增强现实辅助的牙体雕刻训练系统在口腔医学教育中的应用

XinZhe Zhong; Qinyi Lu; Jiang Fu; Jiacheng Li; Haojun Zi; Yanyan Chen; Ziling Wang; Ming Li; Wen Ma

doi:10.3791/73392

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增强现实辅助的牙体雕刻训练系统在口腔医学教育中的应用

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DOI：

10.3791/73392

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2026年8月18日

XinZhe Zhong¹^,² , Qinyi Lu²^,³ , Jiang Fu¹^,² , Jiacheng Li² , Haojun Zi² , Yanyan Chen² , Ziling Wang² , Ming Li¹^,² , Wen Ma¹^,²^,³

¹Department of Oral and Maxillofacial Surgery, The Affiliated Stomatology Hospital, Kunming Medical University, ²Yunnan Key Laboratory of Stomatology, School of Stomatology, Kunming Medical University, ³Digital Center of Stomatology, The Affiliated Stomatology Hospital, Kunming Medical University

本文内容

摘要

增强现实辅助牙体雕刻系统（AR-ATCS）可识别三维物体标记，并将虚拟牙体模型叠加到真实的蜡块上，为初学者牙科学生在牙体雕刻过程中提供三维视觉参考。

摘要

本实验方案旨在通过开发和应用一种增强现实辅助的牙齿雕刻系统（AR-ATCS），提升牙体解剖学的教学效果。牙体形态学是牙科教育中的基础内容，要求学生掌握复杂的三维（3D）解剖结构和功能标志点，这些知识对于修复牙科和牙髓治疗等临床操作至关重要。传统上，学生通过蜡块雕刻练习来获得这些技能；然而，这种方法常受限于教学效率低下，以及学生在将二维（2D）教科书图示转化为三维实体结构时面临较大的认知鸿沟。为应对这些挑战，本方案描述了将增强现实（AR）技术整合到手工牙齿雕刻训练中的方法。该系统利用三维物体追踪和计算机视觉算法，将高保真的虚拟3D牙齿模型叠加至实际操作空间中。通过移动设备摄像头识别专用的追踪标记，系统可将数字引导模型以正确的比例和方向直接投射到蜡块上。这种虚实对齐使学生能够实时观察目标牙齿的形态，并在雕刻过程中即时发现偏差。本方案提供了建立增强现实环境、对齐虚拟模型与实物材料，以及将该系统用作自主训练工具的详细操作流程。通过提供交互式、多角度的视觉反馈，该系统减少了对教师持续示范的依赖，并降低了不可逆雕刻错误的影响。总体而言，这种增强现实辅助方法为传统的牙体解剖学训练提供了一种补充性的视觉引导工具，有助于初学者在牙齿雕刻过程中获得支持，并为牙体形态学练习提供了更高效的训练框架。

引言

牙体形态学是口腔医学教育的核心组成部分，旨在帮助学生系统地理解牙齿解剖形态及其三维结构特征¹^,²。牙体雕刻实践作为牙体形态学教学的重要环节，不仅反映学生对牙齿解剖知识的掌握程度，同时也训练其手部灵活性和操作技能³^,⁴。该实践为临床操作，特别是修复治疗，奠定了重要基础²^,⁵。

传统的牙体雕刻训练通常在教师指导下进行，学生使用蜡块或肥皂块雕刻前牙和后牙的解剖形态³^,⁵。然而，师生数量之间的不平衡使得教师在有限的教学时间内难以提供充分的个性化指导⁴^,⁵。此外，学生在将二维图像转化为三维形态时常面临较大的认知困难，这可能降低学习效率和教学效果²^,⁵^,⁶。

近年来，随着数字技术的快速发展，三维打印、增强现实、虚拟现实等数字技术已逐渐应用于医学解剖学教育和牙科实验室教学⁶^,⁷^,⁸^,⁹。这些技术克服了传统二维图谱、实体模型观察和教师示教在空间展示方面的局限性，为学生提供了更加直观、动态和三维的学习体验⁵^,⁶^,⁹。

