本文關鍵詞：口腔種植機器人空間映射裝置的研發(fā)及其應用研究

  更多相關文章： 機器人 種植牙 空間映射裝置 定位 精度 硅橡膠印模材料 CBCT 灰度值

【摘要】：一、目的及意義近年來,我國每年種植體的植入量已經(jīng)超過20萬顆,而且年增長率保持在20%以上,具有巨大的市場潛力和發(fā)展空間。然而,目前國內(nèi)從事口腔種植的醫(yī)生人數(shù)還較少,水平也參差不齊。而口腔種植作為一項對操作精度和經(jīng)驗水平都有極高要求的醫(yī)療技術,任何操作的微小失誤和精度偏差都會影響到遠期的功能和美觀效果,甚至會損傷下頜神經(jīng)、上頜竇底及鼻底黏膜等重要解剖結構,造成不必要的并發(fā)癥。另外,由于口腔空間狹小,以及口頰軟硬組織的阻擋,常常無法在直視下完成種植手術的操作,這無疑會對種植精度產(chǎn)生消極的影響。通過查閱文獻,本課題組發(fā)現(xiàn)可以通過手術機器人技術來解決口腔種植手術中這些尚存問題。但現(xiàn)有的手術機器人系統(tǒng)無法滿足口腔種植手術的需要,所以,本課題組擬研發(fā)一套高度自動化的口腔種植機器人系統(tǒng),來填補該領域的空白。該系統(tǒng)主要包括主控計算機、機器人本體以及導航系統(tǒng),其中導航系統(tǒng)是機器人的“眼睛”,為機器人采集種植術區(qū)和安裝在機械臂末端的種植手機的實時空間位姿,機器人獲取這些信息后,可在術中自動定位種植術區(qū),并按手術方案自動精確調(diào)整種植手機在術區(qū)的位姿,完成植入窩洞的制備。其中導航系統(tǒng)對術區(qū)和機械臂末端種植手機的位姿的采集,是通過追蹤固位于術區(qū)同頜牙列和安裝在種植手機上的特定裝置的示蹤標記來實現(xiàn)的,這些特定裝置就是空間映射裝置,通過它們不僅可以定位術區(qū)和種植手機間的空間位置關系,還可以建立起虛擬(圖像)空間和現(xiàn)實手術空間的映射關系,從而把現(xiàn)實空間中種植手機與術區(qū)頜骨的位置關系轉換到虛擬空間中,并通過各自的三維模型將該關系呈現(xiàn)在顯示器中,從而實現(xiàn)對手術過程全方位的監(jiān)控。本研究的目的為,通過實驗研發(fā)出可適用于本課題組所構建的口腔種植機器人系統(tǒng)的導航系統(tǒng)的空間映射裝置,并對其應用進行研究,為實現(xiàn)本種植機器人精確作業(yè)提供技術支撐。二、實驗方法第一部分為了簡化術區(qū)映射裝置的固位方法,本研究擬定采用硅橡膠印模材料通過取模操作來將其固位于術區(qū)同頜牙列上,但是,這種方法存在二次就位的問題,即術前患者戴著空間映射裝置固位部分行CBCT掃描,完成手術規(guī)劃后,術中再將其復位于患者牙列上,如果固位裝置在牙列上的兩次位置間差距較大,就會對導航精度差生影響,因此,首先需要對硅橡膠印模在牙列上的復位精度進行研究,以檢驗該法的可行性。實驗設計為通過比較硅橡膠印模在牙列模型上兩次就位的位移量的方法,來定量分析硅橡膠印模在牙列模型上的復位精度,該位移量通過預先設計在托盤上的阻射標記點在兩次CBCT三維圖像上的位移差量來表現(xiàn),其次,考慮到時間因素是否對復位精度有影響,還需對其遠期復位精度進行研究。另外,為了實現(xiàn)精確快速的測量,需要在圖像處理軟件中精確快速重建各部分的三維模型(阻射標記點、牙列模型以及硅橡膠印模),對于CBCT圖像的三維重建主要是通過閾值分割(Thresholding)來進行的,相鄰材料灰度值差異越大,越容易進行分割和重建,重建精度和效率也越高,而臨床常用的可供選擇的材料有很多品型,尤其是硅橡膠印模材料,因此計劃,首先,通過對備選材料的CBCT的圖像灰度值差異進行研究,以選出合適的實驗用材;然后,用所得材料對硅橡膠印模在牙列模型上(上下頜各5例,無過大的頰舌向和近遠中倒凹)的即刻和遠期復位精度進行研究。第二部分以逆向工程軟件設計,3D打印技術加工的方法,設計術區(qū)空間映射裝置。首先,對其示蹤標記制作方法進行優(yōu)化研究;然后,設計其口內(nèi)固位裝置并通過合理設計豐富其功能;最后,用3D打印機加工一套完整的術區(qū)空間映射裝置,并對其空間映射精度進行檢測。第三部分用與實驗二同樣的方法,研發(fā)安裝在機械臂末端的種植手機上的空間映射裝置,并通過研究實體裝配與設計裝配中種植手機上車針尖點的位置偏差和軸線偏差,來定量評價裝配精度。三、實驗結果1、通過對備選材料的CBCT圖像的灰度值的縱向和橫向比較,得到了最優(yōu)的材料組合,即DMG硅橡膠重體作為實驗中的硅橡膠印模材料,Cavtion暫封王作為標記點材料,超硬石膏作為牙列模型材料。檢驗了硅橡膠印模在牙列模型上的即刻復位偏差為上頜0.110±0.032mm,下頜0.120±0.023mm,小于所用CBCT體素(0.25mm),可認為偏差在允許的范圍內(nèi),并驗證了在30天內(nèi)硅橡膠印模在牙列模型上的復位精度不隨時間的推移而變化,也不受上下頜牙列差異的影響。說明可以采用該方法將術區(qū)空間映射裝置固位于術區(qū)同頜牙列上。2、探索到了最優(yōu)的示蹤標記制作方法,制作出了高精度的示蹤標記。成功設計了用于種植上下頜不同缺牙類型的術區(qū)空間映射裝置的口內(nèi)固位裝置(前牙型、左側后牙型、右側后牙型以及雙側后牙型),并通過借鑒成品托盤的設計理念,每型又設計了大、中、小三亞型,以便滿足臨床患者不同大小牙弓的使用需求,并在其上集成了開口保持器、內(nèi)窺鏡插口以及吸引器接口;實例檢測空間映射偏差為0.4115±0.1409mm,可滿足本機器人系統(tǒng)使用的要求。3、成功設計并加工出了安裝于種植手機上的空間映射裝置,且通過該裝置可將種植手機穩(wěn)固的安裝在機械臂末端。其裝配精度為:種植手機上車針尖點位置偏差約0.3393mm,車針軸線偏差約0.849°,裝配精度較高,到達了預期研究目的。
【關鍵詞】：機器人 種植牙 空間映射裝置 定位 精度 硅橡膠印模材料 CBCT 灰度值
【學位授予單位】：第四軍醫(yī)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R783.6;TP242
【目錄】：

