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口腔医学领域的机器人研究及应用现状

2019-1-28 15:01  来源:国际口腔医学杂志
编辑:吴秦 赵铱民 阅读量:35846

    近年来随着先进制造技术的发展,医疗三维成像技术的普及以及机器人与生俱来的高精确性、高工作效率、高稳定性等优点,机器人在医疗领域的应用有了长足的进步并得到越来越多的关注。目前,已通过美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)认证,被批准应用于临床的商业医疗机器人有3种,分别是:伊索(AESOP)机器人系统、宙斯(ZUES)机器人系统和达芬奇(Da Vinci)机器人系统,它们可以使手术的定位精度达到亚毫米级,已在消化、泌尿、心胸等外科领域得到广泛应用。当前机器人在口腔医学领域也崭露头角,并取得了初步进展,为未来口腔医学领域机器人的发展奠定了基础。本文就机器人在口腔医学领域的研究及应用现状作一综述。

    1. 口腔修复学领域

    精准的牙体预备对口腔修复的远期效果有着重要的影响,但口腔操作空间狭小,人手的颤动以及医生的技术水平限制,往往使得预备后的牙体达不到理想的外形。为了解决这一问题,一些学者构建了一种名为Laser Bot的微型口内牙体预备机器人,通过机器人精确控制激光进行自动化三维牙体切削。其主要由口内工作端、计算机辅助设计和计算机辅助制造(computer aided design and computer aided manufacturing,CAD/CAM)备牙设计App、超短脉冲激光器、六自由度导光臂、牙定位器等构成。

    在离体牙和树脂牙上进行的实验表明:该机器人可代替人工进行自动牙体预备,精度能达到临床要求。全口义齿制作中的排牙过程需要进行许多精细的调整以获得良好的 关系,人工操作起来不免费时、费力,而且最终的效果直接受制于技师的技术水平,义齿排牙机器人为解决这一问题提供了思路。一些学者以CRS-450机器人为基础构建的用于全口义齿排牙的单操作机器人系统,可以通过手爪对人工牙进行位置的精细调整,从而实现准确排牙。该系统的排牙App可3D显示牙弓、曲线和牙列,其中集成的专家排牙经验,可实现自动虚拟预排牙,经医生再调整和修改后将排牙方案传输给机器人,便可开始全口义齿的排牙工作。后期,Zhang等又构建了多操作机排牙机器人,由50个步进电机驱动,并对其相关技术进行了深入研究,在其中整合了牙弓曲线发生器,从而进一步提高了排牙的精度和效率。

    2. 口腔正畸学领域

    精确的弓丝弯制是固定矫治治疗的关键技术,与传统的手工弯制相比,利用机器人的位置精确控制能力弯制弓丝,具有更高的精度和效率。一些学者设计了一种具有两手爪的弓丝弯制机器人,该机器人通过与Sure Smile系统配合使用,可以实现精确、自动的弓丝弯制。还有一些学者搭建了一套由MotomanUP6机器人、弓丝弯制实行器以及相关控制App组成的正畸弓丝弯制机器人系统,并对弓丝弯制过程、速度、角度和拐点选择等进行了优化,最终实现了对4种类型正畸弓丝的弯制。

    有学者研制了用于精准、快速弯制正畸弓丝的机器人系统(LAMDA系统),该系统采用龙门式设计结构,其弯制精度和效率较高,设备造价相对较低,但只能弯制平面曲。2013年,蒋济雄构建了以电机的3阶S加减曲线控制方法进行弓丝弯制的机器人,并对弓丝弯制过程中的成形控制点进行了深入研究,其弓丝成形精度为4.6%~10.5%。

    3. 牙体牙髓病学领域

    长时间握持牙钻进行口内治疗,不免会因医生疲劳及手部震颤而引起备洞精度下降,甚至引起不必要的损伤。Ortiz Simon等研发了一种可以协助医生握持牙钻的机器人,实验证明:其可有效过滤震颤,协助医生精确、平稳地操作牙钻制备龋洞,从而降低医源性伤害。根管治疗时需要种类繁多的器械,这些器械不仅占用操作台面空间,也会降低医生对器械选择的准确性,使治疗时间延长。Nelson等研制了一种器械自动传递机器人,它可实行预先编排的指令,自动选择、传递所需治疗器械,实验表明:这款机器人可减少4.4%的根管治疗时间。

    4. 口腔颌面外科学领域

    4.1 正颌手术领域

    口颌面部剖解结构复杂、美观要求高,因此,在进行正颌整复术时,必须以最小的创伤完成精确的手术操作。Gui等将工业机械臂和手术导航系统进行整合,形成了一种用于正颌截骨术的机器人,其可按手术规划自动完成截骨操作,在模型上进行的LeFort Ⅰ型截骨术显示:其定位偏差小于2 mm,角度偏差小于5°。由于颅颌面骨剖解外形不规则,正颌整复术常需要截取一些特殊形状的骨质,使用机械骨锯很难做到外形既精准又不多截骨。Burgner等搭建了一种以短脉冲CO2激光进行截骨的机器人系统,并在猪下颌骨上成功进行了特定形状的体外截骨术,结果其总体偏差小于0.5 mm。

    4.2 腭裂修复手术领域

    近年来,使用机器人进行腭裂修补术得到了一些学者的关注,并取得了初步的研究成果。2016年,Khan等使用Da Vinci手术机器人在儿童气道模型上进行了腭裂模拟修复手术后,又在尸体上进行了机器人全程辅助的海因斯咽成形术,结果显示:与传统人工手术相比,经口的机器人腭裂修复术可以在降低对患者的潜在二次伤害的同时,提高手术效率。Nadjmi先在尸体上对使用Da Vinci手术机器人进行腭裂修复术的可行性和人机(患者和机器人)最佳手术位姿进行了研究,而后他们使用该机器人完成了10例腭裂修复术的临床应用,术中、术后均未发生并发症,住院日比传统手术平均缩短1.4 d,而手术时间平均延长35 min。

