Article de méthode

Système assisté par réalité augmentée pour l'apprentissage de la sculpture dentaire dans l'enseignement odontologique

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DOI :

10.3791/73392

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18 août 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

Dans cet article

Résumé

Le système de sculpture dentaire assisté par réalité augmentée (AR-ATCS) reconnaît des marqueurs d'objets 3D et superpose un modèle dentaire virtuel sur un bloc de cire réel, offrant une référence visuelle tridimensionnelle pour aider les étudiants dentistes débutants lors de la sculpture dentaire.

Résumé

L'objectif de ce protocole est d'améliorer l'enseignement de l'anatomie dentaire en développant et en appliquant un système de sculpture dentaire assisté par réalité augmentée (AR-ATCS). La morphologie dentaire constitue une composante fondamentale de la formation en odontologie, exigeant que les étudiants maîtrisent des structures anatomiques tridimensionnelles (3D) complexes ainsi que des repères fonctionnels essentiels aux procédures cliniques telles que la dentisterie restauratrice et les traitements endodontiques. Traditionnellement, ces compétences sont acquises par des exercices de sculpture sur blocs de cire ; toutefois, cette méthode est souvent limitée par une faible efficacité pédagogique et un écart cognitif important lorsque les étudiants tentent de transformer des illustrations bidimensionnelles (2D) provenant de manuels en structures physiques tridimensionnelles. Pour surmonter ces difficultés, ce protocole décrit l'intégration de la technologie de réalité augmentée (RA) dans la formation manuelle à la sculpture dentaire. Le système utilise le suivi d'objets tridimensionnels et des algorithmes de vision par ordinateur pour superposer un modèle virtuel 3D de dent de haute fidélité à l'espace de travail physique. En reconnaissant des marqueurs de suivi spécifiques à l'aide de la caméra d'un appareil mobile, le système projette un guide numérique à l'échelle et à l'orientation correctes directement sur le bloc de cire. Cet alignement entre le virtuel et le réel permet aux étudiants de visualiser en temps réel la morphologie dentaire cible et d'identifier les écarts par rapport à leur progression au fur et à mesure de la sculpture. Le protocole fournit un flux de travail détaillé pour configurer l'environnement de réalité augmentée, aligner les modèles virtuels avec les matériaux physiques, et utiliser le système comme outil d'apprentissage autonome. En offrant un retour visuel interactif sous plusieurs angles, le système réduit la dépendance aux démonstrations continues des enseignants et atténue l'impact des erreurs irréversibles de sculpture. Dans l'ensemble, cette approche assistée par réalité augmentée constitue un outil complémentaire de guidage visuel pour la formation traditionnelle en anatomie dentaire, en accompagnant les étudiants débutants durant la sculpture dentaire et en proposant un cadre plus efficace pour s'exercer à la morphologie dentaire.

Introduction

La morphologie dentaire est un élément fondamental de l'enseignement dentaire, visant à aider les étudiants à comprendre de manière systématique la morphologie anatomique des dents et leurs caractéristiques structurales tridimensionnelles1,2. La pratique de la taille des dents, en tant qu'élément important de l'enseignement de la morphologie dentaire, reflète non seulement la maîtrise par les étudiants de l'anatomie dentaire, mais forme également leur dextérité manuelle et leurs compétences opératoires3,4. Elle constitue une base essentielle pour la pratique clinique, notamment en traitement prothétique2,5.

La formation traditionnelle à la taille dentaire s'effectue généralement sous la supervision d'enseignants, au cours de laquelle les étudiants sculptent la morphologie anatomique des dents antérieures et postérieures à l'aide de blocs de cire ou de savon3,5. Toutefois, le déséquilibre entre le nombre d'enseignants et celui des étudiants rend difficile pour les enseignants d'offrir une orientation individualisée suffisante dans un temps d'enseignement limité4,5. De plus, les étudiants éprouvent souvent des difficultés cognitives importantes lorsqu'ils doivent transformer des images bidimensionnelles en formes tridimensionnelles, ce qui peut réduire à la fois l'efficacité de l'apprentissage et celle de l'enseignement2,5,6.

Ces dernières années, avec le développement rapide des technologies numériques, l'impression tridimensionnelle, la réalité augmentée, la réalité virtuelle et d'autres approches numériques ont progressivement été appliquées à l'enseignement de l'anatomie médicale et des laboratoires dentaires6,7,8,9. Ces technologies surmontent les limitations des atlas bidimensionnels traditionnels, de l'observation de modèles physiques et des démonstrations par l'enseignant en matière de représentation spatiale, offrant aux étudiants une expérience d'apprentissage plus intuitive, dynamique et tridimensionnelle5,6,9.

La réalité augmentée est une technologie de visualisation qui superpose en temps réel des informations virtuelles générées par ordinateur à l’environnement réel, permettant ainsi une fusion virtuel-réel et une interaction homme-machine. En complétant les données tridimensionnelles et les informations spatiales dans des scénarios du monde réel, la RA peut élargir la perception qu’a l’observateur des structures spatiales complexes10,11. Cette caractéristique rend la RA particulièrement adaptée aux scénarios pédagogiques pratiques nécessitant une compréhension spatiale et une coordination main-œil. À l’heure actuelle, la technologie RA a été appliquée de manière préliminaire à l’enseignement de l’anatomie et a reçu des retours positifs11,12,13. Au-delà des contextes éducatifs, la RA a également été transposée en dentisterie clinique. Par exemple, Macrì et al. ont rapporté l’utilisation d’une exposition chirurgicale assistée par RA d’une dent incluse, démontrant que l’enregistrement spatial basé sur la RA et la superposition virtuel-réel en temps réel peuvent être appliqués à la navigation chirurgicale orale14. Cette application clinique apporte un soutien supplémentaire à l’introduction de la visualisation spatiale guidée par RA dans la formation à la morphologie dentaire.

