基于3D打印的义齿定制与可视化协同服务平台开发策略研究

马璁珑，赵艳东

（天津职业大学，天津 300410）

1 前言

近年来，我国不断加强医疗政策改革及各类医疗项目的投入，为患者提供更优质更有针对性的医疗服务是行业发展的必然方向。人们对医疗产品的需求也不仅仅停留在单纯追求治疗功能，而是越来越重视医疗产品对患者心理和人性化体验的满足程度。俗话说“牙疼不是病，疼起来要人命”，口腔医学中牙齿外观与结构看似简单，但每个人的牙齿特征都有差异。利用传统工艺进行牙齿修复时，由于制造工艺过程复杂且精度难以保证，造成义齿返修率高，这已成为义齿制造领域产生医患矛盾的行业痛点之一。

在智能制造领域，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术又称3D打印技术，是通过三维建模、数据分割、打印、后处理等主要工艺流程实现产品的快速成型技术。具体工艺过程为以三维数字模型文件（3D设计文件）为设计制造源文件，通过3D打印机对可粘合材料（如粉末状塑料或金属）进行逐层熔化和堆积的方式来构造产品。通过探索并深入挖掘牙科患者对义齿制造的多功能需求，结合3D打印产品具有智能化程度高、精度高、制造快等特点，3D打印技术能够满足牙齿患者对义齿产品定制的个性化需求。对比传统义齿产品制造技术，尤其对于高精度且结构复杂的高端义齿产品，3D打印技术在成型过程中无需使用刀具和模具，具有材料浪费少、制造周期短、生产效率高、产品造价低等传统成型工艺无法比拟的优势，能够有效满足牙科患者对义齿产品个性化且高精度的定制要求。

2 国内外研究现状与意义

国外将3D增材制造技术运用到个性化器械、体外医学模型定制等医疗领域已有了大量成功的案例，但在医疗服务性产品设备方面还是较为匮乏。我国医疗领域将3D打印技术主要应用在牙齿、骨头等领域，国内的技术发展程度较国外而言仍有一定的差距，需要不断的探索与创新。

目前，国内外将3D增材制造技术应用于医疗领域还处于发展阶段。对于医生来说，更多的是运用医学相关知识与技能对患者进行诊疗，然后根据不同患者病情提出具有针对性的治疗方案；对于医疗器械供应商来说，更多的是利用传统工艺技术进行个性化医疗器械定制，在利用3D打印技术进行医疗产品制造、个性化定制系统开发等方面的研究较少。

随着智能制造、移动互联网、大数据等技术的不断发展，将3D打印技术与现代医学、移动互联网、大数据等技术的整合应用研究将成为未来发展趋势。在医疗用品领域，人们在满足基本医疗救治功能基础上，对医疗产品定制提出了更多个性化的要求。因此，对定制医疗产品的探索与创新要以用户的多样性需求为立足点，将3D打印技术与医疗产品定制需求、数字模型设计相结合，开发出更具针对性、更能满足个性需求的医疗产品，对于医疗行业发展及医疗产品个性化定制有着重要的应用价值。

3 基于3D打印的义齿产品模型设计原则

据最新的第四次全国口腔健康流行病学调查报告显示，儿童的牙齿状况不容乐观：5岁和12岁儿童的龋患率分别为70.9%和34.5%，比10年前分别上升了5.8%和7.8%；35～44岁居民中，口腔内牙石检出率为96.7%，牙龈出血检出率为87.4%，比十年前上升了10.1%。虽然人们的口腔健康意识有所提升，但口腔问题现状仍令人担忧。

针对牙齿患者的具体问题进行个性化义齿定制时，要依据人机工程学做到“人-机-环境”相统一，必须要以患者牙齿的外观尺寸与结构特征为基础，充分利用三维建模技术、3D打印技术在个性化产品定制方面的优势进行义齿模型设计与制造。义齿定制是一项对义齿加工精度、操作安装配准要求非常高的技术，而义齿与口腔颌骨的匹配度会直接影响患者安装义齿后的舒适度，因此加工制造高精度的义齿是技术关键。由于3D打印技术在个性化产品定制方面极具优势，一方面可以利用3D打印技术加工义齿产品；另一方面在义齿安装之前，可以将义齿与3D打印颌骨模型进行模拟操作，可提前发现问题并进行改进，从而提高义齿制造与安装的匹配度。

