光固化3D打印个性化医疗技术及应用-石家庄第一医院

1、科技进步奖推荐号:项目名称光固化3D打印个性化医疗技术及应用提名单位河北省教育厅项目简介基于光固化3D打印技术、逆向工程技术和计算机辅助设计技术，研究了隐形牙齿矫治、牙齿种植导板、辅 助骨科手术等个性化医疗技术，建立了完整的技术体系，并在临床实践中得到广泛应用。首先，利用CT扫描在体获取患者个性化的骨科断层信息（如骨惭裂、缺损、病变、错位等），通过CT断层数据建立计算机三维数字模型，或者利用藻酸盐、硅橡胶等获取患者患者石膏模型，采用光栅扫描、点云配准、网格曲面重建技术建立 相应的计算机三维数字模型；其次，在计算机上对建立的三维数字模型进行个性化设计（如牙齿矫正、种植导 板、骨缺损修补、骨错位校

2、正等）及虚拟现实技术可视化模拟治疗过程（如虚拟排牙、虚拟骨正位、虚拟打孔 以及虚拟夹板模型等），以确定最佳的治疗方案；然后，利用 3D打印技术制造出符合患者个体特质的专用树脂 模型，供医生术前针对个体特质研究治疗方案、进行手术拟实练习、制作专用夹板、桥架等或术中当做定位导 向模板，可以明显提高手术质量、减少临床时间、降低医生劳动强度以及病人的痛苦，或者直接利用热压膜成 型技术制作透明牙齿矫治器，交给患者佩戴，实现牙齿隐形无托槽矫治，与弓丝矫治器相比，具有舒适、美观、 卫生、方便等显著优点。项目的主要创新点：1 .设计了区域标记自动分割三维数字模型算法，采用区域选择的标记方式，用相邻两面片的弯曲

3、程度函数 作为对应的高度场函数，三角面片直接插入队列，完成 STL模型的分割，提高运算和分割效率，并应用该算法 实现了单颗或多颗牙齿从三维牙颌模型中的自动分割。2 .提出一种基于灰度特征搜索匹配点的断层图像层间插值算法，根据插值点相邻层邻近点的灰度值选择参 考点，以参考点为依据在另一相邻层图像某区域内搜索与参考点灰度相近并且距离较小的匹配点，利用参考点 和匹配点灰度值以及距离关系计算插值点灰度值，提高在体骨骼模型的二维重建精度，并应用该算法实现了手 骨建模精度的提高。3 .建立了以多模式融合数据采集、个性化辅助器具精确设计、立体光固化快速制造技术为核心的光固化 3D 打印个性化医疗技术体系，并

4、成功应用于牙齿隐形矫治、个性化口腔种植导板、骨科辅助手术导板和指掌关节 在体修复。4、提出一种非均匀厚度压膜治疗器三维模型构建方法：借助三维扫描技术分别建立原骨模型与带治疗器的 模型，将两个数字模型进行布尔运算后得到治疗器的三维数字模型，比传统等厚度模型更符合实际结构特点。主要完成单位及创新推广贡献推广应用及经济社会效益情况河北科技大学创新推广贡献：建立了以多模式融合数据采集、个性化辅助器具精确设计、立体光固化快速制 造技术为核心的光固化3D打印个性化医疗技术体系；设计了区域标记自动分割三维数字模型算法，提高了运算 效率和分割准确率；提出了一种基于灰度特征搜索匹配点的断层图像层间插值算法，提高

5、了在体骨骼模型的三维重建精度；提出了一种非均匀厚度压膜治疗器三维模型构建方法，比传统等厚度模型更符合实际结构特点。 负责所有个性化医疗器具的设计与制作。石家庄市第一医院在牙齿隐形矫治技术的研究中，主要在临床适应患者选择、牙颌石膏模型信息采集、患者 矫治方案设计、隐形矫正器材料选择及临床应用方面为项目做出贡献。在牙齿种植导板技术的研究中，主要在适应症患者选择、CT图像采集、种植位置和骨量条件评估、种植方案规划设计、种植导板的临床实验与应用等方 面做出贡献。河北医科大学第三医院主要贡献：选择合适病例，通过 CT等手段获取患者损伤或病变后的基础数据，从临 床应用的角度提出模型、导板设计要求，与河北科

6、技大学协同设计个性化数字模型、专用导板等。将河北科技大 学3D打印的的实体模型和专用导板用于临床，完成治疗方案的确定和临床手术等工作。石家庄市第三医院从临床需要求出发，依据患者创伤的个性化需要，进行患者CT数据采集，提出导板设计需求，进行骨科手术的规划设计，利用 3D打印骨骼模型及手术导板进行临床实验，完成复杂解剖部位3D打印导板指引下的骨折复位内固手术等方面的工作。本项目已在石家庄市第一、二、三、五医院、河北医科大学第三医院、保定二医院、石家庄白求恩国际和平 医院、河北省口腔医院8家医院以及50余家口腔诊所得到广泛应用，治愈 800余病例，受到广大医生和患者的 好评。本项目主要是将3D打印技