增强现实（AR）是一种可视化技术，能够将计算机生成的虚拟信息实时叠加到真实环境中，从而实现虚实融合与人机交互。通过在真实场景中补充三维数据和空间信息，AR 可以扩展观察者对复杂空间结构的感知能力¹⁰^,¹¹。这一特性使 AR 特别适用于需要空间理解与手眼协调能力的实践教学场景。目前，AR 技术已在解剖学教育中初步应用，并获得了积极反馈¹¹^,¹²^,¹³。除教育领域外，AR 还已应用于临床牙科。例如，Macrì 等人报道了使用 AR 辅助手术暴露阻生牙的案例，证明基于 AR 的空间配准与实时虚实叠加技术可应用于口腔手术导航¹⁴。该临床应用为将 AR 引导的空间可视化引入牙体形态学训练提供了进一步支持。

在本实验方案中，增强现实（AR）技术被用于辅助牙齿雕刻训练，通过在练习过程中为学生提供持续、直观的三维视觉参考，可作为传统教师指导的补充。为此，联合开发了一套AR辅助牙齿雕刻系统，主要由AR软件、高清摄像头、蜡块承载底座以及四个独立制作的三维物体追踪标记组成。这些标记被组装在承载底座上，底座用于将蜡块固定在预设位置。在操作过程中，系统通过摄像头采集实际操作区域的图像。当识别到底座上的一个三维物体标记后，虚拟牙齿模型便会实时叠加显示在屏幕界面中蜡块的对应位置，从而为学生提供雕刻过程中的视觉参考。

基于该系统，开展了一次单样本验证。一名已完成牙体解剖学课程的学生在增强现实辅助方案的指导下完成了牙齿雕刻操作。雕刻完成的牙齿被扫描并处理为三维模型，通过与标准牙体模型进行对比，开展了客观的形态偏差分析。初步的单样本结果表明，增强现实牙体雕刻训练系统（AR-ATCS）作为牙体形态学教学的辅助工具具有可行性。

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方案

1. 标准数字化牙模的建立

注意：在本方案中，以左侧下颌第一磨牙作为目标牙齿，以演示增强现实（AR）辅助牙齿雕刻工作流程的可行性。对于其他牙齿位置，可在导入相应的标准牙齿数字模型并重新定义其与三维物体标记的空间关系后，应用该工作流程。此步骤大约需要 10 min。

标准牙模的腔室扫描
1. 准备标准牙齿模型。
  注意：本方案中使用与 25 mm × 25 mm × 50 mm 蜡块兼容的标准牙科模型。
2. 在标准牙科模型表面均匀涂抹一层薄薄的扫描粉或防反射喷雾，以减少因反射引起的扫描误差。
3. 将制备好的标准牙科模型放置并固定在腔式三维扫描仪（配备双2400万像素摄像头，扫描精度 <10 µm）。确保模型稳定，且目标扫描区域完全暴露（图1A).
4. 打开3D扫描软件，创建新订单，并根据目标牙齿位置命名。确认扫描设置后点击在 开始扫描.
5. 扫描完成后，检查数字模型的完整性。若未观察到明显缺陷，将扫描得到的模型以 STL 格式导出，并将单位设置为毫米（mm）。图1B).
扫描牙齿模型的分割与处理（图1C)
1. 开放三维扫描数据处理软件
2. 点击 文件 > 打开，选择标准牙齿模型的STL文件，然后单击打开.
3. 在单元选择窗口中，选择毫米并点击好的.
4. 点击 多边形 > 修剪 > 用平面修剪手动调整切割平面的位置至预定的根部切片水平。
5. 确认切割区域，点击 相交平面 > 删除选区 > 紧密相交 > 好的 去除多余的根部结构并闭合开放边界，以获得一个密封的数字化牙齿标准模型。
6. 点击 文件 > 保存 并选择 STL（二进制）文件 (*.STL在“文件类型”列表中。
标准牙模基座的构建（图1D)
注意：此步骤用于构建标准数字化牙模的规则基底，从而在标准模型、蜡块和增强现实（AR）追踪基底之间建立稳定的空间关系。不同软件版本中菜单选项的准确名称可能略有差异。
1. 打开 3D 建模软件。
2. 点击 文件 > 打开 并选择标准数字化牙齿模型的STL文件。
3. 点击选项，导入为固体或体表，然后选择 创建由单个面限定的网格体 > 将面元分组为面，然后点击好的和打开以便牙模底部的三角形面能够被识别为一个相对完整的参考面。
4. 创建模型底座的中心点。选择牙齿模型的底面，单击 特点 > 点 > 面部中心 > 好的 以生成中心点（命名为点1).
5. 选择牙齿模型的底面作为草绘平面，然后单击 草图 > 中心矩形，绘制一个以该点为中心的矩形 第1点，然后点击 智能维度 将矩形设置为 25 mm × 25 mm。单击 退出草图 （命名为 草图 1).
6. 选择 草图 1在“功能”选项卡中，单击 拉伸凸台/基体. 在……之下 方向1，选择盲法，将深度设置为 20 mm，然后点击好的以生成标准牙模基底。

