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Methodenartikel

Augmented-Reality-gestütztes System für das Training des Zahnkünstlerschnitts in der dentalen Ausbildung

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DOI:

10.3791/73392

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18. August 2026

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das erweiterte Realität unterstützte Zahnhöhlungs-System (AR-ATCS) erkennt 3D-Objektmarkierungen und projiziert ein virtuelles Zahnmodell auf einen realen Wachsblock, wodurch eine dreidimensionale visuelle Referenz bereitgestellt wird, um Zahnmedizinstudenten während der Zahnhöhlung zu unterstützen.

Zusammenfassung

Das Ziel dieses Protokolls besteht darin, die Ausbildung in Zahnanatomie durch die Entwicklung und Anwendung eines erweiterten Realität unterstützten Zahnhau-Systems (AR-ATCS) zu verbessern. Die Zahnmorphologie ist ein grundlegender Bestandteil der zahnmedizinischen Ausbildung, bei dem Studierende komplexe dreidimensionale (3D) anatomische Strukturen sowie funktionelle Orientierungspunkte beherrschen müssen, die für klinische Verfahren wie die restaurative Zahnheilkunde und die endodontische Behandlung unerlässlich sind. Traditionell werden diese Fähigkeiten durch das Modellieren von Zähnen aus Wachsblöcken erworben; dieser Ansatz ist jedoch häufig durch eine geringe Unterrichtseffizienz und eine erhebliche kognitive Lücke eingeschränkt, wenn Studierende zweidimensionale (2D) Lehrbuchabbildungen in dreidimensionale physische Strukturen umsetzen müssen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, beschreibt das Protokoll die Integration der Technologie der erweiterten Realität (AR) in das manuelle Training des Zahnhauens. Das System nutzt 3D-Objektverfolgung und Algorithmen der computergestützten Bildverarbeitung, um ein hochpräzises virtuelles 3D-Zahnmodell in den physischen Arbeitsbereich einzublenden. Durch die Erkennung spezifischer Verfolgungsmarkierungen mittels einer mobilen Kamera projiziert das System eine digitale Hilfslinie in korrektem Maßstab und Ausrichtung direkt auf den Wachsblock. Diese virtuelle und physische Ausrichtung ermöglicht es Studierenden, die gewünschte Zahnmorphologie in Echtzeit zu visualisieren und Abweichungen in ihrem Fortschritt beim Hauen unmittelbar zu erkennen. Das Protokoll stellt einen detaillierten Arbeitsablauf zur Einrichtung der AR-Umgebung, zur Ausrichtung der virtuellen Modelle mit den physischen Materialien und zur Nutzung des Systems als selbstgesteuertes Trainingswerkzeug bereit. Durch die Bereitstellung interaktiver, mehrseitiger visueller Rückmeldungen reduziert das System die Abhängigkeit von kontinuierlichen Demonstrationen durch den Ausbilder und minimiert die Auswirkungen irreversibler Fehler beim Hauen. Insgesamt bietet dieser AR-unterstützte Ansatz ein ergänzendes visuelles Leitwerkzeug für die traditionelle Ausbildung in Zahnanatomie, indem er Studierende in der Anfangsphase des Zahnhauens unterstützt und einen effizienteren Rahmen für das Üben der Zahnmorphologie bereitstellt.

Einleitung

Die Zahnmorphologie ist ein zentraler Bestandteil der zahnmedizinischen Ausbildung und zielt darauf ab, Studierenden ein systematisches Verständnis der anatomischen Zahnform und ihrer dreidimensionalen Strukturmerkmale zu vermitteln1,2. Das Zahnmodellieren als wichtiger Bestandteil des Zahnmorphologie-Unterrichts spiegelt nicht nur die Beherrschung der Zahnanatomie durch die Studierenden wider, sondern schult auch deren Feinmotorik und operative Fähigkeiten3,4. Es bildet eine wesentliche Grundlage für die klinische Praxis, insbesondere in der prothetischen Behandlung2,5.

Die traditionelle Ausbildung im Zahnmodellieren erfolgt gewöhnlich unter Anleitung von Lehrkräften, bei der Studierende die anatomische Morphologie von Front- und Seitenzähnen mithilfe von Wachs- oder Seifenblöcken modellieren3,5. Aufgrund des Ungleichgewichts zwischen der Anzahl der Lehrkräfte und der Studierenden ist es jedoch schwierig, innerhalb eines begrenzten Unterrichtszeitraums ausreichende individuelle Betreuung zu gewährleisten4,5. Zudem haben Studierende häufig erhebliche kognitive Schwierigkeiten beim Übergang von zweidimensionalen Abbildungen zu dreidimensionalen Formen, was die Lern- und Lehrwirksamkeit beeinträchtigen kann2,5,6.

