口腔种植机器人的研究进展和应用现状

林周兴，张雪健，邓悦,

1.山东第二医科大学 口腔医学院，山东 潍坊 261053；2.青岛大学附属青岛市口腔医院 种植科，山东 青岛 266001

引言

牙列缺损和牙列缺失是临床上常见的口腔疾病，其中种植修复是首选的治疗措施[1]。理想的种植体三维位置对于种植体的远期成功非常重要，以修复为导向的种植治疗方式是现代牙种植术的原则之一[2]。为了获得精准的种植治疗效果，减少术中和术后并发症的发生，计算机辅助下的种植体植入（Computer-Aided Implant Surgery，CAIS）是准确控制植入位点的有效方法。CAIS 分为静态系统（静态导板系统）、动态系统（动态导航系统）和机器人辅助系统（种植机器人）[3-4]。虽然静态导板的运用有助于正确放置种植体，但手术入路和手术规划无法在手术中更改，有限的冷却和导板的折裂都是静态导板系统的缺陷[5]。基于可见光或红外光的追踪，从而弥补导板的缺点，导航系统能实时反馈手术器械的三维信息，指导医师准确植入种植体[6]，进一步提高精准度，但是由于该系统无法排除手部的颤动和错误的感知，手术中的某个小错误都可能扩大原有的误差[7]，使植入结果依赖于外科医生的技术敏感性，存在不稳定性。为了减少术中人为因素造成的误差，获得更精确的效果，在动态导航的基础上，结合6 自由度机械臂稳定和灵活的特点，学者们研究出了种植机器人并获得了可靠的治疗效果[8]。由于目前种植机器人的临床应用和研究相对较少，本文就种植机器人的结构特征、机器人的操作系统和国内外种植机器人的研究和使用现状进行综述，以期为种植机器人在临床上的应用提供一定的参考依据。

1 种植机器人的结构特征

种植机器人（图1）由软件和硬件构成，包括系统自带的导航规划软件、光源追踪系统、种植机械臂、机器支架、显示屏、手机、光源标记物和脚踏等相关配件（图2）。

图1 种植机器人

1.1 光源追踪

为了能够“观察”到术区，将导航系统与机器人集成融合，多个动态的参考坐标刚性固定在牙齿或颌骨以及机械臂上，通过术前的影像资料进行注册，根据矩阵换算可以获得种植位点、种植手机的相对位置关系[6,9-10]。传统导航根据光源的差异，可分为可见光和不可见光。可见光如传统黑白相机视野追踪，识别的标记物包括黑白棋盘格（如图2 中的marker所示）、条纹等（如加拿大Claron Technology 公司的Micron Tracker 系统），精确度高但易受手术环境感光度的影响，使用过程中还需要防止光源和机械臂基座的移动[11]。

不可见光主要包括红外光和近红外光，比如加拿大NDI 公司的Polaris 光学定位系统。摄像机能够消除环境导致的噪声影响，通过光源或反射点（图3 中的marker）探测固定在手术器械上的标记点，再利用摄像机的成像模型计算手术器械在三维空间的位置[6]，从而达到亚毫米的定位精度和最高4kHz 以上的采集速率[12]。不可见光学追踪主要有2 种方式，包括主动跟踪和被动跟踪[4,6]。主动跟踪系统通过二极管发射出按一定顺序排列的红外光脉冲被视觉传感器捕获后定位。但目前机器人以被动跟踪为主，即视觉传感器周围配置光源，通过采集标记点反射的红外光进行定位[6]。因此每个部件都必须保持在立体摄像机的视线范围内（图3），避免手术过程中发生通信错误[4,11-12]。光学追踪的运用，更改了以往导航超声波、电磁定位的方式，提升了反馈的速度，减少了手术过程的干扰因素。

图3 光学追踪下手术区域

1.2 机械臂

1.2.1 6自由度

机器人手术的首要任务就是精准定位，目前医学机器人能调整的内部控制器可将误差控制在几十微米内[13]。6 自由度机械臂的开发，能够增加机械运动的灵活性，实现牙科植入过程的自动化[14]。2010年，Yilmaz等[14]使用一个目标函数加大触觉装置的透明度，并计算效应器末端的扭矩以实施约束运动，优化了6 自由度触觉机械臂的连接杆长度，平衡了杆的质量和惯性问题。通过使用6 自由度机械臂，Sun 等[15]基于体积分解的程序机器人可以在颌骨模型中制备天然牙根的形态，证明了机械臂的可预测性。

