唐林俊 姜 歡 王紹泰 宋東升 李 超 胡 敏

機(jī)器人是能夠通過編程和自動(dòng)控制來完成任務(wù)的智能機(jī)器，它的發(fā)展使得很多工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其中也包括口腔領(lǐng)域[1]?？谇粰C(jī)器人的使用可以有效地減少臨床時(shí)間，提升臨床操作的準(zhǔn)確性，給醫(yī)生的診療帶來更多的便捷。

錯(cuò)牙合畸形不僅會(huì)影響美觀、口腔功能，而且由于咀嚼功能下降還會(huì)導(dǎo)致多種胃腸道疾病。目前，中國(guó)錯(cuò)牙合畸形的患病率約為68%，為了滿足臨床需求，具有高效率高精度的機(jī)器人逐步應(yīng)用于正畸領(lǐng)域。但將機(jī)器人引入正畸臨床仍有諸多問題需要解決，相信隨著技術(shù)革新，正畸領(lǐng)域的機(jī)器人將能得到更廣泛的應(yīng)用。因此，本文將從機(jī)器人在口腔正畸的應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行綜述。

一、輔助診斷機(jī)器人

正確的診斷是達(dá)到良好治療效果的前提，利用機(jī)器人輔助正畸前診斷，有利于提高診斷的效率及準(zhǔn)確性。目前輔助診斷機(jī)器人在輔助頭影測(cè)量分析，模擬牙合架和輔助確定下頜前伸位置等方面有相關(guān)的應(yīng)用。

精確的頭影測(cè)量結(jié)果有利于醫(yī)生做出正確的矯治計(jì)劃，人工進(jìn)行頭影測(cè)量費(fèi)時(shí)，準(zhǔn)確度低，利用機(jī)器人輔助進(jìn)行頭影測(cè)量可以增加效率和準(zhǔn)確度。近年來，學(xué)者們利用支持向量機(jī)，隨機(jī)森林，細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行頭影測(cè)量自動(dòng)定點(diǎn)[2]。在基于經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的方法中，隨機(jī)森林算法精確度較高[3]，而深度學(xué)習(xí)模型相較于經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠?qū)崿F(xiàn)更高精確度[4]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示利用深度學(xué)習(xí)模型檢測(cè)的18 個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確率與人工定點(diǎn)無明顯差異[5]。然而相對(duì)于三維影像而言，二維影像受放大率不一致、邊緣變形等因素的影響，常常無法精確反饋三維的解剖結(jié)構(gòu)，但三維圖像數(shù)據(jù)量大且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高三維定點(diǎn)的精度仍具有挑戰(zhàn)性。通過基于二維陰影圖像的三維頭影測(cè)量自動(dòng)定點(diǎn)的方法能夠很好地解決這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的3D自動(dòng)定點(diǎn)，7個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的平均誤差僅為1.8 mm[6]。機(jī)器人輔助頭影測(cè)量可以顯著地提高工作效率，節(jié)省時(shí)間，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需醫(yī)生檢查自動(dòng)定點(diǎn)的準(zhǔn)確性。因此如何提高自動(dòng)定點(diǎn)的精準(zhǔn)性與穩(wěn)定性是目前一直在深入研究的內(nèi)容。

牙合架不僅可以記錄患者上下頜骨之間位置關(guān)系，還可以模擬下頜運(yùn)動(dòng)。相較于傳統(tǒng)牙合架的低精度及低效率，使用機(jī)器人牙合架可以高效地再現(xiàn)下頜不同功能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的咬合接觸情況，有利于正畸前診斷分析。目前，機(jī)器人牙合架主要基于兩個(gè)組件：頜骨運(yùn)動(dòng)分析儀和運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)器人。頜骨運(yùn)動(dòng)分析儀利用高速攝影機(jī)及機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)下頜位置以及運(yùn)動(dòng)的精確記錄。而運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)器人將下頜骨的運(yùn)動(dòng)量化為一個(gè)六自由度剛體運(yùn)動(dòng)，減少了數(shù)學(xué)變換的過程，提高了模擬運(yùn)動(dòng)的效率及精度[7]。此外，機(jī)器人還可以使用壓力傳感器繪制咬合面的受力情況，從而更準(zhǔn)確地判斷咬合高點(diǎn)，并且通過虛擬調(diào)牙合的方式來確定調(diào)牙合后的效果，保證調(diào)牙合這種不可逆操作的精確性[8]。未來我們還可以將機(jī)器人牙合架深度應(yīng)用于正畸治療的各個(gè)環(huán)節(jié)如模擬正畸治療中下頜位置的變化以及矯治后的咬合分析等方面。

