2019-06-19 19:27:15 热度:

口腔数字化修复技术的自主创新研发成果

在今年北京国际口腔展创新展区,北京大学口腔医学院在数字化修复领域的创新成果又一次得到了全方位显示。从数字化、智能化的活动义齿修复解决方案,到前牙精准美学修复材料和技术,再到下颌功能运动检测记录和三维生物打印技术,北大口腔已经将数字化技术深入渗透到口腔修复领域的各个方面。在展会前夕,本报记者采访了北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任孙玉春,请他介绍了本次的主要创新展品以及科研体会。

创新一功能易适数字化全口义齿技术产品 

2017年发布的《第四次全国口腔健康流行病学调查》显示,我国至少还有2100万例无牙颌患者,全口义齿是无牙颌患者的主要修复方式。经典的修复技术大量依赖于手工操作技巧和专家经验。临床很多年轻医生包括年轻技师对全口义齿望而生畏,不愿意做全口义齿。

针对这种情况,北大口腔自主研发了一套全口义齿的数字化修复系统,不只解决最终义齿的设计和制造,而且把数字化技术有效恰当地应用于全口义齿的上游关键环节,包括功能印模的制取和准确的颌位关系的记录,以及最终义齿的数字化设计和制作,通过这三个环节有效地应用数字化技术,可以显著提高全口义齿修复过程中的精度,同时降低医生的操作难度和对专家经验的依赖,并且大幅度提高最终义齿修复之后的功能适合性。这套FSD功能易适数字化全口义齿技术(Func-tionallySuitableDenture,固易美),包含了25个发明专利,核心专利国际检索报告显示,全部25项权利要求均具有新颖性、创造性和工业实用性。在临床操作全程恰当植入数字化技术,有效破解传统上的操作难题。

该专利技术已经与北京巴登技术有限公司签署专利转化协议,目前FSD技术已推广至全国二十多家医院,完成近200例的临床应用验证,效果良好,总体满意率在85%~90%以上(图1)。

 

图1功能易适性数字全口义齿

 

 

 创新二复杂可摘局部义齿智能设计与精准制造技术产品 

虽然全国有2100万无牙颌患者,但是缺失一部分牙的患者数量更大,10倍甚至20倍于无牙颌患者。这一类患者存在诸如全身系统疾病、局部骨量不足、心理恐惧以及经济因素等等,在临床修复中种植修复占比比较小。据不完全统计,我国大概有几十亿颗牙需要进行修复治疗,而目前每年大概也只能种植修复几百万颗,大部分还是要靠可摘局部义齿和固定义齿进行修复。可摘局部义齿之前一直靠手工雕蜡之后铸造支架,然后再去排人工牙。

在FSD的科研积淀基础上,北大口腔的第二个创新是可摘局部义齿智能设计与精准制造技术。用现有的CAD软件设计一个复杂可摘局部义齿需要30~40分钟,基于自主研发的专用人工智能算法,只需5~10分钟;通过对中国人牙列缺损情况与可摘局部义齿专业设计结果进行数据挖掘、聚类分析和相关关系映射,该技术可更深入地诠释专家经验,并更适合中国人的口腔解剖结构和生理功能,即复杂可摘局部义齿的智能设计软件(图2)。

同时,北大口腔开发了口腔医用3D打印精度保障技术体系,相当于给所有打印机一把非常精准的“尺子”,通过将该技术体系植入到现有的3D打印系统,能够将软件设计的可摘局部义齿制造得更为精准、可靠。上述专利技术已经与南京前知智能科技有限公司签约。

 

图2复杂可摘局部义齿的智能设计软件

 

 创新三3D仿生绚彩氧化锆陶瓷 

北大口腔的第三个创新是在牙科氧化锆方面。很长一段时间里,国外都占领着氧化锆市场的尖端技术,受到习主席和党中央反复强调的“创新驱动发展、弯道超车”的启迪,北大口腔没有沿着国外的发展路径去追赶,而是通过分析当时氧化锆的弊端,设计了一种仿生的梯度多层氧化锆材料,目标是模拟人类天然牙齿的硬度结构,突破氧化锆的发

展理念,除了满足仿生美学之外,更注重于仿生的力学性能,有助于实现高强度的同时,增强对口腔剩余软硬组织的力学缓冲,降低对颌牙齿的过度磨损(图3)。

这项发明已经与爱迪特(秦皇岛)科技股份有限公司签约,2018年全球销量超150万颗。它主要的突破点是:分为六层不同的氧化锆材料。底部跟牙齿接触部分强度很高,不容易折裂,而在咬合面那个位置,它的耐磨性跟天然牙釉质更为接近,这样可以减少修复体修复完之后对于对颌牙齿的损耗。

 

 

图33D仿生绚彩氧化锆陶瓷

 

 

 创新四精准美学数字修复技术 

口腔修复不光要考虑功能恢复,还要考虑美学重建。孙玉春主任从人工智能和精准理念出发,建立了一套精准美学数字化修复技术,临床研究表明,应用该技术可实现术前在患者口腔内精准预测、术中微创牙体预备以及术后的美学效果的精准实现(图4)。

