觉定位导航传感器以及工控机，所述视觉定位导航传感器用于采集所述视觉标记件的位置信息，并将所述位置信息发送给工控机；所述工控机用于处理所述位置信息，获取手术路径。

根据本发明提供的一种手术路径规划装置，所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件为反光球和/或反光片。

本发明还提供一种自动植牙系统，包括：手术机器人、机器人控制器以及手术路径规划装置，所述机器人控制器接收所述手术路径规划装置的指令，并基于所述指令控制所述手术机器人运动。

本发明提供的手术路径规划方法、装置及自动植牙系统，通过在移动终端上安装第一视觉标记件，在患者颌骨上安装第二标记件，基于对第一视觉标记件和第二视觉标记件相对位置信息的采集来获取手术路径，该手术路径的获取方法简单易操作，且由此得到的手术路径具有优良的可规划性，提高了手术过程中的安全性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的附图。

图1是本发明提供的手术路径规划方法的流程示意图；

图2是本发明提供的路径规划装置的使用示意图；

图3是本发明提供的植牙系统的的结构示意图。

附图标记

1：第一视觉标记件； 2：第二视觉标记件； 3：手术机器人；

4：视觉定位导航传感器； 5：工控机； 31：机器人控制器；

32：移动终端； 321：钻头；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的手术路径规划方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：

S110，获取在移动终端沿预设路径运动时安装在所述移动终端上的第一视觉标记件的位置与安装在患者颌骨上的第二视觉标记件的位置；

S120，基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置；

S130，基于所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，获取手术路径。

需要说明的是，第一视觉标记件与第二视觉标记件用于明确移动终端与颌骨的具体位置，确保传感器可以实时追踪移动终端相对于患者颌骨的运动情况，在该过程中，安装于患者颌骨上的第二视觉标记件起到一个位置参照的作用。

在移动终端沿预设路径运动的过程中，通过传感器实现对第一视觉标记件与第二视觉标记件位置的实时追踪记录，得到移动终端的运动数据，基于移动终端的运动数据得到移动终端相对于患者颌骨的实时位置变化，即二者之间相对位置的变化情况，然后以第二视觉标记件作为参照物，得到移动终端的运动轨迹，即获取手术路径。

本发明提供的手术路径规划方法，通过在移动终端上安装第一视觉标记件，在患者颌骨上安装第二标记件，基于对第一视觉标记件和第二视觉标记件相对位置信息的采集来获取手术路径，该手术路径的获取方法简单易操作，且由此得到的手术路径具有优良的可规划性，提高了手术过程中的安全性与可靠性。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，在本发明中，所述预设路径的起始点为植牙点，终止点为口腔外，所述移动终端从所述起始点到所述终止点沿所述预设路径运动。

需要说明的是，在本发明中，通过记录移动终端沿预设路径的运动过程实现对于手术路径的获取，对于手术路径的获取过程本质上是一个对于预设手术路径的记录过程，即手术路径的获取实际上是预设路径的再现，所以在该过程中，预设路径设定的优劣基本决定了最终获取的手术路径的质量。

预设路径的设定分为两种：①起始点为口腔外，终止点为植牙点，即进口腔路径；②起始点为植牙点，终止点为口腔外，即出口腔路径；当人工将移动终端从口腔外拉到植牙点的运动过程中，因为是初次进入，所以对于口腔内的情况是模糊不清的，即进口腔路径是一个路径寻找和路径修正的叠加过程；当将移动终端最终拉到植牙点后，再将移动终端从植牙点拉出至口腔外的过程中，是一个基于初次进入口腔经验的基础上的返回过程，相比于进口腔路径，出口腔路径更为明确清晰化，而对于移动终端的移动过程也避免了盲目性。

本发明提供的手术路径规划方法，在对预设路径的设定过程中，通过将植牙点作为起始点，口腔外作为终止点对预设路径进行规划，即将出口腔路径作为预设路径，基于此可以确保预设路径的准确性与稳定性，最终提高手术路径规划的可靠性与安全性。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，在本发明中，所述基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，具体包括：基于所述第一视觉标记件的位置建立第一视觉标记坐标系，基于所述第二视觉标记件的位置建立第二视觉标记坐标系，计算所述第一视觉标记坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；所述第一视觉标记件相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

