نظام مدعوم بالواقع المعزز للتدريب على نحت الأسنان في التعليم السني

ملخص

يتعرف نظام نحت الأسنان بمساعدة الواقع المعزز (AR-ATCS) على علامات الأجسام ثلاثية الأبعاد ويقوم بتركيب نموذج سن افتراضي فوق كتلة شمعية حقيقية، مما يوفر مرجعًا بصريًا ثلاثي الأبعاد لمساعدة طلاب طب الأسنان المبتدئين أثناء عملية نحت الأسنان.

الملخص

الهدف من هذا البروتوكول هو تعزيز تعليم التشريح السني من خلال تطوير وتطبيق نظام لنحت الأسنان مدعوم بالواقع المعزز (AR-ATCS). يُعد شكل السن مكوناً أساسياً في التعليم السني، حيث يتطلب من الطلاب إتقان البنى التشريحية المعقدة ثلاثية الأبعاد (3D) والمعالم الوظيفية الضرورية للإجراءات السريرية مثل طب الأسنان الترميمي وعلاج جذور الأسنان. تقليدياً، يتم اكتساب هذه المهارات من خلال تمارين نحت كتل الشمع؛ ومع ذلك، غالباً ما يواجه هذا النهج قيوداً تتمثل في انخفاض الكفاءة التعليمية وجود فجوة معرفية كبيرة عندما يحاول الطلاب تحويل الرسوم التوضيحية ثنائية الأبعاد (2D) الموجودة في الكتب المدرسية إلى بنى مادية ثلاثية الأبعاد. ولمعالجة هذه التحديات، يصف هذا البروتوكول دمج تقنية الواقع المعزز (AR) في التدريب اليدوي على نحت الأسنان. يستخدم النظام تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد وخوارزميات الرؤية الحاسوبية لتركيب نموذج سن افتراضي ثلاثي الأبعاد عالي الدقة فوق مساحة العمل المادية. ومن خلال التعرف على علامات تتبع مخصصة بواسطة كاميرا جهاز محمول، يقوم النظام بإسقاط دليل رقمي بالمقياس والتوجيه الصحيحين مباشرة على كتلة الشمع. يتيح هذا المحاذاة بين الافتراضي والمادي للطلاب تصور شكل السن المستهدف في الوقت الفعلي وتحديد الانحرافات في تقدم عملية النحت فور حدوثها. يوفر البروتوكول سير عمل مفصلاً لإنشاء بيئة الواقع المعزز، ومحاذاة النماذج الافتراضية مع المواد المادية، واستخدام النظام كأداة تدريب ذاتية التوجيه. ومن خلال تقديم تغذية راجعة بصرية تفاعلية ومتعددة الزوايا، يقلل النظام من الاعتماد على العروض التوضيحية المستمرة من قبل المعلم ويحد من تأثير أخطاء النحت غير القابلة للإصلاح. وبشكل عام، يوفر هذا النهج المدعوم بالواقع المعزز أداة توجيه بصري تكميلية للتدريب التقليدي على التشريح السني من خلال دعم الطلاب المبتدئين أثناء نحت الأسنان وتوفير إطار عمل أكثر كفاءة لممارسة دراسة شكل السن.

المقدمة

يُعد علم مورفولوجيا الأسنان مكوناً أساسياً في التعليم السني، حيث يهدف إلى مساعدة الطلاب على الفهم المنهجي للمورفولوجيا التشريحية للسن وخصائص هيكلها ثلاثية الأبعاد^1,2. وتعتبر ممارسة نحت الأسنان، كجزء هام من تدريس مورفولوجيا الأسنان، انعكاساً لمدى إتقان الطلاب لتشريح الأسنان، كما أنها تعمل على تدريب براعتهم اليدوية ومهاراتهم الجراحية^3,4. وهي توفر أساساً ضرورياً للممارسة السريرية، ولا سيما في علاج التعويضات السنية^2,5.

عادةً ما يتم إجراء التدريب التقليدي على نحت الأسنان تحت إشراف المعلمين، حيث يقوم الطلاب بنحت المورفولوجيا التشريحية للأسنان الأمامية والخلفية باستخدام كتل من الشمع أو الصابون^3,5. ومع ذلك، فإن عدم التوازن بين عدد المعلمين والطلاب يجعل من الصعب على المدرسين تقديم توجيهات فردية كافية خلال فترة تدريس محدودة^4,5. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يواجه الطلاب صعوبات معرفية كبيرة عند تحويل الصور ثنائية الأبعاد إلى أشكال ثلاثية الأبعاد، مما قد يقلل من كفاءة التعلم وفعالية التدريس على حد سواء^2,5,6.

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للتقنيات الرقمية، تم تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد، والواقع المعزز، والواقع الافتراضي، وغيرها من النهج الرقمية تدريجياً في تعليم التشريح الطبي والتدريس في مختبرات طب الأسنان^6,7,8,9. وتتجاوز هذه التقنيات القيود التي تفرضها الأطالس التقليدية ثنائية الأبعاد، ومعاينة النماذج الفيزيائية، وعروض المعلمين التوضيحية في التجسيد الفراغي، مما يوفر للطلاب تجربة تعليمية أكثر بديهية وديناميكية وثلاثية الأبعاد^5,6,9.

