一种内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备。

背景技术：

牙齿硬组织疾病是最常见的口腔疾病之一。牙齿硬组织疾病主要包括:龋齿(俗称虫牙、蛀牙)、牙齿缺损和牙齿缺失等。根据第四次全国口腔健康流行病学调查报告,我国成年人口腔疾病发病率高达95.6％,其中牙齿硬组织疾病占85％以上。

牙体预备是牙齿硬组织疾病治疗流程中的基本环节，是口腔临床医生最基础最常用的临床关键操作技术。“牙体预备”是指医生手持(牙科专用)高速磨削器械，在患者狭小口腔(高度约2-5mm)内，对患病牙齿的硬组织(包括生理、病理状态的牙釉质、牙本质和牙骨质)进行三维定量切割、成形的操作过程。其目的是去除牙齿硬组织上的病变组织,或/并将剩余健康硬组织制备成特定的三维几何形状。

目前，临床牙体预备过程均采用传统方法依靠手持高速涡轮钻或商品化的牙科激光器来完成。这两种方法存在明显的缺点和不足。其一、在人类口腔狭小空间内(垂直向开口度通常为2.5-5.0cm、半封闭、存在唇颊舌肌肉软组织阻力、和头颅颌骨的随机运动)，仅靠人眼视觉和人手定位来控制操作，很难或无法达到教课书和临床操作规范要求的相关标准。故常出现牙体预备过量或不足，从而导致临床牙体预备精度差、效率低。更有甚者，造成牙龈、唇、颊、舌粘膜的医源性伤害。其二、传统的牙钻易产生尖锐的噪音，使病人及医生感到不适。其三、目前的激光牙钻，仍用传统的手工操作方式进行牙体组织切削，只是用激光动力来替代机械动力，所以也无法摆脱手动操作的局限性。其四、目前商品化的激光器进行牙体预备会出现切削面显微裂纹，刺激牙髓神经以及切削精度无法掌控，切削面光洁度较差，并对健康牙齿组织造成创伤。

我国口腔临床手工牙体预备整体水平较低(据有关专家估计，合格率约占40％左右)，提高速度较慢，“临床操作技能”的传统训练过程又十分漫长(通常5-10年)，直接导致具有较强临床牙体预备操作能力的专业口腔医疗人力资源严重不足。据调查，欧美日等发达国家专科口腔医生与口腔患者的比例约为1：500-2000，而我国却是1：20000。具有较强临床操作能力的口腔医生数量严重不足，这是导致我国目前“看口腔病贵、看口腔病难”这一突出民生问题的根源之一。此外，传统的手工牙体预备模式难以达到临床操作规范提出的牙体预备标准要求。因此，亟需研发全新的、自动化、智能化临床牙体预备技术，替代传统的手工模式。

目前牙体预备过程一般需要四手操作，一个病人需要占用医生护士两人的资源，人力成本也比较昂贵。

技术实现要素：

本发明提供了一种内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备，以至少解决相关技术中临床牙体预备过程采用传统方法依靠手持高速涡轮钻或商品化的牙科激光器来完成导致的牙体预备水平低、人力成本大的问题。

本发明实施例提供了一种内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备，包括：内筒、外筒，以及内外筒伸缩单元、透镜移动单元、激光二维扫描单元、实时监控单元和单向层流通风单元，其中，

所述内筒的首端与所述外筒的尾端通过所述内外筒伸缩单元配合连接；所述激光二维扫描单元和所述实时监控单元设在所述外筒的首端；所述透镜移动单元由驱动电机驱动，所述透镜移动单元设在所述内筒的内部且靠近所述内筒的首端的位置；