In den letzten Jahren wurden mit der rasanten Entwicklung digitaler Technologien dreidimensionaler Druck, Augmented Reality, Virtual Reality und andere digitale Ansätze zunehmend in der anatomischen Ausbildung und im Unterricht im zahntechnischen Labor eingesetzt6,7,8,9. Diese Technologien überwinden die räumlichen Darstellungsgrenzen traditioneller zweidimensionaler Atlanten, der Beobachtung physischer Modelle und der Lehrerdemonstrationen und bieten den Studierenden ein anschaulicheres, dynamischeres und dreidimensionales Lernerlebnis5,6,9.

Die erweiterte Realität ist eine Visualisierungstechnologie, die computergenerierte virtuelle Informationen in Echtzeit in die reale Umgebung einblendet und so eine Verschmelzung von Virtuellem und Realem sowie eine Interaktion zwischen Mensch und Computer ermöglicht. Durch die Ergänzung dreidimensionaler Daten und räumlicher Informationen in realen Szenarien kann die erweiterte Realität die Wahrnehmung komplexer räumlicher Strukturen durch den Beobachter erweitern10,11. Diese Eigenschaft macht die erweiterte Realität besonders geeignet für praktische Lehrszenarien, die räumliches Verständnis und Hand-Auge-Koordination erfordern. Gegenwärtig wurde die AR-Technologie bereits vorläufig im anatomischen Unterricht eingesetzt und erhielt positive Rückmeldungen11,12,13. Über den Bildungsbereich hinaus wurde AR auch in die klinische Zahnmedizin übertragen. Beispielsweise berichteten Macrì et al. über den Einsatz der AR-gestützten chirurgischen Freilegung eines eingeschobenen Zahns und zeigten, dass die AR-basierte räumliche Registrierung und die Echtzeit-Überlagerung von Virtuellem und Realem in der oralen chirurgischen Navigation Anwendung finden kann14. Diese klinische Anwendung bietet zusätzliche Unterstützung für die Einführung der AR-gestützten räumlichen Visualisierung in die Ausbildung zur Zahnmorphologie.

In diesem Protokoll wurde AR-Technologie eingesetzt, um die Zahnmodellierungsübung zu unterstützen, indem den Studierenden während des Trainings eine kontinuierliche, intuitive dreidimensionale visuelle Referenz bereitgestellt wurde, die eine Ergänzung zur herkömmlichen Anleitung durch Dozierende darstellen kann. Zu diesem Zweck wurde ein AR-gestütztes System zur Zahnmodellierung gemeinsam entwickelt und besteht hauptsächlich aus AR-Software, einer hochauflösenden Kamera, einer Halterung für den Wachsblock sowie vier separat hergestellten dreidimensionalen Objektverfolgungsmarkern. Die Marker wurden auf der Trägerbasis montiert, die den Wachsblock in einer vordefinierten Position hält. Während des Betriebs erfasst das System Bilder des physischen Arbeitsbereichs über die Kamera. Nachdem ein dreidimensionaler Objektmarker auf der Basis erkannt wurde, wird das virtuelle Zahnmodell in Echtzeit an der entsprechenden Position auf dem Wachsblock in der Anzeigeoberfläche überlagert, wodurch den Studierenden eine visuelle Referenz für die Modellierung bereitgestellt wird.

Basierend auf diesem System wurde eine Einzelproben-Validierung durchgeführt. Ein Studierender, der den Kurs zur Zahnanatomie abgeschlossen hatte, führte das Zahnschnitzverfahren unter Anleitung des vorgeschlagenen AR-gestützten Protokolls durch. Der geschnitzte Zahn wurde anschließend gescannt und als dreidimensionales Modell verarbeitet, und eine objektive morphologische Abweichungsanalyse wurde durch Vergleich mit dem Standard-Zahnmodell durchgeführt. Die vorläufigen Ergebnisse der Einzelprobenuntersuchung deuten darauf hin, dass der Einsatz des AR-ATCS als unterstützendes Werkzeug für die Ausbildung in der Zahnmorphologie machbar ist.

