CN113945589B - 一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人及控制方法 - Google Patents
一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113945589B CN113945589B CN202111213462.8A CN202111213462A CN113945589B CN 113945589 B CN113945589 B CN 113945589B CN 202111213462 A CN202111213462 A CN 202111213462A CN 113945589 B CN113945589 B CN 113945589B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- planting
- pose
- camera
- data
- drop detection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 78
- 238000002513 implantation Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000013170 computed tomography imaging Methods 0.000 claims abstract description 36
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000003550 marker Substances 0.000 claims description 39
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims description 36
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 claims description 16
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 claims description 16
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 claims description 14
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 claims description 12
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 210000000214 mouth Anatomy 0.000 claims description 5
- 210000003128 head Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 10
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 2
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003709 image segmentation Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
- G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
- G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
- A61B2034/305—Details of wrist mechanisms at distal ends of robotic arms
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Pulmonology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Robotics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Dental Prosthetics (AREA)
- Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
Abstract
本发明公开了一种带防脱落检测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近支撑装置放置头部的一侧，射线源、探测器安装于旋转机架两侧的内壁；探测器、相机与控制装置连接进行数据交互，控制装置控制连接机械臂、射线源、探测器、相机、支撑装置；控制装置内置有用于依据相机获取并由控制装置处理后得到的数据进行防脱落检测的防脱落检测模块；控制方法包含步骤A1‑A8。
Description
技术领域
本发明涉及口腔种植手术机器人领域，具体涉及一种带防脱落检测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，该位姿决定手术机器人的手术轨迹，因此位姿准确度将直接影响手术精度及安全性，导航设备通常认为基准标记物与牙齿之间始终固定连接，没有对基准标记物脱落等特殊情况进行预防，一定程度上限制了口腔种植机器人系统安全性；
因此需要一种带防脱落检测功能的口腔种植手术机器人来实时检测基准标记物是否产生脱落，即基准标记物与牙齿之间是否始终相对静止，当检测到基准标记物产生脱落时，暂停手术，并给出报警信息，以此来进一步提高口腔种植机器人系统安全性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人,本发明还提供一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，能够实时对基准标记物进行防脱落检测，提高口腔种植机器人系统安全性；机器人装置与CT成像装置一体化设计，在手术关键阶段或种植手术完成后，CT设备在线确认种植精度，提高了手术效率及精度，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，一种带防脱落检测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，所述机械臂是6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相机获取并由所述控制装置处理后得到的数据进行防脱落检测的防脱落检测模块；
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(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所述种植手机或所述种植钻针与术前规划路径、种植体等之间的相对位姿关系，给操作者提供参考建议；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)，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；
CT扫描确认可在器械末端即将到达种植位置等关键环节中多次进行，直接获取所述种植手机或所述种植钻针、种植体等相对位姿关系，而不是通过相机间接获取，因此减少干扰因素带来的误差，提高手术精度；
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。
上述的一种带防脱落检测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，所述防脱落检测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以完成扫描、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图像数据和所述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，所述微处理器还用于将所述拍摄图像数据传输至所述防脱落检测模块；
所述图像识别模块用于对所述三维CT图像数据和所述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图像数据和所述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；
所述防脱落检测模块用于依据所述拍摄图像数据进行防脱落检测得到传输至所述微处理器的防脱落检测数据；
所述微处理器依据所述图像识别数据、所述图像分析数据、所述防脱落检测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。
上述的一种带防脱落检测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的基准标记物；
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，也可以进行手动或半自动分割，允许医生手动调整识别和分割结果，并相应更新器械末端在颌骨中的位置和深度信息；
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、C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，一种带防脱落检测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: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，利用基准三维CT图像数据确定种植方案；
步骤A2:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A3:对机械臂和相机进行位置标定，统一坐标系；
步骤A4:相机实时获取基准标记物位姿并进行防脱落检测；
步骤A5: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A6: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A7: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A8:种植完成后，所述CT成像装置进行CT扫描并确认。
上述的一种带防脱落检测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。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A4的具体步骤如下：
步骤B1:在患者牙齿上佩戴多个基准标记物并躺在支撑装置上保持放松姿态，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B2:以任意某时刻为初始状态，控制相机获取初始状态下所有基准标记物的位姿T0i(i＝1,2,...)及基准标记物两两之间的相对位姿
