本文關(guān)鍵詞：口腔種植機(jī)器人空間映射裝置的研發(fā)及其應(yīng)用研究

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【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(xiàng)對操作精度和經(jīng)驗(yàn)水平都有極高要求的醫(yī)療技術(shù),任何操作的微小失誤和精度偏差都會影響到遠(yuǎn)期的功能和美觀效果,甚至?xí)䲟p傷下頜神經(jīng)、上頜竇底及鼻底黏膜等重要解剖結(jié)構(gòu),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(shù)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(xiàn),本課題組發(fā)現(xiàn)可以通過手術(shù)機(jī)器人技術(shù)來解決口腔種植手術(shù)中這些尚存問題。但現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)無法滿足口腔種植手術(shù)的需要,所以,本課題組擬研發(fā)一套高度自動(dòng)化的口腔種植機(jī)器人系統(tǒng),來填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)主要包括主控計(jì)算機(jī)、機(jī)器人本體以及導(dǎo)航系統(tǒng),其中導(dǎo)航系統(tǒng)是機(jī)器人的“眼睛”,為機(jī)器人采集種植術(shù)區(qū)和安裝在機(jī)械臂末端的種植手機(jī)的實(shí)時(shí)空間位姿,機(jī)器人獲取這些信息后,可在術(shù)中自動(dòng)定位種植術(shù)區(qū),并按手術(shù)方案自動(dòng)精確調(diào)整種植手機(jī)在術(shù)區(qū)的位姿,完成植入窩洞的制備。其中導(dǎo)航系統(tǒng)對術(shù)區(qū)和機(jī)械臂末端種植手機(jī)的位姿的采集,是通過追蹤固位于術(shù)區(qū)同頜牙列和安裝在種植手機(jī)上的特定裝置的示蹤標(biāo)記來實(shí)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(shù)區(qū)和種植手機(jī)間的空間位置關(guān)系,還可以建立起虛擬(圖像)空間和現(xiàn)實(shí)手術(shù)空間的映射關(guān)系,從而把現(xiàn)實(shí)空間中種植手機(jī)與術(shù)區(qū)頜骨的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換到虛擬空間中,并通過各自的三維模型將該關(guān)系呈現(xiàn)在顯示器中,從而實(shí)現(xiàn)對手術(shù)過程全方位的監(jiān)控。本研究的目的為,通過實(shí)驗(yàn)研發(fā)出可適用于本課題組所構(gòu)建的口腔種植機(jī)器人系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)的空間映射裝置,并對其應(yīng)用進(jìn)行研究,為實(shí)現(xiàn)本種植機(jī)器人精確作業(yè)提供技術(shù)支撐。二、實(shí)驗(yàn)方法第一部分為了簡化術(shù)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(shù)區(qū)同頜牙列上,但是,這種方法存在二次就位的問題,即術(shù)前患者戴著空間映射裝置固位部分行CBCT掃描,完成手術(shù)規(guī)劃后,術(shù)中再將其復(fù)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(dǎo)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(fù)位精度進(jìn)行研究,以檢驗(yàn)該法的可行性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(fù)位精度,該位移量通過預(yù)先設(shè)計(jì)在托盤上的阻射標(biāo)記點(diǎn)在兩次CBCT三維圖像上的位移差量來表現(xiàn),其次,考慮到時(shí)間因素是否對復(fù)位精度有影響,還需對其遠(yuǎn)期復(fù)位精度進(jìn)行研究。另外,為了實(shí)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(biāo)記點(diǎn)、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(jìn)行的,相鄰材料灰度值差異越大,越容易進(jìn)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(jì)劃,首先,通過對備選材料的CBCT的圖像灰度值差異進(jìn)行研究,以選出合適的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)中倒凹)的即刻和遠(yuǎn)期復(fù)位精度進(jìn)行研究。