北京大學口腔醫院用人工智能、3D打印與仿生材料“重塑”牙齒
時間：2021-10-12 08:18 來源：科技日報 作者：admin 閱讀：次
“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，而歐美技術用于復雜修復時，仿生設計效率、制造精度和材料的力學美學仿生度不足，臨床操作煩瑣。”自2001年，孫玉春和國內院校、企業從研發最具挑戰的全口義齒入手，再到可摘局部義齒、固定義齒，不斷試錯，目的只有一個，讓失去牙齒的患者擁有一口為自己量身定制的假牙。
時間是最好的見證。如今，北京大學口腔醫院團隊原創研發的復雜口腔修復體人工智能設計軟件、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、舒適而美觀。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，全球每年可生產近千萬顆假牙。
在2021年中關村論壇上揭曉的2020年度北京市科學技術獎中，孫玉春所在的北京大學口腔醫院及南京航空航天大學、南京前知智能科技有限公司、山東山大華天軟件有限公司、愛迪特（秦皇島）科技股份有限公司、北京巴登技術有限公司等機構，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。
在國外CAD軟件與國內手工設計之間尋找靈感
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，俗稱的假牙，成為目前人類重拾咀嚼功能的唯一幫手。“判斷假牙療效的關鍵，是假牙的設計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春介紹，進入21世紀，人工智能在口腔醫學領域的價值被看見。但假牙的人工智能設計，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，孫玉春常常一手拿著國內假牙技工大師做的假牙模型，一手利用國外軟件排列每一顆假牙的位置，“但始終沒有手工排得好。”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，每顆牙齒就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。傳統技師多年積累的手工排牙經驗和操作技巧，想用鼠標和鍵盤逐一調整，難度極大，效果難以媲美傳統手工。”
快要放棄時，孫玉春靈光一現，“何不把中國技師做好的假牙看成一個整體，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？中國的病人多、可以參照的經驗多，如果把以往技師做好的假牙的數據掃描進電腦，再根據患者的個性化需求變形，就像蓋房子，把一塊一塊壘磚的過程，變成整棟房子遷移的過程，而這個房子又可以根據環境自適應變形，是不是就可以突破國外軟件設計效果和效率的瓶頸？”
用1000多副手工假牙模型摸索了5年建成數據庫
化零為整的思路，讓孫玉春團隊把目光瞄準北大口腔醫學院最初積累的1000多副假牙的模型，他們把這些模型掃描進電腦，數據建模。但理想照進現實并不輕松，一個重要的瓶頸在于，如何從海量數據中挑選出有用的，繼而找出或者生成最適合當下患者的獨一份？
“一次經過人臉識別儀時，我發現屏幕上就會立即顯示我的信息，我突然想到，是不是可以將患者的牙頜樣貌用特征骨架進行唯一性定量描述，與數據庫里的數據匹配，找到最匹配的？”孫玉春后來發現，這個接近于數據挖掘的想法，終于讓他們邁出實質性一步。
利用這1000多副模型，經過5年的摸索，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余個關鍵變量的指標體系，他們根據這些指標采集患者的信息，幾秒鐘就能在參數化數據庫中找到最適合當前患者的標準假牙模板。如今，他們研發了中國首創、設計效率國際領先的全口義齒、可摘局部義齒人工智能設計軟件。
之后，他們的研發按下快進鍵。現在，他們的數據庫里已經有全國近20萬副假牙模型。“現在國內有約570家假牙加工廠在用，每天可以設計1700多副假牙模型。”孫玉春介紹，利用這兩套軟件，假牙的設計效率可以提升2倍。
5年打印300公斤廢料終建立原創齒形結構打印參數庫，打印精度達國外3倍
把設計圖變成真真切切的假牙，遠隔千山萬水。孫玉春發現，早期歐美進口的金屬3D打印裝備為單激光掃描，排版設計過程過于煩瑣、智能分析判斷能力不足、支撐數量過多，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，最后我們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。