Dans ce protocole, la technologie de réalité augmentée a été utilisée pour faciliter la formation à la taille dentaire en offrant aux étudiants une référence visuelle tridimensionnelle continue et intuitive pendant l'exercice, ce qui peut compléter l'encadrement traditionnel par l'instructeur. À cette fin, un système de taille dentaire assisté par réalité augmentée a été développé conjointement et se compose principalement d'un logiciel de réalité augmentée, d'une caméra haute définition, d'une platine porte-bloc de cire et de quatre marqueurs tridimensionnels de suivi d'objet fabriqués séparément. Les marqueurs ont été assemblés sur la platine, qui maintient le bloc de cire dans une position prédéfinie. Pendant le fonctionnement, le système capture des images de la zone de travail physique via la caméra. Une fois qu'un marqueur d'objet tridimensionnel sur la platine est reconnu, le modèle dentaire virtuel est superposé en temps réel à la position correspondante sur le bloc de cire dans l'interface d'affichage, fournissant ainsi aux étudiants une référence visuelle pour la taille.

Sur la base de ce système, une validation sur un échantillon unique a été réalisée. Un étudiant ayant suivi le cours d'anatomie dentaire a effectué la procédure de sculpture dentaire sous la direction du protocole assisté par RA proposé. La dent sculptée a ensuite été numérisée et traitée sous forme de modèle tridimensionnel, et une analyse objective des écarts morphologiques a été menée en la comparant au modèle dentaire de référence. Les résultats préliminaires obtenus sur un échantillon unique ont indiqué la faisabilité d'utiliser le système AR-ATCS comme outil d'appoint pour la formation à la morphologie dentaire.

Protocole

1. Établissement du modèle numérique standard de la dent

REMARQUE : Dans ce protocole, la première molaire mandibulaire gauche a été utilisée comme dent cible afin de démontrer la faisabilité du flux de travail de sculpture dentaire assisté par RA. Pour d'autres positions dentaires, le flux de travail peut être appliqué après avoir importé le modèle numérique dentaire standard correspondant et redéfini sa relation spatiale avec le marqueur d'objet tridimensionnel. Cette étape prend environ 10 min.

  1. Analyse par numérisation de la chambre du modèle dentaire standard
    1. Préparer le modèle dentaire standard.
      REMARQUE : Dans ce protocole, utiliser un modèle dentaire standard compatible avec un bloc de cire de 25 mm × 25 mm × 50 mm.
    2. Appliquer une couche mince et uniforme de poudre de numérisation ou de spray antireflet sur la surface du modèle dentaire standard afin de réduire les erreurs de numérisation liées aux réflexions.
    3. Placer et fixer le modèle de dent standard préparé sur le support du scanner tridimensionnel de type chambre (équipé de deux caméras de 24 mégapixels et d'une précision de numérisation <10 µm). Veillez à ce que le modèle soit stable et que la zone cible à balayer soit entièrement exposée (Figure 1A).
    4. Ouvrez le logiciel de numérisation 3D, créez une nouvelle commande et nommez-la en fonction de la position dentaire cible. Confirmez les paramètres de numérisation puis cliquez sur Démarrer l'analyse.
    5. Après la numérisation, vérifiez l'intégrité du modèle numérique. Si aucun défaut évident n'est observé, exportez le modèle numérisé au format STL et définissez l'unité en millimètres (Figure 1B).
  2. Segmentation et traitement du modèle de dent numériséFigure 1C)
    1. Logiciel de traitement de données de numérisation 3D ouvert
    2. Cliquez sur Fichier > Ouvrir, sélectionnez le fichier STL du modèle de dent standard, puis cliquez sur Ouvrir.
    3. Dans la fenêtre de sélection d'unité, sélectionnez Millimètres et cliquez sur OK.
    4. Cliquez sur Polygones > Rogner > Tailler avec un planAjuster manuellement la position du plan de coupe au niveau de sectionnement racinaire prévu.
    5. Confirmez la région de coupe, cliquez sur Plan d'intersection > Supprimer la sélection > Fermer intersection > OK pour éliminer la partie excédentaire de la racine et fermer la limite ouverte, et obtenir un modèle numérique étanche de la dent.
    6. Cliquez sur Fichier > Enregistrer et choisir Fichier STL (binaire) (*.STL) dans la liste Type de fichier.
  3. Construction de la base du modèle dentaire standard (Figure 1D)
    ​REMARQUE : Cette étape permet de construire une base régulière pour le modèle numérique standard de la dent, établissant ainsi une relation spatiale stable entre le modèle standard, le bloc de cire et la base de suivi de réalité augmentée (AR). Les noms exacts des options de menu peuvent varier légèrement selon les versions du logiciel.
    1. Ouvrez le logiciel de modélisation 3D.
    2. Cliquez sur Fichier > Ouvrir et sélectionnez le fichier STL du modèle numérique standard de la dent.
    3. Cliquez sur Options, importer en tant que Corps solide ou Corps de surface, puis sélectionnez Créer des corps en maillage délimités par des faces uniques > Regrouper les facettes en faces, puis cliquez sur OK et Ouvrir, de sorte que les facettes triangulaires situées à la base du modèle dentaire puissent être reconnues comme une surface de référence relativement complète.
    4. Créer le point central de la base du modèle. Sélectionner la surface inférieure du modèle de dent, cliquer sur Caractéristiques > Point > Centre du visage > OK pour générer le point central (nommé Point1).
    5. Choisissez la surface inférieure du modèle de dent comme plan de croquis et cliquez sur Esquisse > Rectangle central, dessiner un rectangle centré à Point 1, puis cliquez sur Smart Dimension pour régler le rectangle à 25 mm × 25 mm. Cliquer sur Quitter l'esquisse (intitulé Schéma 1).
    6. Sélectionner Schéma 1. Dans l'onglet Fonctionnalités, cliquez sur Boss/base extrudé(e). Sous Direction 1, sélectionner Aveugle, régler la Profondeur à 20 mm, puis cliquer sur OK pour générer la base du modèle dentaire standard.

