用于模拟牙科手术和方法的装置和机构与流程

文档序号:33507345发布日期:2023-03-18 04:10阅读:131来源:国知局
用于模拟牙科手术和方法的装置和机构与流程

1.本公开涉及用于模拟医疗手术和方法的装置以及用于此类装置的机构,尤其使用虚拟、混合和/或增强现实来模拟医生活动的装置和方法。


背景技术:

2.一些已知的虚拟医疗模拟器涉及提供模拟环境的计算机,其使用显示屏向用户示出模拟环境和触觉臂以基于模拟环境中的事件提供触觉力反馈。虚拟医疗模拟器的实例有例如牙科模拟器、眼科手术模拟器和关节镜手术模拟器。
3.牙科学,也称为牙齿和口腔医学,是医学的一个分支,由口腔的疾病、疾患和病症的研究、诊断、预防和治疗组成,常见于牙列,但也存在于口腔粘膜,以及邻近和相关的结构和组织中,特别是在颌面部(颌和颊)区域。牙科涵括与口腔相关的实践,由牙科医师、牙科外科医师、口腔外科医师、颌面外科医师、牙科保健员和牙科治疗师以牙科手术和治疗的形式进行。
4.牙科学生需要培训设施,而使用真实患者有明显的缺点,例如,传染性疾病的传播风险以及由于缺乏经验的从业者的不完善手术可能给患者带来痛苦。
5.用于模拟牙科手术的牙科模拟器在本领域中是已知的。这些模拟器用于培训牙科学生,从而减少利用带有塑料模体牙齿的塑料模体头部(不能提供准确的模拟,不允许客观评估或跟踪工作,并且不环保)进行培训的需要和减少利用真实患者进行培训的需要。已知的牙科模拟器包括控制模拟并拥有虚拟环境的计算机、显示模拟环境的显示屏以及连接到计算机以提供输入的一个或两个手持件。模拟环境包括受试者、一组虚拟牙齿、由手持件控制的工具的虚拟类型以及手持件本身的虚拟类型。工具可以是手术器械(手术刀、注射器等)或其他装置(诸如镜子、导向器或探针)。手持件连接到确定其位置和方向的传感器,用于控制(显示)工具在虚拟环境中的位置。通常,手持件之一安装在触觉反馈系统上,计算机通过该系统控制用户通过手持件感受到的力。
6.静止的u形导轨等用作牙科学生(用户)的手/手指的放手架。在真实牙科手术或治疗中,牙科医师通常会将他的手指放在患者的牙齿和颌上,并且因此在已知的牙科模拟器中使用单个固定u形导轨进行的模拟并不是真实的模拟。
7.视觉显示屏设置在用户的眼睛与手持件和导轨之间,并且呈现虚拟环境,该虚拟环境示出虚拟颌上的一组虚拟牙齿。已知模拟器包括控制模拟并拥有虚拟环境的计算机、显示模拟环境的显示屏以及连接到计算机以提供输入/输出的一个或两个手持件。模拟环境包括受试者,以及由手持件控制的工具的虚拟类型。工具可以是手术器械(手术刀、注射器等)或其他装置(例如镜子或探针)。手持件连接到确定其位置的传感器,用于控制工具在虚拟环境中的位置。手持件之一安装在触觉反馈系统上,允许计算机控制用户通过手持件感受到的力,从而实现更逼真的模拟。因此,手持件的虚拟类型显示在显示屏上,但用户看不到自己的手指或手,这是一个缺点,因为它忽视了用户重要的视觉输入。
8.上面提到的已知牙科模拟器使用触觉臂,该触觉臂经由使用转动连接件的弯曲连
杆连接到医疗(牙科)手持件的远侧端部(设置有末端执行器的端部,例如形状类似于牙科手持件中的头部),以允许手持件围绕在远侧端部处或附近基本上重合三个正交轴线旋转。然而,远侧端部是在工作空间中被操纵的端部,并且这种已知构造具有触觉臂,并且尤其是将触觉臂连接到手持件的连杆突出到工作空间中的缺点。
9.ep2988288公开了根据权利要求1的前序部分的医疗手术模拟器。


技术实现要素:

10.一个目的是提供克服或至少减少至少一个上述问题的医疗模拟器。
11.前述和其他目的通过独立权利要求的特征实现。进一步的实施形式从从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
12.根据第一方面,提供了用于模拟医疗治疗或手术的医疗手术模拟器,所述医疗手术模拟器包括:
13.具有近侧端部和远侧端部的手持件,所述手持件被配置成由用户在真实空间中的工作空间中操纵,由计算机控制的触觉臂,所述触觉臂被配置为通过具有触觉臂的手持件的触觉反馈,优选触觉力反馈来模拟医疗手术或治疗,连接到手持件的近侧端部并在触觉臂上的连接位置处连接到触觉臂的机构,
14.所述机构包括联接到第二平行四杆连杆机构的第一平行四杆连杆机构,所述机构被配置为允许手持件围绕通过工作空间中的公共点相交的三个正交轴线旋转,
15.公共点是相对于连接位置的固定位置,使得公共点与连接位置一致移动,并且
16.公共点位于距连接位置的固定距离处。
17.所述机构允许手持件在其近侧端部连接,同时保持手持件的旋转轴线在手持件的远侧端部处或附近(在公共点处),并且触觉臂上的连接位置与公共点相距固定距离。
18.公共点优选地对应于虚拟地连接到手持件的远侧端部的虚拟工具的尖端。因此,所有旋转都是围绕虚拟工具的尖端进行的。
19.在医疗手术模拟器是牙科模拟器的情况下,虚拟工具通常是虚拟牙钻。
20.用户体验到作用在远侧端部的触觉力反馈力,就像他们在真实的医疗手术中所做的那样。因此,该机构允许手持件以其远侧端部突出到工作空间中,而连接到触觉臂的任何其他部分都没有突出到工作空间中。这有助于改进在人体或动物体腔中(深部)执行的治疗或手术的模拟,许多类型的医疗治疗或手术都是这种情况。此外,可以布置模体体部分,例如模体体腔,其中手持件以其远侧端部突出,而连接到触觉力反馈臂的任何其他部分均没有与假体部分邻接(并且从而破坏模拟的真实性)的风险。模体部分的另一个实例可以是虚拟牙齿的模体相邻牙齿,它可以充当用户的真实指状支托。因此,模拟变得更加逼真,并且可以在由模体体部位形成的凹部或腔中进行模拟。
