CN114748193B - 一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法及装置 - Google Patents
一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法及装置，其中方法包括：启动机械臂的直线打孔模式；基于牙骨信息，基于确定的三个特征点，确定控制面；建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述控制面、设置于牙种植装置的钻头在图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及所述种植体的根节点在图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控。本方法精准控制种植牙备洞过程中保证钻孔的力度和垂直度以及对其钻孔的深度进行安全保护。
Description
技术领域
本发明涉及医疗控制领域，尤其是一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法及装置。
背景技术
人工种植牙又称种植义齿，它是用生物材料制成的一种仿生牙，分为植入人体颌骨内起支持固定作用的种植体(即牙根部分)和承担咀嚼作用的牙冠两部分。医生根据患者失牙后牙槽骨及颌骨的变化，选用一定形状的种植体植入颌骨内作为人造牙根，然后在其露出口腔内的种植桩上安装牙冠，获得与天然牙相似的形状及功能。即先在牙骨上打洞，打完后放入种植体，进行缝合。等到种植体长好之后，再次拆开缝合线，这次再把牙冠安装好，再次缝合长好后，拆开缝合线，固定好牙齿。
现有口腔种植牙手术导航系统中的导航装置一般是基于光学原理，能够在术中实时获取患者口腔位置信息，并与术前患者三维口腔影像数据进行配准。
即便如此，在对牙槽骨钻孔的备洞操作中，如图1所示，由种植体末端1和种植体根节点2组成了直线，从种植体末端1到种植体根节点2的方向限定为种植体规划方向，理想情况是医生会根据牙骨的骨密度、齿间关系、上下牙咬合关系、力学基础等进行种植牙规划。在牙槽骨打好的备洞孔的方向应该与种植体规划时规划种植体应该所处的位置及方向保持一致。孔的深度即所谓备洞深度应该与骨表面下种植体规划深度一致。这种一致体现在结果上是，打好的孔，放入种植体后，与规划时的种植体位置完全吻合。在第一次缝合前，打孔放入种植体的过程里，所述备洞深度是指在牙骨表面下，种植体规划方向上备洞的实际距离。无论是经验不足的牙科医生亦或是熟练的牙科医生而言，都难以精确地估计打孔深度以及控制手执式的传统牙机的操作方向。
当操作方向出了问题时，可能会发生各种不可预估的情况，可能导致种植牙后续需要重新种植，重新种植会使病人要经历几个月的牙骨生长过程带来的生活不便，或者与对侧牙的咬合关系不匹配，影响用户手术后体验。当备洞深度超出目标深度时，严重的甚至会破坏牙槽骨神经，而在尚未到达目标深度而提前停钻时，也会对随后的植牙固定造成麻烦。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法及装置，其能够精准控制种植牙备洞过程中保证钻孔的力度和垂直度以及对其钻孔的深度进行安全保护。
根据本发明的一方面，提供一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法，包括：基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式，所述牙种植装置固定于机械臂末端；所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在以所述机械臂为基准建立的机械臂坐标系的Z轴方向移动；基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面，所述控制面显示于显示装置中；建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于所述牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于所述牙种植装置的钻头在图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及种植体的根节点在所述图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控；所述钻头的备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离。
可选地，所述机械臂由六维力传感器采集所述机械臂在所述机械臂坐标系下的力和力矩，分别记为Fx、Fy、Fz、rx、ry、rz，分别表示X、Y、Z方向上的力和力矩；通过第二用户在外部施加于机械臂末端工具上的力，由六维力传感器采集所述施加于机械臂上的力，将采集到的力反馈到所述机械臂当中，由所述机械臂按照反馈的力的大小、方向进行运动。
