智能機器人在口腔醫(yī)療領域的研究與應用現(xiàn)狀*

陳昱江 綜述，萬海因，王露苓，高 寧，余林蔚，劉 英,2△ 審校

(1.川北醫(yī)學院口腔醫(yī)學系，四川 南充 637000；2.川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院口腔科，四川 南充 637000)

醫(yī)療機器人通過感知、計算、運動能輔助或自主地完成高難度臨床手術(shù)操作，具有微創(chuàng)、高效、安全等優(yōu)點，為患者提供了更舒適的診療體驗。自“達芬奇手術(shù)機器人”[1]問世以來，其在臨床手術(shù)中應用所展現(xiàn)的優(yōu)勢遠超過往，使人工智能與臨床醫(yī)學的結(jié)合成為可能。

迄今為止，口腔醫(yī)療智能化成為未來口腔與科技融合發(fā)展的一個全新方向。機器人技術(shù)的發(fā)展受到社會廣泛關(guān)注，越來越多的口腔醫(yī)學工作者為拓展科技與臨床結(jié)合的成果，不斷設計開發(fā)出新的、更便捷的口腔治療機器人，涉及口腔正畸、口腔內(nèi)科、口腔修復、口腔頜面外科等方面?，F(xiàn)將智能機器人在口腔醫(yī)療領域的應用現(xiàn)狀綜述如下。

1 智能機器人在牙體牙髓治療中的應用

根管治療時由于根管結(jié)構(gòu)復雜等因素可能導致根管側(cè)穿、過度預備等問題。因此，對臨床醫(yī)師而言，根管治療具有一定的挑戰(zhàn)性和風險性。近年來，人工智能技術(shù)因其高度精準性、穩(wěn)定性、有效性，在探測根尖周病變、冠根骨折等方面的應用研究逐漸深入[2]。TOOSI等[3]建立的Omni Phantom機器人擁有觸覺虛擬現(xiàn)實模擬器，可以基于圖形和觸覺交互式模擬根管治療，尤其是模擬k銼清潔根管內(nèi)表面的過程不僅促進了根管治療過程的可視化，還可降低患者的診療風險。2020年莫斯科學者對基于KUKA LBR4+的工業(yè)運動學機械手的口腔試驗進行了報道，一方面，該設備被視為一個連續(xù)連接的運動體結(jié)構(gòu)，可允許誤差為±0.05 mm，能實現(xiàn)7個自由度的控制，結(jié)果顯示，其在手術(shù)過程中保持工作儀器的特定運動速度更精確(4倍)，偏離規(guī)范化的軌跡優(yōu)于人類操作者的3.3倍；另一方面，在數(shù)控控制器的協(xié)助下，根管微型機器人對器械可施加的推力達4.9 N，并以5個自由度移動根管器械，可降低人為因素對根管治療的干擾[4]。近年來，國內(nèi)學者也在致力于研發(fā)新型口腔治療機器人，結(jié)合了導航設備、力傳感器等，能替換臂端的工作器械，如制備齲洞的高速轉(zhuǎn)頭、根管治療時種類繁多的針和銼，旨在提高根管治療的質(zhì)量。

由多種細菌構(gòu)成的牙菌斑不僅能形成牙結(jié)石影響牙外在美觀，還易引發(fā)口臭、牙周病等問題。對牙菌斑的清潔方式，GRISCHKE 等[5]證實了應用機器人系統(tǒng)比臨床刷牙效果好、效率高。同時，已有團隊研發(fā)了一款六軸機器人[6]，可自動模擬清潔菌斑程序，具有顯著的個體特異性和位點針對性。鑒于根管內(nèi)生物膜較難介入和清潔，HWANG等[7]研發(fā)了具有磁催化功能的抗菌機器人，可按設定的路徑進行根管預備，利用磁力驅(qū)動和納米技術(shù)，應用氧化鐵納米顆粒消滅細菌和破壞生物膜，并降解膜碎片，旨在徹底根除生物膜，防止其再生感染。此外，HWANG等[7]還探討了這些系統(tǒng)的其他應用，如預防齲病或種植體周圍感染等。

