微小機器人自動備牙系統及其應用探討——呂培軍教授
由北京大學口腔醫院口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室研製的國際首台激光自動化牙體預備小型機器人系統，採用精細化設計，利用機器人自動控制飛秒激光束，嚴格按臨床醫學標準和規範要求，在口腔內精確定位、對需要治療的牙齒進行「精準」切割與磨除，有望改變目前臨床醫師手工備牙的傳統方法。
同時，該系統可以與目前先進的口腔數字化義齒製作設備和3D列印設備共同結合，快速精確地完成義齒的修復治療，縮短患者的就醫時間，改善患者的就診舒適度，同時減輕醫師的工作壓力。在2016中國口腔修復研討會上，北京大學口腔醫院呂培軍教授對該系統及其應用探討進行了介紹。
講者：呂培軍
北京大學口腔醫院
口腔修復先進技術手段暢想
呂培軍教授認為，口腔修復學的目標是實現個性、精準、微創、智能和高效。可藉助的技術手段包括生物技術、數字化技術、多功能材料技術。
採用如生物基因技術等對牙齒及組織進行再生修復是最理想的修復手段，有可能從根本上改變醫學現狀，但該技術離完全實現還比較遙遠。
數字化技術可以輔助醫師，減輕醫師工作負荷、提高工作質量和效率；改善患者就診時的舒適度，方便患者，是目前最貼近修復臨床應用的技術。
生物活性多功能材料技術則可以改變治療理念和方法，優化療效。例如美國哈佛大學、諾丁漢大學將一種新型充填生物材料注入牙齒後，該材料可以刺激幹細胞增殖，分化成牙本質。
這3項技術手段可能會為實現口腔修復學目標提供有力的基礎保障。
口腔數字化修復技術
呂培軍教授介紹，目前的口腔數字化修復技術包括 ：
CAD/CAM/3D列印技術。該技術日趨成熟，已經在臨床上廣泛應用，如全口義齒、固定義齒、托盤、導板的3D列印等。
數字化多維數據獲取、感測技術，該技術可以使口腔檢查客觀量化，如使用紅外線成像技術探測口腔頜面腫瘤頸部淋巴轉移。
人工智慧與大數據技術，可輔助臨床醫師進行診斷和醫療計劃決策，如基於人工智慧的臨床決策支持系統研究（CDSS）。
機器人輔助臨床治療技術，可減輕醫師工作強度，提高工作效率和質量，如外科手術機器人。
機器人牙體預備系統
機器人牙體預備系統的臨床需求
牙體預備是牙齒硬組織疾病臨床治療的基本操作環節，精準的牙體預備是成功修復治療的重要前提。但手工牙體預備有其局限性：在口腔狹小空間內，因人眼視覺偏差、盲區，人手誤差，醫師很難精準控制牙體預備質量。事實上，一般人幾乎不可能完全達到教科書和臨床操作規範要求的相關標準（圖1）。
圖1 教科書提出的牙體預備標準（單位：mm）
臨床上牙體預備可能的問題包括舌軸面聚合度過大、肩台過寬、預備形態不佳、下後牙預備牙合齦距不足等。且就預備過程而言，醫師和患者經常都會感到不舒適（圖2）。
圖2 臨床醫師進行手工牙體預備的現狀
研究顯示，牙體預備量和聚合度是實現高質量牙體預備的瓶頸。如阿明坦（Amintan）等實驗發現，由臨床醫師在模型上進行牙體預備，結果顯示唇舌面預備不足，切端預備過多。利恩普（Leempoel PJB ）等測量發現臨床備牙的平均軸壁聚合度最小為7.75°，最大為15.15°。陳麗萍等人的實驗表明，當軸壁聚合度從6°增大到10°時，固位力顯著下降。
因此，利用機器人高精度、靈巧和快速的能力改變臨床醫師的手工操作方式，提高臨床牙體預備的精準性和效率，有現實和科學意義。
臨床牙體預備機器人系統組成
「機器人」的含義非常廣泛，一般來說，只要能夠部分自主地執行人的某些動作，接受人的控制，就可以稱之為機器人。其形狀大相徑庭。臨床牙體預備機器人系統由牙體預備專用超短脈衝激光發生器、導光臂、牙齒定位器、口內微機器人自動牙齒切削機等幾部分組成（圖3）。
