基于3D打印的義齒定制與可視化協(xié)同服務(wù)平臺開發(fā)策略研究

馬璁瓏，趙艷東

（天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410）

1 前言

近年來，我國不斷加強(qiáng)醫(yī)療政策改革及各類醫(yī)療項(xiàng)目的投入，為患者提供更優(yōu)質(zhì)更有針對性的醫(yī)療服務(wù)是行業(yè)發(fā)展的必然方向。人們對醫(yī)療產(chǎn)品的需求也不僅僅停留在單純追求治療功能，而是越來越重視醫(yī)療產(chǎn)品對患者心理和人性化體驗(yàn)的滿足程度。俗話說“牙疼不是病，疼起來要人命”，口腔醫(yī)學(xué)中牙齒外觀與結(jié)構(gòu)看似簡單，但每個人的牙齒特征都有差異。利用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行牙齒修復(fù)時，由于制造工藝過程復(fù)雜且精度難以保證，造成義齒返修率高，這已成為義齒制造領(lǐng)域產(chǎn)生醫(yī)患矛盾的行業(yè)痛點(diǎn)之一。

在智能制造領(lǐng)域，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，是通過三維建模、數(shù)據(jù)分割、打印、后處理等主要工藝流程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速成型技術(shù)。具體工藝過程為以三維數(shù)字模型文件（3D設(shè)計文件）為設(shè)計制造源文件，通過3D打印機(jī)對可粘合材料（如粉末狀塑料或金屬）進(jìn)行逐層熔化和堆積的方式來構(gòu)造產(chǎn)品。通過探索并深入挖掘牙科患者對義齒制造的多功能需求，結(jié)合3D打印產(chǎn)品具有智能化程度高、精度高、制造快等特點(diǎn)，3D打印技術(shù)能夠滿足牙齒患者對義齒產(chǎn)品定制的個性化需求。對比傳統(tǒng)義齒產(chǎn)品制造技術(shù)，尤其對于高精度且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端義齒產(chǎn)品，3D打印技術(shù)在成型過程中無需使用刀具和模具，具有材料浪費(fèi)少、制造周期短、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品造價低等傳統(tǒng)成型工藝無法比擬的優(yōu)勢，能夠有效滿足牙科患者對義齒產(chǎn)品個性化且高精度的定制要求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與意義

國外將3D增材制造技術(shù)運(yùn)用到個性化器械、體外醫(yī)學(xué)模型定制等醫(yī)療領(lǐng)域已有了大量成功的案例，但在醫(yī)療服務(wù)性產(chǎn)品設(shè)備方面還是較為匱乏。我國醫(yī)療領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)主要應(yīng)用在牙齒、骨頭等領(lǐng)域，國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展程度較國外而言仍有一定的差距，需要不斷的探索與創(chuàng)新。

目前，國內(nèi)外將3D增材制造技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域還處于發(fā)展階段。對于醫(yī)生來說，更多的是運(yùn)用醫(yī)學(xué)相關(guān)知識與技能對患者進(jìn)行診療，然后根據(jù)不同患者病情提出具有針對性的治療方案；對于醫(yī)療器械供應(yīng)商來說，更多的是利用傳統(tǒng)工藝技術(shù)進(jìn)行個性化醫(yī)療器械定制，在利用3D打印技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療產(chǎn)品制造、個性化定制系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究較少。

隨著智能制造、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，將3D打印技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的整合應(yīng)用研究將成為未來發(fā)展趨勢。在醫(yī)療用品領(lǐng)域，人們在滿足基本醫(yī)療救治功能基礎(chǔ)上，對醫(yī)療產(chǎn)品定制提出了更多個性化的要求。因此，對定制醫(yī)療產(chǎn)品的探索與創(chuàng)新要以用戶的多樣性需求為立足點(diǎn)，將3D打印技術(shù)與醫(yī)療產(chǎn)品定制需求、數(shù)字模型設(shè)計相結(jié)合，開發(fā)出更具針對性、更能滿足個性需求的醫(yī)療產(chǎn)品，對于醫(yī)療行業(yè)發(fā)展及醫(yī)療產(chǎn)品個性化定制有著重要的應(yīng)用價值。

