CN113855287A - 一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法 - Google Patents

一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法，机器人包含机器人装置、CT成像装置、相机、控制装置、支撑装置；机器人装置包含基座、脚踏器、机械臂，基座安装于支撑装置的一侧，脚踏器控制连接机械臂，机械臂上安装有种植手机或种植钻针；CT成像装置包含射线源、探测器、旋转机架，旋转机架安装于支撑装置的一侧，射线源、探测器安装于旋转机架两侧的内壁；探测器、相机分别与控制装置连接进行数据交互，控制装置分别控制连接机械臂、射线源、探测器、相机、支撑装置；控制装置内置有用于依据探测器、相机获取并由控制装置处理后得到的数据进行精度评估的精度评估模块；控制方法包含步骤A1‑A10。

Description

一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法
技术领域
本发明涉及口腔种植机器人领域，具体涉及一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法。
背景技术
当前，为了提高口腔种植手术精度，缩短手术时间，出现一些基于手术导航系统引导的种植机器人，这些系统通过视觉导航设备，跟踪固定连接在牙齿或手术器械上的基准标记物，间接获取手术器械与口腔种植点的位姿，进而控制机器人按照术前规划好的路径，执行种植手术，手术结束后，再通过扫描设备离线扫描获取口腔影像，医生根据影像数据确定种植手术是否成功，整个系统的种植手术精度完全依赖于导航系统，由于种植点位姿等数据都是通过导航系统间接转换得到的，存在累积误差，因此一定程度上将影响种植精度；
因此需要一种在线直接自动评估种植精度的口腔种植手术机器人，将扫描系统与导航系统、机器人系统集成在一起，当种植手术结束或进行到关键阶段时，通过扫描系统在线扫描，直接获取口腔影像数据，并通过算法自动分析种植精度，当种植精度不符合要求时，根据扫描数据控制机器人按照术前规划好的路径，执行种植手术，以此来进一步提高口腔种植机器人系统精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，本发明还提供一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，能够将机器人装置、CT成像装置、相机集成在一起，在线扫描直接获得三维CT影像数据，并自动评估种植精度，提高种植效率；通过CT成像装置扫描所获得的种植体等位置数据都是通过影像数据直接获取的，提高数据精度，用以解决现有技术导致的缺陷。
为解决上述技术问题本发明提供以下的技术方案：
第一方面，一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，包含机器人装置、CT成像装置、相机、控制装置、支撑装置；
所述机器人装置包含基座、脚踏器以及安装于所述基座顶部的机械臂，所述基座安装于支撑装置的一侧，所述脚踏器控制连接所述机械臂，所述机械臂6是自由度机械臂，所述机械臂的末端法兰安装有种植手机或种植钻针；
所述CT成像装置包含射线源、探测器、旋转机架，所述旋转机架安装于所述支撑装置近所述支撑装置放置头部的一侧，所述射线源、所述探测器安装于所述旋转机架两侧的内壁，所述旋转支架转动用以完成CT扫描，所述旋转机架的底部安装有轨道，所述旋转机架可沿轨道移动以提高手术的效率；
所述探测器、所述相机分别与所述控制装置连接进行数据交互，所述控制装置分别控制连接所述机械臂、所述射线源、所述探测器、所述相机、所述支撑装置，所述控制装置内置有用于依据所述探测器获取并由所述控制装置处理后得到的数据进行精度评估的精度评估模块；
所述相机实时检测基准标记物、所述种植手机或所述种植钻针并将术中基准标记物、所述机械臂、所述术前CT图像数据统一坐标系，通过对术前及术中基准标记物进行识别、配准或匹配，实现术前CT图像与术中基准标记物统一坐标系；
统一坐标系后，通过相机实时检测基准标记物、所述种植手机或所述种植钻针的位姿，可同时转换到术前三维CT图像空间或转换到机械臂空间中。前者可用于实时可视化种植手机与术前规划路径、种植体等之间的相对位姿关系，给医生或助手提供参考建议；后者可用于控制所述机械臂及所述种植手机或所述种植钻针自动调整位姿，执行种植操作；
为了与在线CT扫描确认种植手术精度相配合，患者的所述支撑装置需尽可能小，以避免与所述CT成像装置的所述旋转机架发生碰撞或干涉，患者的所述支撑装置靠近CT扫描部分可采用碳纤维材质。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，所述控制装置包含微处理器、图像识别模块、图像分析模块，所述精度评估模块内置于所述微处理器；