1.2.2 串联机器人和并联机器人

从机构学的角度，机器人可以分为串联机器人和并联机器人[2,16-18]。串联机器人以开环机构为机器人机构原型（图4a），由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成。采用驱动器驱动各个关节的运动，从而带动连杆的相对运动，使末端效应器能够到达合适的位置[17]。虽然该结构可以增加操作空间，但容易积累关节误差，降低手术精准度。

图4 串联机器人（a）与Stewart平台（b）

并联机器人是由一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人，包括动平台和静平台。并联机器人至少通过两个独立的运动链相连接，具有两个及以上的自由度，是以并联方式驱动的一种闭环机器人[16]。与串联机器人相比，并联机器人的非累积关节误差可以提供更大的输出力和更好的精度，但其闭环结构限制了工作空间，如Stewart 平台（图4b）。并联机器人用具有6 个可变长度的支柱连接2 个平台，使平台可以均分每个支柱承载的质量和效应器的误差，从而达到比预期更高的刚度和精度[17]。目前Feng、Tao 等[9,16,18]已经设计出混合结构的机器人，并获得了非常精准的效果，但目前还没有临床报道。目前种植机器人使用机械臂系统较少，因此综合考虑重量、有效负载和惯性力矩等因素，临床上以UR5e（丹麦）为主（图4a）。

1.2.3 触觉模拟与力学反馈

与传统牙种植手术不同的是，种植机器人的机械臂拥有触觉或力学反馈系统，因此创建一个“机器人-操作者”双向信息交流平台，可在无接触机械臂的情况下，仅通过使用脚踏完成手术[19-21]。

在手术过程中，工作尖与术区的摩擦力提供虚拟力学反馈，从而通过直流伺服/直流步进和不同的约束方法指导种植手机完成截骨、攻丝、植入等操作[10,22]，减少钻针的偏移和增强术区的冷却。早在2014年，Syed等[10]在触觉反馈的基础上运用正-逆向运动的方法，使种植机器人在红外光的检测下完成手术，计算出机械臂以20 mm/s 的速度移动，两点移动的误差为0.23～0.55 mm。触觉设备和外科手术模拟系统已经成为远程机器人手术的重要组成部分，能最大限度地减少骨穿孔和软组织损伤的风险，实时改变植入程序[23-25]，让手术团队在手术过程中专注于手术工作。手术在机器人的指导下进行，形式为听觉反馈（模式改变和警告音）、触觉反馈（钻孔运动的阻力）以及通过监视器的视觉引导（导航）[23-24]。

2 种植机器人的操作流程

目前种植机器人采用主从装置的模式，即由一个外科医生控制台（主单元）和一个机械臂系统（从装置）组成。每个种植步骤都需要在主单元的指令下才能完成机械运动[26-27]。

根据种植机器人机械臂是否需要人为辅助可分为半自主式和自主式两种。半自动机器人如YOMI 和瑞医博，需要人为辅助移动机械臂[28]，甚至是辅助截骨、植入植体[23]，而全自动机器人，如雅客智慧机器人[29-30]，可以根据术前计划，规划种植手机的工作路径，通过光学导航系统自动进行钻孔和植入[26]。种植机器人的操作可分为5 步：数据获取、虚拟规划、注册校准、手术实施和术后拟合（图5）[9,15,19,23]。

图5 手术操作流程图

2.1 数据获取

目前数字化技术的数据一般包括医学数字成像和通信数据及口腔表面扫描信息数据（图5a～b）。根据机器人的设计理念和配准方式，术前一般需要8～10 个固定放射标记的点的影像信息，从而基于虚拟影像数据引导种植操作[20,23-25]。为了获得更精确的软组织信息，实现自动化的种植操作，自主式种植机器人需要获得口腔表面扫描信息数据[29]。

2.2 虚拟规划

目前机器人系统都有数字化牙冠数据库，因此种植规划要以“修复为导向”为设计原则。个性化设计虚拟牙冠后，选择合适的种植体及确定其三维位置（图5c）。根据术区的特点和种植指南，选择最佳的虚拟手术过程，包括钻针的选择以及扭力、转速、深度的调整等[28-29]。

