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3D 打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响

2019-03-10T11:44:22

本文介绍了目前3D 打印技术在数据采集、3D 数据处理、3D 打印三方面的基本技术,具体就其在口腔种植领域的应用进行了详细的举例。从产业化进程、口腔临床管理、口腔医疗个性化及便捷化、传统义齿行业的改变几个角度论述了3D 打印技术对牙科工业发展的影响。同时,深入思考了3D 打印在口腔种植领域的应用还存在材料、配套设备

3D 打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响

本文介绍了目前3D 打印技术在数据采集、3D 数据处理、3D 打印三方面的基本技术,具体就其在口腔种植领域的应用进行了详细的举例。从产业化进程、口腔临床管理、口腔医疗个性化及便捷化、传统义齿行业的改变几个角度论述了3D 打印技术对牙科工业发展的影响。同时,深入思考了3D 打印在口腔种植领域的应用还存在材料、配套设备、国际化通用标准、知识产权等方面的瓶颈。总而言之,3D 打印技术将成为口腔种植领域影响深刻的一项标准技术。

1.3D 打印技术概述

(1)数据采集

三维数据的采集是模型制作的重要一步。在医学领域随着计算机断层扫描和核磁共振技术的发展,放射学诊断变得创伤更小,诊断也更精确,而且其高分辨率的三维图像数据在数秒内就可以获得,成为理想的三维数据获取手段。

(2)数据处理

将获得的数据导入三维重建软件。以CT 扫描出来的数据为例,将CT 扫描的DICOM格式的数据导入软件,构建出形态曲面,重建三维模型。保存数据格式为STL 格式。STL 格式的数据是3D 打印机所识别的数据,最终3D 打印机将模型打印出来。

(3)3D 打印

3D 打印目前主要的技术形式有:

①光固化成型(Stereolithography Appearance,SLA),是使用光聚合物通过紫外激光照射来固化成型。

②选择性激光烧结(Selective Lasersintering,SLS),是用小颗粒的热塑性材料(包括尼龙等聚合物,青铜合金、钛合金等金属,以及陶瓷和玻璃)粉末用高功率激光来融合(如EOS GmbH,Munich,德国。﴿

③熔融沉积成型 ﴾Fused Deposition Modeling,FDM﴿,是喷出熔融的热塑性材料或共晶金属粉末,立即使其凝固(如Stratasys Inc,EdenPrairie,MN,美国)。

④分层实体制造﴾LaminatedObject Manufacturing,LOM﴿,是使用胶水把纸张或塑料膜粘在一起,然后用激光塑形(如CubicTechnologies,Torrance,CA,美国)。

⑤喷墨打印技术,是将不同种类的细粉末打出来以后,涂上粘接剂,然后打印下一层 ﴾ 如 Z Corporation,Bur‐lington,MA,美国 ﴿。喷墨打印技术还可以通过同时打印活体细胞和生物材料来构建一个含有不同组织的三维生物支架,甚至活体器官。

3D 打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本,从而实现定制化生产。

2.3D 打印技术在口腔种植领域的应用

牙齿缺失了怎么办?目前的主要诊疗技术包括:“镶牙“和“种牙”。“镶牙”是将缺齿临近的牙齿进行磨削,以此为基,将假牙做成牙套固定于此,由于假牙“悬空无基”,会逐渐损坏临近牙齿。“种牙”是国内外最先进的牙齿修复方式,首先将具有高度生物相容性和物理机械性能的种植体植入到缺牙部位的牙槽骨内,经过3‐6个月的骨整合期,种植体与牙槽骨牢固地结合在一起,再在种植体上

接一颗“人造”牙。

口腔种植技术发展,虽然在核心技术上逐渐得到突破和应用,但依然需要有高技术水平、操作经验丰富的医师进行数小时的仔细工作,需要进行诊断、麻醉、种植体选择、牙模灌注、临时冠设计制作、假牙修饰装配等高强度工作。这也就是目前口腔种植“高价格、高风险”的主要原因。3D打印技术在口腔种植领域的应用,就是将口腔扫描、口腔图像处理和三维打印技术整合起来。采用“图像数字化采集重构、CAD/CAM 专业设计、标准化3D 打印制造、规范化种植治疗”等技术系统集成。最终达到可在术前通过电脑看到术后的效果,只需在手术前,将患者口腔CBCT 断层扫描精确数据输入到特定的设计软件环境,在三维基础上设计种植体植入位置,选择合适种植体类型,然后按照导航模板施术, 植入义齿种植体和修复体,并按患者的需求进行人性化修饰。可克服2D 扫描影像重叠容易造成医生误判等问题,降低了医生由于技艺和经验不足的风险,减少了医师的工作负荷,提高诊疗“安全性”,在数字化资源共享下,实现“经济化”诊疗。

