口腔種植機器人的研究發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

陳圓圓 尼加提·吐爾遜

新疆醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院口腔科,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830063

機器人被定義為“感知與行動之間的智能連接”[1],最早出現(xiàn)在20世紀二三十年代。醫(yī)學機器人可以被看作是人類眼睛和手功能的擴展,能夠代替我們?nèi)?zhí)行許多無法完成且較精細的動作,以彌補在人類醫(yī)療操作過程中的不足和缺憾[2]。近年來,我們也在不斷地探索醫(yī)學機器人這類技術(shù),使用機器人進行手術(shù)已成為手術(shù)治療的一個重要發(fā)展方向[3]?，F(xiàn)如今,隨著醫(yī)療機器人及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,口腔醫(yī)學中機器人的研發(fā)和應(yīng)用也變得日趨成熟,在種植手術(shù)領(lǐng)域內(nèi)也逐漸出現(xiàn)使用機器人進行種植牙的研究。種植機器人的智能化、精準高效及微創(chuàng)安全等特性在口腔醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用上具有獨特的優(yōu)勢。下面將對口腔種植機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢展開論述,希望能夠為市場未來的發(fā)展帶來一些啟發(fā)。

1 口腔種植術(shù)概況

在1965年,自德國Branemark博士植入第一顆種植牙齒起,世界各國就開展了種植牙臨床的應(yīng)用與科研。經(jīng)過多年的發(fā)展,種植手術(shù)也逐漸數(shù)字化、現(xiàn)代化[4]。種植體植入的成功治療和康復效果在很大程度上取決于種植體在頜骨內(nèi)放置的位置、角度、深度[5-6]。為了減少植體的定位誤差,我們會在口腔種植手術(shù)中使用種植導板技術(shù)和導航技術(shù),并成功按術(shù)前規(guī)劃的最佳方向和深度將種植體植入窩洞[7],使得整個手術(shù)過程完全處于實時動態(tài)監(jiān)控之下,對于降低手術(shù)創(chuàng)傷、優(yōu)化種植路徑、提升手術(shù)安全性等都具有非常重要的意義。但是,在種植手術(shù)中最關(guān)鍵的種植窩洞制備仍是依靠醫(yī)生手工完成[8],醫(yī)生的手術(shù)技巧以及種植手機工作時引起的手部震顫,會對種植的精度產(chǎn)生負面影響[9]。另一方面,由于口腔空間狹小以及軟硬組織對視線的阻擋,尤其是在缺失后牙時,開口的限制可能會造成尷尬的工作位置,從而潛在地導致手術(shù)操作者疲勞和人為失誤的可能性,更會給患者帶來不好的就診體驗[10]。因此,為了盡可能排除人工主觀因素對種植精度的影響,研究者們開始將目光投向機器人技術(shù),并構(gòu)建了一些可用于口腔種植領(lǐng)域的機器人系統(tǒng),機器人手術(shù)在輔助牙種植過程中具有持續(xù)的精度、更高的穩(wěn)定性、更高的效率和更大的靈活性,這是一項極具有顛覆性的技術(shù),國內(nèi)外學者們也取得了一些初步的成果。

