北京大學(xué)口腔醫(yī)院用人工智能、3D打印與仿生材料“重塑”牙齒

來源：科技日報

“近30年,，數(shù)字化技術(shù)在全球口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入和廣泛,， 但我國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開發(fā)一度嚴(yán)重缺乏國際競爭力，而歐美技術(shù)用于復(fù)雜修復(fù)時,，仿生設(shè)計效率,、制造精度和材料的力學(xué)美學(xué)仿生度不足，臨床操作煩瑣,�,！弊�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(xué)口腔醫(yī)院團(tuán)隊原創(chuàng)研發(fā)的復(fù)雜口腔修復(fù)體人工智能設(shè)計軟件,、3D打印工藝設(shè)備和仿生氧化鋯材料,，已經(jīng)可以讓“數(shù)字化義齒”的修復(fù)，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(jìn)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(guān)村論壇上揭曉的2020年度北京市科學(xué)技術(shù)獎中，孫玉春所在的北京大學(xué)口腔醫(yī)院及南京航空航天大學(xué),、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(shù)有限公司等機(jī)構(gòu),，憑借“復(fù)雜口腔修復(fù)體的人工智能設(shè)計與精準(zhǔn)仿生制造”共同摘得北京市技術(shù)發(fā)明一等獎。

團(tuán)隊研發(fā)的復(fù)雜口腔修復(fù)體人工智能仿生設(shè)計軟件,，受訪者供圖

在國外CAD軟件與國內(nèi)手工設(shè)計之間尋找靈感

根據(jù)《第四次全國口腔健康流行病學(xué)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(dá)數(shù)十億顆,。

口腔修復(fù)體,，俗稱的假牙，成為目前人類重拾咀嚼功能的唯一幫手,�,！芭袛嗉傺蜡熜У年P(guān)鍵，是假牙的設(shè)計制造精度與仿生匹配度,�,！睂O玉春介紹，進(jìn)入21世紀(jì),，人工智能在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的價值被看見,。但假牙的人工智能設(shè)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(dú)設(shè)計,，應(yīng)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(shù)路線，“用歐美軟件設(shè)計時,，要用鼠標(biāo)對每顆牙齒的空間位置,、姿態(tài)和三維形狀進(jìn)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(fù)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(yàn)和操作技巧,，想用鼠標(biāo)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(yàn)多,，如果把以往技師做好的假牙的數(shù)據(jù)掃描進(jìn)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(yīng)變形,，是不是就可以突破國外軟件設(shè)計效果和效率的瓶頸？”

團(tuán)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(tuán)隊把目光瞄準(zhǔn)北大口腔醫(yī)學(xué)院最初積累的1000多副假牙的模型，他們把這些模型掃描進(jìn)電腦,，數(shù)據(jù)建模,。但理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)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(dāng)下患者的獨(dú)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(jìn)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(shí)質(zhì)性一步,。

利用這1000多副模型，經(jīng)過5年的摸索,，團(tuán)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(guān)鍵變量的指標(biāo)體系,，他們根據(jù)這些指標(biāo)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(dāng)前患者的標(biāo)準(zhǔn)假牙模板,。如今,，他們研發(fā)了中國首創(chuàng)、設(shè)計效率國際領(lǐng)先的全口義齒,、可摘局部義齒人工智能設(shè)計軟件,。

之后，他們的研發(fā)按下快進(jìn)鍵�,，F(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�,！艾F(xiàn)在國內(nèi)有約570家假牙加工廠在用,，每天可以設(shè)計1700多副假牙模型�,！睂O玉春介紹,，利用這兩套軟件，假牙的設(shè)計效率可以提升2倍,。

團(tuán)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(jié)構(gòu)打印參數(shù)庫，打印精度達(dá)國外3倍

把設(shè)計圖變成真真切切的假牙,，遠(yuǎn)隔千山萬水,。孫玉春發(fā)現(xiàn)，早期歐美進(jìn)口的金屬3D打印裝備為單激光掃描,，排版設(shè)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(dǎo)致制造精度效率低、材料浪費(fèi)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(jī)，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(jié)構(gòu)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(jī)里落下的一個個假牙,，最終成全了團(tuán)隊的鍥而不舍。孫玉春介紹,，團(tuán)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(yùn)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(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)做自動的特殊工藝設(shè)定,，突破了金屬3D打印懸垂面精度限制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備總體打印精度持平,、但關(guān)鍵局部打印精度優(yōu)于國際同類設(shè)備水平的突破,。

“當(dāng)時用國外典型的打印機(jī)打印出的牙冠精度只有100-150微米，但我們可以達(dá)到30-50微米,。”讓孫玉春自豪地是,，2017年,，他們研發(fā)的打印機(jī)已經(jīng)可以全面替代歐美進(jìn)口金屬3D打印機(jī)，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(dá)國家，2019年在韓國市場占有率達(dá)到40%,，年應(yīng)用數(shù)約1000萬顆牙齒修復(fù)體,。

使用“復(fù)雜口腔修復(fù)體的人工智能設(shè)計與精準(zhǔn)仿生制造”技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(shè)計和精細(xì)的制造工藝,，成為實(shí)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(shù),，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(xué),、美學(xué)均與天然牙齒硬組織‘失配’，這是全球牙科陶瓷材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),�,！痹趯O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(lǐng)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(xué)性能,？”想清楚這一點(diǎn)，科研團(tuán)隊找到6種氧化鋯材料進(jìn)行疊層處理,，而每一層都暗藏玄機(jī),。

研發(fā)團(tuán)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(jié)后的晶相不同，膨脹收縮比,、力學(xué)性能等指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shù),，在一定程度上解決了假牙咬合面的硬度,、彈性模量遠(yuǎn)高于天然牙釉質(zhì)的難題，提升了口腔氧化鋯修復(fù)體與余留天然牙齒在功能,、美學(xué)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(tuán)隊原創(chuàng)的技術(shù)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(yáng),。

“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,。”