口腔修復體CAD/CAM/SLM?3D打印復合方法與流程

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本發明涉及口腔修復體自動化加工方法，特別是一種口腔修復體CAD/CAM/SLM-3D打印復合方法，該方法將現有的口腔CAD/CAM系統與金屬3D打印技術相結合，發揮各自所長，將各自的數控加工方式有機結合，功效發揮至極致，實現快速、精確、個性化的制作口腔修復體的目標。

背景技術：

計算機輔助設計(Computeraideddesign，簡稱CAD)與計算機輔助制作(Computeraidedmanufacture，簡稱CAM)技術，融合了數學、光學、電子學、計算機圖像識別與處理、自動控制與自動化加工等多學科的知識與技術，在20世紀70年代被廣泛應用于工業自動化和航空航天領域。1983年，法國Duret研制的第一臺牙科CAD/CAM系統樣機在法國問世；1985年在法國召開的國際牙醫學術會議上，Duret教授利用該設備制作出首個后牙瓷全冠并成功地用于患者口腔，使得CAD/CAM用于口腔醫學領域成為現實。在進入上世紀90年代后，隨著現代光電子技術、計算機技術圖像分析處理技術等的進一步發展，越來越多的牙科CAD/CAM系統問世。目前，已有10余種CAD/CAM系統問世，可制作嵌體、貼面、全冠、部分冠、固定橋、種植體橋架等。而在可摘局部義齒及全口義齒仍處于研究階段，并沒有成熟的系統。口腔CAD/CAM系統通常由數據采集(數字化印模)、計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制作(CAM)三部分子系統組成。一門新興的口腔修復技術開始形成，CAD/CAM系統使口腔修復學跨入了現代高科技領域。

1、主要CAD/CAM系統

目前商業化的口腔CAD/CAM系統中，數控銑床是重要的組成部分之一。修復體加工采用數控銑削方式，用切削工具切除多余材料，以獲得符合形狀、尺寸和表面粗糙度要求的修復體。該技術本質上屬于去材制作范疇，即“減法”。

1.1Cerec系統：

Cerec系統由德國西門子公司(SIEMENS)牙科部，即現在的德國西諾德(SIRONA)牙科設備有限公司開發完善。其產品系列包括有CerecⅠ、CerecⅡ和CerecⅢ以及CerecinLab。其中：CerecⅢ于2000年誕生，CerecⅢ系統基于Windows平臺，切削系統與圖象采集系統各自獨立工作，軟件系統也有了極大的提高，使得CerecⅢ系統可以制作嵌體、高嵌體、貼面、部分冠和全冠。但是CerecⅢ軟件系統也只能在平面上進行設計，很難顯示修復體的整體形態。2003年3月在美國亞特蘭大的Hinman牙科大會上Cerec3D系統首次展出，它在設計修復體時可引入了多維視角，可以從3維的角度直觀審視修復體以及基牙的形態。Cerec3D軟件系統加入了FrameWork等3D設計軟件，實現了全瓷固定橋的修復。2002年，Sirona公司推出了Cerec inLab系統，是專門為技工室所設計的，它使用激光掃描系統收集牙頜數據，修復體制作速度更快，適用范圍更廣，并且可以使用更高強度的二氧化鋁、二氧化鋯陶瓷材料。

1.2Celay系統：

Celay系統由蘇黎世牙學院設計并于1990年在慕尼黑第一次展出，現由瑞士Mikroma公司生產。該系統不是完全意義上CAD/CAM系統，其原理類似于一個小型鑰匙復制機，由兩部分組成，接觸式傳感器和微型銑床，傳感頭“讀”出在口內或代型上制作的具有一定硬度的蠟或樹脂修復體表面外形數據，并將數據同時傳遞到銑床上，同步加工出瓷修復體。該系統組成簡單，自動化程度很低。工作時，必須先在口內或者代型上制作一個臨時修復體，作為獲取數據的信息源。Celay系統主要利用二氧化鋁可切削陶瓷加工具有牙咬合面形態的嵌體或高嵌體，還可以加工全冠或固定橋的基底冠。

