医疗机器人的应用优势及其在口腔领域的设计创新

李文龙

关键词：机器人;创新设计;学科融合;口腔医学;植牙

根据现有的研究发现，在医疗行业，“机器人”可以支持、协助和扩展医疗工作者开展工作。对于一些重复和单调的工作，它们甚至具备了替代人类工作的能力。机器人技术已经达到了将机器人所具有的人类感官体验、身体和认知扩展能力提升到前所未有的先进水平。特别是在增强现实技术的加持下，“机器人”在未来将变得更强大、更快、更不易“受伤”，且工作能力更强。因此，未来“机器人”技术的发展不仅能进一步降低病人风险，还将使医生的能力超越生理的限制，方便的驱动拟人化和非拟人化的“机器人”实现更多医疗救治的可能性。

1“ 机器人”的概念和范畴

提到“机器人”，人们首先想到的是动画片里出现的人形机器，如电影《变形金刚》里的擎天柱，但现实中的“机器人”远不止于此。人们通常所说的“机器人”，其实是由机器人技术作为主要支撑而生产出来的一种物质产品。机器人技术是科技、工程、艺术的结合，“机器人”作为人的延伸[1]，被生产用来复制或“替代”人类行为。早在20 年前，汽车行业的生产已经应用“机器人”组装汽车。这些“机器人”主要指工业生产所使用的机械臂，这些机械臂负责在汽车生产的流水线上进行标准化工作。随着人工智能的发展，今天人们所看到“机器人”已经是“渗透进”人类生活各个方面、功能强大的现代人工智能机器人了。并且，机器人技术在不断拓展的同时，“机器人”已经不再是对人的造型复制了，其被定义为一切模拟人类行为或思想，与模拟其他生物的机械体。

2“ 机器人”在医疗行业的应用优势

2.1 减少医疗事故的发生

约翰· 霍普金斯大学（Johns Hopkins University）曾有一项研究发现，医疗事故可能是导致死亡的第三大原因，仅次于癌症和心脏病，估计每年约有25 万患者因医疗事故而丧生。无论人有多仔细和精确，人难免犯错，特别是当人脑的力量达到极限而产生疲劳时，错误更是不可避免。综合多方面的因素，“机器人”比人类医生强大[2]。“机器人”拥有超人的视感，可以“透视”，看见事物在三维空间中的位置;“机器人”还拥有人类手臂无法达到的微米级控制力，使得開放伤口保持在条件允许下的最小范围;“机器人”也不会疲劳。在做完几千场手术或分析完数万次X射线后，它仍不需要休息时间和睡觉。借助人工智能的大数据情报分析，“机器人”还可以和全球的医疗资源数据达成“共识”，形成更有效的分析预测。

2.2 创造更佳的无菌环境

“机器人”还能够帮助医院创造无菌环境。以Xenex 机器人为例，它的工作是帮助医疗机构内的任何空间进行快速有效的系统消毒。这个过程是自动完成的，“机器人”通过使用超强紫外线消毒方法来消灭微生物，比其他消毒设备更能有效地对微生物造成细胞破坏，减少病菌的数量，并且不像人类那样需要间歇性休息。

2.3 提升医院的工作效率

2.3.1 提升分诊效率

在分诊环节，“机器人”可以帮助医院提高效率和提升体验。以Pepper 机器人为例，其能识别20 种人类语言，除了理解语言，Pepper 机器人还可以检测对象是男人、女人，还是孩子。并根据目标的性别、年龄和诉求作出更有效、准确的反馈，陪同患者前往正确的科室。类似Pepper 机器人的“社交机器人”也可以用于治疗或康复的辅助工具，帮助儿童克服对手术的恐惧。人类接待员单调且重复的工作，可以用Pepper 机器人替代。

2.3.2 提升康复效率

以ReWalk 机器人外骨骼为例，这种动力髋关节和膝关节的外骨骼，使行动不便或轮椅使用者可以再次站立和行走。这套外骨骼包括两个子件，即ReWalk Personal 和ReWalk。ReWalkPersonal 是专为人们日常使用而设计的，可针对每个用户量身定制;ReWalk 康复专为临床康复环境而设计，可提供有价值的锻炼和疗法，并使个人能够评估自己将来使用ReWalk Personal 的能力。这一医疗机器人外骨骼设备的整个系统由一套支撑组件构成，在臀部和膝盖处带有四个独立的直流电动机、一个装有可充电电池的背包，以及一个基于计算机的控制系统。ReWalk 控制步进模式和节奏，并结合了专利倾斜传感器技术、车载计算机和运动传感器来作为运动的驱动。传感器可以检测各种参数，包括上半身和躯干当前的姿势或腿部前进的预期，具有协助坐姿、站姿、静态站立和水平行走的能力。这套外骨骼通常与两个前臂拐杖一起使用。借助机器人外骨骼，各类不同身体状态的患者在不同场景下，都能得到不同程度的康复改善和自理能力的提升。

