基于ZBrush 2019的3D打印在牙齒和骨骼領(lǐng)域的應(yīng)用

馮星宇　孫巧君　韓小波　郭瓊　馬凱

摘? 要：使用ZBrush 2019技術(shù)，根據(jù)目標(biāo)的特性、參數(shù)、材料進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)出一顆完整的右側(cè)上頜中切牙、上肢肱骨，并結(jié)合臨床上已有的技術(shù)來(lái)探討3D打印牙齒模型在臨床上的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)出的3D打印牙齒和骨骼模型還原度較高，可用于臨床模型使用和稀有病理牙齒形態(tài)模型的展示與操作等，但該3D打印產(chǎn)品和臨床上數(shù)字化打印出的烤瓷牙冠相比較仍有不足之處，需后續(xù)完善改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：3D打印;ZBrush 2019;牙齒;骨骼;臨床應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0135-04

Application of 3D Printing Based on ZBrush 2019 in the Field of Teeth and Bones

FENG Xingyu1，SUN Qiaojun2，HAN Xiaobo1，GUO Qiong3，MA Kai1

（1.School of Medical Information and Engineering of Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China;

2.School of Stomatology，Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China;

3.School of the First Clinical Medical，Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China）

Abstract：Using ZBrush 2019 technology，according to the characteristics，parameters and materials of the target，a complete right maxillary middle incisor and upper limb humerus were designed，and the clinical application prospect of 3D printing teeth model was discussed by combining with the existing clinical technology. The 3D printing teeth and bone model designed have a high degree of reduction，which can be used in clinical model use and rare pathological tooth shape However，there are still some shortcomings between the 3D printing product and the clinical digital printing PFM crown，which need to be improved.

Keywords：3D printing;ZBrush 2019;teeth;skeleton;clinical application

0? 引? 言

每個(gè)人牙齒的大小、根管的變異性和復(fù)雜度、與周?chē)例X所處的相對(duì)位置不同，都存在著個(gè)性化的差異，難以通過(guò)機(jī)械批量生產(chǎn)，所以在進(jìn)行牙齒修復(fù)的過(guò)程中存在著一定的困難。傳統(tǒng)的口腔牙體修復(fù)通過(guò)手工制作牙齒模型，但由于其不可量產(chǎn)、制作周期長(zhǎng)且復(fù)雜、精準(zhǔn)性不高等問(wèn)題，現(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足時(shí)代的發(fā)展需求。在骨骼移植方面亦是如此，目前尚缺乏可以進(jìn)行批量生產(chǎn)和仿真度較高的人造骨骼作為植入體，于是3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)得到迅速發(fā)展，在眾多領(lǐng)域逐漸體現(xiàn)出它卓越的優(yōu)勢(shì)，在口腔科和骨科中更是發(fā)揮著無(wú)法比擬的作用[1]。3D打印技術(shù)打印出的實(shí)體模型可以替代部分人工制造、機(jī)械制造產(chǎn)品?，F(xiàn)如今，已在制作單一牙齒的基礎(chǔ)上制作牙套;通過(guò)改進(jìn)牙套材料和制作方法制作隱形牙套的產(chǎn)品;制作出隱形鼻梁架，在與人面部貼合的基礎(chǔ)上，既增加鼻梁高度，也減少眼鏡、外物對(duì)鼻梁的壓迫而產(chǎn)生的不適感。產(chǎn)品的個(gè)性化治療和精確度方面得到了質(zhì)的提升，醫(yī)生也從不相關(guān)的矯正義齒模型設(shè)計(jì)等工作中解放出來(lái)[2]。本文基于江蘇省2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（徐州醫(yī)科大學(xué)）資助項(xiàng)目，通過(guò)ZBrush 2019進(jìn)行模型繪圖，進(jìn)行3D打印在牙齒和骨骼領(lǐng)域的臨床應(yīng)用研究，嘗試用3D建模軟件進(jìn)行精準(zhǔn)的3D打印牙齒模型的展示與操作。

1? 材料和方法

1.1? 3D打印材料的比較與選擇

綜合各種3D打印材料，考慮使用光敏樹(shù)脂、尼龍兩種材料作為此次的打印材料。光敏樹(shù)脂由于其光固化快速成型的優(yōu)點(diǎn)，備受3D打印行業(yè)青睞，它還具有高強(qiáng)度、高耐熱性、防水性[3]，能夠模擬從類(lèi)橡膠到透明材料在內(nèi)的多種材料特性，提高產(chǎn)品逼真度。尼龍有著優(yōu)秀的耐久性、韌性，十分耐用，打印出來(lái)的模型帶有一些顆粒感，同時(shí)層間粘合力較好，無(wú)支撐，幾乎不需要后處理。

1.2? 3D建模軟件的分析與使用

在此次實(shí)驗(yàn)中，使用ZBrush 2019這款真實(shí)仿手工雕塑的3D數(shù)學(xué)建模工具[4]，擁有杰出的性能和簡(jiǎn)潔的操作，它的出現(xiàn)完全打破了過(guò)去傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)工具的工作方式，創(chuàng)作者使用鼠標(biāo)來(lái)操作ZBrush 2019的筆刷工具，描繪出自己想象中的形象并把它以3D的形式呈現(xiàn)在電腦屏幕上。