此外，醫(yī)生還可以通過機(jī)器人遠(yuǎn)程控制下頜前導(dǎo)裝置，在患者睡眠時(shí)逐漸前移下頜位置，從而確定阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征患者（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）睡眠時(shí)最合適的下頜前伸位置[9]。

二、弓絲彎制機(jī)器人

彎制正畸弓絲是正畸治療過程中重要的一步，手工操作具有一定不確定性，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的弓絲彎制，機(jī)器人的使用能夠提高弓絲彎制的靈活性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)出很多不同類型的的弓絲彎制機(jī)器人。LAMDA 系統(tǒng)主要用于彎制舌側(cè)矯正弓絲，但只能實(shí)現(xiàn)XY 平面上的運(yùn)動(dòng)，不能彎制閉環(huán)的正畸曲[10]。隨后基于MOTOMAN UP6機(jī)器人建造的弓絲彎制機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)弓絲彎制的過程、拐點(diǎn)、速度、角度進(jìn)行了優(yōu)化，使得機(jī)器人能夠精確地彎制第一序列彎曲[11]。全新的SureSmile數(shù)字系統(tǒng)，使用3D 成像和計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬治療過程，并利用機(jī)器人制備個(gè)性化弓絲和托槽[12]。在弓絲彎制過程中，機(jī)器人的一個(gè)機(jī)械臂負(fù)責(zé)夾持弓絲，機(jī)械臂配備的力傳感器可以確定達(dá)到最終形態(tài)所需要的過彎量，加熱裝置用于弓絲的彎制后形態(tài)的固定；另一個(gè)具有六自由度的機(jī)械臂可以在三維方向?qū)z進(jìn)行彎制[13]。已有研究證明對(duì)于簡(jiǎn)單病例，SureSmile 系統(tǒng)能夠顯著地減少患者的治療時(shí)間，并能提高患者治療的舒適度[14]，且該系統(tǒng)治療的病例CRE評(píng)分高于傳統(tǒng)治療方式[15]。

隨著現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一些現(xiàn)代科技技術(shù)也被運(yùn)用于弓絲彎制機(jī)器人中，如視覺檢測(cè)系統(tǒng)、ROS 集成系統(tǒng)以及CAD/CAM 技術(shù)。在弓絲彎制過程中，弓絲易因回彈現(xiàn)象而產(chǎn)生較大誤差。視覺檢測(cè)系統(tǒng)可以主動(dòng)地提取弓絲彎制過程中的三維形態(tài)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)彎制過程的反饋控制，保證了弓絲的精確制備[16]。ROS系統(tǒng)是專為機(jī)器人軟件開發(fā)所設(shè)計(jì)出來的一套電腦操作系統(tǒng)架構(gòu)，通過ROS 系統(tǒng)可以在虛擬仿真彎制平臺(tái)下進(jìn)行仿真彎制，從而驗(yàn)證規(guī)劃算法的準(zhǔn)確性[17]。CAD/CAM 技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，基于該技術(shù)研發(fā)出的便攜式數(shù)控自動(dòng)化彎制系統(tǒng)使得弓絲彎制更加高效便捷[18]。

當(dāng)前，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)弓絲精確的彎制要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，分別是如何精確地規(guī)劃成形控制點(diǎn)和減少彎制時(shí)的回彈效應(yīng)。增量法是分析不同等分?jǐn)?shù)下的初始精度與控制點(diǎn)數(shù)和面積誤差相關(guān)性[19]。有限點(diǎn)展成法是分析不同弦弧圍成面積下弦弧差值與控制點(diǎn)數(shù)目和面積誤差相關(guān)性[20]。基于增量法和有限點(diǎn)展成法的正畸弓絲彎制成形控制點(diǎn)規(guī)劃策略符合正畸臨床的精度需求。針對(duì)弓絲的回彈效應(yīng)，可以利用兩步式弓絲回彈補(bǔ)償策略可最大限度地減小回彈效應(yīng)[21]。此外，基于LABVIEW 軟件提出的交互調(diào)整方法在改善弓絲回彈方面也具有一定的有效性和可行性[22]。

