【摘 要】
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牙齿的缺失影响了咀嚼、发音、容貌以及消化系统等功能,严重降低了患者的生活质量。我国人口牙齿的缺失总量达10.1亿颗,虽然国际上将种植牙作为缺牙首选的临床修复方式,但我国每年植入的种植体数量仅有200万颗左右。目前种植牙手术操作主要有自由手,静、动态导航引导三种方式,其中自由手操作主要依赖医生经验,而静、动态导航引导手术仍然需要医生实施手术操作,自动化程度以及手术的灵活性都有提高的空间。随着手术机器
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牙齿的缺失影响了咀嚼、发音、容貌以及消化系统等功能,严重降低了患者的生活质量。我国人口牙齿的缺失总量达10.1亿颗,虽然国际上将种植牙作为缺牙首选的临床修复方式,但我国每年植入的种植体数量仅有200万颗左右。目前种植牙手术操作主要有自由手,静、动态导航引导三种方式,其中自由手操作主要依赖医生经验,而静、动态导航引导手术仍然需要医生实施手术操作,自动化程度以及手术的灵活性都有提高的空间。随着手术机器人技术研究的深入并在脑外科、腹腔内手术等领域的广泛应用,机器人种植牙手术也得到了越来越多的关注,其对于提高口腔种植技术的自动化和智能化水平具有重要的研究意义。目前机器人种植牙技术的研究和应用都很初步,主要集中在前牙区的实验性研究,对后牙缺失区域的机器人手术、手术定位以及机器人自主种植牙手术过程的运动规划等问题还缺乏深入研究。(1)本文通过分析种植牙手术需求,利用UR5六自由度机器人以及机器人开发平台ROS(Robot Operation System)构建了一套机器人种植牙手术实验系统,在此基础上结合种植牙临床特点对本系统的运动安全性方面进行分析与改进。(2)分析种植牙手术空间的障碍物,并提出了种植牙手术场景的构建方法。(3)将种植牙手术中的机器人运动划分为口腔外部、口腔内部以及备孔三个运动阶段,分析机器人终端三种轨迹运动的控制方法,采用工作空间规划和笛卡尔空间规划相结合的混合终端轨迹运动控制方式。(4)在后牙缺失待种植区采用导板和定位支架相结合的定位方法,设计数字化种植方案,并通过Magics软件精确获取种植体在局部坐标系中的植入位置,根据机器人末端执行器上的牙钻确定并反馈定位支架坐标,从而获取种植体在基坐标下的植入位姿(位置和角度)。(5)分析运动规划库OMPL中的算法,对比RRT、RRT_Connect以及RRT_Star在三维空间场景的规划成功率和搜索速度,选择适用于机器人种植牙的RRT_Star算法完成自主式种植牙手术实验。(6)搭建机器人种植牙实验平台,完成备孔实验,进一步采用高精度扫描仪获取颌骨模型(含孔内标定杆),实现误差的测量,结果显示在植入位置偏差以及植入深度偏差的平均分别为1.038 mm,0.264 mm,满足临床要求,初步验证了机器人种植牙手术实验系统的精度以及手术实验方法的可行性。
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