那些從打印機里落下的一個個假牙，最終成全了團隊的鍥而不舍。孫玉春介紹，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，實現設備總體打印精度持平、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牙冠精度只有100-150微米，但我們可以達到30-50微米。”讓孫玉春自豪地是，2017年，他們研發的打印機已經可以全面替代歐美進口金屬3D打印機，2018年同類產品中國銷量第一，2019年開始出口韓國、日本等發達國家，2019年在韓國市場占有率達到40%，年應用數約1000萬顆牙齒修復體。
將6種氧化鋯材料疊層，用特殊結構讓假牙逼真
從牙尖到牙根，顏色、透明度、硬度是漸變的，如何尋找適合的材料用于人工智能設計和精細的制造工藝，成為實現假牙的逼真的咀嚼快感的最后一公里。
“氧化鋯陶瓷臨床需求量很大，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一種顏色、一種透明度、一種硬度，力學、美學均與天然牙齒硬組織‘失配’，這是全球牙科陶瓷材料領域的研究熱點和難點。”在孫玉春看來，中國的患者比國外多得多，要兼顧假牙的舒適性與美觀效果，不能大量以手工操作，還需要在材料領域另辟蹊徑。
“能不能將不同材料疊層，讓假牙從上到下呈現同顏色、不同透明度，不同力學性能？”想清楚這一點，科研團隊找到6種氧化鋯材料進行疊層處理，而每一層都暗藏玄機。
“不同的氧化鋯材料里，氧化釔含量不同，這會造成假牙燒結后的晶相不同，膨脹收縮比、力學性能等指標存在差異。我們將6種不同的氧化釔成分的氧化鋯，按照一定結構壓在一起，在每層間建立了一種雙向梯度滲透的仿生界面，這個界面模仿的是天然牙齒的絞釉層，這就使假牙在制造和燒結過程中，不會發生層間斷裂和制造精度的下降。”孫玉春說，借由這套技術，在一定程度上解決了假牙咬合面的硬度、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。
在孫玉春的PPT里，有一個小視頻：一位煙臺大爺用他和團隊原創的技術安裝了假牙，半天后就啃上了煙臺蘋果。每次打開這個歡樂的視頻，孫玉春都會嘴角上揚。
“我們希望研發出的國產創新研發產品，一要比國外做得好，二是要價格適中，要能讓老百姓盡可能少地減少就診次數，縮短就診時間，減少病痛，讓老百姓有獲得感。”
時間是最好的見證。如今，北京大學口腔醫院團隊原創研發的復雜口腔修復體人工智能設計軟件、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、舒適而美觀。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，全球每年可生產近千萬顆假牙。
在2021年中關村論壇上揭曉的2020年度北京市科學技術獎中，孫玉春所在的北京大學口腔醫院及南京航空航天大學、南京前知智能科技有限公司、山東山大華天軟件有限公司、愛迪特（秦皇島）科技股份有限公司、北京巴登技術有限公司等機構，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。
團隊研發的復雜口腔修復體人工智能仿生設計軟件，受訪者供圖
在國外CAD軟件與國內手工設計之間尋找靈感
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，俗稱的假牙，成為目前人類重拾咀嚼功能的唯一幫手。“判斷假牙療效的關鍵，是假牙的設計制造精度與仿生匹配度。”孫玉春介紹，進入21世紀，人工智能在口腔醫學領域的價值被看見。但假牙的人工智能設計，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，孫玉春常常一手拿著國內假牙技工大師做的假牙模型，一手利用國外軟件排列每一顆假牙的位置，“但始終沒有手工排得好。”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，每顆牙齒就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。傳統技師多年積累的手工排牙經驗和操作技巧，想用鼠標和鍵盤逐一調整，難度極大，效果難以媲美傳統手工。”
快要放棄時，孫玉春靈光一現，“何不把中國技師做好的假牙看成一個整體，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？中國的病人多、可以參照的經驗多，如果把以往技師做好的假牙的數據掃描進電腦，再根據患者的個性化需求變形，就像蓋房子，把一塊一塊壘磚的過程，變成整棟房子遷移的過程，而這個房子又可以根據環境自適應變形，是不是就可以突破國外軟件設計效果和效率的瓶頸？”