2.1 图像数据采集

使用印模材对患者进行口腔取模,取模后注入石膏塑出石膏模型,使用三维扫描仪对塑出的石膏模型进行扫描,获取牙齿表面的图像。同时使用口腔锥形CT 对患者进行拍片扫描。获取一个口腔内部的三维图像,此图像能直观地看到下颚神经的走向、牙齿及牙槽骨的结构情况。

2.2 数据处理

数据处理( 图像重构、CAD/CAM)使用三维图像处理软件,对通过取模扫描获取的牙齿外部图像和口腔CT 拍片得到的牙齿内部图像进行图像重组, 从而得到一个数据图像,它包含了牙齿内部情况及表面的纹理结构,一般称之为数字化全息图。在全息图中,医生可以进行种植体的选择与设计,来拟定手术方案。

2.3 打印

3D 打印设计完成后,电脑可以自动设计出导航模板。通过3D 打印机实现导航模板、个性化基台和临时冠的打印,从而实现一天即刻种植。

2.4 目前已成熟的牙科三维打印领域

(1)种植导航模板:种植导航模板在当前更好的美观效果、成本节约以及CAD/CAM 技术进步等因素的共同推动下,特别在三维打印技术的支持下,得到爆发式的增长。三维技术下的种植导航模板,能够精确捕捉可植体位置和方向,从而确保种植的出色进行。牙科三维数字化系统,已可实现集种植手术规划、修复体设计、手术导板于一体的三维设计,大幅提高成本效益, 从而减少周转时间,

为牙医和技工所开创新的业务机会。

(2)牙齿模型:得益于高清摄像头、3 轴运动、全新LED 技术,牙模扫描不仅拥有超凡速度和高度精确,纹理扫描能够增强表面细节的可视性,能够捕获表示不同设计细节的彩色标记,自适应扫描还能辅助达成自然咬合的目的。展望未来,印模扫描很可能会成为三维扫描的标准方法,扫描石膏模型可能将会过时。

(3) 义齿: 使用特定的CAD

软件可以实现义齿三维打印设计,包括牙基底、牙冠、牙桥、牙罩冠、牙贴面、

牙镶嵌等。当前的三维解决方案已经可以确保完美的匹配,从而减少了手动干预和精加工,实现高效、具备完美密合性的义齿加工。针对复杂的临床案例,创建复杂的内外冠结构,可以实现空间、功能和美学的最佳效果。

(4)正畸产品:运用具备成本效益的常用矫治器CAD 设计软件,

3D 打印技术可以轻松定制所有类型的矫治器,包括夜用咬合板、固位器、个性化带环、牙合板、扩弓期、生物调节器、双牙合板等。在矫治器上还可根据不同患者, 创建恒定量的偏移、添加ID 标签以进行身份识别。定制化的设计,更加以人为本,给患者带来创新科技的就医体验。

3D 打印技术的应用使口腔种植手术由传统的纯经验方式向数字化和精确化发展。通过3D 打印技术的应用,可以优化和简化行医治疗过程,细化专业分工,将原来需要高水平牙医的诊断工作,分工于标准仪器设备完成,保证了准确性;将原来需要高水平高技能牙医进行的钻孔定位工作,分工于导航模板,在导航下钻孔,

保证了安全;将原来需要牙医进行义齿灌模、制模、打磨抛光等辅助工作,分工于设计中心设计、3D 打印机制造,保证了产品制造的质量。牙医只需要做一个植入体的缝合手术,余下的工作将都由专业设备和仪器、技工和助理完成。大大降低了技术难度和技术风险,提高了牙医的工作效率。

3.3D 打印技术对牙科工业发展的革命性影响

随着3D 打印技术在口腔种植领域的应用, 不仅给我们观念带来变革,同时对于口腔临床也会带来颠覆性的发展。以口腔CBCT 诊断技术、椅旁数字化印模采集技术、CAD/CAM 修复设计与3D 打印加工技术为代表的数字化口腔医学技术时代已经到来。牙科工业即将迎来产业发展的数字化时代,整个牙科工业将产生颠覆性的变革。

