技术领域
[0001] 本
发明涉及牙科领域，具体涉及一种自动种植牙科机器人。
背景技术
[0002] 种植牙舒适、美观、耐用且不损伤邻牙，是目前
牙齿缺失后首选的修复方案。种植牙是指将根型纯
钛或钛
合金材料锚固在颌骨内，为缺失牙的修复提供支持和固定。
口腔种植的理论技术是骨结合，即有序的或股直接沉积在种植体表面，将种植体锚定在骨内。骨结合的
质量直接关系到种植牙的成败和长期
稳定性。影响骨结合的因素有很多，其中很重要的一项就是种植体的
位置和轴向，如果种植体周围骨量少于1.5mm，可能发生种植体周围骨吸收；如果种植体不能朝向对颌牙功能尖，种植体可能承受过强的侧向
力，同样可能造成种植体周围骨吸收。这种骨吸收往往反映在骨结合质量的同时下降，大大缩短了种植牙的使用年限。
[0003] 临床上，种植医生一直在追求一种能够辅助确定种植体位置轴向的方法，种植导板和种植导航均是在这种诉求中应运而生的。但是种植导板压缩医生操作空间、制作周期长，对加工工艺依赖性大，制作实体导板增加手术成本，精确度仍有待提高；种植
导航系统只能提供引导性，无法提供刚性
定位及定向，仍需医生徒手完成种植。虽然已有自动牙植入的技术理念，但无具体的实现方案，且自动牙植入技术在具体实施过程中仍然存在许多临床使用的问题，如术前规划耗时、术中配准麻烦、缺少适用于种植手术场景的模
块化设计等。
[0004] 配准是实现虚拟图像与实体信息集成的步骤。现有方法多采用点配准的方法，即术前患者口内附着多个基准点拍CT，基准点的坐标被保存在虚拟三维图像中；配准时，口内仍附着这些基准点，通过多基准点的坐标实现配准。点配准时，带有感应器的器械按照CT图像中基准点的顺序逐个点出口内基准点的中心点。该配准方法存在操作过程繁复，手动点基准点中心存在误差的问题。
[0005] 目前口内附着基准点的工具多是通过快速塑形材料印出牙齿模型，利用牙齿颈部或牙齿间倒凹固位，由于单颗牙倒凹固位力弱，所以需要同时对多颗牙甚至半口牙进行印模。因此该方法不适用于缺牙较多的患者，且患者不适感强。
[0006] 牙科种植品牌众多，各系统种植钻针在长度上有差别。现有种植钻针配准工具多通过手动控制种植钻针针尖点出平面配准图标中心点，配准
精度较低。
[0007] 目前实体化的自动种植设备极少，大家对模块化结构的设计关注较少。自动种植系统的临床应用推广还需要提出更多的可行性方案。
发明内容
[0008] 针对
现有技术的不足，本发明公开了一种自动种植牙科机器人，用于解决以上背景技术中提到的问题。具体技术方案如下：
[0009] 一种自动种植牙科机器人，种植牙科机器人，包括模块化结构、种植导航系统、追踪定位系统、
机械臂系统、种植驱动系统、及控制系统，所述种植导航系统可实现术前种植方案设计、术中配准、信息集成分析、发出指令及接收反馈，所述追踪定位系统是种植导航结构实现信息集成，所述种植牙科机器人集成并分析各部分信息，发出指令控制机械臂，实现自动化种植，所述各部分信息包括CT信息、种植方案、口腔信息、及机械臂信息；
[0010] 所述信息集成分析功能需所述追踪定位系统辅助，患者口内、机械臂上均连接感应器，感应器接收和反射追踪器发出的
信号，追踪器将感应器反射回的
信号传输给所述种植导航系统，所述种植导航系统分析口腔、机械臂的位移；所述发出指令功能，是将指令传输给机械臂和所述种植驱动系统，指挥机械臂和所述种植驱动系统进行种植手术；
[0011] 优选的，所述模块化结构包括台车结构、与台车结构连接的
