陳圓圓 尼加提·吐爾遜

新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院口腔科,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830063

機(jī)器人被定義為“感知與行動之間的智能連接”[1],最早出現(xiàn)在20世紀(jì)二三十年代。醫(yī)學(xué)機(jī)器人可以被看作是人類眼睛和手功能的擴(kuò)展,能夠代替我們?nèi)?zhí)行許多無法完成且較精細(xì)的動作,以彌補(bǔ)在人類醫(yī)療操作過程中的不足和缺憾[2]。近年來,我們也在不斷地探索醫(yī)學(xué)機(jī)器人這類技術(shù),使用機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)已成為手術(shù)治療的一個重要發(fā)展方向[3]?，F(xiàn)如今,隨著醫(yī)療機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,口腔醫(yī)學(xué)中機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用也變得日趨成熟,在種植手術(shù)領(lǐng)域內(nèi)也逐漸出現(xiàn)使用機(jī)器人進(jìn)行種植牙的研究。種植機(jī)器人的智能化、精準(zhǔn)高效及微創(chuàng)安全等特性在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。下面將對口腔種植機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢展開論述,希望能夠?yàn)槭袌鑫磥淼陌l(fā)展帶來一些啟發(fā)。

1 口腔種植術(shù)概況

在1965年,自德國Branemark博士植入第一顆種植牙齒起,世界各國就開展了種植牙臨床的應(yīng)用與科研。經(jīng)過多年的發(fā)展,種植手術(shù)也逐漸數(shù)字化、現(xiàn)代化[4]。種植體植入的成功治療和康復(fù)效果在很大程度上取決于種植體在頜骨內(nèi)放置的位置、角度、深度[5-6]。為了減少植體的定位誤差,我們會在口腔種植手術(shù)中使用種植導(dǎo)板技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù),并成功按術(shù)前規(guī)劃的最佳方向和深度將種植體植入窩洞[7],使得整個手術(shù)過程完全處于實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控之下,對于降低手術(shù)創(chuàng)傷、優(yōu)化種植路徑、提升手術(shù)安全性等都具有非常重要的意義。但是,在種植手術(shù)中最關(guān)鍵的種植窩洞制備仍是依靠醫(yī)生手工完成[8],醫(yī)生的手術(shù)技巧以及種植手機(jī)工作時(shí)引起的手部震顫,會對種植的精度產(chǎn)生負(fù)面影響[9]。另一方面,由于口腔空間狹小以及軟硬組織對視線的阻擋,尤其是在缺失后牙時(shí),開口的限制可能會造成尷尬的工作位置,從而潛在地導(dǎo)致手術(shù)操作者疲勞和人為失誤的可能性,更會給患者帶來不好的就診體驗(yàn)[10]。因此,為了盡可能排除人工主觀因素對種植精度的影響,研究者們開始將目光投向機(jī)器人技術(shù),并構(gòu)建了一些可用于口腔種植領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng),機(jī)器人手術(shù)在輔助牙種植過程中具有持續(xù)的精度、更高的穩(wěn)定性、更高的效率和更大的靈活性,這是一項(xiàng)極具有顛覆性的技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者們也取得了一些初步的成果。

2 口腔種植機(jī)器人的應(yīng)用研究發(fā)展與現(xiàn)狀

最早在2002年,Boesecke等學(xué)者[11]構(gòu)建了第一個引導(dǎo)牙種植體植入的機(jī)器人。這項(xiàng)研究中提出機(jī)器人系統(tǒng)的工作區(qū)域范圍約為70cm,在種植手術(shù)過程中執(zhí)行種植鉆孔指導(dǎo),最后將48枚種植體放置在根尖邊界1～2mm內(nèi)。2006年,Pires等[12]研究學(xué)者經(jīng)過探索種植體著床的方向、位移、直徑對種植體及其周圍頜骨應(yīng)力的影響作用,從而建立了一個主要由機(jī)械工業(yè)臂、應(yīng)力/應(yīng)變測量儀、力矩/力感應(yīng)器、數(shù)據(jù)采集板等所構(gòu)成的口腔種植機(jī)器人裝置,并通過探索種植體最佳的位置和種植體的數(shù)量,希望能夠獲得最佳的植入修復(fù)設(shè)計(jì),以便應(yīng)用于進(jìn)行植入窩孔的制備設(shè)計(jì)和種植體的植入。2012年,一種具有6個自由度(DOF)的自主機(jī)器人系統(tǒng)被提出,基于使用一種體積分解的程序,在下頜模型中放置了一個根狀種植體[13]。隨后,一個帶有立體攝像機(jī)的3-DOF機(jī)器人系統(tǒng)被開發(fā)出來,能夠檢測和調(diào)整種植手機(jī),根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)以確保種植體放置的位置[14]。

