人工智能技术在口腔专科治疗及护理中的应用

Abstract

随着人工智能技术的快速发展，人工智能在口腔医学领域的应用越来越受到关注，这必将给口腔专科治疗及护理带来新一轮的技术革新。本文结合国内外人工智能研究和应用现况，主要论述了人工智能在口腔专科治疗及护理中应用的优势，在口腔颌面外科、种植、修复、正畸、内科治疗及导诊、教学等中的应用现状，并对其研发和应用前景进行展望。

人工智能（artificial intelligence，AI）是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。由于计算机、信息技术、微电子的快速发展，人工智能技术在医疗领域中的应用越来越受到关注。医用人工智能利用人机接口技术、导航与定位系统、视觉模拟系统、智能控制系统、多传感器信息融合等关键技术，完成或辅助完成常规医疗设备较难完成的复杂诊断和手术[1]，促进医学向精准、微创方向发展。

精准医学是根据患者个体特异性制定个性化的精准预防、精准诊断和精准治疗方案[2]–[3]。随着精准医学的发展，精准护理得以提出。精准护理是以大数据为基础，应用现代信息技术，契合患者的环境和临床数据，拟订针对性的护理方案，为患者提供最有效、最安全、最经济的护理服务[4]。随着精准医学和信息技术的快速发展，人工智能技术正逐步应用于口腔医学的各个领域，这必将促进口腔专科护理操作流程、护理模式向精准精确方向发展。本文将主要论述人工智能技术在口腔专科治疗及护理中的应用及展望。

1. 在口腔专科治疗及护理中应用人工智能技术的优势

人工智能具有高智能化、高精准度等特点，在口腔专科治疗及护理中的应用具有独特的优势。1）口腔各种间隙、神经、血管交错，口腔治疗中容易导致组织损伤，人工智能的定位导航系统可精准定位，避免损伤；2）人工智能配备的视觉系统和远程操作系统，可捕获清晰视野，完成许多无法直视下进行的操作；3）在颌面修复重建手术中利用三维重建系统进行三维重建、3D打印、设计手术方案，利用虚拟仿真系统进行模拟手术[1]、预制导板等，使手术及护理更精确；4）人工智能可代替医护人员进行危险操作，特别适用于患有传染性疾病患者的口腔治疗；也可辅助颌面外科患者接受放射、微波等治疗，最大限度地减少不必要的职业暴露；5）远程会诊甚至远程操作可通过配合互联网技术得以实现；6）利用人工智能的人机交互技术，可用于口腔医疗及护理场景虚拟教学、模拟教学等；7）将医院位置图、医生信息、健康教育等导入人工智能机器人的大脑，可协助护士完成导诊、咨询、陪检、健康教育等；8）人工智能大数据资料的存储，有利于精确分析口腔诊疗中的问题，为临床研究提供依据。

2. 人工智能技术在口腔专科治疗及护理中的应用

2.1. 在口腔颌面外科中的应用

颌面手术区域解剖复杂，血管神经交错，手术难度大。由于本身结构局限，为暴露术野，手术切口常较大，易导致患者心理问题。人工智能辅助手术经微创切口进入体内，提高了手术的精准性、安全性和治疗效果。人工智能在口腔颌面外科的应用主要有：1）术前做三维重建，精确分析病灶，设计方案，制作导板并在术中预设位点正确放置；2）根据术前方案，对颌面骨进行精确的切割、成形、移位、固定；3）精确进行口底等深部区域的肿瘤切除、颈淋巴清扫术、缺损修复、显微外科血管吻合[5]–[6]等。目前，临床上使用最多的是Intuitive Surgical公司生产的da Vinci手术机器人系统，主要包括3个系统，即医生操作系统、机械臂手术系统和视频处理系统[7]。其特点是高清晰的三维视野、高度的精确性和灵活性、高效的操控性、自动滤除震颤并超越人手的极限，使手术效果明显改善。Genden等[8]报道了应用da Vinci手术机器人对20例包括口腔癌、口咽癌、下咽癌以及喉癌的早期头颈癌进行手术治疗。Theodossy等[9]和Omar等[10]使用机器人臂模拟了正颌手术。Nadjmi[11]将机器人应用于10例唇腭裂患者的手术。2012年，国内第一套颅颌面外科辅助手术机器人实现了术前设计与规划、术中导航、机器人定位把持功能，并进行了医学实验[12]。