2 口腔種植機器人的應(yīng)用研究發(fā)展與現(xiàn)狀

最早在2002年,Boesecke等學者[11]構(gòu)建了第一個引導牙種植體植入的機器人。這項研究中提出機器人系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍約為70cm,在種植手術(shù)過程中執(zhí)行種植鉆孔指導,最后將48枚種植體放置在根尖邊界1～2mm內(nèi)。2006年,Pires等[12]研究學者經(jīng)過探索種植體著床的方向、位移、直徑對種植體及其周圍頜骨應(yīng)力的影響作用,從而建立了一個主要由機械工業(yè)臂、應(yīng)力/應(yīng)變測量儀、力矩/力感應(yīng)器、數(shù)據(jù)采集板等所構(gòu)成的口腔種植機器人裝置,并通過探索種植體最佳的位置和種植體的數(shù)量,希望能夠獲得最佳的植入修復設(shè)計,以便應(yīng)用于進行植入窩孔的制備設(shè)計和種植體的植入。2012年,一種具有6個自由度(DOF)的自主機器人系統(tǒng)被提出,基于使用一種體積分解的程序,在下頜模型中放置了一個根狀種植體[13]。隨后,一個帶有立體攝像機的3-DOF機器人系統(tǒng)被開發(fā)出來,能夠檢測和調(diào)整種植手機,根據(jù)術(shù)前設(shè)計以確保種植體放置的位置[14]。

2017年,牙種植機器人YOMITM(Neocis Inc,Miami,FL,USA)系統(tǒng)成為世界上第一個由FDA(美國食品和藥物管理局)批準的計算機導航機器人系統(tǒng),可以協(xié)助口腔醫(yī)生進行口腔植體植入手術(shù),通過提供可視化界面以及手術(shù)器械指導來提高臨床手術(shù)的準確性[15]。YOMITM機器人是通過結(jié)合坐標測量機(CMM)系統(tǒng)獲得種植位姿,但采用了固定口內(nèi)夾板的形式,方便安裝與更換[16]。該系統(tǒng)應(yīng)用多感官振動反饋提供高預見性和精度,控制種植體鉆頭的位置、深度和方向,從而避免了手術(shù)操作人員的自由手偏差。然而,YOMITM系統(tǒng)種植機器人的成本相對昂貴,需要在監(jiān)督下運行[15]。

在國內(nèi),空軍軍醫(yī)大學趙銥民教授及其團隊對口腔牙種植機器人技術(shù)進行了持續(xù)研究,與北京航空航天大學團隊合作開發(fā)了世界首臺“完全自主式”牙種植手術(shù)機器人[17],手術(shù)程序無須外科醫(yī)生干預即可執(zhí)行,具有高度的自主權(quán)[18]。在2017年為1名女性完成了2顆缺牙的種植即刻修復。系統(tǒng)由圖像引導平臺、商用機械機器人、植入平臺和DentalNavi軟件(空軍軍醫(yī)大學)組成。該技術(shù)采用光學三維位置辨識技術(shù)確定放置于病人口腔的固定標識器,并根據(jù)術(shù)前制定的植入計劃對病人實施窩洞制備。種植體植入后,通過比較術(shù)后錐形束計算機斷層掃描與術(shù)前設(shè)計的位置來評估其精度。其結(jié)果平均入路偏差為(0.705±0.145)mm,平均根尖偏差為(0.998±0.232)mm,平均軸向偏差為(2.077±0.455)mm[17]。該手術(shù)進程將于1h內(nèi)進行,牙冠戴進順利,咬合、美觀度和穩(wěn)定性都取得了預期療效[19]。

2019年,上海交大醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院曹正綱在機器人輔助無牙頜手術(shù)種植體植入精度的體外模型研究中,引入了長度為50mm的顴種植體(Zygomatic implant,ZI),盡管該研究有部分局限性,但進一步驗證了實時手術(shù)導航機器人系統(tǒng)在嚴重萎縮無牙頜種植體植入中的準確性。此后,趙銥民教授團隊不斷進行技術(shù)創(chuàng)新,使機器人的各項特性提高,而且操作也更加簡單[20]。研究成果已于2018年3月完成產(chǎn)品轉(zhuǎn)化,口腔種植牙機器人技術(shù)平臺的研究已于2020年6月成功獲得國家食品藥品檢定研究所的醫(yī)療器械型式與試驗注冊及測試報告,于2020年9月成功通過國家藥品監(jiān)督管理局創(chuàng)新型醫(yī)療器械特別評審,同時通過國家醫(yī)用儀表科技審評機構(gòu)開展的創(chuàng)新型醫(yī)療器械公示,進入國家研發(fā)注冊臨床標準階段[21]。

