機(jī)器人在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉丹丹 趙文迪 牛菊 李迪 周澤瑛 張靜月 劉曉秋

吉林大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，長春 130021

“Robot”一詞最早出現(xiàn)在20世紀(jì)二三十年代，由捷克作家卡雷爾卡佩克在他的劇本“羅薩姆的萬能機(jī)器人”中提出。目前國際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義，即“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)”[1]。

醫(yī)學(xué)中的機(jī)器人學(xué)是指多學(xué)科和廣泛的機(jī)器人科學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用科學(xué)，涵蓋了圖像處理、3D建模、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、坐標(biāo)測量和導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、人機(jī)界面、控制以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析等技術(shù)，而醫(yī)學(xué)機(jī)器人就是其上述每個(gè)分支在醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。這些機(jī)器人在手術(shù)、康復(fù)領(lǐng)域，動(dòng)脈、腦和脊柱檢查，組織形變檢測和追蹤，血管介入等方面都有應(yīng)用[3]。其中手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于泌尿科、婦科、骨科、胸廓、普通外科、心胸外科、頭頸外科等多種科室中[4]。目前臨床應(yīng)用的手術(shù)機(jī)器人主要是美國直覺外科公司的達(dá)芬奇系列產(chǎn)品，如達(dá)芬奇Si、Xi、SP，而一些新興機(jī)器人系統(tǒng)如意大利Sofar公司的Telelap ALF-X系統(tǒng)、韓國的Revo-i系統(tǒng)、日本的Medicaroid系統(tǒng)則可能在未來有廣泛的應(yīng)用前景[5-6]。康復(fù)機(jī)器人包括服務(wù)于盲人的輔助設(shè)備、假肢和矯形器、修復(fù)器和其他輔助系統(tǒng)，如智能輪椅等[3]。目前已經(jīng)有學(xué)者探討了機(jī)器人在口腔不同領(lǐng)域的開發(fā)利用，本文將對(duì)機(jī)器人在口腔修復(fù)、口腔種植、口腔正畸、口腔頜面外科、牙體牙髓病等領(lǐng)域的研發(fā)狀況進(jìn)行綜述。

1 口腔修復(fù)學(xué)領(lǐng)域

在口腔修復(fù)中機(jī)器人主要用來進(jìn)行牙體預(yù)備以及局部義齒和全口義齒的牙齒排列。

1.1 自動(dòng)牙體預(yù)備機(jī)器人

口腔修復(fù)操作中的牙體預(yù)備需要去除牙齒齲壞的硬組織并形成預(yù)期牙齒形狀。在目前的臨床操作中主要有兩種硬組織去除方法：使用渦輪驅(qū)動(dòng)的鉆頭進(jìn)行研磨和使用激光進(jìn)行消融[7]。目前學(xué)者們分別探討了機(jī)器人使用渦輪手機(jī)與激光進(jìn)行牙體預(yù)備的效果。Otani等[8]對(duì)比了使用渦輪手機(jī)的機(jī)器人自動(dòng)備牙系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工備牙在瓷貼面牙體預(yù)備過程中的精確度，發(fā)現(xiàn)二者的精確度相當(dāng)，但機(jī)器人系統(tǒng)可通過使用數(shù)字牙印模系統(tǒng)掃描診斷蠟型，確定虛擬預(yù)備設(shè)計(jì)方案，最后再根據(jù)虛擬預(yù)備設(shè)計(jì)自動(dòng)預(yù)備牙齒，從而更好地保護(hù)牙體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也確保修復(fù)材料有適當(dāng)空間。激光預(yù)備因?yàn)榭蓽p少疼痛、噪音和震動(dòng)，而被認(rèn)為更加安全和舒適，此外還有學(xué)者證明，當(dāng)選擇合適的參數(shù)時(shí)，激光備牙在獲得有效牙體預(yù)備的同時(shí)也不會(huì)對(duì)基牙產(chǎn)生損傷。因此，Wang等[9]開發(fā)了一種名為LaserBot的微型機(jī)器人裝置，它可操縱飛秒激光束去除牙齒齲壞部分以實(shí)現(xiàn)臨床牙冠的預(yù)備，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)的精確三維運(yùn)動(dòng)控制，并且體積小，方便用于狹窄的口腔工作空間。但是該設(shè)備的動(dòng)速度、設(shè)備尺寸還有待繼續(xù)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，北京大學(xué)口腔醫(yī)院的原福松課題組開發(fā)了世界首臺(tái)機(jī)器人自動(dòng)化牙體預(yù)備系統(tǒng)，該系統(tǒng)將機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)與飛秒激光技術(shù)結(jié)合，通過機(jī)器人自動(dòng)控制飛秒激光束，嚴(yán)格按臨床醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)牙體預(yù)備的自主控制；此外該系統(tǒng)可與目前先進(jìn)的口腔數(shù)字化義齒制作設(shè)備和3D打印設(shè)備結(jié)合，快速精確地完成義齒的修復(fù)治療[10]。

