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3D 打印技術在口腔種植領域的應用及對牙科工業發展的革命性影響

2019-03-10

本文介紹了目前3D 打印技術在數據采集、3D 數據處理、3D 打印三方麵的基本技術,具體就其在口腔種植領域的應用進行了詳細的舉例。從產業化進程、口腔臨床管理、口腔醫療個性化及便捷化、傳統義齒行業的改變幾個角度論述了3D 打印技術對牙科工業發展的影響。同時,深入思考了3D 打印在口腔種植領域的應用還存在材料、配套設備、國際化通用標準、知識產權等方麵的瓶頸。總而言之,3D 打印技術將成為口腔種植領域影響深刻的一項標準技術。

1.3D 打印技術概述

(1)數據采集

三維數據的采集是模型製作的重要一步。在醫學領域隨著計算機斷層掃描和核磁共振技術的發展,放射學診斷變得創傷更小,診斷也更精確,而且其高分辨率的三維圖像數據在數秒內就可以獲得,成為理想的三維數據獲取手段。

(2)數據處理

將獲得的數據導入三維重建軟件。以CT 掃描出來的數據為例,將CT 掃描的DICOM格式的數據導入軟件,構建出形態曲麵,重建三維模型。保存數據格式為STL 格式。STL 格式的數據是3D 打印機所識別的數據,最終3D 打印機將模型打印出來。

(3)3D 打印

3D 打印目前主要的技術形式有:

①光固化成型(Stereolithography Appearance,SLA),是使用光聚合物通過紫外激光照射來固化成型。

②選擇性激光燒結(Selective Lasersintering,SLS),是用小顆粒的熱塑性材料(包括尼龍等聚合物,青銅合金、鈦合金等金屬,以及陶瓷和玻璃)粉末用高功率激光來融合(如EOS GmbH,Munich,德國。﴿

③熔融沉積成型 ﴾Fused Deposition Modeling,FDM﴿,是噴出熔融的熱塑性材料或共晶金屬粉末,立即使其凝固(如Stratasys Inc,EdenPrairie,MN,美國)。

④分層實體製造﴾LaminatedObject Manufacturing,LOM﴿,是使用膠水把紙張或塑料膜粘在一起,然後用激光塑形(如CubicTechnologies,Torrance,CA,美國)。

⑤噴墨打印技術,是將不同種類的細粉末打出來以後,塗上粘接劑,然後打印下一層 ﴾ 如 Z Corporation,Bur‐lington,MA,美國 ﴿。噴墨打印技術還可以通過同時打印活體細胞和生物材料來構建一個含有不同組織的三維生物支架,甚至活體器官。

3D 打印技術最突出的優點是無需機械加工或模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體,從而極大地縮短產品的研製周期,提高生產率和降低生產成本,從而實現定製化生產。

2.3D 打印技術在口腔種植領域的應用

牙齒缺失了怎麽辦?目前的主要診療技術包括:“鑲牙“和“種牙”。“鑲牙”是將缺齒臨近的牙齒進行磨削,以此為基,將假牙做成牙套固定於此,由於假牙“懸空無基”,會逐漸損壞臨近牙齒。“種牙”是國內外最先進的牙齒修複方式,首先將具有高度生物相容性和物理機械性能的種植體植入到缺牙部位的牙槽骨內,經過3‐6個月的骨整合期,種植體與牙槽骨牢固地結合在一起,再在種植體上

接一顆“人造”牙。

口腔種植技術發展,雖然在核心技術上逐漸得到突破和應用,但依然需要有高技術水平、操作經驗豐富的醫師進行數小時的仔細工作,需要進行診斷、麻醉、種植體選擇、牙模灌注、臨時冠設計製作、假牙修飾裝配等高強度工作。這也就是目前口腔種植“高價格、高風險”的主要原因。3D打印技術在口腔種植領域的應用,就是將口腔掃描、口腔圖像處理和三維打印技術整合起來。采用“圖像數字化采集重構、CAD/CAM 專業設計、標準化3D 打印製造、規範化種植治療”等技術係統集成。最終達到可在術前通過電腦看到術後的效果,隻需在手術前,將患者口腔CBCT 斷層掃描精確數據輸入到特定的設計軟件環境,在三維基礎上設計種植體植入位置,選擇合適種植體類型,然後按照導航模板施術, 植入義齒種植體和修複體,並按患者的需求進行人性化修飾。可克服2D 掃描影像重疊容易造成醫生誤判等問題,降低了醫生由於技藝和經驗不足的風險,減少了醫師的工作負荷,提高診療“安全性”,在數字化資源共享下,實現“經濟化”診療。

