光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)及應(yīng)用

1、科技進(jìn)步獎推薦號：項(xiàng)目名稱光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)及應(yīng)用提名單位河北省教育廳項(xiàng)目簡介基于光固化3D打印技術(shù)、逆向工程技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，研究了隱形牙齒矯治、牙齒種植導(dǎo)板、輔助骨科手術(shù)等個性化醫(yī)療技術(shù)，建立了完整的技術(shù)體系，并在臨床實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。首先，利用CT掃描在體獲取患者個性化的骨科斷層信息（如骨斷裂、缺損、病變、錯位等），通過CT斷層數(shù)據(jù)建立計(jì)算機(jī)三維數(shù)字模型，或者利用藻酸鹽、硅橡膠等獲取患者患者石膏模型，采用光柵掃描、點(diǎn)云配準(zhǔn)、網(wǎng)格曲面重建技術(shù)建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)三維數(shù)字模型；其次，在計(jì)算機(jī)上對建立的三維數(shù)字模型進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)（如牙齒矯正、種植導(dǎo)板、骨缺損修補(bǔ)、骨錯位校正等）

2、及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可視化模擬治療過程（如虛擬排牙、虛擬骨正位、虛擬打孔以及虛擬夾板模型等），以確定最佳的治療方案；然后，利用3D打印技術(shù)制造出符合患者個體特質(zhì)的專用樹脂模型，供醫(yī)生術(shù)前針對個體特質(zhì)研究治療方案、進(jìn)行手術(shù)擬實(shí)練習(xí)、制作專用夾板、橋架等或術(shù)中當(dāng)做定位導(dǎo)向模板，可以明顯提高手術(shù)質(zhì)量、減少臨床時間、降低醫(yī)生勞動強(qiáng)度以及病人的痛苦，或者直接利用熱壓膜成型技術(shù)制作透明牙齒矯治器，交給患者佩戴，實(shí)現(xiàn)牙齒隱形無托槽矯治，與弓絲矯治器相比，具有舒適、美觀、衛(wèi)生、方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。 項(xiàng)目的主要創(chuàng)新點(diǎn)：1. 設(shè)計(jì)了區(qū)域標(biāo)記自動分割三維數(shù)字模型算法，采用區(qū)域選擇的標(biāo)記方式，用相鄰兩面片的彎曲程度函數(shù)作為對應(yīng)

3、的高度場函數(shù)，三角面片直接插入隊(duì)列，完成STL模型的分割, 提高運(yùn)算和分割效率，并應(yīng)用該算法實(shí)現(xiàn)了單顆或多顆牙齒從三維牙頜模型中的自動分割。2. 提出一種基于灰度特征搜索匹配點(diǎn)的斷層圖像層間插值算法，根據(jù)插值點(diǎn)相鄰層鄰近點(diǎn)的灰度值選擇參考點(diǎn)，以參考點(diǎn)為依據(jù)在另一相鄰層圖像某區(qū)域內(nèi)搜索與參考點(diǎn)灰度相近并且距離較小的匹配點(diǎn)，利用參考點(diǎn)和匹配點(diǎn)灰度值以及距離關(guān)系計(jì)算插值點(diǎn)灰度值，提高在體骨骼模型的三維重建精度，并應(yīng)用該算法實(shí)現(xiàn)了手骨建模精度的提高。3. 建立了以多模式融合數(shù)據(jù)采集、個性化輔助器具精確設(shè)計(jì)、立體光固化快速制造技術(shù)為核心的光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)體系，并成功應(yīng)用于牙齒隱形矯治、個性化

