劉丹丹 趙文迪 牛菊 李迪 周澤瑛 張靜月 劉曉秋

吉林大學口腔醫(yī)院修復科，長春 130021

“Robot”一詞最早出現(xiàn)在20世紀二三十年代，由捷克作家卡雷爾卡佩克在他的劇本“羅薩姆的萬能機器人”中提出。目前國際上對機器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義，即“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)”[1]。

醫(yī)學中的機器人學是指多學科和廣泛的機器人科學在醫(yī)學中的應用科學，涵蓋了圖像處理、3D建模、計算機輔助設計、坐標測量和導航、運動規(guī)劃、人機界面、控制以及機構(gòu)設計和分析等技術(shù)，而醫(yī)學機器人就是其上述每個分支在醫(yī)學科學領域的應用[2]。這些機器人在手術(shù)、康復領域，動脈、腦和脊柱檢查，組織形變檢測和追蹤，血管介入等方面都有應用[3]。其中手術(shù)機器人已經(jīng)廣泛應用于泌尿科、婦科、骨科、胸廓、普通外科、心胸外科、頭頸外科等多種科室中[4]。目前臨床應用的手術(shù)機器人主要是美國直覺外科公司的達芬奇系列產(chǎn)品，如達芬奇Si、Xi、SP，而一些新興機器人系統(tǒng)如意大利Sofar公司的Telelap ALF-X系統(tǒng)、韓國的Revo-i系統(tǒng)、日本的Medicaroid系統(tǒng)則可能在未來有廣泛的應用前景[5-6]?？祻蜋C器人包括服務于盲人的輔助設備、假肢和矯形器、修復器和其他輔助系統(tǒng)，如智能輪椅等[3]。目前已經(jīng)有學者探討了機器人在口腔不同領域的開發(fā)利用，本文將對機器人在口腔修復、口腔種植、口腔正畸、口腔頜面外科、牙體牙髓病等領域的研發(fā)狀況進行綜述。

1 口腔修復學領域

在口腔修復中機器人主要用來進行牙體預備以及局部義齒和全口義齒的牙齒排列。

1.1 自動牙體預備機器人

口腔修復操作中的牙體預備需要去除牙齒齲壞的硬組織并形成預期牙齒形狀。在目前的臨床操作中主要有兩種硬組織去除方法：使用渦輪驅(qū)動的鉆頭進行研磨和使用激光進行消融[7]。目前學者們分別探討了機器人使用渦輪手機與激光進行牙體預備的效果。Otani等[8]對比了使用渦輪手機的機器人自動備牙系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工備牙在瓷貼面牙體預備過程中的精確度，發(fā)現(xiàn)二者的精確度相當，但機器人系統(tǒng)可通過使用數(shù)字牙印模系統(tǒng)掃描診斷蠟型，確定虛擬預備設計方案，最后再根據(jù)虛擬預備設計自動預備牙齒，從而更好地保護牙體結(jié)構(gòu)，同時也確保修復材料有適當空間。激光預備因為可減少疼痛、噪音和震動，而被認為更加安全和舒適，此外還有學者證明，當選擇合適的參數(shù)時，激光備牙在獲得有效牙體預備的同時也不會對基牙產(chǎn)生損傷。因此，Wang等[9]開發(fā)了一種名為LaserBot的微型機器人裝置，它可操縱飛秒激光束去除牙齒齲壞部分以實現(xiàn)臨床牙冠的預備，從而實現(xiàn)激光焦點的精確三維運動控制，并且體積小，方便用于狹窄的口腔工作空間。但是該設備的動速度、設備尺寸還有待繼續(xù)優(yōu)化。在此基礎上，北京大學口腔醫(yī)院的原福松課題組開發(fā)了世界首臺機器人自動化牙體預備系統(tǒng)，該系統(tǒng)將機器人自動化技術(shù)與飛秒激光技術(shù)結(jié)合，通過機器人自動控制飛秒激光束，嚴格按臨床醫(yī)學標準和規(guī)范，實現(xiàn)牙體預備的自主控制；此外該系統(tǒng)可與目前先進的口腔數(shù)字化義齒制作設備和3D打印設備結(jié)合，快速精確地完成義齒的修復治療[10]。

