智能机器人在口腔医疗领域的研究与应用现状*

陈昱江 综述，万海因，王露苓，高 宁，余林蔚，刘 英,2△ 审校

(1.川北医学院口腔医学系，四川 南充 637000；2.川北医学院附属医院口腔科，四川 南充 637000)

医疗机器人通过感知、计算、运动能辅助或自主地完成高难度临床手术操作，具有微创、高效、安全等优点，为患者提供了更舒适的诊疗体验。自“达芬奇手术机器人”[1]问世以来，其在临床手术中应用所展现的优势远超过往，使人工智能与临床医学的结合成为可能。

迄今为止，口腔医疗智能化成为未来口腔与科技融合发展的一个全新方向。机器人技术的发展受到社会广泛关注，越来越多的口腔医学工作者为拓展科技与临床结合的成果，不断设计开发出新的、更便捷的口腔治疗机器人，涉及口腔正畸、口腔内科、口腔修复、口腔颌面外科等方面。现将智能机器人在口腔医疗领域的应用现状综述如下。

1 智能机器人在牙体牙髓治疗中的应用

根管治疗时由于根管结构复杂等因素可能导致根管侧穿、过度预备等问题。因此，对临床医师而言，根管治疗具有一定的挑战性和风险性。近年来，人工智能技术因其高度精准性、稳定性、有效性，在探测根尖周病变、冠根骨折等方面的应用研究逐渐深入[2]。TOOSI等[3]建立的Omni Phantom机器人拥有触觉虚拟现实模拟器，可以基于图形和触觉交互式模拟根管治疗，尤其是模拟k锉清洁根管内表面的过程不仅促进了根管治疗过程的可视化，还可降低患者的诊疗风险。2020年莫斯科学者对基于KUKA LBR4+的工业运动学机械手的口腔试验进行了报道，一方面，该设备被视为一个连续连接的运动体结构，可允许误差为±0.05 mm，能实现7个自由度的控制，结果显示，其在手术过程中保持工作仪器的特定运动速度更精确(4倍)，偏离规范化的轨迹优于人类操作者的3.3倍；另一方面，在数控控制器的协助下，根管微型机器人对器械可施加的推力达4.9 N，并以5个自由度移动根管器械，可降低人为因素对根管治疗的干扰[4]。近年来，国内学者也在致力于研发新型口腔治疗机器人，结合了导航设备、力传感器等，能替换臂端的工作器械，如制备龋洞的高速转头、根管治疗时种类繁多的针和锉，旨在提高根管治疗的质量。

由多种细菌构成的牙菌斑不仅能形成牙结石影响牙外在美观，还易引发口臭、牙周病等问题。对牙菌斑的清洁方式，GRISCHKE 等[5]证实了应用机器人系统比临床刷牙效果好、效率高。同时，已有团队研发了一款六轴机器人[6]，可自动模拟清洁菌斑程序，具有显著的个体特异性和位点针对性。鉴于根管内生物膜较难介入和清洁，HWANG等[7]研发了具有磁催化功能的抗菌机器人，可按设定的路径进行根管预备，利用磁力驱动和纳米技术，应用氧化铁纳米颗粒消灭细菌和破坏生物膜，并降解膜碎片，旨在彻底根除生物膜，防止其再生感染。此外，HWANG等[7]还探讨了这些系统的其他应用，如预防龋病或种植体周围感染等。

2 智能机器人在口腔修复治疗中的应用

近年来，机器人的研发与应用在口腔修复领域取得了较大进展，主要包括牙体预备、全口义齿排牙、修复种植和咀嚼机器人。

2.1牙体预备 随着数字化印模技术的不断革新，牙体预备成为口腔修复治疗的重要环节。传统牙体预备方法要求医师在狭小的口内空间，仅凭个人临床经验徒手目测备牙，无法克服人工预备体“量与型”的随机性[8]，难以达到理想的预备效果。因此，一方面，BELLO[9]运用计算机数控路由器和真空工作台成功改造并完成了体外全冠牙体预备，一定程度上提高了牙体预备的精确度和稳定性，但在投入实际应用前，尚需进一步探索该设备在人体生理环境的适应性和患者接受度；另一方面，自2016年YUAN等[10]将机器人技术与激光技术相结合开发出世界首台机器人自动化牙体预备系统以来，该团队发现，飞秒激光束的断光延迟会影响备牙锥度，并由此提出了机械自动控制高功率飞秒激光束提高备牙准确性的新途径[11]，为患者带来更舒适、安全的诊疗体验。