3 基于3D打印的義齒產(chǎn)品模型設(shè)計原則

據(jù)最新的第四次全國口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報告顯示，兒童的牙齒狀況不容樂觀：5歲和12歲兒童的齲患率分別為70.9%和34.5%，比10年前分別上升了5.8%和7.8%；35～44歲居民中，口腔內(nèi)牙石檢出率為96.7%，牙齦出血檢出率為87.4%，比十年前上升了10.1%。雖然人們的口腔健康意識有所提升，但口腔問題現(xiàn)狀仍令人擔(dān)憂。

針對牙齒患者的具體問題進(jìn)行個性化義齒定制時，要依據(jù)人機(jī)工程學(xué)做到“人-機(jī)-環(huán)境”相統(tǒng)一，必須要以患者牙齒的外觀尺寸與結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，充分利用三維建模技術(shù)、3D打印技術(shù)在個性化產(chǎn)品定制方面的優(yōu)勢進(jìn)行義齒模型設(shè)計與制造。義齒定制是一項(xiàng)對義齒加工精度、操作安裝配準(zhǔn)要求非常高的技術(shù)，而義齒與口腔頜骨的匹配度會直接影響患者安裝義齒后的舒適度，因此加工制造高精度的義齒是技術(shù)關(guān)鍵。由于3D打印技術(shù)在個性化產(chǎn)品定制方面極具優(yōu)勢，一方面可以利用3D打印技術(shù)加工義齒產(chǎn)品；另一方面在義齒安裝之前，可以將義齒與3D打印頜骨模型進(jìn)行模擬操作，可提前發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行改進(jìn)，從而提高義齒制造與安裝的匹配度。

由于個體患者在牙體缺損、牙列缺損、牙列缺失的形態(tài)差異，義齒生產(chǎn)具有鮮明的個性化消費(fèi)需求以及生產(chǎn)定制化特點(diǎn)。因此，基于3D打印的義齒產(chǎn)品個性化模型設(shè)計要遵循以下原則：（1）患者需求深入化。要根據(jù)用戶實(shí)際需求，在需求分析與診療的過程中不僅僅把握整體訴求，更重要的在于總結(jié)歸納細(xì)小的問題，從而深入挖掘義齒個性化定制的需求點(diǎn)。（2）產(chǎn)品功能定制化。整合好個體需求點(diǎn)后進(jìn)入設(shè)計階段，在此階段需要注意產(chǎn)品功能要圍繞個體特征及個性需求進(jìn)行開發(fā)，是為滿足該患者需求而定制的個性化醫(yī)療產(chǎn)品。（3）使用方式多樣化。由于3D打印使用增材制造工藝，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品定制方面獨(dú)具優(yōu)勢，設(shè)計師在義齒設(shè)計初期可充分發(fā)揮創(chuàng)造思維，確定好產(chǎn)品的功能后可嘗試多種符合其功能的形式，在多種解決方式中選取個體操作最便捷的方式，不受傳統(tǒng)制造工藝研發(fā)成本和產(chǎn)品質(zhì)量等因素制約。（4）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一體化。義齒產(chǎn)品使用方式確定后首先進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計，產(chǎn)品造型設(shè)計要以美觀性與功能匹配性為原則，充分發(fā)揮3D打印在產(chǎn)品一體成型方面的優(yōu)勢，盡可能減少產(chǎn)品的組裝工序，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一體化。

義齒制造要實(shí)現(xiàn)個性化與精細(xì)化的定制目標(biāo)，就要充分利用3D增材制造技術(shù)的優(yōu)勢，將產(chǎn)品功能與模型設(shè)計相結(jié)合，從而滿足用戶對義齒定制產(chǎn)品的個性化需求，為企業(yè)贏得更廣闊的市場。

