人工智能+3D打印,做出一口好“牙”
20年前,我國(guó)在口腔數(shù)字化修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口?,F(xiàn)在,國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,部分達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平,而且還實(shí)現(xiàn)了中國(guó)自主高端口腔醫(yī)療技術(shù)裝備在全球牙科市場(chǎng)“零”的突破。
孫玉春 北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心副主任、主任醫(yī)師
近日,在2021年中關(guān)村論壇上揭曉的2020年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)中,北京大學(xué)口腔醫(yī)院聯(lián)合南京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu),憑借“復(fù)雜口腔修復(fù)體的人工智能設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)仿生制造”共同摘得北京市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。
“近30年,數(shù)字化技術(shù)在全球口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛,但我國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一度嚴(yán)重缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,義齒三維設(shè)計(jì)軟件、專(zhuān)用打印機(jī)、氧化鋯材料等產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口,設(shè)計(jì)算法、打印工藝、材料制備工藝等核心技術(shù)不足。”北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心副主任、主任醫(yī)師孫玉春教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者,為改變這一現(xiàn)狀,自2001年開(kāi)始,他聯(lián)合國(guó)內(nèi)院校和企業(yè),從最具挑戰(zhàn)的全口義齒入手,到可摘局部義齒、固定義齒,不斷進(jìn)行研發(fā)、試錯(cuò)。
如今,團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)研發(fā)的復(fù)雜口腔修復(fù)體人工智能設(shè)計(jì)軟件、專(zhuān)用3D打印工藝設(shè)備和仿生氧化鋯材料,已經(jīng)可以讓“數(shù)字化義齒”的修復(fù),變得高效、舒適且美觀。
數(shù)字化技術(shù)用于義齒修復(fù)成研究熱點(diǎn)
根據(jù)《第四次全國(guó)口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報(bào)告》(2018),我國(guó)35歲以上成人平均失牙4.7顆,各年齡組缺損、缺失牙齒達(dá)數(shù)十億顆??谇恍迯?fù)體、義齒即假牙,是目前人類(lèi)重拾咀嚼功能的有效幫手。
“上世紀(jì)七八十年代,一位法國(guó)教授首先將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于牙科?!睂O玉春介紹,近30年來(lái),數(shù)字化技術(shù)在全球口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛,以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)為代表的口腔數(shù)字化修復(fù)技術(shù),在固定修復(fù)、種植修復(fù)和可摘局部義齒修復(fù)方面的慢慢發(fā)展成熟,修復(fù)診療的效率和精度也在不斷提高。
近年來(lái),將數(shù)字化技術(shù)用于全口義齒修復(fù)成為研究熱點(diǎn),國(guó)際上先后涌現(xiàn)出十余種數(shù)字化全口義齒修復(fù)系統(tǒng)。不過(guò),孫玉春透露,由于制模、記錄頜位與全口義齒設(shè)計(jì)技術(shù)難度仍然較高,導(dǎo)致義齒設(shè)計(jì)效率和智能化程度不高。
“判斷義齒療效的關(guān)鍵,是義齒的設(shè)計(jì)制造精度與仿生匹配度?!睂O玉春表示,進(jìn)入21世紀(jì),人們看到了人工智能在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值。人工智能最初用于口腔診斷,但現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三維掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、仿生材料設(shè)計(jì),它可以提高義齒的設(shè)計(jì)效率和仿生度,讓義齒與患者更匹配,同時(shí)減少傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)、制造、精調(diào)人力成本。
1000多副手工模型建成數(shù)據(jù)庫(kù)
但義齒的三維設(shè)計(jì),長(zhǎng)期依賴于歐美國(guó)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(dú)設(shè)計(jì),應(yīng)用難度大且效率低。
將近10年的時(shí)間,孫玉春常常利用國(guó)外軟件排列每一顆義齒的位置,但他發(fā)現(xiàn),始終沒(méi)有國(guó)內(nèi)義齒技工大師排得好。