支撑结构，支撑结构连接各功能部分，包括追踪器和显示器及所述机械臂，即台车上表面有三个支撑结构，分别是机械臂支撑结构、显示器支撑结构、追踪器支撑结构机；所述追踪定位系统包括发射和接收信号的追踪器、反射信号的感应器；所述机械臂系统和所述种植驱动系统是种植手术的执行部分，种植
马达固定在机械臂上，种植手机与马达之间有卡扣设计，防止马达与机械臂之间、种植手机与马达之间相对位置发生变化；所述控制系统包括三部分，计算机是术前设计、术中操作时实现人机互动的主要部分，台车表面有种植驱动设备的操纵面板可控制种植驱动参数，
脚踏可驱动机械臂和种植马达；
[0012] 优选的，所述台车结构底部四
角各安装有一个
滑轮，滑轮设有自
锁结构，滑轮稍内侧安装有一个顶起结构，以将台
车顶起固定；
[0013] 优选的，所述台车底部安装有一个
抽屉及一个
支架，分别用于放置电源线和脚踏；
[0014] 优选的，所述台车内设升降结构，三个支撑结构均可随着升降结构一同升降；
[0015] 优选的，所述机械臂支撑结构可
水平滑动，机械臂支撑结构可水平滑动；
[0016] 优选的，所述机械臂支撑结构非机械臂侧设有坡度，此处安装有种植驱动结构的操作面板；
[0017] 优选的，所述机械臂支撑结构侧方有一水
泵；
[0018] 优选的，所述显示器支撑结构上方连接伸缩臂一，连接伸缩臂一与显示器支撑结构间相对旋转角度为360°旋转；显示器固定在伸缩臂一上，显示器与伸缩臂一间相对旋转角度为大于或等于180°旋转，包括水平面上和垂直面上的旋转；
[0019] 优选的，所述追踪器支撑结构为可伸缩结构，在垂直方向上，伸缩范围在100cm以上；
[0020] 优选的，所述追踪器支撑结构上连接伸缩臂二，连接伸缩臂二与追踪器支撑结构间相对旋转角度为360°旋转；追踪器连接在伸缩臂二上，连接处设有一长度10-20cm的把手；
[0021] 优选的，所述术中配准采用自动配准方法，需借助口内夹具、配准工具和感应器。所述术前种植方案设计需从CT
图像分析开始。
[0022] 优选的，所述口内夹具是一种U型夹具，有左右两边，两边通过
中轴连接，通过锁紧
螺栓锁紧；所述口内夹具能同时定位和夹紧，通过快速成
型材料印出的牙齿模型定位，通过拧紧螺栓夹紧；所述配准工具能在CT图像中显影，该工具为基准标志物；患者拍CBCT 时，口中连接所述配准工具，使所述配准工具在CBCT图像中完全显影；所述自动配准方法通过种植导航系统内置的
算法，所述算法记录了配准工具和口内感应器之间的映射关系，可将CT图像中术区与配准工具间的位置关系直接转化为CT图像中术区与口腔实体中口内感应器之间的位置关系，实现CT三维图像与实体三维信息的配准；
[0023] 优选的，所述U型夹具内放置快速成型材料，将U型夹具扣在牙齿上，U型夹具内快速成型材料可印出牙齿外形；
[0024] 优选的，所述快速成型材料可以是任何能实现快速成型且能用于患者口腔的材料，包括
温度变化引发
固化的材料、光照引发固化的材料；
[0025] 优选的，所述种植牙科机器人的钻针配准工具，可计算出钻针的长度，适用于不同系统的种植钻针；所述钻针配准工具表面有不同直径的孔洞，用于同一种植系统不同直径的钻针；
[0026] 优选的，所述钻针配准工具的孔洞深度大于或等于钻针尖端缩窄部分并位于钻针尖端缩窄部分以上以确保钻针针尖插入孔洞后不会发生晃动；所述钻针配准工具中部设有一个凹槽，当钻针插入孔洞时，钻针针尖部分暴露在凹槽中，凹槽设计可方便钻针配准工具的清洗；