21.根据第一方面的可能实施形式,公共点位于距离连接位置固定距离(d)处。
22.根据第一方面的可能实施形式,手持件代表具有真实近侧端部和真实远侧端部的真实医疗手持件,真实远侧端部的形状类似于真实远侧端部,并且被配置为设置有真实末端执行器。在医疗模拟器中,末端执行器是虚拟末端执行器。
23.根据第一方面的可能实施形式,所述远侧端部代表真实医疗手持件的远侧端部。
24.根据第一方面的可能实施形式,手持件的形状和尺寸类似于真实医疗手持件。
25.根据第一方面的可能实施形式,连接位置在触觉臂的自由端部。
26.一方面,计算机被配置为提供虚拟环境,该环境包括模拟真实末端执行器的虚拟末端执行器。
27.根据第一方面的可能实施形式,远侧端部是来自虚拟末端执行器的模拟力被感知为作用在手持件上的端部。
28.根据第一方面的可能实施形式,手持件的形状和尺寸类似于牙钻,并且其中远侧端部的形状类似于牙钻头,并且其中医疗手术或治疗优选是牙科手术或治疗。
29.根据第一方面的可能实施形式,计算机被配置为通过响应于用户在工作空间中对手持件的操纵的力反馈来模拟医疗手术或治疗。
30.根据第一方面的可能实施形式,公共点与远侧端部基本重合。
31.根据第一方面的可能实施形式,该机构为手持件的多个轴线提供远程公共旋转中心。
32.根据第一方面的可能实施形式,第一平行四杆连杆机构与第二平行四杆连杆机构可操作地联接以允许手持件围绕与公共点重合的第二轴线旋转。
33.根据第一方面的可能实施形式,第二平行四杆连杆机构通过第二转动连接件连接到触觉臂,第二转动连接件允许围绕平行于触觉臂的范围的第三轴线旋转,并且第三轴线优选与公共点重合。
34.根据第一方面的可能实施形式,所述机构包括通过转动连接件连接到近侧端部的第一臂,所述转动连接件允许手持件围绕与手持件的纵向轴线重合的第一轴线旋转,所述第一臂优选是第一平行四杆连杆机构的第一对平行臂的一部分。
35.根据第一方面的可能实施形式,触觉臂包括连杆机构,所述连杆机构包括主连杆,所述主连杆通过致动器可操作地联接到基准件(reference),所述主连杆包括三维力传感器,用于在三个维度上感测由用户施加到手持件上的力,所述三维力传感器设置在所述连接位置与所述致动器连接到所述主连杆的任意位置之间,并且所述三维力传感器优选地为所述主连杆的组成部分。
36.根据第一方面的可能实施形式,第一转动连接件设置有旋转位置传感器,用于感测手持件相对于第一臂的旋转位置。
37.根据第一方面的可能实施形式,所述手持件内部设置有惯性测量单元。
38.根据第一方面的可能实施形式,医疗手术模拟器包括模体上颌和模体下颌,优选作为模体头部的一部分,所述模体下颌与所述模体上颌成颌角布置,所述颌角不超过55
°
,优选不超过50
°
,以及甚至更优选不超过45
°
,并且所述连接位置位于所述下颌的下方,优选地位于所述下颌的内下方。
39.根据第一方面的可能实施形式,下颌布置成相对于上颌在闭合位置和打开位置之间能枢转,上颌和下颌之间的最大角度被限制为不超过55
°
,优选不超过50
°
并且甚至更优选不超过45
°

40.根据第一方面的可能实施形式,模体头部的默认方向对应于患者在完全倾斜的牙科椅中的位置,即,患者的面部基本向上。
41.根据第一方面的可能实施形式,向手持件的旋转轴线提供动力并且控制施加到手持件的扭矩以提供关于手持件方向的触觉反馈。
42.根据第一方面的可能实施形式,力传感器与手持件相关联,优选扭矩传感器并且更优选三维扭矩传感器。
43.根据第一方面的可能实施形式,计算机被配置为利用触觉臂通过触觉反馈、优选触觉力控制反馈以及利用显示屏通过视觉反馈来模拟医疗手术或治疗。
44.根据第一方面的可能实施形式,触觉臂上的连接位置在触觉臂端处或触觉臂端附近。
45.根据第一方面的可能实施形式,医疗手术模拟器包括基准件,其中触觉臂连杆机构在相对于基准件的连接位置处提供至少六个独立的自由度。
46.根据第一方面的可能实施形式,手持件包括从近侧端部向远侧端部延伸并在其近侧端部连接到机构的手柄部分。
47.根据第一方面的可能实施形式,所述触觉臂具有受控端部,并且其中,连接位置在受控端部处或受控端部附近。
48.根据第一方面的可能实施形式,医疗手术模拟器包括显示屏,并且其中,计算机被配置为在显示屏上显示虚拟环境,所述虚拟环境至少包括设置有虚拟末端执行器的虚拟手持件,计算机被配置为将虚拟手持件和虚拟末端执行器与手持件共同定位)。
49.根据第二方面,提供了用于将根据第一方面或其任何可能实施方式的医疗模拟器的手持件连接到医疗模拟器的触觉臂的机构,所述机构包括:用于经由第一转动连接件连接到手持件的第一臂,第一转动连接件允许手持件围绕与手持件的纵向轴线重合的第一轴线旋转,所述第一臂是第一平行四杆连杆机构的一部分,第一平行四杆连杆机构可操作地连接到第二四杆连杆机构以允许手持件围绕第二轴线旋转,第二平行四杆连杆机构包括用于经由第二转动连接件连接到触觉臂的第二臂,所述第二转动连接件允许手持件围绕平行于触觉臂的第三轴线旋转。