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Protokoll

1. Erstellung des standardisierten digitalen Zahnmodells

HINWEIS: In diesem Protokoll wurde der linke erste Molaren des Unterkiefers als Zielzahn verwendet, um die Durchführbarkeit des AR-gestützten Zahnmodellierungsworkflows zu demonstrieren. Für andere Zahnpositionen kann der Workflow angewendet werden, nachdem das entsprechende standardisierte digitale Zahnmodell importiert und die räumliche Beziehung zum dreidimensionalen Objektmarker neu definiert wurde. Dieser Schritt dauert etwa 10 Minuten.

  1. Kammer-Scanning des Standard-Zahnmodells
    1. Bereiten Sie das Standard-Zahnmodell vor.
      HINWEIS: Verwenden Sie in diesem Protokoll ein standardmäßiges Zahnmodell, das mit einem Wachsblock der Größe 25 mm × 25 mm × 50 mm kompatibel ist.
    2. Tragen Sie eine dünne und gleichmäßige Schicht Scanning-Pulver oder einer Anti-Reflexions-Spray auf die Oberfläche des Standard-Zahnmodells auf, um reflectionsbedingte Scanning-Fehler zu reduzieren.
    3. Platzieren und sichern Sie das vorbereitete Standard-Zahnmodell auf dem Halter des kammerförmigen dreidimensionalen Scanners (ausgestattet mit zwei 24-MP-Kameras und einer Scannergenauigkeit <10 µm). Stellen Sie sicher, dass das Modell stabil ist und der gewünschte Scanning-Bereich vollständig freigelegt ist (Abbildung 1A).
    4. Öffnen Sie die 3D-Scansoftware, erstellen Sie eine neue Bestellung und benennen Sie diese entsprechend der Zielzahnposition. Bestätigen Sie die Scan-Einstellungen und klicken Sie an Scan starten.
    5. Nach dem Scannen die Integrität des digitalen Modells überprüfen. Falls keine offensichtlichen Fehler festgestellt werden, das gescannte Modell im STL-Format exportieren und die Einheit auf Millimeter setzen (Abbildung 1B).
  2. Segmentierung und Verarbeitung des gescannten Zahnmodells (Abbildung 1C)
    1. Geöffnete 3D-Scan-Datenverarbeitungssoftware
    2. Klicken Sie auf Datei > Öffnen, wählen Sie die STL-Datei des Standard-Zahnmodells aus und klicken Sie auf Öffnen.
    3. Wählen Sie im Einheitenauswahlfenster Millimeter und klicken Sie auf OK.
    4. Klicken Sie auf Polygone > Beschneiden > Trimmen mit der EbenePassen Sie die Position der Schnittebene manuell auf die geplante Wurzelschnitt-Ebene an.
    5. Bestätigen Sie den Schneidbereich, klicken Sie auf Schnittebene > Auswahl löschen > Enger Schnitt > OK um den überschüssigen Wurzelanteil zu entfernen und die offene Begrenzung zu schließen sowie ein wasserdichtes, standardisiertes digitales Zahnmodell zu erhalten.
    6. Klicken Sie auf Datei > Speichern und auswählen STL-Datei (binär) (*.STL) in der Liste „Dateityp“.
  3. Konstruktion der Basis des Standard-Zahnmodells (Abbildung 1D)
    ​HINWEIS: Dieser Schritt dient dazu, eine regelmäßige Basis für das standardmäßige digitale Zahnmodell zu erstellen, wodurch eine stabile räumliche Beziehung zwischen dem Standardmodell, dem Wachsblock und der AR-Tracking-Basis hergestellt wird. Die genauen Bezeichnungen der Menüoptionen können je nach Softwareversion leicht variieren.
    1. Öffnen Sie die 3D-Modellierungssoftware.
    2. Klicken Sie auf Datei > Öffnen und wählen Sie die STL-Datei des standardmäßigen digitalen Zahnmodells.
    3. Klicken Sie auf Optionen, importieren als Festkörper oder Oberflächenkörperund auswählen Erstellen Sie Mesh-Körper, die durch einzelne Flächen begrenzt sind > Gruppieren Sie Facetten in Flächenund klicken Sie auf OK und Öffnensodass die dreieckigen Facetten an der Unterseite des Zahnmodells als relativ vollständige Referenzfläche erkannt werden können.
    4. Erstellen Sie den Mittelpunkt der Modellbasis. Wählen Sie die untere Fläche des Zahnmodells aus und klicken Sie auf Merkmale > Punkt > Gesichtsmittelpunkt > OK um den Mittelpunkt (benannt Punkt 1).
    5. Wählen Sie die untere Fläche des Zahnmodells als Skizzierebene aus und klicken Sie auf Skizze > Rechteck zentrieren, zeichnen Sie ein Rechteck, das zentriert ist bei Punkt 1und klicken Sie auf Smart Dimension um das Rechteck auf 25 mm × 25 mm festzulegen. Klicken Sie auf Beenden Sie die Skizze (bezeichnet) Skizze 1).
    6. Auswählen Skizze 1. Klicken Sie im Reiter „Features“ auf Extrudierter Aufsatz/Grundkörper. Unter Richtung 1, auswählen Blind, stellen Sie die Tiefe auf 20 mm ein und klicken Sie auf OK um die Standardzahnmodellbasis zu erzeugen.