[0027] 优选的，所述种植导航系统通过
深度学习，可自主形成全景图、标出下颌神经管；可抽象出种植术区皮质骨和松质骨骨小梁图像，辅助医生按照经典的Lekholm and Zarb骨
密度分类方法对骨质进行分析，指导种植钻数；
[0028] 有益效果：
[0029] 本发明提出一种完整的自动化种植设备，种植牙科机器人，包括模块化结构、种植导航系统、追踪定位系统、机械臂系统、种植驱动系统、控制系统等。该系统通过机械臂实现自动刚性定位，采用自动配准方法改善配准时间长、配准麻烦的临床痛点；口内固位装置具有定位功能且体积小、适用范围广，减轻患者不适感；种植钻针配准工具针对不同种植品牌工具进行个性化设计，改善手动配准精度低的问题；模块化结构设计充分考虑了牙科种植手术场景，使自动种植手术更具有可操作性。
附图说明
[0030] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图2：自动种植牙科机器人背面图；
[0033] 图3：自动种植牙科机器人钻针配准工具示意图。
[0034] 附图标记如下：1、台车结构，2、滑轮，3、顶起结构，4、机械臂支撑结构，5、显示器支撑结构，6、追踪器支撑结构，7、机械臂，8、种植手机，9、平面，10、操作面板，11、种植水泵， 12、伸缩臂一，13、显示器，14、伸缩臂二，15、光学追踪器， 16、把手。
具体实施方式
[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 结合图2，3，参看图1：一种自动种植牙科机器人，包括模块化结构、种植导航系统、追踪定位系统、机械臂系统、种植驱动系统、控制系统等。
[0037] 种植导航系统可实现术前种植方案设计、术中配准、信息集成分析、发出指令及接收反馈，是种植机器人的核心部分。追踪定位系统是种植导航结构实现信息集成的工具，包括发射和接收信号的追踪器、反射信号的感应器；在实现CT数据、术前设计方案与口腔信息、机械臂信息的集成时，需要借助一种可在CT中显影的配准工具。机械臂系统和种植驱动系统是种植手术的执行部分。控制系统包括三部分，计算机是术前设计、术中操作时实现人机互动的主要部分，台车表面有种植驱动设备的操纵面板可控制种植驱动参数，脚踏可驱动机械臂和种植马达，三个部分相互配合补充，共同完成对种植牙科机器人系统的控制。模块化结构包括台车结构、与台车结构连接的支撑结构，支撑结构连接各功能部分，包括机械臂、追踪器和显示器，是种植机器人实现功能的
基础。
[0038] 种植术前准备是围绕CT数据展开的，一是为CT数据与实体信息的配准做准备，二是在CT图像中完成手术方案的设计。 CBCT是种植术前评估骨质骨量、设计方案常用的手段，但CBCT 图像及于其中设计的种植方案无法直接与口腔实体联系在一起，为将两种数据集成在一起，需要一个基准标志物，拍CBCT时，患者口内需连接该基准标志物，且基准标志物需在CT图像中显影。为方便临床使用，该系统采用自动配准方法，该方法借助一个具有不规则形状且能在CT图像中显影的配准工具，该工具是一种基准标志物。患者拍CBCT时，口中连接此配准工具，配准工具在 CBCT图像中完全显影。具体配准方法接下来描述。