差異來(lái)自不同的技術(shù)路線,“用歐美軟件設(shè)計(jì)時(shí),要用鼠標(biāo)對(duì)每顆牙齒的空間位置、姿態(tài)和三維形狀進(jìn)行逐個(gè)交互式調(diào)整,每顆牙齒需要考慮上下左右前后6個(gè)自由度,全口28顆牙齒需反復(fù)調(diào)整168個(gè)自由度。而傳統(tǒng)技師是靠多年積累的手工排牙經(jīng)驗(yàn)和操作技巧排牙,想用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)模仿,難度極大?!睂O玉春說(shuō)。
快要放棄時(shí),孫玉春靈光一現(xiàn),“何不把中國(guó)技師做好的義齒看成一個(gè)整體,再根據(jù)每個(gè)患者的個(gè)體情況,整體調(diào)整義齒的三維外形參數(shù)?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(gè)房子又可以根據(jù)環(huán)境自適應(yīng)變形。這樣也許就可以突破國(guó)外軟件設(shè)計(jì)效果和效率的瓶頸”。
孫玉春團(tuán)隊(duì)將北大口腔醫(yī)學(xué)院最初積累的1000多副義齒模型掃描進(jìn)電腦,進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。利用這1000多副模型,團(tuán)隊(duì)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(gè)關(guān)鍵變量的權(quán)重指標(biāo)體系,根據(jù)這些指標(biāo)采集患者的信息,幾秒鐘就能在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到最適合當(dāng)前患者的標(biāo)準(zhǔn)義齒模板。
現(xiàn)在,他們的數(shù)據(jù)庫(kù)里已經(jīng)有全國(guó)近20萬(wàn)副義齒模型?!澳壳霸趪?guó)內(nèi)有約570家義齒加工廠在用,每天可以設(shè)計(jì)1700多副義齒模型?!睂O玉春說(shuō)。
探索最適合的齒形結(jié)構(gòu)3D打印參數(shù)集
雖然設(shè)計(jì)義齒的效率提升了,但要把設(shè)計(jì)圖變成真切的義齒,還面臨很多困難。
早期歐美進(jìn)口的金屬3D打印裝備為單激光掃描,排版設(shè)計(jì)過(guò)程過(guò)于繁瑣、智能分析判斷能力不足,需要大量的手工調(diào)整和打磨后處理操作,導(dǎo)致制造精度效率低、材料浪費(fèi)大。
“打印工藝是3D打印的靈魂,有那么5年時(shí)間,我在辦公室一字排開(kāi)5臺(tái)打印機(jī),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(jié)構(gòu)的專(zhuān)用3D打印工藝參數(shù)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?!睂O玉春說(shuō),團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)了3D打印自動(dòng)化排版切片工藝軟件,率先研制出3套口腔專(zhuān)用的單/雙激光金屬3D打印裝備和物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺(tái)3D云,通過(guò)分類(lèi)和模式識(shí)別算法優(yōu)化姿態(tài)調(diào)整和支撐添加,對(duì)精度要求更高的關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)做自動(dòng)的特殊工藝設(shè)定,突破了金屬3D打印懸垂面精度限制,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備總體打印精度與國(guó)際同類(lèi)設(shè)備持平,但關(guān)鍵局部打印精度優(yōu)于國(guó)際同類(lèi)設(shè)備水平的突破。
“當(dāng)時(shí)用國(guó)外典型的打印機(jī)打印出的義齒關(guān)鍵局部的精度只有100—150微米,但用我們的打印機(jī)可以達(dá)到30—50微米。”孫玉春說(shuō)。
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(shè)計(jì)和精細(xì)的制造工藝?
氧化鋯是制造義齒的主要材料?!皻W美日長(zhǎng)期掌握著口腔氧化鋯材料制備的尖端技術(shù),但他們?cè)缙谏a(chǎn)的氧化鋯材料只有單一的顏色、透明度、硬度,力學(xué)、美學(xué)均與天然牙齒硬組織‘失配’,這也是全球牙科陶瓷材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。”孫玉春指出,為了讓義齒從上到下呈現(xiàn)不同的顏色、透明度、力學(xué)性能,科研團(tuán)隊(duì)對(duì)氧化鋯材料疊層處理,每一層都暗藏玄機(jī)。
“我們將含有不同比例氧化釔的6種氧化鋯,按照一定結(jié)構(gòu)壓在一起,在每層建立一種雙向梯度滲透的仿生界面,這個(gè)界面模仿天然牙齒的絞釉層,使義齒在制造和燒結(jié)時(shí),不會(huì)發(fā)生層間斷裂和制造精度下降?!睂O玉春說(shuō),這套技術(shù)在一定程度上解決了義齒咬合面的硬度、彈性模量遠(yuǎn)高于天然牙釉質(zhì)的難題,提升了口腔氧化鋯修復(fù)體與余留天然牙齒在功能、美學(xué)上的仿生匹配度。
如今,經(jīng)由這套解決方案研發(fā)出的8種產(chǎn)品,均可完全替代進(jìn)口并已出口海外,仿生氧化鋯材料產(chǎn)品已經(jīng)推廣到全球120多個(gè)國(guó)家,每年可生產(chǎn)近千萬(wàn)顆義齒。
“20年前,我國(guó)在口腔數(shù)字化修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口?,F(xiàn)在,國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,部分達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平,而且還實(shí)現(xiàn)了中國(guó)自主高端口腔醫(yī)療技術(shù)裝備在全球牙科市場(chǎng)‘零’的突破?!睂O玉春說(shuō)。
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