所述微处理器用于发送成像指令至所述射线源、所述探测器、所述相机、所述支撑装置，驱动所述旋转机架平移与旋转已完成扫描、还用于接收所述探测器传输的三维CT图像数据、所述相机传输的拍摄图像数据，并将所述三维CT图像数据据传输至所述图像识别模块、所述图像分析模块、所述精度评估模块，所述微处理器还用于将所述相机传输的拍摄图像数据传输至所述图像识别模块、所述图像分析模块；
所述图像识别模块用于对所述三维CT图像数据与所述相机传输的拍摄图像数据进行识别并生成传输至所述微处理器的图像识别数据；
所述图像分析模块用于对所述三维CT图像数据与所述相机传输的拍摄图像数据进行分析并生成传输至所述微处理器的图像分析数据；
所述精度评估模块根据所述三维CT图像数据进行评估得到传输至所述微处理器的精度评估数据；
所述微处理器依据所述图像识别数据、所述图像分析数据来控制所述机械臂工作，所述微处理器通过制定手术术前规划来控制手术机械臂工作，根据所述脚踏器与连接所述微处理器的控制面板来控制所述机械臂，根据所述控制面板来控制所述射线源、所述探测器、所述旋转机架、所述相机、所述支撑装置，所述微处理器主要由一个或多个计算工作站组成，也可以为多个微处理单元，是各子系统的控制和运算中枢，也是术前规划、术中操作和人机交互的主要部分，每个所述计算工作站或所述微处理单元，所述微处理器外连接显示器，用于显示影像数据和手术方案。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，所述相机为双目相机或单目相机，所述双目相机或单目相机用于检测并识别基准标记物，间接计算种植手机及口腔种植点位姿，所述双目相机或单目相机采用近红外动态跟踪测量系统，近红外波段为850nm，用于检测并识别基准标记物，基准标记物采用表面涂有反射性材料的圆形标记点或主动发光标记点；
所述微处理器通过分割、模板匹配等算法自动识别所述三维CT图像数据中种植手机或种植钻针、种植体等并计算出相应的位姿；
所述支撑装置为牙科治疗椅；
所述CT成像装置可采用锥形束CT成像装置、螺旋CT成像装置、B型臂CT成像装置、O型臂CT成像装置任意一种替换；
所述微控制器可对术中采集的三维CT图像数据与术前规划的CT图像进行配准，也可对术中相机获取的基准标志物与术前规划时的CT图像数据进行配准，从而将规划方案叠加显示到术中采集的实时图像上；由于患者在术前和术中的咬合程度可能不同，上下颌骨的相对位置和角度会发生变化，因此，在配准前，需要对上下颌骨进行图像分割，然后只对需要做手术的上颌骨或下颌骨单独进行图像配准；
所述微控制器将图像重建、头颅解剖结构识别、种植体识别和逻辑判断在统一调度下进行，数据传输以内存复制的形式进行，节省了数据传输和运算的时间；不同模块共用计算资源，也节省了手术室空间和成本。
第二方面，一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，包含以下步骤：
步骤A1:患者牙齿上佩戴多个基准标记物，优选为两个，所述CT成像装置扫描口腔获得术前的基准三维CT图像数据，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤A2:所述CT成像装置扫描种植体获得种植体三维CT图像数据，作为种植体模板；
步骤A3:利用基准三维CT图像数据规划确定种植方案，并将种植体模板虚拟植入到基准影像中；
步骤A4:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A5:对机械臂和相机进行位置标定，统一坐标系；
步骤A6:相机实时获取基准标记物位姿；
步骤A7:根据实时获取的基准标记物位姿计算种植位姿并转换到机械臂空间；
步骤A8:根据种植方案、种植区域的位姿以及机械臂当前位姿控制种植手机或种植钻针移动到种植区域；
步骤A9:相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，控制装置控制机械臂进行手动模式或自动模式的种植操作；
步骤A10:种植手术结束或进行到关键阶段时，所述CT成像装置扫描获得种植三维CT影像，自动评估种植精度，当不满足种植精度要求时，将通过影像数据直接获取到的位置数据反馈给微控制器，微控制器控制机械臂按照术前规划要求调整种植手机或种植钻针的位姿，直到满足种植精度要求为止；
步骤A1和步骤A10扫描的都是患者口腔数据；
步骤A1是在术前进行扫描，一般扫描一次即可，本技术方案中称为基准影像数据；