2. Konstruktion des Wachsblockhalters und der AR-Tracking-Basis

HINWEIS: Die dreidimensionalen Objektverfolgungsmarker und die AR-Verfolgungswachsbasis sind kundenspezifische Komponenten. Ihr Design kann je nach Konstruktionszweck und Modellierungsstrategie variieren. Daher ist die in diesem Protokoll beschriebene Basis nicht die einzige mögliche Konstruktion und kann modifiziert werden, solange die Befestigung des Wachsbloks, die Erkennung der Marker und der Handhabungskomfort erhalten bleiben. Dieser Schritt dauert etwa 30 min.

  1. Konstruktion der Wachsblock-Aussparung (Abbildung 2A, B)
    1. Mithilfe der 3D-Modellierungssoftware klicken Sie auf Neu > Teil > OK auf der Startseite.
    2. Wählen Sie die Oberer Querschnitt und klicken Sie auf Skizze. Klicken Sie auf Mittleres Rechteck und zeichnen Sie die erste Skizze mittig bei dem Ursprung.
    3. Klicken Sie auf Smart Dimension um das Rechteck auf 40 mm × 40 mm festzulegen, klicken Sie auf Austrittsdimension (bezeichnet) Skizze 1).
    4. Auswählen Skizze 1, klicken Sie auf Merkmale > Extrudierter Aufsatz/Grundkörper, unter Richtung 1, wählen Sie Blind, und stellen Sie die Tiefe auf 32,5 mm ein, um einen Quader mit den Maßen 40 mm × 40 mm × 32,5 mm zu erstellen (benannt als Boss – Extrudieren 1).
    5. Wählen Sie die obere Fläche des Quaders aus, klicken Sie auf Skizze > Rechteck zentrierenund erstellen Sie die erste Skizze zentriert bei der Ursprung. Dann klicken Sie auf Intelligente Dimension und die Rechteckgröße auf 25,2 mm × 25,2 mm festlegen (benannt als Sketch 2). Diese Größe ermöglicht einen 25 mm × 25 mm großen Wachsblock mit einer Montagetoleranz von etwa 0,2 mm.
    6. Auswählen Skizze 2, klicken Sie auf Merkmale > Extrudierte Schnittstelleund stellen Sie die Schnitttiefe auf 20 mm ein, um die Aussparung im Wachsblock zu erzeugen.
  2. Konstruktion von Negativabformungen für die dreidimensionalen Objektverfolgungsmarker
    1. Wählen Sie eine vertikale Fläche des Quaders aus und klicken Sie auf Skizze > Mittleres Rechteck, zeichnen Sie ein Rechteck auf die ausgewählte Fläche und klicken Sie auf Smart Dimensionund stellen Sie es auf 5,2 mm × 5,2 mm ein (benannt als Skizze 3).
    2. Klicken Sie auf Merkmale > Extrudierte Schnittstelle, wählen Sie Skizze 3und stellen Sie die Schnitttiefe auf 5 mm ein.
    3. Wiederholen Sie die obigen Schritte, um Buchsen auf den vier vertikalen Flächen anzulegen. Für die Buchse auf der unteren Fläche stellen Sie die Skizziergröße auf 10,2 mm × 10,2 mm und die Schnitttiefe auf 10 mm ein.
    4. Klicken Sie auf Speichern und speichern Sie den Wachsblockhalter als einen SLDPRT Datei.
  3. Konstruktion für Standfestigkeit und Bearbeitungskomfort
    1. Mithilfe der 3D-Modellierungssoftware klicken Sie auf Neu > Teil > OK auf der Startseite.
    2. Wählen Sie die Oberer Bereich und klicken Sie auf Skizze > Kreis, zeichnen Sie einen Kreis mit einem Durchmesser von 80 mm, dessen Mittelpunkt bei der Ursprung (bezeichnet als SAbbildung 1).
    3. Wählen Sie Skizze 1 aus, klicken Sie auf Eigenschaften > Extrudierter Aufsatz/Grundkörperund stellen Sie die Tiefe auf 5 mm ein, um eine kreisförmige Stabilisierungsplatte zu erzeugen.
    4. Klicken Sie auf Rechte Ebene und zeichnen Sie ein gleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck mit der Ursprung als Mittelpunkt der Hypotenuse, einer Seitenlänge von 40 mm und einem Winkel von 45°, um eine Skizze (benannt Skizze 2).
    5. Wählen Sie Skizze 2, klicken Sie auf Eigenschaften > Extrudierter Aufsatz/Grundkörper, wählen Sie Mittenebene unter Richtung und stellen Sie die Tiefe auf 40 mm ein, um eine um 45° geneigte Struktur (benannt Boss-Extrude 2).