1.2 排牙機器人

傳統(tǒng)人工義齒制造的關(guān)鍵步驟就是排牙，且只有專業(yè)的牙醫(yī)和熟練的技術(shù)人員才能夠做好這項工作。為促進排牙的自動化，加拿大CRS機器人公司生產(chǎn)了具有6個自由度的單機械臂CRS機器人來制作全口義齒，在分析工作空間和模擬運動的基礎上，該系統(tǒng)在理論上可以滿足牙齒的排列要求。然而，義齒的形狀非常復雜，不易被單機械手精確地掌握和操縱；基于此種情況，有學者[11]研發(fā)了具有14個獨立的機械手，84自由度的排牙機器人，該機器人能在人工牙齒空間中實現(xiàn)任何姿勢，但是由于該系統(tǒng)的驅(qū)動電機的數(shù)量多達84個，因此實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的控制和運動學計算非常困難；為了解決這一問題，該課題組進一步研發(fā)了由14個獨立的機械手、1個牙弓發(fā)生器和1個滑道裝置組成的具有50自由度的排牙機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡單、靈活、易于控制，進行全口義齒的排牙只需30 min。盡管該排牙機器人系統(tǒng)的效率得到了極大地改善，但高成本和操作的復雜仍然是其獲得廣泛應用的主要障礙。

2 種植領域

近年來，隨著種植技術(shù)的不斷發(fā)展，種植已逐漸成為缺失牙修復的首選治療方案。種植過程中，植體的植入需要在頜骨上預備種植窩，此時，種植手機鉆頭的位置不當可能會導致嚴重的出血或神經(jīng)損傷等醫(yī)療事故。于是，Yu等[12]提出將倫納德-瓊斯勢場與立體視覺的機器人導航系統(tǒng)相結(jié)合，達到了與人的交互作用位置調(diào)整的要求，其3自由度機械手可實現(xiàn)“種植位點”的精準定位，當機械臂在遠離術(shù)區(qū)時，操作者可以自由操作機械手；在接近以及到達術(shù)區(qū)時，操作者將通過施加調(diào)整力以保證機械手準確地到達目的地以及避免在術(shù)區(qū)發(fā)生碰撞。

為了使患者在植牙過程中不受神經(jīng)損壞、嚴重出血等并發(fā)癥的傷害，消除醫(yī)師臨床經(jīng)驗不同帶來的操作差異，Yu等[13]又提出利用機器人觸覺鉆孔系統(tǒng)進行人工植牙術(shù)來模擬切削力的反饋，并對切削力和計算機斷層掃描值進行建模，該系統(tǒng)允許口腔醫(yī)學生學習和練習頜骨鉆孔的過程，也可幫助醫(yī)生在種植手術(shù)前預先感知切削力的反饋。

目前第一個商業(yè)化的牙科種植機器人系統(tǒng)，被命名為Yomi，由美國Neocis公司研發(fā)，并且已于2017年獲得了美國食品和藥物管理局的批準。該系統(tǒng)用于協(xié)助口腔醫(yī)生進行牙齒種植手術(shù)，能準確設置手術(shù)程序，為醫(yī)生提供手術(shù)器械的指導，給醫(yī)生提供可視化的界面以便準確控制手術(shù)方向；Yomi通過使用觸覺指導技術(shù)與多感官反饋，實現(xiàn)了微創(chuàng)治療，并且醫(yī)生可通過該系統(tǒng)的軟件隨時修改手術(shù)方案，使手術(shù)更為高效、便捷[14]。

2017年趙銥民教授及其團隊首次成功應用自主式口腔種植手術(shù)機器人為1名女性完成了2顆缺牙的種植即刻修復，該手術(shù)過程在1 h內(nèi)完成，牙冠戴入順利，咬合、美觀及穩(wěn)定性均達到預期效果。

3 正畸領域

目前正畸領域的機器人可用來進行臨床診斷、擬定治療計劃、定制矯正設備等，但應用最多的方面還是弓絲彎制。如Suresmile弓絲彎曲機器人利用一種全新的成像系統(tǒng)，通過三維成像和計算機技術(shù)進行診斷，給出治療計劃，并定制牙齒矯正裝置，該系統(tǒng)可以預先模擬治療過程，預覽不同的治療方案；吉爾伯特建立了多種設備輔助正畸治療，如一種舌側(cè)弓線制造和輔助設計系統(tǒng)（LAMDA），但該系統(tǒng)只能在XY平面上實現(xiàn)運動而不能用于閉環(huán)彎曲弓絲；還有一種是笛卡爾式弓絲彎曲機器人，由弓絲的基座、旋轉(zhuǎn)式機器、供給系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)、彎曲模具和弓絲彎曲機構(gòu)組成[15]。

