中科院深圳先进技术研究院夏泽洋:计算生物力学和机器人助力精准口腔正畸 | CCF-GAIR 2018

2020年6月28日14:20:00 发表评论 52 views

雷锋网按:2018 全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR)在深圳召开,峰会由中国计算机学会(CCF)主办,由雷锋网、香港中文大学(深圳)承办,得到了深圳市宝安区政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流盛会,旨在打造国内人工智能领域最具实力的跨界交流合作平台。

在第二天的机器人行业应用专场,中国科学院深圳先进技术研究院夏泽洋博士发表了主题为“精准口腔正畸诊疗机器人技术与系统”的精彩演讲。展示了口腔正畸诊疗机器人的最新研究成果。

夏泽洋博士是中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师,是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、“国家重点研发计划”国际合作重点专项负责人,广东省重大科技专项负责人,中国科学院青年创新促进会广州分会副理事长,深圳市“孔雀计划”人才。

中科院深圳先进技术研究院夏泽洋:计算生物力学和机器人助力精准口腔正畸 | CCF-GAIR 2018

在报告中,夏泽洋博士首先介绍了实验室的情况。夏博士2012年从美国回到深圳,在中科院深圳先进技术研究院创建了医疗机器人与生物力学实验室。

实验室主要围绕医疗机器人与生物力学交叉方向的共性关键技术,包括创新性机器人系统设计、特殊环境下的机器人运动规划与控制、面向医疗机器人应用的若干生物力学问题,并重点在智能服务与操作机器人、精准口腔诊疗机器人、软体医疗及康复机器人几个方向开展研究工作。

具体应用上,实验室主要开展了以下三个方面的研究。第一,开展了用于机器人操作的目标识别与定位、感知控制、状态监测等关键理论和技术的研究。第二,开展了用于口腔正畸诊疗的计算生物力学及机器人制备等关键理论与技术的研究。第三,研发了软体医疗及康复机器人系统设计与控制等关键理论与技术的研究。

介绍完实验室基本情况和重点关注领域之后,夏博士重点介绍了精准口腔正畸诊疗机器人技术与系统的研究进展,并表示主要技术性研发工作已基本结束,后续主要工作是临床示范应用和商业推广。

夏博士首先展示了传统口腔正畸临床治疗的基本流程。首先要取牙模,人工制作石膏模型,做测量,做蜡模排牙,最后做矫治器的设计和弯制。整个过程是采用试错的方式进行,存在治疗效果欠佳、周期长、综合成本高等问题。

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雷锋网注:传统口腔正畸临床治疗典型过程(图片来源于网络)

针对上面提到的问题,夏博士团队开展了精准口腔正畸诊疗机器人的研究。该研究以口腔正畸学为临床机理,以计算生物力学为诊疗方法,最后通过机器人技术进行临床实施,旨在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。

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雷锋网注:精准口腔正畸诊疗机器人系统(图片来源于CAS/SIAT医疗机器人与生物力学实验室)

上述工作中的基础性工作是组织重构。区别于目前临床的商业CT提供的软件和其他的商业软件基于骨密度值的重构,组织重构得到的牙齿、牙周膜、牙槽骨都可以独立操作,为后期辅助诊疗的工作奠定了基础。

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雷锋网注:利用口腔组织重构方法得到的“牙齿-牙周膜-牙槽骨”复合体模型(图片来源于CAS/SIAT医疗机器人与生物力学实验室)

在组织重构的基础上,建立了可视化辅助诊疗系统,并开展了基于计算生物力学的治疗模拟工作。夏博士介绍了早期在NIH R01项目资助下开展的基于大规模临床实验的口腔正畸生物力学机理及治疗策略对比方面的研究工作,该项目对口腔正畸牙齿移动模式控制的机理、可行性和模型进行了系统的研究。基于上述研究结果,实验室建立了口腔正畸牙齿移动的计算生物力学模型,并在此基础上实现了正畸力的模拟及牙齿移动的模拟。基于模拟结果可对治疗方案进行优化,同时也可以对矫治器的设计进行优化。

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雷锋网注:“矫治器-正畸力-牙齿移动”的多级治疗模拟方法示意图(图片来源于CAS/SIAT医疗机器人与生物力学实验室)             左:“矫治器-TPBC”生物力学仿真模型;中:正畸力仿真示意图;右:牙齿移动仿真示意图

矫治器设计完成后,下一步要做矫治器制备。目前实验室已建立了矫治器自动制备机器人系统,制备一套弓丝矫治器只需要几分钟时间,之后可以清洁打包,传递到临床应用单位。

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雷锋网注:个性化弓丝矫治器机器人自动弯制(图片来源于CAS/SIAT医疗机器人与生物力学实验室)

最后,夏博士展望了以后口腔正畸诊疗的场景:以深圳为例,一个大城市每个区建一个制备中心就可以了。患者来到医院或者诊所,扫描一下CT图像,终端自动完成组织重构、治疗规划,医生花上几分钟时间,把这个结果呈现给患者,如果患者同意开展治疗,医生就可以请患者在旁边喝一杯咖啡,再把数据传递给机器人制备中心。很快,机器人制备中心可快速将矫治器送到诊所,如果患者不需要进行拔牙等前期处理,喝完一杯咖啡后第一个矫治器就可以装上了。

在此基础上,夏博士希望通过上述基础理论和关键技术推动临床口腔正畸诊疗从当前基于试错的经验诊疗模式提升到可预测的精准诊疗模式,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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