機器人在口腔醫學領域的應用

摘 要 機器人具有精準、高效、穩定等特性，已應用于各行各業。目前，在口腔治療中的應用取得了階段性成果。它不僅減輕了臨床醫生的工作強度，而且提高了治療的精確性。本文就目前機器人在口腔醫學領域的應用和研究現狀做一綜述。

關鍵詞 機器人；口腔醫學；種植術；數字化醫學

中圖分類號 R608 R78 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2022）05-0351-16

Application of surgical robots in stomatology

ZHAO Ruifeng， LI Zhiwen， BAI Shizhu

（Digital Center， the Third Affiliated Hospital of Air Force Medical University， Xi’an 710032， China）

Abstract With precision， efficiency， stability and other characteristics， robots have been used in various fields. At present， its application in stomatology has achieved phased results. It not only reduces the intensity of clinician’s work， but also improves the accuracy of treatment. This article reviews the application and research status of robots in the field of stomatology.

Key words Surgical robot; Stomatology; Dental implant; Digital medicine

機器人是一種人工制造的能夠半自主或全自主工作的智能機器。其具有感知、決策、執行等基本特征，可以輔助甚至替代人類完成危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質量，服務人類生活，擴大或延伸人的活動及能力范圍。隨著數字化設計和數控制造的發展，機器人技術已經迅速擴展到與人類生活息息相關的各行各業。從外太空、深海、工業制造領域到微小分子，機器人已無處不在。新一代機器人有望在家庭、工作場所和社區安全等方面創造更多可能，在服務、娛樂、教育、醫療、制造和援助等方面提供支持[1]。

從1996 年美國 Intuitive Surgical 公司開發的達芬奇手術機器人系統[2]問世，到如今口腔種植手術機器人等成果，機器人在醫學領域取得了重大進展。

相比傳統手術，機器人具有以下優勢：

①突破了手術中術野空間的局限；②靈活結構控制技術可實現精確定位精準手術；③機器人工作穩定、可靠（安全），可重復性高；④實現手術微創化；⑤不間斷連續工作，同時減少醫生的職業暴露；⑥使遠程手術成為可能。

1 醫療機器人的臨床應用

1.1 神經外科

神經外科主要治療的是由腫瘤、炎癥、外傷等導致的腦部和脊髓等神經系統的疾病，因此對術者要求特別高，在切除病變組織的同時不能損傷鄰近組織。神經外科手術機器人的應用使得神經外科手術越來越精細、微創。

由于人類疲勞會導致注意力不集中，機器人輔助有利于長時間的顯微外科手術。Li Q H等[3]使用NeuroMate機器人系統進行圖像引導和輔助神經外科手術進行靶結構的立體定向，可以減少人為錯誤，也可以節省涉及多個目標時活組織檢查的手術時間，而且不易出錯。Minchev G等[4]研究表明，使用機器人進行立體定向手術的輔助可以提高精準度，縮短定位時間，而且對于年輕醫生的學習曲線也會變短。

1.2 脊柱外科

脊柱外科機器人的主要作用是在術中通過影像系統進行實時導航，輔助醫生進行椎弓根螺釘的植入。脊柱外科機器人可以克服外科醫生手術時難以保證精準定位，手術時間過長容易導致疲勞等問題[5]。術者只需要通過控制機械臂操縱手術工具，通過術中影像實時導航完成精細的手術動作，植入椎弓根螺釘的準確率為85%～100%[6]。

1.3 放射治療

對于一部分顱內腫瘤，使用內鏡或顯微神經外科的方法造成的創傷較大，術后重建顱底困難，且易引發感染等術后并發癥[7]。而使用傳統放射外科的方法單次放射劑量過大易損傷入路和腫瘤周圍組織；而放射劑量過小則腫瘤治療效果不佳，且腫瘤周邊易復發；同時還要在患者頭部固定立體定向頭架，進一步加重患者負擔[8]。