2.2全口义齿排牙 全口义齿是无牙患者的主要修复方式，但传统手工排牙不仅要求医师具备精湛的技术水平，而且耗时长、误差大，很难获得良好的咬合关系。21世纪以来，有关排牙机器人的研究已日臻成熟。国内学者LYU等[12]和ZHANG等[13]已先后构建并改进了6个自由度机器人全口义齿人工牙列制作系统和50个自由度自动排牙机器人，取代了传统人工制作牙弓技术，提出了将牙弓发生器整合在多操作机排牙机器人的思路，进而显著提高了排牙效率，并在此基础上采用Pro/E软件设计出具有7个自由度的SCARA型排牙机器人[14]，进一步提高了排牙精度。该系统由牙库、精雕油泥排列区域和机器人本体组成，本体包括Z轴升降台、大臂、小臂、腕部关节和末端手爪，体积小，性能强，有效降低了传统备牙因医师个人水平和状态等可能造成的风险。但目前因缺乏针对系统稳定性控制等方面的深入研究，该系统仍处于概念设计阶段。

2.3种植修复 近年来，种植修复因其咀嚼效率高、舒适度好等优点逐渐成为牙列缺损的首选治疗方式。目前，人工智能在口腔种植修复领域的探索实践主要集中于提升种植体植入的精确性[15]。RAWAL等[16]指出，机器人辅助牙科手术在种植治疗过程中可兼顾视觉和触觉指导，可能是一种新型的动态外科指导方式。CHENG等[17]关于人-机器人协同种植系统的研究结果已初步验证该系统精确导航的可行性，借助虚拟技术实现下颌骨三维重建，利用3D打印制作的定位装置预估种植体位置，在模拟规划钻井轨迹后最终使用人-机器人协同种植系统完成钻井过程。ZHAO等[18]提出的虚拟约束方法具有确定运动轴、投影构型差异和推导运动控制比3个核心步骤，可模拟种植过程中的多个环节，并使输出力稳定、连续以提升人工种植的修复效果，但该研究以仿真头模为研究对象，尚未提及临床试验中的疗效。此外，在制备口腔种植窝洞时，基于机器人自动控制超短脉冲激光可通过优化数控激光的切削参数，在非接触下实现切削过程的精确控制[19]。从而有望帮助口腔医师提升种植备洞的效率和质量，减少椅旁操作时间，优化患者治疗体验。有学者在融合种植准确性和安全性基础上，提出了混合机器人的概念，并在幻象实验验证了混合机器人的优异性能[20]。而自主牙科植入机器人系统在体内的准确性也在动物实验中得以证实[21]，为后续临床试验提供了动物实验支撑。

2.4咀嚼机器人 在口腔修复治疗中不同材料修复体的寿命由于磨损和腐蚀而不同程度地缩短。因此，预先检验修复材料的性能在临床应用中具有重要意义。咀嚼机器人因可模拟人类咀嚼运动而成为研究热点，在修复领域具有广泛的应用前景。2018年REN等[22]开发的智能机器人由动力系统、智能控制和驱动系统、传感器系统和辅助系统组成，利用7个压力传感器测试单个人工牙受力情况。TAHIR等[23]将Stewart平台并联机构用于力控回路，研制出一款新型模拟咀嚼模拟器，可量化种植体和下颌骨之间的负荷分布，进而更客观地评估修复材料的性能，为修复材料的选择提供了参考依据。