可选地，通过配准矩阵表征所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将机械臂坐标系下的对象坐标左乘所述配准矩阵，得到该对象在所述图像坐标系下的坐标。
可选地，所述牙骨信息，包括所述第一用户的牙骨表面信息、齿间信息、牙骨位置关系、咬合关系。
可选地，基于预先获取的第一用户的牙骨CT图像信息实例化而得到牙骨仿真模型；基于所述牙骨仿真模型，确定能够反映所述第一用户的牙骨信息的三个特征点；由所述三个特征点在图像坐标系下的图像坐标，确定控制面。
可选地，将所述钻头在图像坐标系中的坐标记为A，将所述种植体的根节点的在图像坐标系的目标位置记为B，在显示装置中，记所述控制面为α，以B为射线原点，以A为射线上的一点，确定射线γ；所述射线γ与所述控制面α的交点记为C，对所述备洞深度h进行监控；
所述备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离；其中，|AB|为线段AB的模，|CB|为线段CB的模，L为所述钻头的等效长度，E为机械臂末端工具的等效弹性模量，F为施加力，t为显示装置上对所述机械臂信息进行更新的刷新时间，V为所述机械臂的末端的线性速度,a为机械臂坐标系映射到图像坐标系的距离量缩放比例因子，Θ为所述种植体的规划方向n与射线BA的夹角。
可选地，设置图像坐标系中P点为机械臂末端点，O点是P在控制面上面的投影点，Q点是P点向x或者y方向平移所得的点，做向量PO和QO；当向量PO与QO之间的夹角超过90度时且P点越过控制平面时，将所述机械臂所有方向上的速度清零。
根据本发明的另一方面，提供一种基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，包括：直线打孔模块：配置为基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式，所述牙种植装置固定于机械臂末端；所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在以所述机械臂为基准建立的机械臂坐标系的Z轴方向移动；控制面生成模块：配置为基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面，所述控制面显示于显示装置中；备洞深度控制模块：配置为建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于所述牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于所述牙种植装置的钻头在所述图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及种植体的根节点在所述图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控；所述钻头的备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离。
根据本发明的另一方面，提供一种口腔种植牙手术导航系统，能够用于规划用于备洞的钻头在种植体的规划方向上的实际打孔距离，该系统能够实现如前所述的方法，其中，所述备洞深度适于接受种植体。
还提供一种口腔种植牙手术导航系统，能够规划用于备洞的钻头在种植体的规划方向上的实际打孔距离，该系统能够实现如前所述的方法，来控制对基于第一用户的牙骨CT图像信息实例化的牙骨仿真模型的备洞深度，其中，该牙骨仿真模型设置有用于供所述钻头模拟备洞操作的待钻材料部。
在本发明上述各方法实施例中，一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令，所述多条指令用于由处理器加载并执行如权前所述方法。
在本发明上述各方法实施例中，一种电子设备，所述电子设备，包括：处理器，用于执行多条指令；存储器，用于存储多条指令；其中，所述多条指令用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述方法。
本发明具有以下技术效果：精准控制种植牙备洞过程中保证钻孔的力度和垂直度以及对其钻孔的深度进行安全保护。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1是种值体的结构示意图。
图2是本发明一示例性实施例提供的方法的流程示意图。
图3A是本发明一示例性实施例提供的轴状图牙骨表面点位示意图。
图3B是本发明一示例性实施例提供的矢状图牙骨表面点位示意图。
图3C是本发明一示例性实施例提供的冠状图牙骨表面点位示意图。
图3D是本发明一示例性实施例提供的牙骨模型示意图。
图4A是本发明一示例性实施例提供的生成牙骨表面示意图。
图4B是本发明一示例性实施例提供的牙骨平面与牙骨模型示意图。
图5是本发明又一示例性实施例提供的控制备洞深度示意图。
图6是本发明一示例性实施例提供的装置的结构示意图。
图7是本发明一示例性实施例提供的电子设备的结构。
附图标记：