2. 蜡块托架与增强现实追踪底座的设计

注意：三维物体追踪标记和增强现实（AR）追踪蜡块基座为定制组件。其设计可能因设计目的和建模策略的不同而有所变化。因此，本方案中描述的基座并非唯一可行的设计，只要保持蜡块固定、标记识别和操作舒适性，可进行适当修改。此步骤约需 30 分钟。

石蜡块凹槽的设计（图2A，B)
1. 使用3D建模软件，单击 新 > 部分 > 好的 在主页上。
2. 选择 顶平面 并点击草图. 点击 中心矩形 并绘制以该点为中心的初始草图起源.
3. 点击 智能维度 将矩形设置为 40 mm × 40 mm，点击 退出维度 （命名为 草图 1).
4. 选择 草图 1，点击 特点 > 拉伸凸台/基体，在……之下 方向1，选择盲法, 并将深度设置为 32.5 mm，以创建一个 40 mm × 40 mm × 32.5 mm 的长方体（命名为 凸台-拉伸 1).
5. 选择长方体的顶面，单击 草图 > 中心矩形，并创建以该中心点为中心的初始草图起源然后点击 智能维度 将矩形尺寸设置为 25.2 mm × 25.2 mm（命名为草图 2）。该尺寸可容纳一个 25 mm × 25 mm 的石蜡块，装配公差约为 0.2 mm。
6. 选择 草图 2，点击 特点 > 挤出切割，将切割深度设置为 20 mm，以制作蜡块凹槽。
用于三维物体追踪标记的负型套管设计
1. 选择长方体的一个垂直面并单击 草图 > 中心矩形，在选定的面部绘制一个矩形，然后单击 智能维度，并将其设置为 5.2 mm × 5.2 mm（命名为 草图 3).
2. 点击 特点 > 挤出切割，选择 草图 3，将切割深度设置为 5 mm。
3. 重复上述步骤，在四个垂直表面上创建插槽。对于底面的插槽，将草图尺寸设置为 10.2 mm × 10.2 mm，切削深度设置为 10 mm。
4. 点击保存并保存石蜡块托架作为 SLDPRT 文件。
基座稳定性与雕刻舒适性设计
1. 使用 3D 建模软件，单击 新 > 部分 > 好的 在主页上。
2. 选择 顶平面 并单击 草图 > 圆，以中心点绘制一个直径为80 mm的圆起源（命名为S草图 1).
3. 选择草图1，点击 特点 > 凸出-基体/凸台，将深度设置为5 mm，以制作一个圆形稳定板。
4. 点击 右平面 并绘制一个等腰直角三角形，其起源以斜边中点为基准，边长为40 mm，角度为45°，绘制草图（命名为 草图 2).
5. 选择 草图 2，点击 特点 > 拉伸凸台/基体，选择 中平面 在引导下，将深度设置为40 mm，以生成一个45°倾斜结构（命名为 Boss-Extrude 2).
6. 选择倾斜表面，点击 草图> 中心矩形，绘制一个10 mm × 10 mm的中心矩形，点击 拉伸凸台/基体, 并将深度设置为10 mm，以创建与基座相连的支撑连接件。
7. 点击保存并将稳定支撑结构保存为 SLDPRT 文件。
三维物体跟踪标记的设计
注意：标记物应具有刚性结构、稳定的表面特征以及足够的几何复杂性，以提高三维物体识别与跟踪的稳定性。
1. 使用3D建模软件，单击 新 > 部分 > 好的 在主页上。
