我们距离备牙机器人还有多远？

牙齿预备是牙齿修复治疗的一个必不可少的基本操作，是定量准备和形成患者牙齿上的硬组织的过程。目前，牙齿预备一般使用的高速涡轮手机有很多缺点：

（1）这种预备方式受限于患者狭窄的口腔空间(一般为2.5-5.0厘米的张口长度)，限制了医生的视线范围和操作运动的准确性。

（2）牙医需要避免伤害舌头、嘴唇和脸颊的肌肉和软组织，因为在牙齿预备过程中可能会遇到随机的下颌运动。

（3）牙齿预备需达到较高的牙齿预备标准，如精确的聚合度和切割量，对人工操作来说是一项具有挑战性的任务。

（4）高速手机运转会产生令人不舒服的噪音和震动。

使用高速手机进行牙齿预备，可能会造成医源性损伤，以及牙齿预备不足或过度，影响修复质量。

因此，一些医生想要通过机械臂的使用解决这些人工操作可能带来的问题。

1.使用高速涡轮机进行切割的备牙机器人

2015年Otani提出了使用机械臂夹持高速手机进行操作的牙体预备机器人，该机器人的使用流程如下：

（1）用三维激光扫描仪扫描牙齿模型；

（2）根据已有的牙齿模型和已设计完成的预备体模型生成轨迹指令；

（3）根据轨迹命令进行牙体预备。

机械臂移动的轨迹命令的形成便来自于对牙模型的预处理，预处理过程如下：

图1 模型预处理流程图

（1）将obj 格式的标准化备牙三维模型导入到Geomagic Wrap 软件中后，依次使用“网格医生”“填充孔”“平面”等命令使其形成封闭的三维模型；

（2）使用“自动曲面化”和“构造栅格”等命令生成多个曲面片相连，使其具备曲面特征和边界特征，并在每个曲面片内构建细分网格;；

（3）通过“拟合曲面”命令得到具有曲面特征和边界特征的step 格式的三维模型。

（4）标准化牙体预备中，车针直径的2 /3 部分在邻面预备阶段所产生肩台的内部，剩余的1 /3 位于牙体外部，因此车针指轴线距牙体边缘曲线CL的距离为直径的1 /6，基于此就可以可以得到机器人的邻面备牙曲线CG。

（5）将获得的step 格式的三维模型导入到Creo 三维软件中，使用“复制”和“偏移”命令对标准化预备体的牙体边缘曲线CL完成提取、复制和偏移得到标准邻面备牙曲线CG，进一步标准邻面备牙曲线CG按离散点数量NQ和离散点间距LQ两个参数获得多个离散点Q用于下一步计算曲线。

研究对比分析该备牙机器人预备的牙齿的理论特征点和实验测量结果之间的系统误差和随机误差，认为该机器人辅助牙体预备的各个特征点的系统误差和随机误差均稳定在较小范围，也就是说该机器人能够在可接受的误差范围内完成后牙全冠的牙体预备。

图2 机器人预备的牙齿的理论特征点和实验测量结果之间的系统误差和随机误差

但同样，这种备牙机器人依旧在使用高速手机，无法避免高速摩擦造成的热损伤、微裂纹以及噪音。

2.使用激光进行切削的备牙机器人

激光切削是一种非接触成形加工方式，通过调整系统的工艺参数，利用单脉冲激光束蚀刻材料表面，去除一定体积的材料，获得一定的切削深度。

而与使用传统手机相比，激光制备牙齿硬组织被认为更安全、更舒适，因为它产生的疼痛更少，噪音和振动也更少。

接着，超短脉冲激光概念出现，学者将超短脉冲激光引入口腔修复治疗领域，期望克服传统治疗方法的缺点。超短脉冲激光具有皮秒(1皮秒=10⁻¹³秒)和飞秒(1飞秒=10⁻¹⁵秒)级别的脉冲宽度。这些激光脉冲以高达毫焦耳的能量被放大并聚焦在材料表面，允许高精度和重复性地烧蚀薄层。研究表明，通过选择合适的参数，可以在没有热损伤证据的情况下获得有效的牙本质表面预备，即最大限度地减少热影响区域并无裂纹产生空洞。

在选择超短脉冲激光后，考虑到人工操作的局限性、无法控制的精度，以及机械控制可以达到的更高的精度、稳定性、效率等方面，北大的吕培军教授选择将激光技术与医疗机器人技术相结合以用于临床的牙齿预备，研究开发了一种自动备牙系统。