1，种植体末端；2，种植体根节点。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”、“S1”～“S3”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。例如S1、S2步骤不限顺序而且可以并行处理。
还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或在前后文给出相反启示的情况下，一般可理解为一或多个。
另外，本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还应理解，本发明对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本发明实施例可以应用于终端设备、计算机系统、服务器等电子设备，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与终端设备、计算机系统、服务器等电子设备一起使用的众所周知的终端设备、计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。
终端设备、计算机系统、服务器等电子设备可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令(诸如程序模块)的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。
示例性方法
牙科手术过程中，会剥离翻起龈瓣，充分暴露牙槽骨面，医生会在牙槽骨面进行种植窝制备。在传统的种植牙手术中，第二用户需要手持牙种植机器，根据具体需求安装钻(比如先锋钻和攻丝钻等)或安装规划型号的种植体，然后手动备洞或安装种植体。
本实施例中，机械臂末端固定有牙种植装置，所述牙种植装置可设置有钻头和种植体。由第二用户操纵机械臂，由机械臂带动所述牙种植装置，从而带动钻头打孔，并安装所述种植体。由机械臂带动所述牙种植装置，而不是由所述第二用户直接操作所述牙种植装置，可以有效避免所述第二用户手抖造成的失误。
本实施例可应用在电子设备上，如图2所示，提供一种基于控制面的钻头的备洞深度控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式，所述牙种植装置固定于所述机械臂末端；所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在以所述机械臂为基准建立的机械臂坐标系的Z轴方向移动；
步骤S2：基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面，所述控制面显示于显示装置中；
步骤S3：建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于牙种植装置的钻头在图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及所述种植体的根节点在图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控；所述钻头的备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离。
所述钻头的尖端用于打孔从而实现备洞。
关于所述步骤S1，所述机械臂具有或设置有传感器，所述第一距离阈值用于标识例如作为待接受种植体的患者的第一用户的规划的种植位置与所述机械臂末端的距离。在所述机械臂感受到机械臂末端距离第一用户在第一距离阈值范围之内时，第二用户拖动所述机械臂，使得所述牙种植装置靠近所述第一用户的规划的种植位置。所述第二用户是操控所述机械臂的用户，例如牙医。所述第一距离阈值是根据历史数据或经验确定的，例如在牙齿周边150mm以内。
进而，所述第二用户向所述钻头施加控制信息，所述控制信息用于控制所述钻头(相应地，在安装种植体时则为种植体)的位置和姿态，在所述钻头的位置和姿态达到规划状态时，启动所述机械臂的直线打孔模式。例如，在空间配准后，上位机获取所述钻头的位置信息和姿态信息，即所述钻头的位置信息和姿态信息均映射到显示装置图像坐标系中，所述第二用户基于显示装置的实时显示，通过脚踏施加控制信息，所述机械臂接收到脚踏信号，根据所述控制信息调整所述钻头的位置和姿态达到规划状态。
对图像坐标系进行说明，本实施例中，机械臂坐标系体现现实世界中各部件的位置，配置了显示装置向所述第二用户提供实时信息，凡是显示于所述显示装置中的信息，均遵循图像坐标系。因此，需要建立机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，通过机械臂配准得到机械臂配准矩阵，机械臂坐标系下得到的钻尖端坐标左乘配准矩阵，将钻头坐标转换到图像坐标系下。配准就是将台车、机械臂、各种模型，都通过转换配准矩阵转换到图像坐标系下。例如，将设置于种植牙装置上的钻头在机械臂坐标系中的坐标经过配准，映射到图像坐标系。
调整钻头的方式是所述机械臂绕末端工具点转到规划状态，期间设置于牙种植装置的钻头的位置不发生偏移。所述机械臂由六维力传感器采集所述机械臂在所述机械臂坐标系下的力和力矩，分别记为Fx、Fy、Fz、rx、ry、rz，分别表示X、Y、Z方向上的力和力矩。通过所述第二用户在外部施加于机械臂末端工具上的力，由六维力传感器采集所述施加于机械臂上的力，将采集到的力反馈到所述机械臂当中，由所述机械臂按照反馈的力的大小、方向进行运动。
