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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
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