[0039] 配准工具连接到口内需要一种口内固位装置，除固位外，该装置必须能实现定位，以保证该固位装置始终在同一位置。本系统采用的口内固位装置能同时实现固位和定位。该口内固位装置是一种U型夹具，有左右两边，两边通过中轴连接，通过锁紧螺栓锁紧。将U型夹具扣在牙齿上，旋转锁紧螺栓，U型夹具左右两边会夹紧牙齿。U型夹具内放置快速成型材料，将U型夹具扣在牙齿上，U型夹具内快速成型材料可印出牙齿外形。U型扣内快速成型材料可以是任何能实现快速成型且能用于患者口腔的材料，包括温度变化引发固化的材料、光照引发固化的材料。U型夹具内置材料印出牙齿模型并固化后，形成个性化夹具，可实现定位，并加强固位。本系统采用的U型夹具，通过夹具的夹紧作用实现固位，通过快速成型材料印出的牙齿模型实现定位。该U型夹具利用两种固位方式来保持夹具在口内的位置，固位力较大，固位所需的牙齿较少。
[0040] 拍完CT后，CT数据导入种植导航系统，按照
软件导引进行种植方案设计。种植方案设计过程从图像分析开始，分析重要解剖结构，分析缺牙区骨质骨量。通过深度学习，种植导航系统可自动分析颌骨重要解剖结构，形成全景图。分析颌
骨密度对获得足够的初期稳定性有很大意义。种植导航系统可抽象出种植术区皮质骨和松质骨骨小梁图像，辅助医生按照经典的Lekholm and Zarb骨密度分类方法对骨质进行分析，指导种植钻数，以获得足够的初期稳定性。图像分析完成后，根据患者咬合进行虚拟修复，通过虚拟修复指导虚拟种植，生成完整的种植方案。
[0041] 种植方案生成后，可开始进行种植手术，首先要做的就是配准，将虚拟三维图像与实体三维信息结合到一起。拍摄CT前，通过个性化夹具将配准工具连接到口内，拍完CBCT后，即可取下配准工具，之后的准备过程和手术过程均不需要再次连接配准工具。CT数据中，配准工具与术区位于一个三维坐标内，两者之间相对位置固定。配准时，将拍CT前制作的个性化夹具戴入口内，此时个性化夹具上不用连接配准工具，夹具上需要连接一个感应器。种植导航系统内置算法，记录配准工具和口内感应器之间的映射关系，可将CT图像中术区与配准工具间的位置关系直接转化为CT图像中术区与口腔实体中口内感应器之间的位置关系，实现 CT三维图像与实体三维信息的配准。该方法不需要手动逐点匹配，通过导航系统内置的算法、借助配准工具和口内感应器可实现自动配准。
[0042] 配准后，口内感应器在整个手术过程中需一直连接在口内，相似的感应器也会连接在机械臂上，感应器与追踪器配合，记录口腔和机械臂的位移。追踪器追踪到的信息会反馈到种植导航系统，导航系统综合分析信息，控制机械臂随口腔的移动而移动，即口腔向某一方向移动时，机械臂会随之向该方向移动。
[0043] 机械臂系统和种植驱动系统是种植手术的执行部分。种植导航系统发出指令控制机械臂系统和种植驱动系统进行种植手术。种植马达固定在机械臂上，种植手机与马达之间有卡扣设计，防止马达与机械臂之间、种植手机与马达之间相对位置发生变化。
[0044] 种植手术时，种植手机连接种植钻针，驱动钻针进行手术。不同种植系统配有不同的植入工具，主要表现为钻针的长度和直径达不同。针对不同的种植工具，本系统配有专用的钻针配准工具，配准工具表面有不同孔径的孔洞，适用于同一种植系统不同直径的钻针。孔洞直径按照不同种植系统钻针设计，孔洞深度要求能够完全
覆盖钻针尖端缩窄部分并位于钻针尖端缩窄部分以上，确保钻针针尖插入孔洞后不会发生晃动。将种植钻针连接到种植手机上后，选择与该种植系统植入工具相对应的钻针配准工具，将钻针针尖插入配准工具表面相对应的孔洞内，种植导航结构可自动识别钻针长度。当选用与之前钻针长度不同的钻针时，需要进行配准。