2.3 注册校准

注册和校准是所有步骤中对手术精确度影响最大的因素，是虚拟规划转化为现实操作的关键枢纽（图6）[8]。

图6 注册校准过程

2.3.1 注册

注册是将术者的医学影像信息转移到机器人的导航系统中，通过图像匹配和现实标记，重建实际的手术区域，实现三维可视化和实时空间定位[8,10,18]。注册一般有2 个步骤：① 外科医生在牙合模型上记录基准夹位置，使用坐标测量仪将基准夹坐标转移到参考坐标；② 使用另一种基准配置来评估参考坐标和手术工具坐标之间的配准[30]。基于光学源系统的差异，瑞医博机器人采取的注册方式为基于牙科夹板标记物术区周围6 个不同位置的点自动注册[11,28,31]；而雅客智慧机器人则采用无标记物法，通过导板模具引导注册孔以点对点的方式进行手动注册[29]，两种方式均能获得较高的配准精度和手术精度。

2.3.2 校准

手术之前，必须对手机和患者的跟踪阵列进行校准[9]。手机校准确定了手机跟踪阵列的立体空间与钻针轴线之间的关系，患者跟踪阵列校准则是将患者跟踪阵列的几何形状与CT 基准相关联，从而提供了术前规划坐标系和跟踪坐标系之间的联系[31]。运动学校准是提高机器人绝对精度的一种重要方法，目前主要有2 种校准方法：① 开环校准，用来测量机器人末端执行器的绝对位置和方向；② 闭环校准，相对于另一个参考部件测量末端执行器的位置和方向[32]。目前医学机器人主要是开环校准，通过使用激光跟踪器，采用最小二乘法，可使绝对定位精度达到0.1～0.3 mm。此外，YOMI机器人将坐标测量机应用于机器人的开环校准，平均位置误差和最大位置误差也可分别减小至约 0.15 mm 和0.50 mm[19,32]。但是开环校准仪器设备昂贵，缺乏灵活性，因此提高绝对精度仍然是机器人在低容量高精度任务中应用的挑战。

2.4 手术实施

根据机器人的操作特点和虚拟规划的种植方案，医师通过操纵工作平台逐步完成手术治疗程序[9]。手术的顺利完成，离不开医护技的团队配合。为了防止严重并发症的发生，机器人系统都带有紧急制动装置。出于安全和效率考虑，在术区外，机械臂通常以高自由度的运动方式移动，在种植位点则形成低自由度（20 mm/s）的约束运动，锁定种植手机的位置后，仅进行垂直运动，而不能横向移动[20]。根据输出力曲线，在操作过程中，可以用稳定和连续的输出力提供不同的接触约束，通过脚踏控制简化高-低自由度运动的切换[22]。在手术过程中，屏幕能提供种植过程的物理学信息，包括深度、侧向力、误差偏移等[4]。但种植手术中额外的程序，如翻瓣、软硬组织增量和基台连接等，仍然需要手动执行[3]。

2.5 术后拟合

对于种植体植入的精度分析，最常使用的方法是种植体植入后的影像学数据与术前数字化虚拟规划种植体的三维位置叠加拟合，以观察术前术后种植体的位移偏差和角度偏差[33]。为了减少患者术后的放射剂量，有学者提出使用术后标记物（如扫描杠）安装在种植体上部进行口内扫描，结合术前术后的口内扫描模型，通过标记物误差逆向推导种植体误差[34]。

3 种植机器人的研究和使用现状

早在2001年，Boesecke 等构建了一个机器人系统，用于帮助医生在口腔种植手术中截骨备洞[35]。2008年，Wilmes 等基于6 自由度RX60 机器人（德国）制造了正畸支抗钉植入机器人，以研究植入扭矩与植体直径长度等相关性[36]。

2017年，Neocis Yomi 机器人（美国）成为世界上第一个经FDA 批准的计算机导航机器人系统[37]，Rawal等[23]在一项即刻种植的病例中使用该机器人测量的误差结果为颈部0.90 mm、根尖0.85 mm、角度偏0.53°。

2021年，Bolding 等[20]使用Yomi 在5 例牙列缺失患者中获得平均偏差颈部为（1.04±0.70）mm，根尖（0.95±0.73）mm，角度偏差2.56°±1.48°，深度为（0.42±0.46）mm，未报告不良事件，但是这种半自动化的机器人仍然需要在经验丰富的医生监督下使用。白石柱等[29]比较了雅客智慧机器人和数字化导板的精度，发现机器人可以达到0.2～0.3 mm 误差的精确度，显著高于导板组，是目前最精确的实验报道。吴煜等[28]使用瑞医博机器人临床研究统计了81 个植体，平均误差为0.65 mm 和2.23°。2022年，Yang 等[25]使用该机器人在全口无牙颌种植手术中能获得＜0.5 mm 和控制在1°内的误差，并进行了即刻负重。可见随着技术的成熟，机器人的精准度也逐步提升。

