CN114366356B - 自主式种植牙机器人定位精度评估装置和方法 - Google Patents

自主式种植牙机器人定位精度评估装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明角度精度测量模具为半球体保证角度多样性和摆放稳固性，位移精度测量模具为正方体确保位移差标准性和摆放稳固性；种植牙机器人分别针对两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞则机器人停止执行。

Description

自主式种植牙机器人定位精度评估装置和方法
技术领域
本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种自主式种植牙机器人定位精度评估装置，以及这种自主式种植牙机器人定位精度评估装置所采用的方法。
背景技术
口腔种植手术对医生的操作精度和临床经验均有极高要求，但由于口腔操作空间狭小，口颊软硬组织存在遮挡无法直视，欲达到精准种植的难度大、过程长，而人工握持种植器械易造成操作疲劳，过程中任何微小失误和精度偏差影响远期牙齿功能和美观效果，甚至引起神经管、邻牙牙根等重要组织结构损伤。因此，种植牙机器人在国内外掀起研发热潮，以精准、快速、稳定为目标辅助医生完成口腔种植手术。
目前通用的机器人种植牙流程为：①病人佩戴带有标志的咬合夹板并完成CBCT扫描；②术前CT种植点规划；③机器人及末端标定；④CT种植点与术中实际病人种植点配准；⑤机器人执行至种植点附近；⑥机器人钻孔；和⑦机器人植入种植体。步骤①-⑤是影响种植精度的关键和基础，等价于找到机器人执行种植的起点，但现阶段暂未有一种通用、精简、标准的测试方法验证步骤①-⑤的精度，导致整体种植流程①-⑦的误差构成难以拆分量化。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其实现将验证种植牙机器人精度的流程标准化，可用于牙科种植机器人的可靠性和失效性验证。
本发明的技术方案是：这种自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其包括：角度精度测量模具、位移精度测量模具、带有碰撞检测的种植牙机器人；
角度精度测量模具为半球体，所述角度精度测量模具表面设有测量种植角度精度的若干个第一孔洞，第一孔洞的方向向量为球心指向当前孔洞圆心的向量；
位移精度测量模具为正方体，所述位移精度测量模具表面设有测量种植位移精度的若干个第二孔洞，第二孔洞方向向量为垂直于所述模具上表面的向量；第一孔洞、第二孔洞根据精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度定制，在模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点；
种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
本发明角度精度测量模具为半球体以保证角度多样性和摆放稳固性，位移精度测量模具为正方体以确保位移差标准性和摆放稳固性；种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行；因此实现将验证种植牙机器人精度的流程标准化，可用于牙科种植机器人的可靠性和失效性验证。
还提供了一种半导体激光器的封装方法，其包括以下步骤：
(1)设计角度和位移精度测量模具形状，其中角度精度测量模具为半球体，位移精度测量模具为正方体；
(2)设计角度和位移精度测量模具形状孔洞，根据不同精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度做不同的定制；
(3)设计好的模具使用环保材料进行3D打印，然后在3D打印模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点，拍摄与临床病人同等参数的CBCT扫描图像；
(4)设计测量方案，包括测试所需的计算样本量，实验过程以及量化标准；
(5)种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
附图说明
图1是根据本发明的自主式种植牙机器人定位精度评估方法的简明流程图。
图2是根据本发明的角度精度测量模具设计图。其中，(a)三维整体视图，(b)侧视图，(c)俯视图。
图3是根据本发明的位移精度测量模具设计图。其中(a)三维整体视图，(b)侧视图。
图4是根据本发明的模具孔洞设计图。其中(a)待测种植器械尺寸，(b)位移模具孔洞设计，(c)角度模具孔洞设计。
图5是根据本发明的自主式种植牙机器人定位精度评估方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1-3所示，这种自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其包括：角度精度测量模具、位移精度测量模具、带有碰撞检测的种植牙机器人；
角度精度测量模具为半球体，所述角度精度测量模具表面设有测量种植角度精度的若干个第一孔洞，第一孔洞的方向向量为球心指向当前孔洞圆心的向量；
位移精度测量模具为正方体，所述位移精度测量模具表面设有测量种植位移精度的若干个第二孔洞，第二孔洞方向向量为垂直于所述模具上表面的向量；第一孔洞、第二孔洞根据精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度定制，在模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点；
种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
本发明角度精度测量模具为半球体以保证角度多样性和摆放稳固性，位移精度测量模具为正方体以确保位移差标准性和摆放稳固性；种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行；因此实现将验证种植牙机器人精度的流程标准化，可用于牙科种植机器人的可靠性和失效性验证。
优选地，如图4所示，当种植器械直径d及种植器械长度l时，角度精度测量模具的第一孔洞直径D1为l×sinα+d，深度为h1(h1≥l)h1(h1≥l)；位移精度测量模具根据位移精度要求t，第二孔洞直径D2为d+t，深度为h2(h2≤l)。
优选地，所述角度精度测量模具、位移精度测量模具通过环保可回收树脂材料和高精度3D打印设备获得。
优选地，所述标志靶点为金属或树脂材料。
优选地，种植牙机器人包括：带光学跟踪仪和标定工具的导航设备，带主机和显示屏的导航台车，带机械臂本体和末端种植器械的机械臂。
如图1、5所示，一种自主式种植牙机器人定位精度评估方法，其包括以下步骤：
(1)设计角度和位移精度测量模具形状，其中角度精度测量模具为半球体，位移精度测量模具为正方体；
(2)设计角度和位移精度测量模具形状孔洞，根据不同精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度做不同的定制；