1.3Procera系統：

Procera系統為瑞典系統，由NobelBiocare公司于1993年推向市場。現在，該系統利用ProceraPiccolo或者更加先進的ProceraForte掃描儀收集牙頜模型上數據，醫師通過ProceraLofrwore2.0軟件對修復體進行設計，設計完畢后將數據通過互聯網傳送至Procera系統指定的4個生產中心(Stockholm，Sweden；FairLawn，NJ，USA；Karlskoga，Sweden；Tokyo，Japan)進行修復體的加工。加工中心可根據醫師要求直接加工成最終的氧化鋯、氧化鋁全瓷冠橋，也可只加工成氧化鋯、氧化鋁基底待郵回后再進行表面飾瓷。Procera系統除可以用于制作天然牙牙冠外，還可以用于種植領域。Procera系統可以切削制作純鈦或氧化鋯的單牙基臺，其可以對基臺的高度、角度和邊緣線的形態外形進行個性化設計；Procera系統還可以切削制作純鈦或氧化鋯的種植橋，其最多可以提供14個單位的種植橋，擁有極好的生物相容性、卓越的強度和美學效果。

1.4Cercon系統：

Cercon系統是通過CerconEyeScanner3維激光掃描牙頜模型上數據，傳輸給CerconArtCAD部分對修復體進行設計，然后將設計好的信息傳遞給CerconBrain部分對修復體進行切削加工或者將信息通過互聯網傳遞到位于York的制作中心對修復體進行加工制作。因此對于一些小型牙科診所或者技工中心可以僅購買Cercon系統的CerconArt CAD部分(已經包含了CerconEyeScanner掃描儀)，從而降低成本。CerconArtCAD可以對修復體邊緣、咬合面進行精細的設計。Cercon系統以二氧化鋯結構陶瓷為加工對象，可制作樁核、種植體基臺、全冠和固定橋。

1.5Lava系統：

Lava系統由美國3M公司于2002年推出，由Lava Scan、LavaCAD、LavaForm、LavaTherm等部分組成。首先利用非接觸式3D光掃描系統收集牙頜模型上數據，醫師利用LavaDesign4.0軟件進行修復體設計，完成后首先通過切削預燒結的二氧化鋯瓷塊獲得基底冠，平均每單位牙冠需要35分鐘。切削完成后對牙冠基底冠進行完全燒結，再在其表面加飾面瓷。對照Vita比色系統，Lava二氧化鋯基底冠有7種顏色選擇，飾面瓷有16種顏色選擇，因此Lava系統制作的修復體擁有最接近天然牙的色澤和透光性，該系統主要適用于適于單冠和前后牙3～4單位固定橋的修復。

1.6Everest系統：

Everest系統統由德國Kavo公司于2002年推向市場。該系統由Everestscan，Everestengine，Everesttherm，Everestelements四個構件組成。首先由Everestscan數據掃描系統(使用CCD相機)采集牙頜模型上數據，操作者利用ENERGYCAD軟件對修復體進行三維設計，然后CAM部分在X、Y、Z、A、B五個軸上進行切削加工修復體。因此Everest系統制作的修復體具有良好的加工精度以及清晰的解剖結構。Everest系統可加工的材料非常廣泛，包括氧化鋯、氧化鋁、純鈦、玻璃陶瓷、金、樹脂等，可制作種植體、貼面、嵌體、高嵌體、單冠和固定橋。

1.7開放式系統：

開放式系統是近年來市場上出現的“組裝”型CAD/CAM系統，其數據采集系統、CAD系統、CAM系統可由不同的公司制作后組裝形成。目前市場上比較成熟的開放式系統有兩種方案：

1)3Shape牙科專用掃描儀+CAD軟件+德國數控車床，其可以加工所有品牌的氧化鋯、塑料，不受品牌的限制；

2)3Shape牙科專用掃描儀+CAD軟件+美國3Dsystem蠟型機，在制作完蠟型后可以包埋鑄造金屬也可以進行全瓷冠的制作。和其他CAD/CAM系統相比，開放式系統的優點在于：能加工的材料更加廣泛，制作成本也更加低廉。