体外试验中，张凯等[38]使用猪下颌骨模拟即刻种植，术后误差在0.7 mm 和1.2°以下。2021—2022年，Cheng和Kan 等团队先后报道了“人机协同种植系统（Human-Robotic Collaborative Implant System，HRCDIS）”机器人的精度分析，通过装配UR5e（丹麦）机械臂，利用6D 力学传感器探测手动牵引机械臂并形成“零力控制”，建立一套操纵任务的管理方法，可以随意切换机器人的程序，使得机器人可以在手术过程中即时调整，保证精确度的同时，保证术者的安全，该团队还提出实时的温度反馈是目前机器人系统的缺陷和未来的发展方向[19,34]。通过使用基于图像引导的用于牙种植手术的混合机器人（Hybrid Robotic System for Dental Implant Surgery，HRS-DIS） 系统，Feng 和Tao 等[9,16,18]在树脂模型上均获得了可靠的精确度，证明了混合机器人能够保持稳定性，没有钻针序列的误差积累。此外，该团队还证明了HRS-DIS 系统比动态导航系统更加稳定[18]。近期，Jin 等[39]比较了全程数字化导板与种植机器人的精度，结果显示机器人组在种植体颈部、根尖的误差和角度误差分别为（0.61±0.29）mm、（0.50±0.14）mm 和2.38°±0.62°，与数字化导板的差异无统计学意义。总之，目前已经投入临床使用的种植机器人系统较少，虽然都获得了临床可接受的误差范围，但是相关的临床报道有限，样本量也参差不齐，仅有1 例报道[40]完成了最终修复。由于许多机器人系统仍处于测试阶段，更多的是临床前期实验，未来需要更多的临床数据支撑。本文总结了近几年开展的种植机器人精度实验研究，见表1。

表1 种植机器人精度实验研究汇总{±s，M[Q]}

表1 种植机器人精度实验研究汇总{±s，M[Q]}

注：HRCDIS：人机协同种植系统；HRS-DIS：用于牙种植手术的混合机器人系统；M[Q]为中位数[四分位数间距]。

误差种植体颈部误差/mm 种植体根尖误差/mm角度差/°Rawal等[23]2020YOMI病例报道10.900.850.53 Bolding等[20]2021YOMI病例报道381.04±0.700.95±0.732.56±1.48吴煜等[28]2021瑞医博临床研究820.63±0.230.64±0.262.27±0.98张凯等[38]2021瑞医博猪颌骨100.69±0.150.71±0.161.22±0.55 100.61±0.140.66±0.120.98±0.46白石柱等[29]2021雅客智慧犬颌骨180.27[0.15]0.25[0.22]0.99[0.52]数字化导板180.91[0.87]1.18[1.18]4.21[5.21]Cheng等[19]2021HRCDIS模型250.79±0.171.26±0.273.77±1.57 Feng等[16]2021HRS-DIS模型200.93±0.280.96±0.230.74±0.25 Kan等[34]2022HRCDIS模型151.04±0.371.56±0.523.74±0.67 Yang等[25]2022瑞医博病例报道60.59±0.240.61±0.230.89±0.38 Tao等[18]2022HRS-DIS模型1600.80 ±0.540.87 ±0.541.01 ±0.44 Tao等[9]2023HRS-DIS模型2400.83±0.550.91±0.561.00±0.48动态导航2400.96±0.571.06±0.592.41±1.42 Jin等[39]2022机器人模型200.61±0.290.50±0.142.38±0.62数字化导板200.49±0.390.72±0.393.16±2.36 Li等[40]2023雅客智慧病例报道20.290.360.78作者年份/年机器人实验类型 种植体数量/个

目前，考虑到严重萎缩的上颌骨种植手术需要大量的骨增量并且结果不可预测，种植机器人的发展方向除了更加智能化外，也开始研究更加复杂的种植手术。Cao 等[41]将UR 机械臂与导航系统集成，尝试在头颅模型中进行颧种植体的植入，结果显示无论是角度控制还是位点把握，机器人组均显著优于自由手组[1.52°±0.58°、（0.79±0.19）mm和（1.49±0.48）mmvs.2.07°±0.30°、（0.96±0.28）mm和（2.26±0.32）mm）]，再次证明了机器人操作的可预测性，但还处于测试阶段。