يُعد الواقع المعزز تقنية تصور تقوم بتراكب معلومات افتراضية تم إنشاؤها بواسطة الحاسوب فوق البيئة الحقيقية في الوقت الفعلي، مما يحقق اندماجاً بين الواقع والافتراض وتفاعلاً بين الإنسان والحاسوب. ومن خلال استكمال البيانات ثلاثية الأبعاد والمعلومات المكانية في سيناريوهات العالم الحقيقي، يمكن للواقع المعزز توسيع إدراك المراقب للهياكل المكانية المعقدة^10,11. وهذه الميزة تجعل الواقع المعزز مناسباً بشكل خاص لسيناريوهات التدريس العملي التي تتطلب فهماً مكانياً وتنسيقاً بين اليد والعين. وفي الوقت الحالي، تم تطبيق تقنية الواقع المعزز بشكل أولي في تعليم التشريح وحظيت بردود فعل إيجابية^11,12,13. وإلى جانب الإطارات التعليمية، تم نقل الواقع المعزز أيضاً إلى مجال طب الأسنان السريري؛ فعلى سبيل المثال، أبلغ Macrì وآخرون عن استخدام الكشف الجراحي بمساعدة الواقع المعزز لسن مطمور، مما أثبت إمكانية تطبيق التسجيل المكاني القائم على الواقع المعزز والتراكب الافتراضي-الحقيقي في الوقت الفعلي في الملاحة الجراحية الفموية¹⁴. ويوفر هذا التطبيق السريري دعماً إضافياً لإدخال التصور المكاني الموجه بالواقع المعزز في التدريب على مورفولوجيا الأسنان.

في هذا البروتوكول، استُخدمت تقنية الواقع المعزز (AR) للمساعدة في التدريب على نحت الأسنان من خلال تزويد الطلاب بمرجع بصري ثلاثي الأبعاد، مستمر وبديهي أثناء الممارسة، وهو ما قد يعمل كمكمل للتوجيهات التقليدية للمدرب. ولتحقيق هذا الغرض، تم تطوير نظام لنحت الأسنان مدعوم بالواقع المعزز، يتكون بشكل أساسي من برنامج واقع معزز، وكاميرا عالية الدقة، وقاعدة حاملة لكتلة الشمع، وأربعة علامات تتبع للأجسام ثلاثية الأبعاد مُصنعة بشكل منفصل. تم تجميع هذه العلامات على القاعدة الحاملة التي تثبت كتلة الشمع في موضع محدد مسبقاً. وأثناء التشغيل، يقوم النظام بالتقاط صور لمنطقة العمل المادية عبر الكاميرا، وبمجرد التعرف على علامة الجسم ثلاثي الأبعاد الموجودة على القاعدة، يتم تركيب نموذج السن الافتراضي في الوقت الفعلي فوق الموضع المقابل له على كتلة الشمع في واجهة العرض، مما يوفر للطلاب مرجعاً بصرياً لعملية النحت.

بناءً على هذا النظام، تم إجراء عملية تحقق من عينة واحدة. قام طالب أتم دورة التشريح السني بتنفيذ إجراء نحت السن تحت إشراف البروتوكول المقترح المدعوم بتقنية AR. بعد ذلك، تم مسح السن المنحوت ومعالجته كنموذج ثلاثي الأبعاد، وأُجري تحليل موضوعي للانحراف المورفولوجي من خلال مقارنته بنموذج السن القياسي. وقد أشارت النتائج الأولية للعينة الواحدة إلى جدوى استخدام نظام AR-ATCS كأداة مساعدة للتدريب على المورفولوجيا السنية.

البروتوكول

1. Establishment of the standard digital tooth model

NOTE: In this protocol, the left mandibular first molar was used as the target tooth to demonstrate the feasibility of the AR-assisted tooth-carving workflow. For other tooth positions, the workflow can be applied after importing the corresponding standard tooth digital model and redefining its spatial relationship with the three-dimensional object marker. This step takes approximately 10 min.

1. Chamber scanning of the standard tooth model
   1. Prepare the standard tooth model.
      NOTE: In this protocol, use a standard tooth model compatible with a 25 mm × 25 mm × 50 mm wax block.
   2. Apply a thin and uniform layer of scanning powder or anti-reflective spray to the surface of the standard tooth model to reduce reflection-related scanning errors.
   3. Place and secure the prepared standard tooth model onto the holder of the chamber-type three-dimensional scanner (equipped with dual 24 MP cameras and scanning accuracy <10 µm). Ensure that the model is stable and that the target scanning area is fully exposed (Figure 1A).
   4. Open the 3D scanning software, create a new order, and name it according to the target tooth position. Confirm the scanning settings and click on Start Scan.
   5. After scanning, inspect the integrity of the digital model. If no obvious defects are observed, export the scanned model in STL format and set the unit to millimeters (Figure 1B).
2. Segmentation and processing of the scanned tooth model (Figure 1C)
   1. Open 3D scan data processing software.
   2. Click on File > Open, select the STL file of the standard tooth model, and click on Open.
   3. In the unit selection window, select Millimeters and click on OK.
   4. Click on Polygons > Trim > Trim with Plane. Manually adjust the Position of the cutting plane to the planned root sectioning level.
   5. Confirm the cutting region, click on Intersect Plane > Delete Selection > Close Intersection > OK to remove the excess root portion and close the open boundary, and obtain a watertight standard digital tooth model.
   6. Click on File > Save and choose STL (binary) File (*.STL) in the File Type list.
3. Construction of the standard tooth model base (Figure 1D)
   ​NOTE: This step is used to construct a regular base for the standard digital tooth model, thereby establishing a stable spatial relationship among the standard model, wax block, and AR tracking base. The exact names of menu options may vary slightly among software versions.
   1. Open the 3D modeling software.
   2. Click on File > Open and select the STL file of the standard digital tooth model.
   3. Click on Options, import as Solid Body or Surface Body, and select Create mesh bodies bounded by single faces > Group facets into faces, and click on OK and Open, so that the triangular facets at the bottom of the tooth model can be recognized as a relatively complete reference face.
   4. Create the center point of the model base. Select the bottom surface of the tooth model, click on Features > Point > Center of Face > OK to generate the center point (named Point1).
   5. Choose the bottom surface of the tooth model as the sketch plane and click on Sketch > Center Rectangle, draw a rectangle centered at Point 1, and click on Smart Dimension to set the rectangle to 25 mm × 25 mm. Click on Exit Sketch (named Sketch 1).
   6. Select Sketch 1. In the Features tab, click on Extruded Boss/Base. Under Direction 1, select Blind, set the Depth to 20 mm, and click on OK to generate the standard tooth model base.