2021年4月,我國頒發(fā)了首個種植機器人醫(yī)療許可證,獲批的瑞醫(yī)博口腔手術(shù)機器人采用非接觸式光學導航,即通過可見光導航建立光學跟蹤定位儀、機器人及患者之間的準確位置關(guān)系,術(shù)中實現(xiàn)實時光學跟蹤、隨動和自動種植。種植醫(yī)師在種植機器人輔助下完成手術(shù),可大幅度提高手術(shù)精度,將誤差控制在0.5mm以內(nèi),最大限度實現(xiàn)微創(chuàng)的目標,降低手術(shù)風險,縮短手術(shù)時間,實現(xiàn)標準化種植。2021年11月13日,北京協(xié)和醫(yī)院宿玉成教授及其團隊創(chuàng)世界口腔種植之首,借助瑞醫(yī)博口腔手術(shù)機器人,順利完成了全球首例光學導航機器人輔助全口無牙頜種植及數(shù)字化即刻修復手術(shù),實現(xiàn)了光學導航機器人從單顆牙到無牙頜的應(yīng)用突破,廣受口腔業(yè)界及各方矚目。機器人輔助全口無牙頜種植及數(shù)字化即刻修復的成功開展標志著光學導航機器人應(yīng)用術(shù)式已成功拓展至口腔科高難度手術(shù)。

3 口腔種植機器人的組成及手術(shù)流程

如圖1所示,該機器人由機械臂(含夾持器)、手術(shù)導航軟件(型號:RemeDent,版本: V1. 0)、光學跟蹤定位儀、專用儀器車等組成。手術(shù)流程:醫(yī)師完成局部麻醉、放置定位導板、手術(shù)注冊、更換鉆針等操作,機器人按照術(shù)前規(guī)劃,準確定位手術(shù)的靶點和路徑,完成自動校準、自動提拉、自動下鉆的外科程序。手術(shù)機器人憑借高頻刷新和隨動,術(shù)中實時追蹤和校準,最大限度避開術(shù)區(qū),不對手術(shù)操作造成干擾。術(shù)后醫(yī)生一次性直接戴入術(shù)前制作的臨時修復體,臨時修復體與種植體位置完美契合,咬合關(guān)系確認無誤,術(shù)后影像掃描顯示所有植體準確植入術(shù)前規(guī)劃位置。

4 口腔種植機器人技術(shù)的優(yōu)劣勢及未來發(fā)展趨勢

4.1 種植機器人優(yōu)劣勢分析 種植機器人的自動化、高精確度等特性,使它在口腔醫(yī)學行業(yè)的使用有著特殊價值,主要表現(xiàn)在以下5點優(yōu)勢。(1)口腔植入術(shù)通常要求醫(yī)生手持種植手機進行操作,長期使用不可避免會產(chǎn)生震顫情況。采用操控機器人的機械手臂進行操作,從而有效地過濾震顫能夠更精準的種植,既大大提高了種植過程中的安全性與有效性,也減少了醫(yī)務(wù)人員的工作勞動強度,更有利于醫(yī)務(wù)人員的自身健康。(2)口腔內(nèi)構(gòu)造精細復雜,通過植入機器人的定位導航裝置可以實現(xiàn)精確定位,采用微創(chuàng)的方法進一步縮小了種植牙的切口,降低了醫(yī)源性損害和并發(fā)癥的概率,進而改善整體醫(yī)療質(zhì)量。(3)人類口腔器官的許多結(jié)構(gòu)都無法用肉眼看清,但通過種植機器人所搭載的視覺系統(tǒng)和操作系統(tǒng),可克服醫(yī)生肉眼的缺陷,從而達到更清晰的操作視野。完成了一些在無法直視情況下完成,而傳統(tǒng)儀器又無法達到的檢查和處理。(4)種植機器人能夠和外部產(chǎn)生相互作用,比如對通過視覺系統(tǒng)收到的影像和人體無法察覺到的微小的外力、轉(zhuǎn)矩、幾何誤差等變化以及作業(yè)人發(fā)送的命令等,機器人均能夠在毫秒之內(nèi)作出適當?shù)姆磻?yīng)。這一特性也確保了種植機器人能夠在緊急情況下,快速作出反應(yīng)并停止工作。(5)種植機器人能夠部分代替醫(yī)務(wù)人員去進行診療,減少被傳染的可能性。比如可以利用操縱機器人對具有感染性疾患的人群實施口腔診療處理,最大限度減少醫(yī)務(wù)人員在感染環(huán)境中的暴露。