2 智能機器人在口腔修復治療中的應用

近年來，機器人的研發(fā)與應用在口腔修復領域取得了較大進展，主要包括牙體預備、全口義齒排牙、修復種植和咀嚼機器人。

2.1牙體預備 隨著數(shù)字化印模技術(shù)的不斷革新，牙體預備成為口腔修復治療的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)牙體預備方法要求醫(yī)師在狹小的口內(nèi)空間，僅憑個人臨床經(jīng)驗徒手目測備牙，無法克服人工預備體“量與型”的隨機性[8]，難以達到理想的預備效果。因此，一方面，BELLO[9]運用計算機數(shù)控路由器和真空工作臺成功改造并完成了體外全冠牙體預備，一定程度上提高了牙體預備的精確度和穩(wěn)定性，但在投入實際應用前，尚需進一步探索該設備在人體生理環(huán)境的適應性和患者接受度；另一方面，自2016年YUAN等[10]將機器人技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出世界首臺機器人自動化牙體預備系統(tǒng)以來，該團隊發(fā)現(xiàn)，飛秒激光束的斷光延遲會影響備牙錐度，并由此提出了機械自動控制高功率飛秒激光束提高備牙準確性的新途徑[11]，為患者帶來更舒適、安全的診療體驗。

2.2全口義齒排牙 全口義齒是無牙患者的主要修復方式，但傳統(tǒng)手工排牙不僅要求醫(yī)師具備精湛的技術(shù)水平，而且耗時長、誤差大，很難獲得良好的咬合關(guān)系。21世紀以來，有關(guān)排牙機器人的研究已日臻成熟。國內(nèi)學者LYU等[12]和ZHANG等[13]已先后構(gòu)建并改進了6個自由度機器人全口義齒人工牙列制作系統(tǒng)和50個自由度自動排牙機器人，取代了傳統(tǒng)人工制作牙弓技術(shù)，提出了將牙弓發(fā)生器整合在多操作機排牙機器人的思路，進而顯著提高了排牙效率，并在此基礎上采用Pro/E軟件設計出具有7個自由度的SCARA型排牙機器人[14]，進一步提高了排牙精度。該系統(tǒng)由牙庫、精雕油泥排列區(qū)域和機器人本體組成，本體包括Z軸升降臺、大臂、小臂、腕部關(guān)節(jié)和末端手爪，體積小，性能強，有效降低了傳統(tǒng)備牙因醫(yī)師個人水平和狀態(tài)等可能造成的風險。但目前因缺乏針對系統(tǒng)穩(wěn)定性控制等方面的深入研究，該系統(tǒng)仍處于概念設計階段。

2.3種植修復 近年來，種植修復因其咀嚼效率高、舒適度好等優(yōu)點逐漸成為牙列缺損的首選治療方式。目前，人工智能在口腔種植修復領域的探索實踐主要集中于提升種植體植入的精確性[15]。RAWAL等[16]指出，機器人輔助牙科手術(shù)在種植治療過程中可兼顧視覺和觸覺指導，可能是一種新型的動態(tài)外科指導方式。CHENG等[17]關(guān)于人-機器人協(xié)同種植系統(tǒng)的研究結(jié)果已初步驗證該系統(tǒng)精確導航的可行性，借助虛擬技術(shù)實現(xiàn)下頜骨三維重建，利用3D打印制作的定位裝置預估種植體位置，在模擬規(guī)劃鉆井軌跡后最終使用人-機器人協(xié)同種植系統(tǒng)完成鉆井過程。ZHAO等[18]提出的虛擬約束方法具有確定運動軸、投影構(gòu)型差異和推導運動控制比3個核心步驟，可模擬種植過程中的多個環(huán)節(jié)，并使輸出力穩(wěn)定、連續(xù)以提升人工種植的修復效果，但該研究以仿真頭模為研究對象，尚未提及臨床試驗中的療效。此外，在制備口腔種植窩洞時，基于機器人自動控制超短脈沖激光可通過優(yōu)化數(shù)控激光的切削參數(shù)，在非接觸下實現(xiàn)切削過程的精確控制[19]。從而有望幫助口腔醫(yī)師提升種植備洞的效率和質(zhì)量，減少椅旁操作時間，優(yōu)化患者治療體驗。有學者在融合種植準確性和安全性基礎上，提出了混合機器人的概念，并在幻象實驗驗證了混合機器人的優(yōu)異性能[20]。而自主牙科植入機器人系統(tǒng)在體內(nèi)的準確性也在動物實驗中得以證實[21]，為后續(xù)臨床試驗提供了動物實驗支撐。

