人工智能+3D打印,做出一口好“牙” 161天减重31.2斤! 41岁癌症晚期男子惊艳健美大赛舞台 在“未来工厂”,老师傅变身“新工人” 家庭养老床位“无人照护如有人” 安装适老智能设备 24小时远程监护 大熊猫国家公园正式设立 四年试点受益的不仅是大熊猫 大熊猫的故乡藏着哪些“生物多样性”密码? 为了百分之五的孩子:残疾儿童如何接受九年义务教育? 野生象群对人类的信任在逐渐增加 学生被家暴学校却保持缄默?强制报告制度还需更多配套 “电荒”阵痛 电价松绑 绥化“战疫”,有群“做好事上瘾”的年轻人助攻 成都已建成783条“回家的路” 条条通往幸福 电价只降不升预期打破 限制高耗能产业盲目发展 关乎教育公平感 禁止收集家长职务信息该成为明规则 车祸需赔5.3万余元,他打零工10余年终还清 中外院士“智汇”成都 带来人工智能最新突破方向 1000度近视坐过山车致视网膜脱落 眼科专家:高度近视用力咳嗽、打喷嚏都有可能造成悲剧 解密《长津湖》《火红年华》共同的DNA 以真实人物为原型 教培退潮,成人职教成为培训机构入局、转型热门选项 收养12个患病弃婴 在这个家庭亲情不一定与血缘联系 1738元机票提前10天退竟要扣1182元退票费 油荒气荒电荒频现,绿电能否扛大梁? 挪用公款并收受别墅 是否应并罚 3小时话剧《长安第二碗》浓缩40年来时代巨变 郑州追征一网红600多万元税款 网络主播补税潮要来了? 北京秋雨又上线夜间大部有小雨 15日起大风降温来袭 文化场馆活动 展现多彩魅力 山西临时救助受灾困难群众4.3万人 厦门做细文化遗产保护监督 联合会商促整改 面对气候变化,文物保护要有前瞻性 骗财、自杀、诱奸……四个关于“饭圈女孩”的故事 这些“反诈App”,关键时刻或能帮上你 北京东西城“罚教管”综合治理斑马线 机动车礼让渐成习惯 宁夏教育厅公布全区各地师德师风建设举报电话 中卫遥感卫星定标场开启遥感卫星标校新时代 宁夏完成700多台供热锅炉检验 婚事新办 喜事简办 银川市金凤区集体婚礼来了 宁夏盐池:绿色引领产业升级 特色助推乡村振兴 西吉“县管校聘”破解教师“一校定终身” 广州海事局启动Ⅲ级防台响应防范台风“圆规” 青海省首次进口丹麦虹鳟鱼卵 福建宁德发布“台风预警Ⅲ级”和“暴雨预警Ⅲ级” 北京陆生野生动物名录发布 收录596种动物 山西启动新冠疫苗加强免疫 重点人群“应接尽接” 【相对论·大象来我村】从稳住大象的胃开始 浙江温州启动防台Ⅲ级响应:外围云系和冷空气“夹击” 我们为什么要保护深山密林间的犀鸟 海南省政府发布台风“圆规”二级预警 河南卫辉报答山西:千里驰援介休抗洪 北京城镇职工基本医疗保险参保人可自行变更定点医院
你当前位置:首页 >经济观察 >

人工智能+3D打印,做出一口好“牙”

2021-10-13 09:06:59来源:科技日报

人工智能+3D打印,做出一口好“牙”

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。