机器人在正畸领域的应用以及前景

唐林俊 姜 欢 王绍泰 宋东升 李 超 胡 敏

机器人是能够通过编程和自动控制来完成任务的智能机器，它的发展使得很多工作实现自动化，其中也包括口腔领域[1]。口腔机器人的使用可以有效地减少临床时间，提升临床操作的准确性，给医生的诊疗带来更多的便捷。

错牙合畸形不仅会影响美观、口腔功能，而且由于咀嚼功能下降还会导致多种胃肠道疾病。目前，中国错牙合畸形的患病率约为68%，为了满足临床需求，具有高效率高精度的机器人逐步应用于正畸领域。但将机器人引入正畸临床仍有诸多问题需要解决，相信随着技术革新，正畸领域的机器人将能得到更广泛的应用。因此，本文将从机器人在口腔正畸的应用及发展前景进行综述。

一、辅助诊断机器人

正确的诊断是达到良好治疗效果的前提，利用机器人辅助正畸前诊断，有利于提高诊断的效率及准确性。目前辅助诊断机器人在辅助头影测量分析，模拟牙合架和辅助确定下颌前伸位置等方面有相关的应用。

精确的头影测量结果有利于医生做出正确的矫治计划，人工进行头影测量费时，准确度低，利用机器人辅助进行头影测量可以增加效率和准确度。近年来，学者们利用支持向量机，随机森林，细胞神经网络，人工神经网络和卷积神经网络等机器学习算法进行头影测量自动定点[2]。在基于经典机器学习的方法中，随机森林算法精确度较高[3]，而深度学习模型相较于经典机器学习模型能够实现更高精确度[4]，实验结果显示利用深度学习模型检测的18 个标志点的准确率与人工定点无明显差异[5]。然而相对于三维影像而言，二维影像受放大率不一致、边缘变形等因素的影响，常常无法精确反馈三维的解剖结构，但三维图像数据量大且几何结构复杂，提高三维定点的精度仍具有挑战性。通过基于二维阴影图像的三维头影测量自动定点的方法能够很好地解决这个问题，实现了更准确的3D自动定点，7个标志点的平均误差仅为1.8 mm[6]。机器人辅助头影测量可以显著地提高工作效率，节省时间，但在实际应用中仍需医生检查自动定点的准确性。因此如何提高自动定点的精准性与稳定性是目前一直在深入研究的内容。

牙合架不仅可以记录患者上下颌骨之间位置关系，还可以模拟下颌运动。相较于传统牙合架的低精度及低效率，使用机器人牙合架可以高效地再现下颌不同功能运动状态下的咬合接触情况，有利于正畸前诊断分析。目前，机器人牙合架主要基于两个组件：颌骨运动分析仪和运动模拟机器人。颌骨运动分析仪利用高速摄影机及机器视觉系统实现了对下颌位置以及运动的精确记录。而运动模拟机器人将下颌骨的运动量化为一个六自由度刚体运动，减少了数学变换的过程，提高了模拟运动的效率及精度[7]。此外，机器人还可以使用压力传感器绘制咬合面的受力情况，从而更准确地判断咬合高点，并且通过虚拟调牙合的方式来确定调牙合后的效果，保证调牙合这种不可逆操作的精确性[8]。未来我们还可以将机器人牙合架深度应用于正畸治疗的各个环节如模拟正畸治疗中下颌位置的变化以及矫治后的咬合分析等方面。

此外，医生还可以通过机器人远程控制下颌前导装置，在患者睡眠时逐渐前移下颌位置，从而确定阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）睡眠时最合适的下颌前伸位置[9]。