2. Conception du support de bloc de cire et de la base de suivi AR

REMARQUE : Les marqueurs tridimensionnels de suivi d'objet et la base en cire pour le suivi de réalité augmentée sont des composants personnalisés. Leur conception peut varier selon l'objectif visé et la stratégie de modélisation. Par conséquent, la base décrite dans ce protocole n'est pas la seule conception possible et peut être modifiée, à condition de maintenir la fixation du bloc de cire, la reconnaissance des marqueurs et le confort de manipulation. Cette étape prend environ 30 min.

  1. Conception de la cavité du bloc de cireFigure 2A, B)
    1. À l'aide du logiciel de modélisation 3D, cliquez sur Nouveau > Partie > OK sur la page d'accueil.
    2. Choisissez le Plan supérieur et cliquez sur Esquisse. Cliquer sur Rectangle central et dessiner l'esquisse initiale centrée sur le Origine.
    3. Cliquez sur Smart Dimension pour régler le rectangle à 40 mm × 40 mm, cliquez sur Dimension de sortie (appelé Croquis 1).
    4. Choisir Croquis 1, cliquez sur Caractéristiques > Boss/base extrudé, sous Direction 1, choisir Aveugle, et régler la Profondeur à 32,5 mm pour créer un parallélépipède de 40 mm × 40 mm × 32,5 mm (nommé Boss – Extrusion 1).
    5. Sélectionnez la surface supérieure du parallélépipède, cliquez sur Esquisse > Rectangle central, et créer l'esquisse initiale centrée sur le Origine. Ensuite, cliquez sur Smart Dimension et régler la taille du rectangle à 25,2 mm × 25,2 mm (nommé Esquisse 2). Cette dimension permet d'insérer un bloc de cire de 25 mm × 25 mm avec une tolérance d'assemblage d'environ 0,2 mm.
    6. Choisir Croquis 2, cliquez sur Caractéristiques > Découpe par extrusion, et régler la profondeur de coupe à 20 mm pour créer l'évidement dans le bloc de cire.
  2. Conception de douilles négatives pour les marqueurs de suivi d'objets en trois dimensions
    1. Choisissez une surface verticale du parallélépipède rectangle et cliquez sur Esquisse > Rectangle central, dessinez un rectangle sur la face choisie, cliquez sur Smart Dimension, et réglez-le à 5,2 mm × 5,2 mm (nommé Croquis 3).
    2. Cliquez sur Caractéristiques > Découpe par extrusion, choisir Croquis 3et régler la profondeur de coupe à 5 mm.
    3. Répétez les étapes ci-dessus pour créer des logements sur les quatre surfaces verticales. Pour le logement sur la surface inférieure, définissez la taille de l'esquisse à 10,2 mm × 10,2 mm et la profondeur de découpe à 10 mm.
    4. Cliquez sur Enregistrer et enregistrer le porte-bloc de paraffine comme un SLDPRT fichier.
  3. Conception pour une stabilité de la base et un confort de taille optimal
    1. À l'aide du logiciel de modélisation 3D, cliquez sur Nouveau > Partie > OK sur la page d'accueil.
    2. Choisissez le Plan supérieur et cliquez sur Esquisse > Cercle, tracer un cercle de 80 mm de diamètre centré au point Origine (appelé SSchéma 1).
    3. Choisissez l'esquisse 1, cliquez sur Caractéristiques > Boss/Base par extrusion, et régler la profondeur à 5 mm pour créer une plaque circulaire de stabilisation.
    4. Cliquez sur Plan droit et dessiner un triangle rectangle isocèle avec le Origine comme milieu de l'hypoténuse, une longueur de côté de 40 mm et un angle de 45° pour créer une esquisse (nommée Croquis 2).
    5. Choisir Croquis 2, cliquez sur Caractéristiques > Boss/base extrudé(e), choisir Plan médian sous Direction, et régler la profondeur à 40 mm pour générer une structure inclinée à 45 ° (nommée Boss-Extrude 2).
    6. Choisissez la surface inclinée, cliquez sur Esquisse> Rectangle central, dessiner un rectangle central de 10 mm × 10 mm, cliquer sur Boss/extrusion de base et régler la profondeur à 10 mm pour créer le connecteur de support à la base.
    7. Cliquez sur Enregistrer et enregistrez la structure de support stabilisante sous forme de fichier SLDPRT.
  4. Conception des marqueurs de suivi d'objets en trois dimensions
    ​REMARQUE : Le marqueur doit présenter une structure rigide, des caractéristiques de surface stables et une complexité géométrique suffisante afin d'améliorer la stabilité de la reconnaissance et du suivi d'objets tridimensionnels.
    1. À l'aide du logiciel de modélisation 3D, cliquez sur Nouveau > Partie > OK sur la page d'accueil.
    2. Choisissez le Plan supérieur et cliquez sur Esquisse > Polygone, dessiner un hexagone centré à l'origine, cliquer sur Smart Dimension, régler la longueur du côté à 7,5 mm (nommé Schéma 1).
    3. Choisir Schéma 1, cliquez sur Caractéristiques > Boss/base par extrusion, et régler la profondeur à 10 mm.
    4. Sélectionnez la face inférieure, cliquez sur Esquisse> Rectangle central, dessiner un rectangle central de 5 mm × 5 mm (nommé Croquis 2).
    5. Choisir Croquis 2, cliquez sur Caractéristiques > Boss/Base extrudé, et régler la profondeur à 5 mm pour former une broche s'insérant dans la douille négative de la base.
    6. Utilisez le Brouillon fonction avec la face supérieure comme plan neutre. Sélectionner chaque surface latérale comme plan d'inclinaison et appliquer des angles d'inclinaison différents à chaque surface afin d'augmenter l'asymétrie des caractéristiques géométriques. Ajuster les angles d'inclinaison en fonction des performances de reconnaissance, tout en évitant une symétrie complète entre toutes les surfaces latérales.
    7. Sélectionnez la surface supérieure du marqueur, cliquez sur Esquisse > Text, et entrez une étiquette de texte pour ajouter des caractéristiques visuelles locales et faciliter la reconnaissance (nommé Croquis 3).
    8. Choisir Croquis 3, cliquez sur Caractéristiques > Boss/base extrudé, et régler la profondeur d'extrusion sur 2 mm.
    9. Répétez les étapes ci-dessus pour créer les quatre marqueurs latéraux correspondant aux surfaces mésiale, distale, vestibulaire et linguale.
    10. Cliquez sur Enregistrer et enregistrez chaque marqueur sous forme de fichier SLDPRT.
  5. Assemblage de la base et des marqueurs AR et confirmation des relations spatiales
    1. À l'aide du logiciel de modélisation 3D, cliquez sur Nouveau > Assemblage > OK sur la page d'accueil.
    2. Cliquez sur Insérer les composants, importez la base en cire de suivi AR, la structure de support stabilisante et tous les marqueurs de suivi d'objets tridimensionnels.
    3. Cliquez sur Accoupler fonction et appliquer Cohérents, parallèles, perpendiculaires, ou d'autres relations de croisement, pour définir les positions spatiales entre les marqueurs et la base.
    4. Cliquez sur Enregistrer sous, sélectionner STL format, puis cliquez sur Options dans la fenêtre.
    5. Confirmer Enregistrer tous les composants d'un assemblage dans un seul fichier n'est pas sélectionné, cliquez sur OK > Enregistrer, exporter séparément les fichiers STL des composants individuels pour l'importation du modèle et la configuration des relations spatiales dans le logiciel de réalité augmentée.

