【关键词】快速原型技术；口腔医学
快速原型技术是根据计算机上构造的三维模型，采用“分层制造、逐层增加”的加工原理，在短时间制造出实体零件、产品样品或磨具等，集中体现了计算机的辅助设计、数控、激光加工等多学科、多技术的综合应用。快速原型技术出现在20世纪80年代，发展迅速，一般用于机械制造，但随着医学的不断发展，在口腔医学上的应用由小荷初角逐渐展露光芒。
1快速原型技术
1.1快速原型技术的原理快速原型技术是采用离散/堆积成型的原理，根据不同的工艺要求采用三维CAD模型，按照一定厚度将模型进行分层，这样就三维数字模型就可以被转化成厚度很薄的二维平面模型。为了使之具有自动化，再将数据进行一定的处理，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工的方式连续加工出每个薄层，同时使之粘接而形成的。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层的离散叠加，从底到顶层完成零件的制作过程。
该技术方法是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制作技术、材料去除成形、材料增加成型技术以及他们的集合的总称。
快速原型技术的工作原理可以用几个步骤概括，为切片、扫描、进给和后处理。
1.2快速原型技术的分类及特点快速原型技术的方法有很多种类，应用比较好的有立体光固化成型法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、选择性激光烧结法（SLS）、熔融沉积成型（FDM）等。
立体光固化成型法（SLA）是通过计算机控制激光束，使液槽中的光敏树脂在激光的照射下能够快速的固化，形成了一层与截面相同的轮廓；接着工作台下降，当降到第二层切面，重复上述过程，就形成了第二层截面；不断重复以上过程就可完成整个的零件。这种方法获得的零件精度和表面质量都比较好。
分层实体制造法（LOM）由热压辊将薄型的材料加热联接，再通过CO2激光束裁成想要的层的形状。这种方法只能制作小模型，但其简单。
选择性激光烧结法（SLS）通过计算机控制，用激光扫描材料粉末，被扫描到的粉末就会融化，进而凝固在一起。该方法制作的零件精度高，强度也比较高。
这些方法都有其特有的优点及适用范围，作为快速原型技术其共性是：快速性，加工周期短，成本低，原料丰富，所用到的材料不限，可以制作各种形状的零件，包括复杂零件，集成化高，可自动化实现等。
这些优点使它不限于制造零件，还可以用在医学上，尤其在口腔医学领域，可以治疗颌骨的缺损等疾病。
2口腔医学中的快速原型技术
由于各种疾病的出现，以及地震、风暴等自然灾害的频频发生，人类的健康也正遭到了威胁，对器官的损失和缺失的治疗也变的严峻，随着各种技术的进步，有些传统的方法已经变得不适合社会的发展，寻找新方法成为各国面临的问题。
X射线的发现为人类提供了方便，可以通过观察体内的结构发现身体的问题，医生们凭借影像学可以对病人做出病情评估和制定相应的救治计划。但是以前的影像学只能得到二维平面图，缺乏立体感，对于一些疾病的判断和治疗也产生了一定的局限性。
通过快速原型技术并结合一些影像学如CT扫描，就可以构建三维立体实体模型，为器官损伤提供了可靠的诊断和治疗方法，降低了手术的风险，同时也减少了病人的痛苦。
近年来，快速原型技术在医学上的应用越来越广泛，在口腔医学领域也突出了其特有的优点。下面将针对一些口腔医学中的问题进行简单的介绍。
