陳昱江 綜述，萬海因，王露苓，高 寧，余林蔚，劉 英,2△ 審校

(1.川北醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)系，四川 南充 637000；2.川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院口腔科，四川 南充 637000)

醫(yī)療機(jī)器人通過感知、計(jì)算、運(yùn)動能輔助或自主地完成高難度臨床手術(shù)操作，具有微創(chuàng)、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，為患者提供了更舒適的診療體驗(yàn)。自“達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人”[1]問世以來，其在臨床手術(shù)中應(yīng)用所展現(xiàn)的優(yōu)勢遠(yuǎn)超過往，使人工智能與臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)合成為可能。

迄今為止，口腔醫(yī)療智能化成為未來口腔與科技融合發(fā)展的一個(gè)全新方向。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展受到社會廣泛關(guān)注，越來越多的口腔醫(yī)學(xué)工作者為拓展科技與臨床結(jié)合的成果，不斷設(shè)計(jì)開發(fā)出新的、更便捷的口腔治療機(jī)器人，涉及口腔正畸、口腔內(nèi)科、口腔修復(fù)、口腔頜面外科等方面?，F(xiàn)將智能機(jī)器人在口腔醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述如下。

1 智能機(jī)器人在牙體牙髓治療中的應(yīng)用

根管治療時(shí)由于根管結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素可能導(dǎo)致根管側(cè)穿、過度預(yù)備等問題。因此，對臨床醫(yī)師而言，根管治療具有一定的挑戰(zhàn)性和風(fēng)險(xiǎn)性。近年來，人工智能技術(shù)因其高度精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性、有效性，在探測根尖周病變、冠根骨折等方面的應(yīng)用研究逐漸深入[2]。TOOSI等[3]建立的Omni Phantom機(jī)器人擁有觸覺虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器，可以基于圖形和觸覺交互式模擬根管治療，尤其是模擬k銼清潔根管內(nèi)表面的過程不僅促進(jìn)了根管治療過程的可視化，還可降低患者的診療風(fēng)險(xiǎn)。2020年莫斯科學(xué)者對基于KUKA LBR4+的工業(yè)運(yùn)動學(xué)機(jī)械手的口腔試驗(yàn)進(jìn)行了報(bào)道，一方面，該設(shè)備被視為一個(gè)連續(xù)連接的運(yùn)動體結(jié)構(gòu)，可允許誤差為±0.05 mm，能實(shí)現(xiàn)7個(gè)自由度的控制，結(jié)果顯示，其在手術(shù)過程中保持工作儀器的特定運(yùn)動速度更精確(4倍)，偏離規(guī)范化的軌跡優(yōu)于人類操作者的3.3倍；另一方面，在數(shù)控控制器的協(xié)助下，根管微型機(jī)器人對器械可施加的推力達(dá)4.9 N，并以5個(gè)自由度移動根管器械，可降低人為因素對根管治療的干擾[4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者也在致力于研發(fā)新型口腔治療機(jī)器人，結(jié)合了導(dǎo)航設(shè)備、力傳感器等，能替換臂端的工作器械，如制備齲洞的高速轉(zhuǎn)頭、根管治療時(shí)種類繁多的針和銼，旨在提高根管治療的質(zhì)量。

由多種細(xì)菌構(gòu)成的牙菌斑不僅能形成牙結(jié)石影響牙外在美觀，還易引發(fā)口臭、牙周病等問題。對牙菌斑的清潔方式，GRISCHKE 等[5]證實(shí)了應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)比臨床刷牙效果好、效率高。同時(shí)，已有團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款六軸機(jī)器人[6]，可自動模擬清潔菌斑程序，具有顯著的個(gè)體特異性和位點(diǎn)針對性。鑒于根管內(nèi)生物膜較難介入和清潔，HWANG等[7]研發(fā)了具有磁催化功能的抗菌機(jī)器人，可按設(shè)定的路徑進(jìn)行根管預(yù)備，利用磁力驅(qū)動和納米技術(shù)，應(yīng)用氧化鐵納米顆粒消滅細(xì)菌和破壞生物膜，并降解膜碎片，旨在徹底根除生物膜，防止其再生感染。此外，HWANG等[7]還探討了這些系統(tǒng)的其他應(yīng)用，如預(yù)防齲病或種植體周圍感染等。

2 智能機(jī)器人在口腔修復(fù)治療中的應(yīng)用

近年來，機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用在口腔修復(fù)領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展，主要包括牙體預(yù)備、全口義齒排牙、修復(fù)種植和咀嚼機(jī)器人。