3 智能机器人在口腔正畸治疗中的应用

准确地再现并记录患者下颌功能运动从而模拟患者正畸问题能帮助口腔医师明确诊断，故CAROSSA等[24]基于下颌运动分析仪和相应机器人设备改进了仿生爪运动机器人，其高帧拍摄装置组成的光电子运动系统能通过人工视觉系统实现更高精度，克服了传统运动机器人耗时长等局限性，降低了机械容差，不仅能对特定空间位置进行量化，还可记录边界系统以外的功能运动。

正畸领域的关键技术之一是弓丝弯制，而机器人的位姿准确性及重复性可克服弓丝的高弹性、手工弯制效率低下等劣势。早前美国OraMetrix公司基于计算机辅助设计和计算机辅助制造设计了“SureSmile”全数字化系统，可使弓丝弯制的角度和曲达到高度精准，且可通过缩短治疗周期优化患者体验，使数字化在正畸领域取得里程碑式突破。2016年CAMARDELLA等[25]对虚拟设置与传统石膏模型进行了对比分析，结果显示，前者不仅具有同等准确度，还兼有数字储存能力、模型重复性等，验证了虚拟设置用于正畸领域的可能性和发展性。MÜLLER-HARTWICH等[26]根据SureSmile工序运用计算机辅助设计和计算机辅助制造定制弓丝，旨在实现诊疗规划与弓丝弯制的自定义化。有学者融合使用Insignia®系统和SureSmile®系统，通过加速牙齿移动以提高速率[27]。VAN DER MEER等[28]巧妙运用3D打印机，促进了正畸的三维数字化。

基于LABVIEW软件，张永德等[29]提出的交互调整方法具有一定的可行性和有效性。为尽可能地解决弓丝回弹现象，JIANG等[30]从应力-应变-中性层运动的角度切入，将提出的回弹计算模型用于机器人正畸弓丝弯曲系统，提高了弯制精度。有研究从患者上颌的三维节点信息出发，结合三维数字化表达，用贝赛尔曲线确定弓丝在三维空间中的方位、形态及牵制关系，促进了正畸工作的简单化[31]。此外，有研究通过分析温度调节验证了更可靠、省时的超弹性镍钛诺管形状设置用于机器人的可行性[32]。

由于口内视野较局限，理想的牙弓形状难以通过传统的正畸托槽获得。有学者基于Blender三维动画软件的二次开发技术，结合Asea Brown Boveri公司研发的工业机器人，设计了一款能计算牙位排列并交互式模拟正畸诊疗过程的机器人系统，为患者提供更理想的正畸托槽设计方案[33]。

市面上用于正畸固定固位的各类不锈钢丝也良莠不齐，为更好地评估对比其扭转载荷传递有学者用口腔机器人装置对8种形态、种类、大小各异的不锈钢丝进行了模拟测验，比对了相邻切牙的扭转载荷传递，实现了在体外比对不同导线对扭转载荷传递的影响[34]。此外，对于阻塞性睡眠呼吸暂停患者的正畸治疗，KASTOER等[35]通过对患者的睡眠研究，提出了在药物诱导睡眠内镜期间运用遥控下颌定位器机器人的可行性，有助于确定下颌骨的有效靶突位置。其控制装置接收软件的指令后，可反馈性地启动与口腔牙盘连接的步进电机。

4 智能机器人在口腔颌面外科治疗中的应用

4.1正颌手术 WOO等[36]开发了一种能协助外科医师重新定位骨段，以准确地将术前虚拟计划转移至术中阶段的手术辅助机器人，由一个6个自由度的手臂、一个机器人运动控制器、电脑三者构成，可更灵活、准确地帮助医师定位骨骼。GUI等[37]将工业机械臂与手术导航系统结合研制了一种用于正颌截骨术的机器人，可按手术规划自动完成截骨操作。由于颅颌面骨解剖外形不规则，传统正颌整复术常需截取一些特殊形状的骨质，使用骨锯很难做到外形精准。该研究成功建立了颅面手术导航机器人系统的理论原型，在全程可视的情况下完成了Le FortⅠ型截骨手术。

