中科院深圳先進技術研究院夏澤洋:計算生物力學和機器人助力精準口腔正畸 | CCF-GAIR 2018

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在第二天的機器人行業應用專場，中國科學院深圳先進技術研究院夏澤洋博士發表了主題為“精準口腔正畸診療機器人技術與系統”的精彩演講。展示了口腔正畸診療機器人的最新研究成果。

夏澤洋博士是中國科學院深圳先進技術研究院研究員、博士生導師，是廣東省杰出青年科學基金獲得者、吳文俊人工智能自然科學獎獲得者、“國家重點研發計劃”國際合作重點專項負責人，廣東省重大科技專項負責人，中國科學院青年創新促進會廣州分會副理事長，深圳市“孔雀計劃”人才。

在報告中，夏澤洋博士首先介紹了實驗室的情況。夏博士2012年從美國回到深圳，在中科院深圳先進技術研究院創建了醫療機器人與生物力學實驗室。

實驗室主要圍繞醫療機器人與生物力學交叉方向的共性關鍵技術，包括創新性機器人系統設計、特殊環境下的機器人運動規劃與控制、面向醫療機器人應用的若干生物力學問題，并重點在智能服務與操作機器人、精準口腔診療機器人、軟體醫療及康復機器人幾個方向開展研究工作。

具體應用上，實驗室主要開展了以下三個方面的研究。第一，開展了用于機器人操作的目標識別與定位、感知控制、狀態監測等關鍵理論和技術的研究。第二，開展了用于口腔正畸診療的計算生物力學及機器人制備等關鍵理論與技術的研究。第三，研發了軟體醫療及康復機器人系統設計與控制等關鍵理論與技術的研究。

介紹完實驗室基本情況和重點關注領域之后，夏博士重點介紹了精準口腔正畸診療機器人技術與系統的研究進展，并表示主要技術性研發工作已基本結束，后續主要工作是臨床示范應用和商業推廣。

夏博士首先展示了傳統口腔正畸臨床治療的基本流程。首先要取牙模，人工制作石膏模型，做測量，做蠟模排牙，最后做矯治器的設計和彎制。整個過程是采用試錯的方式進行，存在治療效果欠佳、周期長、綜合成本高等問題。

雷鋒網注:傳統口腔正畸臨床治療典型過程（圖片來源于網絡）

針對上面提到的問題，夏博士團隊開展了精準口腔正畸診療機器人的研究。該研究以口腔正畸學為臨床機理，以計算生物力學為診療方法，最后通過機器人技術進行臨床實施，旨在從基于組織生物力學的精準診斷與預測、個性化矯治器的自動制備等多個方面來提高正畸治療效果、降低綜合治療成本。

雷鋒網注：精準口腔正畸診療機器人系統（圖片來源于CAS/SIAT醫療機器人與生物力學實驗室）

上述工作中的基礎性工作是組織重構。區別于目前臨床的商業CT提供的軟件和其他的商業軟件基于骨密度值的重構，組織重構得到的牙齒、牙周膜、牙槽骨都可以獨立操作，為后期輔助診療的工作奠定了基礎。

雷鋒網注：利用口腔組織重構方法得到的“牙齒-牙周膜-牙槽骨”復合體模型（圖片來源于CAS/SIAT醫療機器人與生物力學實驗室）

在組織重構的基礎上，建立了可視化輔助診療系統，并開展了基于計算生物力學的治療模擬工作。夏博士介紹了早期在NIH R01項目資助下開展的基于大規模臨床實驗的口腔正畸生物力學機理及治療策略對比方面的研究工作，該項目對口腔正畸牙齒移動模式控制的機理、可行性和模型進行了系統的研究。基于上述研究結果，實驗室建立了口腔正畸牙齒移動的計算生物力學模型，并在此基礎上實現了正畸力的模擬及牙齒移動的模擬。基于模擬結果可對治療方案進行優化，同時也可以對矯治器的設計進行優化。

雷鋒網注：“矯治器-正畸力-牙齒移動”的多級治療模擬方法示意圖（圖片來源于CAS/SIAT醫療機器人與生物力學實驗室）             左：“矯治器-TPBC”生物力學仿真模型；中：正畸力仿真示意圖；右：牙齒移動仿真示意圖

矯治器設計完成后，下一步要做矯治器制備。目前實驗室已建立了矯治器自動制備機器人系統，制備一套弓絲矯治器只需要幾分鐘時間，之后可以清潔打包，傳遞到臨床應用單位。

雷鋒網注：個性化弓絲矯治器機器人自動彎制（圖片來源于CAS/SIAT醫療機器人與生物力學實驗室）

最后，夏博士展望了以后口腔正畸診療的場景：以深圳為例，一個大城市每個區建一個制備中心就可以了。患者來到醫院或者診所，掃描一下CT圖像，終端自動完成組織重構、治療規劃，醫生花上幾分鐘時間，把這個結果呈現給患者，如果患者同意開展治療，醫生就可以請患者在旁邊喝一杯咖啡，再把數據傳遞給機器人制備中心。很快，機器人制備中心可快速將矯治器送到診所，如果患者不需要進行拔牙等前期處理，喝完一杯咖啡后第一個矯治器就可以裝上了。

在此基礎上，夏博士希望通過上述基礎理論和關鍵技術推動臨床口腔正畸診療從當前基于試錯的經驗診療模式提升到可預測的精準診療模式，最終實現在合理的時間內給予患者個性化、可預測的口腔正畸治療。

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