所述单向层流通风单元设在所述内筒靠近尾端的位置；所述外筒的首端密封；所述内筒的尾端设有45度反射镜和光出口通孔。

可选地，所述激光二维扫描单元为以下之一：二维mems扫描镜及其组件、二维扫描振镜及其组件、二维超声振荡器及其组件、压电陶瓷扫描管及其组件。

可选地，所述内筒的尾端包括可拆卸支架，所述45度反射镜和光出口通孔设在所述可拆卸支架上。

可选地，所述内外筒伸缩单元包括：

内筒1外侧面的内筒键1-a，以及与内筒1外侧面的内筒键1-a相配合的外筒3内侧面的滑槽3-a；

锁紧旋钮2，锁紧旋钮2内侧面均匀设多个变半径弧形面2-a，锁紧旋钮2内侧面设有的环状槽2-b；

外筒3尾端上设有与所述多个变半径弧形面2-a一一配合的弹性片6；弹性片6末端的内侧面固连弹性垫7；

外筒3外侧面上设有与锁紧旋钮2内侧面的环状槽2-b相配合的卡扣3-b。

可选地，所述透镜移动单元包括：

驱动电机8，与内筒1内侧面固连；

丝杆9、丝杆螺母10和透镜支座11，丝杆9的一端与驱动电机8的转轴固连，丝杆9的另一端通过丝杆螺母10与透镜支座11固连；

透镜12和透镜固定环13，透镜12被透镜固定环13固定在透镜支座11中，透镜支座11通过外侧面的支座键11-c与内筒1内侧面的滑槽1-b滑动配合。

可选地，所述透镜移动单元包括：

永磁体14，为内筒1的一部分；

中空式动圈15，可套设在永磁体14内，中空式动圈15的外侧面15-a上绕有线圈，透镜支座15-1设在中空式动圈15的一端，透镜支座15-1上固定有透镜，透镜支座15-1的外侧面的滑键15-b与内筒1内侧面的滑槽滑动配合。

可选地，所述激光二维扫描单元为二维mems扫描镜及其组件，所述二维mems扫描镜及其组件包括：二维mems扫描镜座16和二维mems扫描镜17，

二维mems扫描镜座16与外筒3首端固连，二维mems扫描镜17安装在二维mems扫描镜座16的45度扫描镜座孔16-a中，外筒3设有工作激光通孔20-a；

二维mems扫描镜17通过以下至少之一的方式驱动：静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动。

可选地，所述激光手术或加工设备还包括：

分束镜18和分束镜座19，分束镜18安装在分束镜座1945度孔19-c中，分束镜座19与外筒3内侧面固连，分束镜18的一面18-a镀工作激光增透膜，另一面18-b镀成像光反射膜；

分束镜座19还包括水平孔19-a和竖直孔19-b；

外筒3设有成像光通孔20-b。

可选地，所述实时监控单元为以下之一：ccd成像系统、成像光纤系统或其他内置摄像系统。

可选地，单向层流通风单元包括一个或多个通风管道1-d、1-e，一个或多个通风管道1-d、1-e设在透镜移动单元和光出口通孔之间的内筒1的外壁上。

通过本发明实施例提供的内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备，该激光手术或加工设备通过激光二维扫描单元和透镜移动单元实现对工作激光光斑的三维xyz空间位置控制；并通过内外筒伸缩单元调节实现激光手术或加工设备适应不同口腔深度的患者或不同深度的工作空间；通过实时监控单元实现实时监控激光切削动态，从而达到安全控制；通过单向层流通风单元控制风向朝单方向(向着出光口)流动，在达到控制切削区域温度的同时，不影响透镜移动单元和激光二维扫描单元的光学元器件稳定性，同时避免切削时产生的粉尘对光学元器件的污染，解决了采用传统方法依靠手持高速涡轮钻或商品化的牙科激光器来完成导致的牙体预备水平低、人力成本大的问题，降低了牙体预备的人力成本。该激光手术或加工设备可以应用于口腔牙体预备，也可用于其它医学领域如牙科、骨科、口腔种植、眼科、外科或者其他领域的材料加工与成型(例如切割、磨除、打孔等)，完成硬组织(牙齿、骨)、软组织或其他材料的切除消融，还可用于工业领域，如材料表面改性、材料切削等。

本发明实施例的另外一个重要特点，就是其结构支持采用基于可传输高功率高重频超短脉冲激光的空心光纤替代传统的导光臂来传导工作激光，用内置的采用了微小振镜技术的激光二维扫描单元取代了传统的振镜光路，既保证了系统的操作灵活性，又实现了用于狭小管腔工作空间的机器人的小型化和微型化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备的主视图；

图2a是根据本发明实施例的内外筒伸缩单元的分解图；

图2b是根据本发明实施例的锁紧旋钮的俯视图和纵截面图；

图3是根据本发明实施例的透镜移动单元的分解图；

图4是根据本发明实施例的音圈式透镜移动单元的分解图；

图5是根据本发明实施例的激光二维扫描单元和实时监控单元的分解图；

图6是根据本发明实施例的单向层流通风单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实施例中提供了一种内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备。图1是根据本发明实施例的内置光学元件和防污染的激光手术或加工设备的主视图。该装置包括内筒、外筒，以及内外筒伸缩单元、透镜移动单元、激光二维扫描单元、实时监控单元和单向层流通风单元，其中，内筒的首端与外筒的尾端通过内外筒伸缩单元配合连接；激光二维扫描单元和实时监控单元设在外筒的首端；透镜移动单元由驱动电机驱动，透镜移动单元设在内筒的内部且靠近内筒的首端的位置；单向层流通风单元设在内筒靠近尾端的位置；外筒的首端密封；内筒的尾端设有45度反射镜和光出口通孔。

