20年前，我國在口腔數(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，國產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白，部分達(dá)國際領(lǐng)先水平，而且還實(shí)現(xiàn)了中國自主高端口腔醫(yī)療技術(shù)裝備在全球牙科市場“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)計與精準(zhǔn)仿生制造”共同摘得北京市技術(shù)發(fā)明一等獎。
“近30年，數(shù)字化技術(shù)在全球口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入和廣泛，但我國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開發(fā)一度嚴(yán)重缺乏國際競爭力，義齒三維設(shè)計軟件、專用打印機(jī)、氧化鋯材料等產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口，設(shè)計算法、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報記者，為改變這一現(xiàn)狀，自2001年開始，他聯(lián)合國內(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。
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)計軟件、專用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)《第四次全國口腔健康流行病學(xué)調(diào)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(dá)數(shù)十億顆?？谇恍迯?fù)體、義齒即假牙，是目前人類重拾咀嚼功能的有效幫手。
“上世紀(jì)七八十年代，一位法國教授首先將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于牙科。”孫玉春介紹，近30年來，數(shù)字化技術(shù)在全球口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入和廣泛，以計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(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，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，孫玉春透露，由于制模、記錄頜位與全口義齒設(shè)計技術(shù)難度仍然較高，導(dǎo)致義齒設(shè)計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)計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春表示，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、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、仿生材料設(shè)計，它可以提高義齒的設(shè)計效率和仿生度，讓義齒與患者更匹配，同時減少傳統(tǒng)手工設(shè)計、制造、精調(diào)人力成本。
1000多副手工模型建成數(shù)據(jù)庫
但義齒的三維設(shè)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(dú)設(shè)計，應(yīng)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(fā)現(xiàn)，始終沒有國內(nèi)義齒技工大師排得好。
差異來自不同的技術(shù)路線，“用歐美軟件設(shè)計時，要用鼠標(biāo)對每顆牙齒的空間位置、姿態(tài)和三維形狀進(jìn)行逐個交互式調(diào)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(fù)調(diào)整168個自由度。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)和鍵盤模仿，難度極大。”孫玉春說。
快要放棄時，孫玉春靈光一現(xiàn)，“何不把中國技師做好的義齒看成一個整體，再根據(jù)每個患者的個體情況，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外軟件設(shè)計效果和效率的瓶頸”。
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)庫里已經(jīng)有全國近20萬副義齒模型。“目前在國內(nèi)有約570家義齒加工廠在用，每天可以設(shè)計1700多副義齒模型。”孫玉春說。
探索最適合的齒形結(jié)構(gòu)3D打印參數(shù)集
雖然設(shè)計義齒的效率提升了，但要把設(shè)計圖變成真切的義齒，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)計過程過于繁瑣、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年時間，我在辦公室一字排開5臺打印機(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。”孫玉春說，團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)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(lián)網(wǎng)運(yùn)維平臺3D云，通過分類和模式識別算法優(yōu)化姿態(tài)調(diào)整和支撐添加，對精度要求更高的關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)做自動的特殊工藝設(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際同類設(shè)備持平，但關(guān)鍵局部打印精度優(yōu)于國際同類設(shè)備水平的突破。
“當(dāng)時用國外典型的打印機(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。
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)計和精細(xì)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(shù)，但他們早期生產(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，這個界面模仿天然牙齒的絞釉層，使義齒在制造和燒結(jié)時，不會發(fā)生層間斷裂和制造精度下降。”孫玉春說，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多個國家，每年可生產(chǎn)近千萬顆義齒。
“20年前，我國在口腔數(shù)字化修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。現(xiàn)在，國產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白，部分達(dá)國際領(lǐng)先水平，而且還實(shí)現(xiàn)了中國自主高端口腔醫(yī)療技術(shù)裝備在全球牙科市場‘零’的突破。”孫玉春說。
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