1.2 排牙機(jī)器人

傳統(tǒng)人工義齒制造的關(guān)鍵步驟就是排牙，且只有專業(yè)的牙醫(yī)和熟練的技術(shù)人員才能夠做好這項(xiàng)工作。為促進(jìn)排牙的自動(dòng)化，加拿大CRS機(jī)器人公司生產(chǎn)了具有6個(gè)自由度的單機(jī)械臂CRS機(jī)器人來制作全口義齒，在分析工作空間和模擬運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)在理論上可以滿足牙齒的排列要求。然而，義齒的形狀非常復(fù)雜，不易被單機(jī)械手精確地掌握和操縱；基于此種情況，有學(xué)者[11]研發(fā)了具有14個(gè)獨(dú)立的機(jī)械手，84自由度的排牙機(jī)器人，該機(jī)器人能在人工牙齒空間中實(shí)現(xiàn)任何姿勢(shì)，但是由于該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量多達(dá)84個(gè)，因此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的控制和運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算非常困難；為了解決這一問題，該課題組進(jìn)一步研發(fā)了由14個(gè)獨(dú)立的機(jī)械手、1個(gè)牙弓發(fā)生器和1個(gè)滑道裝置組成的具有50自由度的排牙機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡單、靈活、易于控制，進(jìn)行全口義齒的排牙只需30 min。盡管該排牙機(jī)器人系統(tǒng)的效率得到了極大地改善，但高成本和操作的復(fù)雜仍然是其獲得廣泛應(yīng)用的主要障礙。

2 種植領(lǐng)域

近年來，隨著種植技術(shù)的不斷發(fā)展，種植已逐漸成為缺失牙修復(fù)的首選治療方案。種植過程中，植體的植入需要在頜骨上預(yù)備種植窩，此時(shí)，種植手機(jī)鉆頭的位置不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的出血或神經(jīng)損傷等醫(yī)療事故。于是，Yu等[12]提出將倫納德-瓊斯勢(shì)場與立體視覺的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到了與人的交互作用位置調(diào)整的要求，其3自由度機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)“種植位點(diǎn)”的精準(zhǔn)定位，當(dāng)機(jī)械臂在遠(yuǎn)離術(shù)區(qū)時(shí)，操作者可以自由操作機(jī)械手；在接近以及到達(dá)術(shù)區(qū)時(shí)，操作者將通過施加調(diào)整力以保證機(jī)械手準(zhǔn)確地到達(dá)目的地以及避免在術(shù)區(qū)發(fā)生碰撞。

為了使患者在植牙過程中不受神經(jīng)損壞、嚴(yán)重出血等并發(fā)癥的傷害，消除醫(yī)師臨床經(jīng)驗(yàn)不同帶來的操作差異，Yu等[13]又提出利用機(jī)器人觸覺鉆孔系統(tǒng)進(jìn)行人工植牙術(shù)來模擬切削力的反饋，并對(duì)切削力和計(jì)算機(jī)斷層掃描值進(jìn)行建模，該系統(tǒng)允許口腔醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)頜骨鉆孔的過程，也可幫助醫(yī)生在種植手術(shù)前預(yù)先感知切削力的反饋。