[0045] 术中，CT图像、虚拟种植体位置、手机及钻针位置会实时显示在显示器上，医生可实时观察种植钻针或种植体相对于虚拟种植体、相对于周围解剖结构之间的位置关系。包含显示器在内的
计算机系统是实现
人机交互的主要途径。医生可通过计算机完成和
修改方案设计、完成术中配准、调节术中追踪等。除计算机外，医生或助手可通过种植驱动控制面板和脚踏控制、调整手术
进程。其中，种植驱动控制面板可调整种植驱动参数，包括转速、
扭矩、选转方向、是否带水、水速等；脚踏可操控机械臂和种植驱动系统，包括自由驱动机械臂、驱动机械臂到达
指定位点、驱动机械臂及种植手机以一定的钻速或扭矩前进后退等。
[0046] 实现以上功能，需要模块化结构的支持。模块化结构的设计在实现功能的基础上，需尽量考虑到种植手术的应用场景。模块化结构包括台车结构1、与台车结构连接的支撑结构，支撑结构连接各功能部分，包括机械臂、追踪器和显示器，是种植机器人实现功能的基础。
[0047] 台车底部四角各安装有一个滑轮2，滑轮设有自锁结构，方便台车移动和停止。为了进一步增加台车应用时的稳定性，台车底部四角各安装有一个顶起结构3，术中操作时，可放下顶起结构，将台车顶起固定。台车底部安装有一个抽屉及一个支架，分别用于放置电源线和脚踏，放置电源线或脚踏线杂乱造成不便。台车内设升降结构，使台车高度可随牙医高度变化，医生可根据自身坐高、操作高度等因素进行调整。
[0048] 台车上表面有三个支撑结构，分别是机械臂支撑结构4、显示器支撑结构5、追踪器支撑结构6，三个支撑结构均可随着升降结构一同升降。
[0049] 机械臂支撑结构可水平滑动，机械臂7位于此结构上表面、靠近患者侧，机械臂末端连接种植马达和种植手机8。机械臂支撑结构水平滑动，使机械臂位于患者上方、靠近患者冠状面中线。机械臂处于这样的位置可缩短机械臂
基座到术区的距离，适用于更多的临床场景；同时可避开医生的操作范围，避免机械臂与医生相互干涉，给予医生充分的操作空间。机械臂下方支撑结构随机械臂一同滑出，支撑结构上表面、机械臂旁边为一平面9，此平面可作为医生的操作
台面，放置种植器械等。支撑结构非机械臂侧有一定坡度，此处安装有种植驱动结构的操作面板10，操作面板位于此处且呈一定坡度，方便医生及助手观看和调节种植驱动参数。种植水泵11在支撑结构侧方，显示器支撑结构和光学追踪仪支撑结构之间。
[0050] 显示器支撑结构和追踪器支撑结构在机械臂支撑结构旁边。显示器支撑结构更靠近患者侧，支撑结构上方连接伸缩臂一12，伸缩臂一与支撑结构间可实现360°旋转；显示器13固定在伸缩臂一上，显示器与伸缩臂一间可实现至少180°旋转，包括水平面上和垂直面上的旋转；临床应用时，医生可根据自身坐高、体位及习惯，将显示器调整到适当位置上。追踪器支撑结构为可伸缩结构，在垂直方向上，伸缩范围在100cm以上；支撑结构上连接伸缩臂二14，伸缩臂二特性与连接显示器的伸缩臂一特性一致；追踪器15连接在伸缩臂二上，连接处设有一长度约10cm的把手16，方便术中调整光学追踪器位置；临床的应用时，医生可根据术区高度、术区位置等将光学追踪器调整至适当位置及角度。当医生调整追踪器位置角度时，显示器可实时显示追踪器相对于感应器的位置、角度，帮助医生将追踪器调整至最佳位置。
[0051] 模块化结构通过台车结构和其上支撑的功能结构，将自动化种植概念实体化，使应用流程简单方便，适用于种植手术场景。
[0052] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
