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

  • 直播丨“网络中国节”新春创享季启动仪式

  • 在澜沧江源,他们“镜”守山河

独家策划

推荐阅读
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
就像为一段混乱的进程找到慢放键,中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。在量子世界中,系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息,最终达到混乱的热平衡状态,该过程被称为“热化”。
2026-02-03 09:37
科技部日前发布的2024年度全国科普统计数据表明:我国科普人员队伍规模持续壮大,2024年全国科普专、兼职人员数量达221.27万,比2023年增长2.62%,其中,科普专职人员29.70万人,科普兼职人员191.57万人。
2026-02-03 09:36
2月2日是第30个“世界湿地日”。我国持续开展湿地保护修复,累计实施3800多个项目,新增和修复湿地面积100余万公顷;实施红树林保护修复和互花米草防治专项行动,累计营造红树林9200公顷,除治互花米草9.73万公顷。
2026-02-03 09:21
X光片显示的一名33岁患者的新肺(左)和旧肺。在这项研究中,Bharat表示,他的团队设计的这套人工肺系统,能够保持血液平稳且持续地流向心脏,从而降低了因血栓引发心脏病的风险。
2026-02-02 09:52
孙纯告诉《中国科学报》,时间规划的“艺术”在于,如何平衡优先和重大项目、自由观测申请项目以及可能突然出现的机遇型项目,让所有科研用户都能满意。再过十余天,孙纯的家人就会到基地与她团聚,而雷政今年终于可以回到遵义老家,与亲友相聚。
2026-02-02 09:51
通过研究月壤,我们可以进行优化模拟,从而更好服务后续探月任务。
2026-02-02 09:50
作者:王黎萤(浙江工业大学中国中小企业研究院副院长)万劲波(中国科学院科技战略咨询研究院研究员)  标准是重要基础性制度,对构建现代化产业体系、建设全国统一大市场等具有重要作用。
2026-02-02 09:37
1日,“砼真砼知”混凝土材料科学大模型在江苏南京首发。中国工程院院士、东南大学首席教授刘加平介绍:“该模型推动混凝土材料研发迈入数据驱动的‘第四范式’,为工程材料领域破解数据、算法、模型关键难题提供了标杆方案,将加速建材产业低碳转型与高质量发展。
2026-02-02 09:36
在分子世界中,有一种化学键如同生命的“缝合线”——它将氨基酸串成蛋白质,把药物分子编织成救命良方,这就是酰胺键。利用这项变革性的生物催化方法,已成功实现了多款明星药物分子的高效、绿色生物生产。
2026-02-02 09:35
为揭示东亚古人类的技术智慧与演化脉络提供了关键证据。
2026-01-30 09:37
中国气象局29日发布《2025年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示:2025年,全国风能资源为正常年景,全国太阳能资源总体为偏小年景。
2026-01-30 03:30
想象一下手电筒的光:柔和而四散,照亮着前方。激光,就像一束训练有素的光——所有光粒子步调一致,朝着同一个方向前进,能量高度集中。这种特性让激光能完成普通光做不到的“精细活”,从超市扫码器到医院手术刀,从光纤通信到舞台灯光秀,背后都有它的身影。
2026-01-30 03:30
加载更多