在所述钻头的位置和姿态达到规划状态后，启动所述机械臂的直线打孔模式，所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在所述机械臂坐标系的Z轴方向移动，即Fx、Fy、Fz、rx、ry、rz中，仅有种植方向上速度不为0，其余的五个量均置为0。也就是说，采用速度控制策略，所述机械臂坐标系的z轴方向上速度不为0，其他方向上的速度设置为0。通过将其他方向上的速度强制设置为0的方式，保证了所述机械臂的直线运动方式，能够防止所述第二用户手抖而导致打孔的角度有偏差。
关于所述步骤S2，所述第一用户的牙骨信息，包括但不限于所述第一用户的牙骨表面信息、齿间信息、牙骨位置关系、咬合关系。预先获取所述第一用户的牙骨CT图像，基于所述第一用户的牙骨CT图像和牙骨仿真模型，即基于所述第一用户的牙骨CT图像信息实例化所述牙骨仿真模型，得到所述第一用户的牙骨仿真模型。基于所述第一牙骨仿真模型，确定能够反映所述第一用户的牙骨信息的三个特征点M1、M2、M3，由于三个点可以确定一个平面，由所述三个特征点，能够确定出一个平面，该平面即为控制面，也称为牙骨表面。所述控制面显示于显示装置中，所述显示装置还用于显示所述第一用户的牙骨仿真模型、映射于所述第一用户的牙骨仿真模型的实时备洞信息。所述显示装置可以设置于所述第二用户身边，使所述第二用户能够实时获得备洞信息和备洞状况。
如图3A-图3D所示，如图所示平面为牙骨表面的切面的延伸显示，记为α，可以由专业人员，根据经验在所述第一牙骨仿真模型上标记三个点，用这三个点来确定牙骨表面。例如参见图3C，其中三部分的图描述了在冠状面视图下牙骨面三个点的位置，其中每一部分的图中的一个点，都是专业医疗人员标注出来的，一共三个点，可共同形成牙骨表面。
专业人员在标记牙骨表面三个点的时候，会根据所述第一用户的牙骨表面情况、齿间关系、牙骨位置关系、咬合关系、综合因素评估下，在CT图像中得到能够参考的牙骨表面切面所需的三个点位。
进一步地，所述三个特征点M1、M2、M3在图像坐标系的坐标分别为M1(x1,y1,z1)、M2(x2,y2,z2)、M3(x3,y3,z3)，则
设过M1的平面方程为
A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)＝0.................①
M2，M3都在此平面上，因此它们的坐标都满足方程①；将它们的坐标依次代入得：
A(x2-x1)+B(y2-y1)+C(z2-z1)＝0.............②
A(x3-x1)+B(y3-y1)+C(z3-z1)＝0..............③
①②③是关于A、B、C的线性方程组，此方程组有非零解的充要条件是关于A、B、C的系数
行列式Δ＝0；
即：求解行列式：
通过求解该行列式，能够确定所述控制面，生成的控制面如图4A-图4B所示。
本实施例中，由所述钻头到所述控制面的垂直方向，即为所述种植体的规划方向。所述种植体的根节点的目标位置即为所述种植体的规划位置。种植体的品牌和种类众多。大致上可以有柱状和锥柱状两种。通常放置方向是大致垂直于牙骨表面的方面，被固定好在钻头打好的尺寸合适的备洞孔内。柱状或锥状的两端，种植体末端1是种植后接近牙骨表面的一端，种植体根节点2是种植后远离牙骨表面的一端。
如图5所示，将所述钻头(尤其指尖端)在图像坐标系中的坐标记为A，将所述种植体的根节点的在图像坐标系的目标位置记为B，在显示装置中，记所述控制面为α，以B为射线原点，以A为射线上的一点，确定射线γ；所述射线γ与所述控制面α的交点记为C，对所述备洞深度h进行监控。
所述备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离，也是备洞过程中，钻头尖端到所述控制面的距离，其中，|AB|为线段AB的模，|CB|为线段CB的模，L为所述钻头的等效长度，E为末端工具的等效弹性模量，F为施加力，t为显示装置上对所述机械臂信息进行更新的刷新时间，V为所述机械臂的末端的线性速度，a为机械臂坐标系映射到图像坐标系的距离量缩放比例因子，Θ为所述种植体的规划方向n与射线BA的夹角。
由于备洞操作的实时进行，即打孔孔洞的形成及扩宽成型过程以及为了安装特定型号种植体所进行的备洞孔洞修饰过程的进行，|AB|与|CB|的大小关系会发生变化。例如，在未开始打孔时，|AB|＞|CB|，此时，不予进行深度计算与显示，认为h为0。进行备洞后，若|AB|＜|CB|，则计算(CB-AB)到种植体规划方向n上产生的备洞距离，同时抵消掉备洞过程中存在的机械误差，如公式所示，最终得到精确的实际备洞深度。
