CN110507437A - 牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗机器人技术领域，公开了一种牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法，制备系统包括：激光器、机械臂和种植导板，激光器包括激光头，机械臂的第一端设有用于安装激光头的安装部，种植导板符合上颌骨模型或下颌骨模型，种植导板固定于人体口腔中，种植导板上设有定位孔，定位孔的轴线与种植体窝洞的轴线重合，用于定位激光头；窝洞制备方法包括：制备种植导板；将其激光头固定于种植导板的定位孔内；激光头发射出激光，在骨面上钻出定位孔洞。本发明利用种植导板定位激光头，即使患者头部发生运动，激光头和机械臂可以随之进行运动，保证激光头相对于种植位置不变，提高定位准确性。

Description

牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法。

背景技术

日常生活中许多因素会导致牙齿缺失，相对于固定义齿和活动义齿来说，种牙逐渐成为一种普遍的牙齿缺失修复方法。种牙手术中正确选定种植体的植入位置非常重要，这是保证种植修复远期效果的基本前提。

传统手术为了准确的制备窝洞，需要先在骨面上使用小球钻或三棱钻进行定位。定位后使用先锋钻进行钻孔，确定种植体的植入位置和方向，种植体植入位置和方向确定后，就可以使用扩孔钻逐级扩大该种植体窝洞直至达到预定直径。口腔内空间狭小，且不易观察，如果患者骨面不够平整或骨质结构复杂，钻定位/导向孔时牙钻受到的非轴向力(侧向力)过大，容易产生偏移、甚至偏离颌骨，产生严重后果。

因此，为了避免机械定位和钻孔的缺陷，将激光技术应用到窝洞制备领域。但在使用激光进行窝洞制备时，由于激光喷头部位没有定位措施，如果患者头部发生移动或激光喷头部位受到的非轴向力(即侧向力)过大，激光设备也容易产生偏移、甚至偏离颌骨，导致窝洞制备失败。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法，用以解决在使用激光制备窝洞时，由于患者头部发生移动或激光设备受到的非轴向力时，导致激光设备容易发生偏移、甚至偏离颌骨，窝洞制备失败的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种牙科种植体窝洞制备系统，包括：

激光器、机械臂和种植导板，所述激光器包括激光头，所述机械臂的第一端设有用于安装所述激光头的安装部，所述种植导板符合上颌骨模型或下颌骨模型，所述种植导板固定于人体口腔中，所述种植导板上设有定位孔，所述定位孔的轴线与所述种植体窝洞的轴线重合，用于定位所述激光头。

其中，所述激光器还包括激光发生器和光纤，所述机械臂的第二端固定在所述激光发生器上，所述激光发生器通过所述光纤与所述激光头连接。

其中，所述机械臂内部构造有用于容纳所述光纤的中空通道。

其中，所述安装部包括固定槽，所述激光头插入所述固定槽内。

其中，所述机械臂包括基座、大臂和小臂，所述基座可转动连接于所述激光发生器，所述大臂的一端可转动连接于所述基座，所述大臂的另一端与所述小臂的一端可转动连接，所述小臂的另一端与所述安装部可转动连接。

其中，所述基座与所述激光发生器之间设有第一转动关节，所述第一转动关节绕所述基座轴向转动；所述基座与所述大臂之间设有第二转动关节，所述第二转动关节绕其水平轴向转动；所述大臂设有第三转动关节，所述第三转动关节绕所述大臂轴向转动；所述大臂与所述小臂之间设有第四转动关节，所述第四转动关节绕其水平轴向转动；所述小臂设有第五转动关节，所述第五转动关节绕所述小臂轴向转动；所述小臂与所述安装部之间设有第六转动关节，所述第六转动关节绕其水平轴向转动；所述安装部设有第七转动关节，所述第七转动关节绕所述安装部轴向转动。

其中，所述机械臂还包括第一弹性部件、第二弹性部件、第一连杆和第二连杆，所述第一连杆设于所述大臂的上方，且所述第一连杆的第一端与所述大臂铰接，所述第二连杆设于所述小臂的上方，且所述第二连杆的第一端与所述小臂铰接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第二端铰接，所述第一弹性部件连接于所述第一连杆的第二端与所述第四转动关节之间，所述第二弹性部件连接于所述基座与所述第一连杆的第二端。