步骤B3:设定所有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B4: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B5:相机实时检测所有基准标记物的位姿Ti；
步骤B6:判断实时检测到的基准标记物位姿Ti是否都在上述设定的合理运动范围内；
步骤B7:判断两两基准标记物之间的相对位姿是否发生较大变化；
步骤B8:根据步骤B6和B7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A5-A8；
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。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A7中的自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: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C4:操作者通过控制面板和脚踏控制、调整手术进程。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A7中的手动模式包含以下步骤：
步骤D1: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D2: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D3:操作者通过手动控制机械臂，调整姿态，完成种植操作。
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。
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。
依据上述本发明一种带防脱落检测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：
能够实时对基准标记物进行防脱落检测，提高口腔种植机器人系统安全性；机器人装置与CT成像装置一体化设计，在手术关键阶段或种植手术完成后，CT设备在线确认种植精度，提高了手术效率及精度。
附图说明
图1为本发明一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的结构示意图；
图2为本发明一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制结构示意图；
图3为本发明一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法的流程图。
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、防脱落检测模块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带防脱落检测的口腔种植手术机器人，目的是能够实时对基准标记物进行防脱落检测，提高口腔种植机器人系统安全性；机器人装置与CT成像装置一体化设计，在手术关键阶段或种植手术完成后，CT设备在线确认种植精度，提高了手术效率及精度。
如图1所示，第一方面，一种带防脱落检测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，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404；
相机300实时检测基准标记物、种植手机或种植钻针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(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或种植钻针与术前规划路径、种植体等之间的相对位姿关系，给操作者提供参考建议；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)，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；
CT扫描确认可在器械末端即将到达种植位置等关键环节中多次进行，直接获取种植手机或种植钻针、种植体等相对位姿关系，而不是通过相机300间接获取，因此减少干扰因素带来的误差，提高手术精度；
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，上述的一种带防脱落检测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，防脱落检测模块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平移与旋转以完成扫描、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图像数据和拍摄图像数据传输至图像识别模块402、图像分析模块403，微处理器401还用于将拍摄图像数据传输至防脱落检测模块404；
图像识别模块402用于对三维CT图像数据和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图像数据和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；
防脱落检测模块404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；
微处理器401依据图像识别数据、图像分析数据、防脱落检测数据来控制机械臂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。
上述的一种带防脱落检测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的基准标记物；
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，也可以进行手动或半自动分割，允许医生手动调整识别和分割结果，并相应更新器械末端在颌骨中的位置和深度信息；
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、C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所示，第二方面，一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，采用第一方面任一项一种带防脱落检测功能的口腔种植手术机器人进行防脱落检测的口腔种植方法包含以下步骤：
步骤A1:CT成像装置200扫描口腔获得术前的基准三维CT图像数据，利用基准三维CT图像数据确定种植方案；
步骤A2:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A3:对机械臂101和相机300进行位置标定，统一坐标系；
步骤A4:相机300实时获取基准标记物位姿并进行防脱落检测；
步骤A5: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A6: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A7: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A8:种植完成后，CT成像装置200进行CT扫描并确认。
上述的一种带防脱落检测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。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A4的具体步骤如下：
步骤B1: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B2: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
步骤B3:设定两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B4: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B5:相机300实时检测两个基准标记物的位姿T1,T2；
步骤B6:判断实时检测到的基准标记物位姿Ti是否都在上述设定的合理运动范围内；
步骤B7:判断两两基准标记物之间的相对位姿是否发生较大变化；
步骤B8:根据步骤B6和B7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A5-A8；
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。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A7中的自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: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C4:操作者通过控制面板和脚踏控制、调整手术进程。
上述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其中，步骤A7中的手动模式包含以下步骤：
步骤D1: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D2: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D3:操作者通过手动控制机械臂101，调整姿态，完成种植操作。
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。
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的方法。
综上，本发明的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人及控制方法，能够实时对基准标记物进行防脱落检测，提高口腔种植机器人系统安全性；机器人装置与CT成像装置一体化设计，在手术关键阶段或种植手术完成后，CT设备在线确认种植精度，提高了手术效率及精度。
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 (8)
1.一种带防脱落检测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相机获取并由所述控制装置处理后得到的数据进行防脱落检测的防脱落检测模块；
所述控制装置包含微处理器、图像识别模块、图像分析模块，所述防脱落检测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图像数据和所述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，所述微处理器还用于将所述拍摄图像数据传输至所述防脱落检测模块；