3. Impression 3D et post-traitement des modèles

REMARQUE : En utilisant l'imprimante et les paramètres d'impression décrits dans ce protocole, l'impression d'un ensemble complet de modèles prend environ 70 min.

  1. Sélection des matériaux et configuration de l'imprimante (Figure 2C,D)
    1. Utiliser un filament de polylactide (PLA) mat gris pour l'impression afin de réduire les réflexions et faciliter la reconnaissance par la caméra de réalité augmentée.
    2. Utiliser une imprimante 3D FDM fermée pour contrôler l'environnement d'impression et améliorer la stabilité du processus. Ajuster les paramètres en fonction des caractéristiques de l'imprimante et du filament.
    3. Importer le modèle STL dans le logiciel de tranchage. Déterminer l'orientation optimale en déplaçant, en tournant et en sélectionnant la surface d'impression afin de réduire les erreurs d'impression.
    4. Configurer les paramètres de tranchage à l'aide du logiciel de tranchage. Ces paramètres peuvent être ajustés selon l'imprimante et le matériau utilisés.
  2. Paramètres de tranchage recommandés
    1. Régler le diamètre de la buse à 0,4 mm, la température de la buse à 220 °C et la température du plateau de construction à 55 °C. Utiliser un plateau de construction PEI texturé.
    2. Régler la hauteur de couche à 0,2 mm, la densité de remplissage à 15 % et la vitesse d'impression à 50 mm/s pour la première couche, 200 mm/s pour la paroi externe et 300 mm/s pour la paroi interne.
    3. Activer automatiquement les supports arborescents en présence de structures en porte-à-faux. Omettre les structures de support s'il n'y a pas de porte-à-faux. Activer le refroidissement.
    4. Étalonner l'imprimante avant l'impression et vérifier la couleur du filament ainsi que l'état de sa surface.
  3. Post-traitement des modèles imprimés
    1. Après l'impression et le refroidissement, retirer le plateau de construction et le courber doucement pour détacher naturellement le modèle, préservant ainsi la texture de surface du plateau.
    2. Retirer soigneusement les structures de support à l'aide d'une pince à bec effilé. Après suppression des supports, inspecter le modèle afin de détecter d'éventuels problèmes d'intégrité ou de déformation. Si les zones de contact avec les supports sont rugueuses, les polir délicatement avec du papier de verre ou une lime afin d'améliorer la stabilité de la base.

4. Configuration du logiciel de réalité augmentée et enregistrement virtuel-réel

REMARQUE : Dans ce protocole, un logiciel de réalité augmentée (AR) a été utilisé pour importer le modèle numérique standard de la dent et générer la superposition virtuel-réel. Une caméra RVB haute définition a été utilisée pour capturer des images RVB en 1080p à 30 images par seconde. La fonction de détection de profondeur de la caméra n’a pas été utilisée pour le suivi ou le recalage (Figure 3A,B). L’importation des modèles virtuels dans le logiciel et la définition de la couleur et de la transparence du modèle ont pris moins d’une minute. Le processus de recalage a pris moins de 5 secondes, et une navigation en temps réel a été obtenue immédiatement après un recalage réussi.