2.1牙體預(yù)備 隨著數(shù)字化印模技術(shù)的不斷革新，牙體預(yù)備成為口腔修復(fù)治療的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)牙體預(yù)備方法要求醫(yī)師在狹小的口內(nèi)空間，僅憑個(gè)人臨床經(jīng)驗(yàn)徒手目測備牙，無法克服人工預(yù)備體“量與型”的隨機(jī)性[8]，難以達(dá)到理想的預(yù)備效果。因此，一方面，BELLO[9]運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)控路由器和真空工作臺成功改造并完成了體外全冠牙體預(yù)備，一定程度上提高了牙體預(yù)備的精確度和穩(wěn)定性，但在投入實(shí)際應(yīng)用前，尚需進(jìn)一步探索該設(shè)備在人體生理環(huán)境的適應(yīng)性和患者接受度；另一方面，自2016年YUAN等[10]將機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出世界首臺機(jī)器人自動化牙體預(yù)備系統(tǒng)以來，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，飛秒激光束的斷光延遲會影響備牙錐度，并由此提出了機(jī)械自動控制高功率飛秒激光束提高備牙準(zhǔn)確性的新途徑[11]，為患者帶來更舒適、安全的診療體驗(yàn)。

2.2全口義齒排牙 全口義齒是無牙患者的主要修復(fù)方式，但傳統(tǒng)手工排牙不僅要求醫(yī)師具備精湛的技術(shù)水平，而且耗時(shí)長、誤差大，很難獲得良好的咬合關(guān)系。21世紀(jì)以來，有關(guān)排牙機(jī)器人的研究已日臻成熟。國內(nèi)學(xué)者LYU等[12]和ZHANG等[13]已先后構(gòu)建并改進(jìn)了6個(gè)自由度機(jī)器人全口義齒人工牙列制作系統(tǒng)和50個(gè)自由度自動排牙機(jī)器人，取代了傳統(tǒng)人工制作牙弓技術(shù)，提出了將牙弓發(fā)生器整合在多操作機(jī)排牙機(jī)器人的思路，進(jìn)而顯著提高了排牙效率，并在此基礎(chǔ)上采用Pro/E軟件設(shè)計(jì)出具有7個(gè)自由度的SCARA型排牙機(jī)器人[14]，進(jìn)一步提高了排牙精度。該系統(tǒng)由牙庫、精雕油泥排列區(qū)域和機(jī)器人本體組成，本體包括Z軸升降臺、大臂、小臂、腕部關(guān)節(jié)和末端手爪，體積小，性能強(qiáng)，有效降低了傳統(tǒng)備牙因醫(yī)師個(gè)人水平和狀態(tài)等可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。但目前因缺乏針對系統(tǒng)穩(wěn)定性控制等方面的深入研究，該系統(tǒng)仍處于概念設(shè)計(jì)階段。

2.3種植修復(fù) 近年來，種植修復(fù)因其咀嚼效率高、舒適度好等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為牙列缺損的首選治療方式。目前，人工智能在口腔種植修復(fù)領(lǐng)域的探索實(shí)踐主要集中于提升種植體植入的精確性[15]。RAWAL等[16]指出，機(jī)器人輔助牙科手術(shù)在種植治療過程中可兼顧視覺和觸覺指導(dǎo)，可能是一種新型的動態(tài)外科指導(dǎo)方式。CHENG等[17]關(guān)于人-機(jī)器人協(xié)同種植系統(tǒng)的研究結(jié)果已初步驗(yàn)證該系統(tǒng)精確導(dǎo)航的可行性，借助虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)下頜骨三維重建，利用3D打印制作的定位裝置預(yù)估種植體位置，在模擬規(guī)劃鉆井軌跡后最終使用人-機(jī)器人協(xié)同種植系統(tǒng)完成鉆井過程。ZHAO等[18]提出的虛擬約束方法具有確定運(yùn)動軸、投影構(gòu)型差異和推導(dǎo)運(yùn)動控制比3個(gè)核心步驟，可模擬種植過程中的多個(gè)環(huán)節(jié)，并使輸出力穩(wěn)定、連續(xù)以提升人工種植的修復(fù)效果，但該研究以仿真頭模為研究對象，尚未提及臨床試驗(yàn)中的療效。此外，在制備口腔種植窩洞時(shí)，基于機(jī)器人自動控制超短脈沖激光可通過優(yōu)化數(shù)控激光的切削參數(shù)，在非接觸下實(shí)現(xiàn)切削過程的精確控制[19]。從而有望幫助口腔醫(yī)師提升種植備洞的效率和質(zhì)量，減少椅旁操作時(shí)間，優(yōu)化患者治療體驗(yàn)。有學(xué)者在融合種植準(zhǔn)確性和安全性基礎(chǔ)上，提出了混合機(jī)器人的概念，并在幻象實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混合機(jī)器人的優(yōu)異性能[20]。而自主牙科植入機(jī)器人系統(tǒng)在體內(nèi)的準(zhǔn)確性也在動物實(shí)驗(yàn)中得以證實(shí)[21]，為后續(xù)臨床試驗(yàn)提供了動物實(shí)驗(yàn)支撐。

