由北京大學(xué)口腔醫(yī)院口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實(shí)驗(yàn)室研制的國際首臺(tái)激光自動(dòng)化牙體預(yù)備小型機(jī)器人系統(tǒng),，采用精細(xì)化設(shè)計(jì),，利用機(jī)器人自動(dòng)控制飛秒激光束，嚴(yán)格按臨床醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求,，在口腔內(nèi)精確定位,、對(duì)需要治療的牙齒進(jìn)行“精準(zhǔn)”切割與磨除，有望改變目前臨床醫(yī)師手工備牙的傳統(tǒng)方法,。

同時(shí),，該系統(tǒng)可以與目前先進(jìn)的口腔數(shù)字化義齒制作設(shè)備和3D打印設(shè)備共同結(jié)合，快速精確地完成義齒的修復(fù)治療,，縮短患者的就醫(yī)時(shí)間,，改善患者的就診舒適度，同時(shí)減輕醫(yī)師的工作壓力,。在2016中國口腔修復(fù)研討會(huì)上,，北京大學(xué)口腔醫(yī)院呂培軍教授對(duì)該系統(tǒng)及其應(yīng)用探討進(jìn)行了介紹。

講者：呂培軍

北京大學(xué)口腔醫(yī)院

口腔修復(fù)先進(jìn)技術(shù)手段暢想

　　呂培軍教授認(rèn)為,，口腔修復(fù)學(xué)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)個(gè)性,、精準(zhǔn)、微創(chuàng),、智能和高效,。可借助的技術(shù)手段包括生物技術(shù),、數(shù)字化技術(shù),、多功能材料技術(shù),。

　　采用如生物基因技術(shù)等對(duì)牙齒及組織進(jìn)行再生修復(fù)是最理想的修復(fù)手段，有可能從根本上改變醫(yī)學(xué)現(xiàn)狀,，但該技術(shù)離完全實(shí)現(xiàn)還比較遙遠(yuǎn),。

　　數(shù)字化技術(shù)可以輔助醫(yī)師，減輕醫(yī)師工作負(fù)荷,、提高工作質(zhì)量和效率,；改善患者就診時(shí)的舒適度，方便患者,，是目前最貼近修復(fù)臨床應(yīng)用的技術(shù),。

　　生物活性多功能材料技術(shù)則可以改變治療理念和方法，優(yōu)化療效,。例如美國哈佛大學(xué),、諾丁漢大學(xué)將一種新型充填生物材料注入牙齒后，該材料可以刺激干細(xì)胞增殖,，分化成牙本質(zhì),。

　　這3項(xiàng)技術(shù)手段可能會(huì)為實(shí)現(xiàn)口腔修復(fù)學(xué)目標(biāo)提供有力的基礎(chǔ)保障。

口腔數(shù)字化修復(fù)技術(shù)

　　呂培軍教授介紹,，目前的口腔數(shù)字化修復(fù)技術(shù)包括 ：

1. CAD/CAM/3D打印技術(shù),。該技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用,，如全口義齒,、固定義齒、托盤,、導(dǎo)板的3D打印等,。

2. 數(shù)字化多維數(shù)據(jù)獲取、傳感技術(shù),，該技術(shù)可以使口腔檢查客觀量化,，如使用紅外線成像技術(shù)探測口腔頜面腫瘤頸部淋巴轉(zhuǎn)移。

3. 人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù),，可輔助臨床醫(yī)師進(jìn)行診斷和醫(yī)療計(jì)劃決策,，如基于人工智能的臨床決策支持系統(tǒng)研究（CDSS）。

4. 機(jī)器人輔助臨床治療技術(shù),，可減輕醫(yī)師工作強(qiáng)度,，提高工作效率和質(zhì)量，如外科手術(shù)機(jī)器人,。

機(jī)器人牙體預(yù)備系統(tǒng)

機(jī)器人牙體預(yù)備系統(tǒng)的臨床需求

　　牙體預(yù)備是牙齒硬組織疾病臨床治療的基本操作環(huán)節(jié),，精準(zhǔn)的牙體預(yù)備是成功修復(fù)治療的重要前提。但手工牙體預(yù)備有其局限性：在口腔狹小空間內(nèi),，因人眼視覺偏差,、盲區(qū)，人手誤差,，醫(yī)師很難精準(zhǔn)控制牙體預(yù)備質(zhì)量,。事實(shí)上，一般人幾乎不可能完全達(dá)到教科書和臨床操作規(guī)范要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（圖1）,。