  1. Préparation du matériel
    1. Allumez l'ordinateur et connectez la caméra haute définition via un port USB 3.0. Vérifiez que le système reconnaît la caméra.
      ​REMARQUE : Les paramètres de calibration de la caméra ont été prédéfinis lors du développement logiciel et utilisés pour l'enregistrement de réalité augmentée (RA). Aucune calibration supplémentaire n'était nécessaire lors des utilisations ultérieures. Pour d'autres systèmes de RA, une calibration répétée de la caméra doit être effectuée conformément aux exigences du système.
  2. Importation du modèle et réglages d'affichage
    1. Ouvrez le logiciel de réalité augmentée.
    2. Cliquez sur Importer STL, sélectionnez le dossier contenant les fichiers STL du modèle numérique standard de dent et des modèles de marqueurs de RA, puis importez les modèles requis.
    3. Réglez la couleur du modèle de dent virtuel sur blanc afin d'obtenir un fort contraste avec le bloc de cire rouge, et définissez la transparence sur 0,4 pour faciliter l'observation de la relation entre l'instrument de sculpture et le contour du modèle de dent.
  3. Démarrage de la navigation et de l'enregistrement en RA
    REMARQUE : Pendant l'enregistrement, évitez d'occulter le marqueur avec la main ou les instruments de sculpture. Si le système ne parvient pas à reconnaître le marqueur, retirez l'obstruction et réajustez la base afin que le marqueur réapparaisse clairement dans le champ de vue de la caméra.
    1. Sélectionnez le marqueur de RA, puis cliquez sur Navigation virtuelle > Navigation par caméra. Dans la fenêtre contextuelle, sélectionnez la caméra à utiliser et démarrez la navigation en RA.
    2. Placez le marqueur physique de suivi tridimensionnel au centre du champ de vue de la caméra, en maintenant une distance de travail d'environ 25 cm. Utilisez un fond non réfléchissant et évitez une illumination directe intense dans la zone opératoire afin de garantir une reconnaissance stable du marqueur.
    3. Réglez l'angle de la caméra de sorte que l'axe optique soit approximativement perpendiculaire à la surface du marqueur ou forme un angle oblique d'environ 30°–45°, permettant ainsi au contour virtuel du marqueur dans le logiciel de coïncider le plus précisément possible avec le marqueur physique en taille, orientation et position.
      ​REMARQUE : Lorsque le marqueur virtuel coïncide étroitement avec le marqueur physique, le système le reconnaît automatiquement et finalise l'enregistrement, activant le suivi en temps réel. Le contour du marqueur virtuel passe du rouge au vert, et le modèle de dent virtuel s'affiche alors selon sa relation spatiale prédéfinie avec le marqueur, en se superposant de manière stable à la position correspondante sur le bloc de cire.
    4. Cliquez sur Réglages des paramètres pour ajuster le seuil de qualité de suivi.
      REMARQUE : Ce seuil sert à déterminer la qualité d'appariement entre le modèle virtuel et la scène réelle ; l'enregistrement est considéré comme réussi uniquement lorsque la concordance des caractéristiques et la confiance en la localisation atteignent le seuil prédéfini. Dans ce système, le seuil de qualité de suivi a été fixé à 0,7 sur la base de tests préliminaires répétés. Cette valeur a été choisie car elle permet une reconnaissance rapide tout en maintenant un suivi en temps réel stable et un enregistrement virtuel-réel fiable. Des seuils inférieurs facilitent l'enregistrement du marqueur mais réduisent sa précision, tandis que des seuils plus élevés augmentent la difficulté et le temps nécessaires à l'enregistrement du marqueur.

5. Procédure de sculpture dentaire assistée par RA

  1. Insérez le bloc de cire de 25 mm × 25 mm × 50 mm dans l'encoche de la base du bloc de cire pour le suivi AR. Assurez-vous que le fond du bloc de cire est bien en appui contre le fond de l'encoche et que le bloc de cire est stable.
  2. Démarrez la navigation en réalité augmentée. Déterminez la zone et la direction de coupe initiales en fonction du recouvrement entre le modèle dentaire virtuel et le bloc de cire. Faites pivoter lentement la base pour observer le modèle dentaire virtuel sous différents angles de vue.
  3. Observez le modèle dentaire virtuel depuis la direction de vue correspondant au marqueur de suivi d'objet tridimensionnel reconnu et ses surfaces adjacentes. Évitez de vous fier à la surface opposée, car elle pourrait ne pas être affichée de manière stable lorsque seul un marqueur est reconnu.
  4. Faites pivoter le support du bloc de cire afin d'exposer le marqueur de suivi d'objet tridimensionnel mesial, distal, vestibulaire ou lingual selon les besoins. Dans les Paramètres du modèle, sélectionnez le marqueur correspondant pour changer la surface de visualisation.
  5. Ajustez la couleur et la transparence du modèle dentaire virtuel dans les Paramètres du modèle en fonction de l'étape d'observation.
  6. Retirez toute main ou instrument obstruant le marqueur. Si le système ne parvient pas à reconnaître le marqueur en raison d'une occultation ou d'une rotation rapide de la base, réajustez lentement la position de la base jusqu'à ce que le marqueur soit à nouveau reconnu, puis poursuivez la sculpture (Figure 3C,D).

Résultats

Le système AR-ATCS a reconnu avec succès le marqueur de suivi tridimensionnel sur la base et a superposé de manière stable le modèle virtuel de la dent à la position correspondante sur le bloc de cire en temps réel. Le modèle virtuel représentait fidèlement les principales structures anatomiques, les limites morphologiques et les contours de surface, notamment les cuspides, les fosses et sillons, les crêtes marginales, les contours des surfaces axiales et le contour de la couronne. Lorsque la base était tournée lentement et que le marqueur de suivi restait non obstrué, un enregistrement stable entre le modèle virtuel de la dent et le bloc de cire était maintenu. Cela permettait de visualiser la morphologie de la dent cible sous plusieurs perspectives, notamment les vues vestibulaire, linguale, mésiale, distale et occlusale. Ces résultats démontrent que le système fournit une référence visuelle tridimensionnelle continue facilitant l'identification des écarts morphologiques locaux durant la sculpture dentaire.

Lorsque le marqueur de suivi était partiellement occulté par la main de l'opérateur ou par les instruments de sculpture, ou lorsque la base était tournée trop rapidement, la reconnaissance du marqueur était interrompue, entraînant la perte de la superposition du modèle virtuel. Le repositionnement de la base et l'élimination de l'obstruction ont permis de rétablir la reconnaissance du marqueur et une registration stable entre le virtuel et le réel, permettant ainsi de reprendre la sculpture.

