醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢及其在口腔領(lǐng)域的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

李文龍

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;創(chuàng)新設(shè)計(jì);學(xué)科融合;口腔醫(yī)學(xué);植牙

根據(jù)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)療行業(yè)，“機(jī)器人”可以支持、協(xié)助和擴(kuò)展醫(yī)療工作者開展工作。對于一些重復(fù)和單調(diào)的工作，它們甚至具備了替代人類工作的能力。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了將機(jī)器人所具有的人類感官體驗(yàn)、身體和認(rèn)知擴(kuò)展能力提升到前所未有的先進(jìn)水平。特別是在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的加持下，“機(jī)器人”在未來將變得更強(qiáng)大、更快、更不易“受傷”，且工作能力更強(qiáng)。因此，未來“機(jī)器人”技術(shù)的發(fā)展不僅能進(jìn)一步降低病人風(fēng)險(xiǎn)，還將使醫(yī)生的能力超越生理的限制，方便的驅(qū)動擬人化和非擬人化的“機(jī)器人”實(shí)現(xiàn)更多醫(yī)療救治的可能性。

1“ 機(jī)器人”的概念和范疇

提到“機(jī)器人”，人們首先想到的是動畫片里出現(xiàn)的人形機(jī)器，如電影《變形金剛》里的擎天柱，但現(xiàn)實(shí)中的“機(jī)器人”遠(yuǎn)不止于此。人們通常所說的“機(jī)器人”，其實(shí)是由機(jī)器人技術(shù)作為主要支撐而生產(chǎn)出來的一種物質(zhì)產(chǎn)品。機(jī)器人技術(shù)是科技、工程、藝術(shù)的結(jié)合，“機(jī)器人”作為人的延伸[1]，被生產(chǎn)用來復(fù)制或“替代”人類行為。早在20 年前，汽車行業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)應(yīng)用“機(jī)器人”組裝汽車。這些“機(jī)器人”主要指工業(yè)生產(chǎn)所使用的機(jī)械臂，這些機(jī)械臂負(fù)責(zé)在汽車生產(chǎn)的流水線上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。隨著人工智能的發(fā)展，今天人們所看到“機(jī)器人”已經(jīng)是“滲透進(jìn)”人類生活各個(gè)方面、功能強(qiáng)大的現(xiàn)代人工智能機(jī)器人了。并且，機(jī)器人技術(shù)在不斷拓展的同時(shí)，“機(jī)器人”已經(jīng)不再是對人的造型復(fù)制了，其被定義為一切模擬人類行為或思想，與模擬其他生物的機(jī)械體。

2“ 機(jī)器人”在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 減少醫(yī)療事故的發(fā)生

約翰· 霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）曾有一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，醫(yī)療事故可能是導(dǎo)致死亡的第三大原因，僅次于癌癥和心臟病，估計(jì)每年約有25 萬患者因醫(yī)療事故而喪生。無論人有多仔細(xì)和精確，人難免犯錯，特別是當(dāng)人腦的力量達(dá)到極限而產(chǎn)生疲勞時(shí)，錯誤更是不可避免。綜合多方面的因素，“機(jī)器人”比人類醫(yī)生強(qiáng)大[2]。“機(jī)器人”擁有超人的視感，可以“透視”，看見事物在三維空間中的位置;“機(jī)器人”還擁有人類手臂無法達(dá)到的微米級控制力，使得開放傷口保持在條件允許下的最小范圍;“機(jī)器人”也不會疲勞。在做完幾千場手術(shù)或分析完數(shù)萬次X射線后，它仍不需要休息時(shí)間和睡覺。借助人工智能的大數(shù)據(jù)情報(bào)分析，“機(jī)器人”還可以和全球的醫(yī)療資源數(shù)據(jù)達(dá)成“共識”，形成更有效的分析預(yù)測。

