机器人在口腔医学中的应用进展

刘丹丹 赵文迪 牛菊 李迪 周泽瑛 张静月 刘晓秋

吉林大学口腔医院修复科，长春 130021

“Robot”一词最早出现在20世纪二三十年代，由捷克作家卡雷尔卡佩克在他的剧本“罗萨姆的万能机器人”中提出。目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义，即“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统”[1]。

医学中的机器人学是指多学科和广泛的机器人科学在医学中的应用科学，涵盖了图像处理、3D建模、计算机辅助设计、坐标测量和导航、运动规划、人机界面、控制以及机构设计和分析等技术，而医学机器人就是其上述每个分支在医学科学领域的应用[2]。这些机器人在手术、康复领域，动脉、脑和脊柱检查，组织形变检测和追踪，血管介入等方面都有应用[3]。其中手术机器人已经广泛应用于泌尿科、妇科、骨科、胸廓、普通外科、心胸外科、头颈外科等多种科室中[4]。目前临床应用的手术机器人主要是美国直觉外科公司的达芬奇系列产品，如达芬奇Si、Xi、SP，而一些新兴机器人系统如意大利Sofar公司的Telelap ALF-X系统、韩国的Revo-i系统、日本的Medicaroid系统则可能在未来有广泛的应用前景[5-6]。康复机器人包括服务于盲人的辅助设备、假肢和矫形器、修复器和其他辅助系统，如智能轮椅等[3]。目前已经有学者探讨了机器人在口腔不同领域的开发利用，本文将对机器人在口腔修复、口腔种植、口腔正畸、口腔颌面外科、牙体牙髓病等领域的研发状况进行综述。

1 口腔修复学领域

在口腔修复中机器人主要用来进行牙体预备以及局部义齿和全口义齿的牙齿排列。

1.1 自动牙体预备机器人

口腔修复操作中的牙体预备需要去除牙齿龋坏的硬组织并形成预期牙齿形状。在目前的临床操作中主要有两种硬组织去除方法：使用涡轮驱动的钻头进行研磨和使用激光进行消融[7]。目前学者们分别探讨了机器人使用涡轮手机与激光进行牙体预备的效果。Otani等[8]对比了使用涡轮手机的机器人自动备牙系统与传统人工备牙在瓷贴面牙体预备过程中的精确度，发现二者的精确度相当，但机器人系统可通过使用数字牙印模系统扫描诊断蜡型，确定虚拟预备设计方案，最后再根据虚拟预备设计自动预备牙齿，从而更好地保护牙体结构，同时也确保修复材料有适当空间。激光预备因为可减少疼痛、噪音和震动，而被认为更加安全和舒适，此外还有学者证明，当选择合适的参数时，激光备牙在获得有效牙体预备的同时也不会对基牙产生损伤。因此，Wang等[9]开发了一种名为LaserBot的微型机器人装置，它可操纵飞秒激光束去除牙齿龋坏部分以实现临床牙冠的预备，从而实现激光焦点的精确三维运动控制，并且体积小，方便用于狭窄的口腔工作空间。但是该设备的动速度、设备尺寸还有待继续优化。在此基础上，北京大学口腔医院的原福松课题组开发了世界首台机器人自动化牙体预备系统，该系统将机器人自动化技术与飞秒激光技术结合，通过机器人自动控制飞秒激光束，严格按临床医学标准和规范，实现牙体预备的自主控制；此外该系统可与目前先进的口腔数字化义齿制作设备和3D打印设备结合，快速精确地完成义齿的修复治疗[10]。

1.2 排牙机器人

传统人工义齿制造的关键步骤就是排牙，且只有专业的牙医和熟练的技术人员才能够做好这项工作。为促进排牙的自动化，加拿大CRS机器人公司生产了具有6个自由度的单机械臂CRS机器人来制作全口义齿，在分析工作空间和模拟运动的基础上，该系统在理论上可以满足牙齿的排列要求。然而，义齿的形状非常复杂，不易被单机械手精确地掌握和操纵；基于此种情况，有学者[11]研发了具有14个独立的机械手，84自由度的排牙机器人，该机器人能在人工牙齿空间中实现任何姿势，但是由于该系统的驱动电机的数量多达84个，因此实现机器人系统的控制和运动学计算非常困难；为了解决这一问题，该课题组进一步研发了由14个独立的机械手、1个牙弓发生器和1个滑道装置组成的具有50自由度的排牙机器人系统，该系统简单、灵活、易于控制，进行全口义齿的排牙只需30 min。尽管该排牙机器人系统的效率得到了极大地改善，但高成本和操作的复杂仍然是其获得广泛应用的主要障碍。