2. Design of the wax-block holder and AR tracking base

NOTE: The three-dimensional object-tracking markers and the AR tracking wax-block base are customized components. Their design may vary depending on the design purpose and modeling strategy. Therefore, the base described in this protocol is not the only possible design and may be modified, provided that wax-block fixation, marker recognition, and handling comfort are maintained. This step takes approximately 30 min.

1. Design of the wax-block recess (Figure 2A,B)
   1. Using the 3D modeling software, click on New > Part > OK on the home page.
   2. Choose the Top Plane and click on Sketch. Click on Center Rectangle and draw the initial sketch centered at the Origin.
   3. Click on Smart Dimension to set the rectangle to 40 mm × 40 mm, click on Exit Dimension (named Sketch 1).
   4. Choose Sketch 1, click on Features > Extruded Boss/Base, under Direction 1, choose Blind, and set the Depth to 32.5 mm to create a 40 mm × 40 mm × 32.5 mm cuboid (named Boss – Extrude 1).
   5. Choose the top surface of the cuboid, click on Sketch > Center Rectangle, and create the initial sketch centered at the Origin. Then click on Smart Dimension and set the rectangle size to 25.2 mm × 25.2 mm (named Sketch 2). This size accommodates a 25 mm × 25 mm wax block with an assembly tolerance of approximately 0.2 mm.
   6. Choose Sketch 2, click on Features > Extruded Cut, and set the cut depth to 20 mm to create the wax-block recess.
2. Design of negative sockets for the three-dimensional object tracking markers
   1. Choose one vertical surface of the cuboid and click on Sketch > Center Rectangle, draw a rectangle on the chosen face, click on Smart Dimension, and set it to 5.2 mm × 5.2 mm (named Sketch 3).
   2. Click on Features > Extruded Cut, choose Sketch 3, and set the cut depth to 5 mm.
   3. Repeat the above steps to create sockets on the four vertical surfaces. For the socket on the bottom surface, set the sketch size to 10.2 mm × 10.2 mm and the cut depth to 10 mm.
   4. Click on Save and save the wax-block holder as an SLDPRT file.
3. Design for base stability and carving comfort
   1. Using the 3D modeling software, click on New > Part > OK on the home page.
   2. Choose the Top Plane and click on Sketch > Circle, draw an 80 mm-diameter circle centered at the Origin (named Sketch 1).
   3. Choose Sketch 1, click on Features > Extruded Boss/Base, and set the depth to 5 mm to create a circular stabilizing plate.
   4. Click on Right Plane and draw an isosceles right triangle with the Origin as the midpoint of the hypotenuse, a side length of 40 mm, and a 45° angle to create a sketch (named Sketch 2).
   5. Choose Sketch 2, click on Features > Extruded Boss/Base, choose Mid Plane under Direction, and set the depth to 40 mm to generate a 45° inclined structure (named Boss-Extrude 2).
   6. Choose the inclined surface, click on Sketch> Center Rectangle, draw a 10 mm × 10 mm center rectangle, click on Extruded Boss/Base, and set the depth to 10 mm to create the supporting connector to the base.
   7. Click on Save and save the stabilizing support structure as an SLDPRT file.
4. Design of the three-dimensional object tracking markers
   ​NOTE: The marker should have a rigid structure, stable surface features, and sufficient geometric complexity to improve the stability of three-dimensional object recognition and tracking.
   1. Using the 3D modeling software, click on New > Part > OK on the home page.
   2. Choose the Top Plane and click on Sketch > Polygon, draw a hexagon centered at the Origin, click on Smart Dimension, set the side length to 7.5 mm (named Sketch 1).
   3. Choose Sketch 1, click on Features > Extruded Boss/Base, and set the depth to 10 mm.
   4. Choose the bottom face, click on Sketch> Center Rectangle, draw a 5 mm × 5 mm center rectangle (named Sketch 2).
   5. Choose Sketch 2, click on Features > Extruded Boss/Base, and set the depth to 5 mm to form a pin that fits into the negative socket of the base.
   6. Use the Draft function with the top face as the Neutral Plane. Select each side surface as the Draft Plane, and apply different draft angles to each surface to increase the asymmetry of the geometric features. Adjust the draft angles based on recognition performance, while avoiding complete symmetry across all side surfaces.
   7. Choose the top surface of the marker, click on Sketch > Text, and enter a text label to add local visual features and assist recognition (named Sketch 3).
   8. Choose Sketch 3, click on Features > Extruded Boss/Base, and set the extrusion depth to 2 mm.
   9. Repeat the above steps to create the four side markers corresponding to the mesial, distal, buccal, and lingual surfaces.
   10. Click on Save and save each marker as an SLDPRT file.
5. Assembly of the base and AR markers and confirmation of spatial relationships
   1. Using the 3D modeling software, click on New > Assembly > OK on the home page.
   2. Click on Insert Components, import the AR tracking wax-block base, stabilizing support structure, and all three-dimensional object tracking markers.
   3. Click on Mate function and apply Coincident, Parallel, Perpendicular, or other mating relationships to define the spatial positions between the markers and the base.
   4. Click on Save As, select STL format, and click on Options in the window.
   5. Confirm Save all components of an assembly in a single file is not selected, click on OK > Save, export the individual component STL files separately for model import and spatial relationship setup in the AR software.