2.2 創(chuàng)造更佳的無菌環(huán)境

“機(jī)器人”還能夠幫助醫(yī)院創(chuàng)造無菌環(huán)境。以Xenex 機(jī)器人為例，它的工作是幫助醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)的任何空間進(jìn)行快速有效的系統(tǒng)消毒。這個(gè)過程是自動完成的，“機(jī)器人”通過使用超強(qiáng)紫外線消毒方法來消滅微生物，比其他消毒設(shè)備更能有效地對微生物造成細(xì)胞破壞，減少病菌的數(shù)量，并且不像人類那樣需要間歇性休息。

2.3 提升醫(yī)院的工作效率

2.3.1 提升分診效率

在分診環(huán)節(jié)，“機(jī)器人”可以幫助醫(yī)院提高效率和提升體驗(yàn)。以Pepper 機(jī)器人為例，其能識別20 種人類語言，除了理解語言，Pepper 機(jī)器人還可以檢測對象是男人、女人，還是孩子。并根據(jù)目標(biāo)的性別、年齡和訴求作出更有效、準(zhǔn)確的反饋，陪同患者前往正確的科室。類似Pepper 機(jī)器人的“社交機(jī)器人”也可以用于治療或康復(fù)的輔助工具，幫助兒童克服對手術(shù)的恐懼。人類接待員單調(diào)且重復(fù)的工作，可以用Pepper 機(jī)器人替代。

2.3.2 提升康復(fù)效率

以ReWalk 機(jī)器人外骨骼為例，這種動力髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的外骨骼，使行動不便或輪椅使用者可以再次站立和行走。這套外骨骼包括兩個(gè)子件，即ReWalk Personal 和ReWalk。ReWalkPersonal 是專為人們?nèi)粘Ｊ褂枚O(shè)計(jì)的，可針對每個(gè)用戶量身定制;ReWalk 康復(fù)專為臨床康復(fù)環(huán)境而設(shè)計(jì)，可提供有價(jià)值的鍛煉和療法，并使個(gè)人能夠評估自己將來使用ReWalk Personal 的能力。這一醫(yī)療機(jī)器人外骨骼設(shè)備的整個(gè)系統(tǒng)由一套支撐組件構(gòu)成，在臀部和膝蓋處帶有四個(gè)獨(dú)立的直流電動機(jī)、一個(gè)裝有可充電電池的背包，以及一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)。ReWalk 控制步進(jìn)模式和節(jié)奏，并結(jié)合了專利傾斜傳感器技術(shù)、車載計(jì)算機(jī)和運(yùn)動傳感器來作為運(yùn)動的驅(qū)動。傳感器可以檢測各種參數(shù)，包括上半身和軀干當(dāng)前的姿勢或腿部前進(jìn)的預(yù)期，具有協(xié)助坐姿、站姿、靜態(tài)站立和水平行走的能力。這套外骨骼通常與兩個(gè)前臂拐杖一起使用。借助機(jī)器人外骨骼，各類不同身體狀態(tài)的患者在不同場景下，都能得到不同程度的康復(fù)改善和自理能力的提升。

2.3.3 提升搬運(yùn)效率

醫(yī)療機(jī)器人還能夠承擔(dān)醫(yī)院的后勤保障工作，并提升搬運(yùn)效率。以TUG 機(jī)器人為例，其充當(dāng)了醫(yī)院后勤保障的搬運(yùn)工，不僅能夠攜帶多達(dá)453 公斤的醫(yī)療用品，如藥物、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本、敏感材料，甚至是醫(yī)療廢棄物或垃圾箱等，還能夠充當(dāng)醫(yī)院內(nèi)的移動藥房、移動設(shè)備間。醫(yī)療機(jī)器人全天候的工作，一方面減少了夜班醫(yī)務(wù)人員的負(fù)擔(dān)，另一方面使醫(yī)務(wù)人員可以花更多的時(shí)間陪伴患者或協(xié)助護(hù)理，而不是來回于不同的部門運(yùn)送醫(yī)療用品，護(hù)士也不必?cái)y帶重物，避免了事故發(fā)生的機(jī)率。

