人工智能+3D打印，做出一口好“牙”

　　20年前，我國在口腔數字化修複領域的相關(guan) 產(chan) 品基本依賴進口。現在，國產(chan) 關(guan) 鍵技術產(chan) 品不僅(jin) 填補了國內(nei) 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(guan) 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“複雜口腔修複體(ti) 的人工智能設計與(yu) 精準仿生製造”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複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(yu) 產(chan) 品開發一度嚴(yan) 重缺乏國際競爭(zheng) 力，義(yi) 齒三維設計軟件、專(zhuan) 用打印機、氧化鋯材料等產(chan) 品基本依賴進口，設計算法、打印工藝、材料製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(wei) 改變這一現狀，自2001年開始，他聯合國內(nei) 院校和企業(ye) ，從(cong) 最具挑戰的全口義(yi) 齒入手，到可摘局部義(yi) 齒、固定義(yi) 齒，不斷進行研發、試錯。

　　如今，團隊原創研發的複雜口腔修複體(ti) 人工智能設計軟件、專(zhuan) 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(yi) 齒”的修複，變得高效、舒適且美觀。

　　數字化技術用於(yu) 義(yi) 齒修複成研究熱點

　　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(yi) 顆。口腔修複體(ti) 、義(yi) 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於(yu) 牙科。”孫玉春介紹，近30年來，數字化技術在全球口腔修複領域的應用越來越深入和廣泛，以計算機輔助設計、計算機輔助製造技術為(wei) 代表的口腔數字化修複技術，在固定修複、種植修複和可摘局部義(yi) 齒修複方麵的慢慢發展成熟，修複診療的效率和精度也在不斷提高。

　　近年來，將數字化技術用於(yu) 全口義(yi) 齒修複成為(wei) 研究熱點，國際上先後湧現出十餘(yu) 種數字化全口義(yi) 齒修複係統。不過，孫玉春透露，由於(yu) 製模、記錄頜位與(yu) 全口義(yi) 齒設計技術難度仍然較高，導致義(yi) 齒設計效率和智能化程度不高。

　　“判斷義(yi) 齒療效的關(guan) 鍵，是義(yi) 齒的設計製造精度與(yu) 仿生匹配度。”孫玉春表示，進入21世紀，人們(men) 看到了人工智能在口腔醫學領域的價(jia) 值。人工智能最初用於(yu) 口腔診斷，但現在已經廣泛應用於(yu) 三維掃描、計算機輔助設計、計算機輔助製造、仿生材料設計，它可以提高義(yi) 齒的設計效率和仿生度，讓義(yi) 齒與(yu) 患者更匹配，同時減少傳(chuan) 統手工設計、製造、精調人力成本。

　　1000多副手工模型建成數據庫

　　但義(yi) 齒的三維設計，長期依賴於(yu) 歐美國家基於(yu) 解析幾何算法的CAD軟件，這種軟件聚焦於(yu) 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(yi) 齒的位置，但他發現，始終沒有國內(nei) 義(yi) 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(ge) 交互式調整，每顆牙齒需要考慮上下左右前後6個(ge) 自由度，全口28顆牙齒需反複調整168個(ge) 自由度。而傳(chuan) 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(yi) 齒看成一個(ge) 整體(ti) ，再根據每個(ge) 患者的個(ge) 體(ti) 情況，整體(ti) 調整義(yi) 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(ge) 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(yi) 齒模型掃描進電腦，進行數據建模。利用這1000多副模型，團隊最終提出基於(yu) 麵部中線、口角線、唇高低線、牙頜弓曲線（寬度、深度、曲度）等10餘(yu) 個(ge) 關(guan) 鍵變量的權重指標體(ti) 係，根據這些指標采集患者的信息，幾秒鍾就能在數據庫中找到最適合當前患者的標準義(yi) 齒模板。

　　現在，他們(men) 的數據庫裏已經有全國近20萬(wan) 副義(yi) 齒模型。“目前在國內(nei) 有約570家義(yi) 齒加工廠在用，每天可以設計1700多副義(yi) 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(yi) 齒的效率提升了，但要把設計圖變成真切的義(yi) 齒，還麵臨(lin) 很多困難。

　　早期歐美進口的金屬3D打印裝備為(wei) 單激光掃描，排版設計過程過於(yu) 繁瑣、智能分析判斷能力不足，需要大量的手工調整和打磨後處理操作，導致製造精度效率低、材料浪費大。

　　“打印工藝是3D打印的靈魂，有那麽(me) 5年時間，我在辦公室一字排開5台打印機，每天不停地打印各種臨(lin) 床需要的製品，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(zhuan) 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，率先研製出3套口腔專(zhuan) 用的單/雙激光金屬3D打印裝備和物聯網運維平台3D雲(yun) ，通過分類和模式識別算法優(you) 化姿態調整和支撐添加，對精度要求更高的關(guan) 鍵局部結構做自動的特殊工藝設定，突破了金屬3D打印懸垂麵精度限製，實現了設備總體(ti) 打印精度與(yu) 國際同類設備持平，但關(guan) 鍵局部打印精度優(you) 於(yu) 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(yi) 齒關(guan) 鍵局部的精度隻有100—150微米，但用我們(men) 的打印機可以達到30—50微米。”孫玉春說。

　　疊層處理材料讓義(yi) 齒更逼真

　　從(cong) 牙尖到牙根，顏色、透明度、硬度是漸變的，如何製備出仿生的材料用於(yu) 人工智能設計和精細的製造工藝？

　　氧化鋯是製造義(yi) 齒的主要材料。“歐美日長期掌握著口腔氧化鋯材料製備的尖端技術，但他們(men) 早期生產(chan) 的氧化鋯材料隻有單一的顏色、透明度、硬度，力學、美學均與(yu) 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(wei) 了讓義(yi) 齒從(cong) 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(men) 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麵，這個(ge) 界麵模仿天然牙齒的絞釉層，使義(yi) 齒在製造和燒結時，不會(hui) 發生層間斷裂和製造精度下降。”孫玉春說，這套技術在一定程度上解決(jue) 了義(yi) 齒咬合麵的硬度、彈性模量遠高於(yu) 天然牙釉質的難題，提升了口腔氧化鋯修複體(ti) 與(yu) 餘(yu) 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(jue) 方案研發出的8種產(chan) 品，均可完全替代進口並已出口海外，仿生氧化鋯材料產(chan) 品已經推廣到全球120多個(ge) 國家，每年可生產(chan) 近千萬(wan) 顆義(yi) 齒。

　　“20年前，我國在口腔數字化修複領域的相關(guan) 產(chan) 品基本依賴進口。現在，國產(chan) 關(guan) 鍵技術產(chan) 品不僅(jin) 填補了國內(nei) 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。