4 基于3D打印的可視化協(xié)同服務(wù)平臺開發(fā)策略

一般來說，大型口腔醫(yī)院、口腔診所與社區(qū)門診在診療水平、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等方面相差甚遠(yuǎn)，這就造成了口腔醫(yī)療市場服務(wù)水平參差不齊。由于不同級別醫(yī)院溝通聯(lián)系不暢，無法實(shí)現(xiàn)協(xié)同診療的目標(biāo)。因此，開發(fā)基于3D打印的義齒定制協(xié)同服務(wù)平臺是個性化義齒產(chǎn)品定制的發(fā)展方向。通過該平臺，當(dāng)診所醫(yī)生遇到無法解決的診療問題時，可將掃描得到的數(shù)據(jù)與患者提交的需求綜合起來建立義齒需求方案，并將數(shù)據(jù)傳輸給高水平的醫(yī)院，醫(yī)生通過與患者可視化交互溝通，對方案進(jìn)行修正和完善，形成完整、準(zhǔn)確的義齒設(shè)計、制造與種植方案。

（1）滿足面向義齒全生命周期的個性化定制服務(wù)。隨著生活水平的越高，人們的健康意識及追求舒適體驗(yàn)意識逐漸增強(qiáng)，牙科診療服務(wù)模式最初以實(shí)現(xiàn)牙齒康復(fù)治療為主要目標(biāo)，然后逐步轉(zhuǎn)向義齒全生命周期的個性化定制服務(wù)模式。因此，要滿足患者對義齒外觀設(shè)計、材料選取、連接方式、加工方式、診療周期等全業(yè)務(wù)流程的個性化定制，則需要匯集多方醫(yī)療機(jī)構(gòu)、可視化協(xié)同服務(wù)平臺、3D增材制造供應(yīng)商等資源，從而實(shí)現(xiàn)從診療、設(shè)計到制造的義齒全生命周期管理。

（2）基于統(tǒng)一模型的義齒設(shè)計制造協(xié)同云服務(wù)平臺。市場上國產(chǎn)義齒設(shè)計制造系統(tǒng)還未成熟，而國外品牌如西諾德(Sirona)、澤康(Cercon)、卡瓦(Kavo)、威蘭德(Wieland)、Procera等CAD/CAM數(shù)字化義齒設(shè)計制造系統(tǒng)，不同系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)困難、修改難度大，阻礙了義齒行業(yè)的發(fā)展。

義齒作為一種不規(guī)則曲面擬合體，其曲面造型復(fù)雜且制造精度要求極高，設(shè)計制造過程涉及口腔醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、復(fù)雜曲面建模等眾多學(xué)科，加之個性化需求的復(fù)雜性與多樣性，導(dǎo)致難以依靠單一的義齒設(shè)計制造機(jī)構(gòu)完成高端義齒定制，而需要多個專業(yè)化主體進(jìn)行協(xié)作。因此，必須整合多領(lǐng)域、專業(yè)化的義齒設(shè)計制造機(jī)構(gòu)與人員、軟件、設(shè)備等資源，建立基于統(tǒng)一模型的可視化協(xié)同云服務(wù)平臺，將掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)同云服務(wù)平臺，再經(jīng)過醫(yī)生與患者的可視化在線診療，完成義齒的設(shè)計，確認(rèn)無誤后再將設(shè)計模型傳遞給3D打印制造商，避免了數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯誤等問題，確保義齒制造的可靠性。

（3）基于3D打印義齒制造中心的協(xié)同云制造平臺。長期以來，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，無法滿足高端義齒定制需求。因此，建立基于3D打印義齒制造中心的協(xié)同云制造平臺，聯(lián)合不同等級義齒加工企業(yè)，將3D打印技術(shù)、定制加工設(shè)備、專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)高端制造資源的共享，可解決義齒設(shè)計制造與口腔診療在設(shè)備上的局限。

3D打印技術(shù)為高端義齒個性化定制提供了有力的技術(shù)支持，同時隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為面向全社會整合不同的醫(yī)療資源、義齒數(shù)字化制造提供了新模式。因此，將3D打印技術(shù)與“云”技術(shù)相結(jié)合，建立基于3D打印的可視化協(xié)同服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)義齒定制的個性化和智能化。