所述第二视觉标记件相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系,

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

需要说明的是，

均为齐次矩阵，第一视觉标记件和第二视觉标记件的位置均可采用齐次矩阵表示，基于第一视觉标记件的位置可以建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件的位置可以建立第二视觉标记坐标系，利用转换矩阵

可以将第一视觉标记坐标系下的坐标转换为第二视觉标记坐标系下的坐标，而利用转换矩阵

可以将第二视觉标记坐标系下的坐标转换为第一视觉标记坐标系下的坐标。

本发明提供的手术路径规划方法，通过基于第一视觉标记件的位置建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件的位置建立第二视觉标记坐标系，同时基于求得转换矩阵实现不同坐标系下的坐标转换，基于此实现对于移动终端与患者颌骨之间相对位置关系的精确表达，有利于实现对手术路径的精准获取。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，在本发明中，所述方法还包括：基于钻尖的位置和所述第一视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第一相对位置；基于所述钻尖的第一相对位置与所述第二视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第二相对位置；基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径。

需要说明的是，在在手术路径进行规划时，移动终端运动过程中，需要充分考虑到避免移动终端对患者口腔内软组织造成伤害，该伤害主要是由移动终端上的钻头所带来的，所以在本发明中，将钻头的钻尖位置作为移动终端运动过程中的关键点，具体为：基于钻尖位置和第一视觉标记件的位置获取钻尖的第一相对位置，然后基于该第一相对位置和第二视觉标记件的位置获取钻尖的第二相对位置，在移动终端运动过程中，随着钻尖位置的变化，得到第二相对位置的变化数据，第二相对位置的变化数据即钻尖相对于患者颌骨的相对位置变化数据，基于该相对位置变化数据最终得到手术路径。

本发明提供的手术路径规划方法，通过对钻尖位置的标定，依次获取钻尖的第一相对位置和第二相对位置，基于钻尖的第二相对位置变化数据得到钻尖相对于患者颌骨的相对位置变化情况，然后基于该相对位置变化情况最终得到手术路径，对钻尖的位置变化情况进行了准确描述，有利于确保移动终端移动过程中的安全可靠性，避免造成对患者口腔内软组织的伤害。

根据本发明提供的一种手术路径规划方法，在本发明中，所述基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径，具体包括：基于所述钻尖的位置与所述第一视觉标记件的位置，建立钻尖坐标系和第一视觉标记坐标系，计算所述钻尖坐标系与所述第一视觉标记坐标系之间的转换矩阵，以及，计算所述钻尖坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；所述钻头相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

所述钻尖相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系，

表示钻尖坐标系，

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

需要说明的是，

均为齐次矩阵，第一视觉标记件和第二视觉标记件的位置以及钻尖的位置均可采用齐次矩阵表示，基于第一视觉标记件的位置可以建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件的位置可以建立第二视觉标记坐标系，基于钻尖的位置可以建立钻尖坐标系，利用转换矩阵

可以将钻尖坐标系下的坐标转换为第一视觉标记坐标系下的坐标，而利用转换矩阵

可以将钻尖坐标系下的坐标转换为第二视觉标记坐标系下的坐标。

本发明提供的手术路径规划方法，通过基于第一视觉标记件的位置建立第一视觉标记坐标系，基于第二视觉标记件的位置建立第二视觉标记坐标系，基于钻尖的位置建立钻尖坐标系，同时基于求得的转换矩阵实现不同坐标系下的坐标转换，基于此实现对于钻尖与患者颌骨之间相对位置关系的精确表达，有利于实现对手术路径的精准获取，同时有利于避免钻尖对患者口腔内软组织的伤害，提高路径规划的安全性与可靠性。

图2是本发明提供的路径规划装置的使用示意图，如图2所示，所述手术路径规划装置，包括：第一视觉标记件1、第二视觉标记件2；其中，第一视觉标记件1安装于移动终端32上，第二视觉标记件2安装于患者颌骨上，分别用于实现对移动终端32和患者颌骨的位置标定，移动终端32上安装有钻头321，且钻头321可按需更换；该手术路径规划装置还包括：视觉定位导航传感器以及工控机，视觉定位导航传感器用于采集视觉标记件的位置信息，并将采集到的位置信息发送给工控机；工控机用于处理接收到的位置信息，基于位置信息得到最终的手术路径。