2.3.4 解決外科手術(shù)難題

以DaVinci?Xi? 達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人為例[3]，這是一款當(dāng)今市場上知名的手術(shù)機(jī)器人，主要用于微創(chuàng)手術(shù)。機(jī)器人結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)、3D 視覺技術(shù)和人機(jī)界面控制系統(tǒng)，成為外科醫(yī)生的得力工具。達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)被廣泛用于前列腺癌和腎癌手術(shù)、腫瘤切除術(shù)、結(jié)腸直腸手術(shù)、疝氣修復(fù)、甲狀腺和肝的手術(shù)等?，F(xiàn)在全球約有4500 多個(gè)達(dá)芬奇機(jī)器人，幫助外科醫(yī)生每天進(jìn)行手術(shù)，每年有近百萬例手術(shù)使用了機(jī)器人輔助手術(shù)。手術(shù)時(shí)，醫(yī)生通過攝像頭控制機(jī)器人，放大倍率比人眼高10 倍，可以看清針尖大小的區(qū)域。直觀的手部控制使外科醫(yī)生可以使用彎曲度和旋轉(zhuǎn)度遠(yuǎn)大于人手的細(xì)腕器械來提高精度、靈巧性和穩(wěn)定性。芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括：外科醫(yī)生控制臺、手術(shù)機(jī)械臂和電子設(shè)備車。其中，外科醫(yī)生控制臺是系統(tǒng)的控制中心，可讓外科醫(yī)生查看手術(shù)區(qū)域，并遙控內(nèi)窺鏡和內(nèi)窺鏡的運(yùn)動;手術(shù)機(jī)械臂有三個(gè)或四個(gè)“手臂”，在手術(shù)過程中支撐內(nèi)窺鏡器械臂和攝像頭手臂;電子設(shè)備車包含支持的硬件和軟件組件，例如空氣泵、沖洗泵、吹入器和內(nèi)窺鏡光源。此外，達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)獨(dú)特的人機(jī)跟隨狀態(tài)，還實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生的感覺狀態(tài)，體現(xiàn)出醫(yī)生身體的延伸。

4“ 機(jī)器人”在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用

人類的牙齒和大多數(shù)哺乳動物類似，因此人們常因牙齒脫落，以及解決牙齒問題而困擾。并且，每個(gè)人都要變老，會因?yàn)槟挲g老化、蛀牙或是外部損傷失去牙齒，美國修復(fù)牙齒學(xué)會研究發(fā)現(xiàn)，1.2 億美國人至少缺掉一顆牙齒，而超過3600 萬沒有牙齒，而中國的缺牙人群高達(dá)四億。因?yàn)槿毖缹?dǎo)致的生活質(zhì)量下降，無疑成為影響人們幸福生活的最普遍健康問題之一。由此不難得到這樣的結(jié)論，每個(gè)人在一生中，唯一躲不開的醫(yī)生就是牙醫(yī)！

4.1 傳統(tǒng)的牙齒種植的風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)的種植牙齒技術(shù)需要依靠人類醫(yī)生的徒手種植[4]。徒手種植牙手術(shù)是牙種植體手術(shù)中最常見的外科技術(shù)。在徒手種植牙手術(shù)中，牙科醫(yī)生使用手持儀器放置植入物，仔細(xì)觀察患者的骨骼、牙齦和附近的牙齒后，便將植入物放好。其中，種植體的植入精度是影響手術(shù)效果的關(guān)鍵因素，但卻十分依賴醫(yī)生的眼睛和手術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)。由于醫(yī)生全憑雙手的感覺確定植入物的角度和深度，所以難免會出現(xiàn)誤差，即使誤差很微小，也會影響牙冠的配合度。而如果手術(shù)時(shí)間過長，植入部位還會造成感染。更有甚者，還可能會過度深入顎骨，導(dǎo)致神經(jīng)損傷。所以牙齒種植手術(shù)是一項(xiàng)高度依賴醫(yī)生技術(shù)的工作，也正因如此，牙科手術(shù)醫(yī)生的費(fèi)用占了種植牙手術(shù)費(fèi)用的很大比例，盡管如此好的醫(yī)生仍然不足，需要種牙的病人排隊(duì)等待醫(yī)生的問題仍很嚴(yán)重。、