2.1口腔修复现在有很多人牙齿会出现问题，牙齿处理不好不仅影响美观，更重要的是影响我们的身体健康。利用快速原型技术可制作患者的牙冠、牙槽骨等的三维模型，再由模型设计、制作和安装义齿。
2.2口腔种植术颌骨的形态比较特殊，根据其功能的要求，颌骨面部骨性缺损的修复成为颌面外科历来的难题，而快速原型技术能够精确的制作解剖模型，这有利于颌骨缺损修复技术的发展。在颌骨缺损的治疗中，首先利用CT获取模型的三维数字模型，再利用逆向软件绘制出该数字模型，最后导入到快速成型设备中形成一个修复体。
2.3口腔矫正为了追求美观，很多人开始对牙齿、脸部进行整容或矫正，这又带动了一种技术的发展。白玉兴等人研发了一种无托槽隐形正畸矫正系统，它可以对数字化的三维牙颌骨模型进行测量，通过对数据的分析，可以得到合理的诊断结果，再将得到的数据输入到快速原型技术设备中，就可以制造的模型，再把最终的模型通过空气压缩磨机的处理就得到了一种透明的隐形矫正器。
2.4唇腭裂的修复现在许多刚出生的小孩会出现唇腭裂现象，传统的手术方法存在一些不可避免的问题，如：①通过影像学获得数据，医生凭借经验确定手术方案，这样的方式不够精确；②手术之后不能预测其效果。
通过快速原型技术，可以用逆向工程来解决这一问题。通过CT扫描或得断层数据图，根据图可以创建三维立体模型，最后，将得到的模型导入到虚拟现实软件，进行虚拟现场手术动画，这样得到的手术可以预测结果。
2.5制作口腔颌面赝复体先天性的耳廓全缺损的发病率也很高，仅次于唇腭裂。正是由于这些疾病的出现，也促使了医学的进步。焦婷等人运用CT以及快速原型技术成功的制作了义耳，这对于耳廓缺损有非常重要的利用价值。他们用多排螺旋CT扫描非缺陷侧耳部，获得完整的CT图像，再将其导入到软件中，将扫面获得的图像与缺损耳朵对应，获得相应的耳朵表面及组织形态。
3总结
综上所述，快速原型技术在口腔医学中显示了其独特的魅力，为口腔学的发展做了不少贡献，但是，目前该技术还存在一些问题，譬如，加工设备比较昂贵，一般的医疗机构还无法承受，而且目前的市民平均水平也无法接受。但相信通过努力这都不会再是问题，将来的医学发展前景会更好。
参考文献
关键词：数字化牙科治疗机
中图分类号：TH78文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)07-0203-02
现代口腔医学和牙科学是应用生物学、医学、理工学及其自然科学的理论和技术，以研究和防治口腔及颌面部疾病为主要内容的科学。口腔医学的发展与应用材料、冶金与机械、生物材料、电子学、工程技术学及美学密不可分，口腔医学的科学性质属生物医学工程的范畴。
牙科设备（dentalequipment)也叫齿科设备，是医学技术装备的组成部分，是指专门生产并（或）提供给有资格的人员在牙科学临床及（或）其相关操作步骤中使用的各种设备、机器、仪器及附件的总称。
牙科设备分类：(1)牙科综合治疗设备；(2)牙科治疗设备；(3)牙科种植设备；(4)牙科激光设备；(5)牙科诊断设备；(6)牙科X光设备；(7)牙科影像设备；(8)牙科消毒设备；(9)牙科技工设备。
数字化牙科综合治疗机属牙科综合治疗设备，它是采用工业总线测控技术、基于模块化设计的数字化口腔综合业务单元，由测量控制平台和信息处理平台组成。其中，测量控制平台是通过模块化的总线节点式功能组件实现统一的机载设备水电气执行部件控制、运行数据的实时监测反馈以及相关人机控制接口，按照这种新型结构设计的牙科综合治疗机能够根据不同型号以及不同机载设备需求任意组合而不必修改硬件驱动和控制电路板，从而在硬件上实现设备的模块化集成；信息处理平台支持在治疗过程中的重要过程和临床数据的自动记录，包括各种生命体征数据和口腔内图像数据的采集，并能够方便医生和患者与先进口腔综合治疗台的有效交互，提供远程设备故障维修诊断功能，并成为今后远程口腔诊疗的数字化终端。