50.根据第二方面的可能实施,所述机构包括具有真实近侧端部和真实远侧端部的真实手持件,真实远侧端部的形状和尺寸类似于真实医疗手持件的远侧端部,其被配置为设置有真实末端执行器以执行医疗治疗或手术。
51.根据第二方面的可能实施,远侧端部代表真实医疗手持件的真实远侧端部。
52.根据第二方面的可能实施,手持件的形状和尺寸类似于真实医疗手持件。
53.根据第二方面的可能实施,远侧端部是来自虚拟末端执行器的模拟力作用在手持件上的端部。
54.根据第二方面的可能实施,手持件的形状和尺寸类似于牙钻,并且其中远侧端部的形状类似于牙钻头,并且其中医疗手术或治疗优选是牙科手术或治疗。
55.根据第二方面的可能实施,第二轴线与第三轴线成一定角度,优选成直角。
56.根据第二方面的可能实施,第一、第二和第三轴线在远侧端部处或远侧端部附近的公共点处基本重合。
57.根据第二方面的可能实施,公共点与第二转动连接件一致移动。
58.根据第二方面的可能实施,第一轴线、第二轴线和第三轴线相交于相对于第二转动连接件固定并且与第二转动连接件处于固定距离的空间中的位置。
59.根据第二方面的可能实施,第一平行四杆连杆机构包括第一对平行连杆和第一对平行臂,
60.其中,第二平行四杆连杆机构包括第二对平行连杆和第二对平行臂,
61.其中,第一对平行臂由第一臂和由第二对平行连杆中的一个连杆的延伸形成的臂形成,并且
62.其中,第二对平行臂由第二臂和由第一对平行连杆中的一个连杆的延伸形成的臂形成。
63.根据第二方面的可能实施,第一对连杆的一个连杆和第二对连杆的一个连杆由在第二轴线的方向上间隔开的两个平行构件形成,这两个平行构件优选通过支撑件互连。
64.根据第二方面的可能实施,第一对连杆中的连杆是扭结的。
65.根据第二方面的可能实施,所述机构由可操作地连接到所述机构的一个或多个弹性构件平衡,所述弹性构件优选地为长弹性绳索或缆索。
66.根据第二方面的可能实施,第一平行四杆连杆机构和/或第二平行四杆连杆机构被覆盖物包围。
67.根据第二方面的可能实施,第一平行四杆连杆机构的连杆和第二平行四杆连杆机构的连杆在平行平面中移动,
68.第一平行四杆连杆机构和第二平行四杆连杆机构是平面四杆连杆机构。
69.这些和其他方面将从下面描述的一种或多种实施方式中显而易见。
附图说明
70.在本公开的以下详细部分中,将参考附图中示出的实例实施方式来更详细地解释方面、实施方式和实施,其中:
71.图1是根据实施方式的医疗手术模拟器的俯视图,
72.图2是根据图1的医疗手术模拟器的侧视图,
73.图3是图1的牙科手术模拟器的显示壳体的前视图,
74.图4是通过图3的显示壳体的剖视图,还图示了工作空间、用户的眼睛和视觉空间,
75.图5是从用户视角通过显示壳体中的半透明镜子到图1的牙科手术模拟器的工作空间的俯视图,还示出了通过来自半透明镜子的反射的虚拟环境,
76.图6是由图1的牙科手术模拟器显示的混合现实虚拟环境的图像,
77.图7是图1的牙科手术模拟器中使用的模体头部及其安装系统的俯视图,包括特定模体下颌和特定模体上颌,
78.图8是图7的模体头部的侧视图,
79.图9是模体头部的侧视图,示出了模体头部的颌之间的工作空间并示出了手持件和连接到图1的医疗手术模拟器的触觉臂的机构,
80.图10是如图1的医疗手术模拟器中所使用的连杆机构及其驱动系统和连接到连杆机构的手持件的实施方式的俯视图,
81.图11是图10的连杆机构及其驱动系统和连接到连杆机构的手持件的前视图,
82.图12至14是图10的连杆机构及其驱动系统以及通过机构连接到连杆机构的手持件的侧视图,其中手持件处于不同的方向,
83.图15至图17是图10的连杆机构及其驱动系统以及通过机构连接到连杆机构的手持件的俯视图,其中手持件处于不同的方向,
84.图18是根据实施方式的机构和手持件的侧视图,
85.图19是图18的机构和手持件的俯视图,
86.图20是图1的牙科手术模拟器的示意图,还示出了用户的眼睛和视觉空间,以及
87.图21是可以在牙科手术模拟器中使用的控制系统的实施方式的示意图。
具体实施方式
88.参考附图,特别是图1至9和20,其示出了医疗手术模拟器1,尤其是用于模拟牙科手术和治疗的牙科手术模拟器1的实施方式。医疗手术模拟器1旨在用于培训医疗专业人员或学生的技能和能力。在牙科手术模拟器1的情况下,牙科手术模拟器旨在用于培训牙科医师、牙科外科医师、口腔外科医师、颌面外科医师、牙科保健员和牙科治疗师的技能和能力。接受牙科手术模拟器培训的用户可以是学生或专业人员。牙科手术模拟器1通常包括第一手持件30,在该实施方式中是代表牙钻手柄的第一手持件30,底座2,在该实施方式中是具有容纳计算机80的下部壳体的底座,立柱3,在该实施方式中是高度可调的柱,容纳与第一手持件30连接的连杆机构40的主壳体4、模体头部10和支撑显示壳体6的支撑臂5。在实施方式中,第一手持件30形状和尺寸类似于真实牙科手持件。第一手持件30具有近侧端部39和远侧端部31,并且第一手持件30包括从近侧端部39向远侧端部31延伸的手柄部分。
89.臂5还承载镜子工具60,其包括形成被动臂的连杆机构和附接到被动臂的自由端部的模拟牙镜的第二手持件61。
90.底座2在实施方式中是轮式底座,用于允许医疗手术模拟器1容易地被用户滚动到另一个位置。立柱3从底座2延伸至主壳体4并支撑主壳体4。
91.模体头部10悬挂在主壳体4的前侧,并且显示壳体6通过支撑臂5悬挂在主壳体4上。
