孫玉春，郭雨晴，陳 虎，鄧珂慧，李偉偉

(北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心，口腔修復教研室，國家口腔醫(yī)學中心，國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心,口腔數(shù)字化醫(yī)療技術和材料國家工程實驗室，口腔數(shù)字醫(yī)學北京市重點實驗室，國家衛(wèi)生健康委員會口腔醫(yī)學計算機應用工程技術研究中心，國家藥品監(jiān)督管理局口腔材料重點實驗室，北京 100081)

根據(jù)《第四次全國口腔健康流行病學調查報告》(2018)，我國各年齡組缺損、缺失牙齒達數(shù)十億顆。牙齒缺損、缺失后會導致咀嚼功能障礙、營養(yǎng)攝入障礙，易導致顳下頜關節(jié)疾病甚至誘發(fā)心血管疾病等全身系統(tǒng)性疾病，需及時用口腔修復體重建生理功能。

口腔數(shù)字化修復技術在口腔醫(yī)學領域的應用主要包括三維掃描、計算機輔助設計(computer aided design， CAD)、計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)、可數(shù)字化加工的材料等[1]，能顯著提高口腔修復的效率與精度。但是長期以來，我國相關軟硬件基本依賴進口，基礎研究與產(chǎn)品開發(fā)嚴重缺乏國際競爭力，設計算法、打印工藝、材料制備工藝等核心技術面臨被“卡脖子”風險[2]。為改變這一現(xiàn)狀，北京大學口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心孫玉春團隊自2001年開始對口腔數(shù)字化修復技術進行研究，包括智能設計軟件、自動化制造裝備、仿生疊層氧化鋯材料，以及臨床數(shù)字化創(chuàng)新應用方案等(前期研究在呂培軍、王勇兩位導師的指導下完成)。

本課題組相關研究得到了國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家重點研發(fā)計劃，以及首都科技領軍人才工程等基金項目的支持，發(fā)表論文200余篇，獲得國家發(fā)明專利授權49項、美國發(fā)明專利1項，發(fā)布國家標準2項。專利轉化并合作研發(fā)出8種口腔數(shù)字化修復核心技術產(chǎn)品和3種臨床診療方案，顯著提高了復雜口腔修復體的設計效率、3D打印精度和陶瓷材料的仿生性能。與國際同類技術對比，其設計效率、制造精度提升2倍，診療難度和應用成本降低50%，關鍵技術指標達到國際領先水平，有助于實現(xiàn)修復過程的快、簡、準和功能美學個性仿生匹配。

1 口腔修復體人工智能設計軟件的研發(fā)

2001年開始，本課題組首先進行了固定義齒基底支架CAD技術的研究，建立了全冠、固定橋及其基底支架的CAD方法[3]；繼而，基于進口函數(shù)庫研發(fā)了口腔固定修復CAD/CAM算法并開發(fā)出相應的商業(yè)軟件[3-4]，但由于進口函數(shù)庫售價高昂，軟件不具備市場競爭力，未能有效推廣。本課題組發(fā)現(xiàn)以CAD/CAM為代表的口腔數(shù)字化修復技術，在全口義齒、可摘局部義齒等復雜口腔修復體方面發(fā)展尚不成熟，國內外均處于起步階段，因此，本課題組開始聚焦于全口義齒等復雜口腔修復體，2004—2015年系統(tǒng)研究了全口義齒CAD & 3D打印輔助制作技術，并將數(shù)字化全口義齒技術推進到可臨床實用的階段[1, 5-6]。

