機器人在正畸領域的應用以及前景

唐林俊 姜 歡 王紹泰 宋東升 李 超 胡 敏

機器人是能夠通過編程和自動控制來完成任務的智能機器，它的發展使得很多工作實現自動化，其中也包括口腔領域[1]?？谇粰C器人的使用可以有效地減少臨床時間，提升臨床操作的準確性，給醫生的診療帶來更多的便捷。

錯牙合畸形不僅會影響美觀、口腔功能，而且由于咀嚼功能下降還會導致多種胃腸道疾病。目前，中國錯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器人逐步應用于正畸領域。但將機器人引入正畸臨床仍有諸多問題需要解決，相信隨著技術革新，正畸領域的機器人將能得到更廣泛的應用。因此，本文將從機器人在口腔正畸的應用及發展前景進行綜述。

一、輔助診斷機器人

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

精確的頭影測量結果有利于醫生做出正確的矯治計劃，人工進行頭影測量費時，準確度低，利用機器人輔助進行頭影測量可以增加效率和準確度。近年來，學者們利用支持向量機，隨機森林，細胞神經網絡，人工神經網絡和卷積神經網絡等機器學習算法進行頭影測量自動定點[2]。在基于經典機器學習的方法中，隨機森林算法精確度較高[3]，而深度學習模型相較于經典機器學習模型能夠實現更高精確度[4]，實驗結果顯示利用深度學習模型檢測的18 個標志點的準確率與人工定點無明顯差異[5]。然而相對于三維影像而言，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構，但三維圖像數據量大且幾何結構復雜，提高三維定點的精度仍具有挑戰性。通過基于二維陰影圖像的三維頭影測量自動定點的方法能夠很好地解決這個問題，實現了更準確的3D自動定點，7個標志點的平均誤差僅為1.8 mm[6]。機器人輔助頭影測量可以顯著地提高工作效率，節省時間，但在實際應用中仍需醫生檢查自動定點的準確性。因此如何提高自動定點的精準性與穩定性是目前一直在深入研究的內容。

牙合架不僅可以記錄患者上下頜骨之間位置關系，還可以模擬下頜運動。相較于傳統牙合架的低精度及低效率，使用機器人牙合架可以高效地再現下頜不同功能運動狀態下的咬合接觸情況，有利于正畸前診斷分析。目前，機器人牙合架主要基于兩個組件：頜骨運動分析儀和運動模擬機器人。頜骨運動分析儀利用高速攝影機及機器視覺系統實現了對下頜位置以及運動的精確記錄。而運動模擬機器人將下頜骨的運動量化為一個六自由度剛體運動，減少了數學變換的過程，提高了模擬運動的效率及精度[7]。此外，機器人還可以使用壓力傳感器繪制咬合面的受力情況，從而更準確地判斷咬合高點，并且通過虛擬調牙合的方式來確定調牙合后的效果，保證調牙合這種不可逆操作的精確性[8]。未來我們還可以將機器人牙合架深度應用于正畸治療的各個環節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，醫生還可以通過機器人遠程控制下頜前導裝置，在患者睡眠時逐漸前移下頜位置，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）睡眠時最合適的下頜前伸位置[9]。

二、弓絲彎制機器人

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，難以實現精準的弓絲彎制，機器人的使用能夠提高弓絲彎制的靈活性、穩定性和準確性。近年來，國內外學者設計出很多不同類型的的弓絲彎制機器人。LAMDA 系統主要用于彎制舌側矯正弓絲，但只能實現XY 平面上的運動，不能彎制閉環的正畸曲[10]。隨后基于MOTOMAN UP6機器人建造的弓絲彎制機器人系統對弓絲彎制的過程、拐點、速度、角度進行了優化，使得機器人能夠精確地彎制第一序列彎曲[11]。全新的SureSmile數字系統，使用3D 成像和計算機技術模擬治療過程，并利用機器人制備個性化弓絲和托槽[12]。在弓絲彎制過程中，機器人的一個機械臂負責夾持弓絲，機械臂配備的力傳感器可以確定達到最終形態所需要的過彎量，加熱裝置用于弓絲的彎制后形態的固定；另一個具有六自由度的機械臂可以在三維方向對弓絲進行彎制[13]。已有研究證明對于簡單病例，SureSmile 系統能夠顯著地減少患者的治療時間，并能提高患者治療的舒適度[14]，且該系統治療的病例CRE評分高于傳統治療方式[15]。