92.医疗手术模拟器1包括下壳体,其中布置有计算机80,连同用于计算机80和医疗手术模拟器1的其他电子部件的电源。在实施方式中,医疗手术模拟器1包括多于一台计算机。
93.计算机80具有存储器和处理器。处理器被布置成执行存储在存储器上的软件,尤其是软件被配置成模拟医疗手术或治疗。
94.计算机80连接到显示屏9、工作空间中的模型、安装到主壳体4的连杆机构40并且经由连杆机构40将机构40连接到也布置在工作空间w中的第一手持件30(或至少手持件30突出到工作空间w中的远侧端部31)。连杆机构40(下面参考图10和11详细描述)经由机构100机械连接到第一手持件30。工作空间w是现实世界中的三维空间,第一手持件30的尖端(远侧端部31)可以由用户在工作空间w内操纵而不受连杆机构40的约束(由第一手持件30所连接的连杆机构端在真实空间中正交方向范围所引起的约束)。
95.该模型表示受试者的一部分(例如模体上颌13和下颌14,具有或不具有一组模体牙齿以及具有或不具有模体头部10),并为医疗手术或治疗的进行提供必要的机械环境。例如,在手术期间,外科医师/牙科医师可以将他的手放在模体颌13、14、模体牙齿22和/或模体头部10上。
96.手持件30的速度响应于用户施加到第一手持件30的力以及虚拟钻或牙科手持件30’与具有一个或多个虚拟牙齿29的颌虚拟模型的虚拟牙齿的相互作用而调整。虚拟环境包括用于确定虚拟牙科手持件30'的速度应如何响应于用户施加在第一手持件30上的x、y、
z力的总和(来自3dof传感器50,参见图10和11)以及来自虚拟钻或牙科手持件30'与虚拟牙齿的虚拟接触的任何反作用力而改变的算法。虚拟环境在某些方面使用牛顿物理学(即力=弹簧常数
×
偏转)来模拟虚拟钻30’和虚拟牙齿之间的反作用力,同时使用标准pid控制回路确定第一手持件30的速度变化。虚拟牙齿被赋予硬度和刚度。刚度与接触时牙齿提供的弹簧常数相关,并且硬度与虚拟钻必须做多少功才能钻掉虚拟牙齿的体积相关。真实钻(第一手持件)30的位置用于确定是否与虚拟牙齿接触。
97.一旦虚拟环境计算出作用在虚拟钻30’上的虚拟力,它就会将该力命令到标准pid控制回路,该控制回路控制系统中致动器的速度(在下面进一步详细描述)以改变第一手持件30的真实世界速度。用户感测第一手持件30的移动。虽然第一手持件30的速度由牙科手术模拟器1控制,但第一手持件30的方向由用户控制(在实施方式中(未显示),手持件30的方向由电机沿着3个轴线提供动力以获得模拟器的6-dof主动版本,在该实施方式中,施加到手持件的扭矩也在3个维度上测量)。系统测量由用户控制的第一手持件30的方向,并作为响应更新虚拟环境中虚拟钻30'的方向。
98.可移动悬挂的模体头部10用于调整示出在显示器9上的虚拟环境的方向。模体头部10的方向可以手动调整,并且也使用联接到计算机80的测量模体头部10的旋转的传感器相应地调整虚拟模型的方向。因此,模体头部10和虚拟模体头部/或仅颌共定位并链接。当用户转动真实模体头部10时,虚拟头部在场景中旋转。模体头部10是用于虚拟模型方向的直观控件。
99.计算机80向用户提供界面,用于选择待模拟的不同虚拟环境手术和治疗并运行各种训练软件应用。训练应用监测用户与虚拟环境和第一手持件30的交互并测量各种标准以评价用户的表现。
100.现在尤其参考图3至6,可视壳体6设置有朝向显示壳体6的后部设置的显示屏9。在显示壳体6的上侧朝向显示壳体6的前端部的观察开口或窗口8允许用户从可视区域v看到部分透明的反射元件7。部分透明的反射元件7设置在显示壳体6的下侧朝向显示壳体6的前端部并且允许用户通过部分透明的反射元件7从观看区域v看到工作空间w。部分透明的反射元件7被布置成将显示在显示屏9上的图像反射到用户的眼睛,同时工作空间w通过部分透明的反射元件7对于用户是同时可见的(假设用户的眼睛位于观看区域v中并且用户正在看向部分透明的反射元件7)。因此,在用户看来,虚拟环境的虚拟图像与工作空间w的现实图像混合在一起。
101.显示屏9和部分透明的反射元件7的被定位为使得视图与第一手持件30的位置共定位。这允许系统产生虚拟牙钻30’的图像,该图像在用户的视线中与真实世界第一手持件30对齐。
102.牙科手术模拟器被配置为通过在部分透明的反射元件7上的反射将来自显示屏9的图像反射到用户的眼睛并且被配置为将虚拟环境的图像与用户通过部分透明的反射元件7看到的工作空间w的视图混合。
103.因此,显示屏9上的图像被反射到用户的眼睛,并且当用户从观看空间v观看半反射元件7时,用户通过部分透明反射元件7同时看到工作空间w。
104.在实施方式中,显示屏9为立体显示屏,并且计算机80被配置为向立体显示屏9发送立体图像。在实施方式中,立体显示屏9为自动立体显示屏9。在实施方式中,显示屏9是立
体显示屏,其中立体的水平是可调整的,以便可以将其调整到特定用户的最佳水平。
105.计算机80被配置为提供三维虚拟环境,包括具有第一虚拟位置和第一虚拟方向的第一虚拟工具30',第一虚拟工具30'在尺寸和形状上对应于手持件30并且第一虚拟工具30'与手持件30共定位。
106.计算机80将模拟牙科手术或治疗的图像发送到显示屏9,显示屏上的图像经由半透明反射元件7(诸如例如半透明镜)反射到用户的眼睛(假设用户的眼睛位于视觉空间v内且用户面对着半透明反射元件7)来反射到用户。视觉空间v是三维空间,用户在此可以同时通过半透明反射元件7的反射观察来自显示屏9的图像并通过半透明反射元件7观察工作空间w中的对象。
