醫療機器人的應用優勢及其在口腔領域的設計創新

李文龍

關鍵詞：機器人;創新設計;學科融合;口腔醫學;植牙

根據現有的研究發現，在醫療行業，“機器人”可以支持、協助和擴展醫療工作者開展工作。對于一些重復和單調的工作，它們甚至具備了替代人類工作的能力。機器人技術已經達到了將機器人所具有的人類感官體驗、身體和認知擴展能力提升到前所未有的先進水平。特別是在增強現實技術的加持下，“機器人”在未來將變得更強大、更快、更不易“受傷”，且工作能力更強。因此，未來“機器人”技術的發展不僅能進一步降低病人風險，還將使醫生的能力超越生理的限制，方便的驅動擬人化和非擬人化的“機器人”實現更多醫療救治的可能性。

1“ 機器人”的概念和范疇

提到“機器人”，人們首先想到的是動畫片里出現的人形機器，如電影《變形金剛》里的擎天柱，但現實中的“機器人”遠不止于此。人們通常所說的“機器人”，其實是由機器人技術作為主要支撐而生產出來的一種物質產品。機器人技術是科技、工程、藝術的結合，“機器人”作為人的延伸[1]，被生產用來復制或“替代”人類行為。早在20 年前，汽車行業的生產已經應用“機器人”組裝汽車。這些“機器人”主要指工業生產所使用的機械臂，這些機械臂負責在汽車生產的流水線上進行標準化工作。隨著人工智能的發展，今天人們所看到“機器人”已經是“滲透進”人類生活各個方面、功能強大的現代人工智能機器人了。并且，機器人技術在不斷拓展的同時，“機器人”已經不再是對人的造型復制了，其被定義為一切模擬人類行為或思想，與模擬其他生物的機械體。

2“ 機器人”在醫療行業的應用優勢

2.1 減少醫療事故的發生

約翰· 霍普金斯大學（Johns Hopkins University）曾有一項研究發現，醫療事故可能是導致死亡的第三大原因，僅次于癌癥和心臟病，估計每年約有25 萬患者因醫療事故而喪生。無論人有多仔細和精確，人難免犯錯，特別是當人腦的力量達到極限而產生疲勞時，錯誤更是不可避免。綜合多方面的因素，“機器人”比人類醫生強大[2]。“機器人”擁有超人的視感，可以“透視”，看見事物在三維空間中的位置;“機器人”還擁有人類手臂無法達到的微米級控制力，使得開放傷口保持在條件允許下的最小范圍;“機器人”也不會疲勞。在做完幾千場手術或分析完數萬次X射線后，它仍不需要休息時間和睡覺。借助人工智能的大數據情報分析，“機器人”還可以和全球的醫療資源數據達成“共識”，形成更有效的分析預測。

2.2 創造更佳的無菌環境

“機器人”還能夠幫助醫院創造無菌環境。以Xenex 機器人為例，它的工作是幫助醫療機構內的任何空間進行快速有效的系統消毒。這個過程是自動完成的，“機器人”通過使用超強紫外線消毒方法來消滅微生物，比其他消毒設備更能有效地對微生物造成細胞破壞，減少病菌的數量，并且不像人類那樣需要間歇性休息。

2.3 提升醫院的工作效率

2.3.1 提升分診效率

在分診環節，“機器人”可以幫助醫院提高效率和提升體驗。以Pepper 機器人為例，其能識別20 種人類語言，除了理解語言，Pepper 機器人還可以檢測對象是男人、女人，還是孩子。并根據目標的性別、年齡和訴求作出更有效、準確的反饋，陪同患者前往正確的科室。類似Pepper 機器人的“社交機器人”也可以用于治療或康復的輔助工具，幫助兒童克服對手術的恐懼。人類接待員單調且重復的工作，可以用Pepper 機器人替代。

2.3.2 提升康復效率

以ReWalk 機器人外骨骼為例，這種動力髖關節和膝關節的外骨骼，使行動不便或輪椅使用者可以再次站立和行走。這套外骨骼包括兩個子件，即ReWalk Personal 和ReWalk。ReWalkPersonal 是專為人們日常使用而設計的，可針對每個用戶量身定制;ReWalk 康復專為臨床康復環境而設計，可提供有價值的鍛煉和療法，并使個人能夠評估自己將來使用ReWalk Personal 的能力。這一醫療機器人外骨骼設備的整個系統由一套支撐組件構成，在臀部和膝蓋處帶有四個獨立的直流電動機、一個裝有可充電電池的背包，以及一個基于計算機的控制系統。ReWalk 控制步進模式和節奏，并結合了專利傾斜傳感器技術、車載計算機和運動傳感器來作為運動的驅動。傳感器可以檢測各種參數，包括上半身和軀干當前的姿勢或腿部前進的預期，具有協助坐姿、站姿、靜態站立和水平行走的能力。這套外骨骼通常與兩個前臂拐杖一起使用。借助機器人外骨骼，各類不同身體狀態的患者在不同場景下，都能得到不同程度的康復改善和自理能力的提升。