本实施例提供的激光手术或加工设备可以应用于口腔牙体预备，也可用于其它医学领域如牙科、骨科、口腔种植、眼科、外科或者其他领域的材料加工与成型，完成硬组织(牙齿、骨)、软组织或其他材料的切除消融，还可用于工业领域，如材料表面改性、材料切削等。

下面将通过优选的实施方式对本发明实施例进行描述和说明。

本实施例的激光二维扫描单元主要包括内置二维微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，简称为mems)扫描镜及其组件；透镜移动单元主要由驱动电机、传动机构、透镜座、透镜组成；实时监控单元主要包括分束镜、ccd成像系统及其组件，单向层流通风单元主要包括单方向通风管道。通过上述设计，激光手术或加工设备实现小型紧凑化设计，通过激光二维扫描单元和透镜移动单元实现对工作激光光斑的三维xyz空间位置控制；并通过内外筒伸缩单元调节实现激光手术或加工设备适应不同口腔深度的患者或不同深度的工作空间；通过实时监控单元实现实时监控激光切削动态，从而达到安全控制；通过单向层流通风单元控制风向朝单方向(向着出光口)流动，在达到控制切削区域温度的同时，不影响透镜移动单元和激光二维扫描单元的光学元器件稳定性，同时避免切削时产生的粉尘对光学元器件的污染，解决了采用传统方法依靠手持高速涡轮钻或商品化的牙科激光器来完成导致的牙体预备水平低、人力成本大的问题，降低了牙体预备的人力成本。

本实施例的激光手术或加工设备的另外一个重要特点，就是其结构支持采用基于可传输高功率高重频超短脉冲激光的空心光纤替代传统的导光臂来传导工作激光，用内置的采用了微小振镜技术的激光二维扫描单元取代了传统的振镜光路，既保证了系统的操作灵活性，又实现了用于狭小管腔工作空间的机器人的小型化和微型化。

为了方便对可能进入病人口内或体内受污染的前端部分进行高温高压消毒，在本实施例中设计了可以方便拆卸分离的可拆卸支架，该可拆卸支架设置在内筒的尾端，且该可拆卸支架只包括可以耐受高温高压消毒的45度反射镜和金属管壁，没有其他敏感的光学元件。

如图2a所示，为激光手术或加工设备内外筒伸缩单元结构分解图，实现了内外筒相对滑动，从而适应不同深浅的工作空间，同时通过锁紧旋钮方便快捷的锁紧内筒，使内外筒相对位置固定。实现过程如下：内筒1通过内筒1外侧面的内筒键1-a与外筒3内侧面滑槽3-a配合，使内筒1可以沿着外筒3滑槽3-a与外筒3相对轴向滑动，当相对位置到达目标位置后，顺时针(或逆时针)转动锁紧旋钮2，此时锁紧旋钮2内侧面的多个变半径弧形面2-a挤压外筒3尾端上、与该多个变半径弧形面2-a一一配合的弹性片6，与弹性片6末端的内侧面固连的弹性垫7就会抱紧内筒1外侧面，转动角度越大，弹性片6变形越大，对内筒1外侧面的抱紧力越大，从而锁紧内外筒。锁紧旋钮2与外筒3通过外筒3外侧面的卡扣3-b和锁紧旋钮2内侧面的环状槽2-b配合，实现锁紧旋钮2和外筒3轴向位置相对不变，同时不约束锁紧旋钮2相对外筒3转动。如图2b所示，为锁紧旋钮示意图和剖视图。

如图3所示，为激光手术或加工设备透镜移动单元结构分解图。小型丝杆螺母10通过螺纹10-a与透镜支座11顶面11-a配合，使透镜支座11和丝杆9固连，透镜12被透镜固定环13固定在透镜支座11中，透镜固定环13通过外侧面13-a与透镜支座11的底部内侧面11-b螺纹连接，透镜支座11通过外侧面的支座键11-c与内筒1内侧面的滑槽1-b滑动配合，从而约束丝杆螺母10转动自由度，使透镜支座11可以与内筒1相对沿轴向滑动，驱动电机8与内筒1内侧面上的面1-c螺纹连接从而与内筒1固连。驱动电机8带动丝杆9转动，然后通过螺旋传动带动丝杆螺母10轴向移动，从而带动透镜支座11沿内筒1内侧面的滑槽1-b滑动，实现透镜移动。在实际应用中，也可以通过齿轮传动、齿轮齿条传动、绳传动、凸轮传动、带传动等传动方式实现透镜移动。

