口腔種植機器人空間映射裝置的研發(fā)及其應(yīng)用研究.pdf

1、一、目的及意義：
　　近年來，我國每年種植體的植入量已經(jīng)超過20萬顆，而且年增長率保持在20％以上，具有巨大的市場潛力和發(fā)展空間。然而，目前國內(nèi)從事口腔種植的醫(yī)生人數(shù)還較少，水平也參差不齊。而口腔種植作為一項對操作精度和經(jīng)驗水平都有極高要求的醫(yī)療技術(shù)，任何操作的微小失誤和精度偏差都會影響到遠期的功能和美觀效果，甚至會損傷下頜神經(jīng)、上頜竇底及鼻底黏膜等重要解剖結(jié)構(gòu)，造成不必要的并發(fā)癥。另外，由于口腔空間狹小，以及口頰軟硬組織的阻擋，

2、常常無法在直視下完成種植手術(shù)的操作，這無疑會對種植精度產(chǎn)生消極的影響。
　　通過查閱文獻，本課題組發(fā)現(xiàn)可以通過手術(shù)機器人技術(shù)來解決口腔種植手術(shù)中這些尚存問題。但現(xiàn)有的手術(shù)機器人系統(tǒng)無法滿足口腔種植手術(shù)的需要，所以，本課題組擬研發(fā)一套高度自動化的口腔種植機器人系統(tǒng)，來填補該領(lǐng)域的空白。
　　該系統(tǒng)主要包括主控計算機、機器人本體以及導航系統(tǒng)，其中導航系統(tǒng)是機器人的“眼睛”，為機器人采集種植術(shù)區(qū)和安裝在機械臂末端的種植手機的實時空

3、間位姿，機器人獲取這些信息后，可在術(shù)中自動定位種植術(shù)區(qū)，并按手術(shù)方案自動精確調(diào)整種植手機在術(shù)區(qū)的位姿，完成植入窩洞的制備。其中導航系統(tǒng)對術(shù)區(qū)和機械臂末端種植手機的位姿的采集，是通過追蹤固位于術(shù)區(qū)同頜牙列和安裝在種植手機上的特定裝置的示蹤標記來實現(xiàn)的，這些特定裝置就是空間映射裝置，通過它們不僅可以定位術(shù)區(qū)和種植手機間的空間位置關(guān)系，還可以建立起虛擬（圖像）空間和現(xiàn)實手術(shù)空間的映射關(guān)系，從而把現(xiàn)實空間中種植手機與術(shù)區(qū)頜骨的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換到虛擬

4、空間中，并通過各自的三維模型將該關(guān)系呈現(xiàn)在顯示器中，從而實現(xiàn)對手術(shù)過程全方位的監(jiān)控。
　　本研究的目的為，通過實驗研發(fā)出可適用于本課題組所構(gòu)建的口腔種植機器人系統(tǒng)的導航系統(tǒng)的空間映射裝置，并對其應(yīng)用進行研究，為實現(xiàn)本種植機器人精確作業(yè)提供技術(shù)支撐。
　　二、實驗方法：
　　第一部分為了簡化術(shù)區(qū)映射裝置的固位方法，本研究擬定采用硅橡膠印模材料通過取模操作來將其固位于術(shù)區(qū)同頜牙列上，但是，這種方法存在二次就位的問題，即術(shù)前

5、患者戴著空間映射裝置固位部分行CBCT掃描，完成手術(shù)規(guī)劃后，術(shù)中再將其復(fù)位于患者牙列上，如果固位裝置在牙列上的兩次位置間差距較大，就會對導航精度差生影響，因此，首先需要對硅橡膠印模在牙列上的復(fù)位精度進行研究，以檢驗該法的可行性。實驗設(shè)計為通過比較硅橡膠印模在牙列模型上兩次就位的位移量的方法，來定量分析硅橡膠印模在牙列模型上的復(fù)位精度，該位移量通過預(yù)先設(shè)計在托盤上的阻射標記點在兩次CBCT三維圖像上的位移差量來表現(xiàn)，其次，考慮到時間因素是

6、否對復(fù)位精度有影響，還需對其遠期復(fù)位精度進行研究。另外，為了實現(xiàn)精確快速的測量，需要在圖像處理軟件中精確快速重建各部分的三維模型（阻射標記點、牙列模型以及硅橡膠印模），對于CBCT圖像的三維重建主要是通過閾值分割(Thresholding)來進行的，相鄰材料灰度值差異越大，越容易進行分割和重建，重建精度和效率也越高，而臨床常用的可供選擇的材料有很多品型，尤其是硅橡膠印模材料，因此計劃，首先，通過對備選材料的CBCT的圖像灰度值差異進行研

7、究，以選出合適的實驗用材；然后，用所得材料對硅橡膠印模在牙列模型上（上下頜各5例，無過大的頰舌向和近遠中倒凹）的即刻和遠期復(fù)位精度進行研究。
　　第二部分以逆向工程軟件設(shè)計，3D打印技術(shù)加工的方法，設(shè)計術(shù)區(qū)空間映射裝置。首先，對其示蹤標記制作方法進行優(yōu)化研究；然后，設(shè)計其口內(nèi)固位裝置并通過合理設(shè)計豐富其功能；最后，用3D打印機加工一套完整的術(shù)區(qū)空間映射裝置，并對其空間映射精度進行檢測。
　　第三部分用與實驗二同樣的方法，研發(fā)

8、安裝在機械臂末端的種植手機上的空間映射裝置，并通過研究實體裝配與設(shè)計裝配中種植手機上車針尖點的位置偏差和軸線偏差，來定量評價裝配精度。
　　三、實驗結(jié)果：
　　1、通過對備選材料的CBCT圖像的灰度值的縱向和橫向比較，得到了最優(yōu)的材料組合，即DMG硅橡膠重體作為實驗中的硅橡膠印模材料，Cavtion暫封王作為標記點材料，超硬石膏作為牙列模型材料。檢驗了硅橡膠印模在牙列模型上的即刻復(fù)位偏差為上頜0.110±0.032mm，下頜

9、0.120±0.023mm，小于所用CBCT體素（0.25mm），可認為偏差在允許的范圍內(nèi)，并驗證了在30天內(nèi)硅橡膠印模在牙列模型上的復(fù)位精度不隨時間的推移而變化，也不受上下頜牙列差異的影響。說明可以采用該方法將術(shù)區(qū)空間映射裝置固位于術(shù)區(qū)同頜牙列上。
　　2、探索到了最優(yōu)的示蹤標記制作方法，制作出了高精度的示蹤標記。成功設(shè)計了用于種植上下頜不同缺牙類型的術(shù)區(qū)空間映射裝置的口內(nèi)固位裝置（前牙型、左側(cè)后牙型、右側(cè)后牙型以及雙側(cè)后牙型）

10、，并通過借鑒成品托盤的設(shè)計理念，每型又設(shè)計了大、中、小三亞型，以便滿足臨床患者不同大小牙弓的使用需求，并在其上集成了開口保持器、內(nèi)窺鏡插口以及吸引器接口；實例檢測空間映射偏差為0.4115±0.1409mm，可滿足本機器人系統(tǒng)使用的要求。
　　3、成功設(shè)計并加工出了安裝于種植手機上的空間映射裝置，且通過該裝置可將種植手機穩(wěn)固的安裝在機械臂末端。其裝配精度為：種植手機上車針尖點位置偏差約0.3393mm，車針軸線偏差約0.849°，