步骤A10是在术中或术后进行扫描，可能会扫描多次。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，所述种植方案包含种植位置数据、种植角度数据、种植深度数据、位置路径数据。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A9中的自动模式包含以下步骤：
步骤B1:术中相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤B2:实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤B3:机械臂控制种植手机或种植钻针自动调整位姿，执行种植操作；
步骤B4:操作者通过控制面板和脚踏控制、调整手术进程。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A9中的手动模式包含以下步骤：
步骤C1:术中相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤C2:实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤C3:操作者通过手动控制机械臂，调整姿态，完成种植操作。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A10的具体步骤如下：
步骤D1:种植手术结束或进行到关键阶段时，CT扫描直接获得三维CT影像，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤D2:将获取的上颌骨或下颌骨影像数据与上颌骨或下颌骨基准数据进行配准；
步骤D3:利用种植体模板分别在实时获取的影像数据(术中或术后实时对患者口腔扫描得到的数据)以及含虚拟种植体的基准影像数据中进行模板匹配，找到种植体；
步骤D4:根据虚拟种植体与实际种植体的位置与角度的偏差控制机械臂调整种植手机或种植体的位姿，按照术前规划的方案执行种植手术，若偏差很小，达到种植精度要求，则表示种植手术成功。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A6中还包含依据所述相机实时获取的基准标记物位姿进行防脱落检测。
本发明提供的技术方案可在种植手术结束时，在线扫描直接获得三维CT影像，通过分割、模板匹配等算法，获取CT图像中的种植体位置，与术前规划的种植体位置做比较，并分析种植体与各解剖结构的位置关系，以此自动评估种植精度，同时，也可在手术进行到关键阶段时，直接获取CT图像中种植手机与种植点相对位姿，避免通过导航设备间接获取数据，以此提高手术精度。
第三方面，一种计算机可读介质，其中，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第二方面中任一项所述的方法。
本发明提供的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法提供的技术方案具有以下技术效果：
将机器人装置、CT成像装置、相机集成在一起，在线扫描直接获得三维CT影像数据，并自动评估种植精度，提高种植效率；通过CT成像装置扫描所获得的种植体等位置数据都是通过影像数据直接获取的，提高数据精度。
附图说明
图1为本发明一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的结构示意图；
图2为本发明一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制结构示意图；
图3为本发明一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法的示意图；
图4为本发明一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法的具体流程图。
其中，附图标记如下：
机器人装置100、机械臂101、基座102、脚踏器103、CT成像装置200、射线源201、探测器202、旋转机架203、轨道204、相机300、控制装置400、支撑装置500、微处理器401、图像识别模块402、图像分析模块403、精度评估模块404。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的第一实施例是提供一种评估种植精度的口腔种植手术机器人，目的是将机器人装置、CT成像装置、相机集成在一起，在线扫描直接获得三维CT影像数据，并自动评估种植精度，提高种植效率；通过CT扫描所获得的种植体等位置数据都是通过影像数据直接获取的，提高数据精度。
如图1所示，第一方面，第一实施例，一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，包含机器人装置100、CT成像装置200、相机300、控制装置400、支撑装置500；