本发明提供的手术路径规划装置，通过在移动终端上安装第一视觉标记件，在患者颌骨上安装第二标记件，利用视觉定位导航传感器对第一视觉标记件和第二视觉标记件相对位置信息的采集来获取位置信息，并将该位置信息发送给工控机，经由工控机对位置信息的处理最终得到手术路径，该手术路径的获取方法简单易操作，且由此得到的手术路径具有优良的可规划性，提高了手术过程中的安全性与可靠性。

根据本发明提供的一种手术路径规划装置，在本发明中，所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件为反光球和/或反光片。

本发明提供的手术路径规划装置，通过以反光球或反光片作为视觉标记件，有效起到示踪作用，有利于视觉定位导航传感器快速对标记件所处位置进行定位获取。

图3是本发明提供的植牙系统的的结构示意图，如图3所示，所述植牙系统包括：第一视觉标记件1、第二视觉标记件2、手术机器人3，视觉定位导航传感器4以及工控机5，其中手术机器人3包括机器人控制器31和移动终端32；工控机5分别与视觉定位导航传感器4和手术机器人3电连接，且工控机5接收视觉定位导航传感器4发送的有关于第一视觉标记件1和第二视觉标记件2的位置信息，对上述位置信息处理后得到手术路径并将该该手术路径发送到机器人控制器31，使机器人控制器31基于该手术路径信息对机器人移动终端32进行控制，即控制移动终端32沿规划好的手术路径进行运动。

需要说明的是，视觉定位导航传感器4的镜头朝向手术区域，以测量第一视觉标记件1和第二视觉标记件2的位置，视觉定位导航传感器4固定在手术操作区域的范围内。视觉定位导航传感器4将被摄取目标转换成图像信号，再根据像素分布和亮度、颜色等信息。将这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如目标的位置。

本发明提供的植牙系统，通过路径规划装置获取手术路径，并将该手术路径信息发送到机器人控制器，控制器基于该路径信息对移动终端进行控制，使移动终端沿规划好的手术路径进行运动，基于此提高了利用机器人进行植牙手术的可靠性和安全性，同时确保了植牙系统的自动化能力。

本发明还提供一种手术路径规划方法，具体步骤如下：

Step1，初始时医生通过拖动示教等方式将移动终端拖拽到患者口内适当位置，移动终端可以为种植手机；

Step2，进一步，可以通过视觉反馈控制将机器人调整至术前规划好的口内精准种植起始点，即植牙点；

Step3，植牙点位置确定后，开启路径录制功能，医生通过拖动示教等方式将手术机器人末端执行器从患者口内拖出，拖到口外合适位置后关闭路径录制，并对路径进行保存。

Step4，后续机器人执行进出口操作时，可以沿着Step3记录下的路径安全、准确的从口外进入种植起点位置或者从口内移出到口外。

需要说明的是，开启路径录制功能后，工控机内的控制程序以一定的频率(如每隔10ms)去采集并计算种植手机上视觉标记相对于患者口腔颌骨上视觉标记的相对运动路径及轨迹，然后将这一信息存储在工控机的存储设备中。需要机器人复现运动路径时，工控机内的控制程序将读入之前保存的路径信息，标定好种植手机与视觉标记坐标系之间的空间位置关系后，可以将视觉标记坐标系下的相对路径转换到种植手机坐标系下，先控制机器人运动到口外初始位置，然后依次通过路径点运动到患者口内种植起始点。

如果以种植手机上的视觉标记为运动控制基准，那么当种植手机更换不同长度的钻头时可能会发生钻头与患者口腔牙齿或软组织发生碰撞的问题。为了避免这种情况，本发明中以钻头尖端作为运动控制的基准，后续更换钻头进行进出口操作时，程序会自动计算并施加一个偏移，始终保持钻头尖端相对患者口腔颌骨的运动路径一致。

