大西北網(wǎng)訊  20年前，我國在口腔數字化修復領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品基本依賴(lài)進(jìn)口?，F在，國產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補了國內空白，部分達國際領(lǐng)先水平，而且還實(shí)現了中國自主高端口腔醫療技術(shù)裝備在全球牙科市場(chǎng)“零”的突破。

 

　　孫玉春北京大學(xué)口腔醫學(xué)院口腔醫學(xué)數字化研究中心副主任、主任醫師

 

　　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)口腔醫院聯(lián)合南京航空航天大學(xué)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(shù)發(fā)明一等獎。

 

　　“近30年，數字化技術(shù)在全球口腔修復領(lǐng)域的應用越來(lái)越深入和廣泛，但我國在該領(lǐng)域的基礎研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一度嚴重缺乏國際競爭力，義齒三維設計軟件、專(zhuān)用打印機、氧化鋯材料等產(chǎn)品基本依賴(lài)進(jìn)口，設計算法、打印工藝、材料制備工藝等核心技術(shù)不足。”北京大學(xué)口腔醫學(xué)院口腔醫學(xué)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(kāi)始，他聯(lián)合國內院校和企業(yè)，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(jìn)行研發(fā)、試錯。

 

　　如今，團隊原創(chuàng )研發(fā)的復雜口腔修復體人工智能設計軟件、專(zhuān)用3D打印工藝設備和仿生氧化鋯材料，已經(jīng)可以讓“數字化義齒”的修復，變得高效、舒適且美觀(guān)。

 

　　數字化技術(shù)用于義齒修復成研究熱點(diǎn)

 

　　根據《第四次全國口腔健康流行病學(xué)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(lèi)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(shù)應用于牙科。”孫玉春介紹，近30年來(lái)，數字化技術(shù)在全球口腔修復領(lǐng)域的應用越來(lái)越深入和廣泛，以計算機輔助設計、計算機輔助制造技術(shù)為代表的口腔數字化修復技術(shù)，在固定修復、種植修復和可摘局部義齒修復方面的慢慢發(fā)展成熟，修復診療的效率和精度也在不斷提高。

 

　　近年來(lái)，將數字化技術(shù)用于全口義齒修復成為研究熱點(diǎn)，國際上先后涌現出十余種數字化全口義齒修復系統。不過(guò)，孫玉春透露，由于制模、記錄頜位與全口義齒設計技術(shù)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(guān)鍵，是義齒的設計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春表示，進(jìn)入21世紀，人們看到了人工智能在口腔醫學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值。人工智能最初用于口腔診斷，但現在已經(jīng)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(shí)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(cháng)期依賴(lài)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(shí)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，始終沒(méi)有國內義齒技工大師排得好。

 

　　差異來(lái)自不同的技術(shù)路線(xiàn)，“用歐美軟件設計時(shí)，要用鼠標對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顆牙齒需反復調整168個(gè)自由度。而傳統技師是靠多年積累的手工排牙經(jīng)驗和操作技巧排牙，想用鼠標和鍵盤(pán)模仿，難度極大。”孫玉春說(shuō)。

 

　　快要放棄時(shí)，孫玉春靈光一現，“何不把中國技師做好的義齒看成一個(gè)整體，再根據每個(gè)患者的個(gè)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(gè)房子又可以根據環(huán)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(xué)院最初積累的1000多副義齒模型掃描進(jìn)電腦，進(jìn)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(xiàn)、口角線(xiàn)、唇高低線(xiàn)、牙頜弓曲線(xiàn)（寬度、深度、曲度）等10余個(gè)關(guān)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(jīng)有全國近20萬(wàn)副義齒模型。“目前在國內有約570家義齒加工廠(chǎng)在用，每天可以設計1700多副義齒模型。”孫玉春說(shuō)。

 

　　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(jìn)口的金屬3D打印裝備為單激光掃描，排版設計過(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(shí)間，我在辦公室一字排開(kāi)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(zhuān)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(shuō)，團隊原創(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)運維平臺3D云，通過(guò)分類(lèi)和模式識別算法優(yōu)化姿態(tài)調整和支撐添加，對精度要求更高的關(guān)鍵局部結構做自動(dòng)的特殊工藝設定，突破了金屬3D打印懸垂面精度限制，實(shí)現了設備總體打印精度與國際同類(lèi)設備持平，但關(guān)鍵局部打印精度優(yōu)于國際同類(lèi)設備水平的突破。

 

　　“當時(shí)用國外典型的打印機打印出的義齒關(guān)鍵局部的精度只有100—150微米，但用我們的打印機可以達到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(cháng)期掌握著(zhù)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不同的顏色、透明度、力學(xué)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(gè)界面模仿天然牙齒的絞釉層，使義齒在制造和燒結時(shí)，不會(huì )發(fā)生層間斷裂和制造精度下降。”孫玉春說(shuō)，這套技術(shù)在一定程度上解決了義齒咬合面的硬度、彈性模量遠高于天然牙釉質(zhì)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(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)國家，每年可生產(chǎn)近千萬(wàn)顆義齒。

 

　　“20年前，我國在口腔數字化修復領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品基本依賴(lài)進(jìn)口?，F在，國產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品不僅填補了國內空白，部分達國際領(lǐng)先水平，而且還實(shí)現了中國自主高端口腔醫療技術(shù)裝備在全球牙科市場(chǎng)‘零’的突破。”孫玉春說(shuō)。（記者金鳳）