4、口腔種植導(dǎo)板、骨科輔助手術(shù)導(dǎo)板和指掌關(guān)節(jié)在體修復(fù)。4、提出一種非均勻厚度壓膜治療器三維模型構(gòu)建方法：借助三維掃描技術(shù)分別建立原骨模型與帶治療器的模型，將兩個數(shù)字模型進(jìn)行布爾運(yùn)算后得到治療器的三維數(shù)字模型，比傳統(tǒng)等厚度模型更符合實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻(xiàn)河北科技大學(xué)創(chuàng)新推廣貢獻(xiàn)：建立了以多模式融合數(shù)據(jù)采集、個性化輔助器具精確設(shè)計(jì)、立體光固化快速制造技術(shù)為核心的光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)體系；設(shè)計(jì)了區(qū)域標(biāo)記自動分割三維數(shù)字模型算法，提高了運(yùn)算效率和分割準(zhǔn)確率；提出了一種基于灰度特征搜索匹配點(diǎn)的斷層圖像層間插值算法，提高了在體骨骼模型的三維重建精度；提出了一種非均勻厚度壓膜治療器三維

5、模型構(gòu)建方法，比傳統(tǒng)等厚度模型更符合實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。負(fù)責(zé)所有個性化醫(yī)療器具的設(shè)計(jì)與制作。石家莊市第一醫(yī)院在牙齒隱形矯治技術(shù)的研究中，主要在臨床適應(yīng)患者選擇、牙頜石膏模型信息采集、患者矯治方案設(shè)計(jì)、隱形矯正器材料選擇及臨床應(yīng)用方面為項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)。在牙齒種植導(dǎo)板技術(shù)的研究中，主要在適應(yīng)癥患者選擇、CT圖像采集、種植位置和骨量條件評估、種植方案規(guī)劃設(shè)計(jì)、種植導(dǎo)板的臨床實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用等方面做出貢獻(xiàn)。河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院主要貢獻(xiàn)：選擇合適病例，通過CT等手段獲取患者損傷或病變后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從臨床應(yīng)用的角度提出模型、導(dǎo)板設(shè)計(jì)要求，與河北科技大學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)個性化數(shù)字模型、專用導(dǎo)板等。將河北科技大學(xué)3D打印的的實(shí)體模

6、型和專用導(dǎo)板用于臨床，完成治療方案的確定和臨床手術(shù)等工作。石家莊市第三醫(yī)院從臨床需要求出發(fā)，依據(jù)患者創(chuàng)傷的個性化需要，進(jìn)行患者CT數(shù)據(jù)采集，提出導(dǎo)板設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行骨科手術(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，利用3D打印骨骼模型及手術(shù)導(dǎo)板進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，完成復(fù)雜解剖部位3D打印導(dǎo)板指引下的骨折復(fù)位內(nèi)固手術(shù)等方面的工作。推廣應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)社會效益情況本項(xiàng)目已在石家莊市第一、二、三、五醫(yī)院、河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院、保定二醫(yī)院、石家莊白求恩國際和平醫(yī)院、河北省口腔醫(yī)院8家醫(yī)院以及50余家口腔診所得到廣泛應(yīng)用，治愈800余病例，受到廣大醫(yī)生和患者的好評。本項(xiàng)目主要是將3D打印技術(shù)、逆向工程技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于牙齒隱形矯治、

7、口腔種植、骨科導(dǎo)板以及損傷后的特異骨科模型等醫(yī)療領(lǐng)域，輔助醫(yī)生進(jìn)行方案制定、術(shù)前演練、專用器具預(yù)制等，形成針對每個患者個體差異的個性化醫(yī)療技術(shù)，以提高醫(yī)療質(zhì)量，改善醫(yī)療過程，促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，因此，具有明顯的社會效益，而經(jīng)濟(jì)效益難以明確界定。社會效益主要體現(xiàn)在：1.實(shí)體模型預(yù)演預(yù)制，明顯提高治療質(zhì)量：由于3D打印能夠按照病人的個體差異量身定制1:1的實(shí)體模型，與影像學(xué)提供的二維圖像相比，具有更清楚、直觀等明顯特點(diǎn)，醫(yī)生可以根據(jù)實(shí)體模型進(jìn)行術(shù)前集體會診，制定最佳治療方案，并可直接在實(shí)體模型上進(jìn)行術(shù)前演練，熟悉手術(shù)過程，掌握關(guān)鍵技巧，減少術(shù)中差錯，提高治療質(zhì)量。2.降低醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)依賴，顯著提高手術(shù)