目前，弓絲彎制機(jī)器人能夠高效準(zhǔn)確地完成弓絲彎制，但其只能彎制簡(jiǎn)單的弓絲形狀，不能彎制相對(duì)復(fù)雜的正畸曲。當(dāng)前，機(jī)器人的研發(fā)方向是如何精確地完成三維方向上的弓絲彎制，要將其廣泛運(yùn)用于正畸臨床仍需要不斷的研究和嘗試。

三、納米機(jī)器人

納米機(jī)器人是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理的分子機(jī)器人[23]。納米機(jī)器人在正畸領(lǐng)域的用途較廣泛，可以輔助加速牙齒移動(dòng)，實(shí)時(shí)反饋正畸力，并且可以對(duì)患者牙套佩戴情況進(jìn)行監(jiān)控 。

正畸療程較長(zhǎng)，常伴隨牙周病、牙齒脫礦、牙根吸收等并發(fā)癥。因此，縮短正畸治療周期，加速正畸牙齒移動(dòng)是正畸學(xué)研究熱點(diǎn)[24]。有研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾娏鞔碳た梢栽黾优c骨重建相關(guān)的細(xì)胞酶的活性，因此正畸力配合電流能夠加速牙齒移動(dòng)。利用這一現(xiàn)象，植入到托槽內(nèi)的納米機(jī)器人可以通過釋放電能來輔助加速牙齒移動(dòng)[25]。

合適的力值是保證牙齒快速、安全移動(dòng)的前提，智能托槽中的納米機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出弓絲對(duì)牙齒施加的力，避免了正畸過程牙根吸收等副作用，同時(shí)提高了治療的效率。該智能托槽不僅可以運(yùn)用臨床，而且還可以作為一種反饋工具應(yīng)用于正畸訓(xùn)練以及生物力學(xué)的研究中[26]。

在正畸治療中，活動(dòng)矯正器需要患者佩戴一定的時(shí)間才能達(dá)到效果，部分患者往往依從性較差。為了規(guī)避這一問題，安裝在活動(dòng)矯正器中的納米機(jī)器人可以通過溫度變化來監(jiān)測(cè)患者佩戴情況，使醫(yī)生可以監(jiān)控患者佩戴矯治器的情況[27]。同樣，可以將這種技術(shù)逐漸運(yùn)用于隱形牙套中來保證患者佩戴效果，提高正畸治療的有效性。

在21 世紀(jì)，納米科學(xué)技術(shù)將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流，納米機(jī)器人可以從微觀層面對(duì)牙齒進(jìn)行干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)精確高效的治療和監(jiān)控。納米機(jī)器人的應(yīng)用必然有益于正畸治療，但是每一枚硬幣都有兩面，納米技術(shù)可能會(huì)對(duì)人類健康和環(huán)境造成不良影響，需要更多研究驗(yàn)證納米機(jī)器人運(yùn)用于臨床的可行性和安全性。

四、正頜手術(shù)輔助機(jī)器人

嚴(yán)重骨性畸形的患者依靠單純正畸治療效果并不理想，正畸正頜聯(lián)合治療是首選方案，近年來外科機(jī)器人的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)器人在正頜領(lǐng)域的應(yīng)用。在正頜手術(shù)中，精確的截骨是保證正頜手術(shù)的安全性和效果的前提，機(jī)器人的使用可以提升截骨的精確度。WU 等開發(fā)的機(jī)器人機(jī)械截骨系統(tǒng)準(zhǔn)確地完成上頜LE-FORT I 型截骨術(shù)和頦成形術(shù)，實(shí)驗(yàn)誤差僅為1.12±0.20 mm[28]，大大提升了截骨的精確度。然而由于顱頜面骨解剖外形不規(guī)則，使用機(jī)械骨鋸很難做到精準(zhǔn)切割，且基于機(jī)械工具的截骨術(shù)會(huì)對(duì)鄰近的軟組織和骨組織造成損害，導(dǎo)致愈合困難。利用激光進(jìn)行截骨的機(jī)器人CARLO 可以很好的克服這些問題。該設(shè)備利用導(dǎo)航系統(tǒng)讀取截骨手術(shù)的規(guī)劃路徑，光學(xué)跟蹤設(shè)備對(duì)激光源位置進(jìn)行精確測(cè)量，機(jī)械臂控制激光源位置，冷激光消融完成頜骨截?cái)郲29]。目前利用CARLO 完成14 例LE-FORT I 型截骨的正頜手術(shù)，顯示其安全性和精確性都已經(jīng)能滿足臨床需求，需要優(yōu)化的是主動(dòng)反饋系統(tǒng)，進(jìn)而控制截骨深度防止對(duì)深部組織造成損傷[30]。

