人工智能3D打印，做出一口好牙

　　来源：科技日报人工智能3D打印，做出一口好牙
　　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100150微米，但用我们的打印机可以达到3050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。