3. 3D printing and post-processing of the models

NOTE: Using the printer and printing parameters described in this protocol, printing a complete set of models takes approximately 70 min.

1. Material selection and printer setup (Figure 2C,D)
   1. Use matte gray polylactic acid (PLA) filament for printing to reduce reflection and facilitate recognition by the AR camera.
   2. Use an enclosed FDM 3D printer to control the printing environment and improve printing stability. Adjust the parameters to match the printer and filament characteristics.
   3. Import the STL model into the slicing software. Determine the optimal orientation by moving, rotating, and selecting the printing surface to reduce printing errors.
   4. Configure the slicing parameters using the slicing software. The parameters may be adjusted according to the specific printer and material.
2. Recommended slicing parameters
   1. Set the nozzle diameter to 0.4 mm, the nozzle temperature to 220 °C, and the build plate temperature to 55 °C. Use a textured PEI build plate.
   2. Set the layer height to 0.2 mm, the infill density to 15%, and the printing speed to 50 mm/s for the first layer, 200 mm/s for the outer wall, and 300 mm/s for the inner wall.
   3. Enable automatic tree supports when overhanging structures are present. Omit support structures if no overhangs are present. Enable cooling.
   4. Calibrate the printer before printing and inspect the filament color and surface condition.
3. Post-processing of printed models
   1. After printing and cooling, remove the build plate and gently bend it to detach the model naturally, thereby protecting the surface texture of the build plate.
   2. Carefully remove the support structures using needle-nose pliers. After removing the supports, inspect the model for any integrity issues or deformation. If the support-contact areas are rough, gently polish them with sandpaper or a file to improve base stability.

4. AR software setup and virtual-real registration

NOTE: In this protocol, augmented reality (AR) software was used to import the standard digital tooth model and generate the virtual-real overlay. A high-definition RGB camera was used to capture 1080p RGB images at 30 fps. The camera's depth-sensing function was not used for tracking or registration (Figure 3A,B). Importing the virtual models into the software and setting the model color and transparency took less than 1 min. The registration process took less than 5 s, and real-time navigation was achieved immediately after successful registration.

1. Hardware preparation
   1. Turn on the computer and connect the high-definition camera via a USB 3.0 port. Confirm that the camera is recognized by the system.
      ​NOTE: The camera calibration parameters were predefined during software development and used for AR registration. No additional calibration was required during subsequent use. For other AR systems, repeated camera calibration should be performed according to the system requirements.
2. Model import and display settings
   1. Open the AR software.
   2. Click on Import STL, select the folder containing the STL files of the standard digital tooth model and AR marker models, and import the required models.
   3. Set the virtual tooth model to white to provide high contrast with the red wax block, and set the transparency to 0.4 to facilitate observation of the relationship between the carving instrument and the boundary of the tooth model.
3. Starting AR navigation and registration
   NOTE: During registration, avoid occluding the marker with the hand or carving instruments. If the system cannot recognize the marker, remove the obstruction and readjust the base so that the marker re-enters the camera view clearly.
   1. Select the AR marker and click on Virtual Navigation > Camera Navigation. In the pop-up window, select the camera to be used and start AR navigation.
   2. Place the physical three-dimensional object tracking marker at the center of the camera view, maintaining a working distance of approximately 25 cm. Use a non-reflective background and avoid strong direct illumination in the operating area to maintain stable marker recognition.
   3. Adjust the camera angle so that the optical axis is approximately perpendicular to the marker surface or forms an oblique viewing angle of approximately 30°–45°, allowing the virtual marker outline in the software to overlap the physical marker as closely as possible in size, orientation, and position.
      ​NOTE: When the virtual marker closely overlaps the physical marker, the system automatically recognizes it and completes registration, enabling real-time tracking. The virtual marker outline changes from red to green, and the virtual tooth model is then displayed according to its predefined spatial relationship with the marker and is stably superimposed at the corresponding position on the wax block.
   4. Click on Parameter Settings to adjust the tracking quality threshold.
      NOTE: This threshold is used to determine the matching quality between the virtual model and the real scene; registration is considered successful only when feature matching and localization confidence reach the preset threshold. In this system, the tracking quality threshold was set to 0.7 based on repeated preliminary tests. This value was selected because it allowed rapid recognition while maintaining stable real-time tracking and virtual-real registration. Lower thresholds allowed easier marker registration but reduced registration accuracy, whereas higher thresholds increased the difficulty and time required for marker registration.

5. AR-assisted tooth carving procedure

1. Insert the 25 mm × 25 mm × 50 mm wax block into the recess of the AR tracking wax-block base. Ensure that the bottom of the wax block is fully seated against the recess floor and that the wax block is stable.
2. Start AR navigation. Determine the initial cutting area and direction based on the overlay between the virtual tooth model and the wax block. Rotate the base slowly to observe the virtual tooth model from different viewing angles.
3. Observe the virtual tooth model from the viewing direction corresponding to the recognized three-dimensional object tracking marker and its adjacent surfaces. Avoid relying on the opposite surface, as it may not be displayed stably when only a single marker is recognized.
4. Rotate the wax-block holder to expose the mesial, distal, buccal, or lingual three-dimensional object tracking marker as needed. In Model Settings, select the corresponding marker to switch the viewing surface.
5. Adjust the color and transparency of the virtual tooth model in Model Settings according to the stage of observation.
6. Remove any hand or instrument that occludes the marker. If the system fails to recognize the marker due to occlusion or rapid base rotation, slowly readjust the base position until the marker is recognized again, then continue carving (Figure 3C,D).