使用機器人引導進行放射治療可以更加精準的覆蓋腫瘤區域，避免造成靶器官周圍組織的損傷；精準控制照射量，減少無關照射的產生；且不再使用立體定向頭架，患者更舒適[9]。

1.4 血管外科

血管吻合術對醫生的技術和耐心是一種考驗，同時也是傳統腹腔鏡行血管旁路術的主要難題。使用醫療機器人輔助醫生進行血管吻合術已經取得了不錯的效果[10]：術者采用舒適的坐位在主控臺進行手術操作，可緩解疲勞，能夠輕松完成長時間的復雜手術；可以明顯縮短術中血管阻斷時間，提高手術效率，減少術后并發癥的發生；通過機械手能減少術者手部震顫對手術的影響，使操作更加精細[11]。

1.5 腔內介入

血管腔內介入手術要在持續的X線照射下進行操作，長時間的輻射積累會給術者造成不可逆的傷害。術中術者無法直接控制導絲或導管的末端，從而需要頻繁更換器材和反復操作，導致手術時間的增加，同時也會增加血管損傷的可能[12-13]。

應用腔內介入機器人時，術者可以直接控制導絲或導管末端的前進方向，精準快速地到達目標部位，縮短手術時間的同時還降低了手術成本。且整個過程中術者不會受到X線輻射[14]。

1.6 腹腔手術

腹腔鏡手術相對于傳統開放式手術創傷小、失血量少、術后患者疼痛輕、恢復快，因此得到了快速普及[15]。但是腹腔鏡手術同樣存在其局限性，如器械并不完全符合人體工程學特點，限制了術者操作；手術視野較小導致手術操作時間長；術者注意力長時間高度集中容易疲勞；同時學習曲線也較長，尚無法完全替代傳統手術[16]。

達芬奇機器人系統經美國FDA批準已應用于臨床20余年，是目前世界上外科手術應用最廣泛的手術機器人系統[17]。達芬奇機器人手術相較于腹腔鏡手術和傳統開放手術有明顯優勢：①具有可放大10～15倍的3D視野[18]；②仿生器械和防震顫系統使得機器人的機械臂比術者的手更加穩定；③7自由度的機械臂關節使得末端夾持的手術工具能夠在狹小的空間靈活運動[19] ；④在療效上有明顯優勢[20] ；⑤學習曲線低；⑥術后手術并發癥發生率低等[21]。

1.7 骨科

骨科手術為硬組織操作手術，結構復雜，對操作精度要求高，而且手術術式多樣、操作流程復雜。傳統的骨科手術要求術者有足夠的力氣和耐心，手術強度大。而對于同為剛性結構的手術機器人來說，在該領域具有天然的優勢。

手術機器人在骨科的應用主要包括骨折復位、骨折內固定、關節置換等[22-24]。骨科機器人可以實現微創操作，減少因術中牽拉導致術者體力的快速消耗；通過術前規劃進行術中精準定位，加快手術速度，最大限度地減少醫患所受到的X線輻射；對患者創傷小，術后疼痛輕，降低感染、神經血管損傷等相關并發癥發生的概率；使得遠程操控進行臨床手術成為可能[25]。

2 醫療機器人在口腔醫學領域的應用

近年來，隨著機器人在醫療行業的不斷發展，有不少學者開始將機器人技術應用于口腔修復、正畸、頜面外科、種植等多個領域。

2.1 口腔修復

2001年，呂培軍等[26]開展了使用機器人排牙的研究。機器人系統由電腦、CRS機器人、自行設計的電磁夾持器、兩個排牙輔助器、中間塊、光敏膠水、持膠盤、標準人工牙、工作桌、光源和光纜線等組成（如圖1）。機器人機械臂只需要通過夾持和放置中間塊，就可以達到排牙目的。由于中間塊外形是一致的，所以能夠更加容易、精確地控制。研究結果表明，該機器人在空間位置的計算上表現良好，為替代人工排牙并制作全口活動義齒打下了良好基礎。