4.2 種植牙機(jī)器人的誕生和意義

在技術(shù)發(fā)展的加持下，醫(yī)生通過X 光片和3D 打印模型提前獲得患者牙齒的副本，從而提前規(guī)劃和研究最合理的解決路徑。而種植牙機(jī)器人不僅能夠像人類一樣執(zhí)行計(jì)劃，其機(jī)器臂還能比醫(yī)生的手更穩(wěn)、更快、更精準(zhǔn)。用種植牙機(jī)器人進(jìn)行種植手術(shù)，用其手術(shù)機(jī)械臂代替醫(yī)生的手臂，使種植手術(shù)不再依賴牙醫(yī)的個(gè)人技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，從而提高了手術(shù)精度、縮短了恢復(fù)時(shí)間[5]。種植牙機(jī)器人不僅解放了牙醫(yī)，并且大大提高了種牙效率，使更多的人花費(fèi)更低的成本、更安全地獲得“新”的牙齒。種植牙機(jī)器人將整體提升廣大缺牙人群的生活品質(zhì)，緩解國家醫(yī)療資源不均衡的現(xiàn)狀。

4.3 種植牙機(jī)器人的應(yīng)用

4.3.1 國外種植牙機(jī)器人的應(yīng)用

以Yomi 種植牙機(jī)器人為例。這是一款傳統(tǒng)人手種植牙的新替代品，在手術(shù)過程中為牙科醫(yī)生提供機(jī)器人輔助。其將牙科醫(yī)生的技能與機(jī)器人手術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，且牙科醫(yī)生能夠始終處于控制地位[6]。同時(shí)，種植牙機(jī)器人輔助手術(shù)還結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺，且正迅速成為技術(shù)與醫(yī)療結(jié)合的典型案例，在操作前的規(guī)劃、3D立體可視化、觸覺引導(dǎo)、微創(chuàng)傷口四個(gè)方面提供了改進(jìn)。在手術(shù)前的程序規(guī)劃方面，Yomi 可以協(xié)助牙科醫(yī)生規(guī)劃和精確地放置植入物，以獲得自然的外觀和感覺。并在必要時(shí)協(xié)助牙科醫(yī)生迅速更改手術(shù)計(jì)劃、簡化治療;在增強(qiáng)的解剖可視化方面，每個(gè)程序步驟都提供了不同的音頻提示，牙科醫(yī)生通過監(jiān)視器上的圖形顯示，獲得視覺確認(rèn)和定量數(shù)據(jù);在觸覺引導(dǎo)方面，通過種植牙機(jī)器人的觸覺機(jī)器人技術(shù)和多感官反饋為牙科醫(yī)生提供幫助，確定正確的位置、角度和深度，以保證根據(jù)計(jì)劃準(zhǔn)確放置植入物。擺好位置后，種植牙機(jī)器人可以安全地保持手部的軌跡，防止意外偏離手術(shù)進(jìn)程路徑。如果患者移動，種植牙機(jī)器人還將跟蹤患者的運(yùn)動。當(dāng)鉆頭達(dá)到計(jì)劃的顎骨深度時(shí)，種植牙機(jī)器人為牙科醫(yī)生提供了物理“硬停止”來確保不傷害到顎骨中的牙神經(jīng);在微創(chuàng)傷口方面，種植牙機(jī)器人的實(shí)時(shí)視覺指導(dǎo)和觸覺指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)，即其可進(jìn)行侵入性較小的牙科植入物手術(shù)。這將使牙科醫(yī)生可以在很多情況下無需使用手術(shù)刀開放牙齦就可以放置植入物，從而可加了快手術(shù)速度和康復(fù)速度，減輕了患者的痛苦。也正因如此，使推微創(chuàng)牙科發(fā)展得到了發(fā)展。