النتائج

نجح نظام AR-ATCS في التعرف على علامة تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد الموجودة على القاعدة، وقام بتركيب نموذج السن الافتراضي بشكل مستقر على الموضع المقابل في قالب الشمع في الوقت الفعلي. وقد مثل النموذج الافتراضي بدقة البنى التشريحية الرئيسية، والحدود المورفولوجية، وتضاريس السطح، بما في ذلك الشرفات، والحفر، والأخاديد، والحواف الهامشية، وتضاريس السطح المحوري، ومخطط التاج. وعندما تم تدوير القاعدة ببطء، ومع بقاء علامة التتبع غير محجوبة، تم الحفاظ على تسجيل مستقر بين نموذج السن الافتراضي وقالب الشمع. وقد أتاح ذلك تصور مورفولوجيا السن المستهدفة من زوايا متعددة، بما في ذلك المناظر الدهليزية، واللسانية، والإنسية، والوحشية، والإطباقية. وتثبت هذه النتائج أن النظام يوفر مرجعاً بصرياً مستمراً ثلاثي الأبعاد يسهل التعرف على الانحرافات المورفولوجية الموضعية أثناء نحت السن.

عندما كان علامة التتبع محجوبة جزئياً بيد المشغل أو أدوات النحت، أو عندما كانت القاعدة تُدور بسرعة زائدة، كان التعرف على العلامة ينقطع، مما يؤدي إلى فقدان تراكب النموذج الافتراضي. وقد أدى إعادة وضع القاعدة وإزالة العائق إلى استعادة التعرف على العلامة وإعادة إنشاء تسجيل افتراضي-واقعي مستقر، مما سمح باستئناف عملية النحت.

أُجري تحليل للانحراف في تراكب المستوى الصوري ثنائي الأبعاد لتقييم خطأ التراكب الافتراضي-الحقيقي. في كل تجربة تسجيل، تم تثبيت الكاميرا، ونُقلت قاعدة نحت السن التي تحتوي على علامة تتبع الجسم إلى مركز مجال رؤية الكاميرا. وعندما تطابق مخطط العلامة الافتراضية تقريبًا مع مخطط العلامة المادية، أتم النظام عملية التسجيل تلقائيًا، ثم تم التقاط صورة تراكب ثنائية الأبعاد. تم تحديد أربع نقاط علامة في زوايا قاعدة نحت السن من كل صورة ملتقطة، وسُجلت إحداثيات العلامات المادية والافتراضية المقابلة (الشكل 4). حُسبت المسافة الإقليدية بين كل زوج من النقاط المادية والافتراضية كقيمة لانحراف التراكب ثنائي الأبعاد. بالنسبة لكل سطح، أُجريت 10 تجارب تسجيل مكررة، وقيست أربعة أزواج مقابلة من العلامات المادية والافتراضية في كل تجربة. وبذلك، تم تحليل 40 زوجًا من النقاط لكل سطح، مما أعطى إجمالي 200 زوج من النقاط عبر خمسة أسطح. وبالنسبة للأسطح الدهليزية، والقاصية، والإنسية، واللسانية، أُجري التسجيل باستخدام علامة تتبع الجسم المقابلة لكل سطح. أما بالنسبة للسطح الإطباقي، فقد اكتمل التسجيل أولاً باستخدام العلامات الموجودة على الأسطح الأخرى، ثم تم تدوير القاعدة للحصول على صورة التراكب ذات العرض الإطباقي. وقد يكون هذا التدوير الإضافي قد ساهم في الانحراف الأكبر الملحوظ في هذا العرض. بلغ متوسط انحراف التراكب ثنائي الأبعاد الإجمالي 0.679 ± 0.381 mm، مع انحراف جذر متوسط المربعات (RMS) قدره 0.778 mm. وأظهر السطح الإطباقي أكبر قدر من الانحراف والتباين، بينما أظهرت الأسطح الدهليزية والقاصية والإنسية واللسانية انحرافات تراكب أصغر (الجدول 1).

تم الحصول على نتيجة النحت المعروضة هنا من طالب واحد أتم مؤخراً دورة في تشريح الأسنان، وأنهى إجراء نحت السن في غضون ساعتين تحت توجيه مستمر من نظام AR-ATCS؛ وبناءً على ذلك، يمثل تحليل الانحراف الكمي بيانات عينة واحدة. تم إجراء تحليل الانحراف ثلاثي الأبعاد من خلال مقارنة نموذج السن المنحوت الممسوح ضوئياً مع نموذج السن القياسي. وباستخدام تفاوت محدد مسبقاً قدره ±0.5 mm، وقعت 52.26% من نقاط السطح ضمن هذا النطاق. وكان متوسط الانحراف الموجه 0.1025 mm، بينما بلغ جذر متوسط مربع (RMS) الانحراف 0.7434 mm. أما أقصى انحرافات موجبة وسالبة فكانت +1.9275 mm و −1.9272 mm على التوالي. وأشارت خريطة الانحراف المرمزة بالألوان إلى أن أكبر التباينات المورفولوجية كانت متركزة بشكل أساسي في السطح الإطباقي ومناطق مختارة من المخطط المحوري (الشكل 5). وتمثل قيم الانحراف هذه التباين التراكمي بين نموذج السن المنحوت النهائي ونموذج السن القياسي بعد المسح ثلاثي الأبعاد ومحاذاة النموذج، بدلاً من كونها قياسات منعزلة لخطأ النحت، أو خطأ تسجيل الـ AR، أو خطأ المسح الضوئي.