二、弓丝弯制机器人

弯制正畸弓丝是正畸治疗过程中重要的一步，手工操作具有一定不确定性，难以实现精准的弓丝弯制，机器人的使用能够提高弓丝弯制的灵活性、稳定性和准确性。近年来，国内外学者设计出很多不同类型的的弓丝弯制机器人。LAMDA 系统主要用于弯制舌侧矫正弓丝，但只能实现XY 平面上的运动，不能弯制闭环的正畸曲[10]。随后基于MOTOMAN UP6机器人建造的弓丝弯制机器人系统对弓丝弯制的过程、拐点、速度、角度进行了优化，使得机器人能够精确地弯制第一序列弯曲[11]。全新的SureSmile数字系统，使用3D 成像和计算机技术模拟治疗过程，并利用机器人制备个性化弓丝和托槽[12]。在弓丝弯制过程中，机器人的一个机械臂负责夹持弓丝，机械臂配备的力传感器可以确定达到最终形态所需要的过弯量，加热装置用于弓丝的弯制后形态的固定；另一个具有六自由度的机械臂可以在三维方向对弓丝进行弯制[13]。已有研究证明对于简单病例，SureSmile 系统能够显著地减少患者的治疗时间，并能提高患者治疗的舒适度[14]，且该系统治疗的病例CRE评分高于传统治疗方式[15]。

随着现代机器人技术的发展，一些现代科技技术也被运用于弓丝弯制机器人中，如视觉检测系统、ROS 集成系统以及CAD/CAM 技术。在弓丝弯制过程中，弓丝易因回弹现象而产生较大误差。视觉检测系统可以主动地提取弓丝弯制过程中的三维形态参数，从而实现弯制过程的反馈控制，保证了弓丝的精确制备[16]。ROS系统是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构，通过ROS 系统可以在虚拟仿真弯制平台下进行仿真弯制，从而验证规划算法的准确性[17]。CAD/CAM 技术即计算机辅助设计和制造技术，基于该技术研发出的便携式数控自动化弯制系统使得弓丝弯制更加高效便捷[18]。

当前，机器人要实现弓丝精确的弯制要解决两个关键问题，分别是如何精确地规划成形控制点和减少弯制时的回弹效应。增量法是分析不同等分数下的初始精度与控制点数和面积误差相关性[19]。有限点展成法是分析不同弦弧围成面积下弦弧差值与控制点数目和面积误差相关性[20]。基于增量法和有限点展成法的正畸弓丝弯制成形控制点规划策略符合正畸临床的精度需求。针对弓丝的回弹效应，可以利用两步式弓丝回弹补偿策略可最大限度地减小回弹效应[21]。此外，基于LABVIEW 软件提出的交互调整方法在改善弓丝回弹方面也具有一定的有效性和可行性[22]。

目前，弓丝弯制机器人能够高效准确地完成弓丝弯制，但其只能弯制简单的弓丝形状，不能弯制相对复杂的正畸曲。当前，机器人的研发方向是如何精确地完成三维方向上的弓丝弯制，要将其广泛运用于正畸临床仍需要不断的研究和尝试。

三、纳米机器人

纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理的分子机器人[23]。纳米机器人在正畸领域的用途较广泛，可以辅助加速牙齿移动，实时反馈正畸力，并且可以对患者牙套佩戴情况进行监控 。

正畸疗程较长，常伴随牙周病、牙齿脱矿、牙根吸收等并发症。因此，缩短正畸治疗周期，加速正畸牙齿移动是正畸学研究热点[24]。有研究发现适当的电流刺激可以增加与骨重建相关的细胞酶的活性，因此正畸力配合电流能够加速牙齿移动。利用这一现象，植入到托槽内的纳米机器人可以通过释放电能来辅助加速牙齿移动[25]。

合适的力值是保证牙齿快速、安全移动的前提，智能托槽中的纳米机器人能够实时测量出弓丝对牙齿施加的力，避免了正畸过程牙根吸收等副作用，同时提高了治疗的效率。该智能托槽不仅可以运用临床，而且还可以作为一种反馈工具应用于正畸训练以及生物力学的研究中[26]。

在正畸治疗中，活动矫正器需要患者佩戴一定的时间才能达到效果，部分患者往往依从性较差。为了规避这一问题，安装在活动矫正器中的纳米机器人可以通过温度变化来监测患者佩戴情况，使医生可以监控患者佩戴矫治器的情况[27]。同样，可以将这种技术逐渐运用于隐形牙套中来保证患者佩戴效果，提高正畸治疗的有效性。

在21 世纪，纳米科学技术将成为科学技术发展的主流，纳米机器人可以从微观层面对牙齿进行干预，可以实现精确高效的治疗和监控。纳米机器人的应用必然有益于正畸治疗，但是每一枚硬币都有两面，纳米技术可能会对人类健康和环境造成不良影响，需要更多研究验证纳米机器人运用于临床的可行性和安全性。

四、正颌手术辅助机器人

严重骨性畸形的患者依靠单纯正畸治疗效果并不理想，正畸正颌联合治疗是首选方案，近年来外科机器人的发展促进了机器人在正颌领域的应用。在正颌手术中，精确的截骨是保证正颌手术的安全性和效果的前提，机器人的使用可以提升截骨的精确度。WU 等开发的机器人机械截骨系统准确地完成上颌LE-FORT I 型截骨术和颏成形术，实验误差仅为1.12±0.20 mm[28]，大大提升了截骨的精确度。然而由于颅颌面骨解剖外形不规则，使用机械骨锯很难做到精准切割，且基于机械工具的截骨术会对邻近的软组织和骨组织造成损害，导致愈合困难。利用激光进行截骨的机器人CARLO 可以很好的克服这些问题。该设备利用导航系统读取截骨手术的规划路径，光学跟踪设备对激光源位置进行精确测量，机械臂控制激光源位置，冷激光消融完成颌骨截断[29]。目前利用CARLO 完成14 例LE-FORT I 型截骨的正颌手术，显示其安全性和精确性都已经能满足临床需求，需要优化的是主动反馈系统，进而控制截骨深度防止对深部组织造成损伤[30]。

正颌手术中，颌骨再定位的确认是关键操作步骤。传统的颌骨再定位是依靠外科牙合板，其制作耗时且误差大，利用机器人可以将颌骨精确地定位到计划位置。相关研究显示对模型进行LE-FORT I型截骨后利用图像导航系统辅助机器人进行上颌骨再定位，最终的位置与目标位置在水平向，矢状向，及垂直向偏差分别为0.16 mm，0.18 mm，0.20 mm[31]，从数据上证实再定位的精确性。

正颌手术辅助机器人在临床上已被证明具有应用可行性，但还有很多方面尚待改进。如术前的路径规划，术中图像导航以及机器人的体积缩小化。首先是术前的路径规划，如何基于术前设计的离散路径，实现时间轴上的平滑轨迹规划，是路径规划的难点。利用B样条曲线拟合完成的术前手术路径规划可以实现规划路径整体平滑，并可以保证位置、速度和加速度的连续性[32]。图像导航是正颌辅助机器人的重要组成部分，它可以使机器人精确地按照术前规划路径进行操作，基于双目立体成像和三维数字图像相关（3D-DIC）算法的设计正颌手术导航系统能够实现全局器械跟踪及实时测量[33]。针对正颌手术机器人体积过于庞大限制了其在临床的应用的问题，具有工作空间限制机构（WLM）的紧凑轻便的机器人是未来正颌机器人发展的一种趋势[34]。

五、总结与展望

机器人的应用已经成为未来口腔正畸领域的发展趋势，但要将其应用于临床仍存在一些阻碍。首先机器人价格昂贵，导致其不能在临床上普及；其次，机器人系统相对复杂，需要医生同时掌握临床知识和机器人方面的相关知识；最重要的方面可能是牙医对患者的接受度和依从性是未知的[35]。

目前，大部分的正畸机器人仍然处于实验的阶段，尚需大量的临床实验去证实其有效性及可行性。当前正畸机器人发展主要趋势是人机交互以及机器学习，通过人机交互能够让医生更加便捷地操作机器人，而通过机器学习可以使机器人更快地适应新的情况。弓丝弯制机器人和诊断机器人是当前的研究重点。但鉴于纳米机器人明确的优势，其将会在正畸领域越来越受重视，未来相关研究也会日益丰富。国内对于正畸机器人的研究目前仍处于起步阶段，需要借助于多学科的合作研发，充分发挥机器人的自身优势，增进正畸临床操作的精确度，以提高临床疗效。相信随着科学技术的发展，机器人在正畸领域应用会更加广泛，为正畸领域新一轮的技术革新增添活力。