    6. Wählen Sie die geneigte Oberfläche aus, klicken Sie auf Skizze> Mittleres Rechteck, zeichnen Sie ein 10 mm × 10 mm großes mittig liegendes Rechteck und klicken Sie auf Extrudierter Aufsatz/Grundkörper, und stellen Sie die Tiefe auf 10 mm ein, um den Stützverbinder zur Basis zu erzeugen.
    7. Klicken Sie auf Speichern und speichern Sie die stabilisierende Tragstruktur als SLDPRT-Datei.
  4. Design der dreidimensionalen Objekt-Tracking-Marker
    ​HINWEIS: Der Marker sollte eine starre Struktur, stabile Oberflächenmerkmale und ausreichende geometrische Komplexität aufweisen, um die Stabilität der dreidimensionalen Objekterkennung und -verfolgung zu verbessern.
    1. Mithilfe der 3D-Modellierungssoftware klicken Sie auf Neu > Teil > OK auf der Startseite.
    2. Wählen Sie die Oberer Bereich und klicken Sie auf Skizze > Polygon, zeichnen Sie ein Sechseck, das am Ursprung zentriert ist, klicken Sie auf Intelligente Dimension, die Seitenlänge auf 7,5 mm einstellen (benannt als Skizze 1).
    3. Auswählen Skizze 1, klicken Sie auf Merkmale > Extrudierter Aufsatz/Grundkörperund stellen Sie die Tiefe auf 10 mm ein.
    4. Wählen Sie die untere Fläche aus, klicken Sie auf Skizze> Rechteck zentrieren, zeichnen Sie ein 5 mm × 5 mm großes mittig liegendes Rechteck (benannt als Skizze 2).
    5. Wählen Sie Skizze 2, klicken Sie auf Merkmale > Extrudierter Aufsatz/Grundkörperund stellen Sie die Tiefe auf 5 mm ein, um einen Stift zu formen, der in die Negativbuchse der Basis passt.
    6. Verwenden Sie das Entwurf Funktion mit der Oberseite als neutrale Ebene. Wählen Sie jede Seitenfläche als Ziehebene aus und weisen Sie jeder Fläche unterschiedliche Ziehwinkel zu, um die Asymmetrie der geometrischen Merkmale zu erhöhen. Passen Sie die Ziehwinkel basierend auf der Erkennungsleistung an, wobei eine vollständige Symmetrie über alle Seitenflächen vermieden werden sollte.
    7. Wählen Sie die obere Fläche des Markers aus, klicken Sie auf Skizze > Textund geben Sie eine Textbezeichnung ein, um lokale visuelle Merkmale hinzuzufügen und die Erkennung zu unterstützen (benannt Skizze 3).
    8. Wählen Sie Skizze 3, klicken Sie auf Eigenschaften > Extrudierter Aufsatz/Grundkörperund stellen Sie die Extrusionstiefe auf 2 mm ein.
    9. Wiederholen Sie die obigen Schritte, um die vier seitlichen Markierungen entsprechend den mesialen, distalen, bukkalen und lingualen Flächen anzulegen.
    10. Klicken Sie auf Speichern und speichern Sie jeden Marker als SLDPRT-Datei.
  5. Aufbau der Basis- und AR-Marker sowie Bestätigung der räumlichen Beziehungen
    1. Mithilfe der 3D-Modellierungssoftware klicken Sie auf Neu > Aufbau > OK auf der Startseite.
    2. Klicken Sie auf Komponenten einsetzen, importieren Sie die AR-Tracking-Wachsblockbasis, die Stützstruktur zur Stabilisierung und alle dreidimensionalen Objekt-Tracking-Marker.
    3. Klicken Sie auf Paarung Funktion und Anwendung Zufällig, Parallel, Senkrechtoder andere Paarungsbeziehungen, um die räumlichen Positionen zwischen den Markern und der Basis zu definieren.
    4. Klicken Sie auf Speichern unter, auswählen STL Format und klicken Sie auf Optionen im Fenster.
    5. Bestätigen Speichern Sie alle Komponenten einer Baugruppe in einer einzigen Datei ist nicht ausgewählt, klicken Sie auf OK > Speichern, exportieren Sie die einzelnen Komponenten-STL-Dateien getrennt, um den Modellimport und die Einrichtung der räumlichen Beziehungen in der AR-Software durchzuführen.