1.3? 牙齒打印參數(shù)的選擇

在進(jìn)行牙齒打印前，首先對(duì)人體右側(cè)上頜中切牙的外觀、基本結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行了解，然后再結(jié)合牙齒的實(shí)際結(jié)構(gòu)和人工制作假牙的方式進(jìn)行操作建模。牙齒的基本組成由圖1所示。接下來(lái)將參照這個(gè)牙齒的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪圖建模。

臨床上為病人制作牙冠時(shí)，首先需要掌握這個(gè)牙齒的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在一般的方式是通過(guò)儀器掃描并結(jié)合醫(yī)生的修復(fù)調(diào)整來(lái)達(dá)到使患者舒適的狀態(tài)，但精準(zhǔn)性仍然存在不足。而基于ZBrush 2019技術(shù)打印出的牙齒是按照上頜中切牙的蠟塊雕刻方法，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)等比例繪圖、建模、打印，可以彌補(bǔ)醫(yī)生人工修復(fù)不精準(zhǔn)的問(wèn)題。樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

2? 利用ZBrush 2019進(jìn)行牙齒建模設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1? 建模

對(duì)上頜中切牙有了足夠的了解后，利用ZBrush 2019根據(jù)實(shí)物的數(shù)據(jù)、特性，用筆刷繪出實(shí)物的模型。筆刷是進(jìn)行繪圖最重要的工具之一，通過(guò)筆刷可以改變模型某一片區(qū)域的位置，使圖形某一塊區(qū)域向外突出或者向內(nèi)凹下的，不同的筆刷可以呈現(xiàn)出不同的繪制效果，最基本的筆刷有光滑筆刷（Smooth）、標(biāo)準(zhǔn)筆刷（Standard）、移動(dòng)筆刷（Move）、磨光筆刷（Polish）、切口筆刷（Slash）等。用鼠標(biāo)來(lái)控制ZBrush 2019的立體筆刷工具，根據(jù)不同的需要選擇不同類(lèi)型的筆刷。牙齒模型繪圖中用到了標(biāo)準(zhǔn)筆刷（Standard）、光滑筆刷（Smooth）、移動(dòng)筆刷（Move），具體繪圖過(guò)程如下：

首先，打開(kāi)ZBrush 2019軟件，點(diǎn)擊燈箱按鈕，選擇一個(gè)基本模型作為建模雛形。本設(shè)計(jì)使用了cube.ZPR（正方體）模型作為初始雛形，在這個(gè)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)操作。點(diǎn)擊生成PolyMesh3D（多邊形網(wǎng)絡(luò)）工具后，選擇功能欄中的“移動(dòng)軸”或者“縮放軸”或者“對(duì)稱(chēng)軸”按鈕，將模型進(jìn)行等分裁剪后變成長(zhǎng)方體。在繪圖過(guò)程中需注意，可以通過(guò)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等操作，并確保始終將模型位于界面正中央，圖形如圖2所示。

接著，確定上頜中切牙的唇面觀和舌面觀。選定左側(cè)面為唇面觀，右側(cè)面為舌面觀，點(diǎn)擊功能欄中的“移動(dòng)軸”或者“縮放軸”或者“對(duì)稱(chēng)軸”按鈕，再點(diǎn)擊齒輪形狀的“自定義”，于TransformType界面中選擇變形器，然后利用變形器的變形功能，垂直地切除近中面和遠(yuǎn)中面多余的模型部分，初步形成唇面和舌面。變形操作后模型如圖3所示。

其次，標(biāo)出近中面外形線，進(jìn)行舌面和遠(yuǎn)中面的雕刻，從垂直方向去除唇、舌面多余部分，將立方體粗略打磨，完成輪廓外形，本操作主要使用了Smooth筆刷（按住鍵盤(pán)上的shift，切換成Smooth筆刷），該筆刷可以使模型的棱角變得平滑。

最后，為了更符合人體真實(shí)牙齒，本模型在細(xì)節(jié)方面又進(jìn)行了調(diào)整，首先選擇恰當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)營(yíng)造更合適的色覺(jué)感受，點(diǎn)擊工具菜單中的材質(zhì)Material按鍵，本文使用的是MatCup Sculpy材質(zhì)，使得牙齒顏色與真實(shí)牙齒更加相似，然后使用Smooth筆刷，將牙齒的上方進(jìn)行凹陷處理。此外，鈍化牙齒的棱角，切緣處水平，遠(yuǎn)中處傾向舌側(cè)一端，在牙齒各面略微進(jìn)行線條勾畫(huà)，近中切角略顯直角，遠(yuǎn)中切角圓鈍一些。模型制作完成后，選擇“另存為”，將所繪模型保存在相應(yīng)文件夾中，文件自動(dòng)保存為STL文件。最終模型如圖4所示。