1、数字化牙科综合治疗机的组成
1.1系统组成和关键模块如图一所示
该系统采用总线技术，由总线（CANBUS）将所有执行单元模块串联起来，实现部件控制和数据监测反馈等，再通过计算机进行信息处理。
1.2结构组成如图二所示
结构部分主要由主箱体、痰盂、器械盘、助手架、无线脚开关、牙科椅、手术灯和显示器等几大部分组成。
、数字化牙科综合治疗机的功能特点
2.1集成化
数字化牙科综合治疗机集成了强大的图像处理功能和生命体征监测功能。图象处理功能将数字读片机输入图像和数字内窥镜拍摄图像通过计算机处理进行图像数据显示并存储；生命体征监测系统主要进行患者心电、血压及血氧饱和度等信息的采集和显示，实时监测患者的状况。
2.2模块化
模块化设计基于总线技术的应用，所有执行单元如图一所示的C1:牙椅位置姿态驱动单元；C2：气动类手机驱动单元；C3：电动有刷手机驱动单元；C4：电动无刷手机驱动单元
C5：超声类驱动单元（如超声洁牙机、超声骨刀）；C6：接触型外部控制编码器；C7：非接触型控制输入识别编码器
以及信息采集的U1：数字内窥镜；U2：机载生命体征监测系统；U3：数字X牙片机；U4：非接触型运动图像识别输入编码器和B1蓝牙无线遥控编码器.
2.3自动化
痰盂可电动旋转，痰盂与牙科椅吐痰位的联动，当发出吐痰位指令后，牙椅靠背会自动俯起，同时痰盂自动向内旋转90度，方便患者吐痰。器械盘的电动升降以及头枕高度的电动调节都是自动化的体现。(如图3)
2.4人性化
整机根据人机工程学原理采用三维动态模拟设计，器械盘部分采用触摸式薄膜按键开关，增加了液晶显示屏，使人机交互可视化。
牙科椅的坐垫和靠背的造型是根据人体造型结合工业设计及美学原理设计，柔软舒适。牙椅位置姿态驱动模块采用了软启动技术，牙椅启动和停止时就会非常平稳。
漱口水的取水采用双重感应取水，就是在漱口水龙头座的位置设计有光电感应装置，当漱口水杯子在靠近水龙头时，就会自动向杯子注水，当水量达到设定重量时就会自动停止。
漱口水温度显示和调节，自来水缺水提示，以及强弱吸过滤网的外置设计均体现了人性化的设计理念。
2.5高安全性
作为医疗器械的数字化牙科综合治疗机，高安全性是必须的。在牙椅的下罩壳处、靠背处设有安全保护开关，在牙椅下降过程或靠背仰下过程中，当碰到障碍物时牙椅会自动停止并小幅上升或俯起以释放被压物体。
痰盂自动避让功能，由于整机采用机椅分体式结构为的是操作更加稳定，而分体式结构在牙椅上升的过程中治疗机部分是不动的，痰盂旋转到吐痰位时，正处于牙椅上方，此时系统会自动监测痰盂的位置，如果处于干涉位置，系统会自动先转动痰盂到安全位置再执行牙椅的上升动作。
管路防回吸功能和管路消毒功能，由于在治疗过程中，高速旋转的手机在其停止工作的瞬间，由于惯性的作用会在其头部形成负压，而使病人口中的唾液和血液倒吸，污染设备的内部管路。管路防回吸功能就是在手机停止工作的同时向手机体内注入压缩气，在其头部形成正压防止倒吸现象的发生。但是防回吸也不是完全能杜绝设备管路被污染，管路消毒功能就是在防回吸的基础上对设备的内部管路进行消毒，彻底防止患者与患者之间的交叉感染。
