自主设计医学机器设计方案[自主设计医学机器设计方案怎么写]

　　由北京大学口腔医院口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室研制的国际首台激光自动化牙体预备小型机器人系统，采用精细化设计，利用机器人自动控制飞秒激光束，严格按临床医学标准和规范要求，在口腔内精确定位、对需要治疗的牙齿进行“精准”切割与磨除，有望改变目前临床医师手工备牙的传统方法。

　　同时，该系统可以与目前先进的口腔数字化义齿制作设备和3D打印设备共同结合，快速精确地完成义齿的修复治疗，缩短患者的就医时间，改善患者的就诊舒适度，同时减轻医师的工作压力。在2016中国口腔修复研讨会上，北京大学口腔医院吕培军教授对该系统及其应用探讨进行了介绍。

　　讲者：吕培军

　　北京大学口腔医院

口腔修复先进技术手段畅想

　　吕培军教授认为，口腔修复学的目标是实现个性、精准、微创、智能和高效。可借助的技术手段包括生物技术、数字化技术、多功能材料技术。

　　采用如生物基因技术等对牙齿及组织进行再生修复是最理想的修复手段，有可能从根本上改变医学现状，但该技术离完全实现还比较遥远。

　　数字化技术可以辅助医师，减轻医师工作负荷、提高工作质量和效率；改善患者就诊时的舒适度，方便患者，是目前最贴近修复临床应用的技术。

　　生物活性多功能材料技术则可以改变治疗理念和方法，优化疗效。例如美国哈佛大学、诺丁汉大学将一种新型充填生物材料注入牙齿后，该材料可以刺激干细胞增殖，分化成牙本质。

　　这3项技术手段可能会为实现口腔修复学目标提供有力的基础保障。

口腔数字化修复技术

　　吕培军教授介绍，目前的口腔数字化修复技术包括 ：

CAD/CAM/3D打印技术。该技术日趋成熟，已经在临床上广泛应用，如全口义齿、固定义齿、托盘、导板的3D打印等。

数字化多维数据获取、传感技术，该技术可以使口腔检查客观量化，如使用红外线成像技术探测口腔颌面肿瘤颈部淋巴转移。

人工智能与大数据技术，可辅助临床医师进行诊断和医疗计划决策，如基于人工智能的临床决策支持系统研究（CDSS）。

机器人辅助临床治疗技术，可减轻医师工作强度，提高工作效率和质量，如外科手术机器人。

机器人牙体预备系统

　　机器人牙体预备系统的临床需求

　　牙体预备是牙齿硬组织疾病临床治疗的基本操作环节，精准的牙体预备是成功修复治疗的重要前提。但手工牙体预备有其局限性：在口腔狭小空间内，因人眼视觉偏差、盲区，人手误差，医师很难精准控制牙体预备质量。事实上，一般人几乎不可能完全达到教科书和临床操作规范要求的相关标准（图1）。

　　图1 教科书提出的牙体预备标准（单位：mm）

　　临床上牙体预备可能的问题包括舌轴面聚合度过大、肩台过宽、预备形态不佳、下后牙预备牙合龈距不足等。且就预备过程而言，医师和患者经常都会感到不舒适（图2）。

　　图2 临床医师进行手工牙体预备的现状

　　研究显示，牙体预备量和聚合度是实现高质量牙体预备的瓶颈。如阿明坦（Amintan）等实验发现，由临床医师在模型上进行牙体预备，结果显示唇舌面预备不足，切端预备过多。利恩普（Leempoel PJB ）等测量发现临床备牙的平均轴壁聚合度最小为7.75°，最大为15.15°。陈丽萍等人的实验表明，当轴壁聚合度从6°增大到10°时，固位力显著下降。

　　因此，利用机器人高精度、灵巧和快速的能力改变临床医师的手工操作方式，提高临床牙体预备的精准性和效率，有现实和科学意义。

　　临床牙体预备机器人系统组成

　　“机器人”的含义非常广泛，一般来说，只要能够部分自主地执行人的某些动作，接受人的控制，就可以称之为机器人。其形状大相径庭。临床牙体预备机器人系统由牙体预备专用超短脉冲激光发生器、导光臂、牙齿定位器、口内微机器人自动牙齿切削机等几部分组成（图3）。