2、增材制造的CAD/CAM系統

上述數控車床無法切削具有復雜結構(如帶有中空結構)的修復體以及切削過程中造成材料的浪費等成為口腔修復先進制造技術中急需解決的關鍵問題。快速成型技術，簡稱RP或RPM技術(RapidPrototyping/RapidPrototypingManufacturing)，是20世紀80年代末發展起來的一項先進制造技術。該技術將計算機輔助設計(CAD)，計算機輔助制造(CAM)，計算機數字控制(CNC)，精密伺服驅動，激光和材料科學等先進科學集于一體，采取離散-疊層堆積的思想，基本構思是：任何三維零件都可以看作是許多二維平面輪廓沿某一坐標方相疊加而成。但RP技術不能直接制作金屬修復體以滿足口腔修復的需要。20世紀90年代末，由RP技術和激光涂覆技術相結合建立的快速制造技術(RapidManufacturing，RM)采用預置鋪粉或者同步送粉的方式由激光將粉末材料逐層熔覆堆積得到三維實體零件。其制作的成形件具有優秀的理化性能，且不受復雜結構的限制。RP技術和RM技術從本質上說均屬于增材制作，即“加法”。

中國人民解放軍第四軍醫大學高勃于2003年申請了“口腔金屬修復體的激光立體成形方法”中國專利，2005年被授權(專利號：ZL03134316.3)。目前，金屬修復體的3D打印成型主流為SLM(selectivelasermelting)和EBM(ElectronBeamMelting)方法，前者主要打印制作鈷鉻合金冠橋、冠橋基底或者可摘局部義齒支架，后者主要用于金屬植入體的制作。

2.1在固定修復中的應用：

2004年，Bennett采用基于SLM技術的MCPRealizer設備分別制作了鈷鉻合金和不銹鋼材料的基底冠、固定冠和固定橋，制作后的牙冠外型良好。2005年，法國學者Nadine應用自己研發的PhenixSLM系統設計并制作了鎳鉻合金的基底冠，制成的基底冠外形、精度均良好，手工熔覆烤瓷后，制作的烤瓷牙冠具有非常好的顏色匹配性和邊緣適合性。

2.2在可摘局部義齒中的應用：

2006年，Williams等通過CAD/CAM技術在SLMRealizer2機器上制作了可摘局部義齒的鈷鉻合金支架。國內吳琳等初步實現了對肯氏Ⅱ類牙列缺損模型的計算機輔助設計，并用激光快速成形機加工出可摘局部義齒支架的樹脂鑄型。2009年，諸森陽等對肯氏Ⅰ類牙列缺損可摘局部義齒支架進行了計算機輔助設計與制作。

2.3在全口義齒中的應用：

全口義齒形態復雜，且組成義齒的材料多樣，目前的全口義齒CAD/CAM研究相對滯后。中國人民解放軍第四軍醫大學高勃等通過Surfacer軟件，設計出上頜半口金屬基托義齒，并利用激光立體成形技術初步加工出上半口基托。2008、2009年，中國人民解放軍第四軍醫大學高勃先后發表了激光快速成形制作全口義齒上頜純鈦基板的論著：LasersMedSci(2010)25：309–315；RapidPrototypingJournalVolume15，Number2，2009，133–136，并對其適合性進行了研究，臨床測試結果顯示其制作精度有待提高。

3、傳統CAD/CAM在臨床應用中的局限和發展方向

CAD/CAM技術在口腔領域的應用大大提高了修復效率，縮短了患者的治療周期，減少了患者的痛苦并且降低了技師的勞動強度，使得口腔修復學取得了革命性的發展。但在臨床應用過程中還存在以下問題：目前CAD/CAM系統主要應用于固定修復領域，而在可摘局部義齒以及全口義齒中沒有應用的主要原因是CAD/CAM系統的切削加工固有的局限性，不但造成材料的浪費，也使得制作的修復體種類單一，不能切削加工復合材料的修復體。