Deng等[16]也設計了一種多功能正畸弓絲彎曲機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自主擬定弓絲參數(shù)的方案，并采用彎曲控制策略消除彎曲過程中弓絲的回彈效應和彎曲點偏移。

Xia等[17]開發(fā)的具有ROS集成控制系統(tǒng)的新型正畸弓絲彎曲機器人，因其硬件和軟件系統(tǒng)進行了模塊化設計，所以在用于自動弓絲彎曲時更靈活和便利。

但是上述機器人仍然處于模擬和物理實驗驗證階段，尚未應用于臨床中。

4 在口腔頜面外科領域

在進行骨性游離皮瓣重建的手術(shù)中，為減少源于臨床醫(yī)生的人為誤差，Chao等[18]發(fā)起了一項研究，在計算機輔助設計（computer aided design，CAD）平臺上設計了游離腓骨瓣的制取方案，然后將這種虛擬手術(shù)計劃數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆炜ㄝp量級機器人中，借助動態(tài)立體定位導航在3D打印的腓骨瓣上執(zhí)行截骨術(shù)，這項臨床前研究證明了預編程機器人用于游離腓骨瓣制備和下頜骨重建的可行性，初步證實該方法具有高度的線性和角度精度，可能在進一步提高手術(shù)準確性方面具有實用性。

Woo等[19]開發(fā)了一種用于正頜手術(shù)的機器人輔助系統(tǒng)，用于頜骨重新定位，將其與正頜外科手術(shù)導航系統(tǒng)結(jié)合，以克服一些術(shù)者的人體局限性，如靈活性有限、震顫和疲勞等。未來的研究方向是優(yōu)化該機器人系統(tǒng)的軟件和增強硬件安全性，并且將其應用于需要正頜手術(shù)的患者。

5 牙體牙髓領域

根管治療是牙體牙髓病中治療感染牙齒最常用的治療方法，但根管治療過程費時，且治療效果大部分依賴于醫(yī)生的臨床技能。在根管治療過程中，可能會有人為因素導致的側(cè)穿、過度預備等情況發(fā)生。為了提高牙髓治療的質(zhì)量和效率，有學者研發(fā)建立了牙髓微型機器人治療系統(tǒng)，以實現(xiàn)傳統(tǒng)治療的現(xiàn)代化。

Endo micro robo系統(tǒng)可減少醫(yī)生的誤差并且保證了根管治療的可靠性。其首先通過計算機圖像和牙齒模型、CAD程序來評估牙齒狀況；再使用研發(fā)的智能多功能微機器，執(zhí)行機器控制根管治療的過程；最后啟用超聲波清洗裝置，去除根管內(nèi)碎屑[20]。

美國哥倫比亞大學Hong教授開發(fā)了一個能夠自動進行牙髓治療的智能微型機器人，操作時將這臺機器固定在患者口腔內(nèi)的幾顆牙齒上，通過在線監(jiān)測和智能控制，微型機器人將自動執(zhí)行根管治療的所有步驟，牙醫(yī)可以通過評估治療期間3D牙齒模型顯示的幾何形狀來檢查根管預備進展[21]。雖然牙髓微型機器人的發(fā)展將改變傳統(tǒng)的根管治療方式，并帶來諸多益處，但它的價格非常昂貴，需要降低成本實現(xiàn)市場化和臨床應用。

為了使學習者能有效學習根管治療程序，且不會對患者造成傷害，Toosi等[22]研制了一種用于根管治療程序的觸覺虛擬現(xiàn)實模擬器，該模擬器允許操作員使用Phantom觸覺機器人對釉質(zhì)和牙本質(zhì)進行鉆孔直至到達髓腔，然后使用模擬K銼清潔根管內(nèi)壁。

6 牙科機器人患者

牙科治療的療效通常取決于臨床醫(yī)生的操作技能，仿真頭模能輔助訓練口腔醫(yī)學生的臨床操作能力，但是目前的仿真頭模只是由簡單的功能性頭部區(qū)域和牙齒排列組成，與真實患者有差距。因此，提出了牙科機器人患者的概念。Simroid系統(tǒng)由日本齒科大學研發(fā)，基于機器人的交互式牙科培訓患者模擬系統(tǒng)，由具有真實的外觀和反應的人形機器人組成。Abe等[23]通過臨床試驗驗證了Simroid系統(tǒng)的臨床效應，結(jié)果顯示Simroid系統(tǒng)在模擬醫(yī)患溝通和評估治療態(tài)度和臨床技能等方面都具有優(yōu)勢。