圖3 系統組成示意圖
機器人可以做到「身」、「手」分開，把概念轉換成動作來執行指令。牙體預備機器人通過定位器與要預備的目標牙整合到同一坐標系，獲取目標牙及定位器的三維數據，然後將兩個三維數據配准，使用軟體按照教科書標準進行全冠預備體形態設計及路徑規劃，最後通過自動牙齒切削機中的多振鏡機器人（圖4）控制激光，完成牙體預備。該系統樣機已經初步研發出來（圖5），並在《自然》（Nature）子刊《科學報道》（Scientific Reports）雜誌進行了系列報道。
圖4 多軸振鏡機器人設計示意圖
圖5 國際首套臨床牙體預備機器人系統樣機
機器人牙體預備系統初步應用結果
呂培軍教授團隊在仿頭模內用離體自動化牙體預備進行實驗，發現牙體預備時間約為17分鐘/牙。預備體與CAD模型整體平均偏差0.05~0.17 mm，牙合面預備量平均偏差0.1 mm（手工+目測預備平均約為0.9 mm），軸面聚合度角度平均偏差1.1°（手工+目測預備平均為12.2~27°）（圖6~圖7）。
圖6 機器人控制飛秒激光自動備牙
圖7 機器人自動預備完成的牙體
自動化全冠同步修復
CAD/CAM技術應用越來越普遍、成熟，但目前僅能支持修復後期流程，即技工製作，能不能進一步發揮這一技術，使後期修復體製作和前期的設計一體化，提高效率？呂培軍教授團隊藉助機器人自動牙體預備系統與口腔CAD/CAM系統，探討了臨床全冠修複數字化同步實現的可能。
呂培軍教授表示，由於牙冠組織面等於基牙的外表面，因此，當CAD軟體完成牙冠設計後，該數據除可驅動CAM完成牙冠的製作，同時也可驅動機器人自動精確完成基牙預備（圖8）。
圖8 自動化全冠同步修復操作流程
微小機器人系統牙體預備與CAM設備製作全冠修復體或金屬3D列印全冠修復體可同步進行，該系統工作環境及模擬操作流程如圖9~20。
圖9 工作環境
圖10 患者因齲（模擬）缺損要求全冠修復
圖11 口內放置定位器
圖12 口內掃描設備獲取患牙的三維數據
圖13 全冠預備體的設計
圖14 機器人牙體預備路徑規劃
圖15 CAD設計全冠修復體
圖16 機器人牙體預備結果
圖17 CAM玻璃陶瓷全冠製備結果
圖18 CAM玻璃陶瓷全冠戴入
圖19 3D列印金屬全冠戴入
圖20 CAM同步加工的陶瓷冠戴入預備體
呂培軍教授表示，微小機器人自動備牙系統的研發從啟動到取得初步成果已經歷經4年時間，研究還在繼續進行，最主要的問題在於攻克兩大實驗難點，即切削精度控制和定位精度控制。
探索系統在種植領域的應用
在臨床種植過程中，種植窩洞的製備方向、角度、深度等與種植成功密切相關。目前臨床上種植窩洞製備採用的種植機是一種低速、大扭矩的機器，可以保證切削的同時不產生熱。但仍要靠「醫生手」進行操作，誤差較大，能不能用備牙機器人進行製備？呂培軍教授團隊進行了一系列實驗。
微型機器人種植動物實驗
該實驗目的包括探討微型機器人自動化種植技術的可行性、術區溫度、術區出血的影響、種植窩洞製備精度以及確定實驗動物模型的適合性與可信度。實驗將大耳白固定於實驗台，使用微型機器人自動化製備種植窩洞，風冷降溫。在兔左右側腿、近心遠心端分別由機器人控制的超短脈衝激光傳統種植機製備直徑3 mm深度4 mm的種植窩洞，植入自主列印的類種植體，常規拉攏縫合。在實驗過程中記錄術區溫度、出血量。
結果發現，微型機器人系統控制超短脈衝激光完成自動化種植窩洞製備可初步實現，術區溫度在60度以上，術區出血量的影響較小。
實驗中出現的問題包括種植窩周圍骨組織出現炭化、術區溫度過高（60度以上）、實際種植窩洞的直徑略小於設計時的尺寸。可能的原因包括單次切削深度參數使用不當；激光脫焦，不能形成有效切削；以及多餘能量轉化為熱能。