　　图3 系统组成示意图

　　机器人可以做到“身”、“手”分开，把概念转换成动作来执行指令。牙体预备机器人通过定位器与要预备的目标牙整合到同一坐标系，获取目标牙及定位器的三维数据，然后将两个三维数据配准，使用软件按照教科书标准进行全冠预备体形态设计及路径规划，最后通过自动牙齿切削机中的多振镜机器人（图4）控制激光，完成牙体预备。该系统样机已经初步研发出来（图5），并在《自然》（Nature）子刊《科学报道》（Scientific Reports）杂志进行了系列报道。

　　图4 多轴振镜机器人设计示意图

　　图5 国际首套临床牙体预备机器人系统样机

　　机器人牙体预备系统初步应用结果

　　吕培军教授团队在仿头模内用离体自动化牙体预备进行实验，发现牙体预备时间约为17分钟/牙。预备体与CAD模型整体平均偏差0.05~0.17 mm，牙合面预备量平均偏差0.1 mm（手工+目测预备平均约为0.9 mm），轴面聚合度角度平均偏差1.1°（手工+目测预备平均为12.2~27°）（图6~图7）。

　　图6 机器人控制飞秒激光自动备牙

　　图7 机器人自动预备完成的牙体

自动化全冠同步修复

　　CAD/CAM技术应用越来越普遍、成熟，但目前仅能支持修复后期流程，即技工制作，能不能进一步发挥这一技术，使后期修复体制作和前期的设计一体化，提高效率？吕培军教授团队借助机器人自动牙体预备系统与口腔CAD/CAM系统，探讨了临床全冠修复数字化同步实现的可能。

　　吕培军教授表示，由于牙冠组织面等于基牙的外表面，因此，当CAD软件完成牙冠设计后，该数据除可驱动CAM完成牙冠的制作，同时也可驱动机器人自动精确完成基牙预备（图8）。

　　图8 自动化全冠同步修复操作流程

　　微小机器人系统牙体预备与CAM设备制作全冠修复体或金属3D打印全冠修复体可同步进行，该系统工作环境及模拟操作流程如图9~20。

　　图9 工作环境

　　图10 患者因龋（模拟）缺损要求全冠修复

　　图11 口内放置定位器

　　图12 口内扫描设备获取患牙的三维数据

　　图13 全冠预备体的设计

　　图14 机器人牙体预备路径规划

　　图15 CAD设计全冠修复体

　　图16 机器人牙体预备结果

　　图17 CAM玻璃陶瓷全冠制备结果

　　图18 CAM玻璃陶瓷全冠戴入

　　图19 3D打印金属全冠戴入

　　图20 CAM同步加工的陶瓷冠戴入预备体

　　吕培军教授表示，微小机器人自动备牙系统的研发从启动到取得初步成果已经历经4年时间，研究还在继续进行，最主要的问题在于攻克两大实验难点，即切削精度控制和定位精度控制。

探索系统在种植领域的应用

　　在临床种植过程中，种植窝洞的制备方向、角度、深度等与种植成功密切相关。目前临床上种植窝洞制备采用的种植机是一种低速、大扭矩的机器，可以保证切削的同时不产生热。但仍要靠“医生手”进行操作，误差较大，能不能用备牙机器人进行制备？吕培军教授团队进行了一系列实验。

　　微型机器人种植动物实验

　　该实验目的包括探讨微型机器人自动化种植技术的可行性、术区温度、术区出血的影响、种植窝洞制备精度以及确定实验动物模型的适合性与可信度。实验将大耳白固定于实验台，使用微型机器人自动化制备种植窝洞，风冷降温。在兔左右侧腿、近心远心端分别由机器人控制的超短脉冲激光传统种植机制备直径3 mm深度4 mm的种植窝洞，植入自主打印的类种植体，常规拉拢缝合。在实验过程中记录术区温度、出血量。

