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復領域的相關產品基本依賴進口。現在，國產關鍵技術產品不僅填補了國內空白，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“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發明一等獎。
“近30年，數字化技術在全球口腔修復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產品開發一度嚴重缺乏國際競爭力，義齒三維設計軟件、專用打印機、氧化鋯材料等產品基本依賴進口，設計算法、打印工藝、材料制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，為改變這一現狀，自2001年開始，他聯合國內院校和企業，從最具挑戰的全口義齒入手，到可摘局部義齒、固定義齒，不斷進行研發、試錯。
如今，團隊原創研發的復雜口腔修復體人工智能設計軟件、專用3D打印工藝設備和仿生氧化鋯材料，已經可以讓“數字化義齒”的修復，變得高效、舒適且美觀。
數字化技術用于義齒修復成研究熱點
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、缺失牙齒達數十億顆。口腔修復體、義齒即假牙，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于牙科。”孫玉春介紹，近30年來，數字化技術在全球口腔修復領域的應用越來越深入和廣泛，以計算機輔助設計、計算機輔助制造技術為代表的口腔數字化修復技術，在固定修復、種植修復和可摘局部義齒修復方面的慢慢發展成熟，修復診療的效率和精度也在不斷提高。
近年來，將數字化技術用于全口義齒修復成為研究熱點，國際上先后涌現出十余種數字化全口義齒修復系統。不過，孫玉春透露，由于制模、記錄頜位與全口義齒設計技術難度仍然較高，導致義齒設計效率和智能化程度不高。
“判斷義齒療效的關鍵，是義齒的設計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春表示，進入21世紀，人們看到了人工智能在口腔醫學領域的價值。人工智能最初用于口腔診斷，但現在已經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，長期依賴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，但他發現，始終沒有國內義齒技工大師排得好。
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交互式調整，每顆牙齒需要考慮上下左右前后6個自由度，全口28顆牙齒需反復調整168個自由度。而傳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齒看成一個整體，再根據每個患者的個體情況，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，團隊最終提出基于面部中線、口角線、唇高低線、牙頜弓曲線（寬度、深度、曲度）等10余個關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有全國近20萬副義齒模型。“目前在國內有約570家義齒加工廠在用，每天可以設計1700多副義齒模型。”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。
早期歐美進口的金屬3D打印裝備為單激光掃描，排版設計過程過于繁瑣、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年時間，我在辦公室一字排開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，率先研制出3套口腔專用的單/雙激光金屬3D打印裝備和物聯網運維平臺3D云，通過分類和模式識別算法優化姿態調整和支撐添加，對精度要求更高的關鍵局部結構做自動的特殊工藝設定，突破了金屬3D打印懸垂面精度限制，實現了設備總體打印精度與國際同類設備持平，但關鍵局部打印精度優于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齒關鍵局部的精度只有100—150微米，但用我們的打印機可以達到30—50微米。”孫玉春說。
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。“歐美日長期掌握著口腔氧化鋯材料制備的尖端技術，但他們早期生產的氧化鋯材料只有單一的顏色、透明度、硬度，力學、美學均與天然牙齒硬組織‘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，為了讓義齒從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，這個界面模仿天然牙齒的絞釉層，使義齒在制造和燒結時，不會發生層間斷裂和制造精度下降。”孫玉春說，這套技術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、美學上的仿生匹配度。
如今，經由這套解決方案研發出的8種產品，均可完全替代進口并已出口海外，仿生氧化鋯材料產品已經推廣到全球120多個國家，每年可生產近千萬顆義齒。
“20年前，我國在口腔數字化修復領域的相關產品基本依賴進口。現在，國產關鍵技術產品不僅填補了國內空白，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。
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