2.3.3 提升搬运效率

医疗机器人还能够承担医院的后勤保障工作，并提升搬运效率。以TUG 机器人为例，其充当了医院后勤保障的搬运工，不仅能够携带多达453 公斤的医疗用品，如药物、实验室标本、敏感材料，甚至是医疗废弃物或垃圾箱等，还能够充当医院内的移动药房、移动设备间。医疗机器人全天候的工作，一方面减少了夜班医务人员的负担，另一方面使医务人员可以花更多的时间陪伴患者或协助护理，而不是来回于不同的部门运送医疗用品，护士也不必携带重物，避免了事故发生的机率。

2.3.4 解决外科手术难题

以DaVinci?Xi? 达芬奇外科手术机器人为例[3]，这是一款当今市场上知名的手术机器人，主要用于微创手术。机器人结合了机器人技术、3D 视觉技术和人机界面控制系统，成为外科医生的得力工具。达芬奇手术系统被广泛用于前列腺癌和肾癌手术、肿瘤切除术、结肠直肠手术、疝气修复、甲状腺和肝的手术等。现在全球约有4500 多个达芬奇机器人，帮助外科医生每天进行手术，每年有近百万例手术使用了机器人辅助手术。手术时，医生通过摄像头控制机器人，放大倍率比人眼高10 倍，可以看清针尖大小的区域。直观的手部控制使外科医生可以使用弯曲度和旋转度远大于人手的细腕器械来提高精度、灵巧性和稳定性。芬奇手术机器人系统主要包括：外科医生控制台、手术机械臂和电子设备车。其中，外科医生控制台是系统的控制中心，可让外科医生查看手术区域，并遥控内窥镜和内窥镜的运动;手术机械臂有三个或四个“手臂”，在手术过程中支撑内窥镜器械臂和摄像头手臂;电子设备车包含支持的硬件和软件组件，例如空气泵、冲洗泵、吹入器和内窥镜光源。此外，达芬奇外科手术系统独特的人机跟随状态，还实现了医生的感觉状态，体现出医生身体的延伸。

4“ 机器人”在口腔领域的应用

人类的牙齿和大多数哺乳动物类似，因此人们常因牙齿脱落，以及解决牙齿问题而困扰。并且，每个人都要变老，会因为年龄老化、蛀牙或是外部损伤失去牙齿，美国修复牙齿学会研究发现，1.2 亿美国人至少缺掉一颗牙齿，而超过3600 万没有牙齿，而中国的缺牙人群高达四亿。因为缺牙导致的生活质量下降，无疑成为影响人们幸福生活的最普遍健康问题之一。由此不难得到这样的结论，每个人在一生中，唯一躲不开的医生就是牙医！

4.1 传统的牙齿种植的风险

传统的种植牙齿技术需要依靠人类医生的徒手种植[4]。徒手种植牙手术是牙种植体手术中最常见的外科技术。在徒手种植牙手术中，牙科医生使用手持仪器放置植入物，仔细观察患者的骨骼、牙龈和附近的牙齿后，便将植入物放好。其中，种植体的植入精度是影响手术效果的关键因素，但却十分依赖医生的眼睛和手术操作经验。由于医生全凭双手的感觉确定植入物的角度和深度，所以难免会出现误差，即使误差很微小，也会影响牙冠的配合度。而如果手术时间过长，植入部位还会造成感染。更有甚者，还可能会过度深入颚骨，导致神经损伤。所以牙齿种植手术是一项高度依赖医生技术的工作，也正因如此，牙科手术医生的费用占了种植牙手术费用的很大比例，尽管如此好的医生仍然不足，需要种牙的病人排队等待医生的问题仍很严重。、

4.2 种植牙机器人的诞生和意义

在技术发展的加持下，医生通过X 光片和3D 打印模型提前获得患者牙齿的副本，从而提前规划和研究最合理的解决路径。而种植牙机器人不仅能够像人类一样执行计划，其机器臂还能比医生的手更稳、更快、更精准。用种植牙机器人进行种植手术，用其手术机械臂代替医生的手臂，使种植手术不再依赖牙医的个人技术与经验，从而提高了手术精度、缩短了恢复时间[5]。种植牙机器人不仅解放了牙医，并且大大提高了种牙效率，使更多的人花费更低的成本、更安全地获得“新”的牙齿。种植牙机器人将整体提升广大缺牙人群的生活品质，缓解国家医疗资源不均衡的现状。