歐美等國開發(fā)的口腔修復CAD軟件主要基于解析幾何算法，設計時要用鼠標和鍵盤對每顆牙齒的空間位置、姿態(tài)和三維形狀進行逐個交互式調整，以空間位姿為例，每顆牙齒需要考慮6個自由度的變量，全口28顆牙齒需調整168個自由度，耗時約25～30 min[7]。自2007年起，本課題組以平衡牙合理論為依據(jù)，以橫牙合、縱牙合曲線為引導，研究并建立了全口28顆人工牙空間位置姿態(tài)的三維定量分析與參數(shù)化描述，建立了人工牙三維圖形數(shù)據(jù)庫[8]，并將數(shù)字化技術與中性區(qū)理論結合，建立了全口義齒自動化平衡牙合排牙原型算法，基于Imageware通用軟件研發(fā)了實驗室第一代CAD 軟件平臺[7]。排牙時，系統(tǒng)自動創(chuàng)建排牙線，同時制定區(qū)域參數(shù)化排牙法則，實現(xiàn)了人工牙在排牙線上的個性化就位，最后基于特征曲面造型法完成基托的設計[9-10]。之后，本課題組創(chuàng)建了一種基于可重構規(guī)則驅動的全口義齒自動排牙方法[11]，10 s內完成平衡牙合的排列；牙齒排列后使用基于泊松曲面的構建方法生成牙齦基托外形，完成義齒設計[12]。由于該算法是基于進口圖形函數(shù)庫完成，無法單獨使用，且美學效果不足，故不具備推廣應用價值。進一步，本課題組原創(chuàng)了用于STL三角網(wǎng)格曲面頂點特征自動提取的底層核心神經(jīng)網(wǎng)絡結構MeshSegNet，對牙頜與修復體三維數(shù)據(jù)上的三角網(wǎng)格曲面頂點進行聚類，研究了個體牙頜生理解剖特征的自動化識別算法[13-17]。同時，通過批量掃描臨床制作的石膏模型、牙合堤及高質量修復體，進行參數(shù)化設定，建立了專家預設模板的參數(shù)化三維圖形數(shù)據(jù)庫[8]。最后基于面部中線、口角線等10余個變量，原創(chuàng)了一種基于專家預設模板整體匹配和關鍵局部結構自適應變形適配的復雜口腔修復體高效率設計新方法[16, 18]，由此開發(fā)出第三代全口義齒CAD平臺，在給新患者設計修復方案時通過智能化自動匹配，幾秒就能在數(shù)據(jù)庫中找到最適合當前患者的標準義齒模板[19]，該方案大幅提高了數(shù)字義齒設計的效率及牙齦美學形態(tài)效果，同時具有可擴展性，實現(xiàn)了對專家經(jīng)驗的傳承與迭代[20]。

通過專利轉化，與山東山大華天軟件有限公司和南京前知智能科技有限公司分別共同研發(fā)出全口義齒和可摘局部義齒人工智能設計軟件產(chǎn)品，固定義齒軟件也進入了關鍵開發(fā)階段[21]，研究同時向頜面缺損修復等方向不斷擴展[22]，目前已推廣至國內600余家加工廠，輻射至近萬家醫(yī)療單位，實際應用30余萬例。此外，本課題組還對口腔靜動態(tài)數(shù)據(jù)獲取、頜位與咬合三維重建、虛擬咬合記錄與分析等數(shù)字化設計體系的重要環(huán)節(jié)進行了全面布局與同步研究[23-26]。基于相關研究，牽頭起草了5項國家標準，其中兩項已正式發(fā)布[27-28]。

2 口腔醫(yī)用3D打印技術裝備的研發(fā)

本課題組對口腔數(shù)字化制造的研究起步于數(shù)控切削，自主研發(fā)的國產(chǎn)CAM系統(tǒng)，與國外商品化CAM系統(tǒng)(威蘭德T1加工設備)進行對比，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)CAM設備的加工精度與國外同類產(chǎn)品持平[29]。但數(shù)控切削技術在加工復雜結構(如可摘局部義齒)時刀具空間干涉多、材料浪費大、綜合成本高，且我國在四軸(以上)聯(lián)動切削工藝算法方面存在短時間內無法克服的短板，本課題組暫停了相關研究，轉入了對復雜結構制件更具優(yōu)勢的3D打印技術研究。3D打印有望解決上述數(shù)字切削技術存在的問題，但其打印精度、效率及多材料一體化打印有待突破[30-31]。