隨著現代機器人技術的發展，一些現代科技技術也被運用于弓絲彎制機器人中，如視覺檢測系統、ROS 集成系統以及CAD/CAM 技術。在弓絲彎制過程中，弓絲易因回彈現象而產生較大誤差。視覺檢測系統可以主動地提取弓絲彎制過程中的三維形態參數，從而實現彎制過程的反饋控制，保證了弓絲的精確制備[16]。ROS系統是專為機器人軟件開發所設計出來的一套電腦操作系統架構，通過ROS 系統可以在虛擬仿真彎制平臺下進行仿真彎制，從而驗證規劃算法的準確性[17]。CAD/CAM 技術即計算機輔助設計和制造技術，基于該技術研發出的便攜式數控自動化彎制系統使得弓絲彎制更加高效便捷[18]。

當前，機器人要實現弓絲精確的彎制要解決兩個關鍵問題，分別是如何精確地規劃成形控制點和減少彎制時的回彈效應。增量法是分析不同等分數下的初始精度與控制點數和面積誤差相關性[19]。有限點展成法是分析不同弦弧圍成面積下弦弧差值與控制點數目和面積誤差相關性[20]?；谠隽糠ê陀邢撄c展成法的正畸弓絲彎制成形控制點規劃策略符合正畸臨床的精度需求。針對弓絲的回彈效應，可以利用兩步式弓絲回彈補償策略可最大限度地減小回彈效應[21]。此外，基于LABVIEW 軟件提出的交互調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，弓絲彎制機器人能夠高效準確地完成弓絲彎制，但其只能彎制簡單的弓絲形狀，不能彎制相對復雜的正畸曲。當前，機器人的研發方向是如何精確地完成三維方向上的弓絲彎制，要將其廣泛運用于正畸臨床仍需要不斷的研究和嘗試。

三、納米機器人

納米機器人是根據分子水平的生物學原理為設計原型，在納米尺度上應用生物學原理的分子機器人[23]。納米機器人在正畸領域的用途較廣泛，可以輔助加速牙齒移動，實時反饋正畸力，并且可以對患者牙套佩戴情況進行監控 。

正畸療程較長，常伴隨牙周病、牙齒脫礦、牙根吸收等并發癥。因此，縮短正畸治療周期，加速正畸牙齒移動是正畸學研究熱點[24]。有研究發現適當的電流刺激可以增加與骨重建相關的細胞酶的活性，因此正畸力配合電流能夠加速牙齒移動。利用這一現象，植入到托槽內的納米機器人可以通過釋放電能來輔助加速牙齒移動[25]。

合適的力值是保證牙齒快速、安全移動的前提，智能托槽中的納米機器人能夠實時測量出弓絲對牙齒施加的力，避免了正畸過程牙根吸收等副作用，同時提高了治療的效率。該智能托槽不僅可以運用臨床，而且還可以作為一種反饋工具應用于正畸訓練以及生物力學的研究中[26]。

在正畸治療中，活動矯正器需要患者佩戴一定的時間才能達到效果，部分患者往往依從性較差。為了規避這一問題，安裝在活動矯正器中的納米機器人可以通過溫度變化來監測患者佩戴情況，使醫生可以監控患者佩戴矯治器的情況[27]。同樣，可以將這種技術逐漸運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，納米科學技術將成為科學技術發展的主流，納米機器人可以從微觀層面對牙齒進行干預，可以實現精確高效的治療和監控。納米機器人的應用必然有益于正畸治療，但是每一枚硬幣都有兩面，納米技術可能會對人類健康和環境造成不良影響，需要更多研究驗證納米機器人運用于臨床的可行性和安全性。

