基于3D打印的個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)研究

馬璁瓏，趙艷東

（天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410）

牙齒是國(guó)民健康的重要標(biāo)志之一，中國(guó)作為人口大國(guó)也是口腔醫(yī)療需求大國(guó)，口腔健康是重大、廣泛的民生問(wèn)題。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)口腔健康和美觀的需求也越來(lái)越高，例如，高檔的烤瓷義齒已成為我國(guó)現(xiàn)在義齒加工行業(yè)中的絕對(duì)主流。傳統(tǒng)金屬內(nèi)冠義齒多采用手工技術(shù)。首先，根據(jù)口腔印模灌注石膏模型，然后利用石膏模型制作烤瓷牙蠟型，但在蠟型制作過(guò)程中，蠟容易收縮變形。此外，在利用熱加工鑄造工藝制作金屬內(nèi)冠時(shí)，金屬受熱也容易產(chǎn)生變形，多種因素偏差導(dǎo)致義齒產(chǎn)品精度缺乏準(zhǔn)確性。3D打印技術(shù)，又稱增材制造（Additive Manufacturing）技術(shù)，是在數(shù)字模型文件的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源及可黏合材料通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體,工藝流程一般可分為三維建模、數(shù)據(jù)分割、打印、后處理四步，產(chǎn)品具有智能化程度高、精度高、制造快等特點(diǎn)，這正與口腔義齒制造要求相匹配。

1 基于3D打印的個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，大型口腔醫(yī)院、口腔診所與社區(qū)門(mén)診在診療水平、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等方面相差甚遠(yuǎn)，這就造成了口腔醫(yī)療市場(chǎng)服務(wù)水平參差不齊。義齒制造新技術(shù)、新設(shè)備、高水平技師大多集中于大型口腔醫(yī)療機(jī)構(gòu)與義齒加工企業(yè)，而社區(qū)門(mén)診、小型義齒加工企業(yè)等基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)由于缺乏資金投入，在設(shè)備、技術(shù)等方面更新滯后，無(wú)法滿足高端義齒定制需求。由于不同級(jí)別醫(yī)院溝通聯(lián)系不暢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)同診療的目標(biāo)。因此，面對(duì)個(gè)性化義齒產(chǎn)品定制，需要開(kāi)發(fā)基于3D打印的個(gè)性化義齒產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)，從而將3D打印技術(shù)、醫(yī)療人員、技術(shù)人員、患者進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)高端制造資源的共享。

義齒是一種型面復(fù)雜且精度要求極高的不規(guī)則曲面擬合體，義齒的設(shè)計(jì)制造涉及口腔醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、復(fù)雜曲面建模等眾多學(xué)科，每位患者的牙齒特征各不相同，無(wú)法使用通用數(shù)據(jù)加工制作義齒，義齒與口腔頜骨的匹配度會(huì)直接影響患者安裝義齒后的舒適度，因此，義齒的制造從單純追求功能為主發(fā)展到兼顧滿足患者舒適度的多功能需求，加工制造高精度的義齒是技術(shù)關(guān)鍵。

市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)CAD/CAM數(shù)字化義齒設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)與國(guó)外品牌相比還有一定差距，如德國(guó)西諾德(Sirona)、德國(guó)澤康(Cercon)、德美合資卡瓦盛邦(KAVO EVERST)、德國(guó)威蘭德(Wieland)、瑞典Procera等發(fā)展較早，而國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)尚未成熟，且不同品牌不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換困難、修改難度大。因此，整合多領(lǐng)域、專(zhuān)業(yè)化的義齒設(shè)計(jì)制造機(jī)構(gòu)與人員、軟件、硬件等資源開(kāi)發(fā)個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)是行業(yè)發(fā)展方向。通過(guò)在線定制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)義齒診療、設(shè)計(jì)、制造的一體化工作流程，具體工作過(guò)程為首先將牙齒掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)同云服務(wù)平臺(tái)，再經(jīng)過(guò)醫(yī)生對(duì)患者的在線診療，完成義齒的診療與設(shè)計(jì)。為避免數(shù)據(jù)解釋、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤等問(wèn)題，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式下，將設(shè)計(jì)模型發(fā)送給3D打印協(xié)同云制造平臺(tái)，從而保證義齒制造的完整性與精確性。

2 個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)方案一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是用戶通過(guò)企業(yè)網(wǎng)站產(chǎn)品分類(lèi)、產(chǎn)品介紹等電子商務(wù)功能選擇產(chǎn)品和零部件，用戶體驗(yàn)感較差；第二類(lèi)是用戶通過(guò)在線選擇產(chǎn)品定制尺寸和顏色參數(shù)，輔以CAD形式在線實(shí)時(shí)瀏覽三維虛擬產(chǎn)品；第三類(lèi)是在線定制與可視化交互技術(shù)相結(jié)合，客戶能在線參與產(chǎn)品的交互設(shè)計(jì)定制，這是目前在線定制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2.1 可視化協(xié)同交互技術(shù)

