一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具及其应用

1.本发明涉及口腔种植机器人技术领域，具体涉及一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具及其应用。


背景技术：

2.口腔种植是指在缺牙部位的颌骨中通过手术预备窝洞并植入人工种植体，然后在其上连接基台和牙冠，以恢复患者咀嚼、容貌等功能。种植牙作为首选的缺牙修复方式，被称为是继乳牙、恒牙后的人类“第三幅牙齿”。种植修复的基础理论是源自上世纪50年代瑞典branmark教授的口腔种植体“骨整合”理论，通过种植体与牙槽骨形成良好的骨结合，获得种植体良好的稳定性，这是口腔种植成功的基础。
3.自现代口腔种植学提出以来，口腔种植技术得到了长足发展，目前临床上的种植操作技术包括自由手操作、基于导板的静态导航、基于视频的动态导航、以及手术机器人种植，而与前三种种植技术比起来，手术机器人具有更高的精确性、稳定性以及可重复性，因此近年来，口腔种植机器人成为了种植手术的重要发展方向。
4.目前的手术机器人辅助口腔种植主要应用于备孔环节，其过程本质是利用钻针对牙槽骨的骨组织进行钻削和挤压，过程中会产生大量热量。但如果备孔过程中骨组织温度升至47℃以上并持续1分钟，就会引起骨组织的热坏死，进而影响骨结合的形成。口腔种植机器人备孔时，考虑到钻削产生大量切削热，为了控制骨组织的温度，仍采用不同直径的钻针进行逐级扩孔的备孔技术，即直径较小如
ø
2.0先锋钻定位后，不同直径麻花钻逐级扩孔的方式在颌骨上完成备孔操作，同时每次钻孔都需要多次提拉钻孔并冲冷却水，因此目前的备孔操作过程比较复杂，效率较低，同时还会带来重复定位误差，偏离原先的规划，而且也难以保证骨组织的温度在安全范围内，骨组织灼伤坏死进而引起种植失败的情况无法完全避免。同时钻削产生的骨屑被大量冲入的冷却水冲走，很难收集并重新植入利用。另外，软组织及异物容易被钻针带入种植窝，引起感染和愈合不良。由于人手操作无法实现复杂精确运动，因此只适合用钻针制备同直径的孔洞；与人手操作相比，机器人可以根据编程轨迹实现精确操作，因此用小直径刀具进行螺旋铣削制备大直径窝洞成为可能，显著改善备孔中的散热条件。
5.中国专利号cn103770223a公开了的纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用，包括刃部和柄部，其特征在于：所述的刀具为球头铣刀，刃部螺旋槽的螺旋角为30度，刃长2mm；刀具刃部的顶部有一v型槽，v型槽与刀具中心垂直方向夹角α=1-5
°
，β=18-25
°
，v型槽深度随刀具直径变化而变化，v型槽深度s值是刀具直径ф值的10-18%；刀具的刃部为纳米金刚石涂层，纳米金刚石颗粒直径为20-50nm。
6.上述公开的这种刀具在使用过程中，需要多次提拉钻孔并冲冷却水，而重复定位存在一定的误差，造成刀具偏离原先的规划，并且也难以保证骨组织的温度在安全范围内，骨组织灼伤坏死进而引起种植失败的情况无法完全避免。
7.基于以上情况，本发明设计一种用于口腔种植的钻铣复合刀具，并基于该刀具提
出一种口腔种植机器人的螺旋铣削备孔技术。