綜上所述，如果能將傳統CAD/CAM系統的切削制造技術與目前已經相對成熟的金屬3D打印技術有機結合，是未來口腔修復體的制作方向。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在于，提供一種口腔修復體CAD/CAM/SLM-3D打印復合新方法，該方法將現有的口腔CAD/CAM系統中數控切削技術與金屬3D打印技術相結合，將各自的數控加工方式有機結合，發揮各自所長，將各自的優勢發揮至極致，快速、精確、個性化地制作口腔金屬修復體。

為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案：

一種口腔修復體CAD/CAM/SLM-3D打印復合方法，其特征在于，該方法采用光學掃描測量儀或者接觸式掃描測量儀、口腔修復體的計算機輔助設計軟件、小型化的金屬3D打印機和數控銑床組成的CAD/CAM/SLM-3D打印復合系統制備口腔修復體，所述的口腔修復體從材料組成上是復合材料修復體，其基底或支架部分為金屬，附著在金屬表面的為陶瓷或者塑料；從修復類型上是烤瓷或烤塑冠橋，或者可摘局部義齒；具體按以下步驟進行：

1)常規完成患者口內或者口外石膏模型的三維外形掃描并建立與口腔缺牙情況一致的數字化模型，簡稱A模型；

2)采用計算機輔助設計軟件在A模型上完成口腔修復體的金屬基底或支架構型設計，簡稱B構型，數據格式為3D打印機兼容的STL格式；

3)將B構型在計算機輔助設計軟件中對齊放置于A模型原有的位置上，在此基礎上完成與金屬基底或支架對應的上部相匹配的人造牙構型設計，簡稱C構型；

4)將B構型數據輸入3D打印機，選取符合國家醫用材料許可的金屬粉末材料，運用選擇性激光熔化技術(SLM)的3D打印工藝制作相應的金屬支架，簡稱D結構；

同時將C結構數據輸入數控切削機床，選取得到國家醫用認證許可的口腔陶瓷或者塑料坯材，切削出與B構型上部相匹配的人造牙數據構型，簡稱E構型；

5)將D結構和E構型裝配粘接，得到最終的口腔修復體，供患者佩戴使用。

根據本發明，所述金屬基底或支架對于可摘局部義齒來說是可摘局部義齒金屬支架；對于烤瓷或烤塑冠橋來說，是該烤瓷或烤塑冠橋的金屬基底。

上述CAD/CAM/SLM-3D打印復合系統可安放在流動交通工具如車船或飛機上，相當于一個流動的義齒數字化加工廠。

本發明的口腔修復體CAD/CAM/SLM-3D打印復合新方法，其創新點在于：一體化設計，同步加工。將金屬基底或支架構型(如可摘局部義齒支架)與其相應上部相匹配人造牙構型同一時間內前后分別完成設計，口腔修復體加工時將數控切削(減材制造，稱之為減法)與3D打印技術(增材制造，稱之為加法)有機結合，高度統一，同步進行。將矛盾對立統一的兩個方面上升到合二為一的境界。將極大提高口腔金屬修復體、特別是復雜口腔修復體的自動化生產效率，擺脫傳統手工制作口腔修復體的繁瑣工序，提高口腔修復體制作質量和穩定性，達到快速、精確、個性化制作目的，更好滿足廣大缺牙患者的迫切需求。