目前第一個(gè)商業(yè)化的牙科種植機(jī)器人系統(tǒng)，被命名為Yomi，由美國Neocis公司研發(fā)，并且已于2017年獲得了美國食品和藥物管理局的批準(zhǔn)。該系統(tǒng)用于協(xié)助口腔醫(yī)生進(jìn)行牙齒種植手術(shù)，能準(zhǔn)確設(shè)置手術(shù)程序，為醫(yī)生提供手術(shù)器械的指導(dǎo)，給醫(yī)生提供可視化的界面以便準(zhǔn)確控制手術(shù)方向；Yomi通過使用觸覺指導(dǎo)技術(shù)與多感官反饋，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)治療，并且醫(yī)生可通過該系統(tǒng)的軟件隨時(shí)修改手術(shù)方案，使手術(shù)更為高效、便捷[14]。

2017年趙銥民教授及其團(tuán)隊(duì)首次成功應(yīng)用自主式口腔種植手術(shù)機(jī)器人為1名女性完成了2顆缺牙的種植即刻修復(fù)，該手術(shù)過程在1 h內(nèi)完成，牙冠戴入順利，咬合、美觀及穩(wěn)定性均達(dá)到預(yù)期效果。

3 正畸領(lǐng)域

目前正畸領(lǐng)域的機(jī)器人可用來進(jìn)行臨床診斷、擬定治療計(jì)劃、定制矯正設(shè)備等，但應(yīng)用最多的方面還是弓絲彎制。如Suresmile弓絲彎曲機(jī)器人利用一種全新的成像系統(tǒng)，通過三維成像和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行診斷，給出治療計(jì)劃，并定制牙齒矯正裝置，該系統(tǒng)可以預(yù)先模擬治療過程，預(yù)覽不同的治療方案；吉爾伯特建立了多種設(shè)備輔助正畸治療，如一種舌側(cè)弓線制造和輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（LAMDA），但該系統(tǒng)只能在XY平面上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)而不能用于閉環(huán)彎曲弓絲；還有一種是笛卡爾式弓絲彎曲機(jī)器人，由弓絲的基座、旋轉(zhuǎn)式機(jī)器、供給系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)、彎曲模具和弓絲彎曲機(jī)構(gòu)組成[15]。

Deng等[16]也設(shè)計(jì)了一種多功能正畸弓絲彎曲機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自主擬定弓絲參數(shù)的方案，并采用彎曲控制策略消除彎曲過程中弓絲的回彈效應(yīng)和彎曲點(diǎn)偏移。

Xia等[17]開發(fā)的具有ROS集成控制系統(tǒng)的新型正畸弓絲彎曲機(jī)器人，因其硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，所以在用于自動(dòng)弓絲彎曲時(shí)更靈活和便利。

但是上述機(jī)器人仍然處于模擬和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，尚未應(yīng)用于臨床中。

4 在口腔頜面外科領(lǐng)域

在進(jìn)行骨性游離皮瓣重建的手術(shù)中，為減少源于臨床醫(yī)生的人為誤差，Chao等[18]發(fā)起了一項(xiàng)研究，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）平臺(tái)上設(shè)計(jì)了游離腓骨瓣的制取方案，然后將這種虛擬手術(shù)計(jì)劃數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆炜ㄝp量級(jí)機(jī)器人中，借助動(dòng)態(tài)立體定位導(dǎo)航在3D打印的腓骨瓣上執(zhí)行截骨術(shù)，這項(xiàng)臨床前研究證明了預(yù)編程機(jī)器人用于游離腓骨瓣制備和下頜骨重建的可行性，初步證實(shí)該方法具有高度的線性和角度精度，可能在進(jìn)一步提高手術(shù)準(zhǔn)確性方面具有實(shí)用性。

Woo等[19]開發(fā)了一種用于正頜手術(shù)的機(jī)器人輔助系統(tǒng)，用于頜骨重新定位，將其與正頜外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，以克服一些術(shù)者的人體局限性，如靈活性有限、震顫和疲勞等。未來的研究方向是優(yōu)化該機(jī)器人系統(tǒng)的軟件和增強(qiáng)硬件安全性，并且將其應(yīng)用于需要正頜手術(shù)的患者。