تدعم هذه النتائج الأولية للعينة الواحدة الجدوى التقنية لسير عمل AR-ATCS. وخلال إجراء نحت السن الملحوظ، حافظ النظام على تراكب في الوقت الفعلي لنموذج السن الافتراضي على كتلة الشمع المادية، مما وفر مرجعاً ثلاثي الأبعاد لمورفولوجيا السن والسمات التشريحية ذات الصلة.

الشكل 1: تحضير النموذج الرقمي القياسي لسن شمعي. (A) المسح ثلاثي الأبعاد للسن الشمعي القياسي. (B) بيانات المسح الأولية للسن الشمعي القياسي والهياكل المحيطة به. (C) النموذج الرقمي للسن القياسي بعد المعالجة من خلال التشذيب وتحسين السطح. (D) تمت محاذاة نموذج السن القياسي مع قاعدة كتلة الشمع الافتراضية لتحديد موضعه الفراغي في نظام الواقع المعزز (AR). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: تصميم وتصنيع قاعدة حامل كتلة الشمع. (A) نموذج تصميم ثلاثي الأبعاد لقاعدة حامل كتلة الشمع وعلامة تتبع الكائن المصممة بشكل منفصل وثلاثية الأبعاد. (B) إعداد العلاقة المكانية بين النموذج الرقمي للسن القياسي وقاعدة حامل كتلة الشمع. (C) قاعدة حامل كتلة الشمع المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد مع علامة تتبع الكائن المطبوعة بشكل منفصل. (D) تثبيت كتلة الشمع على قاعدة الحامل المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد لعملية نحت السن اللاحقة بمساعدة الواقع المعزز AR.

الشكل 3: سير عمل نحت الأسنان بمساعدة الواقع المعزز. (A) واجهة برنامج الملاحة بالواقع المعزز التي تعرض النموذج الرقمي القياسي للسن المستورد وعلامة تتبع للأجسام ثلاثية الأبعاد. (B) بعد التعرف على علامة الجسم ثلاثية الأبعاد الموجودة على القاعدة، يقوم النظام بتركيب نموذج السن القياسي الافتراضي فوق الموضع المقابل لكتلة الشمع المادية في الوقت الفعلي. (C) يتم إجراء النحت الأولي للسن تحت توجيه الـ AR باستخدام نموذج السن الافتراضي كمرجع مورفولوجي ثلاثي الأبعاد. (D) يتم إجراء الضبط الدقيق للبنى التشريحية الموضعية، بما في ذلك الحدبات، والوهاد، والأثلام، والحواف الهامشية، ومحيط السطح المحوري، تحت توجيه الـ AR. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 4: قياس انحراف تراكب المستوى الصوري ثنائي الأبعاد بعد التسجيل بتقنية الواقع المعزز (AR). بعد التسجيل التلقائي بتقنية AR، تم التقاط صورة تراكبية ثنائية الأبعاد. تشير P1–P4 إلى المعالم الأربعة الموجودة في الزوايا والتي تم اختيارها على قاعدة نحت السن الفيزيائية، وتشير P1′–P4′ إلى المعالم المقابلة المختارة في التراكب الافتراضي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: تحليل الانحراف ثلاثي الأبعاد لنموذج السن المنحوت مقارنة بنموذج السن القياسي. تظهر خرائط الانحراف ثلاثية الأبعاد من المنظر الدهليزي (A)، والمنظر اللساني (B)، والمنظر الإطباقي (C)، والمنظر الإنسي (D)، والمنظر الوحشي (E). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

السطح	أزواج النقاط، n	المتوسط ± الانحراف المعياري (mm)	جذر متوسط المربعات (mm)	الحد الأدنى (mm)	الحد الأقصى (mm)
السطح الدهليزي	40	0.711 ± 0.226	0.745	0.235	1.174
السطح الإنسي	40	0.489 ± 0.156	0.513	0.146	0.913
السطح القاصي	40	0.510 ± 0.207	0.549	0.194	0.856
السطح اللساني	40	0.540 ± 0.262	0.599	0.181	1.098
السطح الإطباقي	40	1.145 ± 0.494	1.245	0.27	2.401
الإجمالي	200	0.679 ± 0.381	0.778	0.146	2.401

الجدول 1: انحراف تراكب مستوى الصورة ثنائي الأبعاد في التسجيل الافتراضي-الحقيقي للواقع المعزز (AR).

المناقشة

تطورت تعليمات تشريح الأسنان بمرور الوقت، حيث اعتمدت نموذجاً تعليمياً كلاسيكياً يجمع بين التدريس النظري والتدريب العملي. ويُعد الفهم الدقيق للمورفولوجيا التشريحية للسن أساساً هاماً للممارسة السريرية في طب الفم، لا سيما في الإجراءات المتعلقة بعلاجات تعويضات الأسنان، وعلاجات لب الأسنان، وإعادة بناء الإطباق، وترميمات الزرعات. وبناءً على ذلك، استمر الباحثون في استكشاف طرق وتقنيات تدريس جديدة لدعم بناء أنظمة المعرفة التشريحية. وقد ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على تحسين تعليم تشريح الأسنان من خلال تحسين طرق التدريس واستكشاف مدى ملاءمة مواد النحت المختلفة. ومع تطور التقنيات الرقمية، توسع استخدام المسح ثلاثي الأبعاد، وإعادة البناء ثلاثي الأبعاد، والطباعة ثلاثية الأبعاد، والواقع الافتراضي، والواقع المعزز تدريجياً من التطبيقات السريرية إلى التعليم الطبي، مما وفر أدوات جديدة للطلاب لفهم البنى ثلاثية الأبعاد المعقدة¹⁵. وفي المستقبل، ومع تطور الذكاء الاصطناعي والحوسبة المتنقلة، من المتوقع دمج هذه التقنيات في التدريس الروتيني بطريقة أقل تكلفة وأكثر ملاءمة.