4.2颅面外科手术 SUN等[38]基于工业机器人平台进行模型试验，对下颌骨进行软件重建，设计了手术方案，将坐标数据输入机器人软件中，通过4个标记点计算矩阵转换轨迹，生成了机器人逆运动学的目标和坐标，为实现自动钻孔对模型进行了固定和标定，最后利用光学扫描仪对其精度进行了计算，安装和准备花费10 min，钻孔过程花费12 min，结果显示，在不受软组织干扰的情况下实现自动钻孔是可能的。随着人工智能和机器视觉的发展，机器人辅助手术可能帮助外科医师实现更多的颅面手术自动化程序。CHAO等[39]调查了在预编程方式下执行机器人截骨术的可行性和准确性，通过名为库卡的德国奥格斯堡手术机器人，在动态立体导航的帮助下，成功利用三维打印的腓骨瓣进行了截骨手术，然后使用高分辨率计算机断层摄影术将截骨节段与实际规划节段进行比较，测量出的线性和角度精度均证明了截骨术用于游离腓骨瓣下颌骨重建的可行性，并可能在技术的进展中进一步提高手术精度。WANG等[40]建立了一个名为“EasyImplant”的辅助系统，能更高效地为颅面缺陷患者设计个体化的多孔植入模型，通过镜像技术以健康侧为参照，获得有缺陷侧的初始植入模型，基于多种预先设置的算法调整和修复初始模型，优化多孔植入结构，有助于缩短植入物设计周期，有效降低发生手术感染的风险。

5 智能机器人在口腔医学其他领域的应用

5.1口腔医学教育 HÖHNE等[41]设计了具有真实龋病和牙髓腔的3D打印模拟牙，并于2018年召集47名牙科学生对其进行了去龋、盖髓等操作，操作结束后通过学生填写问卷评估3D打印牙齿的优越性，对3D打印牙齿的等级分为优秀(1分)、好(2分)、满意(3分)、足够(4分)、差(5分)等，结果显示，学生总体评分1.9分，触觉印象评分2.0分，锻炼评分1.5分，考试评分1.9分，高出标准模型牙齿评分1.5分。证明3D打印牙齿能帮助训练学生的临床前操作，有助于推进口腔教育领域的发展。

5.2儿童口腔医学 土耳其学者KASIMOGLU等[42]在儿童口腔治疗中引入了一种人形机器人，在4～10岁儿童中使用心理分心技术，以减少其在口腔治疗期间的焦虑并改善其行为。该团队将200名儿童随机分为2组，一组为有机器人陪伴(RG)，另一组无机器人陪伴(CG)。每组内有半数儿童接受局部麻醉(浸润麻醉)，半数儿童不给予局部麻醉。通过使用父母 Corah 牙科焦虑量表、面部图像量表、生理脉搏率、 Frankl 行为评定量表评估新的机器人分心技术的成功率，结果显示，CG组儿童治疗期间、治疗后测量的脉搏率，以及口腔治疗后面部图像量表评分均明显高于RG组，差异均有统计学意义(P<0.05)；且RG组儿童中88.3%表示希望机器人在下一次治疗期间能伴其左右。

6 小 结

随着科学技术飞速进步，智能机器人的应用和发展将在一定程度上引领口腔医学走向智能化、自动化。同时，随着研究的深入，口腔医疗机器人因其位姿准确性、重复性、高效性等优点被逐渐引入临床、教学和科研等领域，如上述的正畸诊疗、口腔修复、颌面外科手术等。目前，智能机器人在口腔医学领域的应用研究尚处在初步探索阶段，且相较于国外，国内对口腔智能机器人的研发水平还相对滞后，而越来越多的人注重口腔健康，市场需求日益增长，因此，其具有巨大的研发空间和市场潜力：(1)克服功能较为单一的问题，以应对复杂多变的临床问题，实现多功能化；(2)完善机器人控制理论和纳米机器人相关技术等实现异形结构和微型化。

然而，智能机器人并不是将口腔医师取而代之，而是作为一种工具辅助医师的诊疗工作。未来口腔医疗机器人将以更低的成本为医师和患者提供更便捷、更高效的医疗体验及更舒适的医疗环境，促进口腔医学的学科建设；同时，将大力推动口腔医学领域新一轮的技术革新与发展。