2. 选择 顶平面 并点击 草图 > 多边形，以原点为中心绘制一个六边形，然后单击 智能维度，将边长设置为7.5 mm（命名为 草图 1).
3. 选择 草图 1，点击 特点 > 凸台-拉伸，深度设置为10 mm。
4. 选择底面，点击 草图> 中心矩形，绘制一个5 mm × 5 mm的中心矩形（命名为 草图 2).
5. 选择 草图 2，点击 特点 > 凸台/基体拉伸，将深度设置为5 mm，以形成可插入底座负极插孔的插针。
6. 使用草稿以顶面作为中性面，将各个侧面分别设为拔模面，并对每个表面施加不同的拔模角度，以增强几何特征的不对称性。根据识别效果调整拔模角度，同时避免所有侧面完全对称。
7. 选择标记物的顶面，单击 草图 > 文本，并输入文本标签以添加局部视觉特征并辅助识别（命名为 草图 3).
8. 选择 草图 3，点击 特点 > 拉伸凸台/基体，将挤出深度设置为 2 mm。
9. 重复上述步骤，制作对应近中、远中、颊侧和舌侧表面的四个侧方标志点。
10. 点击保存并将每个标记另存为 SLDPRT 文件。
组装基座和AR标记物并确认空间位置关系
1. 使用3D建模软件，点击 新方法 > 组装 > 好的 在首页上。
2. 点击 插入组件导入AR追踪蜡块基座、稳定支撑结构及所有三维物体追踪标记。
3. 点击交配功能与应用 共线、平行、垂直，或其他交配关系来确定标记与碱基之间的空间位置。
4. 点击 另存为，选择 STL 格式，然后单击选项在窗口中。
5. 确认 将装配体的所有组件保存在一个文件中 未选中时，点击 好的 > 保存，将各个组件的 STL 文件分别导出，以便在 AR 软件中进行模型导入和空间关系设置。

3. 模型的3D打印与后处理

注意：使用本方案中所述的打印机和打印参数，打印一套完整的模型大约需要 70 分钟。

材料选择与打印机设置（图2C，D）
1. 使用哑光灰色的聚乳酸（PLA）耗材进行打印，以减少反光，便于增强现实（AR）相机识别。
2. 使用封闭式FDM 3D打印机以控制打印环境，提高打印稳定性。根据打印机和耗材特性调整参数。
3. 将STL模型导入切片软件，通过移动、旋转和选择打印面来确定最佳打印方向，以减少打印误差。
4. 使用切片软件配置切片参数。参数可根据具体打印机和材料进行调整。
推荐的切片参数
1. 设置喷嘴直径为0.4 mm，喷嘴温度为220 °C，打印平台温度为55 °C。使用带有纹理的PEI打印平台。
2. 设置层高为0.2 mm，填充密度为15%，首层打印速度为50 mm/s，外壁打印速度为200 mm/s，内壁打印速度为300 mm/s。
3. 当存在悬垂结构时启用自动生成树状支撑；若无悬垂结构则省略支撑结构。启用冷却功能。
4. 打印前校准打印机，并检查耗材颜色及表面状况。
打印模型的后处理
1. 打印完成并冷却后，取下打印平台，轻轻弯曲平台使模型自然脱落，从而保护平台表面纹理。
2. 使用尖嘴钳小心去除支撑结构。去除支撑后，检查模型是否存在完整性问题或变形。若支撑接触区域粗糙，可用砂纸或锉刀轻轻打磨，以提高底面稳定性。