录制的路径上某一采样时刻种植手机上视觉标记坐标系V₁相对于患者口腔视觉标记V₂坐标系的位置姿态可由齐次矩阵

表示。初始时钻头相对于视觉标V₁的空间位置姿态由矩阵

表示，更换钻头后复现路径时钻头尖端位置姿态相对于手术器械上的视觉标记V₁'可表示为

钻头与种植手机上视觉标记坐标系的相对位置关系可通过对种植手机的标定获得，即矩阵

与

均为可确定的已知量。

为了保证机器人沿着初始时录制的路径进出口时，路径点上不同长度手术器械的尖端位置姿态都要与初始时保持一致，即

与

相等，具体为：

为了保证尖端路径一致，后续进出口时视觉标记V₁'相对于患者口腔视觉标记V₂应该处于的姿态为：

根据坐标变换关系可将视觉坐标系下描述的路径点位置姿态信息转换到机器人坐标系下，控制机器人沿着录制好的钻头尖端轨迹进入患者口内或退出。

本发明提供的手术路径规划方法，通过在种植手机上安装第一视觉标记件，在患者颌骨上安装第二标记件，基于对第一视觉标记件和第二视觉标记件相对位置信息的采集来获取手术路径，该手术路径的获取方法简单易操作，且由此得到的手术路径具有优良的可规划性，提高了手术过程中的安全性与可靠性，同时充分考虑到钻头更换前后钻头尖端位置的变化，以钻头尖端作为手术路径规划过程中的基准点，进一步提高了所得到的手术路径的安全性与可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种手术路径规划方法，其特征在于，包括：

获取在移动终端沿预设路径运动时安装在所述移动终端上的第一视觉标记件的位置与安装在患者颌骨上的第二视觉标记件的位置；

基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置；

基于所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，获取手术路径。

2.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述预设路径的起始点为植牙点，终止点为口腔外，所述移动终端从所述起始点到所述终止点沿所述预设路径运动。

3.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述基于所述第一视觉标记件的位置与所述第二视觉标记件的位置，得到所述移动终端与所述颌骨在所述移动终端沿所述预设路径运动时的相对位置，具体包括：

基于所述第一视觉标记件的位置建立第一视觉标记坐标系，基于所述第二视觉标记件的位置建立第二视觉标记坐标系，计算所述第一视觉标记坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；

所述第一视觉标记件相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

所述第二视觉标记件相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系,

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

4.根据权利要求1所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于钻尖的位置和所述第一视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第一相对位置；基于所述钻尖的第一相对位置与所述第二视觉标记件的位置，获取所述钻尖的第二相对位置；

基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径。

5.根据权利要求4所述的手术路径规划方法，其特征在于，所述基于所述钻尖的第二相对位置，获取所述手术路径，具体包括：

基于所述钻尖的位置与所述第一视觉标记件的位置，建立钻尖坐标系和第一视觉标记坐标系，计算所述钻尖坐标系与所述第一视觉标记坐标系之间的转换矩阵，以及，计算所述钻尖坐标系与所述第二视觉标记坐标系之间的转换矩阵；

所述钻头相对于所述第一视觉标记件的转换矩阵为：

所述钻尖相对于所述第二视觉标记件的转换矩阵为：

其中，V表示视觉坐标系，V₁表示第一视觉标记坐标系，V₂表示第二视觉标记坐标系，

表示钻尖坐标系，

表示第一视觉标记件在视觉坐标系中的位置，

表示第二视觉标记件在视觉坐标系中的位置。

6.一种应用如权利要求1至5中任一项所述手术路径规划方法的手术路径规划装置，其特征在于，包括：

视觉标记件、视觉定位导航传感器以及工控机，所述视觉定位导航传感器用于采集所述视觉标记件的位置信息，并将所述位置信息发送给工控机；所述工控机用于处理所述位置信息，获取手术路径。

7.根据权利要求6所述的手术路径规划装置，其特征在于，所述第一视觉标记件和所述第二视觉标记件为反光球和/或反光片。

8.一种包含如权利要求6所述手术路径规划装置的自动植牙系统，其特征在于，包括：手术机器人、机器人控制器以及手术路径规划装置，所述机器人控制器接收所述手术路径规划装置的指令，并基于所述指令控制所述手术机器人运动。

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