版權歸原作者所有，如有侵權，請聯絡我們
在北京大學口腔醫學院口腔醫學數字化研究中心副主任、主任醫師、教授孫玉春的記憶深處，有長達5年的時間，他的辦公室總被印表機鏗鏗鏘鏘的聲音填滿。從印表機裡“吐”出來的，是造型各異的義齒模型，也就是俗稱的假牙。
“近30年，數字化技術在全球口腔修復領域的應用越來越深入和廣泛， 但我國在該領域的基礎研究與產品開發一度嚴重缺乏國際競爭力，而歐美技術用於複雜修復時，仿生設計效率、製造精度和材料的力學美學仿生度不足，臨床操作煩瑣。”自2001年，孫玉春和國內院校、企業從研發最具挑戰的全口義齒入手，再到可摘區域性義齒、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製的假牙。
時間是最好的見證。如今，團隊原創研發的複雜口腔修復體人工智慧設計軟體、3D列印工藝裝置和仿生氧化鋯材料，已經可以讓“數字化義齒”的修復，變得高效、舒適而美觀。
經由這套解決方案研發出的8種產品，均可完全替代進口並出口海外，仿生氧化鋯材料產品已經推廣到全球120多個國家，全球每年可生產近千萬顆假牙。
在2021年中關村論壇上揭曉的2020年度北京市科學技術獎中，孫玉春所在的北京大學口腔醫院及南京航空航天大學、南京前知智慧科技有限公司、山東山大華天軟體有限公司、愛迪特（秦皇島）科技股份有限公司、北京巴登技術有限公司等機構，憑藉“複雜口腔修復體的人工智慧設計與精準仿生製造”共同摘得北京市技術發明一等獎。
團隊研發的複雜口腔修復體人工智慧仿生設計軟體，受訪者供圖
在國外CAD軟體與國內手工設計之間尋找靈感
根據《第四次全國口腔健康流行病學調查報告》（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數十億顆。
口腔修復體，俗稱的假牙，成為目前人類重拾咀嚼功能的唯一幫手。
“判斷假牙療效的關鍵，是假牙的設計製造精度與仿生匹配度。”孫玉春介紹，進入21世紀，人工智慧在口腔醫學領域的價值被看見。但假牙的人工智慧設計，長期依賴於歐美國家基於解析幾何演算法的CAD軟體，這種軟體聚焦於每一顆牙齒單獨設計，應用難度大且效率低。
將近10年的時間，孫玉春常常一手拿著國內假牙技工大師做的假牙模型，一手利用國外軟體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路線，“用歐美軟體設計時，要用滑鼠對每顆牙齒的空間位置、姿態和三維形狀進行逐個互動式調整，每顆牙齒就需要考慮上下左右前後6個自由度，全口28顆牙齒需反覆調整168個自由度。傳統技師多年積累的手工排牙經驗和操作技巧，想用滑鼠和鍵盤逐一調整，難度極大，效果難以媲美傳統手工。”
快要放棄時，孫玉春靈光一現，“何不把中國技師做好的假牙看成一個整體，再根據每個患者的個體情況，整體調整義齒的三維外形引數？中國的病人多、可以參照的經驗多，如果把以往技師做好的假牙的資料掃描進電腦，再根據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環境自適應變形，是不是就可以突破國外軟體設計效果和效率的瓶頸？”
團隊研發的口腔醫療製品智慧３D列印工藝裝備，受訪者供圖
用1000多副手工假牙模型摸索了5年建成資料庫
化零為整的思路，讓孫玉春團隊把目光瞄準北大口腔醫學院最初積累的1000多副假牙的模型，他們把這些模型掃描進電腦，資料建模。但理想照進現實並不輕鬆，一個重要的瓶頸在於，如何從海量資料中挑選出有用的，繼而找出或者生成最適合當下患者的獨一份？
“一次經過人臉識別儀時，我發現螢幕上就會立即顯示我的資訊，我突然想到，是不是可以將患者的牙頜樣貌用特徵骨架進行唯一性定量描述，與資料庫裡的資料匹配，找到最匹配的？”孫玉春後來發現，這個接近於資料探勘的想法，終於讓他們邁出實質性一步。
利用這1000多副模型，經過5年的摸索，團隊最終提出基於面部中線、口角線、唇高低線、牙頜弓曲線（寬度、深度、曲度）、等10餘個關鍵變數的指標體系，他們根據這些指標採集患者的資訊，幾秒鐘就能在引數化資料庫中找到最適合當前患者的標準假牙模板。如今，他們研發了中國首創、設計效率國際領先的全口義齒、可摘區域性義齒人工智慧設計軟體。
