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人工智能+3D打印,做出一口好“牙”

時間:2021-10-13 14:40來源:大西北網 作者:新華網 點擊: 載入中...
   大西北網訊  20年前,我國在口腔數字化修復領域的相關產品基本依賴進口?,F在,國產關鍵技術產品不僅填補了國內空白,部分達國際領先水平,而且還實現了中國自主高端口腔醫療技術裝備在全球牙科市場“零”的突破。
 
  孫玉春北京大學口腔醫學院口腔醫學數字化研究中心副主任、主任醫師
 
  近日,在2021年中關村論壇上揭曉的2020年度北京市科學技術獎中,北京大學口腔醫院聯合南京航空航天大學等機構,憑借“復雜口腔修復體的人工智能設計與精準仿生制造”共同摘得北京市技術發明一等獎。
 
  “近30年,數字化技術在全球口腔修復領域的應用越來越深入和廣泛,但我國在該領域的基礎研究與產品開發一度嚴重缺乏國際競爭力,義齒三維設計軟件、專用打印機、氧化鋯材料等產品基本依賴進口,設計算法、打印工藝、材料制備工藝等核心技術不足。”北京大學口腔醫學院口腔醫學數字化研究中心副主任、主任醫師孫玉春教授告訴科技日報記者,為改變這一現狀,自2001年開始,他聯合國內院校和企業,從最具挑戰的全口義齒入手,到可摘局部義齒、固定義齒,不斷進行研發、試錯。
 
  如今,團隊原創研發的復雜口腔修復體人工智能設計軟件、專用3D打印工藝設備和仿生氧化鋯材料,已經可以讓“數字化義齒”的修復,變得高效、舒適且美觀。
 
  數字化技術用于義齒修復成研究熱點
 
  根據《第四次全國口腔健康流行病學調查報告》(2018),我國35歲以上成人平均失牙4.7顆,各年齡組缺損、缺失牙齒達數十億顆??谇恍迯腕w、義齒即假牙,是目前人類重拾咀嚼功能的有效幫手。
 
  “上世紀七八十年代,一位法國教授首先將數字化技術應用于牙科。”孫玉春介紹,近30年來,數字化技術在全球口腔修復領域的應用越來越深入和廣泛,以計算機輔助設計、計算機輔助制造技術為代表的口腔數字化修復技術,在固定修復、種植修復和可摘局部義齒修復方面的慢慢發展成熟,修復診療的效率和精度也在不斷提高。
 
  近年來,將數字化技術用于全口義齒修復成為研究熱點,國際上先后涌現出十余種數字化全口義齒修復系統。不過,孫玉春透露,由于制模、記錄頜位與全口義齒設計技術難度仍然較高,導致義齒設計效率和智能化程度不高。
 
  “判斷義齒療效的關鍵,是義齒的設計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春表示,進入21世紀,人們看到了人工智能在口腔醫學領域的價值。人工智能最初用于口腔診斷,但現在已經廣泛應用于三維掃描、計算機輔助設計、計算機輔助制造、仿生材料設計,它可以提高義齒的設計效率和仿生度,讓義齒與患者更匹配,同時減少傳統手工設計、制造、精調人力成本。
 
  1000多副手工模型建成數據庫
 
  但義齒的三維設計,長期依賴于歐美國家基于解析幾何算法的CAD軟件,這種軟件聚焦于每一顆牙齒單獨設計,應用難度大且效率低。
 
  將近10年的時間,孫玉春常常利用國外軟件排列每一顆義齒的位置,但他發現,始終沒有國內義齒技工大師排得好。
 
  差異來自不同的技術路線,“用歐美軟件設計時,要用鼠標對每顆牙齒的空間位置、姿態和三維形狀進行逐個交互式調整,每顆牙齒需要考慮上下左右前后6個自由度,全口28顆牙齒需反復調整168個自由度。而傳統技師是靠多年積累的手工排牙經驗和操作技巧排牙,想用鼠標和鍵盤模仿,難度極大。”孫玉春說。
 