107.该软件被配置为呈现包括至少一个虚拟对象(诸如例如虚拟牙齿)的虚拟环境,所有这些都被用户经由部分透明的反射元件7看到。虚拟环境在该实施方式中包括虚拟工具,在该实施方式中为虚拟牙钻30',其对应于真实世界的触觉钻柄30,连同虚拟末端执行器,即虚拟牙钻33。
108.现在特别参考图7和图8,模体上颌13和模体下颌14由牙科手术模拟器1的结构支撑并布置在工作空间w中。模体下颌14布置成相对于模体上颌13(手动)可移动。通过铰接机构15(在实施方式中为四杆连杆机构)将模体下颌14悬挂在模体上颌13上。优选地,铰接机构15模仿人颌的移动以使模型逼真。
109.模体下颌14悬挂于模体上颌13以允许分别在完全打开位置(图中所示)和闭合位置(未示出)之间移动。位置传感器(未示出)被配置为生成指示模体下颌14相对于模体上颌13的位置的信号并且与计算机80数据连接。软件被配置为根据位置传感器的信号调整虚拟下颌的位置。
110.模体上颌13悬挂在支撑结构上以允许在三个自由度上旋转,每个自由度的旋转中心位于模体上颌13和模体下颌14之间,即在工作空间w的中心,使得模体上颌13不离开工作空间w然后旋转。用于感测上颌13的旋转的三个旋转位置传感器(未示出)被提供用于感测三个自由度中的每一个的旋转。计算机80接收来自三个旋转位置传感器的信号。软件被配置为根据来自旋转位置传感器的信号来调整牙科手术或治疗的模拟,尤其,软件调整虚拟上颌的方向和位置以及虚拟上颌的方向和位置。
111.模体下颌14可以相对于模体上颌13手动旋转,上颌13与下颌14的之间的颌角限制为不超过55
°
,优选不超过50
°
,以及甚至更优选不超过45
°
,以反映真实患者的最大颌张开的限制。
112.在实施方式中,模体头部10的默认方向对应于患者在完全倾斜的牙科椅中的位置,即患者的面部基本向上。模体头部10可以围绕三个轴线手动旋转,旋转的程度反映真实患者头部相对于其身体旋转的可能性。
113.模体上颌13可以提供有可拆卸地附接到其上的可拆卸通用模体上颌元件(未示出),并且模体下颌14可以提供有可拆卸地附接到其上的可拆卸通用模体下颌元件(未示出)。在实施方式中,通用模体颌元件没有模体牙齿,而是具有更通用的形式,其大致对应于具有牙齿的颌的形状。
114.在示出的实施方式中,模体上颌13提供有特定模体上颌元件21,并且下颌模体14提供有特定模体下颌元件20。特定模体下颌元件20和特定模体上颌元件元件21提供有模体
牙齿22。模体牙齿22通过模体牙齿22插入在特定模体上颌或下颌元件20、21中的特定凹部23中而可拆卸地附接。在实施方式中,具有其模体牙齿22的特定模体下颌和上颌元件20、21是具有其上牙齿的真实人上颌和具有其下牙齿的下颌的一部分的准确模型。将要进行牙科手术或治疗的一个或多个模体牙齿22移除来为第一手持件30提供空间以不受相关的一个或多个模体牙齿22阻碍地移动。在图7至8中,一个模体牙齿22已经作为实例被移除并且相关模体颌20、21中的凹部23是空的。用户可以使用剩余的模体牙齿22来支撑用户的手和/或手指。待操作的虚拟牙齿为与凹部23的位置对应的虚拟牙齿。因此,由于虚拟牙齿所在的位置没有设置模体牙齿22,因此不存在第一手持件30在现实世界中与模体牙齿22邻接的风险。
115.当使用特定模体上颌和/或下颌元件20、21时,计算机80会提供特定模体下颌元件20和/或特定上颌元件21的虚拟模型。计算机80指示用户对于给定的练习要安装哪个颌元件(通用的或特定的)。因此,计算机80被配置为指示用户安装通用上颌或下颌元件(未示出)或具体的特定模体上颌或下颌元件20、21。
116.在图7和8中示出的实施方式中,模体上颌13和模体下颌14是模体头部10的一部分。模体头部10及其模体下颌14和模体上颌13相对于牙科手术模拟器1的支撑结构可移动地布置,并且模体头部10及其模体下颌14和模体上颌13彼此一致地移动。
117.图9示出了手持件30的尖端31如何在模体上颌13和模体下颌14之间突出到工作空间w中。由于第一手持件30从其近侧端部39悬挂到触觉臂40,因此将远侧端部31插入上颌13和下颌14之间的腔中不是问题,并且不存在触觉臂的任何部分(包括机构100)与模体上颌13或模体下颌14邻接的风险。
118.现在特别参考图10和11,其图示了由计算机80控制以模拟医疗手术或治疗的连杆机构40。连杆机构40包括主连杆41(在实施方式中是拉长的直构件)并且第一手持件30通过具有至少两个自由度的机械连接件连接到主连杆41的前端,这将在下文中更详细解释。在本实施方式中,主连杆41的前端是主连杆41的受控端部。触觉臂的控制端部由第一手持件30的远侧端部31形成。
119.连杆机构40具有由第一旋转致动器47驱动的第一曲柄42、由第二旋转致动器48驱动的第二曲柄44以及由第三旋转致动器49驱动的第三曲柄46。第一、第二和第三曲柄42、44、46的各自的旋转轴线在实施方式中(未示出)可以相对于彼此正交地布置。
120.第一曲柄42的旋转轴线基本上竖直延伸。第一曲柄42在位于或靠近主连杆41的后端的第一位置处通过具有两个自由度的铰接诸如例如万向连接件直接联接到主连杆41。
