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(bào)

“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(shí)，仿生設(shè)計(jì)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(cuò)，目的只有一個(gè)，讓失去牙齒的患者擁有一口為自己量身定制的假牙。

時(shí)間是最好的見證。如今，北京大學(xué)口腔醫(yī)院團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)研發(fā)的復(fù)雜口腔修復(fù)體人工智能設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎng)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(jì)與精準(zhǔn)仿生制造”共同摘得北京市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

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

在國外CAD軟件與國內(nèi)手工設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)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(jià)值被看見。但假牙的人工智能設(shè)計(jì)，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(jì)，應(yīng)用難度大且效率低。

將近10年的時(shí)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(jì)時(shí)，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(gè)交互式調(diào)整，每顆牙齒就需要考慮上下左右前后6個(gè)自由度，全口28顆牙齒需反復(fù)調(diào)整168個(gè)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(shí)，孫玉春靈光一現(xiàn)，“何不把中國技師做好的假牙看成一個(gè)整體，再根據(jù)每個(gè)患者的個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)效果和效率的瓶頸？”

團(tuán)隊(duì)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(duì)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(gè)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(shí)別儀時(shí)，我發(fā)現(xiàn)屏幕上就會(huì)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(gè)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(duì)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)1700多副假牙模型。”孫玉春介紹，利用這兩套軟件，假牙的設(shè)計(jì)效率可以提升2倍。

團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jì)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(shí)間，我在辦公室一字排開5臺(tái)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�！睂O玉春說。

那些從打印機(jī)里落下的一個(gè)個(gè)假牙，最終成全了團(tuán)隊(duì)的鍥而不舍。孫玉春介紹，團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)了3D打印自動(dòng)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(tái)3D云，通過分類和模式識(shí)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(dòng)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(shí)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(huì)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(gè)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(huì)發(fā)生層間斷裂和制造精度的下降�！睂O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(gè)小視頻：一位煙臺(tái)大爺用他和團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的技術(shù)安裝了假牙，半天后就啃上了煙臺(tái)蘋果。每次打開這個(gè)歡樂的視頻，孫玉春都會(huì)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(jià)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(shí)間，減少病痛，讓老百姓有獲得感�！