由于个体患者在牙体缺损、牙列缺损、牙列缺失的形态差异，义齿生产具有鲜明的个性化消费需求以及生产定制化特点。因此，基于3D打印的义齿产品个性化模型设计要遵循以下原则：（1）患者需求深入化。要根据用户实际需求，在需求分析与诊疗的过程中不仅仅把握整体诉求，更重要的在于总结归纳细小的问题，从而深入挖掘义齿个性化定制的需求点。（2）产品功能定制化。整合好个体需求点后进入设计阶段，在此阶段需要注意产品功能要围绕个体特征及个性需求进行开发，是为满足该患者需求而定制的个性化医疗产品。（3）使用方式多样化。由于3D打印使用增材制造工艺，在复杂结构产品定制方面独具优势，设计师在义齿设计初期可充分发挥创造思维，确定好产品的功能后可尝试多种符合其功能的形式，在多种解决方式中选取个体操作最便捷的方式，不受传统制造工艺研发成本和产品质量等因素制约。（4）产品结构一体化。义齿产品使用方式确定后首先进行产品造型设计，产品造型设计要以美观性与功能匹配性为原则，充分发挥3D打印在产品一体成型方面的优势，尽可能减少产品的组装工序，实现产品结构的一体化。

义齿制造要实现个性化与精细化的定制目标，就要充分利用3D增材制造技术的优势，将产品功能与模型设计相结合，从而满足用户对义齿定制产品的个性化需求，为企业赢得更广阔的市场。

4 基于3D打印的可视化协同服务平台开发策略

一般来说，大型口腔医院、口腔诊所与社区门诊在诊疗水平、收费标准等方面相差甚远，这就造成了口腔医疗市场服务水平参差不齐。由于不同级别医院沟通联系不畅，无法实现协同诊疗的目标。因此，开发基于3D打印的义齿定制协同服务平台是个性化义齿产品定制的发展方向。通过该平台，当诊所医生遇到无法解决的诊疗问题时，可将扫描得到的数据与患者提交的需求综合起来建立义齿需求方案，并将数据传输给高水平的医院，医生通过与患者可视化交互沟通，对方案进行修正和完善，形成完整、准确的义齿设计、制造与种植方案。

（1）满足面向义齿全生命周期的个性化定制服务。随着生活水平的越高，人们的健康意识及追求舒适体验意识逐渐增强，牙科诊疗服务模式最初以实现牙齿康复治疗为主要目标，然后逐步转向义齿全生命周期的个性化定制服务模式。因此，要满足患者对义齿外观设计、材料选取、连接方式、加工方式、诊疗周期等全业务流程的个性化定制，则需要汇集多方医疗机构、可视化协同服务平台、3D增材制造供应商等资源，从而实现从诊疗、设计到制造的义齿全生命周期管理。

（2）基于统一模型的义齿设计制造协同云服务平台。市场上国产义齿设计制造系统还未成熟，而国外品牌如西诺德(Sirona)、泽康(Cercon)、卡瓦(Kavo)、威兰德(Wieland)、Procera等CAD/CAM数字化义齿设计制造系统，不同系统间交换数据困难、修改难度大，阻碍了义齿行业的发展。

义齿作为一种不规则曲面拟合体，其曲面造型复杂且制造精度要求极高，设计制造过程涉及口腔医学、材料学、复杂曲面建模等众多学科，加之个性化需求的复杂性与多样性，导致难以依靠单一的义齿设计制造机构完成高端义齿定制，而需要多个专业化主体进行协作。因此，必须整合多领域、专业化的义齿设计制造机构与人员、软件、设备等资源，建立基于统一模型的可视化协同云服务平台，将扫描数据传输到协同云服务平台，再经过医生与患者的可视化在线诊疗，完成义齿的设计，确认无误后再将设计模型传递给3D打印制造商，避免了数据丢失、数据转换错误等问题，确保义齿制造的可靠性。

（3）基于3D打印义齿制造中心的协同云制造平台。长期以来，义齿制造新技术、新设备、高水平技师大多集中于大型口腔医疗机构与义齿加工企业，而社区门诊、小型义齿加工企业等基层医疗机构由于缺乏资金投入，在设备、技术等方面更新滞后，无法满足高端义齿定制需求。因此，建立基于3D打印义齿制造中心的协同云制造平台，联合不同等级义齿加工企业，将3D打印技术、定制加工设备、专业技术人员进行整合，实现高端制造资源的共享，可解决义齿设计制造与口腔诊疗在设备上的局限。

3D打印技术为高端义齿个性化定制提供了有力的技术支持，同时随着云计算和大数据技术的发展，为面向全社会整合不同的医疗资源、义齿数字化制造提供了新模式。因此，将3D打印技术与“云”技术相结合，建立基于3D打印的可视化协同服务平台，实现义齿定制的个性化和智能化。