4. 增强现实软件设置与虚实配准

注意：在本方案中，使用了增强现实（AR）软件导入标准的数字化牙齿模型，并生成虚实融合图像。采用高清RGB相机以每秒30帧的速度采集1080p分辨率的RGB图像。相机的深度感知功能未用于跟踪或配准（图3A、B）。将虚拟模型导入软件并设置模型颜色与透明度耗时不足1分钟。配准过程耗时少于5秒，成功配准后即可立即实现实时导航。

硬件准备
1. 打开计算机，并通过 USB 3.0 端口连接高清摄像头。确认系统已识别该摄像头。
  注意：摄像头的校准参数在软件开发过程中已预先设定，并用于增强现实（AR）配准。后续使用过程中无需额外校准。对于其他 AR 系统，应根据系统要求重复进行摄像头校准。
模型导入与显示设置
1. 打开 AR 软件。
2. 点击 导入 STL，选择包含标准数字化牙模和 AR 标记模型的 STL 文件所在文件夹，并导入所需模型。
3. 将虚拟牙模设置为白色，以与红色蜡块形成高对比度；将透明度设为 0.4，以便观察雕刻器械与牙模边界之间的关系。
启动 AR 导航与配准
注意：在配准过程中，避免用手或雕刻器械遮挡标记。若系统无法识别标记，应移除遮挡物并重新调整底座，使标记清晰地重新进入摄像头视野。
1. 选择 AR 标记，点击 虚拟导航 > 摄像头导航。在弹出窗口中选择要使用的摄像头，启动 AR 导航。
2. 将物理三维物体跟踪标记置于摄像头视野中心，保持约 25 cm 的工作距离。使用无反光背景，并避免操作区域有强直射光，以确保标记识别的稳定性。
3. 调整摄像头角度，使光轴大致垂直于标记表面，或形成约 30°–45° 的斜视角度，使软件中的虚拟标记轮廓在大小、方向和位置上尽可能与物理标记重合。
  注意：当虚拟标记与物理标记高度重合时，系统将自动识别并完成配准，实现实时跟踪。虚拟标记轮廓由红色变为绿色，虚拟牙模将根据其与标记预设的空间关系显示，并稳定叠加在蜡块的相应位置。
4. 点击 参数设置，调整跟踪质量阈值。
  注意：该阈值用于判断虚拟模型与真实场景之间的匹配质量；仅当特征匹配和定位置信度达到预设阈值时，才视为配准成功。本系统中，跟踪质量阈值根据多次预实验设定为 0.7。该值可在保证稳定实时跟踪和虚实配准的同时实现快速识别。较低的阈值虽可降低标记配准难度，但会降低配准精度；较高的阈值则会增加标记配准的难度和耗时。

5. 增强现实辅助的牙齿雕刻步骤

将25 mm × 25 mm × 50 mm的蜡块插入AR追踪蜡块底座的凹槽中。确保蜡块底部完全贴合凹槽底部，并且蜡块稳固。
启动AR导航。根据虚拟牙模与蜡块之间的叠加情况，确定初始切割区域和方向。缓慢旋转底座，从不同视角观察虚拟牙模。
从与已识别的三维物体追踪标记相对应的观察方向及其邻近表面进行观察。避免依赖对侧表面，因为在仅识别单个标记时，对侧表面可能无法稳定显示。
根据需要旋转蜡块 holder，以暴露近中、远中、颊侧或舌侧的三维物体追踪标记。在模型设置中，选择相应的标记以切换观察面。
根据观察阶段，在模型设置中调整虚拟牙模的颜色和透明度。
移除遮挡标记的任何手部或器械。如果由于遮挡或底座快速旋转导致系统无法识别标记，请缓慢调整底座位置，直至重新识别标记，然后继续雕刻（图3C、D）。