四、正頜手術輔助機器人

嚴重骨性畸形的患者依靠單純正畸治療效果并不理想，正畸正頜聯合治療是首選方案，近年來外科機器人的發展促進了機器人在正頜領域的應用。在正頜手術中，精確的截骨是保證正頜手術的安全性和效果的前提，機器人的使用可以提升截骨的精確度。WU 等開發的機器人機械截骨系統準確地完成上頜LE-FORT I 型截骨術和頦成形術，實驗誤差僅為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則，使用機械骨鋸很難做到精準切割，且基于機械工具的截骨術會對鄰近的軟組織和骨組織造成損害，導致愈合困難。利用激光進行截骨的機器人CARLO 可以很好的克服這些問題。該設備利用導航系統讀取截骨手術的規劃路徑，光學跟蹤設備對激光源位置進行精確測量，機械臂控制激光源位置，冷激光消融完成頜骨截斷[29]。目前利用CARLO 完成14 例LE-FORT I 型截骨的正頜手術，顯示其安全性和精確性都已經能滿足臨床需求，需要優化的是主動反饋系統，進而控制截骨深度防止對深部組織造成損傷[30]。

正頜手術中，頜骨再定位的確認是關鍵操作步驟。傳統的頜骨再定位是依靠外科牙合板，其制作耗時且誤差大，利用機器人可以將頜骨精確地定位到計劃位置。相關研究顯示對模型進行LE-FORT I型截骨后利用圖像導航系統輔助機器人進行上頜骨再定位，最終的位置與目標位置在水平向，矢狀向，及垂直向偏差分別為0.16 mm，0.18 mm，0.20 mm[31]，從數據上證實再定位的精確性。

正頜手術輔助機器人在臨床上已被證明具有應用可行性，但還有很多方面尚待改進。如術前的路徑規劃，術中圖像導航以及機器人的體積縮小化。首先是術前的路徑規劃，如何基于術前設計的離散路徑，實現時間軸上的平滑軌跡規劃，是路徑規劃的難點。利用B樣條曲線擬合完成的術前手術路徑規劃可以實現規劃路徑整體平滑，并可以保證位置、速度和加速度的連續性[32]。圖像導航是正頜輔助機器人的重要組成部分，它可以使機器人精確地按照術前規劃路徑進行操作，基于雙目立體成像和三維數字圖像相關（3D-DIC）算法的設計正頜手術導航系統能夠實現全局器械跟蹤及實時測量[33]。針對正頜手術機器人體積過于龐大限制了其在臨床的應用的問題，具有工作空間限制機構（WLM）的緊湊輕便的機器人是未來正頜機器人發展的一種趨勢[34]。

五、總結與展望

機器人的應用已經成為未來口腔正畸領域的發展趨勢，但要將其應用于臨床仍存在一些阻礙。首先機器人價格昂貴，導致其不能在臨床上普及；其次，機器人系統相對復雜，需要醫生同時掌握臨床知識和機器人方面的相關知識；最重要的方面可能是牙醫對患者的接受度和依從性是未知的[35]。

目前，大部分的正畸機器人仍然處于實驗的階段，尚需大量的臨床實驗去證實其有效性及可行性。當前正畸機器人發展主要趨勢是人機交互以及機器學習，通過人機交互能夠讓醫生更加便捷地操作機器人，而通過機器學習可以使機器人更快地適應新的情況。弓絲彎制機器人和診斷機器人是當前的研究重點。但鑒于納米機器人明確的優勢，其將會在正畸領域越來越受重視，未來相關研究也會日益豐富。國內對于正畸機器人的研究目前仍處于起步階段，需要借助于多學科的合作研發，充分發揮機器人的自身優勢，增進正畸臨床操作的精確度，以提高臨床療效。相信隨著科學技術的發展，機器人在正畸領域應用會更加廣泛，為正畸領域新一輪的技術革新增添活力。