其中，还包括激光扩束器，所述激光扩束器与所述激光头连接。

其中，还包括激光冷水机和输水管，所述激光冷水机通过所述输水管设于所述激光头的侧旁。

本发明还公开一种窝洞制备方法，其特征在于，包括：

根据口腔CBCT影像制作符合上颌骨模型或下颌骨模型的种植导板，并将种植导板固定于人体口腔中；

机械臂移动，带动激光头随之移动以将其固定于种植导板的定位孔内；

激光器释放激光，通过激光头发射出激光，以在牙体骨面上钻出定位孔洞。

(三)有益效果

本发明提供的一种牙科种植体窝洞制备系统及窝洞制备方法，利用激光具有的方向性好、单向性好、发散度小以及密度高的优点，将制作好的种植导板固定在患者口中，通过机械臂带动激光头移动，并将激光头放入到种植导板的定位孔内，代替现有技术中的机械定位和钻孔，利用激光技术，避免传统机械式钻孔过程中可能出现的钻头偏移等情况，提供准确的种植体定位/定向窝洞。本发明利用种植导板定位激光头，即使患者头部发生运动，激光头和机械臂可以随之进行运动，保证激光头相对于种植位置不变，提高定位准确性。

附图说明

图1为本发明一种牙科种植体窝洞制备系统的结构示意图；

图2为本发明的种植导板的结构示意图；

图3为本发明的机械臂的结构示意图。

图中，1、种植导板；11、定位孔；2、激光头；21、安装部；3、机械臂；4、激光发生器；5、基座；6、大臂；7、小臂；8、第一转动关节；9、第二转动关节；10、第三转动关节；11、第四转动关节；12、第五转动关节；13、第六转动关节；14、第七转动关节；15、第一弹性部件；16、第二弹性部件；17、第一连杆；18、第二连杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种牙科种植体窝洞制备系统，包括：激光器、机械臂3和种植导板1，激光器包括激光头2，机械臂3的第一端设有用于安装激光头2的安装部21，所述种植导板1符合上颌骨模型或下颌骨模型，所述种植导板1固定于人体口腔中，种植导板1上设有定位孔11，定位孔11的轴线与种植体窝洞的轴线重合，用于定位激光头2。

具体地，根据口腔CBCT(Cone beam CT的简称，即锥形束CT)影像制作符合上颌骨模型或下颌骨模型的种植导板1，种植导板1上开设有定位孔11，该定位孔11与种植体窝洞在轴线上重合，定位孔11的形状与激光头2外围的形状一致，定位孔11的尺寸与激光头2的外径一致，保证激光头2放入定位孔11中，可以牢牢地定位，激光头2即被约束住，激光头不易从定位孔11中脱出，这样即使患者头部发生运动，也能保证激光头2相对于种植位置不变。激光头2与定位孔11之间可以采用卡接或螺纹连接等连接方式。也可以在安装部的外围设有螺纹，定位孔11内圈设有相匹配的螺纹，使安装部与定位孔11相对固定，而安装部内固定有激光头，也即激光头2与定位孔11之间无相对运动。

而机械臂3一方面是可以带动激光头2准确放置到定位孔11内，另一方面当患者头部移动时能够跟随激光头2移动。

由于激光具有方向性、单向性较好、发散度小且密度高的特点，在牙科治疗中能起到麻醉、气化、切割、止痛、凝固等作用。本发明的激光器释放波长2780nm(纳米)的激光并传输给激光头，发射出的激光可以切割骨组织和软组织。

本发明提供的一种牙科种植体窝洞制备系统，利用激光具有的方向性好、单向性好、发散度小以及密度高的优点，将制作好的种植导板卡在患者口中，通过机械臂带动激光头移动，并将激光头放入到种植导板的定位孔内，代替现有技术中的机械定位和钻孔，利用激光技术，避免传统机械式钻孔过程中可能出现的钻头偏移等情况，提供准确的种植体定位/定向窝洞。本发明利用种植导板定位激光头，即使患者头部发生运动，激光头和机械臂可以随之进行运动，保证激光头相对于种植位置不变，提高定位准确性。

其中，激光器还包括激光发生器4和光纤，机械臂3的第二端固定在激光发生器4上，激光发生器4通过光纤与激光头2连接。本发明的激光发生器4释放出波长2780nm(纳米)的激光，通过光纤传输，激光头2发射出的激光可以切割骨组织和软组织。

其中，机械臂3内部构造有用于容纳所述光纤的中空通道。本实施例中的光纤作为激光的传输介质，其放置于机械臂3内的中空通道内，避免了由于光纤外露，导致在操作过程中容易损害的问题。

其中，安装部21包括固定槽，激光头2插入固定槽内。具体地，固定槽内可以设有螺纹，固定槽与安装部21通过螺纹连接；或固定槽内设有凹槽，而激光头2设有凸起，激光头2与固定槽通过凹槽与凸起的配合固定。