人工牙的形狀比較復雜，單個機器手臂不容易準確地抓持和操作。2011年，張永德等[27]提出了用多操作機排牙的方法，并設計了一種基于多機械手和牙弓的新型全口義齒制作裝置（如圖2）。該裝置采用基于全口義齒排牙原理的分析方法，建立了多機械手排牙機器人的運動學模型。利用其進行了初步排牙實驗，可以根據頜弓參數自動設計制作一副適合患者的全口義齒。實驗結果驗證了多機械手排牙機器人運動學模型的有效性和其實現全口義齒制作策略的可行性。

2014年，WANG D X等[28]設計了一種微型機器人裝置，為臨床牙冠預備提供了一種新的方案（如圖3）。該機器人通過控制振鏡的上下和旋轉運動，以及透鏡的前后平移，從而控制激光點覆蓋牙齒的每個牙面。其包括以下部分：微型機器人末端執行器、牙齒夾具、飛秒激光發生器、激光傳輸臂、激光掃描儀和計算機控制臺。實驗結果表明，激光點束的運動范圍可以完全覆蓋人工牙和離體牙的各個部位。激光焦點的重復性結果表明，平均誤差約為40μm，通過實驗證實了備牙機器人的可行性。

2.2 口腔正畸

精準的弓絲彎制是固定矯治的關鍵技術。與傳統手工彎制相比，使用具有精確形態控制能力的機器人可以提高弓絲彎制的精度和效率。2004年，Werner B等[29]設計了一種名為“SureSmile”的雙手弓絲彎制機器人，它能準確、自動地彎制弓絲。

2009年，張永德等[30]和杜海艷等[31]制作了基于Motoman UP6的弓絲彎制機器人（如圖4），與傳統用于工業的Motoman機器人的運動控制不同，其末端可以實現小范圍內較復雜的曲線運動，以滿足彎制復雜形狀弓絲的要求。隨后，為了提高機器人彎制弓絲的精度和可靠性，張永德等基于不同弓絲回彈特性，在有限元分析軟件MSC. Marc上建立弓絲彎制模型，模擬實際的弓絲彎制過程，從而得到弓絲仿真回彈特性。同時，采用機器人進行不同角度的彎制，手動測量得到弓絲的回彈角度，通過多次實驗和誤差分析得到弓絲彎制的實際回彈特性。由軟件所得仿真數據和實驗數據，分析誤差的來源和改進方法，從而確定常用的鎳鈦合金弓絲、不銹鋼弓絲、β－鈦合金弓絲和澳絲的回彈特性數據曲線，為采用機器人進行矯正弓絲的彎制提供了依據。

2011年，Gilbert開發了一種名為LAMDA的機器人系統[32]，用于精確快速地彎制正畸弓絲（如圖5）。其采用龍門式結構設計，彎曲精度高，效率高。設備的價格相對較低，但缺點是他只能彎曲一條平坦的曲線。

2013年，在對弓絲成形的過程進行分析的基礎上，蔣濟雄等[33]搭建了弓絲彎制機器人及其控制系統（如圖6）。其建立的標準的和帶外展彎的正畸弓絲數學模型成功擬合了機器人彎制弓絲時的回彈參數，提高了弓絲彎制精度和效率。通過將該機器人彎制的正畸弓絲應用于

1例正畸患者，驗證了機器人及其控制規劃模型的有效性和實用性。

2014年，XIA Z Y等[34]和郭楊超等[35]設計了正畸弓絲彎制機器人專用的末端執行器，使之在正畸弓絲彎制的過程中可以根據需要自動更換鉗頭（如圖7）。針對弓絲彎制過程中的回彈問題，研究不同材料正畸弓絲的彎曲回彈特性，設計出相應的補償方案，提高了自動彎曲的精度與效率。為了獲得機器人弓絲彎制的運動軌跡節點，根據醫師的彎制流程和動作，對正畸弓絲進行參數化設計，并根據設計參數自動生成一條彎制路徑，從而實現正畸弓絲的自動化彎制。最終基于ROS與Gazebo建立了機器人仿真平臺，對機器人的運動軌跡進行分析，驗證了機器人路徑的合理性。