該研究得出初步結論：應使用產熱更少的飛秒激光（超短脈衝激光不適合）進行預備，需通過大量實驗探索切削骨組織的最適參數，同時還需研究更有效的冷卻方案。
異形種植體相關研究
圓柱形、錐形種植體在臨床上應用日趨成熟。但對於種植條件較差的患者，除植骨方法以外，缺少對於個性化（異形）種植釘的研究與開發。即便已有3D列印個性化種植體（圖21）的方法，缺少臨床手術中數控的自動化骨組織鑽孔設備，無法精確製備非標準圓形的異形種植窩洞，也無法實現個性化種植。
圖21 3D列印的鈦合金個性化模擬種植牙
呂培軍教授認為根據已具備的以下4個條件，成功種植異形種植體是可行的。這些條件包括 金屬快速成型技術製作任意形狀個性化種植體。 牙體預備機器人可以根據任意個性化牙根數據或異形體數據來精確製備、形成個性化的種植窩洞。 飛秒激光導熱低，對周圍組織細胞無熱損傷。 相對而言，種植體抗扭轉能力越大越好，種植體表面積越大越好，可應用三維有限元分析，設計不同形狀種植體，分析馮·米塞斯應力，選擇符合牙槽骨生物力學條件的種植體。呂培軍教授團隊採用透明高分子材料列印的3D下頜模型進行了異形種植體研究（圖22~ 23）。
圖22 將3D列印的鈦合金真牙（分體式）下半部牙根置入由機器人用激光製備的相匹配的個性化窩洞，然後插上半部牙冠
圖23 異形種植體植入牙槽嵴
異形種植體與傳統圓柱形種植體相比，具有更大的表面積及抗扭轉性能，有利於提高種植體的初期穩定性。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於圓柱體，有利於種植體與骨的結合；相同條件（骨質、表面積）下，三稜柱在骨內旋轉扭矩大於圓柱體扭矩。因此，對那些原本需要植骨或需上頜竇提升術的患者，有望採用金屬快速成型技術製作個性化種植體，並藉助機器人自動備牙技術來實現精確的「個性化異形窩洞製備」，這是目前口腔臨床渦輪鑽機、超聲骨刀等技術裝備所無法實現的。
展望
呂培軍教授認為，未來口腔機器人將向小型化、精密化完善，同時實現口腔修復自動化、一體化進程。機器人控制飛秒激光技術在口腔種植及其他領域的應用正在探索之中，或將為口腔醫學發展帶來新的希望。
（本文由 吳立平 根據 呂培軍 教授講座內容整理，呂培軍教授審閱）
講者簡介
呂培軍，主任醫師，教授，博士生導師。北京大學口腔醫學院口腔醫學數字化研究中心首任主任（1995-2015）、口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室常務副主任、國家衛計委口腔醫學計算機應用工程技術研究中心常務副主任。中華口腔醫學會理事、中華口腔醫學會口腔醫學計算機專業委員會第一、二屆主任委員，現名譽主任委員。中華口腔醫學雜誌編委、現代口腔醫學雜誌編委、實用口腔醫學雜誌編委、中華老年口腔醫學雜誌編委和口腔頜面修複雜志編委。台灣中山醫學大學口腔醫學院客座教授。
長期從事口腔修復醫學臨床醫療、科學研究和教學工作。自80年代初開始跟蹤國際口腔醫學計算機的應用與研究動態，同時率先在我國開展口腔醫學計算機技術的應用研究。主要研究方向：口腔數字化醫療技術和材料、數學、計算機在口腔醫學中的應用與研究。
來自《中國醫學論壇報·今日口腔》
第135期第08~10版
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——《中國醫學論壇報·今日口腔》
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