机器人装置100包含基座102、脚踏器103以及安装于基座102顶部的机械臂101，基座102安装于支撑装置500的一侧，脚踏器103控制连接机械臂101，机械臂101是6自由度机械臂101，机械臂101的末端法兰安装有种植手机或种植钻针；
CT成像装置200包含射线源201、探测器202、旋转机架203，旋转机架203安装于支撑装置500近支撑装置500放置头部的一侧，射线源201、探测器202安装于旋转机架203两侧的内壁，旋转支架转动用以完成CT扫描，旋转机架203的底部安装有轨道204，旋转机架203可沿轨道204移动以提高手术的效率；
探测器202、相机300分别与控制装置400连接进行数据交互，控制装置400分别控制连接机械臂101、射线源201、探测器202、相机300、支撑装置500，控制装置400内置有用于依据探测器202、相机300获取并由控制装置400处理后得到的数据进行精度评估的精度评估模块404；
相机300实时检测基准标记物、种植手机或种植钻针进行标定并将术中基准标记物、机械臂101、术前CT图像数据统一坐标系，通过对术前及术中基准标记物进行识别、配准或匹配，实现术前CT图像与术中基准标记物统一坐标系；
统一坐标系后，通过相机300实时检测基准标记物、种植手机或种植钻针的位姿，可同时转换到术前三维CT图像空间或转换到机械臂101空间中。前者可用于实时可视化种植手机与术前规划路径、种植体等之间的相对位姿关系，给医生或助手提供参考建议；后者可用于控制机械臂101及种植手机或种植钻针自动调整位姿，执行种植操作；
为了与在线CT扫描确认种植手术精度相配合，患者的支撑装置500需尽可能小，以避免与CT成像装置200的旋转机架203发生碰撞或干涉，患者的支撑装置500靠近CT扫描部分可采用碳纤维材质。
如图2所示，上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，控制装置400包含微处理器401、图像识别模块402、图像分析模块403，精度评估模块404内置于微处理器401；
微处理器401用于发送成像指令至射线源201、探测器202、相机300、支撑装置500，驱动旋转机架203平移与旋转已完成扫描、还用于接收探测器202传输的三维CT图像数据、相机300传输的拍摄图像数据，并将三维CT图像数据传输至图像识别模块402、图像分析模块403、精度评估模块404，微处理器401还用于将相机传输的拍摄图像数据传输至图像识别模块206、图像分析模块403；
图像识别模块402用于对三维CT图像数据与相机传输的拍摄图像数据进行识别并生成传输至微处理器401的图像识别数据；
图像分析模块403用于对三维CT图像数据与相机传输的拍摄图像数据进行分析并生成传输至微处理器401的图像分析数据；
精度评估模块404根据三维CT图像数据进行评估得到传输至微处理器401的精度评估数据；
微处理器401依据图像识别数据、图像分析数据来控制机械臂101工作，微处理器401通过制定手术术前规划来控制手术机械臂101工作，根据脚踏器103与连接微处理器401的控制面板来控制机械臂101，根据控制面板来控制射线源201、探测器202、旋转机架203、相机300、支撑装置500，微处理器401主要由一个或多个计算工作站组成，也可以为多个微处理单元，是各子系统的控制和运算中枢，也是术前规划、术中操作和人机交互的主要部分，每个计算工作站或微处理单元，微处理器401外连接显示器，用于显示影像数据和手术方案。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其中，相机300为双目相机或单目相机，双目相机或单目相机用于检测并识别基准标记物，间接计算种植手机及口腔种植点位姿，双目相机或单目相机采用近红外动态跟踪测量系统，近红外波段为850nm，用于检测并识别基准标记物，基准标记物采用表面涂有反射性材料的圆形标记点或主动发光标记点；
微处理器401通过分割、模板匹配等算法自动识别三维CT图像数据中种植手机或种植钻针、种植体等并计算出相应的位姿；
支撑装置500为牙科治疗椅，用于支撑患者，可能是躺姿或坐姿，对应支撑装置500的形态CT系统的形态变换，使其在手术过程中保持放松的姿态，在使用时可使用其他具有此功能的牙椅、牙床进行替换，为了与CT扫描的配合，支撑装置500需要尽可能小，以免与旋转支架203发生干涉，支撑装置500靠近旋转支架203部分可采用碳纤维材质；
CT成像装置200可采用锥形束CT成像装置、螺旋CT成像装置、B型臂CT成像装置、O型臂CT成像装置任意一种替换；