该“牙齿预备机器人”主要包括以下六个部分：

(1)备牙机器人口腔内工作端：镜头焦距175mm；二维扫描振镜光点扫描速度1900mms^-1；Z轴最小步长0.1mm，最大步长10 mm；

(2)计算机辅助设计/计算机辅助制造软件：CAD/CAM

(3)激光系统：超短脉冲激光(波长1064 nm；脉冲宽度15皮秒；脉冲重复频率100kHz；功率30W；激光焦斑尺寸：38μm)；使用175 mm透镜聚焦激光以消融牙齿表面，并使用电荷耦合装置(CCD)测量焦点区域；

(4)自由度激光束臂；

(5)牙齿定位器；

(6)口腔内3D扫描仪(Trios，3Shape，丹麦)

图3 备牙机器人示意图

与otani设计的使用机械臂夹持高速手机的机器人相似，机械的运动轨迹并不像人工操作时那样随意，它的运动需要严格的算法支持，需要严格的运动轨迹命令输入。

运动轨迹的形成需要我们将牙齿曲面细分网格，但不同于手机的车针有着严格的直径，与之相应的我们需要知道uspl（超短脉冲激光）单次切削的深度。

研究测量得出在一定条件设置下，激光单次切削天然牙的深度为45μm。

图4 单次切削深度测定实验示意图 A：路径规划图；B：切削结果；C：测量结果

在获得了相关参数后，便可以据此设计预备轨迹。

预备轨迹获得流程：

（1）使用扫描仪获得目标牙齿的三维数据；

（2）通过软件系统对相关数据进行处理，获得需要去除的牙齿组织的三维数据；

（3）将该三维数据进行分层，再使用相应的计算软件，计算设计激光分层扫描的路径。

 图5 自动化技术的牙齿准备 (A)为全冠准备的牙齿的计算机辅助设计(CAD)和需要磨除的牙齿组织的三维(3D)数据；(B)用于分层制备的牙齿制备示意图；(C)单层准备的数控软件和激光扫描路径的设计

为了验证自动备牙机器人的准确性，一项研究使用此机器人对15颗天然牙进行预备，并对其预备准确性进行评价。研究中预备好的天然牙如图所示。

图6 预备结果

研究分析评定了与标准牙体的CAD数据对比的（牙合）面切割高度和聚合度的误差。结果显示15颗牙齿（牙合）面切割高度的平均误差约为0.097 mm(图7)。不同样本间的切割高度有显著性差异(P<0.05)(图8)。

图7 15个牙齿样本（牙合）面切割高度的统计图

图8 15个样本（牙合）面切割高度的单向方差分析

测量的45个聚合度平均误差约1.0°(图9)。样本间的聚合度也有显著性差异(单因素方差A，P<0.05)(图10)。

 图9 15个牙齿样本（牙合）面聚合度的统计图

图10 15个样本（牙合）面聚合度的单向方差分析

uspl（超短脉冲激光）作为牙体切割工具进行牙体预备依旧是新兴技术，还仍未投入临床进行应用，我们需要认识它的不足与局限性。

激光自动备牙机器人目前主要面临这些问题：相关参数、应用范围、不同牙体结构、算法、插补点效应、遮挡效应、安全性、费用和尺寸的问题。

1.其中激光相关参数主要影响了制备效率和运动速度。

（1）不同的激光控制参数，如表面扫描速度和能量密度、波长、脉宽、频率、脉冲形状、焦距等，都会影响制备效率。目前研究认为当能量密度为4.42J/m²，扫描速度为1900mm/s时，制备效率最高，制备质量最好，但实验中观察到的扫描速度和能量密度范围有限，最适宜的激光控制参数仍有待探索。

（2）激光焦点在平面上的移动速度需要提高，否则激光能量会聚集在单个烧蚀点上而导致碳化。

2.牙齿的结构和成分在不同的年龄组、个体、牙齿位置、甚至同一牙齿的不同部分之间存在差异，以及在要预备的牙齿中经常发现的树脂和金属填充物，所有这些都影响自动牙齿预备的准确性，而目前的研究主要集中在牙本质的消融上，为实现自动牙齿预备系统的长期目标，机器人设备将必须识别  不同的材料，确定不同材料的去除率，以便使用正确的激光参数设置。

3.控制算法需要改进，以保持所有的移动速度恒定，即每个点没有任何停顿。

4.插补点的数量需要足够大，以完全消除凹槽，同时确保切削时间短，以提高效率并防止碳化。

5.需要解决遮挡效应才能生成所需的圆柱体形状。

6.关于安全性方面，目前系统的安全策略尚不完善，无法实现可视化、智能化的控制。

7.虽然研究表明全自动牙体预备达到了临床要求，但到目前为止只有无肩全冠的预备达到了临床要求。其他类型的修复体，如嵌体修复体、贴面修复体、部分冠修复体，需要不同的制备量和制备方法。