　　结果发现，微型机器人系统控制超短脉冲激光完成自动化种植窝洞制备可初步实现，术区温度在60度以上，术区出血量的影响较小。

　　实验中出现的问题包括种植窝周围骨组织出现炭化、术区温度过高（60度以上）、实际种植窝洞的直径略小于设计时的尺寸。可能的原因包括单次切削深度参数使用不当；激光脱焦，不能形成有效切削；以及多余能量转化为热能。

　　该研究得出初步结论：应使用产热更少的飞秒激光（超短脉冲激光不适合）进行预备，需通过大量实验探索切削骨组织的最适参数，同时还需研究更有效的冷却方案。

　　异形种植体相关研究

　　圆柱形、锥形种植体在临床上应用日趋成熟。但对于种植条件较差的患者，除植骨方法以外，缺少对于个性化（异形）种植钉的研究与开发。即便已有3D打印个性化种植体（图21）的方法，缺少临床手术中数控的自动化骨组织钻孔设备，无法精确制备非标准圆形的异形种植窝洞，也无法实现个性化种植。

　　图21 3D打印的钛合金个性化仿真种植牙

　　吕培军教授认为根据已具备的以下4个条件，成功种植异形种植体是可行的。这些条件包括① 金属快速成型技术制作任意形状个性化种植体。② 牙体预备机器人可以根据任意个性化牙根数据或异形体数据来精确制备、形成个性化的种植窝洞。③ 飞秒激光导热低，对周围组织细胞无热损伤。④ 相对而言，种植体抗扭转能力越大越好，种植体表面积越大越好，可应用三维有限元分析，设计不同形状种植体，分析冯·米塞斯应力，选择符合牙槽骨生物力学条件的种植体。吕培军教授团队采用透明高分子材料打印的3D下颌模型进行了异形种植体研究（图22~ 23）。

　　图22 将3D打印的钛合金真牙（分体式）下半部牙根置入由机器人用激光制备的相匹配的个性化窝洞，然后插上半部牙冠

　　图23 异形种植体植入牙槽嵴

　　异形种植体与传统圆柱形种植体相比，具有更大的表面积及抗扭转性能，有利于提高种植体的初期稳定性。例如椭圆柱体最小半径与圆柱体半径相同情况下，椭圆柱体表面积明显大于圆柱体，有利于种植体与骨的结合；相同条件（骨质、表面积）下，三棱柱在骨内旋转扭矩大于圆柱体扭矩。因此，对那些原本需要植骨或需上颌窦提升术的患者，有望采用金属快速成型技术制作个性化种植体，并借助机器人自动备牙技术来实现精确的“个性化异形窝洞制备”，这是目前口腔临床涡轮钻机、超声骨刀等技术装备所无法实现的。

展望

　　吕培军教授认为，未来口腔机器人将向小型化、精密化完善，同时实现口腔修复自动化、一体化进程。机器人控制飞秒激光技术在口腔种植及其他领域的应用正在探索之中，或将为口腔医学发展带来新的希望。

　　（本文由 吴立平 根据 吕培军 教授讲座内容整理，吕培军教授审阅）

　　讲者简介

　　吕培军，主任医师，教授，博士生导师。北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心首任主任（1995-2015）、口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室常务副主任、国家卫计委口腔医学计算机应用工程技术研究中心常务副主任。中华口腔医学会理事、中华口腔医学会口腔医学计算机专业委员会第一、二届主任委员，现名誉主任委员。中华口腔医学杂志编委、现代口腔医学杂志编委、实用口腔医学杂志编委、中华老年口腔医学杂志编委和口腔颌面修复杂志编委。台湾中山医学大学口腔医学院客座教授。

　　长期从事口腔修复医学临床医疗、科学研究和教学工作。自80年代初开始跟踪国际口腔医学计算机的应用与研究动态，同时率先在我国开展口腔医学计算机技术的应用研究。主要研究方向：口腔数字化医疗技术和材料、数学、计算机在口腔医学中的应用与研究。

来自《中国医学论坛报·今日口腔》

第135期第08~10版

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　　“发现口腔人的精彩，满足口腔人的需要！”

——《中国医学论坛报·今日口腔》

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