2.3.3 提升搬運效率

醫療機器人還能夠承擔醫院的后勤保障工作，并提升搬運效率。以TUG 機器人為例，其充當了醫院后勤保障的搬運工，不僅能夠攜帶多達453 公斤的醫療用品，如藥物、實驗室標本、敏感材料，甚至是醫療廢棄物或垃圾箱等，還能夠充當醫院內的移動藥房、移動設備間。醫療機器人全天候的工作，一方面減少了夜班醫務人員的負擔，另一方面使醫務人員可以花更多的時間陪伴患者或協助護理，而不是來回于不同的部門運送醫療用品，護士也不必攜帶重物，避免了事故發生的機率。

2.3.4 解決外科手術難題

以DaVinci?Xi? 達芬奇外科手術機器人為例[3]，這是一款當今市場上知名的手術機器人，主要用于微創手術。機器人結合了機器人技術、3D 視覺技術和人機界面控制系統，成為外科醫生的得力工具。達芬奇手術系統被廣泛用于前列腺癌和腎癌手術、腫瘤切除術、結腸直腸手術、疝氣修復、甲狀腺和肝的手術等。現在全球約有4500 多個達芬奇機器人，幫助外科醫生每天進行手術，每年有近百萬例手術使用了機器人輔助手術。手術時，醫生通過攝像頭控制機器人，放大倍率比人眼高10 倍，可以看清針尖大小的區域。直觀的手部控制使外科醫生可以使用彎曲度和旋轉度遠大于人手的細腕器械來提高精度、靈巧性和穩定性。芬奇手術機器人系統主要包括：外科醫生控制臺、手術機械臂和電子設備車。其中，外科醫生控制臺是系統的控制中心，可讓外科醫生查看手術區域，并遙控內窺鏡和內窺鏡的運動;手術機械臂有三個或四個“手臂”，在手術過程中支撐內窺鏡器械臂和攝像頭手臂;電子設備車包含支持的硬件和軟件組件，例如空氣泵、沖洗泵、吹入器和內窺鏡光源。此外，達芬奇外科手術系統獨特的人機跟隨狀態，還實現了醫生的感覺狀態，體現出醫生身體的延伸。

4“ 機器人”在口腔領域的應用

人類的牙齒和大多數哺乳動物類似，因此人們常因牙齒脫落，以及解決牙齒問題而困擾。并且，每個人都要變老，會因為年齡老化、蛀牙或是外部損傷失去牙齒，美國修復牙齒學會研究發現，1.2 億美國人至少缺掉一顆牙齒，而超過3600 萬沒有牙齒，而中國的缺牙人群高達四億。因為缺牙導致的生活質量下降，無疑成為影響人們幸福生活的最普遍健康問題之一。由此不難得到這樣的結論，每個人在一生中，唯一躲不開的醫生就是牙醫！

4.1 傳統的牙齒種植的風險

傳統的種植牙齒技術需要依靠人類醫生的徒手種植[4]。徒手種植牙手術是牙種植體手術中最常見的外科技術。在徒手種植牙手術中，牙科醫生使用手持儀器放置植入物，仔細觀察患者的骨骼、牙齦和附近的牙齒后，便將植入物放好。其中，種植體的植入精度是影響手術效果的關鍵因素，但卻十分依賴醫生的眼睛和手術操作經驗。由于醫生全憑雙手的感覺確定植入物的角度和深度，所以難免會出現誤差，即使誤差很微小，也會影響牙冠的配合度。而如果手術時間過長，植入部位還會造成感染。更有甚者，還可能會過度深入顎骨，導致神經損傷。所以牙齒種植手術是一項高度依賴醫生技術的工作，也正因如此，牙科手術醫生的費用占了種植牙手術費用的很大比例，盡管如此好的醫生仍然不足，需要種牙的病人排隊等待醫生的問題仍很嚴重。、

4.2 種植牙機器人的誕生和意義

在技術發展的加持下，醫生通過X 光片和3D 打印模型提前獲得患者牙齒的副本，從而提前規劃和研究最合理的解決路徑。而種植牙機器人不僅能夠像人類一樣執行計劃，其機器臂還能比醫生的手更穩、更快、更精準。用種植牙機器人進行種植手術，用其手術機械臂代替醫生的手臂，使種植手術不再依賴牙醫的個人技術與經驗，從而提高了手術精度、縮短了恢復時間[5]。種植牙機器人不僅解放了牙醫，并且大大提高了種牙效率，使更多的人花費更低的成本、更安全地獲得“新”的牙齒。種植牙機器人將整體提升廣大缺牙人群的生活品質，緩解國家醫療資源不均衡的現狀。