121.第二曲柄44经由第一水平延伸的连杆43来联接到主连杆41,并且第三曲柄46经由第二竖直延伸的连杆45来连接到主连杆41。第一曲柄42被布置成在第一(水平)轴线向方向x上致动主连杆41。第二曲柄44被布置成在第二(水平)横向方向y上致动主连杆41,并且第三曲柄46被布置成在第二(竖直)横向方向z上致动主连杆41。
122.第一连杆43在前端和第一位置之间的第二轴线方向位置处联接到主连杆41,并且第二连杆45在前端和第一位置之间的第三轴线位置处联接到主连杆41。在实施方式中,第二和第三轴线位置基本重合。
123.主连杆41包括三维力传感器(3dof传感器)50,用于在三个维度上感测用户施加到第一手持件30的力。三维力传感器50设置在前极限位置与第二和/或第三轴线方向位置之
间,并且三维力传感器50优选是主连杆41的组成部分。三维力传感器50联接到计算机80。
124.第一、第二和第三曲柄42、44、46联接(直接或联接到驱动相应曲柄的旋转电机)到相应的第一、第二和第三旋转位置传感器或编码器26、27、28,该第一、第二和第三旋转位置传感器或编码器与计算机80数据连接。在示出的实施方式中,第二曲柄44和第三曲柄46的旋转轴线均水平且平行地延伸。然而,第二曲柄44和第三曲柄46的主要实施方式的旋转轴线也水平延伸并且彼此成角度,例如直角。
125.第一、第二和第三曲柄42、44、46安装在基准件51(例如框架或底座)上。基准件51由主壳体4或由牙科手术模拟器1的支撑结构支撑。
126.连杆机构40经由机构100连接到手持件30和基准件51,并且连杆机构40为手持件30提供了相对于基准件51的六个独立的自由度。连杆机构40的布置导致工作空间w成形为具有水平顶部和底部的长方体。
127.机构100包括联接到第二平行四杆连杆机构120的第一平行四杆连杆机构110。手持件39的近侧端部连接到第一四杆连杆机构110的一对平行臂中的第一臂102。第二四杆连杆机构120的第二对平行臂的第三臂126经由转动连接件154连接到主连杆41的受控端部(参见图12至19)。
128.如图12至19所中示出,机构100允许手持件30围绕相交于在第一手持件30的远侧端部31附近的空间中的公共点cp的三个正交轴线a1、a2、a3枢转旋转。公共点cp设置于工作空间w内并且相对于连接位置59具有固定位置,使得所述公共点cp与连接位置59一致移动。公共点cp位于距所述连接位置59固定距离d处。在实施方式中,连接位置59在触觉臂40的受控端部,在本实施方式中是主连杆41的自由端部。
129.现在特别参考图18和19,它们更详细地图示了机构100和第一手持件30。
130.第一手持件30具有近侧端部39和远侧端部31。远侧端部31具有头部32。头部32的形状和尺寸类似于真实牙科手持件的钻头。真实牙科手持件的钻头被配置为接收并驱动真实牙钻。通过在计算机80上运行的虚拟环境软件,虚拟牙钻33(图6)与头部32共定位。
131.第一转动连接件54将手持件30连接到第一臂102并允许手持件30围绕与手持件30的纵向轴线重合的第一轴线a1旋转。
132.第一转动连接件54将手持件32连接到第一臂102。第一臂102是第一平行四杆连杆机构110的一部分。第一平行四杆连杆机构110包括平行的第一和第二臂102、106。
133.第一对平行连杆104的上/外半部在本实施方式中由两个平行横向间隔的管形成。第一臂102的形状类似于轭(yoke),以允许第一臂102连接到第一对平行连杆104的上/外半部的两个平行横向间隔的管。第一对平行连杆104的连杆是扭结的,使得当第一手持件30被定向在几乎水平的位置并且第一手持件30的远侧端部31指向连接点154时它们不与第一手持件30碰撞,如图14中示出。形状像轭的第一臂确保第一对平行连杆104的上/外半部的扭结部分不会与第一对平行连杆104的下/内半部的扭结部分碰撞。
134.第一对平行连杆104的下/内半部在本实施方式中由单个管形成。
135.第一平行四杆连杆机构110因此由一对平行的第一和第二臂102、106连同第一对平行连杆104一起形成,它们全部通过铰接连接件彼此连接。
136.第二平行四杆连杆机构120由一对平行的第三臂第四臂126、122以及由第二对平行连杆124形成,它们全部通过铰接连接件彼此连接。
137.在本实施方式中,第四臂122由两个平行管形成,它们是第一对平行连杆104的上/外部分的延伸。第二臂106是第二对平行连杆124的下/内半部的延伸。因此,第一平行四杆连杆机构110和第二平行四杆连杆机构120互连并允许第一手持件30的远侧端部31围绕第二轴线a2旋转。
138.第二对平行连杆124的下/内半部类似于由单个管形成的第一对平行连杆104的下半部。第二对平行连杆124的上/外半部类似于由两个横向间隔的管形成的第一对平行连杆104的上半部。因此,臂126的形状类似于轭,使得它可以连接到第二对平行连杆124的上/外半部的两个横向间隔的管。
139.第一支撑件119连接第一对平行连杆104的上半部的一对横向间隔的管,并且第二支撑件129连接第二对平行连杆124的上/外半部的一对横向间隔的管。
140.平行连杆104和204由一对横向间隔的管或杆在内侧或在外侧或者在内侧和外侧二者形成,以增加臂/机构100的刚度。如果不需要这种刚度,则平行连杆104和204可以由单个管、杆或等效元件形成。