如图3所示，机械臂3包括基座5、大臂6和小臂7，基座5可转动连接于激光发生器4，大臂6的一端可转动连接于基座5，大臂6的另一端与小臂7的一端可转动连接，小臂7的另一端与安装部21可转动连接。具体地，基座5与激光发生器4之间设有第一转动关节8，第一转动关节8绕基座5轴向转动，带动基座5沿竖直方向旋转；基座5与大臂6之间设有第二转动关节9，第二转动关节9绕其水平轴向转动，带动大臂6在竖直平面上转动；大臂6设有第三转动关节10，第三转动关节10绕大臂6轴向转动，该第三转动关节10可设置于大臂6的中段，实现大臂6前、后两段之间绕大臂6轴向的旋转；大臂6与小臂7之间设有第四转动关节11，第四转动关节11绕其水平轴向转动，带动小臂7在大臂6和小臂7所在平面内转动；小臂7设有第五转动关节12，第五转动关节12绕小臂7轴向转动，该第五转动关节12可设置于小臂7的中段，实现小臂7前、后两段之间绕小臂7轴向的旋转；小臂7与安装部21之间设有第六转动关节13，第六转动关节13绕其水平轴向转动，带动安装部21在小臂7与安装部21所在平面内转动；安装部21设有第七转动关节14，第七转动关节14绕安装部21轴向转动，该第七转动关节14可设置于安装部21的末端，实现安装部21末端绕安装部轴向旋转，该末端安装设置有法兰，可用于连接激光头2或其他手术器械。以上旋转可依次传递给激光头2，使得机械臂3的末端(即安装部21)可以在三维空间内确定位置和姿态，额外的冗余自由度增强了关节机械臂3的灵活性并提高了空间避障能力。本实施例采用7个转动关节连接而成，可实现6个自由度的运动(如图3中箭头所示)，即X轴平移、Y轴平移、Z轴平移和绕X轴旋转、绕Y轴旋转以及绕Z轴旋转。

在另外一个实施例中，各个转动关节分别由不同的驱动电机进行驱动，提供重力补偿。

在另外一个实施例中，各个转动关节由弹簧或其他装置提供重力补偿。例如：机械臂还包括第一弹性部件15、第二弹性部件16、第一连杆17和第二连杆18，第一连杆17设于大臂6的上方，且第一连杆18的第一端与大臂6铰接，第二连杆18设于小臂7的上方，且第二连杆18的第一端与小臂7铰接，第一连杆17的第二端与第二连杆18的第二端铰接，第一弹性部件15连接于第一连杆17的第二端与第四转动关节11之间，第二弹性部件16连接于基座5与第一连杆17的第二端。本实施例中，利用弹性部件和连杆基于大臂6和小臂7一个向上的力，来缓解甚至抵消由于大臂6和小臂7自身重力对转动关节所带来影响，方便进行灵活无阻力的拖拽。本实施例中的第一弹性部件15和第二弹性部件16均可采用弹簧或弹性绳等具有弹性性能的部件。

在另外一个实施例中，不考虑摩擦的情况下，机械臂动力学方程可写为：

其中τ为关节力矩，为惯性力项，为科氏力项，g(θ)为重力项。即关节力矩与速度、加速度和位置相关，一般拖拽时运动速度不大，可忽略惯性力和科氏力项，而重力项仅与关节位置相关，则可根据支撑臂实时构型和关节角度来计算重力项。在转动关节转轴上安装有小型力矩电机和绝对编码器，通过绝对编码器各个部分能感知它的准确位置，消除了一般相对编码器初试复位的要求。根据机械臂构型和机构动力学(递归牛顿-欧拉方法)，可以实时计算出每个关节受到的重力矩，通过控制力矩电机的输出力来抵消掉重力实现在各位置达到静力平衡，让使用者可以轻松灵活的拖拽。

其中，还包括激光扩束器，所述激光扩束器与所述激光头连接，用于调节激光光斑的大小，以实现达到窝洞制备直径大小调节的目的。本实施例可采用包括但不限于开普勒式激光扩束器或伽利略式激光扩束器。而激光的穿透深度可以通过激光功率和照射时间来控制。

其中，还包括激光冷水机和输水管，激光冷水机通过输水管设于激光头的侧旁，激光冷水机通过输水管向种植体窝洞喷出水或水雾。具体地，输水管也可以容纳于机械臂3内的中空通道内。也可以采用其他单独的喷水装置或喷雾装置，本实施例采用水激光技术，该工作原理是激光发生器4释放波长2780nm的激光，激发水分子(该激光波长与水的吸收峰值接近，故应用其进行切割时输出的水分子可吸收激光能量)，形成具有高速动能粒子。该激光可切割骨组织及软组织，具有极佳的止血效果与切割效果，由于激光与水同时输出，水也起到一定降温作用，可避免传统激光光热效应造成的温度过高伤及牙周组织与牙髓。对于种植牙手术来说，水激光切割后的表面光滑无毛刺，且避开了传统牙钻机械作用力对牙体组织产生的微裂现象和因受力不均造成的牙钻偏移现象。