3. 3D-Druck und Nachbearbeitung der Modelle

HINWEIS: Unter Verwendung des in diesem Protokoll beschriebenen Druckers und der Druckparameter dauert das Drucken eines kompletten Modellsatzes etwa 70 Minuten.

  1. Materialauswahl und Drucker-Einrichtung (Abbildung 2C,D)
    1. Verwenden Sie mattgraues Filament aus Polylactid (PLA), um Reflexionen zu reduzieren und die Erkennung durch die AR-Kamera zu erleichtern.
    2. Verwenden Sie einen geschlossenen FDM-3D-Drucker, um die Druckumgebung zu kontrollieren und die Druckstabilität zu verbessern. Passen Sie die Parameter an die Eigenschaften des Druckers und des Filaments an.
    3. Importieren Sie das STL-Modell in die Slicing-Software. Bestimmen Sie die optimale Ausrichtung, indem Sie das Modell verschieben, drehen und die Druckoberfläche auswählen, um Druckfehler zu minimieren.
    4. Konfigurieren Sie die Slicing-Parameter mithilfe der Slicing-Software. Die Parameter können je nach spezifischem Drucker und Material angepasst werden.
  2. Empfohlene Slicing-Parameter
    1. Stellen Sie den Düsendurchmesser auf 0,4 mm, die Düsentemperatur auf 220 °C und die Bautischtemperatur auf 55 °C ein. Verwenden Sie einen strukturierten PEI-Bautisch.
    2. Stellen Sie die Schichthöhe auf 0,2 mm, die Infill-Dichte auf 15 % und die Druckgeschwindigkeit auf 50 mm/s für die erste Schicht, 200 mm/s für die Außenwand und 300 mm/s für die Innenwand ein.
    3. Aktivieren Sie automatische Baumstützen bei überhängenden Strukturen. Lassen Sie Stützstrukturen weg, wenn keine Überhänge vorhanden sind. Aktivieren Sie die Kühlung.
    4. Kalibrieren Sie den Drucker vor dem Drucken und prüfen Sie Farbe und Oberflächenzustand des Filaments.
  3. Nachbearbeitung der gedruckten Modelle
    1. Nach dem Drucken und Abkühlen entfernen Sie die Bauplatte und biegen Sie sie vorsichtig, um das Modell sanft zu lösen, wodurch die Oberflächenstruktur der Bauplatte geschont wird.
    2. Entfernen Sie die Stützstrukturen vorsichtig mit einer Spitzzange. Prüfen Sie nach dem Entfernen der Stützen das Modell auf Beschädigungen oder Verformungen. Falls die Kontaktstellen der Stützen rau sind, schleifen oder feilen Sie diese leicht, um die Standfestigkeit zu verbessern.

4. Einrichtung der AR-Software und virtuelle-registrierte Realität

HINWEIS: In diesem Protokoll wurde Augmented-Reality-(AR-)Software verwendet, um das standardmäßige digitale Zahnmodell zu importieren und die Überlagerung von virtuellen und realen Bildern zu erzeugen. Eine hochauflösende RGB-Kamera diente zur Aufnahme von RGB-Bildern mit 1080p bei 30 Bildern pro Sekunde. Die Tiefensensorik der Kamera wurde nicht zur Positionsverfolgung oder Registrierung verwendet (Abbildung 3A,B). Der Import der virtuellen Modelle in die Software sowie die Einstellung von Modellfarbe und -transparenz dauerte weniger als 1 Minute. Der Registrierungsprozess dauerte weniger als 5 Sekunden, und die Echtzeitnavigation wurde unmittelbar nach erfolgreicher Registrierung erreicht.