    Nadjmi认为:经口机器人腭裂修复手术可减少对腭部肌肉的血管、神经和黏膜的损伤,提高腭裂患者腭部功能以及术后咽鼓管的功能;另外,高分辨率的3D影像可以提供出色的立体深度感知,从而提高手术精度、易化口内缝合、增强手术安全性,相比较传统术式术者的非自然姿式,机器人手术更符合人体工效学。

    4.3 头颈肿瘤手术领域

    在传统头颈肿瘤切除术中,为了视野的需要,往往手术切口较大,这不仅严重影响患者面容,甚至会对其造成心理负担。手术机器人可通过小切口到达体内,切除病灶,从而将对美观的影响降至最小。2011年,Kayhan等进行了DaVinci手术机器人辅助的舌根部腺样囊性癌切除术,术中采用经口入路,避免了传统手术的气管造口、皮肤切口或下颌骨劈开等,缩短了患者术后恢复的时间,极大地减少了对患者面容的影响,提高了其术后生活质量。在切除咽旁间隙肿瘤方面,机器人经口入路手术,可以避免传统颈部入路手术造成的术后颈部瘢痕。因此,近年来Da Vinci手术机器人也被较多地应用于咽旁间隙肿瘤的手术治疗中,见于文献的有多形性腺瘤、脂肪瘤和神经鞘瘤等。但是由于机器人缺乏力反馈系统,导致术中很容易造成肿瘤包膜的破裂,因此,必要时还需术者手工钝性剥离。

    另外,机器人还被应用于颈淋趋承清扫手术,Lee等使用Da Vinci机器人进行了10例N0期的口腔鳞状细胞癌的肩胛舌骨上颈淋趋承清扫术,同对照组传统人工术式相比,机器人手术切口较小且隐藏在耳后发际中,因此,其术后美观满意度明显高于传统术式,但平均用时却是后者的2倍,其余在引流管置留时间、住院天数、淋趋承数目分检、并发症等方面两者无明显差别。

    4.4 口腔种植手术领域

    为了进一步提高口腔种植手术的安全性、精准性以及定量研究种植义齿修复的相关力学理论,近年来,机器人也在口腔种植领域有了较多的应用,并取得了一些初步成果,现总结如下。Boesecke等构建了一种在口腔种植手术中辅助术者进行种植钻孔操作的机器人系统。其机械臂末端的钻孔导向装置可以引导术者快速准确的按术前规划的位点、角度和深度在患者颌骨上预备出种植孔。该系统中还整合有碰撞监测报警单元,以提高手术的安全性。

    一些学者基于德国St?ubliTec-Systems企业的6自由度RX60机器人构建了一种用于研究种植体植入角度、深度以及种植窝洞尺寸、不同直径种植体,对植入时的扭矩和初期稳定性的影响的口腔种植机器人系统,其由机械臂、角度传感器、扭力/扭矩传感器等组成,可以测量分析种植过程中的力学变化。结果显示:植入角度在60°~70°时,植入扭矩最大;植入扭矩过大,会增加义齿种植失败的概率;种植体植入越深,植入扭矩越大;植入孔直径过大会导致植入扭矩和种植体稳定性降低。2011年,Sun等采用MELFA RV-3S机器人构建了一套图像引导的口腔种植机器人系统。

    该系统主要包括术前规划App、机械臂和坐标测量机,术前在患者3D图像上完成手术规划,术中通过坐标测量机以两步坐标配准法达成空间坐标映射转换,最终实现了机器人按规划方案,自动完成植入孔预备。体外实验表明:整个系统的手术误差为(1.42±0.70)mm。2014年,Syed等构建了一套基于力反馈技术操作的口腔种植机器人系统,该系统包括手术方案规划App、Omaga 6型力反馈仪、手术机器人和红外光学导航仪。完成术前准备,建立空间映射及力反馈装置和机器人的关联后,便可通过力反馈仪来遥控操作机械手进行手术操作。

    2016年,赵铱民教授的团队从临床应用出发,以丹麦UR型机器人为平台,开发了一套高度自动化的口腔种植机器人系统。该系统由手术方案规划系统、机械臂、应力传感器、末端手术实行器、可见光导航系统等组成。目前,已完成了原型机的制作,并开展了体外实验,结果显示:用其制备的种植孔肩部偏差为±0.6 mm,顶部偏差为±1 mm,角度偏差为±2°,可满足临床需求。

    5. 小结和展望

    医疗机器人具有操作精确、稳定性高以及智能化、标准化等优点,将其引入口腔医学领域,势必会促使现代口腔诊疗活动向着精准化、定量化、高效化的方向发展,因此,口腔医学机器人已成为医疗机器人领域的研究热点。

    除上文所述外,见于文献的还有分析咀嚼运动中牙齿受力机器人、口腔教学机器人以及模拟下颌运动机器人等,可见口腔医学领域的机器人研究已经取得了较大的进展,但是还不够完善,主要表现有:1)其智能化水平普遍不高,尤其是口腔诊疗类机器人只是辅助医生进行操作,而无法彻底将医生从繁重的临床工作中解放出来;2)其功能单一,只能进行某一方面或某一步骤的操作,无法应对复杂多变的口腔疾病;3)其结构复杂,体积较大,人机交互性能不甚友好。但随着人工智能技术、纳米机器人技术和机器人控制理论的不断发展完善,未来这些问题将会迎刃而解,从而使机器人在口腔医学领域得到更为广泛的应用,为口腔医学新一轮的技术变革增添活力。

编辑: 陆美凤

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