口腔種植機器人的應用現狀與研究進展

摘 要 種植修復是目前牙列缺損、缺失的首選治療手段。由于口腔種植機器人具有高精度、高穩定性等優異性能，可為口腔種植術提供關鍵的技術支持，其開發與應用具有良好的發展前景，但目前國內口腔種植機器人的研究還相對較少，本研究對口腔種植機器人的開發歷程、主要類型、信息數據采集方式、術中規劃與注冊、術中操作、優勢與缺點以及新近研究進展等進行綜述，以期為口腔種植醫師提供參考。

關鍵詞 口腔種植手術；機器人輔助手術；人工智能；種植牙；數字化；自動化

中圖分類號 R473.78 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）04-0727-07

Application status and research progress of dental implant robot

ZHAO Mengyu1， ZHANG Yanping1， ZHOU Ruli1， ZHU Wanchun1， 2

（1.Department of Stomatology， Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College， Nanchong 637000， China; 2.School of Stomatology， North Sichuan Medical College， Nanchong 637000， China）

Abstract Dental implant restoration is the preferred procedure of replacing defect and missing teeth. Due to the excellent performance such as high precision and reliable stability， dental implant robot can provide key technical support for dental implant surgery， and its development and application have been shown to be promising. However， at present， there are relatively few studies on dental implant robots in China. In this paper， the development history， main types， information data collection methods， intraoperative planning and registration， intraoperative operation， advantages and disadvantages， and recent research progress of dental implant robots are reviewed， with the purpose of providing references for dentists.

Key words Oral Implantation; Robot-assisted Surgery; Artificial Intelligence; Dental Implant; Digitalization; Automation

種植修復是目前牙列缺損、缺失的首選治療手段[1]，可為患者提供接近于天然牙功能及形態的修復效果，而且治療過程中不損傷鄰牙，種植后穩定性好，舒適美觀[2]。種植體植入位置的精確性是確保修復效果的關鍵[3-4]。但臨床中患者的差異性、手術技術的敏感性等均可影響種植體的精準植入。隨著人工智能的發展，目前口腔機器人已廣泛應用于修復、正畸、牙體牙髓治療等口腔外科領域[5-8]，也為口腔種植術提供了關鍵的技術支持。已有研究表明，人工智能技術輔助下，種植修復手術更加精準與安全，可確保種植體置于理想的三維位置[6-7]。由于機器人具有高精度、高穩定性等優異性能，口腔種植機器人的開發與應用具有良好的發展前景，但目前國內口腔種植機器人的研究還相對較少，本研究對口腔種植機器人的開發歷程、臨床應用現狀及新近研究進展進行綜述，以期為口腔種植醫師提供參考。

1 口腔種植機器人的研發歷程

計算機輔助下的種植體植入（Computer-aided Implant Surgery，CAIS）是精準定位種植牙植入位點的必要措施[8]。在臨床工作中，其他兩種CAIS技術（導板系統與導航系統）仍存在無法完全克服人為誤差的缺點。為獲得更精準的效果，基于導航系統技術，應用6自由度機械臂的口腔種植機器人應運而生[9-14]。

2001年Boesecke R等人[15]最先開發了輔助口腔種植時進行截骨備洞的機器人，其工作區域范圍僅為70 cm。2006年Pires J N等人[16]在綜合分析種植體著床方向、位移以及對頜骨的應力大小等因素的情況下，開發了口腔種植機器人，該裝置具有機械臂，且包含能夠測量應力、力矩等指標的儀器，能夠更好地輔助植入修復設計。2008年Wilmes B等人[17]在德國的RX60機器人技術的基礎上，設計了一款正畸支抗釘植入機器人，該機器人具有6自由度，可用于分析植入扭矩與植體直徑之間的關聯性。2012年另一款具有體積分解計算功能的機器人問世，主要用于在下頜模型中放置根狀種植體[18]。接著，配備立體攝像機的機器人開始被應用于定位種植體植入位置[19]。2017年美國的Neocis Yomi機器人成為首例獲得FDA批準的口腔種植機器人[20]。該口腔種植機器人系統具有可視化界面、多感官振動反饋等先進功能，但成本高昂，限制了其應用。2017年世界首臺“完全自主式”口腔種植機器人由趙銥民教授等人研發，其優勢是具有高度自主權，甚至可在無牙科醫生干預后執行手術。2021年我國開發的瑞醫博口腔手術機器人成為國內首個獲得醫療許可證的口腔種植機器人產品，可大幅降低醫生學習曲線，實現標準化種植。

