机器人自动控制超短脉冲激光制备口腔种植窝洞的参数研究

目的 分析超短脉冲激光切削骨皮质时激光脉冲层数与步进量的定量关系,优化机器人的垂直向单次步进参数,探讨机器人自动控制超短脉冲激光制备口腔种植窝洞的可行性,为进一步实现自动化口腔种植手术奠定基础.方法 选取猪肋骨8条,制成16块肋骨段.应用本课题组自主研发的机器人手术系统和路径规划软件,在肋骨段上二维切削直径为4 mm的圆形窝洞,获得激光脉冲层数(n)与二维切削深度(d)的定量关系.三维切削时设定脉冲层数分别是5、10、15、20、25、30、35、40、45、50,垂直向单次步进量分别为对应二维切削深度结果的整数值,获得理论切削深度与实际切削深度差值最小时对应的脉冲层数(n').以n'为最适宜的单次步进脉冲层数,切削肋骨段,测量单次切削深度,取整数值作为最适宜的垂直向单次步进量(d').设定激光的垂直向单次步进参数为n'层脉冲和d'μm步进量,三维切削制备直径4mm、高度2mm的圆柱形窝洞,评价三维切削精度(切削直径或深度的实测值与理论值的差值);同法在5只日本大耳白兔双侧股骨上自动化制备4 mm×3 mm的种植窝洞,人工植入10枚三维打印的4 mm×3 mm种植体,评价种植窝洞制备效果.结果 激光脉冲层数(n)与二维切削深度(d)的定量关系曲线呈线性上升趋势,线性拟合得到定量关系函数式为d=9.278 4 n+26.763 0,R2=0.988 9.最适宜的单次步进脉冲层数为5,最适宜的垂直向单次步进量为50 μm,以此设定三维切削的垂直向单次步进参数,三维切削的直径精度为(3.98±2.87) μm,深度精度为(15.42±5.44) μm;在兔股骨上完成10个种植窝洞的自动化制备,将种植体植入自动化制备的种植窝洞时有一定的阻力,但能完全就位,就位后无松动现象.结论 基于机器入自动控制超短脉冲激光的非接触式制备口腔种植窝洞的方法可行,通过优化数控皮秒激光的单次切削工艺参数,可实现激光切削骨皮质的精确控制.