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人工智能+3D打印,做出一口好“牙”

科技快讯 时间:2021-10-14 05:00:06

孙玉春使用“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”技术为患者戴上义齿受访者供图

20年前,我国在口腔数字化修复领域的相关产品基本依赖进口。现在,国产关键技术产品不仅填补了国内空白,部分达国际领先水平,而且还实现了中国自主高端口腔医疗技术装备在全球牙科市场“零”的突破。

孙玉春 北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师

近日,在2021年中关村论坛上揭晓的2020年度北京市科学技术奖中,北京大学口腔医院联合南京航空航天大学等机构,凭借“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”共同摘得北京市技术发明一等奖。

“近30年,数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛,但我国在该领域的基础研究与产品开发一度严重缺乏国际竞争力,义齿三维设计软件、专用打印机、氧化锆材料等产品基本依赖进口,设计算法、打印工艺、材料制备工艺等核心技术不足。”北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师孙玉春教授告诉科技日报记者,为改变这一现状,自2001年开始,他联合国内院校和企业,从最具挑战的全口义齿入手,到可摘局部义齿、固定义齿,不断进行研发、试错。

如今,团队原创研发的复杂口腔修复体人工智能设计软件、专用3D打印工艺设备和仿生氧化锆材料,已经可以让“数字化义齿”的修复,变得高效、舒适且美观。

数字化技术用于义齿修复成研究热点

根据《第四次全国口腔健康流行病学调查报告》(2018),我国35岁以上成人平均失牙4.7颗,各年龄组缺损、缺失牙齿达数十亿颗。口腔修复体、义齿即假牙,是目前人类重拾咀嚼功能的有效帮手。

“上世纪七八十年代,一位法国教授首先将数字化技术应用于牙科。”孙玉春介绍,近30年来,数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛,以计算机辅助设计、计算机辅助制造技术为代表的口腔数字化修复技术,在固定修复、种植修复和可摘局部义齿修复方面的慢慢发展成熟,修复诊疗的效率和精度也在不断提高。

近年来,将数字化技术用于全口义齿修复成为研究热点,国际上先后涌现出十余种数字化全口义齿修复系统。不过,孙玉春透露,由于制模、记录颌位与全口义齿设计技术难度仍然较高,导致义齿设计效率和智能化程度不高。

“判断义齿疗效的关键,是义齿的设计制造精度与仿生匹配度。”孙玉春表示,进入21世纪,人们看到了人工智能在口腔医学领域的价值。人工智能最初用于口腔诊断,但现在已经广泛应用于三维扫描、计算机辅助设计、计算机辅助制造、仿生材料设计,它可以提高义齿的设计效率和仿生度,让义齿与患者更匹配,同时减少传统手工设计、制造、精调人力成本。

1000多副手工模型建成数据库

但义齿的三维设计,长期依赖于欧美国家基于解析几何算法的CAD软件,这种软件聚焦于每一颗牙齿单独设计,应用难度大且效率低。

将近10年的时间,孙玉春常常利用国外软件排列每一颗义齿的位置,但他发现,始终没有国内义齿技工大师排得好。

差异来自不同的技术路线,“用欧美软件设计时,要用鼠标对每颗牙齿的空间位置、姿态和三维形状进行逐个交互式调整,每颗牙齿需要考虑上下左右前后6个自由度,全口28颗牙齿需反复调整168个自由度。而传统技师是靠多年积累的手工排牙经验和操作技巧排牙,想用鼠标和键盘模仿,难度极大。”孙玉春说。

快要放弃时,孙玉春灵光一现,“何不把中国技师做好的义齿看成一个整体,再根据每个患者的个体情况,整体调整义齿的三维外形参数?这就像盖房子,把以前一块一块垒砖,变成整栋房子迁移,而这个房子又可以根据环境自适应变形。这样也许就可以突破国外软件设计效果和效率的瓶颈”。

孙玉春团队将北大口腔医学院最初积累的1000多副义齿模型扫描进电脑,进行数据建模。利用这1000多副模型,团队最终提出基于面部中线、口角线、唇高低线、牙颌弓曲线(宽度、深度、曲度)等10余个关键变量的权重指标体系,根据这些指标采集患者的信息,几秒钟就能在数据库中找到最适合当前患者的标准义齿模板。

现在,他们的数据库里已经有全国近20万副义齿模型。“目前在国内有约570家义齿加工厂在用,每天可以设计1700多副义齿模型。”孙玉春说。

探索最适合的齿形结构3D打印参数集

虽然设计义齿的效率提升了,但要把设计图变成真切的义齿,还面临很多困难。

早期欧美进口的金属3D打印装备为单激光扫描,排版设计过程过于繁琐、智能分析判断能力不足,需要大量的手工调整和打磨后处理操作,导致制造精度效率低、材料浪费大。

“打印工艺是3D打印的灵魂,有那么5年时间,我在办公室一字排开5台打印机,每天不停地打印各种临床需要的制品,光打印材料就用了约300公斤,最终摸索出最适合齿形结构的专用3D打印工艺参数集,例如打印的角度、打印速度,层间重叠率、材料填充率、打印温度等。”孙玉春说,团队原创了3D打印自动化排版切片工艺软件,率先研制出3套口腔专用的单/双激光金属3D打印装备和物联网运维平台3D云,通过分类和模式识别算法优化姿态调整和支撑添加,对精度要求更高的关键局部结构做自动的特殊工艺设定,突破了金属3D打印悬垂面精度限制,实现了设备总体打印精度与国际同类设备持平,但关键局部打印精度优于国际同类设备水平的突破。

“当时用国外典型的打印机打印出的义齿关键局部的精度只有100—150微米,但用我们的打印机可以达到30—50微米。”孙玉春说。

叠层处理材料让义齿更逼真

从牙尖到牙根,颜色、透明度、硬度是渐变的,如何制备出仿生的材料用于人工智能设计和精细的制造工艺?

氧化锆是制造义齿的主要材料。“欧美日长期掌握着口腔氧化锆材料制备的尖端技术,但他们早期生产的氧化锆材料只有单一的颜色、透明度、硬度,力学、美学均与天然牙齿硬组织‘失配’,这也是全球牙科陶瓷材料领域的研究热点和难点。”孙玉春指出,为了让义齿从上到下呈现不同的颜色、透明度、力学性能,科研团队对氧化锆材料叠层处理,每一层都暗藏玄机。

“我们将含有不同比例氧化钇的6种氧化锆,按照一定结构压在一起,在每层建立一种双向梯度渗透的仿生界面,这个界面模仿天然牙齿的绞釉层,使义齿在制造和烧结时,不会发生层间断裂和制造精度下降。”孙玉春说,这套技术在一定程度上解决了义齿咬合面的硬度、弹性模量远高于天然牙釉质的难题,提升了口腔氧化锆修复体与余留天然牙齿在功能、美学上的仿生匹配度。

如今,经由这套解决方案研发出的8种产品,均可完全替代进口并已出口海外,仿生氧化锆材料产品已经推广到全球120多个国家,每年可生产近千万颗义齿。

“20年前,我国在口腔数字化修复领域的相关产品基本依赖进口。现在,国产关键技术产品不仅填补了国内空白,部分达国际领先水平,而且还实现了中国自主高端口腔医疗技术装备在全球牙科市场‘零’的突破。”孙玉春说。(记者 金 凤)

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