为了防止患者与医生的之间的交叉感染，就是让医生的双手在治疗过程中尽可能少的接触设备而完成对设备的操作。因为口腔疾病患者呼出的病菌随着空气的传播会附着在整个设备的表面。数字化牙科综合治疗机的非接触控制正做到了这一点，非接触红外控制器的设计，医生可以不用去接触设备，只需在红外控制器内用手中的器械做向上、向下、向左、向右的动作，系统会跟踪到以上的动作从而控制牙椅升、降、俯、仰动作（如图4）。
非接触控制方式还有无线蓝牙语音控制和虚拟光纤鼠标控制，语音控制就是通过无线蓝牙耳机向设备发出语音指令，从而控制设备的基本功能（冲洗痰盂、漱口水、手术灯的开、关等）；而虚拟光纤鼠标控制就是利用医生手中带光纤的器械在无线鼠标捕捉窗口范围内的移动，通过U4非接触型运动图像识别输入编码器可以控制显示器的指针，如同我们操作电脑一样去操控设备。
还有器械盘可消毒保护罩、可拆卸手术灯把手，可拆卸的强弱吸手柄、吸头等均可进行135℃高温高压反复消毒，使用更安全。
3、数字化牙科综合治疗机的发展前景
随着人类社会的不断发展，计算机技术的飞速进步，数字化制造技术获得了极大的发展。从产品的优化设计、智能设计、逆向工程、虚拟制造等以CAD为基础的设计制造技术方面的研究，到应用研究都异常活跃。
目前在工业发达国家，数字化制造技术与产品已经成为提高企业和产品竞争力的重要手段。在我国有些数字化产品已应用于生产生活等各个领域，如数字化显示仪表、数字化断层分析仪、CT等，其中包括数字化牙科综合治疗机。
数字化牙科综合治疗机由于采用总线技术，控制系统的硬件连接线将大大减少，可有效提高系统稳定性；采用模块化设计，可满足用户的个性化需求，针对特定功能的增加更加便捷，可实现功能扩展，全面提升产品层次；临床数据、生命体征数据将为医生提供必要的数据支持。
综上所述，数字化牙科综合治疗机无论是从技术的先进性和可靠性，还是从设计的先进理念，都已经超越了现有常规牙科治疗机。数字化牙科综合治疗机的集成化、模块化、自动化、人性化以及高安全性特点，无疑在整个齿科行业都是极富科技含量和先进理念的产品，尤其是其模块化的设计，更是为其规模化生产提供了便利，产品具有高的附加值和竞争优势，所以数字化牙科综合治疗机将主导整个齿科行业的发展。
参考文献
[1]《机械设计手册》联合编写组.北京:机械工业出版社,1998.
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[3]谭翎,车英林,黄树鹏.数字化制造技术在口腔医学中的应用[J].实用医学杂志,2007年03期.
去除式加工技术
去除式加工技术（也称减法加工技术）在工业上是指用车、铣、磨、削等方式将已成型好的材料固体坯料加工成所需形状的方法。口腔用数控加工设备考虑到其加工对象为专用牙科材料，针对牙科材料特性和制作精度的要求，常采用铣和磨的加工方式［3-4］。数控加工（numericalcontrolmachining，简称NC加工）是指用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。现有商品化的牙科数控设备，根据其切削主轴的运动特性，可进一步分为三轴、四轴、五轴等设备。这里轴的概念是指切削主轴的自由度数，主轴的自由度越多，灵活性越好，可加工模型的复杂程度也就越高。三轴数控设备适合批量加工倒凹面积小、形态相对规整的牙科模型（如基底冠桥）；四轴与五轴设备更适合加工精度要求高的复杂形态牙科模型（如解剖形态冠桥、种植基台、正畸托槽等）。典型的牙科多轴设备有CEREC3D（SIRONA公司）、EVEREST（KAVO公司）、T1（WIELAND公司）、LAVA（3M公司）等。近些年，数控加工中心这种在工业上广泛应用的主流数控机床也逐渐引入到口腔领域，它是一种功能较全面、综合加工能力较强的数控机床。
