点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:人工智能+3D打印,做出一口好“牙”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

人工智能+3D打印,做出一口好“牙”

来源:科技日报2021-10-14 09:53

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  孙玉春使用“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”技术为患者戴上义齿受访者供图

  20年前,我国在口腔数字化修复领域的相关产品基本依赖进口。现在,国产关键技术产品不仅填补了国内空白,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术装备在全球牙科市场“零”的突破。

  孙玉春 北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师

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

  “近30年,数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛,但我国在该领域的基础研究与产品开发一度严重缺乏国际竞争力,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进口,设计算法、打印工艺、材料制备工艺等核心技术不足。”北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师孙玉春教授告诉科技日报记者,为改变这一现状,自2001年开始,他联合国内院校和企业,从最具挑战的全口义齿入手,到可摘局部义齿、固定义齿,不断进行研发、试错。

  如今,团队原创研发的复杂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、舒适且美观。

  数字化技术用于义齿修复成研究热点

  根据《第四次全国口腔健康流行病学调查报告》(2018),我国35岁以上成人平均失牙4.7颗,各年龄组缺损、缺失牙齿达数十亿颗。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术应用于牙科。”孙玉春介绍,近30年来,数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛,以计算机辅助设计、计算机辅助制造技术为代表的口腔数字化修复技术,在固定修复、种植修复和可摘局部义齿修复方面的慢慢发展成熟,修复诊疗的效率和精度也在不断提高。

  近年来,将数字化技术用于全口义齿修复成为研究热点,国际上先后涌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术难度仍然较高,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价值。人工智能最初用于口腔诊断,但现在已经广泛应用于三维扫描、计算机辅助设计、计算机辅助制造、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、精调人力成本。

  1000多副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,应用难度大且效率低。

  将近10年的时间,孙玉春常常利用国外软件排列每一颗义齿的位置,但他发现,始终没有国内义齿技工大师排得好。

  差异来自不同的技术路线,“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整,每颗牙齿需要考虑上下左右前后6个自由度,全口28颗牙齿需反复调整168个自由度。而传统技师是靠多年积累的手工排牙经验和操作技巧排牙,想用鼠标和键盘模仿,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看成一个整体,再根据每个患者的个体情况,整体调整义齿的三维外形参数?这就像盖房子,把以前一块一块垒砖,变成整栋房子迁移,而这个房子又可以根据环境自适应变形。这样也许就可以突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,团队最终提出基于面部中线、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合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。“目前在国内有约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。

  探索最适合的齿形结构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。

  早期欧美进口的金属3D打印装备为单激光扫描,排版设计过程过于繁琐、智能分析判断能力不足,需要大量的手工调整和打磨后处理操作,导致制造精度效率低、材料浪费大。

  “打印工艺是3D打印的灵魂,有那么5年时间,我在办公室一字排开5台打印机,每天不停地打印各种临床需要的制品,光打印材料就用了约300公斤,最终摸索出最适合齿形结构的专用3D打印工艺参数集,例如打印的角度、打印速度,层间重叠率、材料填充率、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整和支撑添加,对精度要求更高的关键局部结构做自动的特殊工艺设定,突破了金属3D打印悬垂面精度限制,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突破。

  “当时用国外典型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精细的制造工艺?

  氧化锆是制造义齿的主要材料。“欧美日长期掌握着口腔氧化锆材料制备的尖端技术,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‘失配’,这也是全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,按照一定结构压在一起,在每层建立一种双向梯度渗透的仿生界面,这个界面模仿天然牙齿的绞釉层,使义齿在制造和烧结时,不会发生层间断裂和制造精度下降。”孙玉春说,这套技术在一定程度上解决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,经由这套解决方案研发出的8种产品,均可完全替代进口并已出口海外,仿生氧化锆材料产品已经推广到全球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相关产品基本依赖进口。现在,国产关键技术产品不仅填补了国内空白,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术装备在全球牙科市场‘零’的突破。”孙玉春说。