2017年,牙種植機(jī)器人YOMITM(Neocis Inc,Miami,FL,USA)系統(tǒng)成為世界上第一個由FDA(美國食品和藥物管理局)批準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng),可以協(xié)助口腔醫(yī)生進(jìn)行口腔植體植入手術(shù),通過提供可視化界面以及手術(shù)器械指導(dǎo)來提高臨床手術(shù)的準(zhǔn)確性[15]。YOMITM機(jī)器人是通過結(jié)合坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)系統(tǒng)獲得種植位姿,但采用了固定口內(nèi)夾板的形式,方便安裝與更換[16]。該系統(tǒng)應(yīng)用多感官振動反饋提供高預(yù)見性和精度,控制種植體鉆頭的位置、深度和方向,從而避免了手術(shù)操作人員的自由手偏差。然而,YOMITM系統(tǒng)種植機(jī)器人的成本相對昂貴,需要在監(jiān)督下運(yùn)行[15]。

在國內(nèi),空軍軍醫(yī)大學(xué)趙銥民教授及其團(tuán)隊(duì)對口腔牙種植機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)研究,與北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了世界首臺“完全自主式”牙種植手術(shù)機(jī)器人[17],手術(shù)程序無須外科醫(yī)生干預(yù)即可執(zhí)行,具有高度的自主權(quán)[18]。在2017年為1名女性完成了2顆缺牙的種植即刻修復(fù)。系統(tǒng)由圖像引導(dǎo)平臺、商用機(jī)械機(jī)器人、植入平臺和DentalNavi軟件(空軍軍醫(yī)大學(xué))組成。該技術(shù)采用光學(xué)三維位置辨識技術(shù)確定放置于病人口腔的固定標(biāo)識器,并根據(jù)術(shù)前制定的植入計(jì)劃對病人實(shí)施窩洞制備。種植體植入后,通過比較術(shù)后錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描與術(shù)前設(shè)計(jì)的位置來評估其精度。其結(jié)果平均入路偏差為(0.705±0.145)mm,平均根尖偏差為(0.998±0.232)mm,平均軸向偏差為(2.077±0.455)mm[17]。該手術(shù)進(jìn)程將于1h內(nèi)進(jìn)行,牙冠戴進(jìn)順利,咬合、美觀度和穩(wěn)定性都取得了預(yù)期療效[19]。

2019年,上海交大醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院曹正綱在機(jī)器人輔助無牙頜手術(shù)種植體植入精度的體外模型研究中,引入了長度為50mm的顴種植體(Zygomatic implant,ZI),盡管該研究有部分局限性,但進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)在嚴(yán)重萎縮無牙頜種植體植入中的準(zhǔn)確性。此后,趙銥民教授團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,使機(jī)器人的各項(xiàng)特性提高,而且操作也更加簡單[20]。研究成果已于2018年3月完成產(chǎn)品轉(zhuǎn)化,口腔種植牙機(jī)器人技術(shù)平臺的研究已于2020年6月成功獲得國家食品藥品檢定研究所的醫(yī)療器械型式與試驗(yàn)注冊及測試報(bào)告,于2020年9月成功通過國家藥品監(jiān)督管理局創(chuàng)新型醫(yī)療器械特別評審,同時(shí)通過國家醫(yī)用儀表科技審評機(jī)構(gòu)開展的創(chuàng)新型醫(yī)療器械公示,進(jìn)入國家研發(fā)注冊臨床標(biāo)準(zhǔn)階段[21]。