2 口腔種植機器人的技術原理

2.1 精準定位與機械臂自動操作 口腔種植機器人通過三維重建、個性化手術導板設計、光學跟蹤定位儀、導板配準以及醫生的監控和指令，實現了精準定位，結合機械臂的自動操作，確保種植體能夠按照預定的位置和角度準確植入，保證手術的精準度。

2.2 光學追蹤定位引導系統與電子化反饋機制 口腔種植機器人采用光學追蹤定位引導系統，該系統主要由紅外線發光二極管（Light Emitting Diode，LED）、紅外線立體攝像機以及動態參考架等關鍵組件構成，LED被安裝在動態參考架上，發出紅外線信號，當紅外線信號被反射回立體攝像機后，系統會將這些信號轉化為口腔結構與組織的位置信息，從而實現精準定位。同時，電子化反饋機制能夠實時監測手術過程，及時調整口腔種植機器人的操作，確保手術的順利進行。

2.3 術前規劃與數字化模擬 在手術前，醫生通過錐形束X線計算機體層成像（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）獲取患者口腔內的詳細三維數據，使用3D軟件進行三維重建，得到患者口腔內的牙齒、牙槽骨、神經管等結構的真實三維模型。利用普蘭梅卡Romexis等3D軟件，醫生可以在電腦上進行虛擬種植計劃，并使用軟件中的多種評估工具對計劃進行評估，根據虛擬種植計劃和評估結果，醫生可以進一步設計種植導板。口腔種植機器人能夠根據這些參數進行自動操作，確保手術結果與術前規劃一致。

2.4 動態導航與人機隨動 口腔種植機器人在術中能夠實時獲取患者的影像學數據，并通過動態導航技術確保種植體的植入位置和角度的精準度。同時，人機隨動功能使得口腔種植機器人能夠根據醫生的操作指令進行靈活調整，確保手術的順利進行。

3 口腔種植機器人的主要類型

根據不同的分類標準，口腔種植機器人可分為不同類型。按照控制方式的差異，可分為被動式與自主式兩種[21]。前者是由醫生操控機械臂完成手術，其又可分為主從式（由醫生遠程操控）與協作式（由醫生直接操控，共同協作）。按照口腔種植機器人在手術過程中對患者進行感知方式的差異，又可分為物理感知與光學感知兩類[22]。其中后者可采用不同的感光元件，因此又分為主動與被動光學感知兩種，主動光學感知具有不易受外部環境光線條件影響的優勢[10]。

4 口腔種植機器人的臨床應用

4.1 術前信息數據采集 使用口腔種植機器人實施種植手術，必須在術前采集患者頜骨資料。將放射標記點配準裝置置于患者口腔中，再行CBCT拍攝[23]。此外，口腔種植機器人也能夠識別口腔中天然牙的解剖標志點，并據此進行配準。目前在術前信息數據采集中，可使用適合患者的個性化定位導板，以提高解剖標志點識別的準確性，防止手動配準過程中出現誤差[24]。口腔種植機器人術前精度校對操作如圖1。

4.2 術前規劃 口腔種植機器人裝配有設計軟件，在導入CBCT數據后，可以根據修復為導向的原則，規劃理想的種植體植入位置[25]。此外，還必須為患者設計個性化的口內定位導板[26]。對于手術中鉆針下鉆要達到的深度、轉速，以及術中機械臂末端應采用哪種入口角度，也必須在術前進行規劃，從而順利指導術中的操作。

