口腔数字化论文:口腔数字化技术运用思索

本文作者：赵一娇 王勇 单位：北京大学口腔医学院

去除式加工技术

去除式加工技术（也称减法加工技术）在工业上是指用车、铣、磨、削等方式将已成型好的材料固体坯料加工成所需形状的方法。口腔用数控加工设备考虑到其加工对象为专用牙科材料，针对牙科材料特性和制作精度的要求，常采用铣和磨的加工方式［3-4］。数控加工（numericalcontrolmachining，简称NC加工）是指用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。现有商品化的牙科数控设备，根据其切削主轴的运动特性，可进一步分为三轴、四轴、五轴等设备。这里轴的概念是指切削主轴的自由度数，主轴的自由度越多，灵活性越好，可加工模型的复杂程度也就越高。三轴数控设备适合批量加工倒凹面积小、形态相对规整的牙科模型（如基底冠桥）；四轴与五轴设备更适合加工精度要求高的复杂形态牙科模型（如解剖形态冠桥、种植基台、正畸托槽等）。典型的牙科多轴设备有CEREC3D（SIRONA公司）、EVEREST（KAVO公司）、T1（WIELAND公司）、LAVA（3M公司）等。近些年，数控加工中心这种在工业上广泛应用的主流数控机床也逐渐引入到口腔领域，它是一种功能较全面、综合加工能力较强的数控机床。

数控加工中心的特点是：机床设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具；坯料一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具、检具；机床可自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续对工件各表面进行多道工序的加工。整个加工过程，最大限度的降低了人手工操作的干预，大大提高了口腔假体的制造精度和生产效率。现有数控加工技术可加工的牙科材料包括牙科金属（贵金属、非贵金属合金、纯钛）、玻璃陶瓷和临时性复合树脂材料，特别是一些传统工艺很难加工或是无法加工的材料，比如氧化锆陶瓷材料，数控加工技术也可以实现。在金属及其合金材料的加工应用方面，数控加工技术可用来制造金属基底冠桥、覆盖义齿连接杆、正畸用个性化托槽等；在陶瓷材料方面，近年来应用广泛的二次烧结软质氧化锆材料是其主要的应用领域，可制造氧化锆基底冠桥、个性化种植基台、一体化桩核等；针对CAD/CAM椅旁系统的配套材料—玻璃陶瓷，数控加工一直是其惟一加工方式，工艺上则以磨削为主，有别于其他材料的铣削工艺，可制造嵌体、瓷贴面以及解剖式全瓷冠；另外，应用数控加工技术生产暂时性或永久性的牙科复合树脂材料，可实现个性化的即刻修复体制作。

增量式加工技术

相对数控加工的“减法加工”技术，快速成型（rapidprototyping，RP）技术被称为“加法加工”技术，即增量式加工技术。其原理是通过离散化将三维数字模型转变为二维数字模型的连续叠加，然后由程序控制按预先确定的顺序将成型材料一层一层堆积成型［5］。RP技术首先被应用于航天工业，用于医学领域最早始于20世纪90年代初。该技术最显著的特点就是克服了传统去除式加工技术的局限性，能够在较短时间内批量制造出各种复杂形态的工件，特别是对有内部结构设计的传统NC加工无法制造的工件，RP技术是较好的解决方案。RP技术的特性很好地适应了口腔医学假体及模型的复杂形态特征，加上其在加工速度、可靠性和成本等方面的优势，该类设备正在成为目前口腔假体及辅助装置制造技术的强力手段［6-13］。目前，应用于口腔医学的RP技术主要有以下几种：粉末材料选择性激光烧结技术（selectivelasersintering，SLS）、粉末材料选择性激光熔融制造技术（selectivelasermelting，SLM）、液态光敏树脂选择性固化技术（也称立体印刷技术，stereolithographyapparatus，SLA）、熔融沉积制造（fuseddepositionmodeling，FDM）、三维打印技术（3Dprinting，3DP）、激光近形成型技术（laserengineerednetshaping，LENS）等。

SLS和SLM技术SLS和SLM技术的成型原理相似，都是在工作台上逐层铺粉，激光束在计算机的控制下按照分层截面轮廓信息对实心部分所在的粉末进行熔融固化，逐渐形成各层轮廓，从而堆积成实体。SLS和SLM技术主要针对金属及其合金材料，装备有惰性气体保护仓的设备还可熔融烧结纯钛粉末，成型出致密度较高的纯钛工件，很好的解决了纯钛铸造缺陷的问题。现有口腔SLS和SLM设备的成型精度比初期产品已有很大提高，成型精度可达到20μm左右，完全可以满足口腔临床对制造精度的要求。但对于成型大尺寸修复体（如多单位基底桥），由于加工过程缺乏足够的外周刚性约束，金属成型过程中的残余应力可能会导致形变，影响精度。往往通过增加支撑分散应力、分段成形和软件预补偿等技术加以改善。此外，SLS和SLM设备的可成型空间往往较大，适合于批量化的大规模生产，制造效率也较数控加工好。SLS和SLM技术在口腔医学领域的主要应用包括：金属（包括纯钛及钛合金）基底冠桥、CAD设计的可摘局部义齿支架、外科手术用钛板以及正畸个性化托槽的数字化制造。典型的设备有EOSM270（德国EOS公司），国内在此方面也有初步的研发成果。SLA技术SLA技术成型原理是使用光源（激光或可见光）投射，分层选择性地固化液槽中的液态光敏树脂，使逐层固化堆积成型。SLA技术主要针对复合树脂类材料的特性而研制，现有技术的成型精度往往比SLS和SLM技术略高，可达到10～20μm的精度，但现有应用于口腔材料的设备成型尺寸没有SLS和SLM设备宽裕，适合制造小批量小尺寸的口腔假体和模型。另外，现有SLA设备中配备有口腔生物性材料的还为数不多。