2021年4月,我國頒發(fā)了首個種植機(jī)器人醫(yī)療許可證,獲批的瑞醫(yī)博口腔手術(shù)機(jī)器人采用非接觸式光學(xué)導(dǎo)航,即通過可見光導(dǎo)航建立光學(xué)跟蹤定位儀、機(jī)器人及患者之間的準(zhǔn)確位置關(guān)系,術(shù)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光學(xué)跟蹤、隨動和自動種植。種植醫(yī)師在種植機(jī)器人輔助下完成手術(shù),可大幅度提高手術(shù)精度,將誤差控制在0.5mm以內(nèi),最大限度實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)的目標(biāo),降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),縮短手術(shù)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植。2021年11月13日,北京協(xié)和醫(yī)院宿玉成教授及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)世界口腔種植之首,借助瑞醫(yī)博口腔手術(shù)機(jī)器人,順利完成了全球首例光學(xué)導(dǎo)航機(jī)器人輔助全口無牙頜種植及數(shù)字化即刻修復(fù)手術(shù),實(shí)現(xiàn)了光學(xué)導(dǎo)航機(jī)器人從單顆牙到無牙頜的應(yīng)用突破,廣受口腔業(yè)界及各方矚目。機(jī)器人輔助全口無牙頜種植及數(shù)字化即刻修復(fù)的成功開展標(biāo)志著光學(xué)導(dǎo)航機(jī)器人應(yīng)用術(shù)式已成功拓展至口腔科高難度手術(shù)。

3 口腔種植機(jī)器人的組成及手術(shù)流程

如圖1所示,該機(jī)器人由機(jī)械臂(含夾持器)、手術(shù)導(dǎo)航軟件(型號:RemeDent,版本: V1. 0)、光學(xué)跟蹤定位儀、專用儀器車等組成。手術(shù)流程:醫(yī)師完成局部麻醉、放置定位導(dǎo)板、手術(shù)注冊、更換鉆針等操作,機(jī)器人按照術(shù)前規(guī)劃,準(zhǔn)確定位手術(shù)的靶點(diǎn)和路徑,完成自動校準(zhǔn)、自動提拉、自動下鉆的外科程序。手術(shù)機(jī)器人憑借高頻刷新和隨動,術(shù)中實(shí)時(shí)追蹤和校準(zhǔn),最大限度避開術(shù)區(qū),不對手術(shù)操作造成干擾。術(shù)后醫(yī)生一次性直接戴入術(shù)前制作的臨時(shí)修復(fù)體,臨時(shí)修復(fù)體與種植體位置完美契合,咬合關(guān)系確認(rèn)無誤,術(shù)后影像掃描顯示所有植體準(zhǔn)確植入術(shù)前規(guī)劃位置。

4 口腔種植機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)劣勢及未來發(fā)展趨勢

4.1 種植機(jī)器人優(yōu)劣勢分析 種植機(jī)器人的自動化、高精確度等特性,使它在口腔醫(yī)學(xué)行業(yè)的使用有著特殊價(jià)值,主要表現(xiàn)在以下5點(diǎn)優(yōu)勢。(1)口腔植入術(shù)通常要求醫(yī)生手持種植手機(jī)進(jìn)行操作,長期使用不可避免會產(chǎn)生震顫情況。采用操控機(jī)器人的機(jī)械手臂進(jìn)行操作,從而有效地過濾震顫能夠更精準(zhǔn)的種植,既大大提高了種植過程中的安全性與有效性,也減少了醫(yī)務(wù)人員的工作勞動強(qiáng)度,更有利于醫(yī)務(wù)人員的自身健康。(2)口腔內(nèi)構(gòu)造精細(xì)復(fù)雜,通過植入機(jī)器人的定位導(dǎo)航裝置可以實(shí)現(xiàn)精確定位,采用微創(chuàng)的方法進(jìn)一步縮小了種植牙的切口,降低了醫(yī)源性損害和并發(fā)癥的概率,進(jìn)而改善整體醫(yī)療質(zhì)量。(3)人類口腔器官的許多結(jié)構(gòu)都無法用肉眼看清,但通過種植機(jī)器人所搭載的視覺系統(tǒng)和操作系統(tǒng),可克服醫(yī)生肉眼的缺陷,從而達(dá)到更清晰的操作視野。完成了一些在無法直視情況下完成,而傳統(tǒng)儀器又無法達(dá)到的檢查和處理。(4)種植機(jī)器人能夠和外部產(chǎn)生相互作用,比如對通過視覺系統(tǒng)收到的影像和人體無法察覺到的微小的外力、轉(zhuǎn)矩、幾何誤差等變化以及作業(yè)人發(fā)送的命令等,機(jī)器人均能夠在毫秒之內(nèi)作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。這一特性也確保了種植機(jī)器人能夠在緊急情況下,快速作出反應(yīng)并停止工作。(5)種植機(jī)器人能夠部分代替醫(yī)務(wù)人員去進(jìn)行診療,減少被傳染的可能性。比如可以利用操縱機(jī)器人對具有感染性疾患的人群實(shí)施口腔診療處理,最大限度減少醫(yī)務(wù)人員在感染環(huán)境中的暴露。

