一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法与流程

1.本发明涉及口腔种植牙手术领域，具体涉及一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法。


背景技术：

2.目前种植牙手术已成为修复牙齿缺损或缺失的常规治疗方式之一，且已成为当今国际口腔医学界公认的缺牙首选修复方式，另外随着机器人技术的飞速发展，在口腔种植领域使用机器人辅助手术的需求日益升高。口腔种植牙机器人在让手术结果变得更加精准的同时，还可以降低医生的学习成本，让手术的过程标准化和简单化。但由于种植牙手术是在狭小的口腔内局部进行的精密操作，口腔内空间狭小，观察困难，且受医生经验影响，容易产生钻头定位不准确的问题，造成手术失败，另外如果在钻定位或钻孔过程中产生侧向力，容易产生钻头偏移、甚至偏离颌骨的问题，从而导致严重后果。
3.专利号为cn109077822b的专利公开了一种基于视觉测量的牙科种植手机标定系统及方法，该发明能够获得较为准确的牙科种植手机末端的钻头在牙科种植手机光学标记坐标系中的位置标定结果，但是该发明提供的方法只能进行标定，不能避免在实际钻孔过程中钻头受到偏向力时产生偏移的误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述背景技术中描述的现有技术的缺点，提供一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置及方法，该方法通过双目相机和机械臂实现自动定位的方式提高了定位的精度，且通过机械臂定线模式避免了钻在受到偏向力时产生偏移的误差，从而辅助医生更精准、更高效的完成种植牙手术。
5.为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置，该装置包括：红外双目相机、口腔夹具、机械臂、探针、末端组件、按钮模块、种植手机、钻头、术中种植牙导航系统。
6.其中，所述红外双目相机包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
7.所述口腔夹具一端装有反光球，作为第一视觉标记，另一端呈现字母u的形状，与患者口腔佩戴适配。
8.所述探针头部装有反光球，作为第二视觉标记，所述探针末端呈现锥状。
9.所述机械臂末端装有反光球，作为第三视觉标记，且所述机械臂末端法兰与所述末端组件连接。
10.所述末端组件一端连接所述机械臂末端法兰，另一端连接所述种植手机，连接所述种植手机的部分设置有按钮模块，通过按钮可操作所述机械臂进入示教模式、定位模式、定线模式。
11.所述种植手机一端连接所述末端组件，另一端连接打磨用的钻头。
12.所述术中种植牙导航系统可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视
化，并实时反馈钻头位置和目标位置之间的相对位置关系。
13.另外，本发明还提供了一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，包括以下步骤：进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系；牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔ct坐标系的转换关系；在所述种植手机末端安装合适的钻头，进行钻头末端标定；获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿；根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数；所述机械臂带动所述钻头运动，自动定位至目标位置；定位完成后，按下所述末端组件上的定线模式按钮，所述机械臂沿着所述钻头的轴线进行定线运动，植入所述种植体；验证种植精度，判断当前种植体是否植入到位。
14.进一步地，所述进行设备准备，获取所述机械臂末端和所述种植手机末端的相对位置关系，包括：启动所述术中种植牙导航系统，并在导航系统中确认所述红外双目相机可稳定识别第一视觉标记、第二视觉标记、第三视觉标记；利用所述探针标定所述种植手机的末端，得到所述红外双目相机和所述种植手机末端的转换关系；所述红外双目相机识别所述机械臂末端上的第三视觉标记，得到所述机械臂末端至所述红外双目相机的转换关系；计算得到所述机械臂末端和所述种植手机末端的转换关系。