7、术、逆向工程技术以及计算机辅助设计技术应用于牙齿隐形矫治、口腔种植、骨 科导板以及损伤后的特异骨科模型等医疗领域，辅助医生进行方案制定、术前演练、专用器具预制等，形成针对 每个患者个体差异的个性化医疗技术，以提高医疗质量，改善医疗过程，促进医疗技术的发展，因此，具有明显 的社会效益，而经济效益难以明确界定。社会效益主要体现在：1 .实体模型预演预制，明显提高治疗质量： 由于3D打印能够按照病人的个体差异量身定制 1:1的实体模型， 与影像学提供的二维图像相比，具有更清楚、直观等明显特点，医生可以根据实体模型进行术前集体会诊，制定 最佳治疗方案，并可直接在实体模型上进行术前演练，熟悉手术过程，掌

8、握关键技巧，减少术中差错，提高治疗 质量。2 .降低医生经验依赖，显著提高手术成功率：本项目利用CT断层扫描、激光三维扫描等逆向工程获得患者病变位置的个性化数字模型，利用计算机辅助设计技术在计算机上进行可视化设计（如口腔种植、骨科固定的方向、位置、深度等），并利用3D打印制作专用的符合患者特异个体的手术导板。利用这些导板辅助医生手术， 不仅可以使得手术精准，避免误差，保证质量，提高成功率，而且使得手术简单、快速，降低医生经验依赖度。3 .大大减少手术时间、减轻患者的痛苦： 骨科修复常常需要借助夹板、桥架以及特制专用器具等。以往需要在手术室根据病人的实际情况进行现场适配，锯、锂、钻、弯等会耽误很

9、多时间，患者长时间等待非常痛苦，还 需要不停输血。借助3D打印的符合病人个体特制的实体模型，可以提前将需要的相关器具准备好，术中直接安 装固定。所以可以大大减少手术时间，减轻患者痛苦，节省成本。4 .减轻医生劳动强度，降低因疲劳产生差错的几率： 以往稍复杂的手术常常需要几个、十几个甚至几十个小 时，不仅病人痛苦，医生也非常辛苦。借助 3D打印的符合患者实际情况的实体模型可以预先完成以往只能在术 中进行的许多工作，可以大幅度减少医生长时间连续工作，降低由于医生过度疲劳影响手术质量等情况发生的概 率。5 .扩大治疗范围，提高手术成功率： 有时因部分患者自身身体素质欠佳，无法承受太长时间的手术过程而

10、导 致不能进行手术治疗，也可能手术时间过长引起其他病变。如果采用 3D打印的实体模型进行了术前充分准备， 大幅度缩短术中时间，就有助于这些患者治疗，减少手术副作用，提高成功率。6 .便于医患沟通，减少医患纠纷：通过逆向工程技术建立的计算机三维数字模型与患者实际情况吻合度很好，而且非常直观。不仅方便医生与设计者沟通，而且也方便医生与患者或患者家属沟通，让患者及患者家属事 先了解治疗方案甚至治疗结果，从而获得患者及患者家属的理解，减少医患纠纷。7 .牙齿隐形矫治技术对患者具有美观、舒适、方便、卫生、减少复诊次数以及可预知矫治结果等显著优越性， 对医生则具有降低经验依赖、避免盲目性、减少椅旁时间、降

11、低劳动强度等明显优点。代表性论文专著目录1 .岳彦芳，魏斌，杨光，张永弟，王金业.Study on the Acquisition Method of a Digital Model for Oral Cavity Teeth Based on Point CloudJ. Advanced Materials Research, 2011, 189-193(6):887-890.( EI 收录)2 .杨光,岳彦芳，张永弟，吴松和,王扬.A dental model segmentation algorithm for Invisalign software. Journal of Chemic

12、al and Pharmaceutical Research. 2014, 06(07): 401-408 EI 收录)3 .张永弟，岳彦芳，杨光，中振华.提高CT图像手骨模型重建精度的方法J.计算机辅助设计与图形学学报，2017, 29(10):1802-1806. (EI收录)4 .岳彦芳，王扬，张永弟，杨光，王巧玲.隐形牙齿矫治器的有限元分析及优化设计J.图学学报，2015, 36(5):686-690.5 .李博，黄伶俐，李雅，王辉，高仲群.无托槽隐形矫治器联合开窗助萌矫治安氏I类错颌畸形一例J.中华口腔医学杂志，2014,49(1): 61-62.6 .穆卫庐，常军英，贾东昭等.3D

13、打印手术导板引导既骼螺钉置入的手术技术介绍J.中华骨科杂志，2015, 35:767-773.7 .杨光,邓飞,张永弟，王巧玲.利用3D打印技术实现骨盆骨折手术导板的设计制造J.机械设计与制造，2017(1):201-204.8 .岳彦芳,王扬,张永弟.The Construction of Finite Element Model of Invisible Appliance of Inhomogeneous Thickness by Reverse Engineering TechnologyJ. Applied Mechanics & Materials, 2015, 741:2