数控加工中心的特点是：机床设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具；坯料一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具、检具；机床可自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续对工件各表面进行多道工序的加工。整个加工过程，最大限度的降低了人手工操作的干预，大大提高了口腔假体的制造精度和生产效率。现有数控加工技术可加工的牙科材料包括牙科金属（贵金属、非贵金属合金、纯钛）、玻璃陶瓷和临时性复合树脂材料，特别是一些传统工艺很难加工或是无法加工的材料，比如氧化锆陶瓷材料，数控加工技术也可以实现。在金属及其合金材料的加工应用方面，数控加工技术可用来制造金属基底冠桥、覆盖义齿连接杆、正畸用个性化托槽等；在陶瓷材料方面，近年来应用广泛的二次烧结软质氧化锆材料是其主要的应用领域，可制造氧化锆基底冠桥、个性化种植基台、一体化桩核等；针对CAD/CAM椅旁系统的配套材料—玻璃陶瓷，数控加工一直是其惟一加工方式，工艺上则以磨削为主，有别于其他材料的铣削工艺，可制造嵌体、瓷贴面以及解剖式全瓷冠；另外，应用数控加工技术生产暂时性或永久性的牙科复合树脂材料，可实现个性化的即刻修复体制作。
增量式加工技术
相对数控加工的“减法加工技术，快速成型（rapidprototyping，RP）技术被称为“加法加工技术，即增量式加工技术。其原理是通过离散化将三维数字模型转变为二维数字模型的连续叠加，然后由程序控制按预先确定的顺序将成型材料一层一层堆积成型［5］。RP技术首先被应用于航天工业，用于医学领域最早始于20世纪90年代初。该技术最显著的特点就是克服了传统去除式加工技术的局限性，能够在较短时间内批量制造出各种复杂形态的工件，特别是对有内部结构设计的传统NC加工无法制造的工件，RP技术是较好的解决方案。RP技术的特性很好地适应了口腔医学假体及模型的复杂形态特征，加上其在加工速度、可靠性和成本等方面的优势，该类设备正在成为目前口腔假体及辅助装置制造技术的强力手段［6-13］。目前，应用于口腔医学的RP技术主要有以下几种：粉末材料选择性激光烧结技术（selectivelasersintering，SLS）、粉末材料选择性激光熔融制造技术（selectivelasermelting，SLM）、液态光敏树脂选择性固化技术（也称立体印刷技术，stereolithographyapparatus，SLA）、熔融沉积制造（fuseddepositionmodeling，FDM）、三维打印技术（3Dprinting，3DP）、激光近形成型技术（laserengineerednetshaping，LENS）等。
SLS和SLM技术SLS和SLM技术的成型原理相似，都是在工作台上逐层铺粉，激光束在计算机的控制下按照分层截面轮廓信息对实心部分所在的粉末进行熔融固化，逐渐形成各层轮廓，从而堆积成实体。SLS和SLM技术主要针对金属及其合金材料，装备有惰性气体保护仓的设备还可熔融烧结纯钛粉末，成型出致密度较高的纯钛工件，很好的解决了纯钛铸造缺陷的问题。现有口腔SLS和SLM设备的成型精度比初期产品已有很大提高，成型精度可达到20μm左右，完全可以满足口腔临床对制造精度的要求。但对于成型大尺寸修复体（如多单位基底桥），由于加工过程缺乏足够的外周刚性约束，金属成型过程中的残余应力可能会导致形变，影响精度。往往通过增加支撑分散应力、分段成形和软件预补偿等技术加以改善。