2 种植领域

近年来，随着种植技术的不断发展，种植已逐渐成为缺失牙修复的首选治疗方案。种植过程中，植体的植入需要在颌骨上预备种植窝，此时，种植手机钻头的位置不当可能会导致严重的出血或神经损伤等医疗事故。于是，Yu等[12]提出将伦纳德-琼斯势场与立体视觉的机器人导航系统相结合，达到了与人的交互作用位置调整的要求，其3自由度机械手可实现“种植位点”的精准定位，当机械臂在远离术区时，操作者可以自由操作机械手；在接近以及到达术区时，操作者将通过施加调整力以保证机械手准确地到达目的地以及避免在术区发生碰撞。

为了使患者在植牙过程中不受神经损坏、严重出血等并发症的伤害，消除医师临床经验不同带来的操作差异，Yu等[13]又提出利用机器人触觉钻孔系统进行人工植牙术来模拟切削力的反馈，并对切削力和计算机断层扫描值进行建模，该系统允许口腔医学生学习和练习颌骨钻孔的过程，也可帮助医生在种植手术前预先感知切削力的反馈。

目前第一个商业化的牙科种植机器人系统，被命名为Yomi，由美国Neocis公司研发，并且已于2017年获得了美国食品和药物管理局的批准。该系统用于协助口腔医生进行牙齿种植手术，能准确设置手术程序，为医生提供手术器械的指导，给医生提供可视化的界面以便准确控制手术方向；Yomi通过使用触觉指导技术与多感官反馈，实现了微创治疗，并且医生可通过该系统的软件随时修改手术方案，使手术更为高效、便捷[14]。

2017年赵铱民教授及其团队首次成功应用自主式口腔种植手术机器人为1名女性完成了2颗缺牙的种植即刻修复，该手术过程在1 h内完成，牙冠戴入顺利，咬合、美观及稳定性均达到预期效果。

3 正畸领域

目前正畸领域的机器人可用来进行临床诊断、拟定治疗计划、定制矫正设备等，但应用最多的方面还是弓丝弯制。如Suresmile弓丝弯曲机器人利用一种全新的成像系统，通过三维成像和计算机技术进行诊断，给出治疗计划，并定制牙齿矫正装置，该系统可以预先模拟治疗过程，预览不同的治疗方案；吉尔伯特建立了多种设备辅助正畸治疗，如一种舌侧弓线制造和辅助设计系统（LAMDA），但该系统只能在XY平面上实现运动而不能用于闭环弯曲弓丝；还有一种是笛卡尔式弓丝弯曲机器人，由弓丝的基座、旋转式机器、供给系统和支撑结构、弯曲模具和弓丝弯曲机构组成[15]。

Deng等[16]也设计了一种多功能正畸弓丝弯曲机器人系统，该系统可以自主拟定弓丝参数的方案，并采用弯曲控制策略消除弯曲过程中弓丝的回弹效应和弯曲点偏移。

Xia等[17]开发的具有ROS集成控制系统的新型正畸弓丝弯曲机器人，因其硬件和软件系统进行了模块化设计，所以在用于自动弓丝弯曲时更灵活和便利。

但是上述机器人仍然处于模拟和物理实验验证阶段，尚未应用于临床中。

4 在口腔颌面外科领域

在进行骨性游离皮瓣重建的手术中，为减少源于临床医生的人为误差，Chao等[18]发起了一项研究，在计算机辅助设计（computer aided design，CAD）平台上设计了游离腓骨瓣的制取方案，然后将这种虚拟手术计划数据传输到库卡轻量级机器人中，借助动态立体定位导航在3D打印的腓骨瓣上执行截骨术，这项临床前研究证明了预编程机器人用于游离腓骨瓣制备和下颌骨重建的可行性，初步证实该方法具有高度的线性和角度精度，可能在进一步提高手术准确性方面具有实用性。

Woo等[19]开发了一种用于正颌手术的机器人辅助系统，用于颌骨重新定位，将其与正颌外科手术导航系统结合，以克服一些术者的人体局限性，如灵活性有限、震颤和疲劳等。未来的研究方向是优化该机器人系统的软件和增强硬件安全性，并且将其应用于需要正颌手术的患者。

5 牙体牙髓领域

根管治疗是牙体牙髓病中治疗感染牙齿最常用的治疗方法，但根管治疗过程费时，且治疗效果大部分依赖于医生的临床技能。在根管治疗过程中，可能会有人为因素导致的侧穿、过度预备等情况发生。为了提高牙髓治疗的质量和效率，有学者研发建立了牙髓微型机器人治疗系统，以实现传统治疗的现代化。

Endo micro robo系统可减少医生的误差并且保证了根管治疗的可靠性。其首先通过计算机图像和牙齿模型、CAD程序来评估牙齿状况；再使用研发的智能多功能微机器，执行机器控制根管治疗的过程；最后启用超声波清洗装置，去除根管内碎屑[20]。