同時值得關(guān)注的是,口腔種植機器人在國內(nèi)的使用還處在萌芽狀態(tài),有待更深入的臨床實踐和研發(fā)?？谇环N植機器人研究雖然取得了較大的進展,但還是不夠完善,主要表現(xiàn)在:(1)通常機器結(jié)構(gòu)比較復雜,體積較大,且必須在大型的診療室內(nèi)才能放置;(2)現(xiàn)階段智能化水平普遍不高,功能相對單一,以輔助醫(yī)生進行操作為主。

4.2 種植機器人的未來發(fā)展趨勢 過去3年世界正在見證COVID-19新冠疫情的特殊事件,這一新時代將成為世界歷史上的一個重要轉(zhuǎn)折點。在這場危及生命的疫情中,口腔醫(yī)生可以利用機器人在不同領(lǐng)域的眾多應(yīng)用程序遠程進行種植手術(shù)治療,遵循社交距離的新規(guī)范,減少工作時間,從而大大降低了感染種植醫(yī)生和患者的風險。值得注意的是,當一種新技術(shù)在新的環(huán)境中被引入時,它肯定會受到不同方面的障礙。其中一個障礙是口腔種植機器人技術(shù)費用極其昂貴[22]。此外,另一個重要的方面可能是在口腔治療中未知患者對這項技術(shù)的接受性和依從性。種植機器人系統(tǒng)是復雜的,需要專業(yè)知識來進行正確的操作。因此,對所有臨床口腔醫(yī)生來說,掌握這些技術(shù)的基本知識和技能是非常重要的。目前,中國的種植牙市場巨大,所以通過一臺種植機器人,可以通過全套的數(shù)字化解決方案,幫助更多的醫(yī)生掌握高端的種植牙技術(shù),惠及更多缺牙患者,勢必會促使現(xiàn)代口腔診療活動向著精準、微創(chuàng)、高效的方向發(fā)展。在許多應(yīng)用領(lǐng)域,我們常聽到機器人將會替代人類的觀點,但由于工作環(huán)境與對象的復雜性,種植機器人仍然需要人類的協(xié)助,機器人和人類發(fā)揮各自優(yōu)勢,取長補短并不斷完善,將會是未來的發(fā)展常態(tài)。

5 展望

口腔醫(yī)學正朝著數(shù)據(jù)驅(qū)動和機器人輔助手術(shù)的新時代前進,隨著口腔數(shù)字化及人工智能技術(shù)日新月異,數(shù)字化種植外科使“精準種植”得以實現(xiàn),而口腔種植手術(shù)機器人的出現(xiàn)及應(yīng)用則將“精準種植”推向了又一新的高度。種植機器人技術(shù)無疑是技術(shù)領(lǐng)域的一項巨大突破,其在牙種植方面的應(yīng)用具有巨大的潛力。當然,臨床需求是創(chuàng)新的源動力,我們也期待機器人在口腔領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。雖然目前機器人技術(shù)還沒有普遍地使用,但是隨著科技的日益完善與進展,相信種植機器人將會給口腔醫(yī)學領(lǐng)域帶來重大的技術(shù)革新。