圖1  教科書提出的牙體預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)（單位：mm）

　　臨床上牙體預(yù)備可能的問題包括舌軸面聚合度過大,、肩臺(tái)過寬、預(yù)備形態(tài)不佳,、下后牙預(yù)備牙合齦距不足等,。且就預(yù)備過程而言，醫(yī)師和患者經(jīng)常都會(huì)感到不舒適（圖2）,。

圖2  臨床醫(yī)師進(jìn)行手工牙體預(yù)備的現(xiàn)狀

　　研究顯示,，牙體預(yù)備量和聚合度是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量牙體預(yù)備的瓶頸。如阿明坦（Amintan）等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，由臨床醫(yī)師在模型上進(jìn)行牙體預(yù)備,，結(jié)果顯示唇舌面預(yù)備不足，切端預(yù)備過多,。利恩普（Leempoel PJB ）等測量發(fā)現(xiàn)臨床備牙的平均軸壁聚合度最小為7.75°,，最大為15.15°。陳麗萍等人的實(shí)驗(yàn)表明,，當(dāng)軸壁聚合度從6°增大到10°時(shí),，固位力顯著下降。

　　因此,，利用機(jī)器人高精度,、靈巧和快速的能力改變臨床醫(yī)師的手工操作方式，提高臨床牙體預(yù)備的精準(zhǔn)性和效率,，有現(xiàn)實(shí)和科學(xué)意義,。

臨床牙體預(yù)備機(jī)器人系統(tǒng)組成

　　“機(jī)器人”的含義非常廣泛，一般來說,，只要能夠部分自主地執(zhí)行人的某些動(dòng)作,，接受人的控制，就可以稱之為機(jī)器人,。其形狀大相徑庭,。臨床牙體預(yù)備機(jī)器人系統(tǒng)由牙體預(yù)備專用超短脈沖激光發(fā)生器、導(dǎo)光臂,、牙齒定位器,、口內(nèi)微機(jī)器人自動(dòng)牙齒切削機(jī)等幾部分組成（圖3）。

圖3  系統(tǒng)組成示意圖

　　機(jī)器人可以做到“身”,、“手”分開,，把概念轉(zhuǎn)換成動(dòng)作來執(zhí)行指令,。牙體預(yù)備機(jī)器人通過定位器與要預(yù)備的目標(biāo)牙整合到同一坐標(biāo)系，獲取目標(biāo)牙及定位器的三維數(shù)據(jù),，然后將兩個(gè)三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn),，使用軟件按照教科書標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全冠預(yù)備體形態(tài)設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃，最后通過自動(dòng)牙齒切削機(jī)中的多振鏡機(jī)器人（圖4）控制激光,，完成牙體預(yù)備,。該系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)初步研發(fā)出來（圖5），并在《自然》（Nature）子刊《科學(xué)報(bào)道》（Scientific Reports）雜志進(jìn)行了系列報(bào)道,。

圖4  多軸振鏡機(jī)器人設(shè)計(jì)示意圖

圖5  國際首套臨床牙體預(yù)備機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)

機(jī)器人牙體預(yù)備系統(tǒng)初步應(yīng)用結(jié)果

　　呂培軍教授團(tuán)隊(duì)在仿頭模內(nèi)用離體自動(dòng)化牙體預(yù)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，發(fā)現(xiàn)牙體預(yù)備時(shí)間約為17分鐘/牙。預(yù)備體與CAD模型整體平均偏差0.05~0.17 mm,，牙合面預(yù)備量平均偏差0.1 mm（手工+目測預(yù)備平均約為0.9 mm）,，軸面聚合度角度平均偏差1.1°（手工+目測預(yù)備平均為12.2~27°）（圖6~圖7）。

圖6  機(jī)器人控制飛秒激光自動(dòng)備牙

圖7  機(jī)器人自動(dòng)預(yù)備完成的牙體

自動(dòng)化全冠同步修復(fù)

　　CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用越來越普遍,、成熟,，但目前僅能支持修復(fù)后期流程，即技工制作,，能不能進(jìn)一步發(fā)揮這一技術(shù),，使后期修復(fù)體制作和前期的設(shè)計(jì)一體化，提高效率,？呂培軍教授團(tuán)隊(duì)借助機(jī)器人自動(dòng)牙體預(yù)備系統(tǒng)與口腔CAD/CAM系統(tǒng),，探討了臨床全冠修復(fù)數(shù)字化同步實(shí)現(xiàn)的可能。