2.3 牙體牙髓治療

雖然根管治療技術已經在臨床應用多年，但其操作差異大，成功率與醫生個人的經驗與技術水平關系較大。為了使根管治療標準化、精確化和高效化，Dong J等[36]于2007年嘗試開發多功能微型根管治療機器人（如圖8）。該機器人可以放置在患者的口腔內，固定于牙齒上，通過Z軸執行器來控制根管器械的運動和更換裝配，從而高效、可靠地進行根管治療。

2010年，Ortiz Simon J L等[37]開發了一個輔助抓持牙鉆的機器人，以協助醫生更穩地手持牙鉆（如圖9）。在預備窩洞時，機器人輔助醫生使用平穩而精確的動作來操縱牙鉆。其最大限度地減少了由于疲勞引起的牙鉆震顫，降低了醫源性口腔損傷的風險。該研究的結果表明，此機器人使鉆針的定位準確率提高了53%。

根管治療要連續地使用多達數十種器械，而手動選擇器械是一個相當低效的過程；再者，治療器械占用了移動推車或治療臺上的大部分面積。Nelson C A等[38]制作了一種新型的“器械選擇和遞送機器人”（如圖10），它能夠有效解決這些問題。這種機器人能執行預先設置好的命令，自動按照預設的順序逐個遞送器械，有效提高了根管治療的效率，保持了臺面的整潔。在實際應用中，該機器人為整個治療過程節省了4.4%的時間。

2.4 口腔頜面外科手術

2.4.1 正頜外科

傳統截骨術只能線性截骨，很難進行復雜形狀的截骨，精度也很難保證。為了解決這一問題，2010年，Burgner J等[39]基于短脈沖激光消融系統成功制作了正頜截骨機器人（如圖11）。其支持任意形狀的截骨術。實驗采用了豬骨頭，預先根據骨CT進行截骨線的規劃；整個截骨過程由機器人輔助激光消融系統自主執行；術后測量結果顯示，整體定位精度為0.5mm。

顱頜面區具有精細復雜的解剖結構，在這個區域進行手術需要外科醫生具有高超的技術和靈巧的雙手。為了提高手術中的準確性，在2015年，GUI H等[40]設計和制造了一種7自由度機械臂手術機器人。這款機器人基于Gui等人自己開發的導航系統TBNAVIS-CMFS，主要用于正頜手術中的精確截骨。機器人在導航系統的可視化條件下，通過預先設計，成功地進行了Le Fort I型截骨手術。

2015年，Baek K W等[41]研究了ER：YAG激光器在截骨手術中的應用，其主要優勢是復雜形狀的截骨和截骨精度的控制。他們制作了一種使用激光截骨的手術機器人系統（如圖12）。這種激光機器人可在手術室中進行臨床應用，其優勢在于多種環境下可操控，適合個性化骨瘤切除和復雜形狀的截骨術。

2019年，Ma Q等[42]使用無標記導航模塊建造了一種口腔頜面外科機器人系統（如圖13）。該團隊提出了一種新的概念來處理患者、醫療設備和外科醫生之間的關系，即利用患者自己的器官作為姿勢識別的自然標志，讓機器成為手術的主要操作者，將外科醫生的工作優先級從術中實施轉變到術前規劃。他們認為，這種手術關系的變化最終可能有利于未來數字化口腔頜面外科的發展。

2.4.2 腭裂修復

局限的操作空間和復雜的環境，大大增加了腭裂修復術的難度。隨著機器人腹腔手術方式的成熟，2015年，Khan K等[43]基于達芬奇手術機器人，探索了使用機器人進行腭裂修復術的可行性。先是對1名兒童的氣道模型進行腭裂手術模擬（如圖14），然后對尸體進行機器人輔助的Hynes咽成形術。結果表明，由于更直觀的視野和更清晰的解剖結構，使用機器人輔助腭裂手術可以大大提高外科醫生進行難度較大的腭和后咽手術的能力，也為新技術開發奠定了基礎。這種手術方式不僅降低了術中二次傷害的風險，而且更容易學習。