保障3D打印精度的關鍵難題之一是克服重力、材料收縮對打印懸垂面成形精度的影響，與打印時制件的擺放角度和支撐設計密切相關。本課題組首先從表面積較大的全口義齒入手，采用所購置的純蠟3D打印機，初步驗證了精準3D打印復雜齒形結構的可行性[32]。之后，本課題組通過自主研發(fā)的FDM打印機對全口義齒和種植導板等各類復雜齒形結構制品打印時擺放角度、支撐設計等十幾個關鍵參數(shù)對打印精度的影響規(guī)律進行系統(tǒng)探究，闡明了一定角度范圍內懸垂面在特定材料供給路徑下的智能自支撐原理，建立了一種口腔修復體等齒形結構醫(yī)療制品的專用打印方法[33]。通過優(yōu)化姿態(tài)調整和支撐添加，對精度要求更高的關鍵局部結構做自動的特殊工藝設定，將打印機硬件的“精準打印能力”聚焦于關鍵局部區(qū)域，突破了復雜口腔修復體激光選區(qū)燒結成形時懸垂面精度限制，實現(xiàn)了設備硬件不變前提下，總體打印精度持平，但關鍵局部打印精度優(yōu)于國際同類設備水平的突破[34-35]。通過專利轉化與南京前知智能科技有限公司合作研發(fā)了3套自主知識產(chǎn)權的口腔專用的單/雙激光金屬3D打印裝備，主要用于鈦合金、鈷鉻合金材料的全口/可摘局部義齒金屬支架、冠橋、種植上部基臺支架等的高精度3D打印制造[36]。在中國、日本、韓國、新加坡等國得到了實際應用，年應用量近千萬顆牙齒。

3 仿生疊層氧化鋯材料制備技術

本課題組對口腔“固定修復”數(shù)字化技術的研究始于2013年，盡管由于前述各種客觀條件的限制，未能實現(xiàn)根本性突破，但在咬合狀態(tài)下牙齒空間位姿精準三維重建、下頜運動驅動的牙冠功能性磨耗面精準個性化設計、美學修復精度等方面做出了一系列特色鮮明的研究，并得到了國內外同行的廣泛認可[34, 37-39]。

氧化鋯是固定修復體的主要材料之一，歐美日等國長期掌握著該材料制備的尖端技術，但早期進口的3%(質量分數(shù))氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯材料透明度差、顏色單一。盡管后期通過改變色料添加比例出現(xiàn)了多色氧化鋯材料，但因為工藝簡單，所制作材料的透明度、硬度、力學、美學仍然與天然牙齒硬組織“失配”，是當時該領域的難題，于是，本課題組開始針對氧化鋯材料開展了系統(tǒng)研究。

本課題組首先對患者最關心的氧化鋯類高密度口腔修復材料在CT下出現(xiàn)射線硬化偽影的問題進行了定量研究，明確了多種材料口腔修復體在錐形束計算機斷層掃描(cone-beam computed tomography，CBCT)下出現(xiàn)射線硬化偽影的程度，為臨床提供了良好的參考[40]。之后，基于對3D打印逐層累加成形原理的深刻理解，本課題組以人牙釉質和牙齒力學梯度結構為仿生模本，提出了一種將不同顏色、透明度和耐磨耗性能的陶瓷材料疊層打印的技術思想，以期制造出從表及里分為功能磨耗層、應力緩沖層和抗折基底層三層結構的仿生陶瓷修復體。為實現(xiàn)這一目標，本課題組前期嘗試使用光固化3D打印技術制備修復體，但發(fā)現(xiàn)所制造的全冠陶瓷修復體精度不足[41]。接著嘗試了疊層壓制的方法制作修復體，發(fā)現(xiàn)此種方法制作仿生疊層全鋯冠的臨床適合性較高[42]。理論上逐顆修復體分別疊層壓制可以達到最佳的仿生效果，但這種方法生產(chǎn)效率低，無法滿足臨床需求，若能研制出顏色、半透性和力學性能梯度漸變的氧化鋯預成材料，則更具工業(yè)實用性。基于這種思路，通過創(chuàng)新的成分配比及膠態(tài)氧化鋯疊層壓制工藝，有機融合氧化鋯多層顏色、半透性與強度調控技術，將含有不同比例氧化釔穩(wěn)定的6種氧化鋯，按照一定結構壓在一起，原創(chuàng)了可切削氧化鋯材料的力學、半透性和顏色的梯度疊層漸變設計制備方法，在保留純陶瓷材料優(yōu)勢的同時初步實現(xiàn)了咬合面力學性能仿生弱化[41, 43]，并通過層間界面的雙向滲透仿生結構，確保了較高的加工與燒結精度、機械強度[44]。

