基于3D打印的義齒定制與可視化協(xié)同服務平臺開發(fā)策略研究

馬璁瓏，趙艷東

（天津職業(yè)大學，天津 300410）

1 前言

近年來，我國不斷加強醫(yī)療政策改革及各類醫(yī)療項目的投入，為患者提供更優(yōu)質更有針對性的醫(yī)療服務是行業(yè)發(fā)展的必然方向。人們對醫(yī)療產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)療產品對患者心理和人性化體驗的滿足程度。俗話說“牙疼不是病，疼起來要人命”，口腔醫(yī)學中牙齒外觀與結構看似簡單，但每個人的牙齒特征都有差異。利用傳統(tǒng)工藝進行牙齒修復時，由于制造工藝過程復雜且精度難以保證，造成義齒返修率高，這已成為義齒制造領域產生醫(yī)患矛盾的行業(yè)痛點之一。

在智能制造領域，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術又稱3D打印技術，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現(xiàn)產品的快速成型技術。具體工藝過程為以三維數(shù)字模型文件（3D設計文件）為設計制造源文件，通過3D打印機對可粘合材料（如粉末狀塑料或金屬）進行逐層熔化和堆積的方式來構造產品。通過探索并深入挖掘牙科患者對義齒制造的多功能需求，結合3D打印產品具有智能化程度高、精度高、制造快等特點，3D打印技術能夠滿足牙齒患者對義齒產品定制的個性化需求。對比傳統(tǒng)義齒產品制造技術，尤其對于高精度且結構復雜的高端義齒產品，3D打印技術在成型過程中無需使用刀具和模具，具有材料浪費少、制造周期短、生產效率高、產品造價低等傳統(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品個性化且高精度的定制要求。

2 國內外研究現(xiàn)狀與意義

國外將3D增材制造技術運用到個性化器械、體外醫(yī)學模型定制等醫(yī)療領域已有了大量成功的案例，但在醫(yī)療服務性產品設備方面還是較為匱乏。我國醫(yī)療領域將3D打印技術主要應用在牙齒、骨頭等領域，國內的技術發(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，國內外將3D增材制造技術應用于醫(yī)療領域還處于發(fā)展階段。對于醫(yī)生來說，更多的是運用醫(yī)學相關知識與技能對患者進行診療，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)療器械供應商來說，更多的是利用傳統(tǒng)工藝技術進行個性化醫(yī)療器械定制，在利用3D打印技術進行醫(yī)療產品制造、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、大數(shù)據(jù)等技術的不斷發(fā)展，將3D打印技術與現(xiàn)代醫(yī)學、移動互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等技術的整合應用研究將成為未來發(fā)展趨勢。在醫(yī)療用品領域，人們在滿足基本醫(yī)療救治功能基礎上，對醫(yī)療產品定制提出了更多個性化的要求。因此，對定制醫(yī)療產品的探索與創(chuàng)新要以用戶的多樣性需求為立足點，將3D打印技術與醫(yī)療產品定制需求、數(shù)字模型設計相結合，開發(fā)出更具針對性、更能滿足個性需求的醫(yī)療產品，對于醫(yī)療行業(yè)發(fā)展及醫(yī)療產品個性化定制有著重要的應用價值。

3 基于3D打印的義齒產品模型設計原則

據(jù)最新的第四次全國口腔健康流行病學調查報告顯示，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)狀仍令人擔憂。