可視化技術(shù)的核心是為使用者提供空間信息直觀的、可交互的可視化環(huán)境。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，可視化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合使遠(yuǎn)程可視化服務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。可視化技術(shù)主要包括科學(xué)可視化、信息可視化、可視分析學(xué)。

科學(xué)可視化面向的領(lǐng)域主要是自然科學(xué)，如物理、化學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，通過(guò)可視化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋、操作與處理，通過(guò)建立可視化模型直觀展示數(shù)據(jù)特征與異常情況；信息可視化處理的對(duì)象是抽象數(shù)據(jù)集合，并通過(guò)信息圖形、視覺(jué)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代技術(shù)以直觀的方式表達(dá)大量的抽象信息；可視分析學(xué)綜合了圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人機(jī)交互等技術(shù)，以可視交互界面為載體進(jìn)行信息交流，完成對(duì)信息的有效分析和決策。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

針對(duì)牙齒醫(yī)療行業(yè)診療產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，包括需求信息、口腔信息、診療方案、就醫(yī)信息、手術(shù)過(guò)程信息等等。大數(shù)據(jù)技術(shù)可通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘等，對(duì)義齒種植和牙齒修復(fù)過(guò)程中采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，從而建立用戶行為與牙齒狀態(tài)的關(guān)系模型、病灶特征與醫(yī)療方案的關(guān)系模型、設(shè)計(jì)與制造之間的關(guān)系模型等，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)形成動(dòng)態(tài)的面向云服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中心，為診療方案和設(shè)計(jì)制造提供數(shù)據(jù)增值服務(wù)及技術(shù)優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)輔助醫(yī)生治療和輔助設(shè)計(jì)制造的目的，最終滿足患者需求。

2.3 云計(jì)算技術(shù)

由于大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和計(jì)算的量都非常大，所以大數(shù)據(jù)需要特殊的技術(shù)，以有效地處理大量的數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是5G網(wǎng)絡(luò)的日益普及，云計(jì)算技術(shù)（Cloud Computing）也得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，例如百度公司的百度云、騰訊公司的騰訊云、Google的App Engine平臺(tái)、微軟的Windows Azure平臺(tái)等。云計(jì)算通過(guò)提高“云”的處理能力,把IT資源、數(shù)據(jù)和應(yīng)用通過(guò)“云”平臺(tái)服務(wù)用戶，為企業(yè)和個(gè)人用戶提供高性能的存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)。

利用云計(jì)算技術(shù)，可將義齒設(shè)計(jì)模型接入云計(jì)算環(huán)境中，當(dāng)調(diào)用模型時(shí)，由云計(jì)算環(huán)境為此模型部署一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模型在云環(huán)境上運(yùn)行，從而建立個(gè)性化義齒定制系統(tǒng)的云服務(wù)平臺(tái)。新一代的大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為面向全社會(huì)整合不同的醫(yī)療資源、義齒數(shù)字化制造資源提供了新模式和新思路。

2.4 基于3D打印的云制造技術(shù)

云制造是將各種制造資源進(jìn)行整合的網(wǎng)絡(luò)化智能制造模式，使閑置資源能得到有效利用,從而保證資源的高效配置。3D打印云制造體系架構(gòu)主要包括以下幾個(gè)層面。

（1）3D打印制造資源層。3D打印云制造技術(shù)首先需要構(gòu)建3D打印制造資源層，這是整個(gè)云制造的工作基礎(chǔ)，目的是將3D打印制造資源與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效融合。

（2）虛擬化封裝與管理層。由于3D打印資源種類(lèi)繁多,不同種類(lèi)信息具有不同的屬性信息，例如，設(shè)備資源包含掃描設(shè)備、3D打印設(shè)備、打印材料等物料資源；人力資源包含3D打印相關(guān)設(shè)計(jì)人員、技術(shù)人員、行業(yè)專(zhuān)家等。在云制造環(huán)境下，需要對(duì)制造資源進(jìn)行描述性的虛擬處理，將物理資源映射轉(zhuǎn)換為虛擬資源。

針對(duì)不同3D打印資源,通過(guò)構(gòu)建不同描述模板，從而對(duì)資源進(jìn)行虛擬性的封裝。首先，對(duì)各類(lèi)資源的特征進(jìn)行分析,提取公共屬性信息,然后，對(duì)屬性信息進(jìn)行全面分析與特征擴(kuò)展，形成相應(yīng)的資源描述模板，方便用戶根據(jù)需求對(duì)資源信息進(jìn)行的虛擬處理與調(diào)取，從而進(jìn)行有效的儲(chǔ)存、更新與維護(hù)。