(1)将推动口腔数字解决系统的产业化进程。以3D 打印为契机,将实现和推动口腔数字解决系统的产业化进程,对传统产品的更新换代和新产品研发产生革命性影响。3D 打印技术为基础的技术革命可预见随之而来的新型的配套设备的研发(如口腔扫描仪)、新生物材料的产生、齿科临床再生牙技术的革新等,各种设备与技术不断产生、结合进而形成一体化诊疗手段,带来口腔种植全新的

风貌。包括产业前端:数字化的牙科综合治疗机,数字化的牙科影像设备;中端:信息化的数据传输,数字影像资料的存储和管理,CAD/CAM软件;末端:3D 打印制造技术,改变传统的制造作业流程。

(2)推动口腔临床的数字化管理。随着牙科数字化设备的快速普及,牙科医疗机构进入数字化时代,必将推动口腔临床的数字化管理,从而促进数字化管理产品和应用的出现。通过数字信息化管理系统,可以实现远程诊断,帮助医生精准、及时治疗患者,改善医患沟通,有效提升口腔医疗的技术水平;可以将预约管理、病历管理、收费管理、材料管理、牙片管理等管理要素高效、综合的统筹起来,真正将先进设备资源转化为真正的经营效益和服务品质。

(3)口腔医疗的个性化和便捷化。牙种植技术和3D 打印技术的结合,将给种植的个性化设计和便捷化带来革命性的提升,通过将图像信息和CAD/CAM 图像处理系统的结合,通过3D 打印机能快速打印出种植导航模板,最终输出合乎设计要求的产品,大大提高了种植牙的成活率。

(4)传统义齿行业的颠覆性改变。传统义齿行业是一个劳动和技术双密集体行业,一次制作过程粉尘多,劳动强度大,但义齿制作又是一门艺术,每个人的每颗牙齿都是不一样的,稍微一丝的偏差,患者都不能接受,是一项对操作者有着很高要求的工作。长期以来,我国牙科技师难于培养和留用。3D 打印速度快,精度高,既节约了时间和劳动量,而且个性化强,将打破义齿行业的瓶颈,颠覆整个行业的商业模式。

4.3D 打印应用瓶颈与思考

3D 打印技术在口腔种植领域的应用仍面临着多方面的瓶颈和挑战:

(1)3D 打印材料的研制及对应的加工工艺

研究目前口腔种植用3D 打印材料品种有限,成型材料多采用化学聚合物,成型品的物理特性较差,而且安全方面也存在一定隐患。常用的有光固化树脂材料和金属(钛)粉可供选择,树脂材料只能作为临时冠和导航板,若用此作为最终的义齿加工材料,还需要结合氧化锆陶瓷数控加工技术和烤瓷烧结的情况。因此,需要研究可用于种植体、甚至种植牙整体的3D 打印材料,包括开展氧化铝、氧化锆、生物陶瓷粉等骨质打印材料,同时研究对应加工工艺,最终解决种植体(包括义齿等)的经济化制备技术。

(2)口腔数字化图像采集设备和3D 打印设备的研究

口腔数字化图像采集设备和3D打印设备是3D 打印实现的关键设备。但是长期以来,这些设备的核心技术都由国外专业公司垄断,价格昂贵,难以普及。国内虽然目前也有一些相关产品,但是精度、速度和效率都还不尽人意。对于我国口腔临床来说,3D 打印技术还是高端、前沿的技术,现有3D 打印技术的普遍应用面临成本问题,亟需研究开发国产的高端数字化图像采集设备和3D 打印设备,从而带动医疗产业的转型升级,为3D 打印技术的普遍应用奠定基础。

(3)设备接口的通用化和软件协议的标准化问题

目前,国内开发商开发的CAD/CAM 软件,3D 打印设备,他们的软硬件接口都不统一,软件协议也没有标准,导致不同品牌产品之间的通用性很差,会阻碍行业未来的发展。国际上来看,发达国家已经开始为3D 打印技术的通用化制定