2.4咀嚼機(jī)器人 在口腔修復(fù)治療中不同材料修復(fù)體的壽命由于磨損和腐蝕而不同程度地縮短。因此，預(yù)先檢驗(yàn)修復(fù)材料的性能在臨床應(yīng)用中具有重要意義。咀嚼機(jī)器人因可模擬人類咀嚼運(yùn)動而成為研究熱點(diǎn)，在修復(fù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2018年REN等[22]開發(fā)的智能機(jī)器人由動力系統(tǒng)、智能控制和驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，利用7個(gè)壓力傳感器測試單個(gè)人工牙受力情況。TAHIR等[23]將Stewart平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于力控回路，研制出一款新型模擬咀嚼模擬器，可量化種植體和下頜骨之間的負(fù)荷分布，進(jìn)而更客觀地評估修復(fù)材料的性能，為修復(fù)材料的選擇提供了參考依據(jù)。

3 智能機(jī)器人在口腔正畸治療中的應(yīng)用

準(zhǔn)確地再現(xiàn)并記錄患者下頜功能運(yùn)動從而模擬患者正畸問題能幫助口腔醫(yī)師明確診斷，故CAROSSA等[24]基于下頜運(yùn)動分析儀和相應(yīng)機(jī)器人設(shè)備改進(jìn)了仿生爪運(yùn)動機(jī)器人，其高幀拍攝裝置組成的光電子運(yùn)動系統(tǒng)能通過人工視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度，克服了傳統(tǒng)運(yùn)動機(jī)器人耗時(shí)長等局限性，降低了機(jī)械容差，不僅能對特定空間位置進(jìn)行量化，還可記錄邊界系統(tǒng)以外的功能運(yùn)動。

正畸領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一是弓絲彎制，而機(jī)器人的位姿準(zhǔn)確性及重復(fù)性可克服弓絲的高彈性、手工彎制效率低下等劣勢。早前美國OraMetrix公司基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造設(shè)計(jì)了“SureSmile”全數(shù)字化系統(tǒng)，可使弓絲彎制的角度和曲達(dá)到高度精準(zhǔn)，且可通過縮短治療周期優(yōu)化患者體驗(yàn)，使數(shù)字化在正畸領(lǐng)域取得里程碑式突破。2016年CAMARDELLA等[25]對虛擬設(shè)置與傳統(tǒng)石膏模型進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示，前者不僅具有同等準(zhǔn)確度，還兼有數(shù)字儲存能力、模型重復(fù)性等，驗(yàn)證了虛擬設(shè)置用于正畸領(lǐng)域的可能性和發(fā)展性。MüLLER-HARTWICH等[26]根據(jù)SureSmile工序運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造定制弓絲，旨在實(shí)現(xiàn)診療規(guī)劃與弓絲彎制的自定義化。有學(xué)者融合使用Insignia?系統(tǒng)和SureSmile?系統(tǒng)，通過加速牙齒移動以提高速率[27]。VAN DER MEER等[28]巧妙運(yùn)用3D打印機(jī)，促進(jìn)了正畸的三維數(shù)字化。

基于LABVIEW軟件，張永德等[29]提出的交互調(diào)整方法具有一定的可行性和有效性。為盡可能地解決弓絲回彈現(xiàn)象，JIANG等[30]從應(yīng)力-應(yīng)變-中性層運(yùn)動的角度切入，將提出的回彈計(jì)算模型用于機(jī)器人正畸弓絲彎曲系統(tǒng)，提高了彎制精度。有研究從患者上頜的三維節(jié)點(diǎn)信息出發(fā)，結(jié)合三維數(shù)字化表達(dá)，用貝賽爾曲線確定弓絲在三維空間中的方位、形態(tài)及牽制關(guān)系，促進(jìn)了正畸工作的簡單化[31]。此外，有研究通過分析溫度調(diào)節(jié)驗(yàn)證了更可靠、省時(shí)的超彈性鎳鈦諾管形狀設(shè)置用于機(jī)器人的可行性[32]。