15.进一步地，所述进行牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔ct坐标系的转换关系，包括：将所述口腔夹具佩戴于患者口腔中合适位置；建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系xyz以相机左眼为坐标中心，平行于相机面的水平轴线为x轴，垂直于相机面向外为z轴；根据cbct扫描设备确定ct坐标系，所述ct坐标系与所述口腔夹具上的第一视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机可识别所述口腔夹具上的第一视觉标记；配准所述红外双目相机坐标系和所述患者口腔ct坐标系，获取两个坐标系之间的关系，转换矩阵记为matrix_ndi2ct，可表示为：进一步地，所述获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头的当前位姿，包括：设备启动后机械臂控制器实时向所述术中种植牙导航系统中以旋转矢量的格式发送所述机械臂末端工具的当前位姿；通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为matrix_tool2base。
16.进一步地，所述通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为matrix_tool2base，包括：获取机械臂末端工具的当前位姿；根据位姿中的计算得到位姿表示方法中轴角表达式中的，其中，，，；根据罗德里格斯公式，其中k表示为矩阵：将kx，ky，kz以及θ的值代入公式中得到完整的r；根据x，y，z和r构建四阶齐次矩阵，得到matrix_tool2base。
17.进一步地，所述根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数，包括：由术前拍摄的口腔cbct规划缺牙位所需要安装的种植体型号与位置，得到所述种植体与所述ct坐标系的转换矩阵，记为matrix_implant2ct；由第三视觉标记得到所述机械臂末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵matrix_flange2ndi，通过钻头标定功能计算得出所述钻头末端到机械臂末端坐标系之间的转换矩阵，记为matrix_tool2flange，由此计算得到所述钻头末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵，记为matrix_tool2ndi，进而得到所述钻头末端至所述ct坐标系的转换矩阵，记为matrix_tool2ct；由所述钻头末端至所述ct坐标系的转换矩阵matrix_tool2ct和所述种植体与所述ct坐标系的转换矩阵matrix_implant2ct得到所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵，记为matrix_implant2tool；由所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵matrix_implant2tool、所述钻头末端至所述机械臂坐标系的转换矩阵matrix_tool2base得到所述目标种植体至所述机械臂坐标系的旋转矩阵，记为matrix_implant2base；将旋转矩阵matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数。
18.进一步地，所述将旋转矩阵matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数，包括：所述旋转矩阵matrix_implant2base可表示为的形式；提取所述旋转矩阵matrix_implant2base中的r，利用eigen矩阵库中的轴角表达
式的方法将旋转矩阵r转换成轴角表达式的形式，记为rotation_vector(kx, ky, kz, theta)，其中、、；提取所述旋转矩阵matrix_implant2base中的t，旋转矢量参数x、y、z分别为t对应的t0、t1、t2，其中t0、t1、t2分别为矩阵t的三个元素。
19.进一步地，所述机械臂带动所述钻头运动，自动定位至目标位置，包括：按下所述末端组件上的示教模式按钮，拖动所述机械臂，使所述钻头到达患处口腔附近；当在所述术中种植牙导航系统中观察到所述钻头位置距离规划的目标位置小于10mm时，松开按钮，所述钻头开始自动定位至目标位置。
20.所述机械臂的运动会持续多次，每次运动前会重新计算当前位姿与目标位姿的差值，且每次运动都会逼近目标位置，直至差值小于预设值时停止运动。
21.与现有技术相比，本发明提供的口腔种植牙手术钻头自动定位装置及方法具有以下优点：1、采用导航相机和机械臂结合的方式，将术前规划、术中配准、钻头自动定位以及打磨定线运动高度集成；2、本发明的自动定位算法利用了罗德里格斯旋转方程将旋转矢量转换成旋转矩阵，将机械臂的坐标转化为矩阵的方式利于计算；3、本发明的自动定位过程为多次运动，在运动过程中寻找距离目标位置最近的位置停止运动，此方法相对于一次定位提高了定位的精度。