标准。ISO/TC106 最近成立了“ 第九分技术委员会牙科计算机辅助设计/ 计算机辅助制造(CAD/CAM)系统”(SC 9 Plenary Dental CAD/CAMSystems),目前正在组织制修订的标准有如下:

第2 工作组正在制定:《牙科学—CAD/CAM 系统工序术语》,简介:用于牙科CAD/CAM 系统的制造商提供的产品描述和使用说明的单独系统部件和程序的术语和命名都不尽相同,因此,造成牙科医生和牙科技师的困惑。为了消除这些歧义,决定起草关于牙科CAD/CAM 系统工序术语的国际标准。为了阐明CAD/CAM

系统操作过程的逻辑顺序,在附录A中包含了工序的流程图表。

第3 工作组正在修定:《ISO12836 牙科学—间接牙体修复CAD/CAM 系统的数字设备—评估准确性的测试方法》,简介:全球牙科CAD/CAM 系统的应用正在不断

增加。此国际标准指定了3 种评估用于CAD/CAM 系统的牙科数字设备准确性的测试方法。此国际标准是基于唯一匹配点云和合成标准镶嵌语言面(STL 面)为前提的,由此也被认为是扫描物理对象的产品。

第4 工作组正在制定:《牙科学——CAD/CAM 系统的互通性》,

简介:牙科CAD/CAM 系统的制造商在如何交换的制造信息和三维数据上是不同的,这会给系统用户在数据处理、设计过程和制造过程上造成困难。为了消除这些互通问题,起草标准来促进牙科CAD/CAM 系统之间开放互通。此国际标准基于由OXDIG 团队创建的开源UDX 标准,UDX 规范得到开放软件3.0 版的许可。希望实施此标准的用户必须从发证者处获得开源许可协议。发证者将根据要求授予全球性的,免版税的,非排他的,可再授权的许可证。

第5 工作组正在制定:《牙科学——CAD/CAM系统—器械间接修复体的精度— 测

试方法和标记》,

简介: 牙科CAD/CAM 系统已经成功地应用于像镶嵌物、冠体和架桥的间接牙科修复体制造中。这些修复体精度是其临床成功的重要关键之一。该文件提供了标准化的测试方法来评估间接利用牙科CAD/CAM 系统的加工精度和这些修复体已评估的精度,以此作为市场信息。

第6 工作组正在制定:《牙科学——可加工种板》

简介:包括陶瓷、金属和高分子在内的各种板材料正被用于加工系统中各式修复体的制作。虽然所有这些材料可能由不同的化学成分和分子结构组成,但是这些材料的加工和性能都受到独特而普遍的关注。这些材料的加工损害、表层下破裂、最小加工厚度和加工精度都受到关注。

(4)3D 打印技术应用后带来的知识产权保护问题

3D 打印技术是以数字模型文件为基础的技术,也就意味其复制和传播会变得很容易。数码技术使创新者可以在市场上快速地推出新产品,但同时跟风者也可以利用目前开源的技术软件与商业开发模式火速地“推陈出新”。这样,创新者的竞争优势期可能会变得更短,引发盗版问题的泛滥。知识产权的拥有者在这个领

域需要更多的法规保护,例如禁止“打印”受法律保护的、未经知识产权所

有者同意的设计物品,禁止擅自复制、传播3D 工业设计图纸、样例等。

5.结语

材料单一、个性化定制的特性,使牙科成为最适合3D 打印技术的一个行业。也将成为3D 打印厂商最为重视的一个行业,随着技术普及的道路愈走愈宽,普通种植牙科诊所拥有牙科专用3D 打印机以及相配套的3D 口腔扫描仪、3D 口腔CT 全景机、3D 图像处理软件所形成的整套全数字化方案也并不是想象。

而对于牙科行业来说,3D 打印技术将带来牙科治疗技术新的变革,一方面,该项技术带来了快速便捷、个性化、定制化的种植牙过程,减少了病人的心理负担,赢得更多中高端客户的青睐。另一方面,相比传统种植牙,采用3D 技术的植牙大大提高了准确率。

同时,时下牙科3D 打印技术普及的难度和瓶颈也是显而易见的,整套3D 系统的高昂价格,让普通医院、门诊诊所望而却步。但在所有的3D打印技术面临的诸多挑战中,最大的是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合,比如开发出生物3D 打印技术等,一旦克服了这个技术障碍, 在未来几十年内,3D 打印技术将成为一项标准技术。


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