4.3 种植牙机器人的应用

4.3.1 国外种植牙机器人的应用

以Yomi 种植牙机器人为例。这是一款传统人手种植牙的新替代品，在手术过程中为牙科医生提供机器人辅助。其将牙科医生的技能与机器人手术的优势相结合，且牙科医生能够始终处于控制地位[6]。同时，种植牙机器人辅助手术还结合了计算机视觉，且正迅速成为技术与医疗结合的典型案例，在操作前的规划、3D立体可视化、触觉引导、微创伤口四个方面提供了改进。在手术前的程序规划方面，Yomi 可以协助牙科医生规划和精确地放置植入物，以获得自然的外观和感觉。并在必要时协助牙科医生迅速更改手术计划、简化治疗;在增强的解剖可视化方面，每个程序步骤都提供了不同的音频提示，牙科医生通过监视器上的图形显示，获得视觉确认和定量数据;在触觉引导方面，通过种植牙机器人的触觉机器人技术和多感官反馈为牙科医生提供帮助，确定正确的位置、角度和深度，以保证根据计划准确放置植入物。摆好位置后，种植牙机器人可以安全地保持手部的轨迹，防止意外偏离手术进程路径。如果患者移动，种植牙机器人还将跟踪患者的运动。当钻头达到计划的颚骨深度时，种植牙机器人为牙科医生提供了物理“硬停止”来确保不伤害到颚骨中的牙神经;在微创伤口方面，种植牙机器人的实时视觉指导和触觉指导实现微创手术，即其可进行侵入性较小的牙科植入物手术。这将使牙科医生可以在很多情况下无需使用手术刀开放牙龈就可以放置植入物，从而可加了快手术速度和康复速度，减轻了患者的痛苦。也正因如此，使推微创牙科发展得到了发展。

4.3.2 国内种植牙机器人的应用

以Yakebot 雅客种植牙手术机器人为例。这款种植牙机器人是中国自主研发，全球首次实现手术全过程机器人自主操作，不再依赖人工。种牙机器人系统（在中国属于III 类医疗器械）将智能机器人、机器视觉、多传感器信息融合，三维图形可视化等先进技术引入口腔种植领域。这款种植牙手术机器人在西安第四军医大学口腔医院种植科手术室成功为多位患者完成了多缺牙的种植即刻修复，种牙手术在1 小时内完成，精度误差控制在0.2mm—0.5mm，种植体角度完美且稳定。手术进展十分顺利，利用自主研发的超高精度定位技术，降低了手术难度，提升了手术效果，减轻了患者的痛苦（如图1、图2）。

Yakebot 种植牙手术机器人的核心技术在于综合考虑国内口腔临床应用环境各个方面的因素，重点围绕口腔狭小空间局部麻醉下伤微创手术治疗的关键环节，研究智能化微创手术装备在口腔领域的关键技术，研制智能化微创手术装备的核心部件。以术前CBCT 和口扫模型数据作为基础，使用视觉传感器及力传感控制器对种植牙机器人进行实时监测与控制。在智能决策上，该项技术针对种植牙颌面咬合模型，实现了牙冠设计、种植体规划、牙模设计、种植导板设计、种植步骤规划、术中实时导航及术后评估等一整套的决策系统，可以根据术中力反馈信息和位置反馈信息进行合理判断。参数化的推理模型使得该项技术具有极强的可适配性。从种植窝洞制备到种植体拧入都实现机器人控制，大大降低了种植牙医生的学习周期，为口腔种植的即可修复提供了智能化平台。促进了我国微创口腔手术医疗装备的技术基础和应用研究开发，对推动整个口腔种植行业的发展起到了一定的促进作用。

目前，Yakebot 种植牙手术机器人已经获得了国家III 类医疗器械注册证书，生产销售服务于人民生活。随着医学数据以每三年增加一倍的速度增长，人类与“机器人”在医疗领域工作效率的差距会越来越大，人类服务可能很难跟上实际的需求。而医疗机器人的应用则能够较好地解决这些问题，同时还会大大降低手术费用。在医疗行业，“机器人”是现阶段人类眼和脑最好的延伸和替代产品。

7 结语

很多人都认为“现在的‘机器人看起来都不像人类。”但这并不意味着科学家们造不出“机器人”。恰恰相反，这说明“机器人”的定义和设计还有着很大的创新空间。以一种客观的视角看待“机器人”，探讨如何使“机器人”更具感知力和创造力，使之与人类“合作”，并被应用于医院、仓库、工厂、餐店和商店等场所中从事服务工作，需要世界范围内企业、工程师、科学家和设计师，甚至是学生们共同研究。机器人将在未来有更大的应用创新机会。“机器人”作为“人的延伸”，能够在人的驱动下完成人类肢体无法胜任的工作。并且，随着“机器人”变得越来越普及化、越来越智能化，它们在工作、娱乐和家庭生活中的能力和“地位”也不断的提高。同時，“机器人”作为学科交叉作用下的产物，其在设计创新方面的研究也格外重要[6]。