同年，Nadjmi N等[44]也研究了達芬奇手術機器人修復腭裂的可行性，以及尸體上人機（患者-機器人）的最佳手術姿勢，然后在臨床實踐中使用該機器人完成了10例腭裂修復手術，術中和術后無并發癥。雖然住院時間比傳統手術縮短1.4d，但手術時間平均延長35min。Nadjmi認為口腔機器人修復腭裂可以減少對血管、腭肌、神經和黏膜的損傷。修復術后，后腭部和咽鼓管功能均得到改善。此外，高分辨率的三維圖像提供了良好的空間感知，提高了手術精度，利于口內縫合，提高了手術安全性。與傳統手術相比，機器人手術的姿勢更加合理。

2.4.3 腫瘤切除

在傳統的頭頸部腫瘤切除術中，為了滿足視野的需要，手術切口往往很大；這不僅造成嚴重的美學問題，而且對患者的術后生活產生心理影響。此外，舌根等區域使用傳統手術方式特別難以操作。與傳統的手術技術相比，手術機器人具有三維可視化，良好的止血，以及更好的操作自由度（約360°）等優勢，有望克服傳統手術的。在2011年，Kayhan F T等[45]進行了第1例達芬奇手術機器人輔助切除舌根部腺樣囊性癌的手術。采用口腔入路，避免了氣管切開術、皮膚切口和下頜骨骨折，從而避免了術后頸部瘢痕。因此，近年來，達芬奇手術機器人已被用于咽旁間隙腫瘤的外科治療，如多形性腺瘤[46]、脂肪瘤[47]和神經鞘瘤[48]。然而，由于缺乏力反饋系統，在手術過程中很容易導致腫瘤包膜破裂。因此，如有必要，需要手動鈍性分離。與傳統手術相比，機器人切口較小，可隱藏在患者耳后發際線中。因此，術后美學滿意度明顯高于傳統手術，但平均手術時間略長。

2.5 顳下頜關節功能障礙（TMD）的治療

TMD的特點是顳下頜關節疼痛，張口受限，顳下頜關節有彈響。目前常用保守治療來緩解其臨床癥狀。按摩作為一種物理保守療法，在臨床上廣泛應用于TMD的治療，取得了良好的效果。與傳統按摩相比，機器人按摩不僅節省了人力，而且其程序化和標準化的按摩可以給患者良好的治療體驗。Ariji Y等[49]使用口腔康復機器人WOA-1（如圖15），對26名不同類型的TMD患者進行3次按摩（每次10min）。他們發現，75%的肌筋膜疼痛患者得到有效緩解，40%的患者張口增加5mm甚至更多。

張口訓練是治療TMD所致張口受限的有效方法。Takanobu H等[50]建立了一個用于橫向運動訓練的6自由度機器人，并治療了1例TMD患者。結果表明，開口距離從28mm增加到45mm，右側TMJ橫向運動距離從9mm增加到15mm，左側從7mm增加到12mm。在2015年，Sun Y等[51]構建了一種軟質口腔康復機器人，該機器人由一種新型的軟質氣動執行器驅動，用于訓練有張口受限的患者。他們通過一種特殊的模型對機器人的力學性能進行了研究，表明利用機器人進行張口訓練是可行的。

2.6 手術機器人在口腔種植領域的應用

傳統口腔種植技術中，種植位點精度、鉆孔的力度等難以控制，種植成功率取決于醫生的技術和經驗。而已被廣泛應用于臨床的手術機器人，由于其精準、微創、安全、高效等特點，成為進一步提高口腔種植手術精度的重要方向。

