北京大學口腔醫(yī)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(shù)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(chǎn)品開發(fā)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(nèi)院校、企業(yè)從研發(fā)最具挑戰(zhàn)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(yī)院團隊原創(chuàng)研發(fā)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(jīng)可以讓“數(shù)字化義齒”的修復，變得高效、舒適而美觀。經(jīng)由這套解決方案研發(fā)出的8種產(chǎn)品，均可完全替代進口并出口海外，仿生氧化鋯材料產(chǎn)品已經(jīng)推廣到全球120多個國家，全球每年可生產(chǎn)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(yī)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(fā)明一等獎。
在國外CAD軟件與國內(nèi)手工設計之間尋找靈感
根據(jù)《第四次全國口腔健康流行病學調(diào)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(shù)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(yī)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(nèi)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(tài)和三維形狀進行逐個交互式調(diào)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(diào)整168個自由度。傳統(tǒng)技師多年積累的手工排牙經(jīng)驗和操作技巧，想用鼠標和鍵盤逐一調(diào)整，難度極大，效果難以媲美傳統(tǒng)手工。”
快要放棄時，孫玉春靈光一現(xiàn)，“何不把中國技師做好的假牙看成一個整體，再根據(jù)每個患者的個體情況，整體調(diào)整義齒的三維外形參數(shù)？中國的病人多、可以參照的經(jīng)驗多，如果把以往技師做好的假牙的數(shù)據(jù)掃描進電腦，再根據(jù)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(jù)環(huán)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(shù)據(jù)庫
化零為整的思路，讓孫玉春團隊把目光瞄準北大口腔醫(yī)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(shù)據(jù)建模。但理想照進現(xiàn)實并不輕松，一個重要的瓶頸在于，如何從海量數(shù)據(jù)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(jīng)過人臉識別儀時，我發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)匹配，找到最匹配的？”孫玉春后來發(fā)現(xiàn)，這個接近于數(shù)據(jù)挖掘的想法，終于讓他們邁出實質(zhì)性一步。
利用這1000多副模型，經(jīng)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(jù)這些指標采集患者的信息，幾秒鐘就能在參數(shù)化數(shù)據(jù)庫中找到最適合當前患者的標準假牙模板。如今，他們研發(fā)了中國首創(chuàng)、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(fā)按下快進鍵。現(xiàn)在，他們的數(shù)據(jù)庫里已經(jīng)有全國近20萬副假牙模型。“現(xiàn)在國內(nèi)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(chuàng)齒形結構打印參數(shù)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(fā)現(xiàn)，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(shù)量過多，需要大量的手工調(diào)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(shù)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(chuàng)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(lián)網(wǎng)運維平臺3D云，通過分類和模式識別算法優(yōu)化姿態(tài)調(diào)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(xiàn)設備總體打印精度持平、但關鍵局部打印精度優(yōu)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(fā)的打印機已經(jīng)可以全面替代歐美進口金屬3D打印機，2018年同類產(chǎn)品中國銷量第一，2019年開始出口韓國、日本等發(fā)達國家，2019年在韓國市場占有率達到40%，年應用數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(zhì)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(chuàng)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(fā)出的國產(chǎn)創(chuàng)新研發(fā)產(chǎn)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(shù)，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(yī)院團隊原創(chuàng)研發(fā)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(jīng)可以讓“數(shù)字化義齒”的修復，變得高效、舒適而美觀。經(jīng)由這套解決方案研發(fā)出的8種產(chǎn)品，均可完全替代進口并出口海外，仿生氧化鋯材料產(chǎn)品已經(jīng)推廣到全球120多個國家，全球每年可生產(chǎn)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(yī)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(fā)明一等獎。
團隊研發(fā)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(nèi)手工設計之間尋找靈感
根據(jù)《第四次全國口腔健康流行病學調(diào)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(shù)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(yī)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(nèi)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(tài)和三維形狀進行逐個交互式調(diào)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(diào)整168個自由度。傳統(tǒng)技師多年積累的手工排牙經(jīng)驗和操作技巧，想用鼠標和鍵盤逐一調(diào)整，難度極大，效果難以媲美傳統(tǒng)手工。”
快要放棄時，孫玉春靈光一現(xiàn)，“何不把中國技師做好的假牙看成一個整體，再根據(jù)每個患者的個體情況，整體調(diào)整義齒的三維外形參數(shù)？中國的病人多、可以參照的經(jīng)驗多，如果把以往技師做好的假牙的數(shù)據(jù)掃描進電腦，再根據(jù)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(jù)環(huán)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(fā)的口腔醫(yī)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(shù)據(jù)庫
化零為整的思路，讓孫玉春團隊把目光瞄準北大口腔醫(yī)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(shù)據(jù)建模。但理想照進現(xiàn)實并不輕松，一個重要的瓶頸在于，如何從海量數(shù)據(jù)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(jīng)過人臉識別儀時，我發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)匹配，找到最匹配的？”孫玉春后來發(fā)現(xiàn)，這個接近于數(shù)據(jù)挖掘的想法，終于讓他們邁出實質(zhì)性一步。
利用這1000多副模型，經(jīng)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(jù)這些指標采集患者的信息，幾秒鐘就能在參數(shù)化數(shù)據(jù)庫中找到最適合當前患者的標準假牙模板。如今，他們研發(fā)了中國首創(chuàng)、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(fā)按下快進鍵。現(xiàn)在，他們的數(shù)據(jù)庫里已經(jīng)有全國近20萬副假牙模型。“現(xiàn)在國內(nèi)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(fā)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(chuàng)齒形結構打印參數(shù)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(fā)現(xiàn)，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(shù)量過多，需要大量的手工調(diào)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(shù)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(chuàng)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(lián)網(wǎng)運維平臺3D云，通過分類和模式識別算法優(yōu)化姿態(tài)調(diào)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(xiàn)設備總體打印精度持平、但關鍵局部打印精度優(yōu)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(fā)的打印機已經(jīng)可以全面替代歐美進口金屬3D打印機，2018年同類產(chǎn)品中國銷量第一，2019年開始出口韓國、日本等發(fā)達國家，2019年在韓國市場占有率達到40%，年應用數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(zhì)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(chuàng)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(fā)出的國產(chǎn)創(chuàng)新研發(fā)產(chǎn)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(shù)，縮短就診時間，減少病痛，讓老百姓有獲得感。”
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