針對牙齒患者的具體問題進行個性化義齒定制時，要依據(jù)人機工程學做到“人-機-環(huán)境”相統(tǒng)一，必須要以患者牙齒的外觀尺寸與結構特征為基礎，充分利用三維建模技術、3D打印技術在個性化產品定制方面的優(yōu)勢進行義齒模型設計與制造。義齒定制是一項對義齒加工精度、操作安裝配準要求非常高的技術，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關鍵。由于3D打印技術在個性化產品定制方面極具優(yōu)勢，一方面可以利用3D打印技術加工義齒產品；另一方面在義齒安裝之前，可以將義齒與3D打印頜骨模型進行模擬操作，可提前發(fā)現(xiàn)問題并進行改進，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，義齒生產具有鮮明的個性化消費需求以及生產定制化特點。因此，基于3D打印的義齒產品個性化模型設計要遵循以下原則：（1）患者需求深入化。要根據(jù)用戶實際需求，在需求分析與診療的過程中不僅僅把握整體訴求，更重要的在于總結歸納細小的問題，從而深入挖掘義齒個性化定制的需求點。（2）產品功能定制化。整合好個體需求點后進入設計階段，在此階段需要注意產品功能要圍繞個體特征及個性需求進行開發(fā)，是為滿足該患者需求而定制的個性化醫(yī)療產品。（3）使用方式多樣化。由于3D打印使用增材制造工藝，在復雜結構產品定制方面獨具優(yōu)勢，設計師在義齒設計初期可充分發(fā)揮創(chuàng)造思維，確定好產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)成本和產品質量等因素制約。（4）產品結構一體化。義齒產品使用方式確定后首先進行產品造型設計，產品造型設計要以美觀性與功能匹配性為原則，充分發(fā)揮3D打印在產品一體成型方面的優(yōu)勢，盡可能減少產品的組裝工序，實現(xiàn)產品結構的一體化。

義齒制造要實現(xiàn)個性化與精細化的定制目標，就要充分利用3D增材制造技術的優(yōu)勢，將產品功能與模型設計相結合，從而滿足用戶對義齒定制產品的個性化需求，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、收費標準等方面相差甚遠，這就造成了口腔醫(yī)療市場服務水平參差不齊。由于不同級別醫(yī)院溝通聯(lián)系不暢，無法實現(xiàn)協(xié)同診療的目標。因此，開發(fā)基于3D打印的義齒定制協(xié)同服務平臺是個性化義齒產品定制的發(fā)展方向。通過該平臺，當診所醫(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，對方案進行修正和完善，形成完整、準確的義齒設計、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。隨著生活水平的越高，人們的健康意識及追求舒適體驗意識逐漸增強，牙科診療服務模式最初以實現(xiàn)牙齒康復治療為主要目標，然后逐步轉向義齒全生命周期的個性化定制服務模式。因此，要滿足患者對義齒外觀設計、材料選取、連接方式、加工方式、診療周期等全業(yè)務流程的個性化定制，則需要匯集多方醫(yī)療機構、可視化協(xié)同服務平臺、3D增材制造供應商等資源，從而實現(xiàn)從診療、設計到制造的義齒全生命周期管理。

（2）基于統(tǒng)一模型的義齒設計制造協(xié)同云服務平臺。市場上國產義齒設計制造系統(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，其曲面造型復雜且制造精度要求極高，設計制造過程涉及口腔醫(yī)學、材料學、復雜曲面建模等眾多學科，加之個性化需求的復雜性與多樣性，導致難以依靠單一的義齒設計制造機構完成高端義齒定制，而需要多個專業(yè)化主體進行協(xié)作。因此，必須整合多領域、專業(yè)化的義齒設計制造機構與人員、軟件、設備等資源，建立基于統(tǒng)一模型的可視化協(xié)同云服務平臺，將掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)同云服務平臺，再經過醫(yī)生與患者的可視化在線診療，完成義齒的設計，確認無誤后再將設計模型傳遞給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、新設備、高水平技師大多集中于大型口腔醫(yī)療機構與義齒加工企業(yè)，而社區(qū)門診、小型義齒加工企業(yè)等基層醫(yī)療機構由于缺乏資金投入，在設備、技術等方面更新滯后，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、定制加工設備、專業(yè)技術人員進行整合，實現(xiàn)高端制造資源的共享，可解決義齒設計制造與口腔診療在設備上的局限。

3D打印技術為高端義齒個性化定制提供了有力的技術支持，同時隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術的發(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打印技術與“云”技術相結合，建立基于3D打印的可視化協(xié)同服務平臺，實現(xiàn)義齒定制的個性化和智能化。