基于3D打印的个性化义齿在线定制系统研究

马璁珑，赵艳东

（天津职业大学，天津 300410）

牙齿是国民健康的重要标志之一，中国作为人口大国也是口腔医疗需求大国，口腔健康是重大、广泛的民生问题。随着人们生活水平的不断提高，人们对口腔健康和美观的需求也越来越高，例如，高档的烤瓷义齿已成为我国现在义齿加工行业中的绝对主流。传统金属内冠义齿多采用手工技术。首先，根据口腔印模灌注石膏模型，然后利用石膏模型制作烤瓷牙蜡型，但在蜡型制作过程中，蜡容易收缩变形。此外，在利用热加工铸造工艺制作金属内冠时，金属受热也容易产生变形，多种因素偏差导致义齿产品精度缺乏准确性。3D打印技术，又称增材制造（Additive Manufacturing）技术，是在数字模型文件的基础上，利用计算机软硬件资源及可黏合材料通过逐层打印的方式来构造物体,工艺流程一般可分为三维建模、数据分割、打印、后处理四步，产品具有智能化程度高、精度高、制造快等特点，这正与口腔义齿制造要求相匹配。

1 基于3D打印的个性化义齿在线定制系统

一般来说，大型口腔医院、口腔诊所与社区门诊在诊疗水平、收费标准等方面相差甚远，这就造成了口腔医疗市场服务水平参差不齐。义齿制造新技术、新设备、高水平技师大多集中于大型口腔医疗机构与义齿加工企业，而社区门诊、小型义齿加工企业等基层医疗机构由于缺乏资金投入，在设备、技术等方面更新滞后，无法满足高端义齿定制需求。由于不同级别医院沟通联系不畅，无法实现协同诊疗的目标。因此，面对个性化义齿产品定制，需要开发基于3D打印的个性化义齿产品在线定制系统，从而将3D打印技术、医疗人员、技术人员、患者进行整合，实现高端制造资源的共享。

义齿是一种型面复杂且精度要求极高的不规则曲面拟合体，义齿的设计制造涉及口腔医学、材料学、复杂曲面建模等众多学科，每位患者的牙齿特征各不相同，无法使用通用数据加工制作义齿，义齿与口腔颌骨的匹配度会直接影响患者安装义齿后的舒适度，因此，义齿的制造从单纯追求功能为主发展到兼顾满足患者舒适度的多功能需求，加工制造高精度的义齿是技术关键。

市场上国产CAD/CAM数字化义齿设计制造系统与国外品牌相比还有一定差距，如德国西诺德(Sirona)、德国泽康(Cercon)、德美合资卡瓦盛邦(KAVO EVERST)、德国威兰德(Wieland)、瑞典Procera等发展较早，而国产系统尚未成熟，且不同品牌不同系统间数据交换困难、修改难度大。因此，整合多领域、专业化的义齿设计制造机构与人员、软件、硬件等资源开发个性化义齿在线定制系统是行业发展方向。通过在线定制系统可实现义齿诊疗、设计、制造的一体化工作流程，具体工作过程为首先将牙齿扫描数据传输到协同云服务平台，再经过医生对患者的在线诊疗，完成义齿的诊疗与设计。为避免数据解释、数据转换错误等问题，在标准数据文件格式下，将设计模型发送给3D打印协同云制造平台，从而保证义齿制造的完整性与精确性。

2 个性化义齿在线定制系统关键技术分析

个性化义齿在线定制系统方案一般分为三类。第一类是用户通过企业网站产品分类、产品介绍等电子商务功能选择产品和零部件，用户体验感较差；第二类是用户通过在线选择产品定制尺寸和颜色参数，辅以CAD形式在线实时浏览三维虚拟产品；第三类是在线定制与可视化交互技术相结合，客户能在线参与产品的交互设计定制，这是目前在线定制系统的发展方向。

2.1 可视化协同交互技术

可视化技术的核心是为使用者提供空间信息直观的、可交互的可视化环境。在移动互联网时代，可视化与网络技术结合使远程可视化服务成为现实。可视化技术主要包括科学可视化、信息可视化、可视分析学。

科学可视化面向的领域主要是自然科学，如物理、化学、气象学、医学、生物学等学科，通过可视化技术对数据进行解释、操作与处理，通过建立可视化模型直观展示数据特征与异常情况；信息可视化处理的对象是抽象数据集合，并通过信息图形、视觉设计等现代技术以直观的方式表达大量的抽象信息；可视分析学综合了图形学、计算机科学和人机交互等技术，以可视交互界面为载体进行信息交流，完成对信息的有效分析和决策。

2.2 大数据技术

针对牙齿医疗行业诊疗产生的海量数据，包括需求信息、口腔信息、诊疗方案、就医信息、手术过程信息等等。大数据技术可通过数据采集、数据存储、数据管理、数据分析与挖掘等，对义齿种植和牙齿修复过程中采集的各种数据进行分析，找出数据之间的相互关系，从而建立用户行为与牙齿状态的关系模型、病灶特征与医疗方案的关系模型、设计与制造之间的关系模型等，利用大数据技术形成动态的面向云服务平台的数据关联中心，为诊疗方案和设计制造提供数据增值服务及技术优化方案，实现辅助医生治疗和辅助设计制造的目的，最终满足患者需求。