5 牙體牙髓領(lǐng)域

根管治療是牙體牙髓病中治療感染牙齒最常用的治療方法，但根管治療過程費(fèi)時(shí)，且治療效果大部分依賴于醫(yī)生的臨床技能。在根管治療過程中，可能會(huì)有人為因素導(dǎo)致的側(cè)穿、過度預(yù)備等情況發(fā)生。為了提高牙髓治療的質(zhì)量和效率，有學(xué)者研發(fā)建立了牙髓微型機(jī)器人治療系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)治療的現(xiàn)代化。

Endo micro robo系統(tǒng)可減少醫(yī)生的誤差并且保證了根管治療的可靠性。其首先通過計(jì)算機(jī)圖像和牙齒模型、CAD程序來評(píng)估牙齒狀況；再使用研發(fā)的智能多功能微機(jī)器，執(zhí)行機(jī)器控制根管治療的過程；最后啟用超聲波清洗裝置，去除根管內(nèi)碎屑[20]。

美國哥倫比亞大學(xué)Hong教授開發(fā)了一個(gè)能夠自動(dòng)進(jìn)行牙髓治療的智能微型機(jī)器人，操作時(shí)將這臺(tái)機(jī)器固定在患者口腔內(nèi)的幾顆牙齒上，通過在線監(jiān)測和智能控制，微型機(jī)器人將自動(dòng)執(zhí)行根管治療的所有步驟，牙醫(yī)可以通過評(píng)估治療期間3D牙齒模型顯示的幾何形狀來檢查根管預(yù)備進(jìn)展[21]。雖然牙髓微型機(jī)器人的發(fā)展將改變傳統(tǒng)的根管治療方式，并帶來諸多益處，但它的價(jià)格非常昂貴，需要降低成本實(shí)現(xiàn)市場化和臨床應(yīng)用。

為了使學(xué)習(xí)者能有效學(xué)習(xí)根管治療程序，且不會(huì)對(duì)患者造成傷害，Toosi等[22]研制了一種用于根管治療程序的觸覺虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器，該模擬器允許操作員使用Phantom觸覺機(jī)器人對(duì)釉質(zhì)和牙本質(zhì)進(jìn)行鉆孔直至到達(dá)髓腔，然后使用模擬K銼清潔根管內(nèi)壁。

6 牙科機(jī)器人患者

牙科治療的療效通常取決于臨床醫(yī)生的操作技能，仿真頭模能輔助訓(xùn)練口腔醫(yī)學(xué)生的臨床操作能力，但是目前的仿真頭模只是由簡單的功能性頭部區(qū)域和牙齒排列組成，與真實(shí)患者有差距。因此，提出了牙科機(jī)器人患者的概念。Simroid系統(tǒng)由日本齒科大學(xué)研發(fā)，基于機(jī)器人的交互式牙科培訓(xùn)患者模擬系統(tǒng)，由具有真實(shí)的外觀和反應(yīng)的人形機(jī)器人組成。Abe等[23]通過臨床試驗(yàn)驗(yàn)證了Simroid系統(tǒng)的臨床效應(yīng)，結(jié)果顯示Simroid系統(tǒng)在模擬醫(yī)患溝通和評(píng)估治療態(tài)度和臨床技能等方面都具有優(yōu)勢(shì)。

7 其他方面

7.1 仿生咀嚼機(jī)器人

為了模擬咀嚼功能，完成治療和修復(fù)后牙齒咀嚼效率的測試，有學(xué)者[24]開發(fā)了咀嚼機(jī)器人來執(zhí)行某些確定的咀嚼功能。Wen等[25]研發(fā)了冗余驅(qū)動(dòng)的仿生咀嚼機(jī)器人，能夠重現(xiàn)人類下頜骨的運(yùn)動(dòng)，它在牙科組件和材料的性能測試領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