同時(shí)值得關(guān)注的是,口腔種植機(jī)器人在國內(nèi)的使用還處在萌芽狀態(tài),有待更深入的臨床實(shí)踐和研發(fā)。口腔種植機(jī)器人研究雖然取得了較大的進(jìn)展,但還是不夠完善,主要表現(xiàn)在:(1)通常機(jī)器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,體積較大,且必須在大型的診療室內(nèi)才能放置;(2)現(xiàn)階段智能化水平普遍不高,功能相對單一,以輔助醫(yī)生進(jìn)行操作為主。

4.2 種植機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢 過去3年世界正在見證COVID-19新冠疫情的特殊事件,這一新時(shí)代將成為世界歷史上的一個重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這場危及生命的疫情中,口腔醫(yī)生可以利用機(jī)器人在不同領(lǐng)域的眾多應(yīng)用程序遠(yuǎn)程進(jìn)行種植手術(shù)治療,遵循社交距離的新規(guī)范,減少工作時(shí)間,從而大大降低了感染種植醫(yī)生和患者的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是,當(dāng)一種新技術(shù)在新的環(huán)境中被引入時(shí),它肯定會受到不同方面的障礙。其中一個障礙是口腔種植機(jī)器人技術(shù)費(fèi)用極其昂貴[22]。此外,另一個重要的方面可能是在口腔治療中未知患者對這項(xiàng)技術(shù)的接受性和依從性。種植機(jī)器人系統(tǒng)是復(fù)雜的,需要專業(yè)知識來進(jìn)行正確的操作。因此,對所有臨床口腔醫(yī)生來說,掌握這些技術(shù)的基本知識和技能是非常重要的。目前,中國的種植牙市場巨大,所以通過一臺種植機(jī)器人,可以通過全套的數(shù)字化解決方案,幫助更多的醫(yī)生掌握高端的種植牙技術(shù),惠及更多缺牙患者,勢必會促使現(xiàn)代口腔診療活動向著精準(zhǔn)、微創(chuàng)、高效的方向發(fā)展。在許多應(yīng)用領(lǐng)域,我們常聽到機(jī)器人將會替代人類的觀點(diǎn),但由于工作環(huán)境與對象的復(fù)雜性,種植機(jī)器人仍然需要人類的協(xié)助,機(jī)器人和人類發(fā)揮各自優(yōu)勢,取長補(bǔ)短并不斷完善,將會是未來的發(fā)展常態(tài)。

5 展望

口腔醫(yī)學(xué)正朝著數(shù)據(jù)驅(qū)動和機(jī)器人輔助手術(shù)的新時(shí)代前進(jìn),隨著口腔數(shù)字化及人工智能技術(shù)日新月異,數(shù)字化種植外科使“精準(zhǔn)種植”得以實(shí)現(xiàn),而口腔種植手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)及應(yīng)用則將“精準(zhǔn)種植”推向了又一新的高度。種植機(jī)器人技術(shù)無疑是技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)巨大突破,其在牙種植方面的應(yīng)用具有巨大的潛力。當(dāng)然,臨床需求是創(chuàng)新的源動力,我們也期待機(jī)器人在口腔領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。雖然目前機(jī)器人技術(shù)還沒有普遍地使用,但是隨著科技的日益完善與進(jìn)展,相信種植機(jī)器人將會給口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來重大的技術(shù)革新。