微控制器可对术中采集的三维CT图像数据与术前规划的CT图像进行配准，也可对术中相机300获取的基准标志物与术前规划时的CT图像数据进行配准，从而将规划方案叠加显示到术中采集的实时图像上；由于患者在术前和术中的咬合程度可能不同，上下颌骨的相对位置和角度会发生变化，因此，在配准前，需要对上下颌骨进行图像分割，然后只对需要做手术的上颌骨或下颌骨单独进行图像配准；
微控制器将图像重建、头颅解剖结构识别、种植体识别和逻辑判断在统一调度下进行，数据传输以内存复制的形式进行，节省了数据传输和运算的时间；不同模块共用计算资源，也节省了手术室空间和成本。
如图3-4所示，第二方面，第二实施例，一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，采用第一方面的一种评估种植精度的口腔种植手术机器人进行评估种植精度的口腔种植方法包含以下步骤：
步骤A1:患者牙齿上佩戴多个基准标记物，优选为两个，CT成像装置200扫描口腔获得术前的基准三维CT图像数据，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤A2:CT成像装置200扫描种植体获得种植体三维CT图像数据，作为种植体模板；
步骤A3:利用基准三维CT图像数据规划确定种植方案，并将种植体模板虚拟植入到基准影像中；
步骤A4:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A5:对机械臂101和相机300进行位置标定，统一坐标系；
步骤A6:相机300实时获取基准标记物位姿；
步骤A7:根据实时获取的基准标记物位姿计算种植位姿并转换到机械臂101空间；
步骤A8:根据种植方案、种植区域的位姿以及机械臂101当前位姿控制种植手机或种植钻针移动到种植区域；
步骤A9:相机300实时获取种植手机或种植钻针的位姿，控制装置400控制机械臂101进行手动模式或自动模式的种植操作；
步骤A10:种植手术结束或进行到关键阶段时，CT成像装置200扫描获得种植三维CT影像，自动评估种植精度，当不满足种植精度要求时，将通过影像数据直接获取到的位置数据反馈给微控制器，微控制器控制机械臂101按照术前规划要求调整种植手机或种植钻针的位姿，直到满足种植精度要求为止；
步骤A1和步骤A10扫描的都是患者口腔数据；
步骤A1是在术前进行扫描，一般扫描一次即可，本技术方案中称为基准影像数据；
步骤A10是在术中或术后进行扫描，可能会扫描多次。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，种植方案包含种植位置数据、种植角度数据、种植深度数据、位置路径数据。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A9中的自动模式包含以下步骤：
步骤B1:术中相机300实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤B2:操作者实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤B3:机械臂101控制种植手机或种植钻针自动调整位姿，执行种植操作；
步骤B4:操作者通过控制面板和脚踏控制、调整手术进程。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A9中的手动模式包含以下步骤：
步骤C1:术中相机300实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤C2:实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤C3:操作者通过手动控制机械臂101，调整姿态，完成种植操作。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植方法，其中，步骤A10的具体步骤如下：
步骤D1:种植手术结束或进行到关键阶段时，CT扫描直接获得三维CT影像，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤D2:将获取的上颌骨或下颌骨影像数据与上颌骨或下颌骨基准数据进行配准；
步骤D3:利用种植体模板分别在实时获取的影像数据(术中或术后实时对患者口腔扫描得到的数据)以及含虚拟种植体的基准影像数据中进行模板匹配，找到种植体；
步骤D4:根据虚拟种植体与实际种植体的位置与角度的偏差控制机械臂101调整种植手机或种植体的位姿，按照术前规划的方案执行种植手术，若偏差很小，达到种植精度要求，则表示种植手术成功，当不满足种植精度要求时，通过影像数据根据直接获取到的位置数据控制机械臂101按照术前种植规划调整种植手机或种植钻针的位姿，直到满足种植精度为止。