2.2? 切片與打印

切片處理是3D打印機(jī)打印出實(shí)體產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)備過(guò)程，切片將之前設(shè)計(jì)的3D數(shù)字模型變成可識(shí)別的路徑，概括來(lái)講就是把模型均分為厚度相等的數(shù)層，并且得出打印機(jī)在打印每一層時(shí)通過(guò)的路徑。

3D打印機(jī)和普通打印機(jī)的工作原理類(lèi)似，區(qū)別在于3D打印機(jī)在打印前需要得到一個(gè)數(shù)字模型，如STL、STP、IGS等格式的模型文件。選擇合適的打印材料，將文件導(dǎo)入打印機(jī)并編輯打印參數(shù)，之后材料便會(huì)“分層制造，逐層疊加”[5]，層層打印出來(lái)。

3? 針對(duì)3D打印技術(shù)在骨骼方面的設(shè)計(jì)

運(yùn)用上面繪制上頜中切牙模型的方式，同樣可以制作各種骨骼，比如利用ZBrush提供的cube.ZPR基礎(chǔ)模型，選用的SkinShade4材質(zhì)球，使用Standard筆刷、Smooth筆刷。繪制出的肱骨各方位視圖如圖5所示。

4? 3D打印牙齒模型形態(tài)仿真性評(píng)估

ZBrush 2019最初設(shè)計(jì)的牙齒模型草圖如圖6所示，主要用于模型打印測(cè)試，打印材質(zhì)為光敏樹(shù)脂。圖7是實(shí)際打印出來(lái)的牙齒，牙齒參數(shù)：長(zhǎng)：62 mm，寬：51 mm，高：76 mm。從形態(tài)、大小、應(yīng)用性分析此牙齒，該牙齒形態(tài)不符合真實(shí)牙齒，且牙齒偏大，尚且只能用于普通牙齒模型使用與展示。

可以推測(cè)，圖4打印出來(lái)的模型，外觀、大小、形態(tài)均與真實(shí)牙齒十分接近，在顏色方面更接近真實(shí)牙齒[6]，可初步用于臨床使用和稀有病理牙齒形態(tài)模型的展示與操作等。

4.1? 創(chuàng)新思想

產(chǎn)品的需要日益趨向個(gè)性化，結(jié)合3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，3D打印產(chǎn)品更具有DIY定制的優(yōu)勢(shì)，而獨(dú)特的3D建模繪圖軟件——ZBrush 2019有全面的功能和清晰的操作流程，正好是能讓設(shè)計(jì)者自由創(chuàng)作的3D作品工具，利用ZBrush 2019設(shè)計(jì)3D產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)明顯。

試想未來(lái)某天，其構(gòu)造得到改進(jìn)，如果將電子芯片插入其中，做到防止可拆取式假牙的遺失，針對(duì)中老年健忘市場(chǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)定位功能?？紤]打印材料的基礎(chǔ)聚合物的添加，摻入活性化學(xué)物質(zhì)，如抗菌鹽的使用，利用無(wú)菌或抗菌3D打印植入物，使其變成抗菌牙齒、抗臟牙齒。

4.2? 應(yīng)用上的局限性

第一，因?yàn)樵牧暇o缺成本、價(jià)格制約及種類(lèi)的限制[7]，3D打印材料在生物相容性方面還有待提高，需要提高與人體的適應(yīng)度與匹配度。第二，受限于3D打印機(jī)技術(shù)問(wèn)題，模型表層相對(duì)容易打印，一些要求精細(xì)的或者在內(nèi)部有著特殊要求的產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)還有待突破。第三，3D打印進(jìn)入臨床使用需要還先需獲得醫(yī)療注冊(cè)證，缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，難以推廣使用[2]，3D打印產(chǎn)品在臨床上的應(yīng)用還有一段路要走。

5? 結(jié)? 論

基于ZBrush 2019的3D打印技術(shù)可以在牙齒和骨骼的臨床領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大作用。由于個(gè)性化定制的特點(diǎn)，可以高效地建模打印，有效縮短了治療周期，其次，患者的滿(mǎn)意度和舒適度提高的同時(shí)[8]，減少病人等待時(shí)間，根據(jù)其可視化的方案，本設(shè)計(jì)雖精確度不足，但可以提供稀有病理牙齒形態(tài)模型的展示與操作，為臨床醫(yī)療工作帶來(lái)了極大的便利，提高醫(yī)務(wù)工作者的工作效率。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，3D技術(shù)將不僅僅應(yīng)用于牙齒和骨骼的臨床領(lǐng)域，更將為整個(gè)臨床應(yīng)用帶來(lái)革命性的突破與發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：馮星宇（1998-），男，漢族，江蘇淮安人，本科在讀，研究方向：3D醫(yī)學(xué)打印;通訊作者：馬凱（1972-），男，漢族，江蘇徐州人，教授，博士，研究方向：醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析處理、3D醫(yī)學(xué)打印。