通過專利轉化與愛迪特(秦皇島)科技股份有限公司聯(lián)合開發(fā)出3套顏色、半透性和強度均勻過度的系列仿生氧化鋯陶瓷材料，在一定程度上解決了修復體咬合面的硬度、彈性模量遠高于天然牙釉質的難題，顯著提升了口腔氧化鋯修復體與余留天然牙齒在功能、美學上的仿生匹配度。所生產(chǎn)的可切削氧化鋯材料“出廠即(部分)仿生”，有效破解設計制作仿生修復體的“專家經(jīng)驗技巧強依賴”的難題，所轉化的產(chǎn)品在120個國家得到了實際應用，年應用量近千萬顆牙齒。

4 數(shù)字化修復臨床創(chuàng)新應用方案

口腔修復診療過程是“臨床手術操作”與“修復體設計制造”相配合的過程。傳統(tǒng)口腔修復臨床操作復雜、患者就診次數(shù)多、治療周期長、對醫(yī)生的經(jīng)驗依賴程度很高、費時費力且效果因人而異。為縮短治療周期，提高診療效果，本課題組結合前述系列原創(chuàng)數(shù)字化單元技術，進一步原創(chuàng)研發(fā)了3種口腔數(shù)字化修復臨床創(chuàng)新應用方案。

4.1 功能易適數(shù)字化全口義齒

基于提高診療效率、簡化就診流程和提高臨床適合性的目標，本課題組將原創(chuàng)數(shù)字化技術與成熟的全口義齒修復材料結合，建立了一種可臨床應用的全口義齒數(shù)字化輔助診療解決方案——功能易適數(shù)字化全口義齒(functionally suitable digital removable complete dentures，F(xiàn)SD)[7]。

傳統(tǒng)全口義齒制做需要的初印模、終印模、頜位關系記錄、義齒試戴、義齒初戴5個步驟。FSD技術解決了制取功能微壓印模、確定/記錄頜位關系、義齒設計制作效率和精度等難題[35, 45-48]，將上述5步流程簡化成“初印模及初始頜位記錄→終印模/頜位記錄→義齒初戴”3個步驟：(1)患者第1次就診時使用印模膏制取上下頜初印模與頜位記錄，并記錄上唇豐滿度，標記中線、口角線等美學信息；(2)技工室三維掃描后用上述人工智能設計軟件設計并打印全口義齒形態(tài)的閉口式個別托盤[49-50]；患者第2次就診時，使用義齒式托盤制取閉口式終印模，校準頜位關系，醫(yī)患雙方共同確認美學信息；(3)技工室將終印模和確認后的頜位關系及美學信息掃描，設計并打印出全口義齒蠟型，結合傳統(tǒng)工藝完成最終全口義齒的制作，在患者第3次就診時即可義齒初戴[18, 32]。FSD建立了一套簡便、易掌握的全口義齒臨床操作流程，可快速提升年輕醫(yī)生的修復水平。

