精準口腔正畸診療機器人

基於機器人學、生物力學及口腔正畸學等多學科交叉的精準口腔正畸診療機器人，將從多個方面提高正畸治療效果、降低綜合治療成本，從而推動臨床口腔正畸診療從經驗模式提升到精準模式，最終實現在合理的時間內給予患者個性化、可預測的口腔正畸治療。

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錯頜畸形是危害人類健康的第三大口腔疾病，它不僅影響患者顏面美觀、頜面發育和口腔功能，還會誘發心腦血管等多類重大疾病。我國青少年兒童的發病率高達52.8%～72.9%，需正畸治療的青少年約1.2億，但治療率僅約10%，遠低於發達國家。改變正畸治療技術現狀、普及正畸治療已成為一個重要目標。但是，當前臨床口腔正畸以基於試錯的診療模式進行，過度依賴於醫師經驗，主要存在兩個方面的問題：一是基於物理牙模的診療方法難以充分考慮口腔生物力學特性，導致治療過程及結果缺乏可預測性；二是現有方法難以實現個性化、高精度矯治器的製備。

針對當前臨床口腔正畸基於試錯的診療模式過度依賴於醫師經驗導致的治療效果欠佳、周期長、綜合成本高這一臨床問題，中國科學院深圳先進技術研究院的醫療機器人與生物力學研究團隊提出了一種基於機器人學、生物力學及口腔正畸學等多學科交叉的精準口腔正畸診療機器人系統（如圖1所示）。該系統共包括組織重構、治療模擬以及機器人製備3個模塊。系統基於口腔CT圖像自動重構患者口腔組織的數字化三維模型，在此基礎上可進行診斷、治療規劃等數字化輔助診療操作；基於口腔生物力學對治療過程及結果進行預測，從而優化治療方案及矯治器設計；最後利用機器人系統實現個性化矯治器的自動、精確製備。

組織重構

當前臨床口腔正畸以基於物理牙模的方式來進行，難以充分考慮口腔組織的結構及生物力學特性，治療缺乏可預測性。要建立基於口腔生物力學特性的可預測診療方法，需要先獲取口腔的牙齒、牙周膜、牙槽骨組織三維模型。目前臨床及商業方法和工具尚不具備這一功能。

精準口腔正畸診療機器人系統（見圖1）基於各類臨床口腔CT圖像，解決了口腔CT圖像中獨立組織的自動分割問題，建立了「牙齒-牙周膜-牙槽骨」組織重構及可視化的方法，包括高精度牙齒自動分割與重構方法、牙齒及牙槽骨聯合分割與重構方法、有金屬偽影圖像分割與重構方法、基於CT和激光掃描圖像融合的牙齒模型重構方法。圖2為利用所建立的口腔組織重構方法得到的「牙齒-牙周膜-牙槽骨」複合體（Tooth-Periodontal Ligament-Bone Complex，TPBC） 模型，模型中各牙齒可進行獨立操作，可用於數字化排牙等輔助診斷。

治療模擬

臨床口腔正畸過度依賴於醫師的經驗來進行，難以對矯治器在治療過程中產生的正畸力系統以及正畸力引起的牙齒移動進行準確預測，因此需要在治療過程中通過頻繁的複診來觀察矯治器及牙齒移動的情況，並進行反覆試錯調節來完成治療。其主要原因在於當前臨床口腔正畸難以實現治療過程中牙齒移動模式的控制，也沒有建立起對治療過程及結果進行精準預測的方法。這也是導致目前臨床治療效果欠佳、周期過長的重要技術原因。

研究團隊在前期研究中，基於臨床研究建立了完成特定牙齒移動模式的正畸力及相應的矯治器設計方法，解決了實現可控口腔正畸牙齒移動模式的基礎問題。同時，基於口腔組織重構的結果建立了口腔TPBC生物力學建模方法，並在此基礎上建立了「矯治器→正畸力→牙齒移動」的多級治療模擬方法，實現了正畸力及牙齒移動的模擬（見圖2、圖3）。該方法首先在重構的口腔組織模型基礎上建立「矯治器-TPBC」生物力學模型；在此模型上便可對設計的弓絲矯治器進行載入模擬，獲得弓絲矯治器載入後施加在牙齒上的正畸力系統；然後，基於正畸力產生的骨組織改建對牙齒移動過程進行模擬，在此基礎上便可對矯治器載入後的治療過程及結果進行預測。

機器人製備

正畸治療過程中，矯治器施加在牙齒上的正畸力是影響正畸治療過程的核心和驅動要素，個性化弓絲矯治器是實現規劃的正畸治療的器械基礎。個性化弓絲矯治器臨床精度要求高, 多功能曲成型工藝複雜。手工彎制方式效率和精度低，且可能破壞矯治器的載入特性，臨床上對快速、精確及自動化的矯治器製備系統有著迫切的需求。然而，個性化弓絲矯治器在彎制過程中的時變特性導致了機器人運動規劃存在「狹窄通道」「局部最小」等問題，如弓絲與機器人末端執行器的干涉等宏觀表現。

研究團隊基於自主設計的矯治器製備末端執行器，建立了矯治器製備機器人系統。該系統基於弓絲矯治器的參數化設計和隨機採樣的操作規劃方法，解決了弓絲矯治器形態時變時的彎制規劃問題，實現了個性化矯治器的精確製備（圖4）。上述方法也適用於其他機器人操作驅動對象形態變化的規劃問題。

精準口腔正畸診療機器人以推動臨床口腔正畸診療從經驗模式提升到精準模式為目標，最終實現在合理的時間內給予患者個性化、可預測的口腔正畸治療。精準口腔正畸診療機器人將從基於組織生物力學的精準診斷與預測、個性化矯治器的自動製備等多個方面來提高正畸治療效果、降低綜合治療成本。其研究結果將直接面向我國上億的口腔錯頜畸形患者，具有重要的臨床及社會經濟意義。

專家簡介

夏澤洋：中國科學院深圳先進技術研究院研究員、博士生導師，醫療機器人與生物力學研究團隊負責人，廣東省傑出青年科學基金獲得者，吳文俊人工智慧自然科學獎獲得者，中國科學院青年創新促進會會員，深圳市海外高層次引進人才。主要從事機器人及生物力學交叉領域的研究。

>>>本文為原創，轉載請回復。

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