此外，SLS和SLM设备的可成型空间往往较大，适合于批量化的大规模生产，制造效率也较数控加工好。SLS和SLM技术在口腔医学领域的主要应用包括：金属（包括纯钛及钛合金）基底冠桥、CAD设计的可摘局部义齿支架、外科手术用钛板以及正畸个性化托槽的数字化制造。典型的设备有EOSM270（德国EOS公司），国内在此方面也有初步的研发成果。SLA技术SLA技术成型原理是使用光源（激光或可见光）投射，分层选择性地固化液槽中的液态光敏树脂，使逐层固化堆积成型。SLA技术主要针对复合树脂类材料的特性而研制，现有技术的成型精度往往比SLS和SLM技术略高，可达到10～20μm的精度，但现有应用于口腔材料的设备成型尺寸没有SLS和SLM设备宽裕，适合制造小批量小尺寸的口腔假体和模型。另外，现有SLA设备中配备有口腔生物性材料的还为数不多。
SLA技术在口腔医学领域的主要应用包括：铸造用基底冠桥蜡型、赝复体蜡型的制造；外科、种植手术用导板的制造；外科手术三维诊断及术前规划设计模型的制造；牙周夹板、可摘义齿树脂基托部分的快速制造。3DP技术3DP工作原理类似于喷墨式打印机的工作方式，采用逐点喷洒黏接剂来黏接粉末材料，或逐点喷洒树脂液滴并同步光固化的方式，最后逐层堆积成型。其打印喷头可以有2个或多个，可同时喷射1种或多种材料，因此有较高的成型速度。这种技术的成型精度与SLA技术相近，最高可达到15μm左右，成型空间尺寸也与SLA设备近似，同样适用于小批量小型工件的制造。3DP技术可成型的粉末材料包括石膏粉末、部分金属粉末，可用于打印牙科诊断用牙颌模型或用于制造CAD全口义齿阴型；可成型的液态树脂光敏材料与SLA的材料近似，同样可用于牙科铸造用蜡型、颌骨支架功能性替代体、颜面部赝复体（义耳、义鼻、义眼）、隐形正畸矫治器、手术导板等治疗辅助装置的制造。此外，3DP技术目前也正在用于三维生物打印，选择与机器相适应的生物支架材料以及细胞，要同步打印形态具有一定空间形态和细胞分布的三维生物体，可用于组织工程（如颌骨、牙齿）的重建或再生。#p#分页标题#e#
其他数字化制造技术
机器人技术机器人技术是医疗自动化技术的又一种表现形式。我国在口腔机器人领域的研究起步较早，2001年北京大学口腔医学院建立了一套完整的机器人辅助全口义齿人工牙排牙制作系统，最后用CRS-4506自由度机器人首次实现了由机器人辅助排列全口义齿人工牙列［14-16］。同年，美国OraMetrix公司发明了SureSmile系统，通过口腔正畸矫正弓丝弯制机器人，使弓丝弯制这一复杂的过程简单化、程序化，可精确稳定控制和移动牙齿，大大提高了工作效率，缩短了疗程［17-18］。可见，机器人技术作为数字化制造技术的又一亮点，已成为未来制造技术的发展趋势之一。短脉冲激光技术激光是20世纪人类伟大的科学发明之一，激光技术已被广泛应用在当今世界的科研、生产和生活之中。在眼科医学领域，激光切削技术在眼角膜切削方面的研究应用取得了一定的进展，并被广泛应用和推广。在牙科领域，高功率脉冲激光由于在切割牙体硬组织方面具有微爆破和微蒸发的特效，常被应用于龋齿的治疗；另外，激光牙齿漂白，俗称为“镭射美白也是其在牙科领域的应用技术之一。激光技术在牙科领域的应用目前在国外已成为一门最新的热门的牙科应用研究领域［19-20］。国内现有学者针对短脉冲激光器的牙科应用开展相关研究，旨在利用短脉冲激光器高光束质量和高峰值功率的特点，实现超精密牙体切削预备的目的。可见，摆脱传统激光技术二维切割的约束，向三维空间精密切削拓展，是牙科数字化、自动化技术的发展趋势。