2.4咀嚼機器人 在口腔修復治療中不同材料修復體的壽命由于磨損和腐蝕而不同程度地縮短。因此，預先檢驗修復材料的性能在臨床應用中具有重要意義。咀嚼機器人因可模擬人類咀嚼運動而成為研究熱點，在修復領域具有廣泛的應用前景。2018年REN等[22]開發(fā)的智能機器人由動力系統(tǒng)、智能控制和驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，利用7個壓力傳感器測試單個人工牙受力情況。TAHIR等[23]將Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)用于力控回路，研制出一款新型模擬咀嚼模擬器，可量化種植體和下頜骨之間的負荷分布，進而更客觀地評估修復材料的性能，為修復材料的選擇提供了參考依據(jù)。

3 智能機器人在口腔正畸治療中的應用

準確地再現(xiàn)并記錄患者下頜功能運動從而模擬患者正畸問題能幫助口腔醫(yī)師明確診斷，故CAROSSA等[24]基于下頜運動分析儀和相應機器人設備改進了仿生爪運動機器人，其高幀拍攝裝置組成的光電子運動系統(tǒng)能通過人工視覺系統(tǒng)實現(xiàn)更高精度，克服了傳統(tǒng)運動機器人耗時長等局限性，降低了機械容差，不僅能對特定空間位置進行量化，還可記錄邊界系統(tǒng)以外的功能運動。

正畸領域的關(guān)鍵技術(shù)之一是弓絲彎制，而機器人的位姿準確性及重復性可克服弓絲的高彈性、手工彎制效率低下等劣勢。早前美國OraMetrix公司基于計算機輔助設計和計算機輔助制造設計了“SureSmile”全數(shù)字化系統(tǒng)，可使弓絲彎制的角度和曲達到高度精準，且可通過縮短治療周期優(yōu)化患者體驗，使數(shù)字化在正畸領域取得里程碑式突破。2016年CAMARDELLA等[25]對虛擬設置與傳統(tǒng)石膏模型進行了對比分析，結(jié)果顯示，前者不僅具有同等準確度，還兼有數(shù)字儲存能力、模型重復性等，驗證了虛擬設置用于正畸領域的可能性和發(fā)展性。MüLLER-HARTWICH等[26]根據(jù)SureSmile工序運用計算機輔助設計和計算機輔助制造定制弓絲，旨在實現(xiàn)診療規(guī)劃與弓絲彎制的自定義化。有學者融合使用Insignia?系統(tǒng)和SureSmile?系統(tǒng)，通過加速牙齒移動以提高速率[27]。VAN DER MEER等[28]巧妙運用3D打印機，促進了正畸的三維數(shù)字化。

基于LABVIEW軟件，張永德等[29]提出的交互調(diào)整方法具有一定的可行性和有效性。為盡可能地解決弓絲回彈現(xiàn)象，JIANG等[30]從應力-應變-中性層運動的角度切入，將提出的回彈計算模型用于機器人正畸弓絲彎曲系統(tǒng)，提高了彎制精度。有研究從患者上頜的三維節(jié)點信息出發(fā)，結(jié)合三維數(shù)字化表達，用貝賽爾曲線確定弓絲在三維空間中的方位、形態(tài)及牽制關(guān)系，促進了正畸工作的簡單化[31]。此外，有研究通過分析溫度調(diào)節(jié)驗證了更可靠、省時的超彈性鎳鈦諾管形狀設置用于機器人的可行性[32]。