2.1 圖像數據采集

使用印模材對患者進行口腔取模,取模後注入石膏塑出石膏模型,使用三維掃描儀對塑出的石膏模型進行掃描,獲取牙齒表麵的圖像。同時使用口腔錐形CT 對患者進行拍片掃描。獲取一個口腔內部的三維圖像,此圖像能直觀地看到下顎神經的走向、牙齒及牙槽骨的結構情況。

2.2 數據處理

數據處理( 圖像重構、CAD/CAM)使用三維圖像處理軟件,對通過取模掃描獲取的牙齒外部圖像和口腔CT 拍片得到的牙齒內部圖像進行圖像重組, 從而得到一個數據圖像,它包含了牙齒內部情況及表麵的紋理結構,一般稱之為數字化全息圖。在全息圖中,醫生可以進行種植體的選擇與設計,來擬定手術方案。

2.3 打印

3D 打印設計完成後,電腦可以自動設計出導航模板。通過3D 打印機實現導航模板、個性化基台和臨時冠的打印,從而實現一天即刻種植。

2.4 目前已成熟的牙科三維打印領域

(1)種植導航模板:種植導航模板在當前更好的美觀效果、成本節約以及CAD/CAM 技術進步等因素的共同推動下,特別在三維打印技術的支持下,得到爆發式的增長。三維技術下的種植導航模板,能夠精確捕捉可植體位置和方向,從而確保種植的出色進行。牙科三維數字化係統,已可實現集種植手術規劃、修複體設計、手術導板於一體的三維設計,大幅提高成本效益, 從而減少周轉時間,

為牙醫和技工所開創新的業務機會。

(2)牙齒模型:得益於高清攝像頭、3 軸運動、全新LED 技術,牙模掃描不僅擁有超凡速度和高度精確,紋理掃描能夠增強表麵細節的可視性,能夠捕獲表示不同設計細節的彩色標記,自適應掃描還能輔助達成自然咬合的目的。展望未來,印模掃描很可能會成為三維掃描的標準方法,掃描石膏模型可能將會過時。

(3) 義齒: 使用特定的CAD

軟件可以實現義齒三維打印設計,包括牙基底、牙冠、牙橋、牙罩冠、牙貼麵、

牙鑲嵌等。當前的三維解決方案已經可以確保完美的匹配,從而減少了手動幹預和精加工,實現高效、具備完美密合性的義齒加工。針對複雜的臨床案例,創建複雜的內外冠結構,可以實現空間、功能和美學的最佳效果。

(4)正畸產品:運用具備成本效益的常用矯治器CAD 設計軟件,

3D 打印技術可以輕鬆定製所有類型的矯治器,包括夜用咬合板、固位器、個性化帶環、牙合板、擴弓期、生物調節器、雙牙合板等。在矯治器上還可根據不同患者, 創建恒定量的偏移、添加ID 標簽以進行身份識別。定製化的設計,更加以人為本,給患者帶來創新科技的就醫體驗。

3D 打印技術的應用使口腔種植手術由傳統的純經驗方式向數字化和精確化發展。通過3D 打印技術的應用,可以優化和簡化行醫治療過程,細化專業分工,將原來需要高水平牙醫的診斷工作,分工於標準儀器設備完成,保證了準確性;將原來需要高水平高技能牙醫進行的鑽孔定位工作,分工於導航模板,在導航下鑽孔,

保證了安全;將原來需要牙醫進行義齒灌模、製模、打磨拋光等輔助工作,分工於設計中心設計、3D 打印機製造,保證了產品製造的質量。牙醫隻需要做一個植入體的縫合手術,餘下的工作將都由專業設備和儀器、技工和助理完成。大大降低了技術難度和技術風險,提高了牙醫的工作效率。

3.3D 打印技術對牙科工業發展的革命性影響

隨著3D 打印技術在口腔種植領域的應用, 不僅給我們觀念帶來變革,同時對於口腔臨床也會帶來顛覆性的發展。以口腔CBCT 診斷技術、椅旁數字化印模采集技術、CAD/CAM 修複設計與3D 打印加工技術為代表的數字化口腔醫學技術時代已經到來。牙科工業即將迎來產業發展的數字化時代,整個牙科工業將產生顛覆性的變革。