　　呂培軍教授表示,，由于牙冠組織面等于基牙的外表面,，因此，當(dāng)CAD軟件完成牙冠設(shè)計(jì)后,，該數(shù)據(jù)除可驅(qū)動(dòng)CAM完成牙冠的制作,，同時(shí)也可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)精確完成基牙預(yù)備（圖8）。

圖8  自動(dòng)化全冠同步修復(fù)操作流程

　　微小機(jī)器人系統(tǒng)牙體預(yù)備與CAM設(shè)備制作全冠修復(fù)體或金屬3D打印全冠修復(fù)體可同步進(jìn)行,，該系統(tǒng)工作環(huán)境及模擬操作流程如圖9~20,。

圖9  工作環(huán)境

圖10  患者因齲（模擬）缺損要求全冠修復(fù)

圖11  口內(nèi)放置定位器

圖12  口內(nèi)掃描設(shè)備獲取患牙的三維數(shù)據(jù)

圖13  全冠預(yù)備體的設(shè)計(jì)

圖14  機(jī)器人牙體預(yù)備路徑規(guī)劃

圖15  CAD設(shè)計(jì)全冠修復(fù)體

圖16  機(jī)器人牙體預(yù)備結(jié)果

圖17  CAM玻璃陶瓷全冠制備結(jié)果

圖18  CAM玻璃陶瓷全冠戴入

圖19  3D打印金屬全冠戴入

圖20  CAM同步加工的陶瓷冠戴入預(yù)備體

　　呂培軍教授表示，微小機(jī)器人自動(dòng)備牙系統(tǒng)的研發(fā)從啟動(dòng)到取得初步成果已經(jīng)歷經(jīng)4年時(shí)間,，研究還在繼續(xù)進(jìn)行,，最主要的問題在于攻克兩大實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，即切削精度控制和定位精度控制,。

探索系統(tǒng)在種植領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在臨床種植過程中,，種植窩洞的制備方向、角度、深度等與種植成功密切相關(guān),。目前臨床上種植窩洞制備采用的種植機(jī)是一種低速,、大扭矩的機(jī)器，可以保證切削的同時(shí)不產(chǎn)生熱,。但仍要靠“醫(yī)生手”進(jìn)行操作,，誤差較大，能不能用備牙機(jī)器人進(jìn)行制備,？呂培軍教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。

微型機(jī)器人種植動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

　　該實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ㄌ接懳⑿蜋C(jī)器人自動(dòng)化種植技術(shù)的可行性,、術(shù)區(qū)溫度,、術(shù)區(qū)出血的影響、種植窩洞制備精度以及確定實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的適合性與可信度,。實(shí)驗(yàn)將大耳白固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái),，使用微型機(jī)器人自動(dòng)化制備種植窩洞，風(fēng)冷降溫,。在兔左右側(cè)腿,、近心遠(yuǎn)心端分別由機(jī)器人控制的超短脈沖激光傳統(tǒng)種植機(jī)制備直徑3 mm深度4 mm的種植窩洞，植入自主打印的類種植體,，常規(guī)拉攏縫合,。在實(shí)驗(yàn)過程中記錄術(shù)區(qū)溫度、出血量,。

　　結(jié)果發(fā)現(xiàn),，微型機(jī)器人系統(tǒng)控制超短脈沖激光完成自動(dòng)化種植窩洞制備可初步實(shí)現(xiàn)，術(shù)區(qū)溫度在60度以上,，術(shù)區(qū)出血量的影響較小,。

　　實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題包括種植窩周圍骨組織出現(xiàn)炭化、術(shù)區(qū)溫度過高（60度以上）,、實(shí)際種植窩洞的直徑略小于設(shè)計(jì)時(shí)的尺寸,。可能的原因包括單次切削深度參數(shù)使用不當(dāng),；激光脫焦,，不能形成有效切削；以及多余能量轉(zhuǎn)化為熱能,。

　　該研究得出初步結(jié)論：應(yīng)使用產(chǎn)熱更少的飛秒激光（超短脈沖激光不適合）進(jìn)行預(yù)備,，需通過大量實(shí)驗(yàn)探索切削骨組織的最適參數(shù)，同時(shí)還需研究更有效的冷卻方案,。