• 縮略語表5-6
• 中文摘要6-9
• 英文摘要9-13
• 前言13-14
• 文獻回顧14-29
• 第一部分 硅橡膠印模在牙列模型上復位精度的研究29-45
• 實驗一 備選材料在CBCT圖像中的灰度值差異的研究29-35
• 1 材料和設備30
• 2 方法30-32
• 3 結果32-33
• 4 討論33-35
• 實驗二 硅橡膠印模在牙列模型上復位精度的研究35-45
• 1 材料和設備35
• 2 方法35-42
• 3 結果42-44
• 4 討論44-45
• 第二部分 術區(qū)空間映射裝置的設計及優(yōu)化45-71
• 實驗一 示蹤標記的設計及其制作方法的優(yōu)化45-58
• 1 材料和設備45-48
• 2 方法48-53
• 3 結果53-56
• 4 討論56-58
• 實驗二 術區(qū)空間映射裝置的口內(nèi)固位裝置及其與示蹤標記間的連接裝置的設計58-65
• 1 設備58
• 2 方法58-59
• 3 結果59-63
• 4 討論63-65
• 實驗三 實例檢測術區(qū)空間映射裝置的空間映射精度65-71
• 1 材料設備65
• 2 方法65-67
• 3 結果67-69
• 4 討論69-71
• 第三部分 安裝于種植手機上的空間映射裝置的設計71-82
• 1 實驗設備71-72
• 2 方法72-77
• 3 結果77-79
• 4 討論79-82
• 全文總結82-84
• 參考文獻84-93
• 個人簡歷和研究成果93-94
• 致謝94

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本文編號：840598