本实施例中，进行备洞后，经过所述种植体的根部的、与所述控制面平行的线作为深度控制线，该深度控制线例如是在由患者的从骨表面开始向下种植体长度的距离的面上的过种植体根部点的一条直线，由于基于速度控制时当机械臂在越过深度控制线后微小的距离以及考虑到机械臂末端的刚体形变，引入了深度控制线上补偿距离s＝[(L/E)×F+t×V]/a，所述钻头的等效长度L，末端工具的等效弹性模量E，施加力F，显示装置上对所述机械臂信息进行更新的刷新时间t，机械臂的末端的线性速度V，距离量缩放比例因子a，所述种植体的规划方向n与射线BA的夹角Θ等影响因子。相比于传统的利用位移传感器设定行程h，Θ的设置考虑到了规划与实际的可能由于硬件抖动产生的极其微小的夹角，在精度要求极高的操作场景下，更加严谨，精度更高，也更具备实用性。
本实施例中，所述备洞深度是预先根据所述第一用户的牙骨信息设定的，当监控到所述备洞深度达到预设备洞深度时，将所述机械臂的六个方向的速度均设为0。
例如，预先设定备洞深度为8，当备洞深度h>8时，弹窗提示备洞深度过深，进行预警，并停止备洞操作，将所述机械臂的六个方向的速度均设为0，所述机械臂在任何方向上均停止运动。
进一步地，设置机械臂的深度模式，在备洞深度达到一预定阈值时，启动深度模式。在深度模式下，机械臂接受上位机发送的距离信号来控制其末端运动的深度，当到达规划的打孔深度后，机械臂的所有方向上的速度都清零，这时不论如何拖动，机械臂都无法运动。
本发明中的位置信息都是可采用视觉导航的形式，通过空间配准的方式在图像坐标系下进行获取和处理。
进一步地，设置图像坐标系中P点为机械臂末端点，O点是P在控制面上面的投影点，Q点是P点向x或者y方向平移一定距离所得的点，做向量PO和QO，当P点在控制面上方时，向量PO与QO之间的夹角小于90度，当P点超过控制面且超过备洞深度时，向量PO与QO之间的夹角大于90度。向量PO与QO之间的夹角超过90度时且P点越过控制面时，将所述机器臂所有方向上的速度清零，这时所述第二用户不论如何施力，机械臂都无法再往下运动，实现了打孔深度的控制。此时，还可以设置成由导航系统进行报警，例如通过显示装置中的视觉图像或声觉等警示信息或信号，以提醒第二用户等操作者当前状态，从而更协调地实现深度控制的保护提醒功能。例如显示“已到达目标点位”的警示信息，提示技术人员当前操作需要停止或已经停止，以免因机械臂无法再往下运动而感到突然或继续不必要地施力，由此可在手术过程中提高手术精度，降低手术失误率。
进一步地，在所述机械臂启动直线打孔模式后，所述第二用户能够施加控制信号，以对所述钻头的姿态和位置进行调整。例如，所述第二用户启动直线打孔模式后，所述第二用户只能沿着Z轴方向拖动机械臂，所述第二用户通过脚踏的方式对所述钻头的姿态和位置进行调整。
进一步地，在所述步骤S1之前，还包括步骤S02：机械臂感知所述机械臂末端距离待接受种植的用户在第二距离阈值范围之内，进入第二速度控制模式。
此时，所述机械臂的手动拖动速度自动降低，使得所述第二用户能够精准地调整所述机械臂。该步骤的目的在于当所述机械臂感知到所述机械臂的末端靠近所述第一用户附近时，自动降低所述机械臂的手动拖动速度。所述第二距离阈值用于确定所述机械臂是否靠近了所述第一用户。所述第一距离阈值用于确定所述机械臂是否靠近了所述第一用户的口腔。
进一步地，在所述步骤S02之前，还包括步骤S01：机械臂感知到所述第二用户施加的外力，进入第一速度模式。
所述第一速度模式中所述机械臂的速度大于所述第二速度模式中所述机械臂的速度。进入第一速度模式的目的在于快速拖动所述机械臂，以使所述机械臂快速靠近所述第一用户。
进一步地，所述第一速度模式及所述第二速度模式均基于六维力传感器进行，通过所述六维力传感器采集力和力矩来设置力方向上的速度，再以一定比例因子反映采集到的力和力矩。本实施例中，当不受力时，各方向上的速度为零，从而达到拖动的效果。
示例性装置
图6是本发明一示例性实施例提供的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置的结构示意图。如图6所示，本实施例包括：
直线打孔模块：配置为基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式，所述牙种植装置固定于所述机械臂末端；所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在以所述机械臂为基准建立的机械臂坐标系的Z轴方向移动；
控制面生成模块：配置为基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面，所述控制面显示于显示装置中；
备洞深度控制模块：配置为建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于牙种植装置的钻头在图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及所述种植体的根节点在图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控；所述钻头的备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离。
此外，还可以具有警示模块，当图像坐标系中机械臂末端点(例如钻头的尖端坐标)越过控制面时，发出警示信息。
示例性电子设备
