一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统及温度在线测量方法

摘要

一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统，包括在线测温装置、热电偶模块、单片机和计算机，所述在线测温装置包括种植手机和中空测温钻头，导电滑环通过导电滑环固定装置与种植手机固定，中空测温钻头内设有用于插入热电偶丝进行温度数据采集的孔道，热电偶丝的测温端插入到该孔道内并且热电偶丝的另一端从孔道接出与导电滑环的内环连接，导电滑环的外环与热电偶模块连接，热电偶模块与单片机连接，单片机与计算机连接。本发明提供了一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统及温度在线测量方法，为牙种植过程的操作者(医生或牙种植手术机器人)提供实时的最高温度信息。

说明书

技术领域

本发明涉及口腔种植技术领域，尤其是涉及一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统及温度在线测量方法。

背景技术

种植牙是在口腔缺牙区的牙槽骨内植入种植体(俗称人工牙根，是替代天然牙在颌骨内行使咀嚼功能的一部分)，待种植体与骨结合后，在其上端制作修复体，完成种植义齿的修复。由于人工种植牙不像传统固定桥修复会对牙齿产生破坏性，并且其咀嚼功能和天然牙也几乎完全相同，所以人工种植牙得到了人们的认可，种植牙已被口腔医学界公认为缺牙的首选修复方式。

由于种植体是利用外科手术的方式植入牙槽骨内，所以手术时需要利用特有的种植手机和种植钻头在牙槽骨上钻孔，此过程本质是对牙槽骨实施挤压以及摩擦的过程，在此过程内会形成大量的热能，这些热量有些是被钻头以及骨屑带离，有些被血液带离，其余的热量传递至骨骼内使手术区附近骨组织温度升高，当温度升至47℃持续1分钟时(学术界普遍将47℃作用1分钟定义为人体骨组织的热坏死阈值)，就会引起骨组织的热坏死，进而导致种植体和周围骨组织不能进行正常的骨结合。目前，对于不同种植手术操作方式，包括自由手手术、基于导板的静态导航手术、基于视频的动态导航手术，以及种植机器人手术，均采用在操作过程中上下提拉钻头并向钻头喷洒冷却水的方式进行冷却，但提拉钻头的时间控制主要依靠医生的经验，仍然存在产热过多致使窝洞内骨组织温度超过47℃的风险。目前仍然有部分患者在种植体植入术后会出现不同程度疼痛，并且术后半个月CT图像显示，种植体周围出现低密度影像，未形成骨结合，这很大程度上是由于手术备孔过程中存在骨组织灼伤坏死导致的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统及温度在线测量方法，为牙种植过程的操作者(医生或牙种植手术机器人)提供实时的最高温度信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统，包括在线测温装置、热电偶模块、单片机和计算机，所述在线测温装置包括种植手机和中空测温钻头，中空测温钻头包括钻柄、钻身和钻尖，钻身外套设有导电滑环，导电滑环通过导电滑环固定装置与种植手机固定，钻身和钻尖依据标准医用麻花钻设计，中空测温钻头内设有用于插入热电偶丝进行温度数据采集的孔道，该孔道一端延伸至钻尖偏上1～2mm位置，其另一端延伸至钻身处并且与外界连通；热电偶丝的测温端插入到该孔道内并且热电偶丝的另一端从孔道接出与导电滑环的内环连接，导电滑环的外环与热电偶模块连接，热电偶模块与单片机连接，单片机与计算机连接；

导电滑环接出的是钻头内部热电偶丝测得由温度信号转换得到的电压信号，然后经过热电偶模块将电压信号转换成PLC能识别的模拟量，再用单片机通过模拟数据换算程序将模拟量转成温度数据，最后在计算机上通过串口实时显示钻头内部温度数据。