2011年，Sun X等[52]設計了一種6自由度的三維圖像引導機器人種植系統（如圖16）。根據術前錐形束CT圖像重建患者的三維模型，并使用這些數字模型進行種植規劃。他們提出了一種兩步配準方法，從而將種植體植入的術前計劃轉化為術中操作所需的參數。該系統中引入了坐標測量器（CMM）作為參考坐標系，避免了種植過程中機器人與患者的直接接觸，保證了患者的安全。體外實驗表明，該系統設計可行，配準誤差為（1.42±0.70）mm。

2017年，由美國Neocis 公司制造的名為Yomi的牙科種植導航機器人系統[53]獲得FDA批準，該系統由觸覺式導航技術操控，以提供鉆頭位置、方向和深度的物理參數，并可以限制鉆針的方向和深度（如圖17）。Yomi機器人使手術部位可視化，并使醫生能夠根據術中的具體情況實時更改種植方案。2021年，Bolding S L等[53]使用Yomi機器人在臨床上進行了5個病人共計38個植體的植入手術。結果顯示角度偏差為（2.56°±1.48°），肩部偏差為（1.04±0.70）mm，根部偏差為（0.95±0.73）mm，深度偏差為（0.42±0.46）mm。從2013年開始，為了臨床應用的目的，趙銥民教授的團隊[54-55]開發了一個高度自主化的種植牙機器人系統（如圖18）。該系統由高精度UR5機械臂、FusionTrack 250光學追蹤系統、Gamma六軸力/力矩傳感器、計算機等硬件系統和基于應用程序開發框架Qt和可視化工具包開發的軟件控制系統構成。口腔種植機器人能夠在醫生的監督下，按照規劃好的種植方案根據醫生指令自主完成種植窩洞的制備和種植體的植入，且種植精度高于傳統自由手種植、導板引導種植或導航引導種植的手術方式，保證了術后修復效果和種植體的遠期成功率。在視覺伺服和力伺服的混合控制下，機器人末端執行器能夠進行精準運動，補償末端執行器由于受力時發生形變而導致的系統誤差，使機器人在種植過程中能夠具有“醫生手感”。機器人具有隨動功能，能夠實時跟蹤患者局麻狀態下頜骨的非自主震顫，保證種植體植入的精度和患者的安全。該團隊使用種植牙機器人系統進行了動物實驗[56]，受試動物為9只3歲中華田園犬，結果顯示總體精度：頸部偏差為（0.269±0.152）mm，根部偏差為（0.254±0.218）mm，角度偏差為（0.989°±0.517°）。2017年9月，進行了3例缺牙患者的自主式口腔種植機器人手術，并順利完成缺失牙的即刻修復。

對于嚴重萎縮的上頜骨，顴骨種植已經成為越來越流行的修復方式。然而，顴骨種植難度大，手術復雜，準確性在很大程度上取決于外科醫生的經驗。為了克服傳統手術導航系統的缺點，2019年，Cao Z G等[57]設計并研制了一種6個自由度新型顴骨種植機器人系統（如圖19）。體外實驗顯示該機器人系統的角度、入口點和出口點偏差分別為（1.52°±0.58°）、（0.79±0.19）mm和（1.49±0.48）mm。同時，將機器人操作與人工操作進行了比較，結果表明，利用該系統進行顴骨種植體植入可以提高手術的準確性。

3 小結

醫療機器人的優點是手術精度高、穩定性好、智能化、標準化，可實現遠程手術。隨著醫學機器人在口腔領域中的不斷發展，必將推進整個口腔醫學行業的標準化、規范化、精確化、智能化進程。除了上述口腔機器人外，還有口腔教學機器人[58]，刷牙機器人[59]，模擬牙科患者機器人系統[60]等。雖然目前在口腔醫學領域對機器人的研究取得了較大的進展，但還遠不夠完善，存在很多缺點：如缺乏充分的人機交互，智能化水平不足以完全解放臨床醫生，手術器械作用力的感知和控制系統需要建立等。然而，隨著人工智能技術、納米機器人技術和機器人控制理論的不斷發展和完善，上述問題將在未來得到解決。這意味著機器人將在口腔醫學領域得到更廣泛的應用，并將為人類口腔健康做出巨大的貢獻。

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