自主式种植牙机器人的研制及临床研究

　　牙齿缺失是影响身体健康的重要疾病，根据第四次流调结果，全国约4亿人有缺失牙，而种植牙是现在和未来缺失牙修复的首选方式。目前， 我国的口腔种植技术处在快速发展期，每年植入种植体逾百万颗，呈现“井喷式”发展，但即便是这个发展速度，平均到每万人也只有不到10颗，这一数据与西方发达国家及日本、韩国等亚洲国家相比， 差距仍然很大，这一方面说明了口腔种植技术在我国还有巨大的发展空间，但另一方面也反映了该技术还存在很多问题。 例如：①种植医生大多属于继续教育，培训困难，经验短缺，难以提供最佳治疗方案;②种植医生技术水平参差不齐，种植并发症发生率高;③口腔术野非直视、空间狭小，导致操作困难，影响手术效果;④多牙种植时植入位置不精确，难以实现即刻修复， 种牙一小时，戴牙多小时。
                                                                 

　　对于上述问题有两种解决方式，一是努力培养高水平的医生，加大培养力度。二是发展新的智能化的医疗器械，让先进的装备去帮助医生完成种植治疗。我们课题组选择了第二种方式，研究以手术机器人为核心的数字化口腔种植诊疗方案。

　　医学机器人在上世 纪 80 年代出现，以达芬奇机器人为代表的手术机器人逐渐走向了临床一线，凭借其精准、高效、 微创、安全的优势，该技术很快得到广大医生及患者的认可，经过几十年的发展手术机器人现已成为一种重要的医疗手段。美国是世界上手术机器人技术应用最早且最广泛的国家，而手术机器人在中国起步相对较 晚，但发展很快，目前中国是世界上完成机器人手术量最多的国家之一。

　　手术机器人是医学机器人中的重要分支，也是机器人技术和医学知识结合最为深入最为紧密的一个部分。通常手术机器人可以分为两类，一类是主从式机器人，比如达芬奇手术机器人，在手术过程中，机器人只起到辅助作用，手术仍然由医生来完成，机器人的每一个动作都是由医生来控制的。另一类是自主式机器人，即医生设定手术任务，机器人自主地完成手术，在手术过程中医生承担监控(supervised)的作用。在口腔种植领域， 葡萄牙、以色列、美国和中国等都在进行着相关的研究和探索 。2017年3月，美国 Neocis 公司推出了YOMI 种 植 导 航 机 器 人，它是一款主从式机器人，在导航系统引导下，医生操作机械臂完成手术， 机器人在手术全程中起到辅助作用，这应该是口腔种植领域的第一台应用于临床的机器人，目前该机器人也获得了美国 食 品 药 品 管 理 局(FDA)的批准。我们团队研制的机器人BLUE BOY，属于自主式口腔种植机器人 ，能 达 到 以 下 四 点 要 求：① 精确个性化设计， ② 自主精准手术，③ 实时导航校准，④ 即刻精确修复。需要医生和机器人共同参与，两者有不同分 工，医生负责术前制作个性化装置、术前规划种植路径、术中监控手术、术后即刻修复及术后效果评价，机器人负责术前导入规划种植路径、术中在安全策略下实施手术。烟台种植牙

　　研究内容

　　自主式种植牙机器人系统构成

　　机器人主要分硬件系统和软件系统，硬件系统包括末端执行器、机械手臂、视 觉系统三个主要部分，软件系统包括视觉控制模块(核心技术)、手术规划模块、人机交互模块、机器人控制及导航控制模块(图1)。

　　 机器人分为硬件系统和软件系统

　　机器人软件系统

　　机器人手术安全吗

　　机器人手术是否安全不仅是患者最担心的问题， 也是我们考虑最多的一个问题，在自主式口腔种植机器人中我们采用了四种安全策略：①力反馈：在末端 执行器上装载力反馈系统， 机器人在运动中，如果遇到异常外力就会立刻感知，从而做出减速或者停止的反应，例如，在上颌后牙种植时，穿通上颌窦黏膜是一个常见的并发症，而机器人手术时，在机器人穿破上颌窦窦底骨质的一瞬间，力量减小，力反馈系统会立即发出 “停止”指令，这样就保护了上颌窦黏膜的完整。② 随动校准：这是一个快速反应的随动系统，主要是为了应对术中患者的微动对手术精度的影响，如果患者的体位发生了移动，机器人也会跟随患者到新的位置，这种反应的时间只有 0.2 秒，保证了手术的精准和安全。 ③ 急停设计：手术中一旦出现紧急情况，医生一脚刹车，整个系统立即冻结，再踩第二脚，立即松弛。④ 安全防护座椅：患者不再是躺着做手术，而是直立位坐着做手术，最大程度地避免了术中患者的呛咳。

　　自主式种植牙机器人精准度更高

　　课题组设计了模块化种植模型，种植机器人在模型上进行种植窝洞预备，获取种植窝洞数据并处理，我们得出机器人种植的肩部误差为 0.285 mm，根部误 差为 0.311 mm，角度偏移误差为1.807。这一数据与导板种植精度的统计数据 相比较，机器人种植的精度要高的多。

　　在模型基础上我们又开展了动物实验，利用20只成年犬制作动物缺牙模型， 随机分为机器人植入组和人工植入组，分别植入80枚种植体，植入植体后 4~12 周 取 模 分 析 ，通 过 OSSTELL测量种植体的稳定性，MicroCT观察种植体骨结合率，拔除实验测量结合强度，硬组织切片进行组织学分析，评价机器人种植牙与人工种植牙之间的差 异。结果得出，两组之间种植体的稳定性、种植体骨结合率、结合强度、组织学表现均没有显著性差异。

　　在模型实验和动物实验基础上，团队对机器人系统做出了进一步优化，并改进了口腔种植机器人手术的流程，提高了系统稳定性及植入精度，经过医院临床 实验伦理委员会批准，我们开展了临床实验。

　　病例展示

　　病例一：

　　12、23先天缺失且乳牙滞留，乳牙拔除3月余，拔牙创愈合良好，近远中间隙及牙槽骨量充足，计划植入Straumann 4.1×10 mm种植体两枚。

　　a 术前口内照

　　b 种植体规划路径

　　c 术中照片

　　d 术后X线片

　　e 术后即刻修复

　　病例二：

　　45~47多牙连续缺失(游离端缺牙)，近远中间隙及牙槽骨量充足，计划植入Astra 5.0×10 mm和4.0×11 mm骨水 平种植体两枚。

　　a 术前口内照

　　b 术中检查种植体方向及深度

　　c 术后X线

　　d 术后口内照及即刻修复

　　通过临床实验的结果分析，自主式种植牙机器人的植入精度为0.2~0.4 mm，是人工植入的1/5左右，具有自主性强、 精准度高、可在狭小空间和非直视条件下精准手术、患者痛苦小、安全性强、即刻义齿修复等特点。我们研制的自主式种 植机器人取得了非常大的成功，受到国内外的广泛关注，1400多家媒体相继报道，英国BBC广播电视台也来到中国拍摄了专题片。

　　技术总结

　　自主式口腔种植机器人的研制在以下方面取得了创新：狭小口腔空间下自主式种牙机器人的构型设计;基于术前 CT 模型与口内印模牙列扫描数据融合配准的种植体规划软件导航系统;基于自主式种 植机器人精密操作的视觉 伺服随动的机器人出入口腔安全路径装置方法研究;基于自主式种植机器人精密操作的在线标定方法研究;基于自主式种植机器人精准种植定位及种植体植入后的即刻修复方法等。关键技术和难点如图3所示。

　　 关键技术和难点