由于口內(nèi)視野較局限，理想的牙弓形狀難以通過傳統(tǒng)的正畸托槽獲得。有學者基于Blender三維動畫軟件的二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合Asea Brown Boveri公司研發(fā)的工業(yè)機器人，設計了一款能計算牙位排列并交互式模擬正畸診療過程的機器人系統(tǒng)，為患者提供更理想的正畸托槽設計方案[33]。

市面上用于正畸固定固位的各類不銹鋼絲也良莠不齊，為更好地評估對比其扭轉(zhuǎn)載荷傳遞有學者用口腔機器人裝置對8種形態(tài)、種類、大小各異的不銹鋼絲進行了模擬測驗，比對了相鄰切牙的扭轉(zhuǎn)載荷傳遞，實現(xiàn)了在體外比對不同導線對扭轉(zhuǎn)載荷傳遞的影響[34]。此外，對于阻塞性睡眠呼吸暫停患者的正畸治療，KASTOER等[35]通過對患者的睡眠研究，提出了在藥物誘導睡眠內(nèi)鏡期間運用遙控下頜定位器機器人的可行性，有助于確定下頜骨的有效靶突位置。其控制裝置接收軟件的指令后，可反饋性地啟動與口腔牙盤連接的步進電機。

4 智能機器人在口腔頜面外科治療中的應用

4.1正頜手術(shù) WOO等[36]開發(fā)了一種能協(xié)助外科醫(yī)師重新定位骨段，以準確地將術(shù)前虛擬計劃轉(zhuǎn)移至術(shù)中階段的手術(shù)輔助機器人，由一個6個自由度的手臂、一個機器人運動控制器、電腦三者構(gòu)成，可更靈活、準確地幫助醫(yī)師定位骨骼。GUI等[37]將工業(yè)機械臂與手術(shù)導航系統(tǒng)結(jié)合研制了一種用于正頜截骨術(shù)的機器人，可按手術(shù)規(guī)劃自動完成截骨操作。由于顱頜面骨解剖外形不規(guī)則，傳統(tǒng)正頜整復術(shù)常需截取一些特殊形狀的骨質(zhì)，使用骨鋸很難做到外形精準。該研究成功建立了顱面手術(shù)導航機器人系統(tǒng)的理論原型，在全程可視的情況下完成了Le FortⅠ型截骨手術(shù)。

4.2顱面外科手術(shù) SUN等[38]基于工業(yè)機器人平臺進行模型試驗，對下頜骨進行軟件重建，設計了手術(shù)方案，將坐標數(shù)據(jù)輸入機器人軟件中，通過4個標記點計算矩陣轉(zhuǎn)換軌跡，生成了機器人逆運動學的目標和坐標，為實現(xiàn)自動鉆孔對模型進行了固定和標定，最后利用光學掃描儀對其精度進行了計算，安裝和準備花費10 min，鉆孔過程花費12 min，結(jié)果顯示，在不受軟組織干擾的情況下實現(xiàn)自動鉆孔是可能的。隨著人工智能和機器視覺的發(fā)展，機器人輔助手術(shù)可能幫助外科醫(yī)師實現(xiàn)更多的顱面手術(shù)自動化程序。CHAO等[39]調(diào)查了在預編程方式下執(zhí)行機器人截骨術(shù)的可行性和準確性，通過名為庫卡的德國奧格斯堡手術(shù)機器人，在動態(tài)立體導航的幫助下，成功利用三維打印的腓骨瓣進行了截骨手術(shù)，然后使用高分辨率計算機斷層攝影術(shù)將截骨節(jié)段與實際規(guī)劃節(jié)段進行比較，測量出的線性和角度精度均證明了截骨術(shù)用于游離腓骨瓣下頜骨重建的可行性，并可能在技術(shù)的進展中進一步提高手術(shù)精度。WANG等[40]建立了一個名為“EasyImplant”的輔助系統(tǒng)，能更高效地為顱面缺陷患者設計個體化的多孔植入模型，通過鏡像技術(shù)以健康側(cè)為參照，獲得有缺陷側(cè)的初始植入模型，基于多種預先設置的算法調(diào)整和修復初始模型，優(yōu)化多孔植入結(jié)構(gòu)，有助于縮短植入物設計周期，有效降低發(fā)生手術(shù)感染的風險。