4.3 種植牙機器人的應用

4.3.1 國外種植牙機器人的應用

以Yomi 種植牙機器人為例。這是一款傳統人手種植牙的新替代品，在手術過程中為牙科醫生提供機器人輔助。其將牙科醫生的技能與機器人手術的優勢相結合，且牙科醫生能夠始終處于控制地位[6]。同時，種植牙機器人輔助手術還結合了計算機視覺，且正迅速成為技術與醫療結合的典型案例，在操作前的規劃、3D立體可視化、觸覺引導、微創傷口四個方面提供了改進。在手術前的程序規劃方面，Yomi 可以協助牙科醫生規劃和精確地放置植入物，以獲得自然的外觀和感覺。并在必要時協助牙科醫生迅速更改手術計劃、簡化治療;在增強的解剖可視化方面，每個程序步驟都提供了不同的音頻提示，牙科醫生通過監視器上的圖形顯示，獲得視覺確認和定量數據;在觸覺引導方面，通過種植牙機器人的觸覺機器人技術和多感官反饋為牙科醫生提供幫助，確定正確的位置、角度和深度，以保證根據計劃準確放置植入物。擺好位置后，種植牙機器人可以安全地保持手部的軌跡，防止意外偏離手術進程路徑。如果患者移動，種植牙機器人還將跟蹤患者的運動。當鉆頭達到計劃的顎骨深度時，種植牙機器人為牙科醫生提供了物理“硬停止”來確保不傷害到顎骨中的牙神經;在微創傷口方面，種植牙機器人的實時視覺指導和觸覺指導實現微創手術，即其可進行侵入性較小的牙科植入物手術。這將使牙科醫生可以在很多情況下無需使用手術刀開放牙齦就可以放置植入物，從而可加了快手術速度和康復速度，減輕了患者的痛苦。也正因如此，使推微創牙科發展得到了發展。

4.3.2 國內種植牙機器人的應用

以Yakebot 雅客種植牙手術機器人為例。這款種植牙機器人是中國自主研發，全球首次實現手術全過程機器人自主操作，不再依賴人工。種牙機器人系統（在中國屬于III 類醫療器械）將智能機器人、機器視覺、多傳感器信息融合，三維圖形可視化等先進技術引入口腔種植領域。這款種植牙手術機器人在西安第四軍醫大學口腔醫院種植科手術室成功為多位患者完成了多缺牙的種植即刻修復，種牙手術在1 小時內完成，精度誤差控制在0.2mm—0.5mm，種植體角度完美且穩定。手術進展十分順利，利用自主研發的超高精度定位技術，降低了手術難度，提升了手術效果，減輕了患者的痛苦（如圖1、圖2）。

Yakebot 種植牙手術機器人的核心技術在于綜合考慮國內口腔臨床應用環境各個方面的因素，重點圍繞口腔狹小空間局部麻醉下傷微創手術治療的關鍵環節，研究智能化微創手術裝備在口腔領域的關鍵技術，研制智能化微創手術裝備的核心部件。以術前CBCT 和口掃模型數據作為基礎，使用視覺傳感器及力傳感控制器對種植牙機器人進行實時監測與控制。在智能決策上，該項技術針對種植牙頜面咬合模型，實現了牙冠設計、種植體規劃、牙模設計、種植導板設計、種植步驟規劃、術中實時導航及術后評估等一整套的決策系統，可以根據術中力反饋信息和位置反饋信息進行合理判斷。參數化的推理模型使得該項技術具有極強的可適配性。從種植窩洞制備到種植體擰入都實現機器人控制，大大降低了種植牙醫生的學習周期，為口腔種植的即可修復提供了智能化平臺。促進了我國微創口腔手術醫療裝備的技術基礎和應用研究開發，對推動整個口腔種植行業的發展起到了一定的促進作用。

目前，Yakebot 種植牙手術機器人已經獲得了國家III 類醫療器械注冊證書，生產銷售服務于人民生活。隨著醫學數據以每三年增加一倍的速度增長，人類與“機器人”在醫療領域工作效率的差距會越來越大，人類服務可能很難跟上實際的需求。而醫療機器人的應用則能夠較好地解決這些問題，同時還會大大降低手術費用。在醫療行業，“機器人”是現階段人類眼和腦最好的延伸和替代產品。

7 結語

很多人都認為“現在的‘機器人看起來都不像人類。”但這并不意味著科學家們造不出“機器人”。恰恰相反，這說明“機器人”的定義和設計還有著很大的創新空間。以一種客觀的視角看待“機器人”，探討如何使“機器人”更具感知力和創造力，使之與人類“合作”，并被應用于醫院、倉庫、工廠、餐店和商店等場所中從事服務工作，需要世界范圍內企業、工程師、科學家和設計師，甚至是學生們共同研究。機器人將在未來有更大的應用創新機會。“機器人”作為“人的延伸”，能夠在人的驅動下完成人類肢體無法勝任的工作。并且，隨著“機器人”變得越來越普及化、越來越智能化，它們在工作、娛樂和家庭生活中的能力和“地位”也不斷的提高。同時，“機器人”作為學科交叉作用下的產物，其在設計創新方面的研究也格外重要[6]。