图7是本发明一示例性实施例提供的电子设备70的结构。该电子设备可以是第一设备和第二设备中的任一个或两者、或与它们独立的单机设备，该单机设备可以与第一设备和第二设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号。图7图示了根据本公开实施例的电子设备的框图。如图7所示，电子设备包括一个或多个处理器71和存储器72。
处理器71可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。
存储器72可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器71可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本公开的各个实施例的软件程序的基于控制面的钻头的备洞深度控制的方法以及/或者其他期望的功能。在一个示例中，电子设备还可以包括：输入装置73和输出装置74，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
此外，该输入装置73还可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置74可以向外部输出各种信息。该输出装置74可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图7中仅示出了该电子设备中与本公开有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备还可以包括任何其他适当的组件。
示例性计算机程序产品和计算机可读存储介质
除了上述方法和设备以外，本公开的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种实施例的基于控制面的钻头的备洞深度控制的方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本公开的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种实施例的基于基于控制面的钻头的备洞深度控制的方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
口腔种植牙手术导航系统
根据本发明，还可以提供一种口腔种植牙手术导航系统，能够用于规划用于备洞的钻头在种植体的规划方向上的实际打孔距离，该系统能够实现如上所述的方法，其中，所述第一用户用于接受种植体。
可选地，还可以事先将备洞操作模拟用于模拟接受种植体的牙骨仿真模型来替代上述的第一用户，由此可以进行手术导航系统的口腔种植牙模拟操作、教学辅助、精度检测、验证、术前规划等。例如在针对患者进行备洞操作之前，可以基于患者的牙骨CT图像制备牙骨仿真模型，而且该牙骨仿真模型设置有用于供所述钻头模拟备洞操作的待钻材料部。通过利用上述方法针对该牙骨仿真模型进行钻头的模拟备洞操作，可以提前规划相应的实际备洞路径，用于辅助实际备洞操作。其中，作为待钻材料部，可以采用本领域周知技术进行制备，例如可以采用蜡、石膏衍生物或聚合物材料、光固化树脂材料、热塑性材料、可浇铸材料等，作为适于制备具有实心部结构的材料不限于此。在如此对上述待钻材料部模拟备洞操作之后，还可通过测量其中的备洞深度等情况来检验控制效果。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
可能以许多方式来实现本公开的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
还需要指出的是，在本公开的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (9)
1.一种基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，该备洞深度控制装置包括：
直线打孔模块：配置为基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式，所述牙种植装置固定于机械臂末端；所述机械臂的直线打孔模式是机械臂仅能在以所述机械臂为基准建立的机械臂坐标系的Z轴方向移动；
控制面生成模块：配置为基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面，所述控制面显示于显示装置中；
备洞深度控制模块：配置为建立图像坐标系，所述图像坐标系用于对显示于所述显示装置的对象进行定位；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于所述牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于所述牙种植装置的钻头在所述图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及种植体的根节点在所述图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控；所述钻头的备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离，