4.3.2 國內(nèi)種植牙機(jī)器人的應(yīng)用

以Yakebot 雅客種植牙手術(shù)機(jī)器人為例。這款種植牙機(jī)器人是中國自主研發(fā)，全球首次實(shí)現(xiàn)手術(shù)全過程機(jī)器人自主操作，不再依賴人工。種牙機(jī)器人系統(tǒng)（在中國屬于III 類醫(yī)療器械）將智能機(jī)器人、機(jī)器視覺、多傳感器信息融合，三維圖形可視化等先進(jìn)技術(shù)引入口腔種植領(lǐng)域。這款種植牙手術(shù)機(jī)器人在西安第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院種植科手術(shù)室成功為多位患者完成了多缺牙的種植即刻修復(fù)，種牙手術(shù)在1 小時(shí)內(nèi)完成，精度誤差控制在0.2mm—0.5mm，種植體角度完美且穩(wěn)定。手術(shù)進(jìn)展十分順利，利用自主研發(fā)的超高精度定位技術(shù)，降低了手術(shù)難度，提升了手術(shù)效果，減輕了患者的痛苦（如圖1、圖2）。

Yakebot 種植牙手術(shù)機(jī)器人的核心技術(shù)在于綜合考慮國內(nèi)口腔臨床應(yīng)用環(huán)境各個(gè)方面的因素，重點(diǎn)圍繞口腔狹小空間局部麻醉下傷微創(chuàng)手術(shù)治療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究智能化微創(chuàng)手術(shù)裝備在口腔領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，研制智能化微創(chuàng)手術(shù)裝備的核心部件。以術(shù)前CBCT 和口掃模型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，使用視覺傳感器及力傳感控制器對種植牙機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。在智能決策上，該項(xiàng)技術(shù)針對種植牙頜面咬合模型，實(shí)現(xiàn)了牙冠設(shè)計(jì)、種植體規(guī)劃、牙模設(shè)計(jì)、種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)、種植步驟規(guī)劃、術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航及術(shù)后評估等一整套的決策系統(tǒng)，可以根據(jù)術(shù)中力反饋信息和位置反饋信息進(jìn)行合理判斷。參數(shù)化的推理模型使得該項(xiàng)技術(shù)具有極強(qiáng)的可適配性。從種植窩洞制備到種植體擰入都實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制，大大降低了種植牙醫(yī)生的學(xué)習(xí)周期，為口腔種植的即可修復(fù)提供了智能化平臺。促進(jìn)了我國微創(chuàng)口腔手術(shù)醫(yī)療裝備的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究開發(fā)，對推動整個(gè)口腔種植行業(yè)的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

目前，Yakebot 種植牙手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)獲得了國家III 類醫(yī)療器械注冊證書，生產(chǎn)銷售服務(wù)于人民生活。隨著醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)以每三年增加一倍的速度增長，人類與“機(jī)器人”在醫(yī)療領(lǐng)域工作效率的差距會越來越大，人類服務(wù)可能很難跟上實(shí)際的需求。而醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用則能夠較好地解決這些問題，同時(shí)還會大大降低手術(shù)費(fèi)用。在醫(yī)療行業(yè)，“機(jī)器人”是現(xiàn)階段人類眼和腦最好的延伸和替代產(chǎn)品。

7 結(jié)語

很多人都認(rèn)為“現(xiàn)在的‘機(jī)器人看起來都不像人類?！钡@并不意味著科學(xué)家們造不出“機(jī)器人”。恰恰相反，這說明“機(jī)器人”的定義和設(shè)計(jì)還有著很大的創(chuàng)新空間。以一種客觀的視角看待“機(jī)器人”，探討如何使“機(jī)器人”更具感知力和創(chuàng)造力，使之與人類“合作”，并被應(yīng)用于醫(yī)院、倉庫、工廠、餐店和商店等場所中從事服務(wù)工作，需要世界范圍內(nèi)企業(yè)、工程師、科學(xué)家和設(shè)計(jì)師，甚至是學(xué)生們共同研究。機(jī)器人將在未來有更大的應(yīng)用創(chuàng)新機(jī)會?！皺C(jī)器人”作為“人的延伸”，能夠在人的驅(qū)動下完成人類肢體無法勝任的工作。并且，隨著“機(jī)器人”變得越來越普及化、越來越智能化，它們在工作、娛樂和家庭生活中的能力和“地位”也不斷的提高。同時(shí)，“機(jī)器人”作為學(xué)科交叉作用下的產(chǎn)物，其在設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的研究也格外重要[6]。