Une analyse de l'écart de superposition dans le plan image en deux dimensions a été effectuée afin d'évaluer l'erreur de superposition virtuel-réel. Pour chaque essai d'alignement, la caméra était fixe, et la base de sculpture dentaire munie du marqueur de suivi d'objet était déplacée au centre du champ de vision de la caméra. Lorsque le contour du marqueur virtuel coïncidait approximativement avec celui du marqueur physique, le système finalisait automatiquement l'alignement. Une image de superposition en deux dimensions était alors capturée. Quatre points de repère situés aux coins de la base de sculpture dentaire étaient sélectionnés sur chaque image capturée, et les coordonnées physiques et virtuelles correspondantes de ces points de repère étaient enregistrées (Figure 4). La distance euclidienne entre chaque paire de points physique et virtuel était calculée comme l'écart de superposition en deux dimensions. Pour chaque surface, 10 essais d'alignement répétés ont été réalisés, et quatre paires de points de repère physiques–virtuels correspondants ont été mesurées lors de chaque essai. Ainsi, 40 paires de points ont été analysées par surface, donnant un total de 200 paires de points sur cinq surfaces. Pour les surfaces vestibulaire, distale, mésiale et linguale, l'alignement a été effectué à l'aide du marqueur de suivi d'objet correspondant à chaque surface. Pour la surface occlusale, l'alignement a d'abord été réalisé à l'aide des marqueurs des autres surfaces, puis la base a été tournée afin d'obtenir l'image de superposition en vue occlusale. Cette rotation supplémentaire pourrait avoir contribué à l'écart plus important observé dans cette vue. L'écart moyen global de superposition en deux dimensions était de 0,679 ± 0,381 mm, avec un écart quadratique moyen (RMS) de 0,778 mm. La surface occlusale présentait l'écart et la variabilité les plus élevés, tandis que les surfaces vestibulaire, distale, mésiale et linguale présentaient des écarts de superposition plus faibles (Tableau 1).

Le résultat de la sculpture présenté ici a été obtenu à partir d'un seul étudiant ayant récemment terminé un cours d'anatomie dentaire et ayant réalisé la procédure de sculpture dentaire en moins de 2 heures sous la supervision continue du système AR-ATCS ; par conséquent, l'analyse quantitative des écarts représente des données issues d'un échantillon unique. Une analyse tridimensionnelle des écarts a été effectuée en comparant le modèle de dent sculptée numérisé avec le modèle dentaire de référence. En utilisant une tolérance prédéfinie de ±0,5 mm, 52,26 % des points de surface se situaient dans cette plage. L'écart moyen signé était de 0,1025 mm, et l'écart quadratique moyen (RMS) était de 0,7434 mm. Les écarts maximaux positif et négatif étaient respectivement de +1,9275 mm et −1,9272 mm. La carte des écarts codée par couleurs indiquait que les différences morphologiques les plus importantes étaient principalement localisées sur la surface occlusale et certaines régions des contours axiaux (Figure 5). Ces valeurs d'écart représentent l'écart cumulé entre le modèle final de dent sculptée et le modèle dentaire de référence après numérisation tridimensionnelle et alignement des modèles, et non des mesures isolées de l'erreur de sculpture, de l'erreur d'enregistrement de la RA ou de l'erreur de numérisation.

Ces résultats préliminaires obtenus à partir d'un échantillon unique soutiennent la faisabilité technique du flux de travail AR-ATCS. Pendant la procédure de sculpture dentaire observée, le système a maintenu un recouvrement en temps réel du modèle dentaire virtuel sur le bloc de cire physique, fournissant une référence tridimensionnelle de la morphologie dentaire et des caractéristiques anatomiques associées.

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Figure 1 : Préparation du modèle numérique standard de dent en cire. (A) Balayage tridimensionnel de la dent en cire standard. (B) Données initiales du balayage de la dent en cire standard et des structures environnantes. (C) Modèle numérique de la dent standard après découpage et optimisation de la surface. (D) Le modèle de la dent standard a été aligné avec la base virtuelle du bloc de cire afin de définir sa position spatiale dans le système de réalité augmentée. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Conception et fabrication de la base porteuse du bloc de cire. (A) Modèle de conception tridimensionnel de la base porteuse du bloc de cire et du marqueur de suivi d'objet conçu séparément en trois dimensions. (B) Configuration de la relation spatiale entre le modèle numérique standard de dent et la base porteuse du bloc de cire. (C) La base porteuse du bloc de cire imprimée en 3D avec le marqueur de suivi d'objet imprimé séparément. (D) Le bloc de cire est fixé sur la base porteuse imprimée en 3D pour la suite de la sculpture de la dent assistée par réalité augmentée.

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Figure 3 : Flux de travail du modelage dentaire assisté par réalité augmentée. (A) Interface du logiciel de navigation en réalité augmentée affichant le modèle numérique dentaire standard importé et un marqueur de suivi d'objet tridimensionnel. (B) Après reconnaissance du marqueur d'objet tridimensionnel sur la base, le système superpose en temps réel le modèle dentaire virtuel standard à la position correspondante du bloc de cire physique. (C) Le modelage dentaire initial est réalisé sous guidage de réalité augmentée en utilisant le modèle dentaire virtuel comme référence morphologique tridimensionnelle. (D) Un ajustement fin des structures anatomiques locales, incluant les cuspides, les fosses et sillons, les crêtes marginales et les contours des surfaces axiales, est effectué sous guidage de réalité augmentée. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

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Figure 4 : Mesure de l'écart de superposition dans le plan image en deux dimensions après l'enregistrement de réalité augmentée. Après l'enregistrement automatique en réalité augmentée, une image superposée en deux dimensions a été capturée. P1–P4 indiquent les quatre points de repère situés aux coins sélectionnés sur la base physique de sculpture dentaire, et P1′–P4′ indiquent les points de repère correspondants sélectionnés sur la superposition virtuelle. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

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Figure 5: Analyse tridimensionnelle des écarts du modèle de dent sculpté par rapport au modèle de dent standard. Des cartes tridimensionnelles des écarts sont présentées en vue vestibulaire (A), vue linguale (B), vue occlusale (C), vue médiale (D) et vue distale (E). Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

SurfacePaires de points, nMoyenne ± ÉT (mm)RMS (mm)Min (mm)Max (mm)
Surface vestibulaire400.711 ± 0.2260.7450.2351.174
Surface distale400.489 ± 0.1560.5130.1460.913
Surface mésiale400.510 ± 0.2070.5490.1940.856
Surface linguale400.540 ± 0.2620.5990.1811.098
Surface occlusale401.145 ± 0.4941.2450.272.401
Ensemble2000.679 ± 0.3810.7780.1462.401

Tableau 1 : Écart de superposition dans le plan image bidimensionnel de l'enregistrement virtuel-réel de la réalité augmentée.