第二部分以逆向工程軟件設(shè)計(jì),3D打印技術(shù)加工的方法,設(shè)計(jì)術(shù)區(qū)空間映射裝置。首先,對其示蹤標(biāo)記制作方法進(jìn)行優(yōu)化研究;然后,設(shè)計(jì)其口內(nèi)固位裝置并通過合理設(shè)計(jì)豐富其功能;最后,用3D打印機(jī)加工一套完整的術(shù)區(qū)空間映射裝置,并對其空間映射精度進(jìn)行檢測。第三部分用與實(shí)驗(yàn)二同樣的方法,研發(fā)安裝在機(jī)械臂末端的種植手機(jī)上的空間映射裝置,并通過研究實(shí)體裝配與設(shè)計(jì)裝配中種植手機(jī)上車針尖點(diǎn)的位置偏差和軸線偏差,來定量評價(jià)裝配精度。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)中的硅橡膠印模材料,Cavtion暫封王作為標(biāo)記點(diǎn)材料,超硬石膏作為牙列模型材料。檢驗(yàn)了硅橡膠印模在牙列模型上的即刻復(fù)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(rèn)為偏差在允許的范圍內(nèi),并驗(yàn)證了在30天內(nèi)硅橡膠印模在牙列模型上的復(fù)位精度不隨時(shí)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(shù)區(qū)空間映射裝置固位于術(shù)區(qū)同頜牙列上。2、探索到了最優(yōu)的示蹤標(biāo)記制作方法,制作出了高精度的示蹤標(biāo)記。成功設(shè)計(jì)了用于種植上下頜不同缺牙類型的術(shù)區(qū)空間映射裝置的口內(nèi)固位裝置(前牙型、左側(cè)后牙型、右側(cè)后牙型以及雙側(cè)后牙型),并通過借鑒成品托盤的設(shè)計(jì)理念,每型又設(shè)計(jì)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(shí)例檢測空間映射偏差為0.4115±0.1409mm,可滿足本機(jī)器人系統(tǒng)使用的要求。3、成功設(shè)計(jì)并加工出了安裝于種植手機(jī)上的空間映射裝置,且通過該裝置可將種植手機(jī)穩(wěn)固的安裝在機(jī)械臂末端。其裝配精度為:種植手機(jī)上車針尖點(diǎn)位置偏差約0.3393mm,車針軸線偏差約0.849°,裝配精度較高,到達(dá)了預(yù)期研究目的。
【關(guān)鍵詞】：機(jī)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(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(xiàn)回顧14-29
• 第一部分 硅橡膠印模在牙列模型上復(fù)位精度的研究29-45
• 實(shí)驗(yàn)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(shè)備30
• 2 方法30-32
• 3 結(jié)果32-33
• 4 討論33-35
• 實(shí)驗(yàn)二 硅橡膠印模在牙列模型上復(fù)位精度的研究35-45
• 1 材料和設(shè)備35
• 2 方法35-42
• 3 結(jié)果42-44
• 4 討論44-45
• 第二部分 術(shù)區(qū)空間映射裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化45-71
• 實(shí)驗(yàn)一 示蹤標(biāo)記的設(shè)計(jì)及其制作方法的優(yōu)化45-58
• 1 材料和設(shè)備45-48
• 2 方法48-53
• 3 結(jié)果53-56
• 4 討論56-58
• 實(shí)驗(yàn)二 術(shù)區(qū)空間映射裝置的口內(nèi)固位裝置及其與示蹤標(biāo)記間的連接裝置的設(shè)計(jì)58-65
• 1 設(shè)備58
• 2 方法58-59
• 3 結(jié)果59-63
• 4 討論63-65
• 實(shí)驗(yàn)三 實(shí)例檢測術(shù)區(qū)空間映射裝置的空間映射精度65-71
• 1 材料設(shè)備65
• 2 方法65-67
• 3 結(jié)果67-69
• 4 討論69-71
• 第三部分 安裝于種植手機(jī)上的空間映射裝置的設(shè)計(jì)71-82
• 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備71-72
• 2 方法72-77
• 3 結(jié)果77-79
• 4 討論79-82
• 全文總結(jié)82-84
• 參考文獻(xiàn)84-93
• 個(gè)人簡歷和研究成果93-94
• 致謝94

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本文編號：840598