本发明提供的技术方案可在种植手术结束时，在线扫描直接获得三维CT影像，通过分割、模板匹配等算法，获取CT图像中的种植体位置，与术前规划的种植体位置做比较，并分析种植体与各解剖结构的位置关系，以此自动评估种植精度，同时，也可在手术进行到关键阶段时，直接获取CT图像中种植手机与种植点相对位姿，避免通过导航设备间接获取数据，以此提高手术精度。
上述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A6中还包含依据相机300实时获取的基准标记物位姿进行防脱落检测，控制装置400内置有用于依据相机300获取并由控制装置400处理后得到的数据进行防脱落检测的防脱落检测模块，微处理器401将拍摄图像数据传输至防脱落检测模块，防脱落检测模块用于依据拍摄图像数据进行防脱落检测得到传输至微处理器401的防脱落检测数据；
步骤A6的具体步骤如下：
步骤E1:在患者牙齿上佩戴多个基准标记物并躺在支撑装置500上保持放松姿态，基准标记物优选为2个，扫描获得术前基准三维CT图像数据，并分割成上颌骨影像数据和下颌骨影像数据；
步骤E2:以任意某时刻为初始状态，控制相机300获取初始状态下两个基准标记物的位姿T01,T02及基准标记物两两之间的相对位姿
Figure BDA0003309699670000101
其中：
Figure BDA0003309699670000102
步骤E3:设定2个基准标记物的合理运动范围，合理运动范围为运动位置范围ΔX,ΔY,ΔZ和方向范围ΔΦ,ΔΘ,ΔΨ；
步骤E4:设定两两基准标记物间的位姿相对变化阈值，位姿相对变化阈值为位置阈值ΔX',ΔY',ΔZ'和方向阈值ΔΦ',ΔΘ',ΔΨ'；
步骤E5:相机300实时检测两个基准标记物的位姿T1,T2；
步骤E6:判断实时检测到的基准标记物位姿Ti(i＝1,2)是否都在上述设定的合理运动范围内；
Figure BDA0003309699670000111
Figure BDA0003309699670000112
步骤E7:判断两两基准标记物之间的相对位姿
Figure BDA0003309699670000113
是否发生较大变化；
Figure BDA0003309699670000114
步骤E8:根据步骤E6和E7判断结果，确定防脱落检测数据；
若防脱落检测数据在合理范围内，则进行步骤A7-A10；
若防脱落检测数据超出合理范围，则暂停手术，并给出报警信息。
第三方面，第三实施例，一种计算机可读介质，其中，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第二方面中任一项的方法。
综上，本发明的一种评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法，能够将机器人装置、CT成像装置、相机集成在一起，在线扫描直接获得三维CT影像数据，并自动评估种植精度，提高种植效率；通过CT扫描所获得的种植体等位置数据都是通过影像数据直接获取的，提高数据精度。
以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换，这并不影响发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其特征在于，包含机器人装置、CT成像装置、相机、控制装置、支撑装置；
所述机器人装置包含基座、脚踏器以及安装于所述基座顶部的机械臂，所述基座安装于支撑装置的一侧，所述脚踏器控制连接所述机械臂，所述机械臂上安装有种植手机或种植钻针；
所述CT成像装置包含射线源、探测器、旋转机架，所述旋转机架安装于所述支撑装置近所述支撑装置放置头部的一侧，所述射线源、所述探测器安装于所述旋转机架两侧的内壁；
所述探测器、所述相机分别与所述控制装置连接进行数据交互，所述控制装置分别控制连接所述机械臂、所述射线源、所述探测器、所述相机、所述支撑装置；
所述控制装置内置有用于依据所述探测器获取并由所述控制装置处理后得到的数据进行精度评估的精度评估模块。
2.如权利要求1所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其特征在于，所述控制装置包含微处理器、图像识别模块、图像分析模块，所述精度评估模块内置于所述微处理器；
所述微处理器用于发送成像指令至所述射线源、所述探测器、所述相机、所述支撑装置，还用于接收所述探测器传输的三维CT图像数据、所述相机传输的拍摄图像数据，并将所述三维CT图像数据据传输至所述图像识别模块、所述图像分析模块、所述精度评估模块，所述微处理器还用于将所述相机传输的拍摄图像数据传输至所述图像识别模块、所述图像分析模块；