(1)將推動口腔數字解決係統的產業化進程。以3D 打印為契機,將實現和推動口腔數字解決係統的產業化進程,對傳統產品的更新換代和新產品研發產生革命性影響。3D 打印技術為基礎的技術革命可預見隨之而來的新型的配套設備的研發(如口腔掃描儀)、新生物材料的產生、齒科臨床再生牙技術的革新等,各種設備與技術不斷產生、結合進而形成一體化診療手段,帶來口腔種植全新的

風貌。包括產業前端:數字化的牙科綜合治療機,數字化的牙科影像設備;中端:信息化的數據傳輸,數字影像資料的存儲和管理,CAD/CAM軟件;末端:3D 打印製造技術,改變傳統的製造作業流程。

(2)推動口腔臨床的數字化管理。隨著牙科數字化設備的快速普及,牙科醫療機構進入數字化時代,必將推動口腔臨床的數字化管理,從而促進數字化管理產品和應用的出現。通過數字信息化管理係統,可以實現遠程診斷,幫助醫生精準、及時治療患者,改善醫患溝通,有效提升口腔醫療的技術水平;可以將預約管理、病曆管理、收費管理、材料管理、牙片管理等管理要素高效、綜合的統籌起來,真正將先進設備資源轉化為真正的經營效益和服務品質。

(3)口腔醫療的個性化和便捷化。牙種植技術和3D 打印技術的結合,將給種植的個性化設計和便捷化帶來革命性的提升,通過將圖像信息和CAD/CAM 圖像處理係統的結合,通過3D 打印機能快速打印出種植導航模板,最終輸出合乎設計要求的產品,大大提高了種植牙的成活率。

(4)傳統義齒行業的顛覆性改變。傳統義齒行業是一個勞動和技術雙密集體行業,一次製作過程粉塵多,勞動強度大,但義齒製作又是一門藝術,每個人的每顆牙齒都是不一樣的,稍微一絲的偏差,患者都不能接受,是一項對操作者有著很高要求的工作。長期以來,我國牙科技師難於培養和留用。3D 打印速度快,精度高,既節約了時間和勞動量,而且個性化強,將打破義齒行業的瓶頸,顛覆整個行業的商業模式。

4.3D 打印應用瓶頸與思考

3D 打印技術在口腔種植領域的應用仍麵臨著多方麵的瓶頸和挑戰:

(1)3D 打印材料的研製及對應的加工工藝

研究目前口腔種植用3D 打印材料品種有限,成型材料多采用化學聚合物,成型品的物理特性較差,而且安全方麵也存在一定隱患。常用的有光固化樹脂材料和金屬(鈦)粉可供選擇,樹脂材料隻能作為臨時冠和導航板,若用此作為最終的義齒加工材料,還需要結合氧化鋯陶瓷數控加工技術和烤瓷燒結的情況。因此,需要研究可用於種植體、甚至種植牙整體的3D 打印材料,包括開展氧化鋁、氧化鋯、生物陶瓷粉等骨質打印材料,同時研究對應加工工藝,最終解決種植體(包括義齒等)的經濟化製備技術。

(2)口腔數字化圖像采集設備和3D 打印設備的研究

口腔數字化圖像采集設備和3D打印設備是3D 打印實現的關鍵設備。但是長期以來,這些設備的核心技術都由國外專業公司壟斷,價格昂貴,難以普及。國內雖然目前也有一些相關產品,但是精度、速度和效率都還不盡人意。對於我國口腔臨床來說,3D 打印技術還是高端、前沿的技術,現有3D 打印技術的普遍應用麵臨成本問題,亟需研究開發國產的高端數字化圖像采集設備和3D 打印設備,從而帶動醫療產業的轉型升級,為3D 打印技術的普遍應用奠定基礎。

(3)設備接口的通用化和軟件協議的標準化問題

目前,國內開發商開發的CAD/CAM 軟件,3D 打印設備,他們的軟硬件接口都不統一,軟件協議也沒有標準,導致不同品牌產品之間的通用性很差,會阻礙行業未來的發展。國際上來看,發達國家已經開始為3D 打印技術的通用化製定

標準。ISO/TC106 最近成立了“ 第九分技術委員會牙科計算機輔助設計/ 計算機輔助製造(CAD/CAM)係統”(SC 9 Plenary Dental CAD/CAMSystems),目前正在組織製修訂的標準有如下:

第2 工作組正在製定:《牙科學—CAD/CAM 係統工序術語》,簡介:用於牙科CAD/CAM 係統的製造商提供的產品描述和使用說明的單獨係統部件和程序的術語和命名都不盡相同,因此,造成牙科醫生和牙科技師的困惑。為了消除這些歧義,決定起草關於牙科CAD/CAM 係統工序術語的國際標準。為了闡明CAD/CAM

係統操作過程的邏輯順序,在附錄A中包含了工序的流程圖表。

第3 工作組正在修定:《ISO12836 牙科學—間接牙體修複CAD/CAM 係統的數字設備—評估準確性的測試方法》,簡介:全球牙科CAD/CAM 係統的應用正在不斷

增加。此國際標準指定了3 種評估用於CAD/CAM 係統的牙科數字設備準確性的測試方法。此國際標準是基於唯一匹配點雲和合成標準鑲嵌語言麵(STL 麵)為前提的,由此也被認為是掃描物理對象的產品。

第4 工作組正在製定:《牙科學——CAD/CAM 係統的互通性》,

簡介:牙科CAD/CAM 係統的製造商在如何交換的製造信息和三維數據上是不同的,這會給係統用戶在數據處理、設計過程和製造過程上造成困難。為了消除這些互通問題,起草標準來促進牙科CAD/CAM 係統之間開放互通。此國際標準基於由OXDIG 團隊創建的開源UDX 標準,UDX 規範得到開放軟件3.0 版的許可。希望實施此標準的用戶必須從發證者處獲得開源許可協議。發證者將根據要求授予全球性的,免版稅的,非排他的,可再授權的許可證。

第5 工作組正在製定:《牙科學——CAD/CAM係統—器械間接修複體的精度— 測

試方法和標記》,

簡介: 牙科CAD/CAM 係統已經成功地應用於像鑲嵌物、冠體和架橋的間接牙科修複體製造中。這些修複體精度是其臨床成功的重要關鍵之一。該文件提供了標準化的測試方法來評估間接利用牙科CAD/CAM 係統的加工精度和這些修複體已評估的精度,以此作為市場信息。

第6 工作組正在製定:《牙科學——可加工種板》

簡介:包括陶瓷、金屬和高分子在內的各種板材料正被用於加工係統中各式修複體的製作。雖然所有這些材料可能由不同的化學成分和分子結構組成,但是這些材料的加工和性能都受到獨特而普遍的關注。這些材料的加工損害、表層下破裂、最小加工厚度和加工精度都受到關注。

(4)3D 打印技術應用後帶來的知識產權保護問題

3D 打印技術是以數字模型文件為基礎的技術,也就意味其複製和傳播會變得很容易。數碼技術使創新者可以在市場上快速地推出新產品,但同時跟風者也可以利用目前開源的技術軟件與商業開發模式火速地“推陳出新”。這樣,創新者的競爭優勢期可能會變得更短,引發盜版問題的泛濫。知識產權的擁有者在這個領

域需要更多的法規保護,例如禁止“打印”受法律保護的、未經知識產權所

有者同意的設計物品,禁止擅自複製、傳播3D 工業設計圖紙、樣例等。

5.結語

材料單一、個性化定製的特性,使牙科成為最適合3D 打印技術的一個行業。也將成為3D 打印廠商最為重視的一個行業,隨著技術普及的道路愈走愈寬,普通種植牙科診所擁有牙科專用3D 打印機以及相配套的3D 口腔掃描儀、3D 口腔CT 全景機、3D 圖像處理軟件所形成的整套全數字化方案也並不是想象。

而對於牙科行業來說,3D 打印技術將帶來牙科治療技術新的變革,一方麵,該項技術帶來了快速便捷、個性化、定製化的種植牙過程,減少了病人的心理負擔,贏得更多中高端客戶的青睞。另一方麵,相比傳統種植牙,采用3D 技術的植牙大大提高了準確率。

同時,時下牙科3D 打印技術普及的難度和瓶頸也是顯而易見的,整套3D 係統的高昂價格,讓普通醫院、門診診所望而卻步。但在所有的3D打印技術麵臨的諸多挑戰中,最大的是其打印出的物體如何與身體其他器官尤其是大的組織更好地結合,比如開發出生物3D 打印技術等,一旦克服了這個技術障礙, 在未來幾十年內,3D 打印技術將成為一項標準技術。


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