4.3 術前注冊 口腔種植手術如何應用機器人，應在術前進行機械臂與患者位置的注冊。其中光學感知類口腔種植機器人的注冊流程中，不僅要對患者頜骨定位裝置進行識別，還要對機械臂以及處植手機末端的定位板均進行有效識別，從而提高種植的精準程度[25]。患者位置的注冊方法與術前信息數據采集中的配準方法有關，如果在拍攝CBCT時應用了放射標記點配準裝置，可采用類似于動態導航系統的方法進行注冊[27]。如果在術前信息數據采集時采用天然牙解剖標志點進行配準，那么患者術前注冊的方法是將配準導板置入患者口中，并應用專門的配準探針對各個解剖標記點進行擊導[25]。

4.4 術中操作 術中麻醉生效與翻瓣后，先將機械臂引導進口腔中。拖拽入口式的機械臂必須依靠醫生用手將機械臂拖拽到術區[28]；另一種自動入口式的機械臂同樣應先依靠醫生用手將機械臂拖拽到術區，并隨即拖拽出口，機械臂的入口—出口移動過程會被機器人自動登記，并以此作為手術操作中自動入口的移動路徑[25]。此后，手術醫生只需踩腳踏，便可實現機械臂自動入口。在進行鉆針預備操作過程中，鉆針鉆速、受力程度等指標均可由機器人準確顯示，從而為操作醫生提供類似于親自進行鉆針操作所獲得的觸覺反饋。口腔種植機器人自主備洞如圖2。

5 口腔種植機器人的研究進展

5.1 口腔種植機器人的操作精準性 目前國內外對于口腔種植機器人的操作精準性與可靠性均進行了研究。YANG S等人[29]報道口腔種植機器人的根部、頸部及角度誤差僅為0.73 mm、0.74mm、1.11°。Rawal S等人[30]研究報道的根部、頸部稍大，分別為0.85 mm、0.90 mm，但角度誤差更小，僅為0.53°。Bolding S L等[31]應用Yomi為5例患者實施種植手術，結果根尖、頸部誤差均值為0.95mm、1.04mm，角度誤差均值為2.56°，所有患者均未出現不良事件，但其指出，作為半自動化口腔種植機器人，手術操作過程中對于醫生的臨床經驗要求較高。白石柱等人[32]

應用雅客智慧機器人進行種植手術并與數字化導板進行比較，結果顯示雅客智慧機器人的精度優于導板，誤差均不足0.3 mm，這是目前臨床研究報道的誤差最小的研究。吳煜等人[33]研究應用瑞醫博機器人，其誤差水平為0.65mm與2.23°。YANG S等人[28]研究報道，全口無牙頜患者治療中，應用口腔種植機器人可獲得準確的溫度反饋[34-35]。

通過使用基于圖像引導的用于牙種植手術的混合機器人（Hybrid Robotic System for Dental Implant surgery，HRS-DIS），FENG Y等人[36-38]采用一種稱為混合機器人的（HRS-DIS）口腔種植輔助裝置，這種機器人應用圖像引導能夠保持高度穩定性，應用于樹脂模型，可完全避免鉆針序列的誤差。而且與動態導航比較其穩定性更強[38]。Jin X等人[39]研究測量了口腔種植機器人的精度，結果證實誤差（0.61mm、0.50mm、2.38°）與數字化導板基本相同。

對于上頜骨重度萎縮的患者，實施種植手術難度顯著增大且治療結果難以預測。為應對此種難度更大的手術，必須提高口腔種植機器人的智能化程度。CAO Z G等人[40]通過集成UR機械臂與導航系統，并將這種機器人應用于頭顱模型，結果顯示，該口腔種植機器人能夠準確植入顴種植體，精度大大優于自由手手術的精度，但該機器人目前還處于測試階段。

目前已進入臨床應用的口腔種植機器人較少，部分臨床應用的機器人與精準度見表1。雖然上述研究報道其精度較高，但由于臨床研究數量較少，樣本量也較小[43]。許多口腔種植機器人還處于臨床前的測試階段，未來進行臨床應用仍需更大量的研究數據支持。