FSD系統(tǒng)兼顧了數(shù)字化制造高精度、高效率與經(jīng)典修復材料高成熟度的優(yōu)勢，實現(xiàn)了我國首套全口義齒數(shù)字化修復完整技術方案的臨床準入、有效應用和推廣普及。針對該技術本課題組還在持續(xù)研究，未來有望進一步提高無牙頜印模制取、頜位關系記錄以及終義齒全數(shù)字化制作的效率與精度[47, 51-52]。

4.2 智能可摘局部義齒

結合前述原創(chuàng)3D打印技術，本課題組原創(chuàng)了一種三重剛性約束引導的3D打印牙體預備導板，臨床醫(yī)生僅需將車針沿導軌往復運動即可完成牙體預備，實現(xiàn)義齒基牙關鍵功能區(qū)域的精確引導切削，顯著降低了牙體預備操作對經(jīng)驗和技巧的依賴程度，有助于快速提升基層年輕醫(yī)生的技術水平與義齒修復效果[36, 38, 53]。

基于原創(chuàng)的人工智能設計軟件和3D打印技術，本課題組進一步提出了復雜可摘局部義齒的一站式解決方案[54]，具體步驟如下：(1)用上述復雜修復體人工智能設計軟件及3D打印裝置設計并制作可摘局部義齒；(2)基于設計完成的可摘局部義齒，設計并3D打印牙體預備導板；(3)將牙體預備導板和最終義齒同時提供給臨床醫(yī)生，醫(yī)生先使用導板進行牙體預備，然后立即戴入義齒即可完成診療。使用該技術單次就診即可同時完成“牙體預備”與“義齒戴入”，最大程度地提高了可摘局部義齒的臨床診療效率與設計制作精度，是該領域的顛覆性全新技術。

4.3 數(shù)控飛秒激光自動化牙體預備系統(tǒng)

牙體預備的過程類似于數(shù)控切削等減法加工過程，手工牙體預備模式存在精度效率差、質量低、臨床牙體預備的設計目標難于準確實現(xiàn)等問題；用多軸數(shù)控機床體外牙體預備，可大幅提高牙體預備的精度、效率和自動化水平[55]，但數(shù)控機床體積較大，不適合在口腔這種狹小空間內安裝和運行。數(shù)控振鏡控制的超快激光可不受口腔內狹小空間的限制，有望實現(xiàn)口腔內自動化精準牙體預備。2011年起，本課題組開啟了在飛秒激光自動化切削牙齒硬組織方面的探索研究，建立了高強度飛秒激光自動化切削牙釉質、牙本質、表面顯微形貌及其髓腔溫度控制等基本方法和參數(shù)體系[56]。后續(xù)深入探究了超快激光與牙齒硬組織的相互作用規(guī)律、切削精度的控制方法以及自動化牙體預備過程的數(shù)字化實現(xiàn)技術，建立了國際首套數(shù)控飛秒激光自動化牙體預備系統(tǒng)樣機。該樣機由控制系統(tǒng)、機器手、定位器、隨動導光臂、飛秒激光器等組成，具有完全的自主知識產(chǎn)權。系統(tǒng)可按照醫(yī)生設計的牙齒預備方案，自動、精準完成牙體預備路徑規(guī)劃和切削操作，與經(jīng)典手工操作相比，其精度、效率提高數(shù)倍，目前處于產(chǎn)業(yè)化研究階段。

綜上所述，復雜口腔修復體的人工智能設計與精準仿生制造項目填補了我國在口腔數(shù)字化修復領域的基礎研究與產(chǎn)品開發(fā)的空白，本課題組2001—2021年共研發(fā)了8種口腔數(shù)字化修復核心技術產(chǎn)品和3種數(shù)字化修復臨床創(chuàng)新應用方案，實現(xiàn)了中國自主高端口腔醫(yī)療技術裝備在全球牙科市場“零”的突破。