22.4、本发明在定位完成后，打磨的过程为机械臂定线沿着钻头的轴线运动，在其他方向不能运动，减少了打磨过程中的误差；5、术中实时显示种植精度，避免了人为误差的产生，且操作便捷，学习时间短，在临床上具有极高的使用价值。
附图说明
23.下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
24.图1是本发明实施例种植牙场景示意图；图2是本发明实施例探针与口腔夹具示意图；图3是本发明实施例钻头定位场景示意图；图4是本发明实施例提供的钻头自动定位方法流程图。
25.附图标记说明：1.红外双目相机；2.机械臂；3.末端组件；4.按钮模块；5.种植手机；6.术中种植牙导航系统；7.口腔夹具；8.探针；9.钻头；10目标种植体位置。
具体实施方式
26.下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对
实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。
27.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
28.为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
29.如图1、2、3所示，本发明提供一种口腔种植牙手术的钻头自动定位装置，该装置包括：红外双目相机1、机械臂2、末端组件3、按钮模块4、种植手机5、术中种植牙导航系统6、口腔夹具7、探针8、钻头9。
30.其中，所述红外双目相机1包含左右两个镜头，作为视觉导航仪。
31.所述口腔夹具7一端装有反光球，作为第一视觉标记，另一端呈现字母u的形状，与患者口腔佩戴适配。
32.所述探针8的头部装有反光球，作为第二视觉标记，所述探针8的末端呈现锥状。
33.所述机械臂2的末端装有反光球，作为第三视觉标记，且所述机械臂2的末端法兰与所述末端组件3连接。
34.作为一种可选的实施方式，三个视觉标记除了使用反光球外，还可使用反光贴、反光板等可以达到相同效果的部件来代替。
35.所述末端组件3一端连接所述机械臂2的末端法兰，另一端连接所述种植手机5，连接所述种植手机5的部分设置有按钮模块4，通过按钮可操作所述机械臂2进入示教模式、定位模式、定线模式。
36.作为一种可选的实施方式，还可以在导航系统中通过操作软件来实现所述机械臂2进入示教模式、定位模式、定线模式。
37.所述种植手机5的一端连接所述末端组件3，另一端连接打磨用的钻头9。
38.所述术中种植牙导航系统6可精确地将手术场景中的物体及其相对位置实时可视化，并实时反馈钻头9的位置和目标种植体位置10之间的相对位置关系。
39.图4是本发明实施例提供的钻头自动定位方法流程图。
40.如图4所示，本发明还提供一种口腔种植牙手术的钻头自动定位方法，包括以下步骤：s101，进行设备准备，获取所述机械臂1的末端和所述种植手机5的末端的相对位置关系；s102，牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔ct坐标系的转换关系；s103，在所述种植手机5的末端安装合适的钻头9，进行所述钻头9的末端标定；s104，获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头9的当前位姿；s105，根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置10至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数；s106，所述机械臂2带动所述钻头9运动，自动定位至目标位置；
s107，定位完成后，按下所述末端组件3上的定线模式按钮，所述机械臂2沿着所述钻头9的轴线进行定线运动，植入所述种植体；s108，验证种植精度，判断当前种植体是否植入到位。
41.作为一种可选的实施方式，所述s101中进行设备准备，获取所述机械臂2的末端和所述种植手机5的末端的相对位置关系，包括：启动所述术中种植牙导航系统6，并在导航系统中确认所述红外双目相机1可稳定识别第一视觉标记、第二视觉标记、第三视觉标记；利用所述探针8标定所述种植手机5的末端，得到所述红外双目相机1和所述种植手机5的末端的转换关系；所述红外双目相机1识别所述机械臂2末端上的第三视觉标记，得到所述机械臂2的末端至所述红外双目相机1的转换关系；计算得到所述机械臂2的末端和所述种植手机5的末端的转换关系。