进一步，所述导电滑环固定装置设有两个夹持端，分别用于夹持种植手机的夹持处和用于夹持导电滑环。

一种基于用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统的温度在线测量方法，包括以下步骤：

(1)中空测温钻头准备

热电偶丝的测温端插入中空测温钻头的孔道内，然后将导电滑环套在中空测温钻头上，并进行固定锁紧，热电偶丝的另一端接至导电滑环的内环；

(2)导电滑环固定

用提前设计好的导电滑环固定装置将其固定在种植手机上，保证钻头转动过程导电滑环的外环不随钻头转动；

(3)温度信号处理模块搭建及测试

将导电滑环的外环连接热电偶模块，热电偶模块连接单片机，最后单片机接至计算机并且由串口显示温度数据，然后再改变中空测温钻头的温度来测试整个测温系统是否存在问题；

(4)温度数据的实时获取

测试之后保证整个测温系统没有问题后，可制备窝洞并进行实时钻头内部温度测量；

(5)种植备孔过程的温度场构建及骨组织最高温度获取。

进一步，所述步骤(5)中还包括以下步骤：

基于热力学方程，构建骨组织钻孔过程中的二维骨组织钻孔温度理论模型，在此基础上构建二维骨组织钻孔温度仿真模型，并通过热成像扫描温度测量实验和预埋热电偶温度测量实验，获得测量数据作为温度场仿真的输入和校核数据，构建出骨组织钻孔时的完整二维温度场，据此得到基于钻头内实时温度的窝洞内骨组织实时最高温度，显示在计算机的屏幕上，供医生手术操作中的决策。

本发明的有益效果主要表现在：1、牙种植备孔过程在线的温度测量系统大大减少了手术中对医生经验的依赖，可通过测得的钻头内的温度数据为医生提供参考，进而做出一系列控温操作(钻头提拉、加冷却水等)；2、牙种植手术机器人可根据在线温度测量系统测得的温度数据做出一些实时的控温操作(降低转速、降低进给速度、钻头撤出、加冷却水等)；3、通过在线的温度测量系统测得的温度数据可以在温度达到骨的热坏死阈值47℃之前做出反应，使得在整个钻削过程温度始终处于安全范围，保证牙槽骨的活性，促进骨结合，提高手术成功率。

附图说明

图1是本发明的在线测温系统整体示意图。

图2是中空测温种植钻头示意图。

图3是中空测温种植钻头剖面示意图。

图4是钻头与导电滑环连接示意图。

图5是导电滑环固定示意图。

图6是种植备孔中的测温点示意图。

图7是备孔时骨组织内实时最高温度的获取方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种用于口腔种植手术窝洞制备的测温系统，包括在线测温装置1、热电偶模块2、单片机3和计算机4，所述在线测温装置1包括种植手机9和中空测温钻头5，中空测温钻头5包括钻柄、钻身和钻尖，钻身外套设有导电滑环11，导电滑环11通过导电滑环固定装置10与种植手机9固定，钻身和钻尖依据标准医用麻花钻设计，中空测温钻头5内设有用于插入热电偶丝6进行温度数据采集的孔道，该孔道一端延伸至钻尖偏上1～2mm位置，其另一端延伸至钻身处并且与外界连通；热电偶丝6的测温端插入到该孔道内并且热电偶丝6的另一端从孔道接出与导电滑环的内环8连接，导电滑环的外环7与热电偶模块2连接，热电偶模块2与单片机3连接，单片机3与计算机4连接。

(1)中空测温钻头的结构设计

该钻头的结构设计主要包括三个部分：钻柄设计、钻身和钻尖设计以及钻头内孔道设计。为了能使钻头适用于大部分种植手机9，钻柄处设计按照YY 91010-1999牙科旋转器械配合尺寸国家标准；钻身和钻尖依据标准医用麻花钻设计，因后续需要在钻头内设计孔道，其钻身处的切削量适当减少；钻头内孔道设计主要用于插入热电偶丝进行温度数据采集，孔道一端延伸至钻尖偏上1-2mm位置，另一端在钻身处接出。另外，因在后续测温结构设计中需要在钻头上固定导电滑环，因此钻头的整体长度需要略长于标准牙科钻头10mm左右。

