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精准口腔正畸诊疗机器人
先进制造,生物技术
2018-04-13 12:37
作者  夏泽洋

基于机器人学、生物力学及口腔正畸学等多学科交叉的精准口腔正畸诊疗机器人,将从多个方面提高正畸治疗效果、降低综合治疗成本,从而推动临床口腔正畸诊疗从经验模式提升到精准模式,最终实现在合理的时间内给予患者个性化、可预测的口腔正畸治疗。

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错颌畸形是危害人类健康的第三大口腔疾病,它不仅影响患者颜面美观、颌面发育和口腔功能,还会诱发心脑血管等多类重大疾病。我国青少年儿童的发病率高达52.8%~72.9%,需正畸治疗的青少年约1.2亿,但治疗率仅约10%,远低于发达国家。改变正畸治疗技术现状、普及正畸治疗已成为一个重要目标。但是,当前临床口腔正畸以基于试错的诊疗模式进行,过度依赖于医师经验,主要存在两个方面的问题:一是基于物理牙模的诊疗方法难以充分考虑口腔生物力学特性,导致治疗过程及结果缺乏可预测性;二是现有方法难以实现个性化、高精度矫治器的制备。

针对当前临床口腔正畸基于试错的诊疗模式过度依赖于医师经验导致的治疗效果欠佳、周期长、综合成本高这一临床问题,中国科学院深圳先进技术研究院的医疗机器人与生物力学研究团队提出了一种基于机器人学、生物力学及口腔正畸学等多学科交叉的精准口腔正畸诊疗机器人系统(如图1所示)。该系统共包括组织重构、治疗模拟以及机器人制备3个模块。系统基于口腔CT图像自动重构患者口腔组织的数字化三维模型,在此基础上可进行诊断、治疗规划等数字化辅助诊疗操作;基于口腔生物力学对治疗过程及结果进行预测,从而优化治疗方案及矫治器设计;最后利用机器人系统实现个性化矫治器的自动、精确制备。 

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组织重构

当前临床口腔正畸以基于物理牙模的方式来进行,难以充分考虑口腔组织的结构及生物力学特性,治疗缺乏可预测性。要建立基于口腔生物力学特性的可预测诊疗方法,需要先获取口腔的牙齿、牙周膜、牙槽骨组织三维模型。目前临床及商业方法和工具尚不具备这一功能。

精准口腔正畸诊疗机器人系统(见图1)基于各类临床口腔CT图像,解决了口腔CT图像中独立组织的自动分割问题,建立了“牙齿-牙周膜-牙槽骨”组织重构及可视化的方法,包括高精度牙齿自动分割与重构方法、牙齿及牙槽骨联合分割与重构方法、有金属伪影图像分割与重构方法、基于CT和激光扫描图像融合的牙齿模型重构方法。图2为利用所建立的口腔组织重构方法得到的“牙齿-牙周膜-牙槽骨”复合体(Tooth-Periodontal Ligament-Bone Complex,TPBC) 模型,模型中各牙齿可进行独立操作,可用于数字化排牙等辅助诊断。 

治疗模拟

临床口腔正畸过度依赖于医师的经验来进行,难以对矫治器在治疗过程中产生的正畸力系统以及正畸力引起的牙齿移动进行准确预测,因此需要在治疗过程中通过频繁的复诊来观察矫治器及牙齿移动的情况,并进行反复试错调节来完成治疗。其主要原因在于当前临床口腔正畸难以实现治疗过程中牙齿移动模式的控制,也没有建立起对治疗过程及结果进行精准预测的方法。这也是导致目前临床治疗效果欠佳、周期过长的重要技术原因。

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研究团队在前期研究中,基于临床研究建立了完成特定牙齿移动模式的正畸力及相应的矫治器设计方法,解决了实现可控口腔正畸牙齿移动模式的基础问题。同时,基于口腔组织重构的结果建立了口腔TPBC生物力学建模方法,并在此基础上建立了“矫治器→正畸力→牙齿移动”的多级治疗模拟方法,实现了正畸力及牙齿移动的模拟(见图2、图3)。该方法首先在重构的口腔组织模型基础上建立“矫治器-TPBC”生物力学模型;在此模型上便可对设计的弓丝矫治器进行加载仿真,获得弓丝矫治器加载后施加在牙齿上的正畸力系统;然后,基于正畸力产生的骨组织改建对牙齿移动过程进行仿真,在此基础上便可对矫治器加载后的治疗过程及结果进行预测。

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机器人制备

正畸治疗过程中,矫治器施加在牙齿上的正畸力是影响正畸治疗过程的核心和驱动要素,个性化弓丝矫治器是实现规划的正畸治疗的器械基础。个性化弓丝矫治器临床精度要求高, 多功能曲成型工艺复杂。手工弯制方式效率和精度低,且可能破坏矫治器的加载特性,临床上对快速、精确及自动化的矫治器制备系统有着迫切的需求。然而,个性化弓丝矫治器在弯制过程中的时变特性导致了机器人运动规划存在“狭窄通道”“局部最小”等问题,如弓丝与机器人末端执行器的干涉等宏观表现。

研究团队基于自主设计的矫治器制备末端执行器,建立了矫治器制备机器人系统。该系统基于弓丝矫治器的参数化设计和随机采样的操作规划方法,解决了弓丝矫治器形态时变时的弯制规划问题,实现了个性化矫治器的精确制备(图4)。上述方法也适用于其他机器人操作驱动对象形态变化的规划问题。 

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精准口腔正畸诊疗机器人以推动临床口腔正畸诊疗从经验模式提升到精准模式为目标,最终实现在合理的时间内给予患者个性化、可预测的口腔正畸治疗。精准口腔正畸诊疗机器人将从基于组织生物力学的精准诊断与预测、个性化矫治器的自动制备等多个方面来提高正畸治疗效果、降低综合治疗成本。其研究结果将直接面向我国上亿的口腔错颌畸形患者,具有重要的临床及社会经济意义。 

作者:夏泽洋

(夏泽洋,中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师,医疗机器人与生物力学研究团队负责人,广东省杰出青年科学基金获得者,吴文俊人工智能自然科学奖获得者,中国科学院青年创新促进会会员,深圳市海外高层次引进人才。主要从事机器人及生物力学交叉领域的研究。)

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