由于口內(nèi)視野較局限，理想的牙弓形狀難以通過傳統(tǒng)的正畸托槽獲得。有學(xué)者基于Blender三維動畫軟件的二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合Asea Brown Boveri公司研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一款能計(jì)算牙位排列并交互式模擬正畸診療過程的機(jī)器人系統(tǒng)，為患者提供更理想的正畸托槽設(shè)計(jì)方案[33]。

市面上用于正畸固定固位的各類不銹鋼絲也良莠不齊，為更好地評估對比其扭轉(zhuǎn)載荷傳遞有學(xué)者用口腔機(jī)器人裝置對8種形態(tài)、種類、大小各異的不銹鋼絲進(jìn)行了模擬測驗(yàn)，比對了相鄰切牙的扭轉(zhuǎn)載荷傳遞，實(shí)現(xiàn)了在體外比對不同導(dǎo)線對扭轉(zhuǎn)載荷傳遞的影響[34]。此外，對于阻塞性睡眠呼吸暫停患者的正畸治療，KASTOER等[35]通過對患者的睡眠研究，提出了在藥物誘導(dǎo)睡眠內(nèi)鏡期間運(yùn)用遙控下頜定位器機(jī)器人的可行性，有助于確定下頜骨的有效靶突位置。其控制裝置接收軟件的指令后，可反饋性地啟動與口腔牙盤連接的步進(jìn)電機(jī)。

4 智能機(jī)器人在口腔頜面外科治療中的應(yīng)用

4.1正頜手術(shù) WOO等[36]開發(fā)了一種能協(xié)助外科醫(yī)師重新定位骨段，以準(zhǔn)確地將術(shù)前虛擬計(jì)劃轉(zhuǎn)移至術(shù)中階段的手術(shù)輔助機(jī)器人，由一個(gè)6個(gè)自由度的手臂、一個(gè)機(jī)器人運(yùn)動控制器、電腦三者構(gòu)成，可更靈活、準(zhǔn)確地幫助醫(yī)師定位骨骼。GUI等[37]將工業(yè)機(jī)械臂與手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合研制了一種用于正頜截骨術(shù)的機(jī)器人，可按手術(shù)規(guī)劃自動完成截骨操作。由于顱頜面骨解剖外形不規(guī)則，傳統(tǒng)正頜整復(fù)術(shù)常需截取一些特殊形狀的骨質(zhì)，使用骨鋸很難做到外形精準(zhǔn)。該研究成功建立了顱面手術(shù)導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)的理論原型，在全程可視的情況下完成了Le FortⅠ型截骨手術(shù)。

4.2顱面外科手術(shù) SUN等[38]基于工業(yè)機(jī)器人平臺進(jìn)行模型試驗(yàn)，對下頜骨進(jìn)行軟件重建，設(shè)計(jì)了手術(shù)方案，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入機(jī)器人軟件中，通過4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)計(jì)算矩陣轉(zhuǎn)換軌跡，生成了機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的目標(biāo)和坐標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)自動鉆孔對模型進(jìn)行了固定和標(biāo)定，最后利用光學(xué)掃描儀對其精度進(jìn)行了計(jì)算，安裝和準(zhǔn)備花費(fèi)10 min，鉆孔過程花費(fèi)12 min，結(jié)果顯示，在不受軟組織干擾的情況下實(shí)現(xiàn)自動鉆孔是可能的。隨著人工智能和機(jī)器視覺的發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)可能幫助外科醫(yī)師實(shí)現(xiàn)更多的顱面手術(shù)自動化程序。CHAO等[39]調(diào)查了在預(yù)編程方式下執(zhí)行機(jī)器人截骨術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，通過名為庫卡的德國奧格斯堡手術(shù)機(jī)器人，在動態(tài)立體導(dǎo)航的幫助下，成功利用三維打印的腓骨瓣進(jìn)行了截骨手術(shù)，然后使用高分辨率計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)將截骨節(jié)段與實(shí)際規(guī)劃節(jié)段進(jìn)行比較，測量出的線性和角度精度均證明了截骨術(shù)用于游離腓骨瓣下頜骨重建的可行性，并可能在技術(shù)的進(jìn)展中進(jìn)一步提高手術(shù)精度。WANG等[40]建立了一個(gè)名為“EasyImplant”的輔助系統(tǒng)，能更高效地為顱面缺陷患者設(shè)計(jì)個(gè)體化的多孔植入模型，通過鏡像技術(shù)以健康側(cè)為參照，獲得有缺陷側(cè)的初始植入模型，基于多種預(yù)先設(shè)置的算法調(diào)整和修復(fù)初始模型，優(yōu)化多孔植入結(jié)構(gòu)，有助于縮短植入物設(shè)計(jì)周期，有效降低發(fā)生手術(shù)感染的風(fēng)險(xiǎn)。