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 探访牛河梁国家考古遗址公园

  • 山东青岛:加紧生产欧洲空调订单

独家策划

推荐阅读
最初,动画和实拍泾渭分明,然而随着手工转描、仿真合成、运动捕捉这类手段的引入,动画和实拍开始相互渗透。AI对动画与实拍的缝合,会将影像艺术彻底引向“泛动画”的时代。
2026-08-05 09:33
衣服透气不闷汗、个性化定制汽车交付快、人形机器人型号多,商品性能更好、生产效率更高、创新活力更足……近年来,这些生产生活中的变化,折射出纳米制造、柔性制造、共享制造等新趋势。
2026-08-05 09:26
在这样的微观世界里,科学家操控原子和分子,设计制造具有特殊性能的新材料、新器件,这就是纳米制造。目前,纳米制造已经实现在原子分子量级设计新材料,按需定制材料的储能、催化、防腐、导电等特性,突破传统制造的性能天花板。
2026-08-05 09:26
近日,中国农业科学院都市农业研究所联合国内外科研单位,发现了改良生菜体内的营养和风味物质的基因密码。生菜在被人类驯化与改良的漫长过程中,口感和营养发生显著变化,这背后离不开关键基因的“调控”。
2026-08-05 09:24
当地时间3日,在意大利佛罗伦萨举办的第46届国际空间研究委员会(COSPAR)科学大会上,中国气象局王劲松研究员荣获威廉·诺德伯格奖章。王劲松是首位获此殊荣的中国科学家,并同步获得一颗小行星命名。此次获奖表明,我国空间科学与应用领域研究成果获得国际学术界高度认可。
2026-08-05 07:40
石墨烯,单层碳原子排成的蜂窝薄膜,薄到极致。但把它一层层摞起来时,层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。
2026-08-04 03:05
中国石化重庆川维化工公司5万吨/年特种聚乙烯醇(PVA)树脂装置日前顺利一次开车成功并产出合格产品,首批货品已发往欧洲。至此,川维化工PVA总产能达21万吨/年,跃居全球单一工厂中最大的高端PVA生产基地。
2026-08-04 03:05
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”:电子彼此间的相互作用强,集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子,而是有着充分沟通的步调一致的集体,像一支训练有素的“乐队”。
2026-08-04 03:05
今年上半年,人工智能领域一系列标志性成果密集落地。在技术、应用、生态、治理的协力牵引下,人工智能产业迸发出前所未有的发展活力,赋能实体经济的成效持续凸显。
2026-08-04 09:31
近日,由人力资源社会保障部、安徽省人民政府共同主办的“创赢未来”创业大赛(以下简称“大赛”)全国赛在安徽合肥圆满收官。在大赛同步举办的创业安徽成果展区,一瓶瓶单原子农药整齐陈列,它们同样是“人工智能+创业”的杰作。
2026-08-04 09:31
日前,华中科技大学同济医学院基础医学院郭峥教授团队首次证明:干细胞能够通过表观遗传机制“记忆”自身的分裂次数,像精密仪器般严格遵循着“8+1”的分裂计数规律。
2026-08-03 03:15
伴随着一阵嗡鸣声,国姓岙码头,满载饵料的农业无人机腾空而起,飞向远处的大黄鱼养殖基地。“引入农业无人机后,作业效率提升3倍以上,每年每个网箱预计可节约管理成本约5000元。
2026-08-03 09:16
中国气象局总工程师潘进军表示,中国气象智能预警方案“妈祖”,正发展为面向发展中国家的共享型、可定制、可持续的国际公共产品。
2026-08-03 09:15
碳计量是实现“双碳”目标的基础性工作,是科学核算碳储量、规范碳汇交易、推动生态产品价值实现的关键支撑。
2026-08-03 09:15
提高科技创新投入效能的关键,在于改革科研经费管理和评价机制。科技创新投入效能的提高,是关乎国家创新体系整体效能的系统工程。
2026-08-03 09:14
量子科技是新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。近年来,一批量子科技成果走向实践,展现出巨大的应用潜力。
2026-08-03 09:12
7月30日,国家能源局发展规划司副司长邢翼腾在新闻发布会上表示,上半年,国内油气供应总体平稳有序,电力供应保障基础进一步夯实,全国发电装机容量突破40亿千瓦,规模远超世界其他主要经济体。
2026-07-31 03:20
夏日贵阳,清风送爽,“中国数谷”又要迎来一场数字经济领域的年度盛会。8月28日至30日,2026中国国际大数据产业博览会将在此举办,目前各项筹备工作已进入全面冲刺阶段。
2026-07-31 03:40
“十五五”规划纲要围绕“加快高水平科技自立自强,引领发展新质生产力”作出专篇部署,明确提出“推动科技创新和产业创新深度融合”。
2026-07-31 03:40
“十五五”开局,第一个经济半年报发布,以高端制造、数智经济、现代服务为代表的新动能对经济增长的贡献超过40%。其中释放出鲜明信号,科技创新正加速赋能经济高质量发展。
2026-07-31 03:40
加载更多