團隊研發的口腔醫療制品智能３D打印工藝裝備，受訪者供圖
用1000多副手工假牙模型摸索了5年建成數據庫
化零為整的思路，讓孫玉春團隊把目光瞄準北大口腔醫學院最初積累的1000多副假牙的模型，他們把這些模型掃描進電腦，數據建模。但理想照進現實并不輕松，一個重要的瓶頸在于，如何從海量數據中挑選出有用的，繼而找出或者生成最適合當下患者的獨一份？
“一次經過人臉識別儀時，我發現屏幕上就會立即顯示我的信息，我突然想到，是不是可以將患者的牙頜樣貌用特征骨架進行唯一性定量描述，與數據庫里的數據匹配，找到最匹配的？”孫玉春后來發現，這個接近于數據挖掘的想法，終于讓他們邁出實質性一步。
利用這1000多副模型，經過5年的摸索，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余個關鍵變量的指標體系，他們根據這些指標采集患者的信息，幾秒鐘就能在參數化數據庫中找到最適合當前患者的標準假牙模板。如今，他們研發了中國首創、設計效率國際領先的全口義齒、可摘局部義齒人工智能設計軟件。
之后，他們的研發按下快進鍵。現在，他們的數據庫里已經有全國近20萬副假牙模型。“現在國內有約570家假牙加工廠在用，每天可以設計1700多副假牙模型。”孫玉春介紹，利用這兩套軟件，假牙的設計效率可以提升2倍。
團隊研發的仿生疊層氧化鋯可切削材料，受訪者供圖
5年打印300公斤廢料終建立原創齒形結構打印參數庫，打印精度達國外3倍
把設計圖變成真真切切的假牙，遠隔千山萬水。孫玉春發現，早期歐美進口的金屬3D打印裝備為單激光掃描，排版設計過程過于煩瑣、智能分析判斷能力不足、支撐數量過多，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，最后我們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。
那些從打印機里落下的一個個假牙，最終成全了團隊的鍥而不舍。孫玉春介紹，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，實現設備總體打印精度持平、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牙冠精度只有100-150微米，但我們可以達到30-50微米。”讓孫玉春自豪地是，2017年，他們研發的打印機已經可以全面替代歐美進口金屬3D打印機，2018年同類產品中國銷量第一，2019年開始出口韓國、日本等發達國家，2019年在韓國市場占有率達到40%，年應用數約1000萬顆牙齒修復體。
使用“復雜口腔修復體的人工智能設計與精準仿生制造”技術，戴上假牙的患者（右），左為孫玉春，受訪者供圖
將6種氧化鋯材料疊層，用特殊結構讓假牙逼真
從牙尖到牙根，顏色、透明度、硬度是漸變的，如何尋找適合的材料用于人工智能設計和精細的制造工藝，成為實現假牙的逼真的咀嚼快感的最后一公里。
“氧化鋯陶瓷臨床需求量很大，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一種顏色、一種透明度、一種硬度，力學、美學均與天然牙齒硬組織‘失配’，這是全球牙科陶瓷材料領域的研究熱點和難點。”在孫玉春看來，中國的患者比國外多得多，要兼顧假牙的舒適性與美觀效果，不能大量以手工操作，還需要在材料領域另辟蹊徑。
“能不能將不同材料疊層，讓假牙從上到下呈現同顏色、不同透明度，不同力學性能？”想清楚這一點，科研團隊找到6種氧化鋯材料進行疊層處理，而每一層都暗藏玄機。
研發團隊部分成員（左四為孫玉春），受訪者供圖
“不同的氧化鋯材料里，氧化釔含量不同，這會造成假牙燒結后的晶相不同，膨脹收縮比、力學性能等指標存在差異。我們將6種不同的氧化釔成分的氧化鋯，按照一定結構壓在一起，在每層間建立了一種雙向梯度滲透的仿生界面，這個界面模仿的是天然牙齒的絞釉層，這就使假牙在制造和燒結過程中，不會發生層間斷裂和制造精度的下降。”孫玉春說，借由這套技術，在一定程度上解決了假牙咬合面的硬度、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。
在孫玉春的PPT里，有一個小視頻：一位煙臺大爺用他和團隊原創的技術安裝了假牙，半天后就啃上了煙臺蘋果。每次打開這個歡樂的視頻，孫玉春都會嘴角上揚。
“我們希望研發出的國產創新研發產品，一要比國外做得好，二是要價格適中，要能讓老百姓盡可能少地減少就診次數，縮短就診時間，減少病痛，讓老百姓有獲得感。”
(責任編輯：admin)
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