Discussion

L'enseignement de l'anatomie dentaire a évolué au fil du temps, adoptant un modèle pédagogique classique qui associe instruction théorique et formation pratique. Une compréhension précise de la morphologie anatomique des dents constitue un fondement essentiel pour la pratique clinique buccale, notamment dans les procédures liées au traitement prothétique, au traitement endodontique, à la reconstruction occlusale et à la restauration implantaire. Par conséquent, les chercheurs ont exploré continuellement de nouvelles méthodes et technologies pédagogiques afin d'aider à établir des systèmes de connaissances anatomiques. Les études antérieures ont principalement amélioré l'enseignement de l'anatomie dentaire en optimisant les méthodes d'enseignement et en explorant l'applicabilité de différents matériaux de sculpture. Avec le développement des technologies numériques, la numérisation tridimensionnelle, la reconstruction 3D, l'impression 3D, la réalité virtuelle et la réalité augmentée se sont progressivement étendues des applications cliniques à l'enseignement médical, offrant ainsi aux étudiants de nouveaux outils pour comprendre des structures tridimensionnelles complexes15. À l'avenir, avec le développement de l'intelligence artificielle et de l'informatique mobile, ces technologies devraient être intégrées à l'enseignement courant de manière plus abordable et plus pratique.

Dans ce système, le modèle dentaire standard peut être réutilisé. Les marqueurs de suivi d'objet tridimensionnel peuvent être conçus à l'aide d'un logiciel de modélisation 3D, et leurs relations spatiales peuvent être déterminées avant d'être directement importées dans le logiciel de réalité augmentée. L'ensemble du flux de travail peut ensuite être réalisé en imprimant en 3D la base de sculpture dentaire. Il convient de noter que l'utilisation de modèles dentaires imprimés en 3D comme références physiques pour la formation à la sculpture dentaire s'est également révélée pédagogiquement utile, offrant des avantages tels qu'un faible coût, une morphologie intuitive et une observation répétée. Toutefois, la technologie de réalité augmentée permet une navigation visuelle en temps réel. Elle peut fournir, dans l'environnement réel de sculpture sur bloc de cire, une référence visuelle tridimensionnelle en temps réel, rotatable et dont la transparence est ajustable13. À mesure que la technologie progresse, on s'attend à ce que la réalité augmentée soit appliquée à l'enseignement sous une forme moins coûteuse, plus simple et plus pratique. Par conséquent, l'enseignement assisté par réalité augmentée présente un potentiel de développement considérable.

Pour les systèmes de réalité augmentée (RA), la qualité de la visualisation, la stabilité du suivi et la précision du recalage sont des facteurs techniques clés qui déterminent la fiabilité du superposition virtuel-réel et l'expérience utilisateur16. Des études antérieures ont exploré l'utilisation de systèmes de RA pour l'enseignement du modelage dentaire, mais la plupart ont adopté un suivi par image5,13. En revanche, le système actuel utilise un suivi d'objet tridimensionnel. Le suivi par marqueur d'image offre une préparation simple, un faible coût et un déploiement aisé, et peut assurer une reconnaissance stable lorsque le marqueur est clairement visible et dans un angle de vue approprié. Lors du modelage dentaire, le bloc de cire doit souvent être tourné afin que l'opérateur puisse observer la morphologie dentaire cible sous plusieurs angles. Dans ces conditions, un marqueur d'image peut ne pas rester entièrement visible dans le champ de vue de la caméra, ce qui peut interrompre la reconnaissance du marqueur et limiter la continuité de l'aide en temps réel par RA. Comparé au suivi par image, qui repose principalement sur des marqueurs d'image plans, le suivi d'objet tridimensionnel estime la pose spatiale de l'objet à partir de son contour géométrique et de ses caractéristiques visuelles naturelles. Cela permet au système de recalibrer le modèle dentaire virtuel avec la base physique en cire sous différents angles de vue, s'approchant ainsi davantage du scénario réel de modelage dentaire, dans lequel l'opérateur doit tourner et observer le bloc de cire pendant l'exercice. Toutefois, cette approche nécessite généralement un modèle CAO ou un modèle tridimensionnel numérisé de l'objet à suivre, suivi d'une impression 3D et d'un assemblage, ce qui augmente la complexité de la préparation du modèle par rapport au suivi par marqueur d'image plan. Par conséquent, une stratégie pratique consiste à fixer le bloc de cire sur une base possédant des structures géométriques marquées et des caractéristiques visuelles distinctes. Sur la base de cette méthode de suivi, le système optimise la stratégie de suivi en s'appuyant sur des marqueurs intégrés à la base pour afficher le modèle dentaire virtuel dans un champ de vision rectangulaire. Lors des itérations du système, une fonction de réglage du seuil de recalage a été ajoutée afin d'équilibrer sensibilité de reconnaissance et précision de superposition. Un seuil plus bas améliore le taux de réussite de la reconnaissance mais peut réduire la stabilité du recouvrement, tandis qu'un seuil plus élevé améliore la précision du recalage mais peut rendre la reconnaissance plus difficile. En outre, l'interface de suivi permet aux utilisateurs de changer de modèle de suivi et d'ajuster la transparence en temps réel, simplifiant ainsi l'opération.