5.2 口腔種植機器人關鍵技術的研究進展 光源追蹤是口腔種植機器人進行定位的關鍵技術。加拿大 NDI 公司的 Polaris 光學定位系統，攝像機能夠消除環境導致的噪聲影響，通過光源或反射點探測固定在手術器械上的標記點，再利用攝像機的成像模型計算手術器械在三維空間的位置[12]，從而達到亞毫米的定位精度和最高４kHz以上的采集速率[44]。機器人世界標定（Robot-world Calibration）是光學導航手術機器人系統提高手術精度的重要步驟，用于精確確定光學跟蹤器與機器人之間的空間關系。LI Y等人[45]提出一種全自動機器人世界標定方法，通過利用串聯機器人的運動特性，采用最小二乘擬合算法計算機器人刀具中心點與機器人參考系的關系，得到機器人世界標定矩陣。應用這種標定矩陣的口腔種植機器人保持了較高的精度，平均距離偏差為1.11 mm，平均角度偏差為0.99°。此外，手術工具的操作范圍不再受光學跟蹤裝置視覺范圍的限制，不再需要將規劃的植入物軌跡的光學跟蹤裝置調整到不同的位置和方向。

為增加口腔種植機器人的運動靈活性，研究者開發了6自由度機械臂。Yilmaz S等人[46]使用一個目標函數加大觸覺裝置的透明度，并計算效應器末端的扭矩以實施約束運動，優化了 6 自由度觸覺機械臂的連接桿長度，平衡了桿的質量和慣性問題。通過使用6自由度機械臂，Sun X Y等人[18]基于體積分解的程序機器人可以在頜骨模型中制備天然牙根的形態，證明了機械臂的可預測性。

由于串行機器人剛度低，逆運動學解非唯一，可能降低機器人輔助手術的成功率和安全性。而并聯機器人具有更大的剛度和獨特的逆運動學，但其工作空間很小，可能無法滿足手術要求。針對此問題FENG Y等人[37]提出一種新型的混合動力種植牙機器人，由三個平移關節、兩個轉動關節和Stewart并聯機構組成。Stewart用于進行外科手術，關節用于擴大Stewart的工作空間。同時應用基于變導納控制器的物理人機交互，以確保安全性。考慮到Stewart工作空間小的特點，采用幻影實驗，經過20次迭代，得到了最小化Stewart關節運動的最優模型。

6 口腔種植機器人的優勢與不足

口腔種植機器人具有多種優勢：①降低手術過程中張口度的要求，突破手術視野不足引起的操作局限，增加術中能見度，清晰顯示術區微環境，特別是對于后牙區的操作，以及不翻瓣手術時能夠從顯示器實時觀察手術過程，操作更加便利[31]。②能夠不間斷連續工作，僅靠腳踏就能完成手術，降低醫生的工作強度，減少醫生的職業暴露風險[38]。③為實施遠程手術提供可能性，對于種植手術在基層醫院的推廣提供了便利。④能夠智能選擇鉆針工作方式與速度，避免醫生手部震顫導致的誤差，提高治療精準度[31]。⑤其穩定性與精準度，可縮短醫生的學習曲線[38，47]。

口腔種植機器人的不足：①目前口腔種植機器人結構復雜，需要的手術部件較多，需要專業的知識才能正確進行設備檢查、維護及應用[27]。②手術前必須進行標記點配準，手術過程中口腔必須佩戴標記物，可能延長椅旁時間，影響治療舒適度，降低患者耐受性[10，12]。③機械臂移動速度較慢，必須延長患者術中張口時間，對于部分特殊患者，例如咽反射過于敏感，或者存在肌張力障礙的患者，可能難以耐受手術[38]。

7 口腔種植機器人應用的倫理與法規問題

在推動口腔機器人技術發展的同時，也需要重視口腔機器人使用涉及的倫理與法規問題。

倫理方面主要涉及：①信息安全和隱私保護。口腔機器人在診斷和治療過程中可能涉及患者的大量個人信息和敏感數據。醫療機構和研究團隊需要制定嚴格的數據管理政策，確保這些信息不會被濫用或泄露，保障患者的隱私權。②決策透明性和責任問題。口腔機器人在決策過程中可能存在“黑盒子”現象，即其決策邏輯和推理過程不透明。這給醫生和患者帶來了信任和責任的問題，需要明確機器人的決策邏輯，并建立透明的決策機制。醫生和患者應當能夠理解和參與到決策過程中，確保決策的合理性與可接受性。③人際關系和情感需求。口腔機器人的廣泛應用可能改變傳統的醫患互動方式，使得醫患關系變得更加機械化和冷漠。這可能對患者的心理和情感需求造成影響，需要關注患者在使用口腔機器人過程中的情感體驗。