SLA技术在口腔医学领域的主要应用包括：铸造用基底冠桥蜡型、赝复体蜡型的制造；外科、种植手术用导板的制造；外科手术三维诊断及术前规划设计模型的制造；牙周夹板、可摘义齿树脂基托部分的快速制造。3DP技术3DP工作原理类似于喷墨式打印机的工作方式，采用逐点喷洒黏接剂来黏接粉末材料，或逐点喷洒树脂液滴并同步光固化的方式，最后逐层堆积成型。其打印喷头可以有2个或多个，可同时喷射1种或多种材料，因此有较高的成型速度。这种技术的成型精度与SLA技术相近，最高可达到15μm左右，成型空间尺寸也与SLA设备近似，同样适用于小批量小型工件的制造。3DP技术可成型的粉末材料包括石膏粉末、部分金属粉末，可用于打印牙科诊断用牙颌模型或用于制造CAD全口义齿阴型；可成型的液态树脂光敏材料与SLA的材料近似，同样可用于牙科铸造用蜡型、颌骨支架功能性替代体、颜面部赝复体（义耳、义鼻、义眼）、隐形正畸矫治器、手术导板等治疗辅助装置的制造。此外，3DP技术目前也正在用于三维生物打印，选择与机器相适应的生物支架材料以及细胞，要同步打印形态具有一定空间形态和细胞分布的三维生物体，可用于组织工程（如颌骨、牙齿）的重建或再生。#p#分页标题#e#

其他数字化制造技术

机器人技术机器人技术是医疗自动化技术的又一种表现形式。我国在口腔机器人领域的研究起步较早，2001年北京大学口腔医学院建立了一套完整的机器人辅助全口义齿人工牙排牙制作系统，最后用CRS-4506自由度机器人首次实现了由机器人辅助排列全口义齿人工牙列［14-16］。同年，美国OraMetrix公司发明了SureSmile系统，通过口腔正畸矫正弓丝弯制机器人，使弓丝弯制这一复杂的过程简单化、程序化，可精确稳定控制和移动牙齿，大大提高了工作效率，缩短了疗程［17-18］。可见，机器人技术作为数字化制造技术的又一亮点，已成为未来制造技术的发展趋势之一。短脉冲激光技术激光是20世纪人类伟大的科学发明之一，激光技术已被广泛应用在当今世界的科研、生产和生活之中。在眼科医学领域，激光切削技术在眼角膜切削方面的研究应用取得了一定的进展，并被广泛应用和推广。在牙科领域，高功率脉冲激光由于在切割牙体硬组织方面具有微爆破和微蒸发的特效，常被应用于龋齿的治疗；另外，激光牙齿漂白，俗称为“镭射美白”也是其在牙科领域的应用技术之一。激光技术在牙科领域的应用目前在国外已成为一门最新的热门的牙科应用研究领域［19-20］。国内现有学者针对短脉冲激光器的牙科应用开展相关研究，旨在利用短脉冲激光器高光束质量和高峰值功率的特点，实现超精密牙体切削预备的目的。可见，摆脱传统激光技术二维切割的约束，向三维空间精密切削拓展，是牙科数字化、自动化技术的发展趋势。

小结

概括口腔数字化制造技术的发展趋势，有如下特点。设备体积的两极化：小型化方向以椅旁系统、桌面系统为发展趋势，主要应用于口腔临床诊室，可由口腔医生亲自操作完成；大型化方向则向多功能加工中心发展，可实现批量化、大规模制造，主要应用于义齿加工中心，通常由专业技师操作完成。加工质量的精密化：无论设备的小型化还是大型化，其加工精度的提高是毋庸置疑的，现有设备普遍可达到20~30μm的加工精度，并不断向10μm的加工精度迈进，以满足口腔医学高精度的特殊需求。加工材料的多样化：现有数字化制造材料已涵盖了常用的各种口腔临床材料，相信在不久的将来，这种高精度、高效率的制造技术必将涵盖所有牙科临床材料，并在组织工程生物材料领域有所建树。