该技术的核心是,一种基于气质分型的前牙美学形态的三维重建方法,把中国人的前牙美学形态分为六型,女性有靓丽型、优雅型、端庄型,男性则分俊朗型、刚毅型、仿生型等。中国人对于牙齿美学的审美,实际上是有历史传承的。比如说中国古代瓷器玉壶春瓶,弧度实际上就是女士选的最多的优雅型形态,就是让牙齿在美学区域产生一个优美的曲线,凸显女人的柔美秀丽、优雅大方。各分型牙齿形态,可凸显患者的气质性格,或者说心理预期,显著降低了细节美学形态确认前的工作难题,提升了美学形态的修复效果及患者满意度。该项专利技术已经转化给星火万方齿科技术(北京)有限公司。通过这一技术的推广普及,可以让基层医生也能做出良好的美学修复效果。

 

图4精准美学数字化修复技术

 

 

 创新五下颌运动跟踪装置 

临床上,对于需要进行咬合重建的患者,颌位关系的重新确定和记录具有很大的难度,北大口腔开发了一套开放数据的下颌运动轨迹记录系统,能够记录无牙颌患者下颌运动时的实时位置变化,相关配套软件可以实现下颌运动状态的虚拟再现,应用该技术有望突破常规颌位记录对经验和技术的依赖,实现高效、精确、自动化的咬合重建患者颌位关系的直接数字化确定与数字化记录(图5)。该项专利技术已经转化给南京易形信息科技有限公司。

 

图5下颌运动跟踪装置

 

 

 创新六生物打印技术产品 

骨组织工程为骨缺损提供了新的治疗思路,传统的支架制造工艺难以精确设计支架的宏微观结构,而3D打印有助于实现人工骨支架的宏微观一体化成形。在数字化技术飞速发展的今天,3D打印由于其个性化、快速、精确、可控等优势,在生物医学的多个领域成为研究热点。然而,目前国内外相关研究尚未完全阐明最适宜的三维拓扑结构特征。同时,3D生物打印成形材料也尚缺乏明确的选择标准和优劣指标。均需更多更全面的研究来不断改进。这就需要能够有一种可以将多种有潜力的生物材料、按照多种可能的混合比例,制造出精确可控的多种跨尺度空间结构。针对上述科研需求,2015-2018年我们建立了一种3D打印多孔组织工程支架复合材料及其制备方法,并通过专利转化的方式与北京实诺泰克科技有限公司合作开发完成了Bioplatform三维生物打印系统,首次实现了多种材料、多种可控比例、多种三维跨尺度结构的一体化共混打印,有望在组织工程材料、跨尺度三维宏微一体化结构优选与创新研究方面产生新的突破(图6)。

 

图6三维打印机


科研经验分享

 选准研究方向 

发明专利申请、科研工作均瞄准能解决实际临床问题并且具有良好工业实用性(可批量生产或广泛应用)的技术领域,对国内外最新研究进展进行全面的分析后确定具体研究方向。国外已经做过或者正在做的大方向不一定就不能产生创新成果,可能只是还没找到最合适的角度,或者没有找到北大口腔特色的研究角度。

 

 注重阶段成果的产出与转化 

一个重大科研成果的转化,往往是分阶段完成的。阶段性的研究成果,如果已经能够解决部分临床难题,就可以先行转化成产品,产品在被其他人临床实际应用的过程中发现的具体问题,有利于进一步校准之前预定的研究方向或派生出新的研究方向。

 

 选择有创新活力的年轻企业或资深企业的年轻部门作为预期产业化对象 

创新是企业发展的生命线,随着习主席和国家科技主管部门对科研创新及创新科研成果转化重视程度的不断加强,会派生出一大批具有良好创新活力的增长型企业或现有资深企业的新部门,此类机构对于新技术的敏感度和认可度更强,在合作研发过程中的配合度也更好。

 

 与目标企业成果共享、风险共担 

科研成果转化时,以分期付款等方式达成协议,减轻企业在转化技术初期的资金压力和风险,面向未来。同时,此类方式可以最大限度地调动合作双方的积极性,共同努力、形成合力,1+1>2,有利于更快、更好地将科研成果转化为实用、有市场的产品。

 

 多予少取、先予后取、只予不取 

这是习主席在中非合作论坛中的讲话精华,代表了中国大国外交的理念、国与国之间交往的中国逻辑,也适用于科研成果转化的过程。有时候当前的付出不一定马上就有回报,但将来会有回报。来得越晚的回报,往往越巨大。成果受让企业,往往看中的是持有科研成果人的科研诚信和能力,甚至是人品。要树立良好、正确的合作观念,方能获得企业的认可,达成双赢的科研成果转化协议。

我们的目标:把技术推广到基层

我们在做研究的时候,有一个主体思想,就是不能为了数字化而数字化。我们是为了抽取数字化技术的长处,弥补传统技术的短处;同样传统技术中有一些长处,也可以弥补数字化的短处。举个例子,我们常说我们需要把牙齿做得对称和谐,这几个字对于人来说是很容易看到的,可是对于计算机就很难了,因为和谐是个主观词,而计算机只认识零和一,所以说我们要充分发挥两者的优势,核心目的是解决现在临床还解决不了的困难,这是我们的主要研究目标。通过这个方法,我们把原来一些定性的、半定量的专家经验,包括临床手工操作技巧,高度凝炼在开发的人工智能设计软件中,包括开发的3D打印系统里面,如果把这个技术推广到广大基层,就相当于在基层医生的旁边随时站着一个高级专家去帮你做得更好。我们的目标不是我们做得很好,是希望通过技术研发,把北大口腔优秀的专家经验凝结在智能软件里面,让大多数牙科医生都能做好,只有这样才能惠及全国,甚至惠及世界,反过来我们的软件也可以不断迭代。

口腔数字化修复技术自主创新研发成果

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