法規方面主要涉及：①注冊和備案。根據《醫療器械監督管理條例》，進口或國產的口腔機器人需要獲得相應的注冊或備案證書方可上市使用。這需要企業提交相應的申請資料，包括產品的安全性、有效性等方面的證明文件。

②使用期限和追溯性。根據《有源醫療器械使用期限注冊技術審查指導原則》，口腔機器人也有其使用期限。醫療器械使用單位應當確保信息具有可追溯性，對使用期限長的大型醫療器械，應當逐臺建立使用檔案，記錄其使用、維護、轉讓、實際使用時間等事項。③責任和法律后果。如果由于口腔機器人技術錯誤或算法偏差導致了錯誤診斷或不當治療，需要明確責任歸屬和法律后果。這需要建立相關的法律框架與規定，明確技術使用的范圍和限制，以及可能的法律后果。

8 展望

隨著口腔醫學數字化的發展，機器人輔助口腔手術的時代已經到來。口腔種植機器人正在改變傳統口腔種植的手術方式，將“精準種植”推進到一個新的高度。這一巨大的技術突破無疑具有深遠的發展前景。口腔種植機器人在牙齒種植領域應用的重要性和潛力體現在：①提高手術效率和準確性。口腔種植機器人技術能夠精確地完成種植手術，避免了傳統手術中可能出現的誤差和并發癥，提高了手術效率和準確性。②減輕患者痛苦。通過微創術式，口腔種植機器人技術能夠減輕患者的手術痛苦和術后恢復時間，提高患者的滿意度和生活質量。③拓展應用領域。隨著技術的不斷進步和應用的不斷拓展，口腔種植機器人技術有望在口腔其他疾病的治療中發揮作用，如正畸、牙周病等。

可以預期未來口腔種植機器人技術創新的主要方向是：①精準化與個性化。通過數字化模擬技術，機器人手術系統能夠基于患者的口腔數據和種植專家的經驗，設計出更加精確與個性化的種植方案，實現精準定位、精準種植。②微創化。為了減少手術創傷和術后恢復時間，口腔種植機器人技術正致力于開發無切口、無翻瓣等微創術式，使手術更加簡便、舒適。

③自動化與智能化。隨著口腔醫學機器人研究與應用深度的不斷增加，未來有望實現口腔種植手術的全自動化技術，提高手術效率和準確性。④多學科或跨學科的可能性。口腔種植機器人技術涉及醫學、生物力學、機械學、計算機圖形學、計算機視覺等多個學科的知識，這種跨學科的合作使得手術機器人技術在口腔種植領域的應用更加廣泛和深入。

目前口腔種植機器人的應用仍存在某些障礙，一是技術費用極其昂貴；二是醫生對專業知識的掌握仍不夠深入，臨床接受度仍未達到預期。臨床需求是創新的源動力，口腔種植機器人在臨床應用中的推廣一方面要提高可操控性，另一方面要加強臨床醫生的數字化技能培訓，加強智能機器人工程師與臨床醫生的合作交流。工作空間與手術視野受限是口腔手術的一大障礙，未來口腔種植機器人的開發將朝著構造更加小巧、節能，配備更加靈敏的術野顯示與誤差監測系統，注冊方式更加便捷等方向發展。雖然目前口腔種植機器人的臨床應用還較少，但是隨著人工智能技術的日益完善，口腔種植機器人的應用將會促使現代口腔診療更加精準化、微創化，惠及更多患者。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：趙夢雨負責設計論文框架，起草論文，撰寫論文并最后定稿；張艷萍、周如麗負責查閱文獻；朱萬春負責論文修改。

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編輯：趙敏