技术实现要素：

8.本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种备孔效率高，提拉次数少，安全可靠的口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具及其应用。
9.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具，包括相连接的刀柄和刀杆，所述刀杆上形成有沿刀杆长度方向依次设置的皮质骨成型刃、锯齿状切削刃和主切削刃，且皮质骨成型刃、锯齿状切削刃和主切削刃依次连接，主切削刃形成于刀杆端部；所述皮质骨成型刃、锯齿状切削刃和主切削刃的直径尺寸依次减小；所述刀柄上形成有安装卡槽。
10.作为本发明的一种优选方案，所述主切削刃为六刃结构，且主切削刃的六刃结构沿刀杆端部中心处圆周分布。
11.作为本发明的一种优选方案，所述锯齿状切削刃形成于刀杆外表面，且锯齿状切削刃端部与主切削刃边缘处相连通，锯齿状切削刃沿刀杆长度方向螺旋设置。
12.作为本发明的一种优选方案，所述皮质骨成型刃形成于刀杆外表面，且皮质骨成型刃端部与锯齿状切削刃端部相连通皮质骨成型刃沿刀杆长度方向螺旋设置。
13.作为本发明的一种优选方案，所述皮质骨成型刃的螺旋角度与锯齿状切削刃的螺旋角度相一致，且皮质骨成型刃的螺旋线与相对应的锯齿状切削刃螺旋线相连接。
14.作为本发明的一种优选方案，所述皮质骨成型刃的高度为2mm。
15.一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具的应用系统，包括钻铣复合刀具，包括机械手臂、种植手机、控制系统和定位标志器，种植手机安装于安装卡槽内，且刀柄连接于种植手机上，控制系统与机械手臂电性连接，定位标志器与种植手机电性连接。
16.作为本发明的一种优选方案，所述机械手臂具有六自由度，控制系统连有显示器。
17.一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具的应用方法，包括如权利要求7所述的钻铣复合刀具的应用系统，其特征在于，包括以下步骤：s1：数据获取，对患者进行ct数据和图像软件分析，选择相对应的种植体型号，并根据种植体型号选择选择合适直径以及长度的钻铣复合刀具；s2：设计种植方案，通过ct数据和图像软件分析患者手术区域颌骨骨量、神经管、邻牙等周围的相关组织情况，制定机械手的运动路径；s3：规划备孔轨迹，通过控制系统对钻铣复合刀具的备孔轨迹进行编程；s4：生成程序指令，对控制系统的程序进行调试和优化；s5：进行手术操作，将定位标志器佩戴于患者口腔内，在机械手臂的手术作业中，根据定位标志器的偏移及时对机械手臂的位置进行调整；s6：观察比对，通过将形成的窝洞备孔与预先设定的窝洞备孔进行比对；s7：流程结束，将钻铣复合刀具从种植手机上拆下并进行消毒处理。。
18.作为本发明的一种优选方案，所述s5中，首先采用钻削的方式对窝洞进行初步钻削，当钻铣复合刀具钻削至磨削旋平钻部分时，机械手臂采用以螺旋线的运动轨迹，通过铣削切削刃对种植牙窝洞进行螺旋铣的制备，钻铣复合刀具钻铣至皮质骨成型刃部分后，机械手臂停止运动，窝洞备孔完毕。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过在同一刀杆上设置依次连接的皮质骨成型刃、锯齿状切削刃和主切削刃，使得在手术过程中无需换刀，从而减少提刀次数，使得钻铣复合刀具在使用过程中无需重复定位，具有更好的稳定性和准确性，也提高备孔效率，减少过程中由于换钻导致的机器人重复定位误差以及降低备孔流程的繁琐程度；2、通过采用螺旋铣备孔技术，使得备孔切削量较小，骨屑没有堆积在刀具切削槽中，刀具周边堆积热量相较于传统麻花钻钻削小，传递到骨组织的热量较少，提高了手术的安全性；3.通过定位标志器的设置，使得机械手臂在工作过程中可及时调整位置，具有更好的束手稳定性；4、系统化的设置，大大的减少了现有种植牙手术对医生经验的依赖，进一步提高了种植牙的普及性。
附图说明
20.图1是钻铣复合刀具的结构示意图；图2是钻铣复合刀具的仰视图；图3是本发明的系统示意图；图4是本发明的流程示意图；图5是机械手臂的运动轨迹；图6是定位标志器的安装示意图；附图标记：机械手臂1，种植手机2，钻铣复合刀具3，刀柄31，刀杆32，主切削刃33，锯齿状切削刃34，皮质骨成型刃35，安装卡槽36，控制系统4，显示器5，定位标志器6。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
22.如图1-6所示，一种口腔种植机器人备孔钻铣复合刀具，包括相连接的刀柄31和刀杆32，所述刀杆32上形成有沿刀杆32长度方向依次设置的皮质骨成型刃35、锯齿状切削刃34和主切削刃33，且皮质骨成型刃35、锯齿状切削刃34和主切削刃33依次连接，主切削刃33形成于刀杆32端部；所述皮质骨成型刃35、锯齿状切削刃34和主切削刃33的直径尺寸依次减小；所述刀柄31上形成有安装卡槽36。