في هذا النظام، يمكن إعادة استخدام نموذج السن القياسي. كما يمكن تصميم علامات تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد باستخدام برمجيات النمذجة ثلاثية الأبعاد، وتحديد علاقاتها المكانية قبل استيرادها مباشرة إلى برنامج الواقع المعزز (AR). ومن ثم يمكن إتمام سير العمل بالكامل عن طريق طباعة قاعدة نحت الأسنان بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وجدير بالذكر أن استخدام نماذج الأسنان المطبوعة ثلاثية الأبعاد كمراجع مادية للتدريب على نحت الأسنان قد أظهر أيضاً قيمة تعليمية، مع مزايا مثل التكلفة المنخفضة، والمورفولوجيا البديهية، وإمكانية الملاحظة المتكررة. ومع ذلك، توفر تقنية الواقع المعزز (AR) توجيهاً بصرياً في الوقت الفعلي؛ حيث يمكنها توفير مرجع بصري ثلاثي الأبعاد، قابل للتدوير وتعديل الشفافية في الوقت الفعلي ضمن بيئة نحت قوالب الشمع الفعلية¹³. ومع استمرار تطور هذه التقنية، من المتوقع تطبيق الواقع المعزز (AR) في التعليم بصيغة أقل تكلفة وأكثر بساطة وملاءمة. ولذلك، فإن التدريس المدعوم بالواقع المعزز (AR) يمتلك إمكانات كبيرة لمزيد من التطوير.

بالنسبة لأنظمة الواقع المعزز (AR)، تعد جودة التصوير، واستقرار التتبع، ودقة التسجيل عوامل تقنية رئيسية تحدد مدى موثوقية التراكب الافتراضي-الواقعي وتجربة المستخدم¹⁶. وقد استكشفت الدراسات السابقة استخدام أنظمة الواقع المعزز في تعليم نحت الأسنان، ولكن معظمها اعتمد على تتبع الصور^5,13. في المقابل، يستخدم النظام الحالي تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد. يوفر تتبع علامات الصور تحضيراً بسيطاً، وتكلفة منخفضة، وسهولة في النشر، ويمكنه توفير تعرّف مستقر عندما تكون العلامة مرئية بوضوح وضمن زاوية رؤية مناسبة. وأثناء نحت الأسنان، غالباً ما يحتاج قالب الشمع إلى التدوير حتى يتمكن المشغل من ملاحظة مورفولوجيا السن المستهدفة من زوايا متعددة. وفي ظل هذه الظروف، قد لا تظل علامة الصورة مرئية بالكامل ضمن مجال رؤية الكاميرا، مما قد يؤدي إلى انقطاع التعرف على العلامة والحد من استمرارية توجيه الواقع المعزز في الوقت الفعلي. وبالمقارنة مع تتبع الصور، الذي يعتمد بشكل أساسي على علامات صور مستوية، يقوم تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد بتقدير الوضع المكاني للجسم بناءً على كنتوره الهندسي وسماته البصرية الطبيعية. وهذا يتيح للنظام تسجيل نموذج السن الافتراضي مع قاعدة قالب الشمع الفيزيائية من زوايا رؤية متعددة، وبالتالي محاكاة سيناريو نحت الأسنان الفعلي بشكل أدق، حيث يحتاج المشغل إلى تدوير قالب الشمع وملاحظته أثناء التدريب. ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة عادةً نموذج CAD أو نموذجاً ممسوحاً ضوئياً ثلاثي الأبعاد للجسم الذي يتم تتبعه، يليه الطباعة ثلاثية الأبعاد والتجميع، مما يزيد من تعقيد تحضير النموذج مقارنة بتتبع علامات الصور المستوية. لذا، فإن الاستراتيجية العملية تتمثل في تثبيت قالب الشمع على قاعدة ذات هياكل هندسية وسمات بصرية مميزة. وبناءً على نهج التتبع هذا، يقوم النظام بتحسين استراتيجية التتبع من خلال الاعتماد على علامات مجمعة في القاعدة لملاحظة نموذج السن الافتراضي ضمن مجال رؤية مستطيل. وخلال تكرار تطوير النظام، تمت إضافة وظيفة لضبط عتبة التسجيل لتحقيق التوازن بين حساسية التعرف ودقة التراكب. حيث تؤدي العتبة المنخفضة إلى تحسين نجاح التعرف ولكنها قد تقلل من استقرار التراكب، بينما تؤدي العتبة الأعلى إلى تحسين دقة التسجيل ولكنها قد تزيد من صعوبة التعرف. بالإضافة إلى ذلك، تتيح واجهة التتبع للمستخدمين تبديل نماذج التتبع وضبط الشفافية في الوقت الفعلي، مما يؤدي إلى تبسيط التشغيل.