（3）服務(wù)資源層。通過(guò)分析歸納個(gè)性化義齒在線定制系統(tǒng)的構(gòu)成要素，將服務(wù)資源歸納為硬件資源類(lèi)、軟件資源類(lèi)、信息資源類(lèi)、人力資源類(lèi)、行為資源類(lèi)等，并對(duì)服務(wù)資源進(jìn)行虛擬化描述，將抽象的服務(wù)流程轉(zhuǎn)化為具體可執(zhí)行的服務(wù)流程，并通過(guò)定期維護(hù)與更新資源實(shí)現(xiàn)良好的服務(wù)效果。在實(shí)際工作中，利用封裝技術(shù)對(duì)服務(wù)資源進(jìn)行多方位的整合，將服務(wù)整合為服務(wù)資源的匹配問(wèn)題，從而改善并提高實(shí)際工作的效果和質(zhì)量。

（4）應(yīng)用接口與用戶交互層。應(yīng)用接口主要為用戶提供訪問(wèn)接口,用戶根據(jù)自身需求或工作要求,通過(guò)電腦或移動(dòng)終端對(duì)云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)與資料調(diào)用，促使醫(yī)生和患者協(xié)同完成治療方案的快速制定，支持醫(yī)生和患者的動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)信息同步傳輸和可視化顯示，從而提高3D打印云制造系統(tǒng)的服務(wù)效果。

3 義齒在線定制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)策略

通過(guò)整合跨區(qū)域、跨機(jī)構(gòu)、多領(lǐng)域、專(zhuān)業(yè)化的醫(yī)院、設(shè)計(jì)制造機(jī)構(gòu)與人員、軟件、設(shè)備等資源，構(gòu)建義齒在線定制系統(tǒng)，對(duì)義齒診療、設(shè)計(jì)、制造全生命周期進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。

3.1 協(xié)同診療方案制定

面向高端義齒定制，開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的可視化協(xié)同交互平臺(tái)，支持醫(yī)生和患者的動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)信息同步傳輸和可視化顯示。首先，通過(guò)該平臺(tái)醫(yī)生將掃描得到的數(shù)據(jù)與患者的實(shí)際需求綜合起來(lái)建立義齒診療方案。當(dāng)遇到無(wú)法解決的診療問(wèn)題時(shí)，可利用協(xié)同CAD/CAE平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸給更高水平醫(yī)療專(zhuān)家，專(zhuān)家通過(guò)與患者在線視頻、在線溝通等可視化交互方式，對(duì)方案進(jìn)行修正和完善，形成更加完整、準(zhǔn)確的診療方案，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)患者的可視化協(xié)同診療及方案制定。

3.2 義齒在線設(shè)計(jì)

義齒在線設(shè)計(jì)需要支持互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端等多種接入形式，通過(guò)醫(yī)生對(duì)患者的協(xié)同診療，對(duì)患者需求及義齒特征快速進(jìn)行功能表達(dá)與在線設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)除了要滿足義齒的功能需求外，還要綜合考慮義齒的外觀形狀、材料、顏色、紋理、連接方式、加工方式、制作周期等因素。因此，為了進(jìn)一步提高義齒設(shè)計(jì)效率、產(chǎn)品舒適度及患者滿意度，需要將患者需求轉(zhuǎn)化成為設(shè)計(jì)模型，并利用虛擬仿真技術(shù)展示義齒種植及修復(fù)效果，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬效果展示。同時(shí)，患者通過(guò)在線實(shí)時(shí)瀏覽虛擬設(shè)計(jì)效果，對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)提出修改意見(jiàn)，最后，經(jīng)患者確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行義齒定制加工。

3.3 基于3D打印的義齒定制

義齒設(shè)計(jì)經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)義齒在線定制系統(tǒng)直接發(fā)送給3D打印生產(chǎn)商?；?D打印的義齒云制造模式，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)三維建模、數(shù)據(jù)分割、逐層打印、后處理等工藝流程進(jìn)行義齒加工制作。增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用可滿足患者對(duì)義齒形狀、尺寸、材料、色彩、連接方式、加工方式等方面的個(gè)性化需求。3D打印數(shù)字化加工技術(shù)保證了義齒的制造精度和品質(zhì)，基于3D打印的義齒定制由軟件替代了高水平的技師，大大降低了人力成本，也便于面向義齒全生命周期的管理及維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為面向全社會(huì)整合不同的醫(yī)療資源、義齒數(shù)字化制造資源提供了全新的發(fā)展模式。3D打印技術(shù)為高端義齒的數(shù)字化、個(gè)性化定制提供了必要的技術(shù)支撐。因此，建立基于3D打印的可視化協(xié)同服務(wù)平臺(tái)，對(duì)義齒數(shù)字化資源與醫(yī)療資源進(jìn)行全面整合，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的義齒協(xié)同診療、在線設(shè)計(jì)與數(shù)字化制造。