对于采用人工智能手术的患者，护理人员应注意：1）对患者进行简单有效的科普宣传很有必要，展示内容包括手术导航、3D打印设备、计算机设计系统等；2）做好数字医学检查及数据采集，完成3D打印植入器具的术前消毒工作；3）完善患者术前各项准备工作，将3D打印材料与患者之间进行过敏实验，核查患者口腔有无松动牙并及时去除活动义齿，避免数字咬合板无法就位导致牙齿松脱；4）加强数字医学设备的日常维护与检测，术后应避免组件遗漏，对照器具清单逐项仔细核对归类，核对无误后登记，送供应室消毒备用；5）术后需严密观察患者病情变化。

2.2. 在口腔种植中的应用

在口腔种植治疗中应用人工智能主要有术前三维诊断、数字化种植手术和种植修复的计算机辅助设计中的操作[13]。智能机器人配有的自主导航和定位系统使其性能高度精确和高度稳定，放入颌骨内的种植体位置准确，种植效果更好[14]–[15]。2017年9月16日，我国研发的世界首台自主式种植牙手术机器人成功为一名女性完成了2颗缺失牙的种植即刻修复[16]。手术前，护士协助医生为患者佩戴3D打印的定位标识，规划机器人的运动路径，自动采集和记录数据。手术开始后，机器人的机械手臂按规划路径自主精准运动到预定位置，并依据医生设计的种植体位置、角度和深度进行窝洞预备，将种植体拧入窝洞中。专家经验与技术融合在机器人程序中，由机器人自主实施牙种植。在整个过程中，护士要配合做好以下工作：1）术前口内检查，取印模、咬合记录，拍摄曲面断层片；2）制作CT扫描导板，需要硅橡胶咬合记录；3）应用CT扫描数据三维重建上颌骨、下颌骨；4）协助设计完成上下颌种植体方案；5）配合预制上下颌手术导板：手术导板始终在黑暗、干燥的环境中保存，不能暴露在阳光下；手术导板使用前，需要用消毒液进行消毒，消毒时间应小于40 min，消毒后应使用无菌水彻底冲洗干净，快速干燥手术导板，但不能加热，切忌进行高温高压灭菌。

2.3. 在口腔内科中的应用

人工智能在口腔内科领域的应用主要集中在医学图像三维重建及可视化。牙体窝洞预备是一项重要的基本技能，其数字化智能系统主要有德国的KaVo PREPassistant数字化评估系统、日本的CPSES系统、美国的E4D系统及Simodont虚拟口腔系统、以色列的DentSim实时交互式虚拟仿真系统等[17]。以上都依赖于计算机和图像处理技术。口腔内治疗往往需要长时间手持牙科工具，操作者会出现疲劳和人为震颤。Ortiz Simon等[18]研发了一种机器人，可握持牙科钻，在医生的操纵下进行精确的定位和钻磨，并有效过滤不自主震颤，最大限度地降低医源性损伤。利用机器人可实现部分远程口腔内科治疗，比如牙科医生通过操纵杆控制牙科钻及材料输送器，进行下颌磨牙龋Ⅰ类洞充填、开髓等[1]。Nelson等[19]发明的机器人助手，可预先编程，根据手术医生的需要自动选择、传递手术器械，充当护士配合的角色。经过一系列实验，他认为在根管治疗中可节约4.4%的时间。护理人员应根据人工智能技术的应用，优化工作流程，规范四手操作，特别对小器械、材料的传递，做到精准、精确，实时完成人机交互。

2.4. 在口腔修复中的应用

人工智能在口腔修复中的应用主要有应用数字化扫描设备扫描患者牙体及软硬组织，得到数字化印模；利用数字化比色仪作天然牙比色；计算机生成和运用各种数字、图形信息，标出边缘、邻接线，设计出修复体的外形，形成最终外形的三维数据，并应用不同的制造技术将虚拟修复体变为真实的口腔修复体。目前，最具前沿的就是人工排牙机器人的使用。它集成了口腔修复专家和技师丰富的经验和技术，能够高度自动化的完成全口义齿或局部义齿的排列[20]。吕培军等[21]基于CRS-450型6自由度机器人研发了一种全口义齿排列的机器人系统。张永德等[22]–[23] 设计了84自由度的多操作机排牙机器人及排牙方案，进行一次全口义齿排列仅需要30 min。义齿排列机器人由于高标准、高智能、高精细等优点成为数字化口腔修复的发展方向。它可根据医生排牙经验建立数学模型，用机器人语言编制人工排牙、三维显示和排牙控制程序，随后，数据传给机器人，由机器人完成排牙器的定位工作，最终完成局部、全口义齿人工牙列的制作。其优势在于构建了相关数学模型及人工牙数据库，避免失误。护理人员应注意：1）做好患者的健康教育工作；2）协助医生进行数字扫描，获取数字影像；3）配合完成牙齿比色；4）配合完成方案制定，做好患者沟通；5）做好排牙器具的消毒管理工作。