ومع ذلك، لا يزال هذا النظام يعاني من عدة قيود. أولاً، يعتمد النظام الحالي على جهاز كمبيوتر وكاميرا خارجية عالية الدقة، كما أن توصيل الجهاز والترتيب المكاني معقدان نسبياً، مما يحد من تطبيقه في التدريس للفصول الدراسية الكبيرة. ولتقليل التكلفة وتحسين إمكانية الوصول، يجري العمل حالياً على تكييف النظام مع الأجهزة المحمولة مثل الأجهزة اللوحية والهواتف الذكية. ثانياً، يتأثر أداء التعرف بالإضاءة، وزاوية الكاميرا، وحجب العلامة، وسرعة دوران القاعدة؛ فعندما يتم حجب العلامة أو دوران القاعدة بسرعة كبيرة، قد يفشل النظام في التعرف عليها، ويجب إعادة إظهار العلامة قبل استعادة عملية التعرف. ومن القيود الأخرى لهذا البروتوكول استخدام العديد من الحزم البرمجية التجارية أو المخصصة لتصميم النماذج، ومعالجة المشبكات (mesh processing)، وتسجيل الواقع المعزز (AR registration). ويمكن استبدال بعض الوظائف جزئياً ببدائل مفتوحة المصدر أو منخفضة التكلفة؛ فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام FreeCAD أو Blender لتصميم وتحرير النماذج ثلاثية الأبعاد، واستخدام MeshLab أو CloudCompare لمعالجة المشبكات. بالإضافة إلى ذلك، قد يوفر Unity مدمجاً مع Vuforia Engine إطار تطوير محتمل للواقع المعزز بناءً على التعرف على الكائنات ثلاثية الأبعاد، مثل التتبع القائم على هدف النموذج. ومع ذلك، فإن إعادة إنتاج سير عمل الواقع المعزز المستخدم في هذا البروتوكول ستظل تتطلب تطوير برمجيات إضافية، وتحسيناً للمعلمات، وتحققاً من الصحة. لذا، ورغم إمكانية إعادة إنتاج خطوات النمذجة ومعالجة المشبكات جزئياً باستخدام برمجيات بديلة، فإن وحدة تتبع وتسجيل الواقع المعزز المنفذة في هذا البروتوكول لا يمكن استبدالها مباشرة بحزمة مفتوحة المصدر موجودة دون مزيد من التطوير والتحقق.

أخيراً، لا يمكن لتحليل انحراف تراكب مستوى الصورة ثنائي الأبعاد أن يعكس دقة التراكب في النظام إلا بشكل جزئي. وبما أن نحت الأسنان هو إجراء ثلاثي الأبعاد، فإن البيانات الحالية لا يمكنها إثبات دقة التسجيل ثلاثية الأبعاد المطلوبة للتدريب على النحت الدقيق للأسنان بشكل كامل. كما لم يتم تقييم تأثيرات حجب العلامات، وزاوية الكاميرا، والإضاءة، وسرعة الدوران على أداء التسجيل بشكل منفصل. وبناءً على ذلك، لا يزال من غير الواضح ما إذا كان النظام يوفر دقة كافية للتوجيه في النحت الدقيق للأسنان. وأخيراً، أكملت هذه الدراسة التحقق من سير العمل باستخدام عينة واحدة فقط، ولا تزال قدرتها على تحسين جودة النحت ومخرجات التعلم لدى الطلاب بحاجة إلى تأكيد من خلال دراسات مضبوطة على عينات كبيرة.

باختصار، تقترح هذه الدراسة بروتوكولاً لنحت الأسنان بمساعدة الواقع المعزز يعتمد على تتبع الأجسام ثلاثية الأبعاد. وتشير نتائج التحقق من عينة واحدة إلى أن سير العمل هذا يمكن أن يحقق تراكب الواقع المعزز (AR overlay) بين نموذج السن القياسي ومشهد العمل الفعلي لكتلة الشمع، مما يوفر مرجعاً بصرياً ثلاثي الأبعاد بديهياً للتدريب على نحت الأسنان. ورغم أن النتائج الحالية لا يمكنها إثبات أن تأثيره التعليمي يتفوق بشكل مباشر على الطرق التقليدية، إلا أن هذا البروتوكول يثبت جدوى وقيمة إجراء مزيد من الأبحاث حول تطبيق تقنية الواقع المعزز في التدريب على نحت الأسنان. ومع التقدم في الأجهزة المحمولة، وخوارزميات التعرف ثلاثية الأبعاد، والذكاء الاصطناعي، يمكن دمج التعليم المعتمد على نحت الأسنان بمساعدة الواقع المعزز في تدريس المختبرات السنية بطريقة أقل تكلفة، وأكثر ملاءمة، وقابلية أكبر للتوسع.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد	SHINING 3D	AutoScanEPCG-BD032G26	يُستخدم للمسح ثلاثي الأبعاد لسن الشمع القياسي.
كاميرا	Intal RealSense	D415	تُستخدم للحصول على المجال البصري في الوقت الفعلي للتعرف على علامة الكائن ثلاثي الأبعاد.
أداة نحت شمع الأسنان			لنحت كتلة الشمع.
E3D CMF	Hunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.	https://www.e3d-med.com/	برنامج ملاحة بالواقع المعزز (AR).
طابعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM	Bambu Lab	31B8BP631300564	تُستخدم لتصنيع قاعدة حامل كتلة الشمع وعلامة تتبع الكائنات ثلاثية الأبعاد.
Geomagic Wrap	3D Systems Corporation	version 2021	يُستخدم لمعالجة بيانات المسح ثلاثي الأبعاد لسن الشمع القياسي.
خيط PLA	Bambu Lab	10105	يُستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM.
SOLIDWORKS	Dassault Systèmes	version 2025	يُستخدم للنمذجة ثلاثية الأبعاد لقاعدة حامل كتلة الشمع وعلامة تتبع الكائنات.
كتلة شمع			للتدريب على نحت الأسنان.