本发明实施例还公开了一种利用该牙科种植体窝洞制备系统的窝洞制备方法，包括：

根据口腔CBCT影像制作符合上颌骨模型或下颌骨模型的种植导板，并将种植导板固定于人体口腔中；

机械臂移动，带动激光头随之移动以将其固定于种植导板的定位孔内；

激光器释放激光，通过激光头发射出激光，以在牙体骨面上钻出定位孔洞。

之后对该定位孔洞进行扩孔，在种植体窝骨壁制备螺纹。

其中，激光器释放出的激光的波长取值范围为2700nm(纳米)-2800nm(纳米)。

本发明提供的一种牙科种植体窝洞制备系统的窝洞制备方法，利用激光具有的方向性好、单向性好、发散度小以及密度高的优点，将制作好的种植导板卡在患者口中，通过机械臂带动激光头移动，并将激光头放入到种植导板的定位孔内，代替现有技术中的机械定位和钻孔，利用激光技术，避免传统机械式钻孔过程中可能出现的钻头偏移等情况，提供准确的种植体定位/定向窝洞。本发明利用种植导板定位激光头，即使患者头部发生运动，激光头和机械臂可以随之进行运动，保证激光头相对于种植位置不变，提高定位准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，包括：

激光器、机械臂和种植导板，所述激光器包括激光头，所述机械臂的第一端设有用于安装所述激光头的安装部，所述种植导板符合上颌骨模型或下颌骨模型，所述种植导板固定于人体口腔中，所述种植导板上设有定位孔，所述定位孔的轴线与所述种植体窝洞的轴线重合，用于定位所述激光头。

2.根据权利要求1所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述激光器还包括激光发生器和光纤，所述机械臂的第二端固定在所述激光发生器上，所述激光发生器通过所述光纤与所述激光头连接。

3.根据权利要求2所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述机械臂内部构造有用于容纳所述光纤的中空通道。

4.根据权利要求1所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述安装部包括固定槽，所述激光头插入所述固定槽内。

5.根据权利要求2所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述机械臂包括基座、大臂和小臂，所述基座可转动连接于所述激光发生器，所述大臂的一端可转动连接于所述基座，所述大臂的另一端与所述小臂的一端可转动连接，所述小臂的另一端与所述安装部可转动连接。

6.根据权利要求5所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述基座与所述激光发生器之间设有第一转动关节，所述第一转动关节绕所述基座轴向转动；所述基座与所述大臂之间设有第二转动关节，所述第二转动关节绕其水平轴向转动；所述大臂设有第三转动关节，所述第三转动关节绕所述大臂轴向转动；所述大臂与所述小臂之间设有第四转动关节，所述第四转动关节绕其水平轴向转动；所述小臂设有第五转动关节，所述第五转动关节绕所述小臂轴向转动；所述小臂与所述安装部之间设有第六转动关节，所述第六转动关节绕其水平轴向转动；所述安装部设有第七转动关节，所述第七转动关节绕所述安装部轴向转动。

7.根据权利要求6所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，所述机械臂还包括第一弹性部件、第二弹性部件、第一连杆和第二连杆，所述第一连杆设于所述大臂的上方，且所述第一连杆的第一端与所述大臂铰接，所述第二连杆设于所述小臂的上方，且所述第二连杆的第一端与所述小臂铰接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第二端铰接，所述第一弹性部件连接于所述第一连杆的第二端与所述第四转动关节之间，所述第二弹性部件连接于所述基座与所述第一连杆的第二端。

8.根据权利要求1所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，还包括激光扩束器，所述激光扩束器与所述激光头连接。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的牙科种植体窝洞制备系统，其特征在于，还包括激光冷水机和输水管，所述激光冷水机通过所述输水管设于所述激光头的侧旁。

10.一种利用如权利要求1-9中任意一项所述的牙科种植体窝洞制备系统的窝洞制备方法，其特征在于，包括：

根据口腔CBCT影像制作符合上颌骨模型或下颌骨模型的种植导板，并将种植导板固定于人体口腔中；

机械臂移动，带动激光头随之移动以将其固定于种植导板的定位孔内；

激光器释放激光，通过激光头发射出激光，以在牙体骨面上钻出定位孔洞。