  快要放棄時,孫玉春靈光一現,“何不把中國技師做好的義齒看成一個整體,再根據每個患者的個體情況,整體調整義齒的三維外形參數?這就像蓋房子,把以前一塊一塊壘磚,變成整棟房子遷移,而這個房子又可以根據環境自適應變形。這樣也許就可以突破國外軟件設計效果和效率的瓶頸”。
 
  孫玉春團隊將北大口腔醫學院最初積累的1000多副義齒模型掃描進電腦,進行數據建模。利用這1000多副模型,團隊最終提出基于面部中線、口角線、唇高低線、牙頜弓曲線(寬度、深度、曲度)等10余個關鍵變量的權重指標體系,根據這些指標采集患者的信息,幾秒鐘就能在數據庫中找到最適合當前患者的標準義齒模板。
 
  現在,他們的數據庫里已經有全國近20萬副義齒模型。“目前在國內有約570家義齒加工廠在用,每天可以設計1700多副義齒模型。”孫玉春說。
 
  探索最適合的齒形結構3D打印參數集
 
  雖然設計義齒的效率提升了,但要把設計圖變成真切的義齒,還面臨很多困難。
 
  早期歐美進口的金屬3D打印裝備為單激光掃描,排版設計過程過于繁瑣、智能分析判斷能力不足,需要大量的手工調整和打磨后處理操作,導致制造精度效率低、材料浪費大。
 
  “打印工藝是3D打印的靈魂,有那么5年時間,我在辦公室一字排開5臺打印機,每天不停地打印各種臨床需要的制品,光打印材料就用了約300公斤,最終摸索出最適合齒形結構的專用3D打印工藝參數集,例如打印的角度、打印速度,層間重疊率、材料填充率、打印溫度等。”孫玉春說,團隊原創了3D打印自動化排版切片工藝軟件,率先研制出3套口腔專用的單/雙激光金屬3D打印裝備和物聯網運維平臺3D云,通過分類和模式識別算法優化姿態調整和支撐添加,對精度要求更高的關鍵局部結構做自動的特殊工藝設定,突破了金屬3D打印懸垂面精度限制,實現了設備總體打印精度與國際同類設備持平,但關鍵局部打印精度優于國際同類設備水平的突破。
 
  “當時用國外典型的打印機打印出的義齒關鍵局部的精度只有100—150微米,但用我們的打印機可以達到30—50微米。”孫玉春說。
 
  疊層處理材料讓義齒更逼真
 
  從牙尖到牙根,顏色、透明度、硬度是漸變的,如何制備出仿生的材料用于人工智能設計和精細的制造工藝?
 
  氧化鋯是制造義齒的主要材料。“歐美日長期掌握著口腔氧化鋯材料制備的尖端技術,但他們早期生產的氧化鋯材料只有單一的顏色、透明度、硬度,力學、美學均與天然牙齒硬組織‘失配’,這也是全球牙科陶瓷材料領域的研究熱點和難點。”孫玉春指出,為了讓義齒從上到下呈現不同的顏色、透明度、力學性能,科研團隊對氧化鋯材料疊層處理,每一層都暗藏玄機。
 
  “我們將含有不同比例氧化釔的6種氧化鋯,按照一定結構壓在一起,在每層建立一種雙向梯度滲透的仿生界面,這個界面模仿天然牙齒的絞釉層,使義齒在制造和燒結時,不會發生層間斷裂和制造精度下降。”孫玉春說,這套技術在一定程度上解決了義齒咬合面的硬度、彈性模量遠高于天然牙釉質的難題,提升了口腔氧化鋯修復體與余留天然牙齒在功能、美學上的仿生匹配度。
 
  如今,經由這套解決方案研發出的8種產品,均可完全替代進口并已出口海外,仿生氧化鋯材料產品已經推廣到全球120多個國家,每年可生產近千萬顆義齒。
 
  “20年前,我國在口腔數字化修復領域的相關產品基本依賴進口?,F在,國產關鍵技術產品不僅填補了國內空白,部分達國際領先水平,而且還實現了中國自主高端口腔醫療技術裝備在全球牙科市場‘零’的突破。”孫玉春說。(記者金鳳)
(責任編輯:蘇玉梅)
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