Cependant, ce système présente encore plusieurs limitations. Premièrement, le système actuel dépend d'un ordinateur et d'une caméra externe haute définition. La connexion des dispositifs et leur disposition spatiale sont relativement complexes, ce qui limite son utilisation dans l'enseignement en grand groupe. Afin de réduire les coûts et d'améliorer l'accessibilité, des travaux sont en cours pour adapter le système à des appareils mobiles tels que les tablettes et les smartphones. Deuxièmement, les performances de reconnaissance sont affectées par l'éclairage, l'angle de la caméra, l'occultation du marqueur et la vitesse de rotation de la base. Lorsque le marqueur est occulté ou que la base tourne trop rapidement, le système peut ne pas réussir à le reconnaître, et le marqueur doit être à nouveau exposé pour que la reconnaissance soit rétablie. Une autre limitation de ce protocole est que plusieurs logiciels commerciaux ou sur mesure ont été utilisés pour la conception du modèle, le traitement du maillage et l'enregistrement de la réalité augmentée. Certaines fonctions pourraient être partiellement remplacées par des alternatives open source ou peu coûteuses. Par exemple, FreeCAD ou Blender peuvent être utilisés pour la conception et l'édition de modèles tridimensionnels, et MeshLab ou CloudCompare pour le traitement des maillages. En outre, Unity combiné à Vuforia Engine pourrait fournir un cadre de développement potentiel pour la réalité augmentée basée sur la reconnaissance d'objets tridimensionnels, comme le suivi basé sur un modèle cible. Toutefois, la reproduction du flux de travail de réalité augmentée utilisé dans ce protocole nécessiterait encore un développement logiciel supplémentaire, une optimisation des paramètres et une validation. Par conséquent, bien que les étapes de modélisation et de traitement du maillage puissent être partiellement reproduites à l'aide de logiciels alternatifs, le module de suivi et d'enregistrement de réalité augmentée mis en œuvre dans ce protocole ne peut pas être directement remplacé par un logiciel open source existant sans développement et validation supplémentaires.

Enfin, l'analyse de l'écart dans le plan d'image bidimensionnel ne peut refléter que partiellement la précision de superposition du système. Étant donné que le modelage dentaire est une procédure tridimensionnelle, les données actuelles ne permettent pas de démontrer pleinement la précision de registration tridimensionnelle nécessaire à une formation fine au modelage dentaire. Les effets de l'occultation des marqueurs, de l'angle de la caméra, de l'éclairage et de la vitesse de rotation sur la performance de registration n'ont pas non plus été évalués séparément. Par conséquent, il reste incertain si le système offre une précision suffisante pour guider finement le modelage dentaire. Enfin, cette étude n'a réalisé qu'une validation du flux de travail sur un seul échantillon, et sa capacité à améliorer la qualité du modelage des étudiants ainsi que leurs résultats d'apprentissage doit encore être confirmée par des études contrôlées à grand échantillon.

En résumé, cette étude propose un protocole de sculpture dentaire assistée par réalité augmentée basé sur le suivi d'objets tridimensionnels. Les résultats de validation sur un échantillon unique suggèrent que ce flux de travail permet d'obtenir un recouvrement en réalité augmentée entre le modèle dentaire standard et la scène opératoire réelle du bloc de cire, offrant ainsi une référence visuelle tridimensionnelle intuitive pour la formation à la sculpture dentaire. Bien que les résultats actuels ne puissent pas démontrer directement que son efficacité pédagogique est supérieure à celle des méthodes traditionnelles, ce protocole démontre la faisabilité et l'intérêt d'approfondir les recherches sur l'application de la technologie de réalité augmentée à la formation à la sculpture dentaire. Grâce aux progrès des appareils mobiles, des algorithmes de reconnaissance tridimensionnelle et de l'intelligence artificielle, l'enseignement de la sculpture dentaire assisté par réalité augmentée pourrait être intégré dans l'enseignement des laboratoires dentaires de manière moins coûteuse, plus pratique et plus évolutive.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont aucune incompatibilité d'intérêts à déclarer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par l'équipe de l'Université médicale de Kunming pour le diagnostic et le traitement des malformations craniofaciales complexes (2024XKTDTS08), le projet de recherche du Centre médical clinique provincial du Yunnan (2024YNLCYXZX0227, 2024YNLCYXZX0229), le Centre de recherche clinique du Yunnan pour les maladies buccales (202505AJ310001) et le plan de soutien à la formation des talents de haut niveau de la province du Yunnan (YNWR-MY-2020-086).

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Scanner 3DSHINING 3DAutoScanEPCG-BD032G26Utilisé pour la numérisation tridimensionnelle de la dent en cire standard.
CaméraIntal RealSenseD415Utilisée pour acquérir le champ de vision en temps réel afin de reconnaître le marqueur d'objet tridimensionnel.
Instrument de sculpture dentaire en cirePermet de sculpter le bloc de cire.
E3D CMFHunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, Chine.https://www.e3d-med.com/Logiciel de navigation AR.
Imprimante 3D FDMBambu Lab31B8BP631300564Utilisée pour fabriquer la base du support de bloc de cire et le marqueur de suivi d'objet tridimensionnel.
Geomagic Wrap3D Systems Corporationversion 2021Utilisé pour traiter les données de numérisation 3D de la dent en cire standard.
Filament PLABambu Lab10105Utilisé pour l'impression 3D FDM.
SOLIDWORKS Dassault Systèmesversion 2025Utilisé pour la modélisation 3D de la base du support de bloc de cire et du marqueur de suivi d'objet.
Bloc de cireExercice de sculpture dentaire.

Références

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Morphologie dentaireMod le dentaire 3DFormation en anatomie dentaireSuivi d objets virtuelsVision par ordinateurDentisterie restauratriceTraitement endodontique
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