5 智能機(jī)器人在口腔醫(yī)學(xué)其他領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1口腔醫(yī)學(xué)教育 H?HNE等[41]設(shè)計(jì)了具有真實(shí)齲病和牙髓腔的3D打印模擬牙，并于2018年召集47名牙科學(xué)生對其進(jìn)行了去齲、蓋髓等操作，操作結(jié)束后通過學(xué)生填寫問卷評估3D打印牙齒的優(yōu)越性，對3D打印牙齒的等級分為優(yōu)秀(1分)、好(2分)、滿意(3分)、足夠(4分)、差(5分)等，結(jié)果顯示，學(xué)生總體評分1.9分，觸覺印象評分2.0分，鍛煉評分1.5分，考試評分1.9分，高出標(biāo)準(zhǔn)模型牙齒評分1.5分。證明3D打印牙齒能幫助訓(xùn)練學(xué)生的臨床前操作，有助于推進(jìn)口腔教育領(lǐng)域的發(fā)展。

5.2兒童口腔醫(yī)學(xué) 土耳其學(xué)者KASIMOGLU等[42]在兒童口腔治療中引入了一種人形機(jī)器人，在4～10歲兒童中使用心理分心技術(shù)，以減少其在口腔治療期間的焦慮并改善其行為。該團(tuán)隊(duì)將200名兒童隨機(jī)分為2組，一組為有機(jī)器人陪伴(RG)，另一組無機(jī)器人陪伴(CG)。每組內(nèi)有半數(shù)兒童接受局部麻醉(浸潤麻醉)，半數(shù)兒童不給予局部麻醉。通過使用父母 Corah 牙科焦慮量表、面部圖像量表、生理脈搏率、 Frankl 行為評定量表評估新的機(jī)器人分心技術(shù)的成功率，結(jié)果顯示，CG組兒童治療期間、治療后測量的脈搏率，以及口腔治療后面部圖像量表評分均明顯高于RG組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；且RG組兒童中88.3%表示希望機(jī)器人在下一次治療期間能伴其左右。

6 小 結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)飛速進(jìn)步，智能機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展將在一定程度上引領(lǐng)口腔醫(yī)學(xué)走向智能化、自動化。同時(shí)，隨著研究的深入，口腔醫(yī)療機(jī)器人因其位姿準(zhǔn)確性、重復(fù)性、高效性等優(yōu)點(diǎn)被逐漸引入臨床、教學(xué)和科研等領(lǐng)域，如上述的正畸診療、口腔修復(fù)、頜面外科手術(shù)等。目前，智能機(jī)器人在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處在初步探索階段，且相較于國外，國內(nèi)對口腔智能機(jī)器人的研發(fā)水平還相對滯后，而越來越多的人注重口腔健康，市場需求日益增長，因此，其具有巨大的研發(fā)空間和市場潛力：(1)克服功能較為單一的問題，以應(yīng)對復(fù)雜多變的臨床問題，實(shí)現(xiàn)多功能化；(2)完善機(jī)器人控制理論和納米機(jī)器人相關(guān)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)和微型化。

然而，智能機(jī)器人并不是將口腔醫(yī)師取而代之，而是作為一種工具輔助醫(yī)師的診療工作。未來口腔醫(yī)療機(jī)器人將以更低的成本為醫(yī)師和患者提供更便捷、更高效的醫(yī)療體驗(yàn)及更舒適的醫(yī)療環(huán)境，促進(jìn)口腔醫(yī)學(xué)的學(xué)科建設(shè)；同時(shí)，將大力推動口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新一輪的技術(shù)革新與發(fā)展。