美国哥伦比亚大学Hong教授开发了一个能够自动进行牙髓治疗的智能微型机器人，操作时将这台机器固定在患者口腔内的几颗牙齿上，通过在线监测和智能控制，微型机器人将自动执行根管治疗的所有步骤，牙医可以通过评估治疗期间3D牙齿模型显示的几何形状来检查根管预备进展[21]。虽然牙髓微型机器人的发展将改变传统的根管治疗方式，并带来诸多益处，但它的价格非常昂贵，需要降低成本实现市场化和临床应用。

为了使学习者能有效学习根管治疗程序，且不会对患者造成伤害，Toosi等[22]研制了一种用于根管治疗程序的触觉虚拟现实模拟器，该模拟器允许操作员使用Phantom触觉机器人对釉质和牙本质进行钻孔直至到达髓腔，然后使用模拟K锉清洁根管内壁。

6 牙科机器人患者

牙科治疗的疗效通常取决于临床医生的操作技能，仿真头模能辅助训练口腔医学生的临床操作能力，但是目前的仿真头模只是由简单的功能性头部区域和牙齿排列组成，与真实患者有差距。因此，提出了牙科机器人患者的概念。Simroid系统由日本齿科大学研发，基于机器人的交互式牙科培训患者模拟系统，由具有真实的外观和反应的人形机器人组成。Abe等[23]通过临床试验验证了Simroid系统的临床效应，结果显示Simroid系统在模拟医患沟通和评估治疗态度和临床技能等方面都具有优势。

7 其他方面

7.1 仿生咀嚼机器人

为了模拟咀嚼功能，完成治疗和修复后牙齿咀嚼效率的测试，有学者[24]开发了咀嚼机器人来执行某些确定的咀嚼功能。Wen等[25]研发了冗余驱动的仿生咀嚼机器人，能够重现人类下颌骨的运动，它在牙科组件和材料的性能测试领域中具有潜在的应用价值。

7.2 体外刷牙机器人

对于不同的手动和电动牙刷来说，体外牙齿清洁效能的评估已成为临床试验的一个真正的替代方法。Lang等[26]研发的六轴机器人可以用来评估在不同设计的牙刷和刷牙动作下牙菌斑控制和清洁功效的不同。

7.3 自动牙齿清洁机器人

由于上肢残疾或肌肉无力，许多老年人或残疾人不能独立完成刷牙。为了解决这些老人和残疾人的口腔清洁问题，Sakaeda等[27]设计研发了一种自动牙齿清洁机器人，该系统包含偏心凸轮机构、刮水器导向装置和带力传感器的安全系统，在测试过程中，机器人系统能够正常运行。

7.4 口腔康复机器人

早稻田和朝日大学联合研发了一种口腔康复机器人，旨在为颌面部损伤的患者和老年人提供适当的按摩治疗，研究[28]证实了用口腔康复机器人进行按摩治疗的安全性，但该机器人只能按摩双侧咬肌和颞肌，在未来的研究中还有待优化。

7.5 纳米机器人

纳米机器人是以纳米尺寸组件或分子组件构建的纳米尺寸的微型器件，并根据计算机的指导执行任务，应用可能包括局部麻醉、牙列重建、超敏反应的永久治愈、一次性完成矫正调整及使用机械洁牙机持续维护口腔健康，牙科纳米机器人还可用来去除龋齿的腐质，或修复因龋坏导致的牙体缺损[29]。

综上所述，机器人技术的开发需研究者具备多学科的工程背景，还要对机器人学有全面的了解。因此，为开发医学机器人设计和操作的关键技术，将机器人与医学、生物力学、机器理论、材料科学、数学、计算机技术和信息技术结合起来是非常必要的。机器人技术可提高口腔治疗的准确性、可预测性、安全性、护理质量和治疗速度。目前机器人技术在口腔临床中主要可用于根管治疗、牙体预备、排牙、种植手术等方面，但尚处于研发临床试验阶段，未正式应用到临床中。而且目前研发的机器人在口腔医学临床中只是作为辅助操作系统，智能化程度较低，它们的操作者要求是受过专业训练和经验丰富的人员。此外，口腔中还有一些重复性高且费时的操作，如牙周基础治疗、正畸粘接托槽、弓丝加力及修复和牙体中的取断桩与断针等，尚缺乏机器人技术的应用，未来该技术可能在上述方面具有广阔前景。医学机器人的应用必须严格遵守伦理学准则。如果口腔机器人技术得以合理应用，它有可能在短期内改变人们的口腔颌面部健康状况，且这项技术将提高全球口腔临床患者的社会福祉。

未来，机器人的开发将更集中于微创、高精度以及实时反馈等方面。在确保患者安全的同时，引入更加有效的系统，来适配更多样化的设备。随着人工智能在临床医学中的应用，机器人手术系统的功能将更加完善，最终实现向自动化机器人手术系统转换。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。