2.5. 在口腔正畸中的应用

人工智能在口腔正畸中的应用包括患者数据采集、医学图像处理、三维重建、数字设计、原型制作等。机器人在正畸弓丝弯制领域应用较多[24]–[25]。姜金刚等[26]通过实验比较，认为在正畸弓丝弯制成形中采用增量法能达到较高的弓丝弯制精度和效率，满足患者正畸治疗的需求。张永德等[27]分析弓丝弯制方法、原理及流程，对正畸弓丝弯制机器人进行改进，研制出一种新型口腔正畸弓丝弯制机器人，其结构简单、成本较低、弯制的曲型较多。在正畸弓丝弯制中应用机器人技术，将减轻医生劳动强度，避免人工弯制中由于反复调整导致的弓丝断裂，提高弓丝弯制的精度和效率。正畸弓丝弯制机器人应用于临床，护士应积极改进护理流程，标准化护理操作，协助数据采集，做好资料管理，认真做好患者的健康教育。

2.6. 在口腔导诊中的应用

护士导诊机器人通过智能终端（APP、微信、智能硬件等）与医院信息系统连接，结合行业知识图谱、数据挖掘方面的导诊算法、语义分析等工具，让患者在线完成预约挂号、导诊分诊等服务。同时，将自主构建机器人的大脑——知识库体系：包括院内地图、科室排班、医院/科室/专家介绍、患者常见问题、地点知识库、智能导航、口腔专科健康教育、满意度测评等，并将进行语义扩展设置，帮助医院自动扩展各种说法，让机器人更加智能地支持患者的各种问法。采用自然语言与患者对话，能够不厌其烦、结合上下文回答患者咨询，解答患者问题，追问患者需求，包括健康咨询、预约挂号、科室导航、心理关怀、口腔健康知识宣教等，并建立图像视频技术，除语音外，还可图文并茂地解决患者的疑惑，完成院内导航等工作。同时将拓展口腔护理的内涵，积极开展延伸护理，护士机器人可完成在线随访、病例统计、满意度调查等移动办公服务，而患者也可通过APP在线留言，与医护人员线上互动，并通过健康课堂，提升自我预防和护理的能力。

2.7. 在口腔教学中的应用

数字化虚拟仿真（virtual reality，VR）系统可用于口腔医疗及护理教学，临床诊疗中的多种疾病和场景可通过软件编程模拟，多种信息的输入和输出由传感装置完成，不同操作的反馈利用交互系统实现[28]。机器人一方面通过仿真患者，可让学生反复练习而不增加成本，培养学生的动手实践能力，并可模拟实际临床中的常规病例和疑难病例，以训练学生的临床思维能力。另一方面，通过编程，国内外专家的经验可转化为机器人语言，存储于机器人的知识库，再由机器人传达给学生，实现远程教学，使学生可以学习到多个专家的不同经验，提高教学的效果和水平。

3. 人工智能技术应用于口腔专科治疗及护理的展望

人工智能在口腔专科领域的应用方兴未艾。随着科学技术的发展，人工智能技术在口腔专科治疗及护理领域的应用和研发将势如破竹。比如适用于颌面头颈外科的专科机器人及相关的器械，基于力学反馈的模拟和远程手术将是未来的研究和发展方向，颌面外科手术和护理也将更加精准和微创；能在口腔内进行精细操作的微型机器人的使用；可以进行口腔基础护理、专科护理操作的机器人；可准确完成消毒灭菌的口腔器械消毒灭菌机器人；可精准配合、不知疲倦的四手操作机器人......其研发和应用范围将进一步扩大。但同时应明确，人工智能不是替代医护人员进行工作，而是作为医疗护理的辅助工具。通过人工智能的辅助，可以提高口腔诊断、治疗、护理的精准性，提高治疗的效果，降低劳动强度等。尽管目前人工智能技术尚未在临床上广泛应用，但随着技术的不断完善和发展，相信人工智能将给口腔治疗以及护理带来新一轮的技术革新，促进口腔医学及临床护理、护理教学、护理研究的飞速发展，助力口腔医学及护理学科的建设和发展。

Funding Statement

[基金项目] 四川省科技计划（2017KZ0022）

Supported by: The Science and Technology Plan of Sichuan Province (2017KZ0022)