8、成功率：本項(xiàng)目利用CT斷層掃描、激光三維掃描等逆向工程獲得患者病變位置的個性化數(shù)字模型，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)（如口腔種植、骨科固定的方向、位置、深度等），并利用3D打印制作專用的符合患者特異個體的手術(shù)導(dǎo)板。利用這些導(dǎo)板輔助醫(yī)生手術(shù)，不僅可以使得手術(shù)精準(zhǔn)，避免誤差，保證質(zhì)量，提高成功率，而且使得手術(shù)簡單、快速，降低醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)依賴度。3.大大減少手術(shù)時間，減輕患者的痛苦：骨科修復(fù)常常需要借助夾板、橋架以及特制專用器具等。以往需要在手術(shù)室根據(jù)病人的實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場適配，鋸、銼、鉆、彎等會耽誤很多時間，患者長時間等待非常痛苦，還需要不停輸血。借助3D打印的符合病人個體特制的實(shí)體

9、模型，可以提前將需要的相關(guān)器具準(zhǔn)備好，術(shù)中直接安裝固定。所以可以大大減少手術(shù)時間，減輕患者痛苦，節(jié)省成本。4.減輕醫(yī)生勞動強(qiáng)度，降低因疲勞產(chǎn)生差錯的幾率：以往稍復(fù)雜的手術(shù)常常需要幾個、十幾個甚至幾十個小時，不僅病人痛苦，醫(yī)生也非常辛苦。借助3D打印的符合患者實(shí)際情況的實(shí)體模型可以預(yù)先完成以往只能在術(shù)中進(jìn)行的許多工作，可以大幅度減少醫(yī)生長時間連續(xù)工作，降低由于醫(yī)生過度疲勞影響手術(shù)質(zhì)量等情況發(fā)生的概率。5.擴(kuò)大治療范圍，提高手術(shù)成功率：有時因部分患者自身身體素質(zhì)欠佳，無法承受太長時間的手術(shù)過程而導(dǎo)致不能進(jìn)行手術(shù)治療，也可能手術(shù)時間過長引起其他病變。如果采用3D打印的實(shí)體模型進(jìn)行了術(shù)前充分準(zhǔn)備，大幅

10、度縮短術(shù)中時間，就有助于這些患者治療，減少手術(shù)副作用，提高成功率。6.便于醫(yī)患溝通，減少醫(yī)患糾紛： 通過逆向工程技術(shù)建立的計(jì)算機(jī)三維數(shù)字模型與患者實(shí)際情況吻合度很好，而且非常直觀。不僅方便醫(yī)生與設(shè)計(jì)者溝通，而且也方便醫(yī)生與患者或患者家屬溝通，讓患者及患者家屬事先了解治療方案甚至治療結(jié)果，從而獲得患者及患者家屬的理解，減少醫(yī)患糾紛。7.牙齒隱形矯治技術(shù)對患者具有美觀、舒適、方便、衛(wèi)生、減少復(fù)診次數(shù)以及可預(yù)知矯治結(jié)果等顯著優(yōu)越性，對醫(yī)生則具有降低經(jīng)驗(yàn)依賴、避免盲目性、減少椅旁時間、降低勞動強(qiáng)度等明顯優(yōu)點(diǎn)。代表性論文專著目錄1. 岳彥芳, 魏斌, 楊光, 張永弟,王金業(yè). Study on the

11、Acquisition Method of a Digital Model for Oral Cavity Teeth Based on Point CloudJ. Advanced Materials Research, 2011, 189-193(6):887-890.（EI 收錄） 2. 楊光, 岳彥芳,張永弟,吳松和, 王揚(yáng).A dental model segmentation algorithm for Invisalign software. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research. 2014, 06(07): 401-40

