一、目的及意义近年来,我国每年种植体的植入量已经超过20万颗,而且年增长率保持在20%以上,具有巨大的市场潜力和发展空间。然而,目前国内从事口腔种植的医生人数还较少,水平也参差不齐。而口腔种植作为一项对操作精度和经验水平都有极高要求的医疗技术,任何操作的微小失误和精度偏差都会影响到远期的功能和美观效果,甚至会损伤下颌神经、上颌窦底及鼻底黏膜等重要解剖结构,造成不必要的并发症。另外,由于口腔空间狭小,以及口颊软硬组织的阻挡,常常无法在直视下完成种植手术的操作,这无疑会对种植精度产生消极的影响。通过查阅文献,本课题组发现可以通过手术机器人技术来解决口腔种植手术中这些尚存问题。但现有的手术机器人系统无法满足口腔种植手术的需要,所以,本课题组拟研发一套高度自动化的口腔种植机器人系统,来填补该领域的空白。该系统主要包括主控计算机、机器人本体以及导航系统,其中导航系统是机器人的“眼睛”,为机器人采集种植术区和安装在机械臂末端的种植手机的实时空间位姿,机器人获取这些信息后,可在术中自动定位种植术区,并按手术方案自动精确调整种植手机在术区的位姿,完成植入窝洞的制备。其中导航系统对术区和机械臂末端种植手机的位姿的采集,是通过追踪固位于术区同颌牙列和安装在种植手机上的特定装置的示踪标记来实现的,这些特定装置就是空间映射装置,通过它们不仅可以定位术区和种植手机间的空间位置关系,还可以建立起虚拟(图像)空间和现实手术空间的映射关系,从而把现实空间中种植手机与术区颌骨的位置关系转换到虚拟空间中,并通过各自的三维模型将该关系呈现在显示器中,从而实现对手术过程全方位的监控。本研究的目的为,通过实验研发出可适用于本课题组所构建的口腔种植机器人系统的导航系统的空间映射装置,并对其应用进行研究,为实现本种植机器人精确作业提供技术支撑。二、实验方法第一部分为了简化术区映射装置的固位方法,本研究拟定采用硅橡胶印模材料通过取模操作来将其固位于术区同颌牙列上,但是,这种方法存在二次就位的问题,即术前患者戴着空间映射装置固位部分行CBCT扫描,完成手术规划后,术中再将其复位于患者牙列上,如果固位装置在牙列上的两次位置间差距较大,就会对导航精度差生影响,因此,首先需要对硅橡胶印模在牙列上的复位精度进行研究,以检验该法的可行性。实验设计为通过比较硅橡胶印模在牙列模型上两次就位的位移量的方法,来定量分析硅橡胶印模在牙列模型上的复位精度,该位移量通过预先设计在托盘上的阻射标记点在两次CBCT三维图像上的位移差量来表现,其次,考虑到时间因素是否对复位精度有影响,还需对其远期复位精度进行研究。另外,为了实现精确快速的测量,需要在图像处理软件中精确快速重建各部分的三维模型(阻射标记点、牙列模型以及硅橡胶印模),对于CBCT图像的三维重建主要是通过阈值分割(Thresholding)来进行的,相邻材料灰度值差异越大,越容易进行分割和重建,重建精度和效率也越高,而临床常用的可供选择的材料有很多品型,尤其是硅橡胶印模材料,因此计划,首先,通过对备选材料的CBCT的图像灰度值差异进行研究,以选出合适的实验用材;然后,用所得材料对硅橡胶印模在牙列模型上(上下颌各5例,无过大的颊舌向和近远中倒凹)的即刻和远期复位精度进行研究。第二部分以逆向工程软件设计,3D打印技术加工的方法,设计术区空间映射装置。首先,对其示踪标记制作方法进行优化研究;然后,设计其口内固位装置并通过合理设计丰富其功能;最后,用3D打印机加工一套完整的术区空间映射装置,并对其空间映射精度进行检测。第三部分用与实验二同样的方法,研发安装在机械臂末端的种植手机上的空间映射装置,并通过研究实体装配与设计装配中种植手机上车针尖点的位置偏差和轴线偏差,来定量评价装配精度。三、实验结果1、通过对备选材料的CBCT图像的灰度值的纵向和横向比较,得到了最优的材料组合,即DMG硅橡胶重体作为实验中的硅橡胶印模材料,Cavtion暂封王作为标记点材料,超硬石膏作为牙列模型材料。检验了硅橡胶印模在牙列模型上的即刻复位偏差为上颌0.110±0.032mm,下颌0.120±0.023mm,小于所用CBCT体素(0.25mm),可认为偏差在允许的范围内,并验证了在30天内硅橡胶印模在牙列模型上的复位精度不随时间的推移而变化,也不受上下颌牙列差异的影响。说明可以采用该方法将术区空间映射装置固位于术区同颌牙列上。2、探索到了最优的示踪标记制作方法,制作出了高精度的示踪标记。成功设计了用于种植上下颌不同缺牙类型的术区空间映射装置的口内固位装置(前牙型、左侧后牙型、右侧后牙型以及双侧后牙型),并通过借鉴成品托盘的设计理念,每型又设计了大、中、小三亚型,以便满足临床患者不同大小牙弓的使用需求,并在其上集成了开口保持器、内窥镜插口以及吸引器接口;实例检测空间映射偏差为0.4115±0.1409mm,可满足本机器人系统使用的要求。3、成功设计并加工出了安装于种植手机上的空间映射装置,且通过该装置可将种植手机稳固的安装在机械臂末端。其装配精度为:种植手机上车针尖点位置偏差约0.3393mm,车针轴线偏差约0.849°,装配精度较高,到达了预期研究目的。