(3)设计好的模具使用环保材料进行3D打印，然后在3D打印模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点，拍摄与临床病人同等参数的CBCT扫描图像；
(4)设计测量方案，包括测试所需的计算样本量，实验过程以及量化标准；
(5)种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
以下详细说明本发明的具体实施例。
图1为基于自主式种植机器人定位精度评估方法流程图。分别设计角度和位移精度验证模具的外观，针对末端种植器械尺寸分别设计模具的孔洞，将设计方案通过3D打印得到模具实体，并按照上述验证步骤①-⑤完成机器人种植操作，最终评估执行结果精度。
1)测量模具外形设计
本发明包含角度和位移精度测量两种模具。如图2所示，角度测量模具为半球体以保证角度多样性和摆放稳固性，所述模具表面设有测量种植角度精度的孔洞，孔洞方向向量为球心指向当前孔洞圆心的向量；如图3所示，位移测量模具为正方体以确保位移差标准性和摆放稳固性，所述模具表面设有测量种植位移精度的孔洞，孔洞方向向量为垂直于所述模具上表面的向量。
2)测量模具孔洞设计
如图4所示，两种模具表面的孔洞可根据不同精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度做定制，具体设计方法是：已知种植器械直径d及种植器械长度l，角度精度测试模具根据种植角度精度要求α，可计算角度模具的孔洞直径D1为l×sinα+d，深度为h1(h1≥l)h1(h1≥l)；位移精度测试模具根据位移精度要求t，可计算角度模具的孔洞直径D2为d+t，深度为h2(h2≤l)。
3)模具3D打印及CBCT扫描
依据角度和位移模具设计方案，采用环保可回收树脂材料和高精度3D打印设备完成模具打印，以确保模具精度。然后，对应所述流程①，与病人佩戴带有标志的咬合夹板并完成CBCT扫描原理一致，在模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点(金属或树脂材料均可)，采用口腔CBCT机扫描模具得到CT图像，采集过程及图像分辨率与临床病人采集CBCT一致。
4)测量方案设计
根据机器人种植操作流程以及整体系统要求，设计测量过程中的计算样本量：如角度和位移模具上的每个孔洞重复试验各20次，以确保足够的样本量具有统计意义；设计量化标准：若机械臂按规划路径指定进某一个圆孔，则成功达到系统精度要求，最终测算成功次数与总测试次数占比即为可靠率；设计实验过程：每次测试实验均按所述流程重复②-⑤步骤，以保证每次测量都在模拟完整的临床种植流程。
5)机器人种植操作
机器人种植操作按所述流程②-⑤执行。对应流程②，分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度。对应流程③，使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定。对应流程④，使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准。对应流程⑤，机器人按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械(如钻头)送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
6)种植精度评估
当机器人执行完成，通过种植器械(如手机钻头)是否完全进入孔洞以评估是否达到指定精度。若完全进入孔洞则达到指定精度，若未进入或未完全进入孔洞则未达到指定精度。该精度评估方法直观有效。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其特征在于：其包括：角度精度测量模具、位移精度测量模具、带有碰撞检测的种植牙机器人；
角度精度测量模具为半球体，所述角度精度测量模具表面设有测量种植角度精度的若干个第一孔洞，第一孔洞的方向向量为球心指向当前孔洞圆心的向量；
位移精度测量模具为正方体，所述位移精度测量模具表面设有测量种植位移精度的若干个第二孔洞，第二孔洞方向向量为垂直于所述模具上表面的向量；第一孔洞、第二孔洞根据精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度定制，在模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点；
种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行。
2.根据权利要求1所述的自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其特征在于：当种植器械直径d及种植器械长度l时，角度精度测量模具的第一孔洞直径D1为l×sinα+d，深度为h1(h1≥l)h1(h1≥l)；位移精度测量模具根据位移精度要求t，第二孔洞直径D2为d+t，深度为h2(h2≤l)。
3.根据权利要求2所述的自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其特征在于：所述角度精度测量模具、位移精度测量模具通过环保可回收树脂材料和高精度3D打印设备获得。
4.根据权利要求3所述的自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其特征在于：所述标志靶点为金属或树脂材料。
5.根据权利要求4所述的自主式种植牙机器人定位精度评估装置，其特征在于：种植牙机器人包括：带光学跟踪仪和标定工具的导航设备，带主机和显示屏的导航台车，带机械臂本体和末端种植器械的机械臂。
6.自主式种植牙机器人定位精度评估方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)设计角度和位移精度测量模具形状，其中角度精度测量模具为半球体，位移精度测量模具为正方体；
(2)设计角度和位移精度测量模具形状孔洞，根据不同精度要求、种植器械管径大小及种植器械长度做不同的定制；
(3)设计好的模具使用环保材料进行3D打印，然后在3D打印模具表面粘贴不少于4个不在同一平面上的标志靶点，拍摄与临床病人同等参数的CBCT扫描图像；
(4)设计测量方案，包括测试所需的计算样本量，实验过程以及量化标准；
(5)种植牙机器人分别针对上述两种模具的CT图像规划机器人目标路径，角度测量工具中机器人的目标角度为目标孔洞圆心指向球心的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；位置测量工具中机器人的目标角度为垂直于模具上表面的向量，目标位置与目标孔洞圆心的距离为种植器械长度；使用光学跟踪仪及标定工具，完成机械臂及其前端标定；使用光学跟踪仪及标定工具，完成CT图像与实际模具的空间配准；按术前规划路径、机械臂标定及空间配准结果，将种植器械送入测量模具的孔洞中；若未进入孔洞并和模具发生碰撞，则机器人停止执行；
(6)当机器人执行完成，通过种植器械是否完全进入孔洞以评估是否达到指定精度，若完全进入孔洞则达到指定精度，若未进入或未完全进入孔洞则未达到指定精度。
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