所述图像识别模块用于对所述三维CT图像数据与所述相机传输的拍摄图像数据进行识别并生成传输至所述微处理器的图像识别数据；
所述图像分析模块用于对所述三维CT图像数据与所述相机传输的拍摄图像数据进行分析并生成传输至所述微处理器的图像分析数据；
所述精度评估模块根据所述三维CT图像数据评估得到传输至所述微处理器的精度评估数据；
所述微处理器依据所述图像识别数据、所述图像分析数据来控制所述机械臂工作。
3.如权利要求2所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人，其特征在于，所述相机为双目相机或单目相机；
所述支撑装置为牙科治疗椅；
所述CT成像装置可采用锥形束CT成像装置、螺旋CT成像装置、B型臂CT成像装置、O型臂CT成像装置任意一种替换。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤A1:所述CT成像装置扫描口腔获得术前的基准三维CT图像数据，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤A2:所述CT成像装置扫描种植体获得种植体三维CT图像数据，作为种植体模板；
步骤A3:利用基准三维CT图像数据规划确定种植方案，并将种植体模板虚拟植入到基准影像中；
步骤A4:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A5:对机械臂和相机进行位置标定，统一坐标系；
步骤A6:相机实时获取基准标记物位姿；
步骤A7:根据实时获取的基准标记物位姿计算种植位姿并转换到机械臂空间；
步骤A8:根据种植方案、种植区域的位姿以及机械臂当前位姿控制种植手机或种植钻针移动到种植区域；
步骤A9:相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，控制装置控制机械臂进行手动模式或自动模式的种植操作；
步骤A10:种植手术结束或进行到关键阶段时，所述CT成像装置扫描获得种植三维CT影像，自动评估种植精度。
5.如权利要求4所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，所述种植方案包含种植位置数据、种植角度数据、种植深度数据、位置路径数据。
6.如权利要求5所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A9中的自动模式包含以下步骤：
步骤B1:术中相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤B2:实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤B3:机械臂控制种植手机或种植钻针自动调整位姿，执行种植操作；
步骤B4:操作者通过控制面板和脚踏控制、调整手术进程。
7.如权利要求5所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A9中的手动模式包含以下步骤：
步骤C1:术中相机实时获取种植手机或种植钻针的位姿，并在术前的基准三维CT图像数据中将当前种植手机或种植钻针的位姿与术前规划的种植路径数据和种植位置数据叠加显示，计算机根据种植手机当前位姿、术前规划路径和解剖结构给出操作建议；
步骤C2:实时观察种植手机或种植体相对于虚拟种植体和周围解剖结构之间的位置关系，在线修改种植方案；
步骤C3:操作者通过手动控制机械臂，调整姿态，完成种植操作。
8.如权利要求4所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A10的具体步骤如下：
步骤D1:种植手术结束或进行到关键阶段时，CT扫描直接获得三维CT影像，并分割成上颌骨和下颌骨影像数据；
步骤D2:将获取的上颌骨或下颌骨影像数据与上颌骨或下颌骨基准数据进行配准；
步骤D3:利用种植体模板分别在实时获取的影像数据以及含虚拟种植体的基准影像数据中进行模板匹配，找到种植体；
步骤D4:根据虚拟种植体与实际种植体的位置与角度的偏差控制机械臂调整种植手机或种植体的位姿，按照术前规划的方案执行种植手术，若偏差很小，达到种植精度要求，则表示种植手术成功。
9.如权利要求4所述的一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A6中还包含依据所述相机实时获取的基准标记物位姿进行防脱落检测。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至9任一项所述的方法。
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