12、8（EI收錄）3. 張永弟，岳彥芳，楊光，申振華. 提高CT圖像手骨模型重建精度的方法J. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 29(10):1802-1806. （EI收錄）4. 岳彥芳, 王揚(yáng), 張永弟, 楊 光，王巧玲. 隱形牙齒矯治器的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)J. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(5):686-690.5. 李博, 黃伶俐, 李雅, 王輝, 高仲群. 無托槽隱形矯治器聯(lián)合開窗助萌矯治安氏I類錯頜畸形一例J.中華口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2014, 49(1): 61-62. 6. 穆衛(wèi)廬，常軍英，賈東昭等. 3D打印手術(shù)導(dǎo)板引導(dǎo)骶髂螺釘置入的手術(shù)技術(shù)介紹J.中華骨科雜志, 201

13、5, 35(7):767-773.7. 楊光,鄧飛,張永弟,王巧玲.利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨盆骨折手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制造J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2017(1):201-204. 8. 岳彥芳, 王揚(yáng), 張永弟. The Construction of Finite Element Model of Invisible Appliance of Inhomogeneous Thickness by Reverse Engineering TechnologyJ. Applied Mechanics & Materials, 2015, 741:254-257.主要知識產(chǎn)權(quán)證明目錄1. 楊光,張潤

14、生,岳彥芳,張永弟.一種用于植牙的新型導(dǎo)向裝置P.中國: ZL 2016 2 0985764.52. 岳彥芳，張永弟，王揚(yáng)，楊光.一種多功能隱形牙齒矯治器收納盒P. 中國: ZL2013 2 0772658.5.主要完成人情況表（排名、姓名、技術(shù)職稱、工作單位、對本項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)、曾獲獎勵情況）排名姓名技術(shù)職稱工作單位完成單位貢獻(xiàn)曾獲獎情況1岳彥芳教授河北科技大學(xué)河北科技大學(xué)提出總體方案，建立技術(shù)體系及平臺，參與全部技術(shù)內(nèi)容研究、設(shè)計(jì)與試制、實(shí)驗(yàn)省部級科技進(jìn)步二等獎5項(xiàng)，三等獎1項(xiàng)；市級科技進(jìn)步一等獎2項(xiàng)，二等獎1項(xiàng)。2楊 光教授河北科技大學(xué)河北科技大學(xué)作為主要人員完成了光固化3D打印個性

15、化醫(yī)療技術(shù)體系的構(gòu)建及應(yīng)用，區(qū)域標(biāo)記自動分割三維數(shù)字模型算法設(shè)計(jì)和基于灰度特征搜索匹配點(diǎn)的斷層圖像層間插值算法設(shè)計(jì)河北省科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)，三等獎1項(xiàng)。3張永弟副教授河北科技大學(xué)河北科技大學(xué)參與了項(xiàng)目的整個研究工作，主要進(jìn)行了無托槽隱形矯治技術(shù)流程的規(guī)劃，牙頜模型的數(shù)據(jù)采集，非均勻厚度、覆蓋全牙列的透明壓膜矯正器三維模型的構(gòu)建，基于CT圖像提高骨骼模型重建精度算法的研究；個性化醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板和種植導(dǎo)板的制作等工作。河北省科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，三等獎1項(xiàng)；石家莊市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)。4李博主治醫(yī)師石家莊市第一醫(yī)院石家莊市第一醫(yī)院主要進(jìn)行了無托槽隱形矯治技術(shù)的病例選型、采集模型，協(xié)同確定3D排牙