附圖說明

圖1是本發明的口腔修復體CAD/CAM/SLM-3D打印復合新方法示意圖；

圖2是患者口腔缺牙照片；

圖3是制取口腔印模獲得石膏模型照片；

圖4可摘局部義齒的TC4合金支架CAD設計圖；

圖5是將TC4合金支架重新對齊定位于其在數字化模型上的原有位置；

圖6是在TC4合金支架上進行計算機輔助設計人造牙；

圖7是3D打印完成的TC4合金支架；

圖8是數控切削完成的氧化鋯陶瓷三聯冠；

圖9是TC4合金支架與氧化鋯陶瓷三聯冠裝配照片。

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

具體實施方式

在以下的實施例中，申請人采用光學掃描測量儀或者接觸式掃描測量儀、口腔修復體的計算機輔助設計軟件、小型化的金屬3D打印機和數控銑床組成的CAD/CAM/SLM-3D打印復合系統，該系統由三部分組成，第一為光學掃描測量儀或者接觸式掃描測量儀，通過掃描石膏模型、口內制取的印模、直接掃描口內軟硬組織等方法，完成口腔數字化模型的采集；第二為口腔修復體的計算機輔助設計軟件，完成口腔修復體構型的計算機輔助設計。第三為小型化的金屬3D打印機和數控銑床，3D打印機將設計完成的金屬基底或支架CAD數據用金屬粉末打印成型，其金屬粉末符合國家醫用許可標準。數控切削陶瓷或者塑料也需符合國家醫用許可標準。

所述的口腔修復體從材料組成上是復合材料修復體，其基底或支架部分為金屬，附著在金屬表面的為陶瓷或者塑料；從修復類型上是烤瓷或烤塑冠橋，或者可摘局部義齒。

最后將塑料或陶瓷人造牙裝配粘接在金屬基底或者支架上，這樣就完成了口腔修復體的快速制作。

具體的制作方法參見圖1所示：

1、常規完成患者口腔內或者口腔外石膏模型的三維外形掃描并建立與口腔缺牙情況一致的數據模型，簡稱A模型；

2、采用計算機輔助設計軟件完成金屬基底或支架(如可摘局部義齒的金屬支架)的構型設計，簡稱B構型，數據格式為3D打印機兼容的STL格式。

3、將設計好的B構型在計算機輔助設計軟件中對齊放置于數字化模型上原有的位置上，在此基礎上完成金屬支架上部相匹配的人造牙構型設計，簡稱C構型；

4、將B構型數據輸入SLM金屬3D打印，選取符合國家醫用材料許可的金屬粉末材料。

5、3D打印機將B構型的三維數據模型，離散成二維平面數據，運用選擇性激光熔化技術(SLM)，按照預設的順序進行二維平面輪廓數據加工，逐層累加，熔覆堆積金屬粉末材料成型金屬支架。具體過程是：在真空惰性氣體加工倉內，將金屬粉末材料鋪于金屬基板上，單層鋪粉厚度為依據不同金屬粉末材料的特性和加工精度而定，具體步驟如下：

(1)將金屬粉末置于粉床之上，升溫至合適的溫度；

(2)步驟(1)結束后激光光束按照二維平面輪廓將金屬粉末熔覆成形。(3)步驟(2)結束后，進行第二次鋪粉，用刮板將粉床表面刮平，然后重新按照步驟(1)、步驟(2)順序進行新一層的單道熔覆成型；經反復鋪粉，單道熔覆成型后，去除未曾熔覆的粉末和支撐結構，即可得到金屬基底或支架D。

6、同時將C構型數據輸入數控切削機床，選取得到國家認證許可的口腔陶瓷或者塑料坯材，切削出與金屬支架D上部結構匹配的構型，如人工牙或人造牙，簡稱E結構。

7、將金屬基底或支架D和E結構裝配粘接，得到最終的修復體，供患者佩戴使用。

在本領域，烤瓷冠橋的制備相對簡單，本實施例僅給出一種口腔修復體中最為復雜的可摘局部義齒的制作全過程，以下是詳細的研究過程：

1、材料與設備

1.1SLM所需材料及設備

選擇性激光熔覆機(EOSINTM280，EOS公司，德國)。TC4粉末，球形粉，粒徑15-53微米(卡本特公司，美國)。光學掃描和計算機輔助設計系統(DWOS，DentalWings公司，加拿大)。

1.2CAD/CAM切削設備及材料

CAD/CAM系統(Ultrasonic20linear，DMG公司，德國)，可切削氧化鋯塊(愛爾創公司，中國)。

1.3其他材料與設備

康特“水魔方“硅橡膠印模材(康特齒科集團，瑞士)，超硬石膏(湖北貝諾齒科材料有限公司)。