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央副主任、主任医师

近日，在2021年中关村落论坛上揭晓的2020年度北京市科学技能奖中，北京大学口腔医院联合南京航空航天算夜学等机构，凭借“繁芜口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”共同摘得北京市技能发明一等奖。

“近30年，数字化技能在环球口腔修复领域的运用越来越深入和广泛，但我国在该领域的根本研究与产品开拓一度严重缺少国际竞争力，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入口，设打算法、打印工艺、材料制备工艺等核心技能不敷。
”北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中央副主任、主任医师孙玉春教授见告科技日报，为改变这一现状，自2001年开始，他联合海内院校和企业，从最具寻衅的全口义齿入手，到可摘局部义齿、固定义齿，不断进行研发、试错。

如今，团队原创研发的繁芜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、舒适且都雅。

数字化技能用于义齿修复成研究热点

根据《第四次全国口腔康健盛行病学调查报告》（2018），我国35岁以上成人均匀失落牙4.7颗，各年事组缺损、缺失落牙齿达数十亿颗。
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能运用于牙科。
”孙玉春先容，近30年来，数字化技能在环球口腔修复领域的运用越来越深入和广泛，以打算机赞助设计、打算机赞助制造技能为代表的口腔数字化修复技能，在固定修复、栽种修复和可摘局部义齿修复方面的逐步发展成熟，修复诊疗的效率和精度也在不断提高。

近年来，将数字化技能用于全口义齿修复成为研究热点，国际上先后呈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能难度仍旧较高，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代价。
人工智能最初用于口腔诊断，但现在已经广泛运用于三维扫描、打算机赞助设计、打算机赞助制造、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、精调人力本钱。

1000多帮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，运用难度大且效率低。

将近10年的韶光，孙玉春常常利用国外软件排列每一颗义齿的位置，但他创造，始终没有海内义齿技工大师排得好。

差异来自不同的技能路线，“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度，每颗牙齿须要考虑高下旁边前后6个自由度，全口28颗牙齿需反复调度168个自由度。
而传统技师是靠多年积累的手工排牙履历和操作技巧排牙，想用鼠标和键盘模拟，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算作一个整体，再根据每个患者的个体情形，整体调度义齿的三维形状参数？这就像盖屋子，把以前一块一块垒砖，变成整栋屋子迁移，而这个屋子又可以根据环境自适应变形。
这样大概就可以打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，团队终极提出基于面部中线、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宜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。
“目前在海内有约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。

探索最适宜的齿形构造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。

早期欧美入口的金属3D打印装备为单激光扫描，排版设计过程过于繁琐、智能剖析判断能力不敷，须要大量的手工调度和打磨后处理操作，导致制造精度效率低、材料摧残浪费蹂躏大。

“打印工艺是3D打印的灵魂，有那么5年韶光，我在办公室一字排开5台打印机，每天一直地打印各种临床须要的制品，光打印材料就用了约300公斤，终极摸索出最适宜齿形构造的专用3D打印工艺参数集，例如打印的角度、打印速率，层间重叠率、材料添补率、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度和支撑添加，对精度哀求更高的关键局部构造做自动的分外工艺设定，打破了金属3D打印悬垂面精度限定，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打破。

“当时用国外范例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风雅的制造工艺？

氧化锆是制造义齿的紧张材料。
“欧美日长期节制着口腔氧化锆材料制备的尖端技能，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‘失落配’，这也是环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，按照一定构造压在一起，在每层建立一种双向梯度渗透的仿生界面，这个界面模拟天然牙齿的绞釉层，使义齿在制造和烧结时，不会发生层间断裂和制造精度低落。
”孙玉春说，这套技能在一定程度上办理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，经由这套办理方案研发出的8种产品，均可完备替代入口并已出口外洋，仿生氧化锆材料产品已经推广到环球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干系产品基本依赖入口。
现在，国产关键技能产品不仅补充了海内空缺，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能装备在环球牙科市场‘零’的打破。
”孙玉春说。