  1. Vorbereitung der Hardware
    1. Schalten Sie den Computer ein und schließen Sie die hochauflösende Kamera über einen USB-3.0-Anschluss an. Stellen Sie sicher, dass das System die Kamera erkennt.
      ​HINWEIS: Die Kamerakalibrierungsparameter wurden während der Softwareentwicklung vordefiniert und für die AR-Registrierung verwendet. Bei späteren Anwendungen war keine zusätzliche Kalibrierung erforderlich. Bei anderen AR-Systemen sollte die Kamerakalibrierung gemäß den Systemanforderungen wiederholt durchgeführt werden.
  2. Import und Anzeigeeinstellungen des Modells
    1. Öffnen Sie die AR-Software.
    2. Klicken Sie auf STL importieren, wählen Sie den Ordner mit den STL-Dateien des standardmäßigen digitalen Zahnmodells und der AR-Markierungsmodelle aus, und importieren Sie die erforderlichen Modelle.
    3. Stellen Sie das virtuelle Zahnmodell auf weiß ein, um einen hohen Kontrast zum roten Wachsblock zu erzielen, und setzen Sie die Transparenz auf 0,4, um die Beobachtung der räumlichen Beziehung zwischen dem Schnitzwerkzeug und der Grenze des Zahnmodells zu erleichtern.
  3. Starten der AR-Navigation und Registrierung
    HINWEIS: Während der Registrierung sollte vermieden werden, den Marker mit der Hand oder mit Schnitzwerkzeugen zu verdecken. Falls das System den Marker nicht erkennen kann, entfernen Sie die Sichtbehinderung und justieren Sie den Untergrund neu, sodass der Marker wieder klar im Kamerabild erscheint.
    1. Wählen Sie den AR-Marker aus und klicken Sie auf Virtuelle Navigation > Kameranavigation. Wählen Sie im Popup-Fenster die zu verwendende Kamera aus und starten Sie die AR-Navigation.
    2. Platzieren Sie den physischen dreidimensionalen Objektverfolgungsmarker in der Mitte des Kamerabildes bei einem Arbeitsabstand von etwa 25 cm. Verwenden Sie einen nicht reflektierenden Hintergrund und vermeiden Sie starke direkte Beleuchtung im Arbeitsbereich, um eine stabile Markererkennung sicherzustellen.
    3. Passen Sie den Kamerawinkel so an, dass die optische Achse annähernd senkrecht zur Markerfläche steht oder einen schrägen Blickwinkel von etwa 30°–45° bildet, sodass die virtuelle Markerumrisslinie in der Software möglichst exakt in Größe, Ausrichtung und Position mit dem physischen Marker übereinstimmt.
      ​HINWEIS: Wenn die virtuelle Markerumrisslinie nahezu deckungsgleich mit dem physischen Marker ist, erkennt das System diesen automatisch, schließt die Registrierung ab und ermöglicht die Echtzeitverfolgung. Die Umrisslinie des virtuellen Markers wechselt von rot auf grün, und das virtuelle Zahnmodell wird gemäß seiner vordefinierten räumlichen Beziehung zum Marker angezeigt und stabil an der entsprechenden Position auf dem Wachsblock überlagert.
    4. Klicken Sie auf Parametereinstellungen, um die Schwelle für die Verfolgungsqualität anzupassen.
      HINWEIS: Diese Schwelle dient zur Beurteilung der Übereinstimmungsqualität zwischen dem virtuellen Modell und der realen Szene; die Registrierung gilt erst dann als erfolgreich, wenn die Merkmalsübereinstimmung und die Lokalisierungssicherheit die voreingestellte Schwelle erreichen. In diesem System wurde die Schwelle für die Verfolgungsqualität auf Grundlage wiederholter Vorversuche auf 0,7 festgelegt. Dieser Wert wurde gewählt, da er eine schnelle Erkennung ermöglichte, während gleichzeitig eine stabile Echtzeitverfolgung und eine zuverlässige virtuell-reale Registrierung gewährleistet waren. Niedrigere Schwellenwerte erleichterten die Markerregistrierung, verringerten jedoch die Genauigkeit, während höhere Schwellen die Schwierigkeit und die Zeit für die Markerregistrierung erhöhten.