7.2 體外刷牙機(jī)器人

對(duì)于不同的手動(dòng)和電動(dòng)牙刷來說，體外牙齒清潔效能的評(píng)估已成為臨床試驗(yàn)的一個(gè)真正的替代方法。Lang等[26]研發(fā)的六軸機(jī)器人可以用來評(píng)估在不同設(shè)計(jì)的牙刷和刷牙動(dòng)作下牙菌斑控制和清潔功效的不同。

7.3 自動(dòng)牙齒清潔機(jī)器人

由于上肢殘疾或肌肉無力，許多老年人或殘疾人不能獨(dú)立完成刷牙。為了解決這些老人和殘疾人的口腔清潔問題，Sakaeda等[27]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種自動(dòng)牙齒清潔機(jī)器人，該系統(tǒng)包含偏心凸輪機(jī)構(gòu)、刮水器導(dǎo)向裝置和帶力傳感器的安全系統(tǒng)，在測試過程中，機(jī)器人系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

7.4 口腔康復(fù)機(jī)器人

早稻田和朝日大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了一種口腔康復(fù)機(jī)器人，旨在為頜面部損傷的患者和老年人提供適當(dāng)?shù)陌茨χ委?，研究[28]證實(shí)了用口腔康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行按摩治療的安全性，但該機(jī)器人只能按摩雙側(cè)咬肌和顳肌，在未來的研究中還有待優(yōu)化。

7.5 納米機(jī)器人

納米機(jī)器人是以納米尺寸組件或分子組件構(gòu)建的納米尺寸的微型器件，并根據(jù)計(jì)算機(jī)的指導(dǎo)執(zhí)行任務(wù)，應(yīng)用可能包括局部麻醉、牙列重建、超敏反應(yīng)的永久治愈、一次性完成矯正調(diào)整及使用機(jī)械潔牙機(jī)持續(xù)維護(hù)口腔健康，牙科納米機(jī)器人還可用來去除齲齒的腐質(zhì)，或修復(fù)因齲壞導(dǎo)致的牙體缺損[29]。

綜上所述，機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)需研究者具備多學(xué)科的工程背景，還要對(duì)機(jī)器人學(xué)有全面的了解。因此，為開發(fā)醫(yī)學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)和操作的關(guān)鍵技術(shù)，將機(jī)器人與醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)器理論、材料科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合起來是非常必要的。機(jī)器人技術(shù)可提高口腔治療的準(zhǔn)確性、可預(yù)測性、安全性、護(hù)理質(zhì)量和治療速度。目前機(jī)器人技術(shù)在口腔臨床中主要可用于根管治療、牙體預(yù)備、排牙、種植手術(shù)等方面，但尚處于研發(fā)臨床試驗(yàn)階段，未正式應(yīng)用到臨床中。而且目前研發(fā)的機(jī)器人在口腔醫(yī)學(xué)臨床中只是作為輔助操作系統(tǒng)，智能化程度較低，它們的操作者要求是受過專業(yè)訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)豐富的人員。此外，口腔中還有一些重復(fù)性高且費(fèi)時(shí)的操作，如牙周基礎(chǔ)治療、正畸粘接托槽、弓絲加力及修復(fù)和牙體中的取斷樁與斷針等，尚缺乏機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，未來該技術(shù)可能在上述方面具有廣闊前景。醫(yī)學(xué)機(jī)器人的應(yīng)用必須嚴(yán)格遵守倫理學(xué)準(zhǔn)則。如果口腔機(jī)器人技術(shù)得以合理應(yīng)用，它有可能在短期內(nèi)改變?nèi)藗兊目谇活M面部健康狀況，且這項(xiàng)技術(shù)將提高全球口腔臨床患者的社會(huì)福祉。

未來，機(jī)器人的開發(fā)將更集中于微創(chuàng)、高精度以及實(shí)時(shí)反饋等方面。在確?；颊甙踩耐瑫r(shí)，引入更加有效的系統(tǒng)，來適配更多樣化的設(shè)備。隨著人工智能在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的功能將更加完善，最終實(shí)現(xiàn)向自動(dòng)化機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。