所述图像识别模块用于对所述三维CT图像数据和所述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图像数据和所述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；
所述防脱落检测模块用于依据所述拍摄图像数据进行防脱落检测得到传输至所述微处理器的防脱落检测数据；
所述微处理器依据所述图像识别数据、所述图像分析数据、所述防脱落检测数据来控制所述机械臂工作。
2.如权利要求1所述的一种带防脱落检测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、C型臂CT成像装置、O型臂CT成像装置任意一种替换。
3.一种如权利要求1或2所述的带防脱落检测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，利用基准三维CT图像数据确定种植方案；
步骤A2:对种植手机或种植钻针进行工具标定；
步骤A3:对机械臂和相机进行位置标定，统一坐标系；
步骤A4:相机实时获取基准标记物位姿并进行防脱落检测；
步骤A5: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A6: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A7：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A8:种植完成后，所述CT成像装置进行CT扫描并确认。
4.如权利要求3所述的一种带防脱落检测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。
5.如权利要求4所述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A4的具体步骤如下：
步骤B1:在患者牙齿上佩戴多个基准标记物；
步骤B2:以任意某时刻为初始状态，控制相机获取初始状态下所有基准标记物的位姿T0i(i＝1,2,...)及基准标记物两两之间的相对位姿
步骤B3:设定所有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B4: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B5:相机实时检测所有基准标记物的位姿Ti；
步骤B6:判断实时检测到的基准标记物位姿Ti是否都在上述设定的合理运动范围内；
步骤B7:判断两两基准标记物之间的相对位姿是否发生变化；
步骤B8:根据步骤B6和B7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A5-A8；
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。
6.如权利要求5所述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A7中的自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: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C4: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所述的一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人的控制方法，其特征在于，步骤A7中的手动模式包含以下步骤：
步骤D1: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D2: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D3:操作者通过手动控制机械臂，调整姿态，完成种植操作。
8.一种计算机可读介质，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7任一项所述的方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2021107607570 | 2021-07-06 | ||
| CN202110760757 | 2021-07-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113945589A CN113945589A (zh) | 2022-01-18 |
| CN113945589B true CN113945589B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=79331615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111213462.8A Active CN113945589B (zh) | 2021-07-06 | 2021-10-19 | 一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113945589B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1743594A1 (en) * | 2005-07-14 | 2007-01-17 | Yechiel Cohen | Computer-Controlled Dental Treatment System And Method |
| JP2018019772A (ja) * | 2016-08-01 | 2018-02-08 | 林 俊輔 | インプラント手術補助システムおよびインプラント手術補助方法 |
| CN108472090A (zh) * | 2015-12-29 | 2018-08-31 | 皇家飞利浦有限公司 | 用于控制外科手术机器人的系统、控制单元和方法 |
| KR20190115342A (ko) * | 2018-04-02 | 2019-10-11 | 프로텍코리아 주식회사 | 인공치근 이식용 골함요 형성장치 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080056439A1 (en) * | 2005-10-17 | 2008-03-06 | Imtec Imaging, Llc | Multi-use CT scanning apparatus |
-
2021
- 2021-10-19 CN CN202111213462.8A patent/CN113945589B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1743594A1 (en) * | 2005-07-14 | 2007-01-17 | Yechiel Cohen | Computer-Controlled Dental Treatment System And Method |
| CN108472090A (zh) * | 2015-12-29 | 2018-08-31 | 皇家飞利浦有限公司 | 用于控制外科手术机器人的系统、控制单元和方法 |
| JP2018019772A (ja) * | 2016-08-01 | 2018-02-08 | 林 俊輔 | インプラント手術補助システムおよびインプラント手術補助方法 |
| KR20190115342A (ko) * | 2018-04-02 | 2019-10-11 | 프로텍코리아 주식회사 | 인공치근 이식용 골함요 형성장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113945589A (zh) | 2022-01-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111467036B (zh) | 手术导航系统、髋臼截骨的手术机器人系统及其控制方法 | |
| US11950859B2 (en) | Navigation and positioning system and method for joint replacement surgery robot | |
| JP6718920B2 (ja) | 定位手術用の手術ロボットシステム及び定位手術用ロボットの制御方法 | |
| CN113855287B (zh) | 一种带评估种植精度的口腔种植手术机器人及控制方法 | |
| JP6678565B2 (ja) | 定位手術用の手術ロボット及び定位手術用の手術ロボットの制御方法 | |
| JP7126516B2 (ja) | 口腔および顎顔面処置の案内付き実施方法、および関連システム | |
| CN112955094B (zh) | 植牙系统及其导航方法 | |
| US11229503B2 (en) | Implant surgery guiding method | |
| CN108670462A (zh) | 一种自动种植牙机器人 | |
| CN108201470B (zh) | 一种自主式种植牙机器人系统及其设备和方法 | |
| CN111407443A (zh) | 一种用于口腔种植机器人的精确定位及智能导航方法 | |
| KR20100106308A (ko) | 로봇, 의료 작업장, 및 대상물의 표면에 영상을 투영하기 위한 방법 | |
| CN112603538A (zh) | 骨科导航定位系统及方法 | |
| US20100137881A1 (en) | Arrangement for Planning and Carrying Out a Surgical Procedure | |
| US20180185103A1 (en) | Medical treatment assisting apparatus | |
| CN112641512A (zh) | 一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法 | |
| WO2016194325A1 (ja) | 医療行為支援システム | |
| CN113945589B (zh) | 一种带防脱落检测的口腔种植手术机器人及控制方法 | |
| CN113749804B (zh) | 一种带ct成像系统的口腔种植手术机器人及其控制方法 | |
| CN209826968U (zh) | 一种手术机器人系统 | |
| KR101895369B1 (ko) | 정위수술용 수술로봇 시스템 | |
| KR20180100514A (ko) | 정위수술용 수술로봇 시스템 | |
| EP4364686A1 (en) | Motion tracking system for dental implantation | |
| CN214857401U (zh) | 一体化系统结构装置 | |
| CN114689041B (zh) | 基于二维图像的磁导航定位系统、方法及相关设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |