口腔种植机器人的研究发展及应用现状

陈圆圆 尼加提·吐尔逊

新疆医科大学第二附属医院口腔科,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830063

机器人被定义为“感知与行动之间的智能连接”[1],最早出现在20世纪二三十年代。医学机器人可以被看作是人类眼睛和手功能的扩展,能够代替我们去执行许多无法完成且较精细的动作,以弥补在人类医疗操作过程中的不足和缺憾[2]。近年来,我们也在不断地探索医学机器人这类技术,使用机器人进行手术已成为手术治疗的一个重要发展方向[3]。现如今,随着医疗机器人及相关技术的不断发展,口腔医学中机器人的研发和应用也变得日趋成熟,在种植手术领域内也逐渐出现使用机器人进行种植牙的研究。种植机器人的智能化、精准高效及微创安全等特性在口腔医学领域应用上具有独特的优势。下面将对口腔种植机器人的应用现状及发展趋势展开论述,希望能够为市场未来的发展带来一些启发。

1 口腔种植术概况

在1965年,自德国Branemark博士植入第一颗种植牙齿起,世界各国就开展了种植牙临床的应用与科研。经过多年的发展,种植手术也逐渐数字化、现代化[4]。种植体植入的成功治疗和康复效果在很大程度上取决于种植体在颌骨内放置的位置、角度、深度[5-6]。为了减少植体的定位误差,我们会在口腔种植手术中使用种植导板技术和导航技术,并成功按术前规划的最佳方向和深度将种植体植入窝洞[7],使得整个手术过程完全处于实时动态监控之下,对于降低手术创伤、优化种植路径、提升手术安全性等都具有非常重要的意义。但是,在种植手术中最关键的种植窝洞制备仍是依靠医生手工完成[8],医生的手术技巧以及种植手机工作时引起的手部震颤,会对种植的精度产生负面影响[9]。另一方面,由于口腔空间狭小以及软硬组织对视线的阻挡,尤其是在缺失后牙时,开口的限制可能会造成尴尬的工作位置,从而潜在地导致手术操作者疲劳和人为失误的可能性,更会给患者带来不好的就诊体验[10]。因此,为了尽可能排除人工主观因素对种植精度的影响,研究者们开始将目光投向机器人技术,并构建了一些可用于口腔种植领域的机器人系统,机器人手术在辅助牙种植过程中具有持续的精度、更高的稳定性、更高的效率和更大的灵活性,这是一项极具有颠覆性的技术,国内外学者们也取得了一些初步的成果。

2 口腔种植机器人的应用研究发展与现状

最早在2002年,Boesecke等学者[11]构建了第一个引导牙种植体植入的机器人。这项研究中提出机器人系统的工作区域范围约为70cm,在种植手术过程中执行种植钻孔指导,最后将48枚种植体放置在根尖边界1～2mm内。2006年,Pires等[12]研究学者经过探索种植体着床的方向、位移、直径对种植体及其周围颌骨应力的影响作用,从而建立了一个主要由机械工业臂、应力/应变测量仪、力矩/力感应器、数据采集板等所构成的口腔种植机器人装置,并通过探索种植体最佳的位置和种植体的数量,希望能够获得最佳的植入修复设计,以便应用于进行植入窝孔的制备设计和种植体的植入。2012年,一种具有6个自由度(DOF)的自主机器人系统被提出,基于使用一种体积分解的程序,在下颌模型中放置了一个根状种植体[13]。随后,一个带有立体摄像机的3-DOF机器人系统被开发出来,能够检测和调整种植手机,根据术前设计以确保种植体放置的位置[14]。

2017年,牙种植机器人YOMITM(Neocis Inc,Miami,FL,USA)系统成为世界上第一个由FDA(美国食品和药物管理局)批准的计算机导航机器人系统,可以协助口腔医生进行口腔植体植入手术,通过提供可视化界面以及手术器械指导来提高临床手术的准确性[15]。YOMITM机器人是通过结合坐标测量机(CMM)系统获得种植位姿,但采用了固定口内夹板的形式,方便安装与更换[16]。该系统应用多感官振动反馈提供高预见性和精度,控制种植体钻头的位置、深度和方向,从而避免了手术操作人员的自由手偏差。然而,YOMITM系统种植机器人的成本相对昂贵,需要在监督下运行[15]。

在国内,空军军医大学赵铱民教授及其团队对口腔牙种植机器人技术进行了持续研究,与北京航空航天大学团队合作开发了世界首台“完全自主式”牙种植手术机器人[17],手术程序无须外科医生干预即可执行,具有高度的自主权[18]。在2017年为1名女性完成了2颗缺牙的种植即刻修复。系统由图像引导平台、商用机械机器人、植入平台和DentalNavi软件(空军军医大学)组成。该技术采用光学三维位置辨识技术确定放置于病人口腔的固定标识器,并根据术前制定的植入计划对病人实施窝洞制备。种植体植入后,通过比较术后锥形束计算机断层扫描与术前设计的位置来评估其精度。其结果平均入路偏差为(0.705±0.145)mm,平均根尖偏差为(0.998±0.232)mm,平均轴向偏差为(2.077±0.455)mm[17]。该手术进程将于1h内进行,牙冠戴进顺利,咬合、美观度和稳定性都取得了预期疗效[19]。

2019年,上海交大医学院附属第九人民医院曹正纲在机器人辅助无牙颌手术种植体植入精度的体外模型研究中,引入了长度为50mm的颧种植体(Zygomatic implant,ZI),尽管该研究有部分局限性,但进一步验证了实时手术导航机器人系统在严重萎缩无牙颌种植体植入中的准确性。此后,赵铱民教授团队不断进行技术创新,使机器人的各项特性提高,而且操作也更加简单[20]。研究成果已于2018年3月完成产品转化,口腔种植牙机器人技术平台的研究已于2020年6月成功获得国家食品药品检定研究所的医疗器械型式与试验注册及测试报告,于2020年9月成功通过国家药品监督管理局创新型医疗器械特别评审,同时通过国家医用仪表科技审评机构开展的创新型医疗器械公示,进入国家研发注册临床标准阶段[21]。

2021年4月,我国颁发了首个种植机器人医疗许可证,获批的瑞医博口腔手术机器人采用非接触式光学导航,即通过可见光导航建立光学跟踪定位仪、机器人及患者之间的准确位置关系,术中实现实时光学跟踪、随动和自动种植。种植医师在种植机器人辅助下完成手术,可大幅度提高手术精度,将误差控制在0.5mm以内,最大限度实现微创的目标,降低手术风险,缩短手术时间,实现标准化种植。2021年11月13日,北京协和医院宿玉成教授及其团队创世界口腔种植之首,借助瑞医博口腔手术机器人,顺利完成了全球首例光学导航机器人辅助全口无牙颌种植及数字化即刻修复手术,实现了光学导航机器人从单颗牙到无牙颌的应用突破,广受口腔业界及各方瞩目。机器人辅助全口无牙颌种植及数字化即刻修复的成功开展标志着光学导航机器人应用术式已成功拓展至口腔科高难度手术。

3 口腔种植机器人的组成及手术流程

如图1所示,该机器人由机械臂(含夹持器)、手术导航软件(型号:RemeDent,版本: V1. 0)、光学跟踪定位仪、专用仪器车等组成。手术流程:医师完成局部麻醉、放置定位导板、手术注册、更换钻针等操作,机器人按照术前规划,准确定位手术的靶点和路径,完成自动校准、自动提拉、自动下钻的外科程序。手术机器人凭借高频刷新和随动,术中实时追踪和校准,最大限度避开术区,不对手术操作造成干扰。术后医生一次性直接戴入术前制作的临时修复体,临时修复体与种植体位置完美契合,咬合关系确认无误,术后影像扫描显示所有植体准确植入术前规划位置。

4 口腔种植机器人技术的优劣势及未来发展趋势

4.1 种植机器人优劣势分析 种植机器人的自动化、高精确度等特性,使它在口腔医学行业的使用有着特殊价值,主要表现在以下5点优势。(1)口腔植入术通常要求医生手持种植手机进行操作,长期使用不可避免会产生震颤情况。采用操控机器人的机械手臂进行操作,从而有效地过滤震颤能够更精准的种植,既大大提高了种植过程中的安全性与有效性,也减少了医务人员的工作劳动强度,更有利于医务人员的自身健康。(2)口腔内构造精细复杂,通过植入机器人的定位导航装置可以实现精确定位,采用微创的方法进一步缩小了种植牙的切口,降低了医源性损害和并发症的概率,进而改善整体医疗质量。(3)人类口腔器官的许多结构都无法用肉眼看清,但通过种植机器人所搭载的视觉系统和操作系统,可克服医生肉眼的缺陷,从而达到更清晰的操作视野。完成了一些在无法直视情况下完成,而传统仪器又无法达到的检查和处理。(4)种植机器人能够和外部产生相互作用,比如对通过视觉系统收到的影像和人体无法察觉到的微小的外力、转矩、几何误差等变化以及作业人发送的命令等,机器人均能够在毫秒之内作出适当的反应。这一特性也确保了种植机器人能够在紧急情况下,快速作出反应并停止工作。(5)种植机器人能够部分代替医务人员去进行诊疗,减少被传染的可能性。比如可以利用操纵机器人对具有感染性疾患的人群实施口腔诊疗处理,最大限度减少医务人员在感染环境中的暴露。

同时值得关注的是,口腔种植机器人在国内的使用还处在萌芽状态,有待更深入的临床实践和研发。口腔种植机器人研究虽然取得了较大的进展,但还是不够完善,主要表现在:(1)通常机器结构比较复杂,体积较大,且必须在大型的诊疗室内才能放置;(2)现阶段智能化水平普遍不高,功能相对单一,以辅助医生进行操作为主。

4.2 种植机器人的未来发展趋势 过去3年世界正在见证COVID-19新冠疫情的特殊事件,这一新时代将成为世界历史上的一个重要转折点。在这场危及生命的疫情中,口腔医生可以利用机器人在不同领域的众多应用程序远程进行种植手术治疗,遵循社交距离的新规范,减少工作时间,从而大大降低了感染种植医生和患者的风险。值得注意的是,当一种新技术在新的环境中被引入时,它肯定会受到不同方面的障碍。其中一个障碍是口腔种植机器人技术费用极其昂贵[22]。此外,另一个重要的方面可能是在口腔治疗中未知患者对这项技术的接受性和依从性。种植机器人系统是复杂的,需要专业知识来进行正确的操作。因此,对所有临床口腔医生来说,掌握这些技术的基本知识和技能是非常重要的。目前,中国的种植牙市场巨大,所以通过一台种植机器人,可以通过全套的数字化解决方案,帮助更多的医生掌握高端的种植牙技术,惠及更多缺牙患者,势必会促使现代口腔诊疗活动向着精准、微创、高效的方向发展。在许多应用领域,我们常听到机器人将会替代人类的观点,但由于工作环境与对象的复杂性,种植机器人仍然需要人类的协助,机器人和人类发挥各自优势,取长补短并不断完善,将会是未来的发展常态。

5 展望

口腔医学正朝着数据驱动和机器人辅助手术的新时代前进,随着口腔数字化及人工智能技术日新月异,数字化种植外科使“精准种植”得以实现,而口腔种植手术机器人的出现及应用则将“精准种植”推向了又一新的高度。种植机器人技术无疑是技术领域的一项巨大突破,其在牙种植方面的应用具有巨大的潜力。当然,临床需求是创新的源动力,我们也期待机器人在口腔领域的进一步应用。虽然目前机器人技术还没有普遍地使用,但是随着科技的日益完善与进展,相信种植机器人将会给口腔医学领域带来重大的技术革新。