(2)中空测温钻头的加工制作

钻头制作过程考虑到孔道加工的难度，采用FDM打印方式对钻头进行加工，由于3D打印零件经常会伴随着许多气孔、未熔化等缺陷的存在，其强度不会太高，对于加工出来的钻头在进行退火处理，提高其强度，最后在进行打磨抛光及钻尖开刃。

(3)钻头内温度信号的采集及接出装置

为得到钻头内的温度数据，将热电偶丝6的测温端插入设计好的3D打印钻头内部，但在钻削过程中钻头一直处于旋转状态，测温的热电偶丝6会一直旋转，因此采用导电滑环11，将热电偶丝接在其内环上，内环跟随钻头转动，外环固定，使得旋转的温度信号由外环接出。

(4)导电滑环固定装置设计

导电滑环的外环7不能跟随内环转动，需要将其与种植手机固定，根据导电滑环11的外径尺寸以及种植手机9所需夹持处的外形尺寸设计固定装置的两个夹持端，另外考虑到操作的灵活性，连接两个夹持端的支撑的尺寸尽量小。

(5)温度信号处理、转换及显示

导电滑环11接出的是钻头内部热电偶丝测得由温度信号转换得到的电压信号，然后经过热电偶模块2，例如MAX6675热电偶模块，将电压信号转换成PLC能识别的模拟量，再用单片机3，型号为Arduino Mega2560，通过模拟数据换算程序将模拟量转成温度数据，最后在计算机4上通过串口实时显示钻头内部温度数据。

如图6所示，中空测温钻头直接测量得到是钻头内部测点13的温度，但骨组织12内的最高温度有可能存在于骨与钻身界面上(或偏向骨内侧即X向)，且在轴向(Y向)也存在不确定性，因此需要基于实时钻头内部温度，推导出骨组织最高温度。

如图7所示，基于热力学方程，构建骨组织钻孔过程中的二维骨组织钻孔温度理论模型，在此基础上构建二维骨组织钻孔温度仿真模型，并通过热成像扫描温度测量实验和预埋热电偶温度测量实验，获得测量数据作为温度场仿真的输入和校核数据，构建出骨组织钻孔时的完整二维温度场，据此得到基于钻头内实时温度的窝洞内骨组织实时最高温度，显示在计算机的屏幕上，供医生手术操作中的决策。

测温系统的温度在线测量方法包括以下步骤：

(6)中空测温钻头准备

热电偶丝6的测温端插入中空测温钻头5的孔道内，然后将导电滑环套在中空测温钻头5上，并进行固定锁紧，热电偶丝6的另一端接至导电滑环的内环8。

(7)导电滑环固定

用提前设计好的导电滑环固定装置10将其固定在种植手机9上，保证钻头转动过程导电滑环的外环不随钻头转动。

(8)温度信号处理模块搭建及测试

将导电滑环的外环7连接热电偶模块，热电偶模块2连接单片机，最后单片机3接至计算机4并且由串口显示温度数据，然后再改变中空测温钻头5的温度来测试整个测温系统是否存在问题。

(9)温度数据的实时获取

测试之后保证整个测温系统没有问题后，可制备窝洞并进行实时钻头内部温度测量

(10)种植备孔过程的温度场构建及骨组织最高温度获取

根据图7流程获取骨组织内实时最高温度，并实时显示在计算机4的屏幕上，供医生手术操作中的决策。

本发明在口腔种植手术窝洞制备过程中，保证了窝洞内壁一定区域内的温度不超过骨组织热坏死阈值47℃，保证牙槽骨的活性，并使种植体能够和窝洞周围骨组织形成充分的骨结合，进而提高手术成功率。