中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院夏澤洋:計(jì)算生物力學(xué)和機(jī)器人助力精準(zhǔn)口腔正畸 | CCF-GAIR 2018

雷鋒網(wǎng)按：2018 全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR）在深圳召開，峰會(huì)由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，由雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦，得到了深圳市寶安區(qū)政府的大力指導(dǎo)，是國內(nèi)人工智能和機(jī)器人學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及投資界三大領(lǐng)域的頂級(jí)交流盛會(huì)，旨在打造國內(nèi)人工智能領(lǐng)域最具實(shí)力的跨界交流合作平臺(tái)。

在第二天的機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用專場(chǎng)，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院夏澤洋博士發(fā)表了主題為“精準(zhǔn)口腔正畸診療機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)”的精彩演講。展示了口腔正畸診療機(jī)器人的最新研究成果。

夏澤洋博士是中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員、博士生導(dǎo)師，是廣東省杰出青年科學(xué)基金獲得者、吳文俊人工智能自然科學(xué)獎(jiǎng)獲得者、“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”國際合作重點(diǎn)專項(xiàng)負(fù)責(zé)人，廣東省重大科技專項(xiàng)負(fù)責(zé)人，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)廣州分會(huì)副理事長(zhǎng)，深圳市“孔雀計(jì)劃”人才。

在報(bào)告中，夏澤洋博士首先介紹了實(shí)驗(yàn)室的情況。夏博士2012年從美國回到深圳，在中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院創(chuàng)建了醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

實(shí)驗(yàn)室主要圍繞醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)交叉方向的共性關(guān)鍵技術(shù)，包括創(chuàng)新性機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、特殊環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制、面向醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用的若干生物力學(xué)問題，并重點(diǎn)在智能服務(wù)與操作機(jī)器人、精準(zhǔn)口腔診療機(jī)器人、軟體醫(yī)療及康復(fù)機(jī)器人幾個(gè)方向開展研究工作。

具體應(yīng)用上，實(shí)驗(yàn)室主要開展了以下三個(gè)方面的研究。第一，開展了用于機(jī)器人操作的目標(biāo)識(shí)別與定位、感知控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵理論和技術(shù)的研究。第二，開展了用于口腔正畸診療的計(jì)算生物力學(xué)及機(jī)器人制備等關(guān)鍵理論與技術(shù)的研究。第三，研發(fā)了軟體醫(yī)療及康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制等關(guān)鍵理論與技術(shù)的研究。

介紹完實(shí)驗(yàn)室基本情況和重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之后，夏博士重點(diǎn)介紹了精準(zhǔn)口腔正畸診療機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)的研究進(jìn)展，并表示主要技術(shù)性研發(fā)工作已基本結(jié)束，后續(xù)主要工作是臨床示范應(yīng)用和商業(yè)推廣。

夏博士首先展示了傳統(tǒng)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(cè)量，做蠟?zāi)Ｅ叛溃詈笞龀C治器的設(shè)計(jì)和彎制。整個(gè)過程是采用試錯(cuò)的方式進(jìn)行，存在治療效果欠佳、周期長(zhǎng)、綜合成本高等問題。

雷鋒網(wǎng)注:傳統(tǒng)口腔正畸臨床治療典型過程（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

針對(duì)上面提到的問題，夏博士團(tuán)隊(duì)開展了精準(zhǔn)口腔正畸診療機(jī)器人的研究。該研究以口腔正畸學(xué)為臨床機(jī)理，以計(jì)算生物力學(xué)為診療方法，最后通過機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行臨床實(shí)施，旨在從基于組織生物力學(xué)的精準(zhǔn)診斷與預(yù)測(cè)、個(gè)性化矯治器的自動(dòng)制備等多個(gè)方面來提高正畸治療效果、降低綜合治療成本。

雷鋒網(wǎng)注：精準(zhǔn)口腔正畸診療機(jī)器人系統(tǒng)（圖片來源于CAS/SIAT醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

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

雷鋒網(wǎng)注：利用口腔組織重構(gòu)方法得到的“牙齒-牙周膜-牙槽骨”復(fù)合體模型（圖片來源于CAS/SIAT醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

在組織重構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了可視化輔助診療系統(tǒng)，并開展了基于計(jì)算生物力學(xué)的治療模擬工作。夏博士介紹了早期在NIH R01項(xiàng)目資助下開展的基于大規(guī)模臨床實(shí)驗(yàn)的口腔正畸生物力學(xué)機(jī)理及治療策略對(duì)比方面的研究工作，該項(xiàng)目對(duì)口腔正畸牙齒移動(dòng)模式控制的機(jī)理、可行性和模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。基于上述研究結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室建立了口腔正畸牙齒移動(dòng)的計(jì)算生物力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了正畸力的模擬及牙齒移動(dòng)的模擬。基于模擬結(jié)果可對(duì)治療方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也可以對(duì)矯治器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

雷鋒網(wǎng)注：“矯治器-正畸力-牙齒移動(dòng)”的多級(jí)治療模擬方法示意圖（圖片來源于CAS/SIAT醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室）             左：“矯治器-TPBC”生物力學(xué)仿真模型；中：正畸力仿真示意圖；右：牙齒移動(dòng)仿真示意圖

矯治器設(shè)計(jì)完成后，下一步要做矯治器制備。目前實(shí)驗(yàn)室已建立了矯治器自動(dòng)制備機(jī)器人系統(tǒng)，制備一套弓絲矯治器只需要幾分鐘時(shí)間，之后可以清潔打包，傳遞到臨床應(yīng)用單位。

雷鋒網(wǎng)注：個(gè)性化弓絲矯治器機(jī)器人自動(dòng)彎制（圖片來源于CAS/SIAT醫(yī)療機(jī)器人與生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

最后，夏博士展望了以后口腔正畸診療的場(chǎng)景：以深圳為例，一個(gè)大城市每個(gè)區(qū)建一個(gè)制備中心就可以了。患者來到醫(yī)院或者診所，掃描一下CT圖像，終端自動(dòng)完成組織重構(gòu)、治療規(guī)劃，醫(yī)生花上幾分鐘時(shí)間，把這個(gè)結(jié)果呈現(xiàn)給患者，如果患者同意開展治療，醫(yī)生就可以請(qǐng)患者在旁邊喝一杯咖啡，再把數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)器人制備中心。很快，機(jī)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(jìn)行拔牙等前期處理，喝完一杯咖啡后第一個(gè)矯治器就可以裝上了。

在此基礎(chǔ)上，夏博士希望通過上述基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)推動(dòng)臨床口腔正畸診療從當(dāng)前基于試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)診療模式提升到可預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)診療模式，最終實(shí)現(xiàn)在合理的時(shí)間內(nèi)給予患者個(gè)性化、可預(yù)測(cè)的口腔正畸治療。

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。