该备洞深度控制装置用于实现包括如下步骤的基于控制面的钻头的备洞深度控制方法：
基于控制信号控制设置于牙种植装置的所述钻头的位置和姿态，启动机械臂的直线打孔模式；
基于所获取的牙骨信息，确定三个特征点，基于所述三个特征点，确定控制面；
建立图像坐标系；基于所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将设置于所述牙种植装置的钻头的位置信息实时显示于所述显示装置中；基于所述控制面、设置于所述牙种植装置的钻头在图像坐标系下的实时的尖端坐标、以及种植体的根节点在所述图像坐标系下的目标位置，对备洞深度进行监控，
由所述钻头到所述控制面的垂直方向，即为所述种植体的规划方向，
基于预先获取的第一用户的牙骨CT图像信息实例化而得到牙骨仿真模型；
基于所述牙骨仿真模型，确定能够反映所述第一用户的牙骨信息的三个特征点；
由所述三个特征点在所述图像坐标系下的图像坐标，确定控制面，
设所述三个特征点M1、M2、M3在图像坐标系的坐标分别为M1 (x1,y1,z1)、M2 (x2,y2,z2)、M3 (x3,y3,z3)，则设过M1的平面方程为：
A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)=0.................①，
将M2，M3的坐标依次代入方程①得：
A(x2-x1)+B(y2-y1)+C(z2-z1)=0.............②
A(x3-x1)+B(y3-y1)+C(z3-z1)=0..............③
求解行列式：
，能够确定所述控制面，
将所述钻头在所述图像坐标系中的坐标记为A，将所述种植体的根节点的在图像坐标系的目标位置记为B，在显示装置中，记所述控制面为α，以B为射线原点，以A为射线上的一点，确定射线γ；所述射线γ与所述控制面α的交点记为C，对所述备洞深度h进行监控；
，
所述备洞深度是以所述控制面为基准面，在所述种植体的规划方向上的实际备洞距离；
其中，为线段AB的模，/>为线段CB的模，L为所述钻头的等效长度，E为机械臂末端工具的等效弹性模量，F为施加力，t为显示装置上对所述机械臂信息进行更新的刷新时间，V为所述机械臂的末端的线性速度,a为机械臂坐标系映射到图像坐标系的距离量缩放比例因子，/>为所述种植体的规划方向n与射线BA的夹角。
2.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，所述机械臂由六维力传感器采集所述机械臂在所述机械臂坐标系下的力和力矩，分别记为Fx、Fy、Fz、rx、ry、rz，分别表示X、Y、Z方向上的力和力矩；通过第二用户在外部施加于机械臂末端工具上的力，由所述六维力传感器采集所述施加于机械臂末端工具上的力，将采集到的力反馈到所述机械臂当中，由所述机械臂按照反馈的力的大小、方向进行运动。
3.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，通过配准矩阵表征所述机械臂坐标系与所述图像坐标系的映射关系，将所述机械臂坐标系下的对象坐标左乘所述配准矩阵，得到该对象在所述图像坐标系下的坐标。
4.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，所述牙骨信息包括牙骨表面信息、齿间信息、牙骨位置关系、咬合关系。
5.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，在所述机械臂末端距离所述第一用户在第一距离阈值范围之内时，启动所述机械臂的直线打孔模式。
6.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，设置图像坐标系中P点为机械臂末端点，O点是P在控制面上面的投影点，Q点是P点向x或者y方向平移所得的点，获得向量PO和QO；当向量PO与QO之间的夹角超过90度时且P点越过控制平面时，将所述机械臂所有方向上的速度清零。
7.如权利要求1所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其特征在于，还包括：警示模块，用于当在所述图像坐标系中所述钻头的尖端坐标越过所述控制面时，发出警示信息。
8.一种口腔种植牙手术导航系统，能够用于规划用于备洞的钻头在种植体的规划方向上的实际打孔距离，其特征在于，该系统包括如权利要求1-6中任一项所述的基于控制面的钻头的备洞深度控制装置，其中，所述备洞深度适于接受种植体。
9.如权利要求8所述的口腔种植牙手术导航系统，其特征在于，备洞深度控制装置用来控制对基于第一用户的牙骨CT图像信息实例化的牙骨仿真模型的备洞深度，其中，该牙骨仿真模型设置有用于供所述钻头模拟备洞操作的待钻材料部。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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