141.第一横向间隔件113布置在第一对平行连杆104的上/外半部扭结的位置处。
142.第二臂106是t形的以用作横向间隔件并且与形成第一对平行连杆104的上/下半部的管铰接连接,其中这些连接到形成第四臂122的管。
143.第二横向间隔件123布置在第四臂122的管与形成第二对平行连杆124的上/外半部的管之间的铰接连接处。
144.第三横向间隔件布置在形成第二对平行连杆124的上/外半部的管之间,在靠近这些管铰接到第三臂126的位置处。
145.在本实施方式中,第三臂126经由第二转动连接件154形成连接到主连杆41的支架128。第二转动连接件154允许完整机构100围绕第三轴线a3旋转。在实施方式中,第二旋转移动传感器(未示出)与第二转动连接件154相关联并且与计算机80数据连接,以通知计算机80关于第一手持件30围绕第三轴线a3的旋转。
146.机构100的构造允许用户通过远侧端部31围绕第一、第二和第三轴线a1、a2、a3的旋转来改变第一手持件30的方向而没有明显的阻力。机构100和第一手持件30的重量的影响在实施方式中由补偿机构抵消/平衡。补偿机构的实施方式包括配重和/或弹性元件。
147.该机构允许第一手持件30在其近侧端部39与布置在远侧端部31处或附近的第一手持件30的旋转轴线a1、a2、a3相关联,并且在与远侧端部31具有固定距离d和相对位置的触觉臂40上的连接位置相关联。
148.第一、第二和第三轴线a1、a2、a3相交于相对于第二转动连接件154固定并且与第二转动连接件154处于固定距离d的空间中的位置。
149.机构100连同第一转动连接件54和第二转动连接件154为触觉臂40提供的六个自由度增加三个自由度,从而为第一手持件30提供六个自由度(三个平移自由度加上三个旋转自由度)。
150.因此,远侧端部31围绕公共点cp旋转。在实施方式中,公共点cp对应于虚拟牙钻33的尖端,虚拟牙钻虚拟连接到远侧端部31(与其共定位)。在这种情况下,所有旋转都围绕虚拟牙钻33的尖端cp。因此,用户体验到触觉力反馈的力作用在远侧端部31或虚拟末端执行器的尖端,就像他们在真实医疗手术中所做的那样(在真实工具的远侧端部或真实末端执
行器的远侧端部)。此外,所有平移都是通过与cp相交的平面进行的,因此它没有记录到cp的力矩臂,这确保了用户只感觉到适当的平移和旋转力。
151.为了模拟准确,机构100应该是刚性的,即坚硬的,以便当力施加到第一手持件30时它几乎不会弯曲。此外,机构100应该很轻,以便机构100的质量惯性尽可能少地影响模拟和用户体验。
152.因此,机构100应该既轻又坚硬。因此,在实施方式中,第一对平行连杆104和第二对平行连杆124优选地由中空管状构件形成并且由具有高杨氏模量的轻质材料,诸如例如包括碳纤维的纤维增强材料制成。相同的构造材料可以用于第四臂122。
153.第一臂102、第二臂106、第三臂126、第一横向间隔件113、第二横向间隔件123和第三横向间隔件125以及支撑件119和129优选地由聚合物材料,可能是纤维增强聚合物材料,或轻质金属诸如例如铝制成。聚合物材料和轻质金属类型二者都可以是3d打印产品。
154.在实施方式中,惯性测量单元52结合在第一手持件30中。
155.在实施方式中,旋转位置传感器(未示出)感测第一手持件30相对于臂102围绕第一转动连接件54的旋转移动。
156.惯性测量单元52和/或旋转位置传感器与计算机80数据连接,优选地通过数据电缆连接或者替代地无线连接,用于位置和/或方向数据的传输。
157.惯性测量单元52定位在手持件30内并且被配置成测量平移加速度、旋转速度和磁场。这样,第一惯性测量单元52也能够使用本领域已知的数据处理技术来确定第一手持件30的速度和位移。在实施方式中,第一惯性测量单元52具有九个传感器,包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力仪。第一惯性测量单元52设置有从加速度计、陀螺仪、磁力仪获取数据并处理数据的嵌入式数字运动处理器。惯性测量单元芯片输出四元数,它描述了空间中相对于基准件的方向,例如在现实空间中。该数据输出与来自手持件中的第四旋转位置传感器(未示出)的信号一起沿着电缆58传递到计算机80。
158.惯性测量单元52在使用前通过以定义的方向放置手持件30来校准,使得通用基准件对齐。
159.在实施方式中,计算机80被配置为利用连杆机构40及其相关联的致动器47、48、49通过触觉反馈,优选地触觉力反馈以及利用显示屏9通过视觉反馈来模拟医疗手术或治疗。至此,计算机80被配置为使用来自三维力传感器50的信号作为输入并通过相应地控制连杆机构40端的位置。
160.在实施方式中,计算机80包括软件应用手术,用于提供培训平台、提供教学材料和视频、记录、回放以及评价用户表现;提供通过计算机网络与远程讲师的音频、视频和文本通信;提供远程指导员向触觉系统提供力输入的能力;以及在虚拟环境中提供不同的虚拟对象(例如牙齿、颌或完整的头部)、工具和物理规则。
161.在实施方式中,计算机80被配置为检测虚拟牙钻的虚拟牙钻33之间的碰撞(使用第一工具30的真实位置),以基于虚拟钻位置、虚拟钻模型和虚拟牙齿模型来确定待施加到虚拟钻的相互作用力。计算机80还被配置成基于相互作用力和用户输入(诸如来自脚踏板)来计算虚拟钻速度。
