港大牙医学院研发智能制造牙冠核心技术

港大牙医学院研发智能制造牙冠核心技术

香港大学（港大）牙医学院以生成式人工智能（generative AI）结合现有牙科制造技术，研发出智能制造（smart manufacturing）牙冠的核心技术，精准制造切合病者天然牙齿形态特征和生物力学性能的个人化牙冠，作牙科临床医疗应用。

 天然牙齿（左）与生成式AI设计的牙冠（右）比较。
研究团队由港大牙医学院牙科物质学副教授徐杰汉博士带领，与工程学院计算器科学系跨学科合作，旨在推动全新一代智能制造义齿（假牙）工作流程的跃进。

港大牙醫學院牙科物質學研究團隊成員: (左起) 博士後研究員丁豪博士、首席研究員徐傑漢博士、博士生陳彥凝
新技术已在学术期刊《Dental Materials》发表，文章题为「3D-DCGAN设计牙冠的形态和机械性能表征」。

研究团队成员丁豪博士利用研发的智能核心技术设计个人化牙冠。（小图）由生成式AI设计的牙冠
目前设计及制造假牙主要依赖『计算机辅助设计和制造（Computer-Aided Design and Manufacturing, CAD/CAM）』数码化工作流程，牙科制成品较以往有显著提升，但过程中仍涉及大量人手和时间，制造假牙的过程会产生有害气体或粉尘，危害牙科从业员健康和环境。现时CAD软件主要利用「牙齿库」中储存的牙冠模型，协助假牙的设计，然后牙科技师需根据个人的经验和知识，进一步调整假牙以切合患者口腔的实际情况。
港大研究团队开发的生成式人工智能牙科义齿设计算法，采用真正的三维深度学习方法，设计并生产高准确度模仿天然牙齿形态特征的牙冠，既能迎合不同人士的需要，同时具备与牙科陶瓷力学特性匹配的生物力学特征。
「我们使用3D-DCGAN（(3D-Deep Convolutional Generative Adversarial Network，三维深度卷积生成对抗网络）方法，利用超过600个健康的天然牙齿案例来『教导』人工智能甚么是好的设计，透过生成器和鉴别器之间的内部竞争来提高设计质量。在训练过程中，AI学习了天然牙齿形态特征，例如牙尖角和牙齿沟槽，因此能设计出形态和功能均能比拟天然牙齿的牙冠。」项目共同研究员丁豪博士解释说。
团队将利用AI算法设计的牙冠，与天然牙齿，以及由CAD软件和牙科技师设计的两种常规方法制成的牙冠作比较。结果显示，与天然牙齿相比，利用新AI算法设计的牙冠具有最低的三维偏差，以及最接近的牙尖角度（形态特征）和咬合接触点数量及面积（功能特征），与天然牙齿的形态特征非常接近。研究结果亦显示，根据生物力学有限元疲劳分析显示，利用二硅酸锂（lithium disilicate）陶瓷作为原材料，结合AI生成的假牙，与天然牙齿的预期寿命估计最贴近，而使用其他两种现有方法设计的牙冠，分别过大或过薄，均不接近天然牙齿的预期寿命。
研究结果表明，利用3D-DCGAN设计高精度的个性化牙冠，不仅能模仿天然牙齿的形态和生物力学性能，同时不需技师调整以适应患者口腔情况，从而节省了人力成本。
「许多AI设计仅能设计出『看起来像牙齿』的产品，我们的研究作为将数据驱动的AI算法功能转化为实际产品的先驱，研究成果有助推动智能牙科制造产业的发展，以应对香港老龄化社会所面临的挑战。」首席研究员徐杰汉博士说。徐博士指出，目前全球25 - 30%的口腔义齿在大湾区生产，每年收入大约33亿美元，研究团队研发的智能制造义齿的核心技术，配合国家『十四五』发展新形式工业化和信息化（即智能制造）的规划，有望进一步推动大湾区的牙科产业发展。
研究的临床试验正在进行中，团队正研究扩大这技术在其他牙科修复领域（如设计牙桥和牙托）的应用。
研究获优配研究金（General Research Fund, GRF）、创新及科技基金（Innovation and Technology Fund, ITF）和卫生及医疗卫生研究基金（Health and Medical Research Fund, HMRF）支持，其初步结果由丁豪博士在2021年第35届牙科研究国际协会（东南亚分会）上发表，并获协会颁发研究类别奖（牙科材料和生物材料类别）。
请按此阅览发表在《Dental Materials》题为「3D-DCGAN设计牙冠的形态和机械性能表征」（Morphology and mechanical performance of dental crown designed by 3D-DCGAN）的文章。
研究团队
香港大学牙医学院
首席研究员
牙科物质学副教授徐杰汉博士
共同研究员
牙科物质学博士后研究员丁豪博士
牙科物质学博士生陈彦凝
牙科物质学名誉教授马裕褀教授
修复齿科学临床副教授鲍浩能医生
修复齿科学临床教授Michael Francis Burrow医生
香港大学工程学院
计算器科学系博士生崔智铭
计算器科学系荣休教授王文平教授
卓克索大学 - 机械工程与力学系博士生Ebrahim Maghami