23.刀柄31和刀杆32为一体式结构，刀杆32设置于刀柄32轴向中心处，皮质骨成型刃35、锯齿状切削刃34和主切削刃33形成于刀杆32的不同位置处，主切削刃33位于刀杆32端部，皮质骨成型刃35靠近刀柄31设置，而锯齿状切削刃34设置于皮质骨成型刃35和主切削刃33之间，在刀杆32的下刀过程中，主切削刃33、锯齿状切削刃34和皮质骨成型刃35依次与患者相接触。
24.在皮质骨成型刃35、锯齿状切削刃34和主切削刃33的直径尺寸依次减小的作用下，主切削刃33进行定位以及打孔，主切削刃33可以对牙槽嵴进行平面打磨，且主切削韧33的底面与牙槽嵴是多点接触或面接触，可以防止钻铣复合刀具滑脱，随后锯齿状切削刃34进行铣削，去除磨削后的皮质骨以及较软的松质骨，最后，皮质骨成型刃35进行切削，形成
与所用种植体直径大小相配的窝洞。
25.刀柄31和刀杆32形成的钻铣复合刀具高度为15mm，刀杆32的直径为1.5mm，皮质骨成型刃35的直径根据所需种植体的直径大小进行设置。
26.主切削刃33为六刃结构，且主切削刃33的六刃结构沿刀杆32端部中心处圆周分布，在六刃结构的主切削刃33作用下，确保主切削韧33在与牙槽嵴接触时为多点接触，从而增大主切削韧33与牙槽嵴的接触面积，防止主切削韧33与牙槽嵴之间的滑脱，使得钻铣复合刀具在使用过程中具有更好的稳定性。
27.锯齿状切削刃34形成于刀杆32外表面，且锯齿状切削刃34端部与主切削刃33边缘处相连通，锯齿状切削刃34沿刀杆32长度方向螺旋设置，锯齿状切削刃34的相邻螺纹线之间的间距为0.25mm。
28.皮质骨成型刃35形成于刀杆32外表面，且皮质骨成型刃35端部与锯齿状切削刃34端部相连通皮质骨成型刃35沿刀杆32长度方向螺旋设置，皮质骨成型刃35的高度为2mm。
29.皮质骨成型刃35的螺旋角度与锯齿状切削刃34的螺旋角度相一致，且皮质骨成型刃35的螺旋线与相对应的锯齿状切削刃34螺旋线相连接。
30.一种钻铣复合刀具的应用系统，包括钻铣复合刀具，包括机械手臂1、种植手机2、控制系统4和定位标志器6，种植手机2安装于安装卡槽36内，且刀柄31连接于种植手机2上，控制系统4与机械手臂1电性连接，定位标志器6与种植手机2电性连接。
31.机械手臂1具有六自由度，控制系统4连有显示器5。
32.一种钻铣复合刀具的应用方法，包括应用系统，包括以下步骤：s1：数据获取，对患者进行ct数据和图像软件分析，医生在种植软件上根据患者实际情况选择种植体型号，选择相对应的种植体型号，并通过当前种植体的型号，根据种植体型号选择选择合适直径以及长度的钻铣复合刀具。
33.s2：设计种植方案，通过ct数据和图像软件分析患者手术区域颌骨骨量、神经管、邻牙等周围的相关组织情况，进行术前诊断和手术计划的制定，设定种植步骤，根据诊断分析，规划种植机械手臂的从初始位置到患者口腔附近的运动路径。
34.由于是机器人精确手术，因此手术实施采用微创种植手术，即无需翻瓣，而对种植位置进行环切去除少量牙龈后施行种植手术。
35.s3：规划备孔轨迹，通过控制系统4对钻铣复合刀具的备孔轨迹进行编程。
36.s4：生成程序指令，对控制系统4的程序进行调试和优化，根据种植方案的设定以及机械手臂1的规划路径用控制系统4编写出所对应的人机协作种植手术程序，通过调试和程序优化后，使得机械手臂1按设定的程序操作。
37.s5：进行手术操作，将定位标志器6佩戴于患者口腔内，在机械手臂1手术作业中，根据定位标志器6的偏移及时对机械手臂1的位置进行调整，由于在手术需要一段时间，实际上患者头部或者身体会有偶尔的微动，机械手臂1应迅速接受到患者佩戴的定位标志器6位置和坐标改变信号，通过反馈系统后快速做出相应的位置调整，寻找原设定的种植位置，对螺旋线运动轨迹进行差补，精确完成接下来的手术过程。
38.s6：观察比对，通过将形成的窝洞备孔与预先设定的窝洞备孔进行比对，如果临床发现需要调整手术方案，则介入操作，完成手术。在一般情况下，种植机器人是独立完成整个种植手术过程。为防止临床时，发现突发情况，需要调整手术方案，医生可以紧急停止机
械臂的工作，并根据具体情况介入操作，完成整个种植手术过程。
39.s7：流程结束，将钻铣复合刀具从种植手机2上拆下并进行消毒处理。
40.s5中，首先采用钻削的方式对窝洞进行初步钻削，当钻铣复合刀具钻削至磨削旋平钻部分时，机械手臂1采用以螺旋线的运动轨迹，通过铣削切削刃对种植牙窝洞进行螺旋铣的制备，钻铣复合刀具钻铣至皮质骨成型刃35部分后，机械手臂1停止运动，窝洞备孔完毕。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
42.尽管本文较多地使用了图中附图标记：机械手臂1，种植手机2，钻铣复合刀具3，刀柄31，刀杆32，主切削刃33，锯齿状切削刃34，皮质骨成型刃35，安装卡槽36，控制系统4，显示器5，定位标志器6等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。