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为了患者“好牙口”,他们用人工智能、3D打印与仿生材料“重塑”牙齿

2021-10-09 09:30     来源:中国科技网     3D打印
在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、教授孙玉春的记忆深处,有长达5年的时间,他的办公室总被打印机铿铿锵锵的声音填满。从打印机里“吐”出来的,是造型各异的义齿模型,也就是俗称的假牙。

“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,而欧美技术用于复杂修复时,仿生设计效率、制造精度和材料的力学美学仿生度不足,临床操作烦琐。”自2001年,孙玉春和国内院校、企业从研发最具挑战的全口义齿入手,再到可摘局部义齿、固定义齿,不断试错,目的只有一个,让失去牙齿的患者拥有一口为自己量身定制的假牙。

时间是最好的见证。如今,团队原创研发的复杂口腔修复体人工智能设计软件、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、舒适而美观。

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,全球每年可生产近千万颗假牙。

在2021年中关村论坛上揭晓的2020年度北京市科学技术奖中,孙玉春所在的北京大学口腔医院及南京航空航天大学、南京前知智能科技有限公司、山东山大华天软件有限公司、爱迪特(秦皇岛)科技股份有限公司、北京巴登技术有限公司等机构,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。


团队研发的复杂口腔修复体人工智能仿生设计软件,受访者供图

在国外CAD软件与国内手工设计之间寻找灵感

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,俗称的假牙,成为目前人类重拾咀嚼功能的唯一帮手。

“判断假牙疗效的关键,是假牙的设计制造精度与仿生匹配度。”孙玉春介绍,进入21世纪,人工智能在口腔医学领域的价值被看见。但假牙的人工智能设计,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,孙玉春常常一手拿着国内假牙技工大师做的假牙模型,一手利用国外软件排列每一颗假牙的位置,“但始终没有手工排得好。”

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,每颗牙齿就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。传统技师多年积累的手工排牙经验和操作技巧,想用鼠标和键盘逐一调整,难度极大,效果难以媲美传统手工。”

快要放弃时,孙玉春灵光一现,“何不把中国技师做好的假牙看成一个整体,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?中国的病人多、可以参照的经验多,如果把以往技师做好的假牙的数据扫描进电脑,再根据患者的个性化需求变形,就像盖房子,把一块一块垒砖的过程,变成整栋房子迁移的过程,而这个房子又可以根据环境自适应变形,是不是就可以突破国外软件设计效果和效率的瓶颈?” 


团队研发的口腔医疗制品智能3D打印工艺装备,受访者供图

用1000多副手工假牙模型摸索了5年建成数据库

化零为整的思路,让孙玉春团队把目光瞄准北大口腔医学院最初积累的1000多副假牙的模型,他们把这些模型扫描进电脑,数据建模。但理想照进现实并不轻松,一个重要的瓶颈在于,如何从海量数据中挑选出有用的,继而找出或者生成最适合当下患者的独一份?

“一次经过人脸识别仪时,我发现屏幕上就会立即显示我的信息,我突然想到,是不是可以将患者的牙颌样貌用特征骨架进行唯一性定量描述,与数据库里的数据匹配,找到最匹配的?”孙玉春后来发现,这个接近于数据挖掘的想法,终于让他们迈出实质性一步。

利用这1000多副模型,经过5年的摸索,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余个关键变量的指标体系,他们根据这些指标采集患者的信息,几秒钟就能在参数化数据库中找到最适合当前患者的标准假牙模板。如今,他们研发了中国首创、设计效率国际领先的全口义齿、可摘局部义齿人工智能设计软件。

之后,他们的研发按下快进键。现在,他们的数据库里已经有全国近20万副假牙模型。“现在国内有约570家假牙加工厂在用,每天可以设计1700多副假牙模型。”孙玉春介绍,利用这两套软件,假牙的设计效率可以提升2倍。 


团队研发的仿生叠层氧化锆可切削材料,受访者供图

5年打印300公斤废料终建立原创齿形结构打印参数库,打印精度达国外3倍

把设计图变成真真切切的假牙,远隔千山万水。

孙玉春发现,早期欧美进口的金属3D打印装备为单激光扫描,排版设计过程过于烦琐、智能分析判断能力不足、支撑数量过多,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,最后我们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。

那些从打印机里落下的一个个假牙,最终成全了团队的锲而不舍。孙玉春介绍,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,实现设备总体打印精度持平、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牙冠精度只有100-150微米,但我们可以达到30-50微米。”让孙玉春自豪地是,2017年,他们研发的打印机已经可以全面替代欧美进口金属3D打印机,2018年同类产品中国销量第一,2019年开始出口韩国、日本等发达国家,2019年在韩国市场占有率达到40%,年应用数约1000万颗牙齿修复体。


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,戴上假牙的患者(右),左为孙玉春,受访者供图

将6种氧化锆材料叠层,用特殊结构让假牙逼真

从牙尖到牙根,颜色、透明度、硬度是渐变的,如何寻找适合的材料用于人工智能设计和精细的制造工艺,成为实现假牙的逼真的咀嚼快感的最后一公里。

“氧化锆陶瓷临床需求量很大,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一种颜色、一种透明度、一种硬度,力学、美学均与天然牙齿硬组织‘失配’,这是全球牙科陶瓷材料领域的研究热点和难点。”在孙玉春看来,中国的患者比国外多得多,要兼顾假牙的舒适性与美观效果,不能大量以手工操作,还需要在材料领域另辟蹊径。

“能不能将不同材料叠层,让假牙从上到下呈现同颜色、不同透明度,不同力学性能?”想清楚这一点,科研团队找到6种氧化锆材料进行叠层处理,而每一层都暗藏玄机。


研发团队部分成员(左四为孙玉春),受访者供图

“不同的氧化锆材料里,氧化钇含量不同,这会造成假牙烧结后的晶相不同,膨胀收缩比、力学性能等指标存在差异。我们将6种不同的氧化钇成分的氧化锆,按照一定结构压在一起,在每层间建立了一种双向梯度渗透的仿生界面,这个界面模仿的是天然牙齿的绞釉层,这就使假牙在制造和烧结过程中,不会发生层间断裂和制造精度的下降。”孙玉春说,借由这套技术,在一定程度上解决了假牙咬合面的硬度、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。

在孙玉春的PPT里,有一个小视频:一位烟台大爷用他和团队原创的技术安装了假牙,半天后就啃上了烟台苹果。每次打开这个欢乐的视频,孙玉春都会嘴角上扬。

“我们希望研发出的国产创新研发产品,一要比国外做得好,二是要价格适中,要能让老百姓尽可能少地减少就诊次数,缩短就诊时间,减少病痛,让老百姓有获得感。”

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