4 总结与展望

4.1 优势

与传统手术导板相比：① 种植机器人减少了张口度的要求，增加了术区的能见度，能实时显示术区的微环境，尤其是在不翻瓣手术的时候，显示器上可实时传递手术的过程[20]；② 减少了导板的阻挡，增强了术区水冷却的效果，减少术中导板折裂的发生[4,24]；③ 手术过程中能及时更改手术方案，包括种植体三维位置以及种植体的型号等[4,6]；④ 具有更快的时效性，无需导板的制作、设计、3D 打印等工艺，手术当天直接规划即可[24]；⑤ 对于即刻种植的患者，种植导板的就位和稳定是误差的主要来源，而机器人能避免导板就位带来的困扰[5]；⑥ 无需配套的工具盒，临床钻针指南与常规自由手一致；⑦ 导板的制作占据一定空间，对于缺牙间隙较小的位点，种植机器人能解决因为间隙小无法使用种植导板的问题[4,24]。

与动态导航相比：① 种植机器人能够减少手部震颤，提高机械运动的稳定性[5,20]；② 种植机器人解放了医师的双手，仅靠脚踏就能完成手术，减轻了医师体位和躯干的负担[18]；③ 种植机器人能够根据颌骨密度智能选择下钻的方式和速度，减少颌骨热损伤的发生；④ 动态导航对医师的临床技能要求苛刻，熟练掌握需要比较长的学习曲线[18,42]，而种植机器人的稳定输出可缩短医师的学习曲线。

4.2 不足

与数字化导板相比：① 目前种植机器人复杂的结构设计需要专业的知识和正确的引导才能开展使用[38]；② 手术需要全程刚性佩戴标记物并延伸至口外，不仅会降低患者的舒适度，而且可能在术中发生形变导致精度不佳，甚至遮挡视野导致并发症的发生[6]；③ 临床种植机器人系统的注册方式仍然面临各种短板，配准方式主要采用标记点配准，不可避免地增加了患者的辐射剂量和临床椅旁时间[4]。

与动态导航相比，面对口腔多变的环境，相对于人手臂，机械臂缓慢的移动速度和反应，对患者张口度和耐受性有更高的要求[18]，不适用于帕金森病、肌张力障碍和咽反射敏感的患者。

就目前机器本身而言：① 市场常见的种植机器人都是串联机器人，尽管比并联机器人具有更大的工作空间、更高的灵活性和更好的机动性，但串联结构可能会导致精度低、负载差和强度低[43]；② 需要的手术部件复杂多样，因此需要进行仔细的术前检查和设备维护；③ 与工业化和信息化等技术相比较，种植机器人的发展进度相对落后，整个手术过程仍然需要依赖医师的不断干预来建立一个系统的封闭反馈，因此容易导致误差积累；④ 视野的追踪与空间坐标的计算仍然处于二维空间标定方法，缺乏更好的鲁棒性和精度，增加了建模过程的畸变影响；⑤ 在临床推广中，机器人仍面临一些限制，一方面，昂贵的设备和复杂的操作流程是口腔种植机器人普及化最大的挑战，另一方面，患者对机器人手术的接受度远远达不到预期。

总的来说，种植机器人改变了传统种植的方式，医师可以通过显示屏观察术区微环境[23]，不仅能改善医师在手术过程中的体位，还可以将误差范围降至亚毫米，而且能避免自然震颤、疲劳和术中干扰导致的精确性不佳等问题，帮助提高再现性、准确性和可靠性[5]。这意味着在保证精度的前提下，种植机器人可以适当扩大种植修复的适应证，简化复杂的外科程序，不仅微创和增加舒适度，而且能减少患者的经济负担和缩短临床周期。与计算机辅助动态导航方法相比，种植机器人降低了医师的技术敏感度和空间感知能力，摆脱了体位的束缚，能重复完成外科任务[18]。

4.3 展望

目前种植机器人的临床使用和相关研究比较少，医生对机器人系统的专业知识学习不够深入，因此需要加强工程师与医生之间的双向信息交流与合作。但是提高机器人的操控性和投入开展更多的技能培训是引导种植机器人使用的关键。今后种植机器人的发展，会朝着更加节能，权衡更高经济效益的方向。口腔手术最大的障碍是视野的遮挡和工作空间的受限，未来市场的趋势是开发更小巧的机器构造和更灵活的机械手臂以避免发生碰撞，增添更加敏捷的保护系统以实时监测患者的状态，融入更灵敏的误差偏移检测系统以防止术中的误差不断积累扩大，设计出更加简便准确的注册校准方式，并结合并联机器人的优点，使机械运动能有更多能量回收和负载消除。