正頜手術(shù)中，頜骨再定位的確認(rèn)是關(guān)鍵操作步驟。傳統(tǒng)的頜骨再定位是依靠外科牙合板，其制作耗時(shí)且誤差大，利用機(jī)器人可以將頜骨精確地定位到計(jì)劃位置。相關(guān)研究顯示對(duì)模型進(jìn)行LE-FORT I型截骨后利用圖像導(dǎo)航系統(tǒng)輔助機(jī)器人進(jìn)行上頜骨再定位，最終的位置與目標(biāo)位置在水平向，矢狀向，及垂直向偏差分別為0.16 mm，0.18 mm，0.20 mm[31]，從數(shù)據(jù)上證實(shí)再定位的精確性。

正頜手術(shù)輔助機(jī)器人在臨床上已被證明具有應(yīng)用可行性，但還有很多方面尚待改進(jìn)。如術(shù)前的路徑規(guī)劃，術(shù)中圖像導(dǎo)航以及機(jī)器人的體積縮小化。首先是術(shù)前的路徑規(guī)劃，如何基于術(shù)前設(shè)計(jì)的離散路徑，實(shí)現(xiàn)時(shí)間軸上的平滑軌跡規(guī)劃，是路徑規(guī)劃的難點(diǎn)。利用B樣條曲線擬合完成的術(shù)前手術(shù)路徑規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑整體平滑，并可以保證位置、速度和加速度的連續(xù)性[32]。圖像導(dǎo)航是正頜輔助機(jī)器人的重要組成部分，它可以使機(jī)器人精確地按照術(shù)前規(guī)劃路徑進(jìn)行操作，基于雙目立體成像和三維數(shù)字圖像相關(guān)（3D-DIC）算法的設(shè)計(jì)正頜手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全局器械跟蹤及實(shí)時(shí)測(cè)量[33]。針對(duì)正頜手術(shù)機(jī)器人體積過于龐大限制了其在臨床的應(yīng)用的問題，具有工作空間限制機(jī)構(gòu)（WLM）的緊湊輕便的機(jī)器人是未來正頜機(jī)器人發(fā)展的一種趨勢(shì)[34]。

五、總結(jié)與展望

機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)成為未來口腔正畸領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，但要將其應(yīng)用于臨床仍存在一些阻礙。首先機(jī)器人價(jià)格昂貴，導(dǎo)致其不能在臨床上普及；其次，機(jī)器人系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，需要醫(yī)生同時(shí)掌握臨床知識(shí)和機(jī)器人方面的相關(guān)知識(shí)；最重要的方面可能是牙醫(yī)對(duì)患者的接受度和依從性是未知的[35]。

目前，大部分的正畸機(jī)器人仍然處于實(shí)驗(yàn)的階段，尚需大量的臨床實(shí)驗(yàn)去證實(shí)其有效性及可行性。當(dāng)前正畸機(jī)器人發(fā)展主要趨勢(shì)是人機(jī)交互以及機(jī)器學(xué)習(xí)，通過人機(jī)交互能夠讓醫(yī)生更加便捷地操作機(jī)器人，而通過機(jī)器學(xué)習(xí)可以使機(jī)器人更快地適應(yīng)新的情況。弓絲彎制機(jī)器人和診斷機(jī)器人是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。但鑒于納米機(jī)器人明確的優(yōu)勢(shì)，其將會(huì)在正畸領(lǐng)域越來越受重視，未來相關(guān)研究也會(huì)日益豐富。國(guó)內(nèi)對(duì)于正畸機(jī)器人的研究目前仍處于起步階段，需要借助于多學(xué)科的合作研發(fā)，充分發(fā)揮機(jī)器人的自身優(yōu)勢(shì)，增進(jìn)正畸臨床操作的精確度，以提高臨床療效。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在正畸領(lǐng)域應(yīng)用會(huì)更加廣泛，為正畸領(lǐng)域新一輪的技術(shù)革新增添活力。