16、方案和對牙齒移動預(yù)測，指導(dǎo)患者佩戴隱形矯治器，提出矯治方案改良等。石家莊市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)。5朱曉光教授/主任醫(yī)師河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院主要負(fù)責(zé)骨損傷病例選型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、協(xié)同設(shè)計(jì)三維模型及導(dǎo)板，并將其應(yīng)用于手指關(guān)節(jié)臨床實(shí)踐。6侯振偉副主任醫(yī)師石家莊第一醫(yī)院石家莊第一醫(yī)院口腔種植導(dǎo)板病例選型、設(shè)計(jì)及臨床應(yīng)用石家莊市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)。7穆衛(wèi)廬主治醫(yī)師石家莊市第三醫(yī)院石家莊市第三醫(yī)院從臨床需要求出發(fā)，依據(jù)患者個性化需要，協(xié)助設(shè)計(jì)骨科手術(shù)導(dǎo)板，采集臨床資料并提出設(shè)計(jì)需求。結(jié)合3D打印模型及手術(shù)導(dǎo)板進(jìn)行臨床預(yù)實(shí)驗(yàn)，完成復(fù)雜解剖部位3D打印導(dǎo)板指引下的骨折復(fù)位內(nèi)固定手

17、術(shù)。石家莊市科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)。完成人合作關(guān)系說明在本項(xiàng)目研究中，岳彥芳為發(fā)起人和總負(fù)責(zé)人，提出項(xiàng)目的總體方案（包括研究內(nèi)容、確定技術(shù)方案、任務(wù)分配等），主要負(fù)責(zé)光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)體系的構(gòu)建，參與全部技術(shù)內(nèi)容研究、討論等。楊光、張永弟主要承擔(dān)具體技術(shù)的研究，其中楊光重點(diǎn)負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論研究（如區(qū)域標(biāo)記自動分割三維數(shù)字模型算法設(shè)計(jì)和基于灰度特征搜索匹配點(diǎn)的斷層圖像層間插值算法設(shè)計(jì)）和種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)體系的建立，張永弟重點(diǎn)負(fù)責(zé)隱形矯治技術(shù)流程設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究（如牙頜模型的數(shù)據(jù)采集，非均勻厚度壓膜矯治器的三維模型構(gòu)建，基于CT圖像提高骨骼模型重建精度算法的研究等），并主要負(fù)責(zé)個性化醫(yī)療器具

18、的3D打印。李博主要負(fù)責(zé)隱形矯治技術(shù)的病例選型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、協(xié)同確定3D排牙方案、臨床指導(dǎo)患者佩戴、觀察修正治療過程等。朱曉光、穆衛(wèi)廬主要負(fù)責(zé)骨損傷病例選型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、協(xié)同設(shè)計(jì)三維模型及導(dǎo)板，并將其應(yīng)用于骨科修復(fù)臨床實(shí)踐。侯振偉主要負(fù)責(zé)口腔種植導(dǎo)板病例選型、設(shè)計(jì)及臨床應(yīng)用。岳彥芳、楊光、張永弟、李博、侯振偉曾合作完成石家莊市科技局項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)輔助激光快速成型壓膜矯正器及臨床應(yīng)用研究”。岳彥芳、朱曉光、楊光、張永弟曾合作完成石家莊市科技局項(xiàng)目“快速成型技術(shù)在人體關(guān)節(jié)部分缺損修復(fù)中的應(yīng)用研究”。完成人合作關(guān)系情況匯總表序號合作方式合作者/項(xiàng)目排名合作時間合作成果備注1論文合著楊 光/21997年至今代表性論文1，2，3，4見論文目錄2共同知識產(chǎn)權(quán)楊 光/21997年至今主要知識產(chǎn)權(quán)1，2見知識產(chǎn)權(quán)目錄3共同完成課題楊 光/22009年2012年計(jì)算機(jī)輔助激光快速成型壓膜矯正器及臨床應(yīng)用研究4共同完成課題楊 光/22012年2015年快速成型技術(shù)在人體關(guān)節(jié)部分缺損修復(fù)中的應(yīng)用研究5共同完成課題楊 光/22009年2018年光固化3D打印個性化醫(yī)療技術(shù)及應(yīng)用6論文合著張永弟/32005年至今代表性論文1，2，3，4，8見論文目錄7共同知識產(chǎn)權(quán)張永弟/32005年至今主要知識產(chǎn)權(quán)1