2.3 云计算技术

由于大数据的采集、存储和计算的量都非常大，所以大数据需要特殊的技术，以有效地处理大量的数据。近年来，随着计算机技术、互联网技术的迅猛发展，特别是5G网络的日益普及，云计算技术（Cloud Computing）也得到了飞速的发展和广泛的应用，例如百度公司的百度云、腾讯公司的腾讯云、Google的App Engine平台、微软的Windows Azure平台等。云计算通过提高“云”的处理能力,把IT资源、数据和应用通过“云”平台服务用户，为企业和个人用户提供高性能的存储和计算服务。

利用云计算技术，可将义齿设计模型接入云计算环境中，当调用模型时，由云计算环境为此模型部署一个运行环境，用户通过网络驱动模型在云环境上运行，从而建立个性化义齿定制系统的云服务平台。新一代的大数据和云计算技术的发展，为面向全社会整合不同的医疗资源、义齿数字化制造资源提供了新模式和新思路。

2.4 基于3D打印的云制造技术

云制造是将各种制造资源进行整合的网络化智能制造模式，使闲置资源能得到有效利用,从而保证资源的高效配置。3D打印云制造体系架构主要包括以下几个层面。

（1）3D打印制造资源层。3D打印云制造技术首先需要构建3D打印制造资源层，这是整个云制造的工作基础，目的是将3D打印制造资源与计算机网络进行有效融合。

（2）虚拟化封装与管理层。由于3D打印资源种类繁多,不同种类信息具有不同的属性信息，例如，设备资源包含扫描设备、3D打印设备、打印材料等物料资源；人力资源包含3D打印相关设计人员、技术人员、行业专家等。在云制造环境下，需要对制造资源进行描述性的虚拟处理，将物理资源映射转换为虚拟资源。

针对不同3D打印资源,通过构建不同描述模板，从而对资源进行虚拟性的封装。首先，对各类资源的特征进行分析,提取公共属性信息,然后，对属性信息进行全面分析与特征扩展，形成相应的资源描述模板，方便用户根据需求对资源信息进行的虚拟处理与调取，从而进行有效的储存、更新与维护。

（3）服务资源层。通过分析归纳个性化义齿在线定制系统的构成要素，将服务资源归纳为硬件资源类、软件资源类、信息资源类、人力资源类、行为资源类等，并对服务资源进行虚拟化描述，将抽象的服务流程转化为具体可执行的服务流程，并通过定期维护与更新资源实现良好的服务效果。在实际工作中，利用封装技术对服务资源进行多方位的整合，将服务整合为服务资源的匹配问题，从而改善并提高实际工作的效果和质量。

（4）应用接口与用户交互层。应用接口主要为用户提供访问接口,用户根据自身需求或工作要求,通过电脑或移动终端对云服务系统进行访问与资料调用，促使医生和患者协同完成治疗方案的快速制定，支持医生和患者的动态交互，实现信息同步传输和可视化显示，从而提高3D打印云制造系统的服务效果。

3 义齿在线定制系统开发策略

通过整合跨区域、跨机构、多领域、专业化的医院、设计制造机构与人员、软件、设备等资源，构建义齿在线定制系统，对义齿诊疗、设计、制造全生命周期进行协同优化调度。

3.1 协同诊疗方案制定

面向高端义齿定制，开发基于网络的可视化协同交互平台，支持医生和患者的动态交互，实现信息同步传输和可视化显示。首先，通过该平台医生将扫描得到的数据与患者的实际需求综合起来建立义齿诊疗方案。当遇到无法解决的诊疗问题时，可利用协同CAD/CAE平台将数据传输给更高水平医疗专家，专家通过与患者在线视频、在线沟通等可视化交互方式，对方案进行修正和完善，形成更加完整、准确的诊疗方案，从而实现医生对患者的可视化协同诊疗及方案制定。

3.2 义齿在线设计

义齿在线设计需要支持互联网、移动终端等多种接入形式，通过医生对患者的协同诊疗，对患者需求及义齿特征快速进行功能表达与在线设计。设计除了要满足义齿的功能需求外，还要综合考虑义齿的外观形状、材料、颜色、纹理、连接方式、加工方式、制作周期等因素。因此，为了进一步提高义齿设计效率、产品舒适度及患者满意度，需要将患者需求转化成为设计模型，并利用虚拟仿真技术展示义齿种植及修复效果，对产品进行虚拟效果展示。同时，患者通过在线实时浏览虚拟设计效果，对设计细节提出修改意见，最后，经患者确认无误后，进行义齿定制加工。

3.3 基于3D打印的义齿定制

义齿设计经确认无误后，通过义齿在线定制系统直接发送给3D打印生产商。基于3D打印的义齿云制造模式，以数字模型文件为基础，通过三维建模、数据分割、逐层打印、后处理等工艺流程进行义齿加工制作。增材制造技术的推广应用可满足患者对义齿形状、尺寸、材料、色彩、连接方式、加工方式等方面的个性化需求。3D打印数字化加工技术保证了义齿的制造精度和品质，基于3D打印的义齿定制由软件替代了高水平的技师，大大降低了人力成本，也便于面向义齿全生命周期的管理及维护。

4 结语

随着移动互联网技术、云计算和大数据技术的发展，为面向全社会整合不同的医疗资源、义齿数字化制造资源提供了全新的发展模式。3D打印技术为高端义齿的数字化、个性化定制提供了必要的技术支撑。因此，建立基于3D打印的可视化协同服务平台，对义齿数字化资源与医疗资源进行全面整合，实现高质量、高效率、低成本的义齿协同诊疗、在线设计与数字化制造。