7 其他方面

7.1 仿生咀嚼機器人

為了模擬咀嚼功能，完成治療和修復后牙齒咀嚼效率的測試，有學者[24]開發(fā)了咀嚼機器人來執(zhí)行某些確定的咀嚼功能。Wen等[25]研發(fā)了冗余驅(qū)動的仿生咀嚼機器人，能夠重現(xiàn)人類下頜骨的運動，它在牙科組件和材料的性能測試領域中具有潛在的應用價值。

7.2 體外刷牙機器人

對于不同的手動和電動牙刷來說，體外牙齒清潔效能的評估已成為臨床試驗的一個真正的替代方法。Lang等[26]研發(fā)的六軸機器人可以用來評估在不同設計的牙刷和刷牙動作下牙菌斑控制和清潔功效的不同。

7.3 自動牙齒清潔機器人

由于上肢殘疾或肌肉無力，許多老年人或殘疾人不能獨立完成刷牙。為了解決這些老人和殘疾人的口腔清潔問題，Sakaeda等[27]設計研發(fā)了一種自動牙齒清潔機器人，該系統(tǒng)包含偏心凸輪機構(gòu)、刮水器導向裝置和帶力傳感器的安全系統(tǒng)，在測試過程中，機器人系統(tǒng)能夠正常運行。

7.4 口腔康復機器人

早稻田和朝日大學聯(lián)合研發(fā)了一種口腔康復機器人，旨在為頜面部損傷的患者和老年人提供適當?shù)陌茨χ委?，研究[28]證實了用口腔康復機器人進行按摩治療的安全性，但該機器人只能按摩雙側(cè)咬肌和顳肌，在未來的研究中還有待優(yōu)化。

7.5 納米機器人

納米機器人是以納米尺寸組件或分子組件構(gòu)建的納米尺寸的微型器件，并根據(jù)計算機的指導執(zhí)行任務，應用可能包括局部麻醉、牙列重建、超敏反應的永久治愈、一次性完成矯正調(diào)整及使用機械潔牙機持續(xù)維護口腔健康，牙科納米機器人還可用來去除齲齒的腐質(zhì)，或修復因齲壞導致的牙體缺損[29]。

綜上所述，機器人技術(shù)的開發(fā)需研究者具備多學科的工程背景，還要對機器人學有全面的了解。因此，為開發(fā)醫(yī)學機器人設計和操作的關(guān)鍵技術(shù)，將機器人與醫(yī)學、生物力學、機器理論、材料科學、數(shù)學、計算機技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合起來是非常必要的。機器人技術(shù)可提高口腔治療的準確性、可預測性、安全性、護理質(zhì)量和治療速度。目前機器人技術(shù)在口腔臨床中主要可用于根管治療、牙體預備、排牙、種植手術(shù)等方面，但尚處于研發(fā)臨床試驗階段，未正式應用到臨床中。而且目前研發(fā)的機器人在口腔醫(yī)學臨床中只是作為輔助操作系統(tǒng)，智能化程度較低，它們的操作者要求是受過專業(yè)訓練和經(jīng)驗豐富的人員。此外，口腔中還有一些重復性高且費時的操作，如牙周基礎治療、正畸粘接托槽、弓絲加力及修復和牙體中的取斷樁與斷針等，尚缺乏機器人技術(shù)的應用，未來該技術(shù)可能在上述方面具有廣闊前景。醫(yī)學機器人的應用必須嚴格遵守倫理學準則。如果口腔機器人技術(shù)得以合理應用，它有可能在短期內(nèi)改變?nèi)藗兊目谇活M面部健康狀況，且這項技術(shù)將提高全球口腔臨床患者的社會福祉。

未來，機器人的開發(fā)將更集中于微創(chuàng)、高精度以及實時反饋等方面。在確?；颊甙踩耐瑫r，引入更加有效的系統(tǒng)，來適配更多樣化的設備。隨著人工智能在臨床醫(yī)學中的應用，機器人手術(shù)系統(tǒng)的功能將更加完善，最終實現(xiàn)向自動化機器人手術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。