5 智能機器人在口腔醫(yī)學其他領域的應用

5.1口腔醫(yī)學教育 H?HNE等[41]設計了具有真實齲病和牙髓腔的3D打印模擬牙，并于2018年召集47名牙科學生對其進行了去齲、蓋髓等操作，操作結(jié)束后通過學生填寫問卷評估3D打印牙齒的優(yōu)越性，對3D打印牙齒的等級分為優(yōu)秀(1分)、好(2分)、滿意(3分)、足夠(4分)、差(5分)等，結(jié)果顯示，學生總體評分1.9分，觸覺印象評分2.0分，鍛煉評分1.5分，考試評分1.9分，高出標準模型牙齒評分1.5分。證明3D打印牙齒能幫助訓練學生的臨床前操作，有助于推進口腔教育領域的發(fā)展。

5.2兒童口腔醫(yī)學 土耳其學者KASIMOGLU等[42]在兒童口腔治療中引入了一種人形機器人，在4～10歲兒童中使用心理分心技術(shù)，以減少其在口腔治療期間的焦慮并改善其行為。該團隊將200名兒童隨機分為2組，一組為有機器人陪伴(RG)，另一組無機器人陪伴(CG)。每組內(nèi)有半數(shù)兒童接受局部麻醉(浸潤麻醉)，半數(shù)兒童不給予局部麻醉。通過使用父母 Corah 牙科焦慮量表、面部圖像量表、生理脈搏率、 Frankl 行為評定量表評估新的機器人分心技術(shù)的成功率，結(jié)果顯示，CG組兒童治療期間、治療后測量的脈搏率，以及口腔治療后面部圖像量表評分均明顯高于RG組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；且RG組兒童中88.3%表示希望機器人在下一次治療期間能伴其左右。

6 小 結(jié)

隨著科學技術(shù)飛速進步，智能機器人的應用和發(fā)展將在一定程度上引領口腔醫(yī)學走向智能化、自動化。同時，隨著研究的深入，口腔醫(yī)療機器人因其位姿準確性、重復性、高效性等優(yōu)點被逐漸引入臨床、教學和科研等領域，如上述的正畸診療、口腔修復、頜面外科手術(shù)等。目前，智能機器人在口腔醫(yī)學領域的應用研究尚處在初步探索階段，且相較于國外，國內(nèi)對口腔智能機器人的研發(fā)水平還相對滯后，而越來越多的人注重口腔健康，市場需求日益增長，因此，其具有巨大的研發(fā)空間和市場潛力：(1)克服功能較為單一的問題，以應對復雜多變的臨床問題，實現(xiàn)多功能化；(2)完善機器人控制理論和納米機器人相關(guān)技術(shù)等實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)和微型化。

然而，智能機器人并不是將口腔醫(yī)師取而代之，而是作為一種工具輔助醫(yī)師的診療工作。未來口腔醫(yī)療機器人將以更低的成本為醫(yī)師和患者提供更便捷、更高效的醫(yī)療體驗及更舒適的醫(yī)療環(huán)境，促進口腔醫(yī)學的學科建設；同時，將大力推動口腔醫(yī)學領域新一輪的技術(shù)革新與發(fā)展。