北京大学口腔医院用人工智能、3D打印与仿生材料“重塑”牙齿
时间:2021-10-12 08:18 来源:科技日报 作者:admin 点击:次
| “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，北京大学口腔医院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。” (责任编辑：admin) |