5. AR-gestütztes Verfahren zum Zahnmodellieren

  1. Setzen Sie den Wachsblock der Größe 25 mm × 25 mm × 50 mm in die Aussparung der AR-Tracking-Wachsblockbasis ein. Stellen Sie sicher, dass die Unterseite des Wachsblocks vollständig auf dem Boden der Aussparung aufliegt und der Wachsblock stabil sitzt.
  2. Starten Sie die AR-Navigation. Bestimmen Sie anhand der Überlagerung zwischen dem virtuellen Zahnmodell und dem Wachsblock den anfänglichen Schnittbereich und die Schnittrichtung. Drehen Sie die Basis langsam, um das virtuelle Zahnmodell aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten.
  3. Betrachten Sie das virtuelle Zahnmodell aus der Blickrichtung, die dem erkannten dreidimensionalen Objekt-Tracking-Marker und dessen benachbarten Flächen entspricht. Vermeiden Sie die Orientierung an der gegenüberliegenden Fläche, da diese möglicherweise nicht stabil dargestellt wird, wenn nur ein einzelner Marker erkannt wird.
  4. Drehen Sie den Wachsblockhalter nach Bedarf, um den mesialen, distalen, bukkalen oder lingualen dreidimensionalen Objekt-Tracking-Marker freizulegen. Wählen Sie in den Modelleinstellungen den entsprechenden Marker aus, um die Betrachtungsfläche zu wechseln.
  5. Passen Sie Farbe und Transparenz des virtuellen Zahnmodells in den Modelleinstellungen je nach Beobachtungsstadium an.
  6. Entfernen Sie jede Hand oder jedes Instrument, das den Marker verdeckt. Falls das System den Marker aufgrund einer Verdeckung oder einer schnellen Drehung der Basis nicht erkennt, stellen Sie die Basiskonfiguration langsam neu ein, bis der Marker erneut erkannt wird, und setzen Sie anschließend das Ausschneiden fort (Abbildung 3C,D).

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Ergebnisse

Das AR-ATCS erkannte erfolgreich den dreidimensionalen Objektverfolgungsmarker an der Basis und überlagerte stabil das virtuelle Zahnmodell in Echtzeit an der entsprechenden Position auf dem Wachsblock. Das virtuelle Modell repräsentierte präzise die wichtigsten anatomischen Strukturen, morphologischen Grenzen und Oberflächenkonturen, einschließlich der Kuppen, Fossae und Rillen, Randwülste, axialen Oberflächenkonturen und Kronenumrisslinie. Bei langsamer Drehung der Basis und unbehinderter Sicht auf den Verfolgungsmarke...

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Diskussion

Die Lehre der Zahnanatomie hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt und ein klassisches Lehrmodell übernommen, das theoretischen Unterricht mit praktischer Ausbildung verbindet. Ein genaues Verständnis der anatomischen Zahnmorphologie bildet eine wichtige Grundlage für die klinische zahnärztliche Praxis, insbesondere bei Verfahren im Bereich der prothetischen Behandlung, endodontischen Therapie, okklusalen Rekonstruktion und Implantatversorgung. Daher haben Forscher kontinuierlich neue Lehrmethoden und -technologien e...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt vom Team der Kunming Medical University für die Diagnose und Behandlung komplexer kraniofazialer Fehlbildungen (2024XKTDTS08), dem Forschungsprojekt des klinischen medizinischen Zentrums der Provinz Yunnan (2024YNLCYXZX0227, 2024YNLCYXZX0229), dem Klinischen Forschungszentrum für Mundkrankheiten der Provinz Yunnan (202505AJ310001) sowie dem Programm zur Förderung der Ausbildung hochqualifizierter Fachkräfte der Provinz Yunnan (YNWR-MY-2020-086).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
3D-ScannerSHINING 3DAutoScanEPCG-BD032G26Dient zum dreidimensionalen Scannen des standardmäßigen Wachszahns.
KameraIntel RealSenseD415Dient zur Erfassung des Echtzeit-Sichtfelds zur Erkennung des dreidimensionalen Objektmarkers.
Zahnmedizinisches WachsmodellierbesteckFormt den Wachsblock.
E3D CMFHunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.https://www.e3d-med.com/AR-Navigationssoftware.
FDM-3D-DruckerBambu Lab31B8BP631300564Dient zur Herstellung der Trägerbasis für den Wachsblock und des dreidimensionalen Objektverfolgungsmarkers.
Geomagic Wrap3D Systems CorporationVersion 2021Dient zur Verarbeitung der dreidimensionalen Scan-Daten des standardmäßigen Wachszahns.
PLA-FilamentBambu Lab10105Dient für den FDM-3D-Druck.
SOLIDWORKS Dassault SystèmesVersion 2025Dient zur dreidimensionalen Modellierung der Trägerbasis für den Wachsblock und des Objektverfolgungsmarkers.
WachsblockÜbung zur Zahnausbildung durch Modellieren.

Referenzen

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