另外一种实现透镜移动的方式如图4所示，永磁体14为内筒1的一部分，中空式动圈15在外侧面15-a上绕有线圈，透镜支座15-1与中空式动圈15为一体，透镜支座15-1外侧面的滑键15-b与内筒1内侧面的滑槽滑动配合，当绕组通电后，在永磁体磁场中产生电磁力，从而推动中空式动圈15和透镜支座15-1上的透镜沿内筒1滑槽相对内筒1沿轴向滑动。

本发明实施例的激光二维扫描单元包括但不限于以下之一：二维mems扫描镜及其组件、二维扫描振镜及其组件、二维超声振荡器及其组件、压电陶瓷扫描管及其组件。如图5所示，为二维扫描单元和实时监控单元，其中的二维扫描单元采用了二维mems扫描镜及其组件。二维mems扫描镜及其组件主要由二维mems扫描镜17，二维mems扫描镜座16组成，二维mems扫描镜座16通过螺钉3-1与外筒3首端固连，二维mems扫描镜17安装在扫描镜座孔16-a中。二维mems扫描镜17通过静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动等方式驱动，二维mems扫描镜17实现水平和垂直两个方向转动，从而实现入射工作激光5二维扫描。

其中，入射工作激光5可通过导光臂或专用光纤(例如空心光纤)直接传送到上述的激光二维扫描单元的振镜上。

分束镜18安装在分束镜座19孔19-c中，分束镜座19通过螺钉19-1与外筒3内侧面的孔3-b固连，分束镜18的一面18-a镀工作激光增透膜，另一面18-b镀ccd成像系统4成像光反射膜，所以经过二维mems扫描镜17反射的工作激光可以穿过分束镜面18-a经孔19-b穿出，然后经过透镜聚焦，最后通过内筒1末端的45度反射镜21反射到工作表面上。另一方面，ccd成像系统4成像光(可以是工作激光，也可以是指示光源)经过45度反射镜21反射，然后经分束镜面18-b反射从孔19-a穿出，通过外筒3的孔20-b射入ccd成像系统4，从而实现工作区域的实时监控。外筒盖20通过螺钉20-1与外筒孔3-c连接。在实际应用中，除了使用mems实现激光二维扫描，还可以通过压电陶瓷谐振实现工作激光二维扫描。工作激光可以通过光纤传输，也可以通过导光臂传输。

如图6所示，为单向层流通风单元结构图。通过通风管道方向的设计，使得大部分风朝着45度反射镜21和出光口流动，形成正压，通风既能除掉激光切削产生的粉尘，又能带走激光切削产生的热量，同时由于外筒首端密封，基本上没有风流向mems一侧，避免了通风对内置光学元器件稳定性的影响以及切削粉尘、口腔唾液、细菌等的污染。

需要说明的是，本发明实施例例举的激光手术或加工设备的外形为圆管状，其外形还可以为其他形状，例如方形管等。本发明实施例例举的激光手术或加工设备为两段式伸缩外壳结构，在此基础上，还可以实现三段甚至更多段式的伸缩外壳结构，且均在本发明实施例的保护范围之内。以及，虽然优选实施例以口腔牙体预备为例对本发明实施例的激光手术或加工设备进行说明，但并不意味着本发明实施例的激光手术或加工设备只能够应用在口腔牙体预备领域，例如该激光手术或加工设备还可以用于其它医学领域如牙科、骨科、口腔种植、眼科、外科或者其他领域的材料加工与成型，完成硬组织(牙齿、骨)、软组织或其他材料的切除消融，还可用于工业领域，如材料表面改性、材料切削等。

综上所述，本发明实施例提供的激光手术或加工设备基于内置mems微镜、可移动的透镜等技术，实现了激光手术或加工设备的小型化、微型化，并集成了激光切削消融、监控、通风除尘功能于一体，真正实现口腔临床全自动化、智能化、安全舒适牙体预备的目标。通过在口腔牙体预备领域应用本发明实施例提供的激光手术或加工设备，可以突破人手操作进行牙体预备的精度、质量和效率瓶颈，使口腔医生摆脱超负荷、高重复性的手工操作劳动，最大程度避免人为因素造成的医疗差错；用数字化测量和自动化控制，替代目测和手控，高标准、可重复地完成“专家水平”的临床操作过程，真正实现和普及“临床医疗操作规范”，提高临床医疗效率和质量并逐步实现临床医疗自动化、智能化。将传统的手工劳动升级为人工智能，自动精确数控，这提升口腔医学科学的进步，提高临床医疗效率和质量，方便病人感受，降低成本，都具有的无限的巨大潜力和巨大的经济社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。