異形種植體相關(guān)研究

　　圓柱形,、錐形種植體在臨床上應(yīng)用日趨成熟。但對(duì)于種植條件較差的患者，除植骨方法以外,，缺少對(duì)于個(gè)性化（異形）種植釘?shù)难芯颗c開發(fā),。即便已有3D打印個(gè)性化種植體（圖21）的方法，缺少臨床手術(shù)中數(shù)控的自動(dòng)化骨組織鉆孔設(shè)備,，無法精確制備非標(biāo)準(zhǔn)圓形的異形種植窩洞,，也無法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化種植。

圖21  3D打印的鈦合金個(gè)性化仿真種植牙

　　呂培軍教授認(rèn)為根據(jù)已具備的以下4個(gè)條件,，成功種植異形種植體是可行的,。這些條件包括① 金屬快速成型技術(shù)制作任意形狀個(gè)性化種植體。② 牙體預(yù)備機(jī)器人可以根據(jù)任意個(gè)性化牙根數(shù)據(jù)或異形體數(shù)據(jù)來精確制備,、形成個(gè)性化的種植窩洞,。③ 飛秒激光導(dǎo)熱低，對(duì)周圍組織細(xì)胞無熱損傷,。④ 相對(duì)而言,，種植體抗扭轉(zhuǎn)能力越大越好，種植體表面積越大越好,，可應(yīng)用三維有限元分析,，設(shè)計(jì)不同形狀種植體，分析馮·米塞斯應(yīng)力,，選擇符合牙槽骨生物力學(xué)條件的種植體,。呂培軍教授團(tuán)隊(duì)采用透明高分子材料打印的3D下頜模型進(jìn)行了異形種植體研究（圖22~ 23）。

圖22  將3D打印的鈦合金真牙（分體式）下半部牙根置入由機(jī)器人用激光制備的相匹配的個(gè)性化窩洞,，然后插上半部牙冠

圖23  異形種植體植入牙槽嵴

　　異形種植體與傳統(tǒng)圓柱形種植體相比,，具有更大的表面積及抗扭轉(zhuǎn)性能，有利于提高種植體的初期穩(wěn)定性,。例如橢圓柱體最小半徑與圓柱體半徑相同情況下,，橢圓柱體表面積明顯大于圓柱體，有利于種植體與骨的結(jié)合,；相同條件（骨質(zhì),、表面積）下，三棱柱在骨內(nèi)旋轉(zhuǎn)扭矩大于圓柱體扭矩,。因此,，對(duì)那些原本需要植骨或需上頜竇提升術(shù)的患者，有望采用金屬快速成型技術(shù)制作個(gè)性化種植體,，并借助機(jī)器人自動(dòng)備牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精確的“個(gè)性化異形窩洞制備”,，這是目前口腔臨床渦輪鉆機(jī)、超聲骨刀等技術(shù)裝備所無法實(shí)現(xiàn)的,。

展望

　　呂培軍教授認(rèn)為,，未來口腔機(jī)器人將向小型化,、精密化完善，同時(shí)實(shí)現(xiàn)口腔修復(fù)自動(dòng)化,、一體化進(jìn)程,。機(jī)器人控制飛秒激光技術(shù)在口腔種植及其他領(lǐng)域的應(yīng)用正在探索之中，或?qū)榭谇会t(yī)學(xué)發(fā)展帶來新的希望,。

（本文由 吳立平 根據(jù) 呂培軍 教授講座內(nèi)容整理,，呂培軍教授審閱）

講者簡介

　　呂培軍，主任醫(yī)師,，教授,，博士生導(dǎo)師。北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心首任主任（1995-2015）,、口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任,、國家衛(wèi)計(jì)委口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任。中華口腔醫(yī)學(xué)會(huì)理事,、中華口腔醫(yī)學(xué)會(huì)口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)委員會(huì)第一、二屆主任委員,，現(xiàn)名譽(yù)主任委員,。中華口腔醫(yī)學(xué)雜志編委、現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志編委,、實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志編委,、中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志編委和口腔頜面修復(fù)雜志編委。臺(tái)灣中山醫(yī)學(xué)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院客座教授,。

　　長期從事口腔修復(fù)醫(yī)學(xué)臨床醫(yī)療,、科學(xué)研究和教學(xué)工作。自80年代初開始跟蹤國際口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)態(tài),，同時(shí)率先在我國開展口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究,。主要研究方向：口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料、數(shù)學(xué),、計(jì)算機(jī)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與研究,。

來自《中國醫(yī)學(xué)論壇報(bào)·今日口腔》

第135期第08~10版

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