之後，他們的研發按下快進鍵。現在，他們的資料庫裡已經有全國近20萬副假牙模型。“現在國內有約570家假牙加工廠在用，每天可以設計1700多副假牙模型。”孫玉春介紹，利用這兩套軟體，假牙的設計效率可以提升2倍。
團隊研發的仿生疊層氧化鋯可切削材料，受訪者供圖
5年列印300公斤廢料終建立原創齒形結構列印引數庫，列印精度達國外3倍
把設計圖變成真真切切的假牙，遠隔千山萬水。
孫玉春發現，早期歐美進口的金屬3D列印裝備為單鐳射掃描，排版設計過程過於煩瑣、智慧分析判斷能力不足、支撐數量過多，需要大量的手工調整和打磨後處理操作，導致製造精度效率低、材料浪費大。
“列印工藝是3D列印的靈魂，有那麼5年時間，我在辦公室一字排開5臺印表機，每天不停地列印各種臨床需要的製品，光列印材料就用了約300公斤，最後我們摸索出最適合齒形結構的專用3D列印工藝引數集，例如列印的角度、列印速度，層間重疊率、材料填充率、列印溫度等。”孫玉春說。
那些從印表機裡落下的一個個假牙，最終成全了團隊的鍥而不捨。孫玉春介紹，團隊原創了3D列印自動化排版切片工藝軟體，率先研製出3套口腔專用的單/雙鐳射金屬3D列印裝備和物聯網運維平臺3D雲，透過分類和模式識別演算法最佳化姿態調整和支撐新增，對精度要求更高的關鍵區域性結構做自動的特殊工藝設定，突破了金屬3D列印懸垂面精度限制，實現裝置總體列印精度持平、但關鍵區域性列印精度優於國際同類裝置水平的突破。
“當時用國外典型的印表機打印出的牙冠精度只有100-150微米，但我們可以達到30-50微米。”讓孫玉春自豪地是，2017年，他們研發的印表機已經可以全面替代歐美進口金屬3D印表機，2018年同類產品中國銷量第一，2019年開始出口韓國、日本等發達國家，2019年在韓國市場佔有率達到40%，年應用數約1000萬顆牙齒修復體。
使用“複雜口腔修復體的人工智慧設計與精準仿生製造”技術，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，用特殊結構讓假牙逼真
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於人工智慧設計和精細的製造工藝，成為實現假牙的逼真的咀嚼快感的最後一公里。
“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製備的尖端技術，但他們早期生產的氧化鋯材料只有一種顏色、一種透明度、一種硬度，力學、美學均與天然牙齒硬組織‘失配’，這是全球牙科陶瓷材料領域的研究熱點和難點。”在孫玉春看來，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，還需要在材料領域另闢蹊徑。
“能不能將不同材料疊層，讓假牙從上到下呈現同顏色、不同透明度，不同力學效能？”想清楚這一點，科研團隊找到6種氧化鋯材料進行疊層處理，而每一層都暗藏玄機。
研發團隊部分成員（左四為孫玉春），受訪者供圖
“不同的氧化鋯材料裡，氧化釔含量不同，這會造成假牙燒結後的晶相不同，膨脹收縮比、力學效能等指標存在差異。我們將6種不同的氧化釔成分的氧化鋯，按照一定結構壓在一起，在每層間建立了一種雙向梯度滲透的仿生介面，這個介面模仿的是天然牙齒的絞釉層，這就使假牙在製造和燒結過程中，不會發生層間斷裂和製造精度的下降。”孫玉春說，藉由這套技術，在一定程度上解決了假牙咬合面的硬度、彈性模量遠高於天然牙釉質的難題，提升了口腔氧化鋯修復體與餘留天然牙齒在功能、美學上的仿生匹配度。
在孫玉春的PPT裡，有一個小影片：一位煙臺大爺用他和團隊原創的技術安裝了假牙，半天后就啃上了煙臺蘋果。每次開啟這個歡樂的影片，孫玉春都會嘴角上揚。
“我們希望研發出的國產創新研發產品，一要比國外做得好，二是要價格適中，要能讓老百姓儘可能少地減少就診次數，縮短就診時間，減少病痛，讓老百姓有獲得感。”
來源：科技日報