14、54-257.主要知识产权证明目录1.杨光，张润生，岳彦芳，张永弟.一种用于植牙的新型导向装置P.中国：ZL 2016 2 0985764.52.岳彦芳，张永弟，王扬，杨光.一种多功能隐形牙齿矫治器收纳盒P.中国：ZL2013 2 0772658.5.主要完成人情况表（排名、姓名、技术职称、工作单位、对本项目技术创造性贡献、曾获奖励情况）排名姓名技术职称工作单位完成单位贝献曾获奖情况1岳彦若教授河北科技 大学河北科技 大学提出总体方案，建立技术体系及平台，参与全部技术 内咨研究、设计与试制、实验省部级科技进步二等奖 5 项，三等奖1项；市级科 技出等奖2项，二等 奖1项。2杨光教授河北科技 大

15、学河北科技 大学作为主要人员完成了光固化3D打印个性化医疗技术 体系的构建及应用，区域标记自动分割三维数字模型 算法设计和基于灰度特征搜索匹配点的断层图像层间 插值算法设计河北省科技进步二等奖 2 项，三等奖1项。3张永弟副教授河北科技 大学河北科技 大学参与了项目的整个研究工作，主要进行了无托槽隐形 矫治技术流程的规划，牙颌模型的数据采集，非均匀 厚度、覆盖全牙列的透明压膜矫正器三维模型的构建， 基于 CT图像提高骨骼模型重建精度算法的研究；个 性化医疗模型、手术导板和种植导板的制作等工作。河北省科技进步二等奖1 项，三等奖1项；石家庄市 科技进步二等奖1项。4李博主治医师石家庄市 第一医院

16、石家庄市 第一医院主要进行了无托槽隐形矫治技术的病例选型、米集模 型，协同确定3D排牙方案和对牙齿移动预测，指导 患者佩戴隐形矫治器，提出矫治方案改良等。石家庄市科技进步二等奖1项。5朱晓光教授/主任 医师河北医科 大学第三 医院河北医科 大学第三 医院主要负责骨损伤病例选型、基础数据采集、协同设计 三维模型及导板，并将其应用于手指关节临床实践。6侯振伟副主任 医师石家庄第 一医院石家庄第 一医院口腔种植导板病例选型、设计及临床应用石家庄市科技进步二等奖 1项、三等奖1项。7穆卫庐主治医师石家庄巾 第三医院石家庄巾 第三医院从临床需要求出发，依据患者个性化需要，协助设计 骨科手术导板，采集临床

17、资料并提出设计需求。结合 3D打印模型及手术导板进行临床预实验，完成复杂解 剖部位3D打印导板指引下的骨折复位内固定手术。石家庄市科技进步二等奖 1项。完成人合作关系说明在本项目研究中，岳彦芳为发起人和总负责人，提出项目的总体方案（包括研究内容、确定技术方案、任务分配等），主要负责 光固化3D打印个性化医疗技术体系的构建，参与全部技术内容研究、讨论等。杨光、张永弟主要承担具体技术的研究，其中杨光重点 负责基础理论研究（如区域标记自动分割三维数字模型算法设计和基于灰度特征搜索匹配点的断层图像层间插值算法设计）和种植导 板设计体系的建立，张永弟重点负责隐形矫治技术流程设计及相关关键技术的研究（如牙

18、颌模型的数据采集，非均匀厚度压膜矫治器 的三维模型构建，基于CT图像提高骨骼模型重建精度算法的研究等），并主要负责个性化医疗器具的3D打印。李博主要负责隐形矫治技术的病例选型、基础数据采集、协同确定 3D排牙方案、临床指导患者佩戴、观察修正治疗过程等。朱晓光、穆卫庐主要负责骨损 伤病例选型、基础数据米集、协同设计三维模型及导板，并将其应用于骨科修复临床实践。侯振伟主要负责口腔种植导板病例选型、 设计及临床应用。岳彦芳、杨光、张永弟、李博、侯振伟曾合作完成石家庄市科技局项目“计算机辅助激光快速成型压膜矫正器及临床应用研究”。 岳彦芳、朱晓光、杨光、张永弟曾合作完成石家庄市科技局项目“快速成型技术

19、在人体关节部分缺损修复中的应用研究”。完成人合作关系情况汇总表厅P合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果备注1论文合著杨光/21997年至今代表性论文1, 2, 3, 4见论文目 录2共同知识产权杨光/21997年至今主要知识产权1, 2见知识产 权目录3共同完成课题杨光/22009 年一2012 年计算机辅助激光快速成型压膜矫正器及临床应用研究4共同完成课题杨光/22012 年一2015 年快速成型技术在人体关节部分缺损修复中的应用研究5共同完成课题杨光/22009 年一2018 年光固化3D打印个性化医疗技术及应用6论文合著张永弟/32005年至今代表性论文1, 2, 3, 4, 8见论文目 录7共同知识产权张永弟/32005年至今主要知识产权1, 2见知识产 权目录8共同完成课题