162.在实施方式中,牙齿模型体积表示为一组三维像素或体素。每个体素都具有与之相关的硬度值,代表牙齿材料(即牙本质、牙釉质、牙髓)的类型/质量。传统的移动立方体算
法(marching cubes algorithm)用于创建牙齿模型体素集的等值面的三角形网格。
163.虚拟手持件30’通过分析或体素建模。因此,手持件的物理模型是有限数量的体素,或者是完整的分析定义的形状。手持件模型还具有用于手持件三维速度的向量参数。虚拟工具设置有虚拟牙钻33。虚拟牙钻33或虚拟手持件30’可以与虚拟牙齿虚拟接触。至此,虚拟牙钻的形状是针对虚拟牙齿的体素呈现的。第一手持件30的真实位置用于确定虚拟牙钻33的位置并确定虚拟牙钻33与虚拟牙齿之间的接触。
164.现在特别参考图21,控制回路用于控制主连杆41端部在一个方向上的速度,从而控制第一手持件30的速度。这些力控制回路中的总共3个主动控制3个移动方向(3dof)。力控制回路使用由虚拟环境90计算的虚拟力与由3dof(自由度)力传感器50在求和点86处测量的力计算的一个方向上的实际力之间的差。求和点86的输出是用于超前-滞后补偿器87的输入,超前-滞后补偿器87去除高频并连接到标准pi或pid控制器88。pi或pid控制器计算电机驱动器89的速度命令。电机驱动器89也接收来自旋转位置传感器(编码器)26、27、28的信号并且根据位置信号来确定手持件30的实际速度。电机驱动器89电驱动第一旋转致动器47(其他两个控制回路的电机驱动器驱动第二旋转致动器48和第三旋转致动器49)。电机驱动器使用pi或pid控制器的速度命令与实际速度之间的差异,实际速度是通过相应旋转致动器46、47、48上的位置传感器(编码器)26、27、28测量的实际位置来计算得出的。接收位置信号的微分器92提供实际速度作为输出信号。微分器92的输出被提供给电机驱动器89和虚拟环境90。在实施方式中,微分器92是电机驱动器89的组成部分。第一、第二和第三旋转致动器47、48、49通经由机构100和连接到上述各种传感器(力、位置和方向)的连杆机构40来连接到第一手持件30。来自脚踏板传感器91的输入用于确定虚拟牙钻33的旋转速度。在实施方式中,虚拟环境从imu 52接收信号以获知第一手持件30的方向。虚拟环境90包括牙钻模型、牙齿模型和颌模型,并使用第一手持件30的真实位置和真实方向来确定虚拟牙钻33的位置和方向。虚拟牙钻模型和虚拟牙齿模型或颌模型用于计算作为命令发送回力控制回路并施加到第一手持件30的所得虚拟力。
165.当开始牙科手术模拟器1时,用户将她自己定位在牙科手术模拟器1前面的椅子(未示出)中。如果显示屏9是自动立体显示屏,则用户不需要使用快门眼镜或带偏光镜片的眼镜,否则用户将戴上快门眼镜或带偏光镜片的眼镜。将主壳体4的高度适当调整至相关用户的理想工作高度。椅子高度也可以根据相关用户的需要进行调整。
166.牙科手术模拟器在实施方式中提供有通过计算机80的网络连接。
167.计算机80可以被编程为通过经由扬声器的音频信息来增强用户体验。因此,可以通过在显示屏9上并经由扬声器提供关于用户表现的指令或反馈来增强训练体验。
168.计算机80至少具有用于模拟使用手持件30的牙科手术或治疗的第一操作模式以及用于训练使用传统电动牙科手持件130的牙科手术或治疗的第二操作模式。
169.在实施方式中,第一平行四杆连杆机构110和/或第二平行四杆连杆机构120被覆盖物包围。该覆盖物防止用户的手指无意中夹在第一和第二平行四杆连杆机构的构件之间。
170.在本公开中,对身体部位的任何引用,诸如牙齿、下颌、上颌或头部,通常指这些身体部位的人的类别。因此,在本公开中,例如模体下颌是人下颌的物理模型,并且例如虚拟下颌是人下颌的虚拟模型。
171.已经结合本文的各种实施方式描述了各种方面和实施。然而,通过研究附图、公开内容和所附权利要求,本领域技术人员在实践要求保护的主题时可以理解和实现对所公开的实施方式的其他变型。在权利要求中,词语“包括”不排除其他元件或步骤,并且不定冠词“一个(a)”或“一种(an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的几个项目的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。计算机手术可以存储/分布在合适的介质上,诸如连同其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质,但也可以以其他形式分布,诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统。
172.权利要求中使用的参考数字不应被解释为限制范围。除非另有说明,否则附图旨在连同说明书一起阅读(例如,交叉影线、部件布置、比例、程度等),并且被认为是本公开的整个书面描述的一部分。如说明书中所用,术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”,以及它们的形容词和副词派生词(例如,“水平地”、“向右”、“向上”等),仅指特定绘图面向读者时图示结构的方向。类似地,术语“向内”和“向外”通常是指表面相对于其伸长轴线或旋转轴线的定向,视情况而定。
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