42.作为一种可选的实施方式，所述s102中牙颌配准，获取红外双目相机坐标系和患者口腔ct坐标系的转换关系，包括：将所述口腔夹具7佩戴于患者口腔中合适位置；建立红外双目相机坐标系：所述红外双目相机坐标系xyz以相机左眼为坐标中心，平行于相机面的水平轴线为x轴，垂直于相机面向外为z轴；根据cbct扫描设备确定ct坐标系，所述ct坐标系与所述口腔夹具7上的第一视觉标识的相对位置关系是固定的，且所述红外双目相机1可识别所述口腔夹具7上的第一视觉标记；配准所述红外双目相机坐标系和所述患者口腔ct坐标系，获取两个坐标系之间的关系，转换矩阵记为matrix_ndi2ct，可表示为：作为一种可选的实施方式，所述s104中获取所述机械臂末端工具的当前位姿，即所述钻头9的当前位姿，包括：设备启动后机械臂控制器实时向所述术中种植牙导航系统6中以旋转矢量的格式发送所述机械臂末端工具的当前位姿；通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为matrix_tool2base。
43.作为一种可选的实施方式，所述通过计算将旋转矢量转换成旋转矩阵，记为matrix_tool2base，包括：获取机械臂末端工具的当前位姿；根据位姿中的计算得到位姿表示方法中轴角表达式中的，其中，，，；
根据罗德里格斯公式，其中k表示为矩阵：将kx，ky，kz以及θ的值代入公式中得到完整的r；根据x，y，z和r构建四阶齐次矩阵，得到matrix_tool2base。
44.作为一种可选的实施方式，所述s105中根据各坐标系之间的转换关系获取目标种植体位置10至机械臂坐标系的旋转矩阵，并转化为所述机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数，包括：由术前拍摄的口腔cbct规划缺牙位所需要安装的种植体型号与位置，得到所述种植体与所述ct坐标系的转换矩阵，记为matrix_implant2ct；由第三视觉标记得到所述机械臂2的末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵matrix_flange2ndi，通过钻头标定功能计算得出所述钻头末端到机械臂末端坐标系之间的转换矩阵，记为matrix_tool2flange，由此计算得到所述钻头末端至所述红外双目相机坐标系的转换矩阵，记为matrix_tool2ndi，进而得到所述钻头末端至所述ct坐标系的转换矩阵，记为matrix_tool2ct；由所述钻头末端至所述ct坐标系的转换矩阵matrix_tool2ct和所述种植体与所述ct坐标系的转换矩阵matrix_implant2ct得到所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵，记为matrix_implant2tool；由所述目标种植体至所述钻头末端的转换矩阵matrix_implant2tool、所述钻头末端至所述机械臂坐标系的转换矩阵matrix_tool2base得到所述目标种植体至所述机械臂坐标系的旋转矩阵，记为matrix_implant2base；将旋转矩阵matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数。
45.作为一种可选的实施方式，所述将旋转矩阵matrix_implant2base转化为机械臂运动指令所需要的旋转矢量参数，包括：所述旋转矩阵matrix_implant2base可表示为的形式；提取所述旋转矩阵matrix_implant2base中的r，利用eigen矩阵库中的轴角表达式的方法将旋转矩阵r转换成轴角表达式的形式，记为rotation_vector(kx, ky, kz, theta)，其中、、；提取所述旋转矩阵matrix_implant2base中的t，旋转矢量参数x、y、z分别为t对应的t0、t1、t2，其中t0、t1、t2分别为矩阵t的三个元素。
46.作为一种可选的实施方式，所述s106中所述机械臂2带动所述钻头9运动，自动定
位至目标位置，包括：按下所述末端组件3上的示教模式按钮，拖动所述机械臂2，使所述钻头9到达患处口腔附近；当在所述术中种植牙导航系统6中观察到所述钻头9的位置距离规划的目标位置小于10mm时，松开按钮，所述钻头9开始自动定位至目标位置；所述机械臂2的运动会持续多次，每次运动前会重新计算当前位姿与目标位姿的差值，且每次运动都会逼近目标位置，直至差值小于预设值时停止运动。
47.与现有技术相比，本发明提供的口腔种植牙手术钻头自动定位装置及方法具有以下优点：1、采用导航相机和机械臂结合的方式，将术前规划、术中配准、钻头自动定位以及打磨定线运动高度集成；2、本发明的自动定位算法利用了罗德里格斯旋转方程将旋转矢量转换成旋转矩阵，将机械臂的坐标转化为矩阵的方式利于计算；3、本发明的自动定位过程为多次运动，在运动过程中寻找距离目标位置最近的位置停止运动，此方法相对于一次定位提高了定位的精度。
48.4、本发明在定位完成后，打磨的过程为机械臂定线沿着钻头的轴线运动，在其他方向不能运动，减少了打磨过程中的误差；5、术中实时显示种植精度，避免了人为误差的产生，且操作便捷，学习时间短，在临床上具有极高的使用价值。
49.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。