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结果

AR-ATCS 成功识别了基座上的三维物体追踪标记，并实时稳定地将虚拟牙体模型叠加到蜡块的对应位置。该虚拟模型准确呈现了主要解剖结构、形态边界和表面轮廓，包括牙尖、窝、沟、边缘嵴、轴面轮廓以及牙冠外形线。当缓慢旋转基座且追踪标记未被遮挡时，虚拟牙体模型与蜡块之间仍能保持稳定的配准。这使得操作者能够从多个视角观察目标牙齿的形态，包括颊面、舌面、近中面、远中面和咬合面。这些结果表明，该系统可提供连续的三维视觉参考，有助于在牙体雕刻过程中识别局部形态偏差。

当追踪标记被操作者的手或雕刻工具部分遮挡，或基座旋转过快时，标记识别会中断，导致虚拟模型叠加层丢失。重新放置基座并移除遮挡物后，可恢复标记识别，重新建立稳定的虚实注册，从而继续雕刻操作。

采用二维图像平面叠加偏差分析方法评估虚拟-现实叠加误差。每次配准试验中，相机位置保持固定，将带有物体追踪标记的牙齿雕刻基座移至相机视野中心。当虚拟标记轮廓与物理标记轮廓大致重合时，系统自动完成配准。随后采集一幅二维叠加图像。从每幅采集的图像中选取牙齿雕刻基座的四个角点解剖标志，记录对应的物理坐标...

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讨论

牙体解剖学教育历经发展，已形成结合理论教学与实践训练的经典教学模式。准确掌握牙齿解剖形态是口腔临床实践的重要基础，尤其在修复治疗、牙体牙髓治疗、咬合重建及种植修复等操作中至关重要。因此，研究人员持续探索新的教学方法与技术，以支持解剖知识体系的建立。以往的研究主要通过优化教学方法以及探索不同雕刻材料的适用性来改进牙体解剖学教学。随着数字技术的发展，三维扫描、三维重建、3D打印、虚拟现实和增强现实技术逐渐从临床应用拓展至医学教育领域，为学生理解复杂的三维结构提供了新的工具¹⁵。未来，随着人工智能与移动计算技术的进步，这些技术有望以更低的成本和更高的便捷性融入常规教学。

在此系统中，标准牙科模型可重复使用。三维物体追踪标记可在三维建模软件中进行设计，并在直接导入增强现实（AR）软件前确定其空间关系。整个工作流程随后可通过3D打印牙体雕刻基座完成。值得注意的是，使用3D打印的牙科模型作为牙体雕刻训练的实体参考已显示出教育价值，具有成本低、形态直观、可反复观察等优势。然而，AR技术可提供实时视觉导航，能够在实际蜡块雕刻环境中提供实时、可旋转且透...

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披露

作者声明无任何利益冲突。

致谢

本工作由昆明医科大学颅颌面复杂畸形诊疗团队（2024XKTDTS08）、云南省临床医学中心研究项目（2024YNLCYXZX0227，2024YNLCYXZX0229）、云南省口腔疾病临床研究中心（202505AJ310001）以及云南省高层次人才培养支持计划（YNWR-MY-2020-086）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
3D 扫描仪	SHINING 3D	AutoScanEPCG-BD032G26	用于标准蜡牙的三维扫描。
摄像头	Intel RealSense	D415	用于获取实时视野，以识别三维物体标记。
牙科蜡雕刻工具			用于雕刻蜡块。
E3D CMF	湖南六维金航数字科技有限公司，中国湖南	https://www.e3d-med.com/	增强现实导航软件。
FDM 3D 打印机	Bambu Lab	31B8BP631300564	用于制作蜡块托盘基座和三维物体追踪标记。
Geomagic Wrap	3D Systems Corporation	版本 2021	用于处理标准蜡牙的三维扫描数据。
PLA 线材	Bambu Lab	10105	用于 FDM 3D 打印。
SOLIDWORKS	Dassault Systèmes	版本 2025	用于蜡块托盘基座和物体追踪标记的三维建模。
蜡块			用于牙齿雕刻练习。

参考文献

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